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本科毕业设计说明书（论文）第1页共34页1绪论工业生产的各个领域,无论是过程控制系统还是传动控制系统,都包含着大量的开关量和模拟量。开关量也称数字量,如电动机的启停、阀门的开闭、电子线路的转置位与复位、计时、计数等；模拟量也称连续量,如不断变化的温度、压力、速度、流量、液位等。从生产机械所应用的电器与控制方法看,最初是采用一些手动电器来控制执行电器,这类手动控制适用于一些容量小、操作单一和场合。随后发展为采用自动控制电器的继电-接触器控制系统。这种控制系统的特点是结构简单,价格低廉,维护方便,抗干扰强,因而广泛应用于各类机械设备上。但由于该控制形式是固定接线,通用和灵活性差,又由于采用有触点的开关动作,工作频率低,触点易损坏,可靠性差。随着生产力的发展和科学技术的进步,人们对所用控制设备不断提出新的要求。具有程序变更容易、程序存储量大、通用性强等优点的由集成电路组成的顺序控制器应运而生。所谓顺序控制,是以预先规定也的时间或条件为依据,按预先规定好的动作次序,对控制过程各阶段顺序地进行以开关量为主的自动控制。曾经流行的顺序控制器主要有3种类型:基本逻辑型、条件步进型和时间步进型。其特点是:通用性和灵活性强,通过更改程序可以很方便地适应经常更改的控制要求,容易对大型、复杂系统进行控制,但程序的实现和更改方式并没有从本质上改变,仍然是对硬件进行设置和更改。1.1选题背景1969年,结合计算机技术与继电器接触控制技术诞生出了可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),它具有逻辑控制、定时、计数等功能,并取代了继电-接触器控制。PLC采用计算机存储程序和顺序执行的原理；编程语言采用直观的类似继电-接触器控制电路图的梯形语言,这使得控制现场的工作人员可以很容易地学习和使用。控制程序的更改可以通过直接改变存储器中的应用软件来实现,由于软件的更改极易实现,从而在实现方式上有了本质的飞跃,其通用性和灵活性进一步增强。随着时代的发展,PLC技术也在不断的发展,相继出现了以微处理器为核心的可编程序控制ICU(IndustrialControlUnit)和由中央微处理器(CPU)、大规模集成电路、电子开关、功率输出器件等组成的可编程控制器PC(ProgrammableController)。在其本科毕业设计说明书（论文）第2页共34页技术发展迅猛的今天,这个课题值得我们去仔细研究与学习应用[1,2]。图1－1PLC的基本组成1.2可编程控制器（PLC）历史与发展趋势1.2.1可编程控制器的历史1969年,美国数字设备公司(DEC公司)研制出第一台可编程序控制器PDP-14,在美国通用汽车公司的生产线上试用成功,并取得了满意的效果,可编程序控制器自此诞生。可编程序控制器自问世以来,发展极为迅速。1971年,日本开始生产可编程序控制器。1973年,欧洲开始生产可编程序控制器。到现在世界各国的一些著名的电气工厂几乎都在生产可编程序控制器装置。可编程序控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中,成为当代电控制装置的主导。1.2.2可编程控制器的发展趋势早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,它采用了一些计算机技术但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展,可编程序控制器也在不断的发展。可编程序控制器的发展趋势主要体现在以下几个方面:(1)速度更快,体积更小；本科毕业设计说明书（论文）第3页共34页(2)工业控制技术的集成；(3)开放性及与主流计算机的结合；(4)仿真软件的开发；(5)实现远程服务[3,4]。1.3PLC的工作原理PLC是基于电子计算机的工业控制器,从PLC产生的背景来看,PLC系统与继电-接触器控制系统有着极深的渊源,因此,可以比照继电-接触器控制系统来学习PLC的工作原理。1.3.1PLC的等效电路一个继电-接触器控制系统必然包括3个部分:输入部分、逻辑电路部分、输出部分。输入部分的组成元件大体上是各类按钮、转换开关、行程开关、接近开关、光电开关等；输出部分则是各种电磁阀线圈、接触器、信号指示灯等执行元件。将输入与输出联系起来的就是逻辑电路部分,一般由继电器、计数器、定时器等元件的触点、线圈按照要求的逻辑关系连接而成,能够根据一定的输入状态输出所要求的控制动作。PLC系统也同样包含这3个部分,唯一的区别是:PLC的逻辑电路部分用软件来实现,用户所编制的控制程序体现了特定的输入/输出逻辑关系。图1－2PLC等效电路当用PLC来完成控制任务时,可将输入条件接入PLC,而用PLC的输出单元驱动接触器KM,它们之间要满足的逻辑关系由程序实现。如图1－2所示,输入按钮信号经过PLC的接线端子进入输入接口电路,PLC的输出经过输出接口、输出端子驱动接本科毕业设计说明书（论文）第4页共34页触器KM；用户程序所采用的编程语言为梯形图语言。输入映像对应的是PLC内部的数据存储器,而非实际的继电器线圈。图中X、Y分别表示输入、输出接口的地址,也对应着存储器空间中特定的存储位,这些位的状态(ON或者OFF)表示相应的输入、输出端口状态。每一个输入、输出端口的地址是唯一固定的,PLC的接线端子号与这些地址一一对应。由于所有的输入、输出状态都是由存储器位来表示的,它们并不是物理上实际存在的继电器线圈,所以常称它们为“软元件”,它们的常开、常闭触点可以在程序中无限次使用。1.3.2PLC的工作过程PLC的工作过程以循环扫描的方式进行,当PLC处于运行状态时,其运行周期可划分为3个基本阶段:输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。1）输入采样阶段在这个阶段,PLC逐个扫描每个输入端口,将所有输入设备的当前状态保存到相应的存储区,把专用于存储输入设备状态的存储区称为输入映像寄存器。输入映像寄存器的状态被刷新后,将一直保存,直到下一个循环才会被重新刷新,所以当输入采样阶段结束后,如果输入设备的状态发生变化,也只能在下一个周期才能被PLC接收到。2）程序执行阶段PLC将所有的输入状态采集完毕后,进入用户程序的执行阶段。所谓用户程序的执行并非是系统将CPU的工作交由用户程序来管理,CPU所执行的指令仍然是系统程序中的指令。