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目录第一章可编程控制器的概述1-1可编程控制器的基本概念1-2可编程控制器的组成及其各部分功能1-3可编程控制器的特点及应用1-4可编程控制器的工作原理1-5可编程控制器的趋势与动向第二章方案设计2-1设计题目及控制要求2-2用单片机和PLC分别做系统的比较2-3I/O分配表2-4I/O接线图2-5主控电路图2-6顺序功能图2-7梯形图2-8指令表第三章心得体会附录参考文献第一章可编程控制器的概述1-1可编程控制器的基本概念可编程控制器简称PC�英文全称�ProgrammableController��它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC�英文全称�ProgrammableLogicController�和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机�PC�相区别�现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。1987年国际电工委员会�InternationalElectricalCommittee�颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义�“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器�用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令�并能通过数字式或模拟式的输入和输出�控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体�易于扩展其功能的原则而设计。”1-2可编程控制器的组成及其各部分功能可编程控制器的结构多种多样�但其组成的一般原理基本相同�都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元�CPU�、存储器�RAM、ROM�、输入输出单元�I/O�、电源和编程器等几个部分组成。1�中央处理单元�CPU�CPU作为整个PLC的核心�起着总指挥的作用。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些�从存储器中读取指令�执行指令�取下一条指令�处理中断。2�存储器�RAM、ROM�存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器�存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序�生成用户数据区�存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器�可用锂电池做备用电源。掉电时�可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。3�输入输出单元�I/O单元�I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器�而继电器有交流和直流型�高电压型和低电压型�电压型和电流型。4�电源PLC电源单元包括系统的电源及备用电池�电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。5�外部设备�1�编程器编程器是PLC的最重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器�还可以用编程器检查程序�修改程序�监视PLC的工作状态。除此以外�在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包�即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器�可以直接编制并显示梯形图。�2�其他外部设备PLC还配有其他的一些外部设备。�盒式磁带机用以记录程序或信息。�打印机用以打印程序或制表。�EPROM写入器用以将程序写入到用户EPROM中。�高分辨率大屏幕彩色图像监控系统用以显示或监视有关部分的运行状态。1-3可编程控制器的特点及应用一�PLC的特点1.可靠性高�抗干扰能力强PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器�仅剩下与输入和输出有关的少量硬件�接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100�因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术�采用严格的生产工艺制造�内部电路采取了先进的抗干扰技术�具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说�使用PLC构成控制系统�和同等规模的继电接触器系统相比�电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一�故障也就大大降低。此外�PLC带有硬件故障自我检测功能�出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中�应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序�使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样�整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2�硬件配套齐全�功能完善�适用性强PLC发展到今天�已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品�并且已经标准化、系列化、模块化�配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用�用户能灵活方便地进行系统配置�组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便�一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力�可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器�可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外�现代PLC大多具有完善的数据运算能力�可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现�使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展�使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用�深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机�是面向工矿企业的工控设备。它接口容易�编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近�只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4�系统设计周期短�维护方便�容易改造系统的设计、安装、调试工作量小�维护方便�容易改造PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律�很容易掌握。对于复杂的控制系统�梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑�大大减少了控制设备外部的接线�使控制系统设计及建造的周期大为缩短�同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小�重量轻�能耗低以超小型PLC为例�新近出产的品种底部尺寸小于100mm�仅相当于几个继电器的大小�因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。它的重量小于150g�功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部�是实现机电一体化的理想控制设备。二�PLC的应用领域目前�PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业�使用情况大致可归纳为如下几类。1.开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域�它取代传统的继电器电路�实现逻辑控制、顺序控制�既可用于单台设备的控制�也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2�模拟量控制在工业生产过程当中�有许多连续变化的量�如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量�必须实现模拟量�Analog�和数字量�Digital�之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块�使可编程控制器用于模拟量控制。3�运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说�早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构�现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能�广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机�PLC能编制各种各样的控制算法程序�完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块�目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5.数据处理现代PLC具有数学运算�含矩阵运算、函数运算、逻辑运算�、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能�可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较�完成一定的控制操作�也可以利用通信功能传送到别的智能装置�或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统�如无人控制的柔性制造系统�也可用于过程控制系统�如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展�工厂自动化网络发展得很快�各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能�纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口