在系统程序的指示下,CPU从用户程序存储区逐条读取用户指令,经解释后执行相应动作,产生相应结果,刷新相应的输出映像寄存器,期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。当CPU在系统程序的管理下扫描用户程序时,按照先下而上、先左后右的顺序依次读取梯形图中的指令。当用户程序被完全扫描一遍后,所有的输出映像都被依次刷新,系统进入下一个阶段——输出刷新阶段。3）输出刷新阶段在这个阶段,系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中,经过输出接口、输出端子输出,驱动外部负载。输出锁存器一直将状态保持到下一个循环周期,而输出映像寄存器的状态在程序执行阶段是动态的[5,6]。本科毕业设计说明书（论文）第5页共34页1.4PLC系统设计的基础知识PLC的系统设计主要为软件设计，它是硬件知识和软件知识的综合体现，既要有PLC、计算机、控制技术的知识，又要有现场实践的经验。其中第一步就是要根据被控对象（机电设备或过程）的控制要求及系统功能设计的要求，为应用软件的编程提出明确的目的、依据、要求和指标，并根据其编写相应的程序。1.4.1PLC控制系统设计的原则1）最大限度的满足被设备或生产过程的控制要求；2）在满足控制要求的前提下,力求简单、经济,操作方便；3）保证控制系统工作安全可靠；4）考虑到今后的发展改进,应适应留有进一步扩展的余地。1.4.2PLC控制系统设计的内容1）拟定控制系统设计的技术条件,它是整个设计的依据；2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；3）选定PLC的型号；4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；5）根据系统要求编写软件说明书,然后再进行程序设计；6）重视人机界面的设计,增强人与机器之间的友善关系；7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；8）编写设计说明书和使用说明书。1.4.3PLC控制系统设计的一般步骤由于PLC的结构的工作方式与一般微型计算机和继电器相比各有特点,所以其设计的步骤也不相同,具体设计步骤如下:1）详细了解被控对象的生产工艺过程,分析控制要求；2）根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备；3）选择PLC类型；4）分配PLC的I/O点,设计I/O连接图；5）PLC软件设计,同时可进行控制台的设计和现场施工；6）系统调试,固化程序,交付使用。其设计步骤流程如图1－3所示。本科毕业设计说明书（论文）第6页共34页图1－3PLC控制系统设计步骤1.5PLC的选型在满足控制要求的前提下,选型时应选择最佳的性能价格比,具体考虑以下几点:(1)性能与任务适应对于开关量控制系统的应用系统,当对控制要求不高时,可选用小型PLC(如西门子S7—200系列PLC或OMRON系列CPM1A/CPM2A型PLC)就能满足要求,如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。与本课题的研究方向相吻合。(2)PLC的处理速度应满足实时控制的要求PLC工作时,从输入信号控制存在着滞后现象,即输入量的变化,一般要在1~2个扫描周期之后才能反映到输出端,这对于一般工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求较高,不允许有较大的滞后时间。例如PLC的I/O点数在几十到几千点范围内,这时用户应用程序的长短对系统响应速度的快慢会有较大的差别。滞后时间应控制在本科毕业设计说明书（论文）第7页共34页几十毫秒之内,应小于普通继电器的反应时间。(3)PLC应用系统结构合理,机型系列应统一PLC在结构上分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU共同放在一块电路板上,省去插接环节,体积小,每一I/O点的平均价格比模块式的便宜,适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式的功能扩展,I/O点数的增减,输入与输出点数的比例,都比整体式灵活。维修更改模块、判断与处理故障更方便,适用于工艺过程变化较多、控制要求复杂的系统。综合以上的几点,本课题选用的为OMRON系列CPM1A/CPM2A型PLC。1.6PLC容量的选择首先要对控制任务进行详细的分析,把所有I/O点找出来,包括开关量I/O的模拟量I/O,以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号,它们的电源电压,以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键,如果它们这中既有交流220V的接触器、电磁阀,又有直流24V的指示灯,则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端,这一组输出只能有一种电源的种类和等级。不认真选择容易造成输出点数的浪费,增加成本。确定选用PLC的类型和I/O的点数以后,就要对用户存储器容量进行估算。用户程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数和用户编程水平等几个主要因素的影响。PLC开关量输入/输出总点数是计算所需内存容量的重要依据。一般系统中,开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的所需内存字数计算分式为：所需内存字数=开关量(输入+输出)总点数×10具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算等功能指令,这些功能指令的内存利用率较低,因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中,一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入和输出同时存在的情况下,运算较为复杂,内存需要量大。一般情况下的经验公式为：只有模拟量输入时:所需内存字数=模拟量点数×100模拟量输入/输出同时存在:所需内存字数=模拟量点数×200这些经验公式的算法是在10个模拟量左右,当点数小于10时,内存字数要适当加大,点数多时可适当减少。本科毕业设计说明书（论文）第8页共34页对于同样的系统,不同用户编写的程序可能会使程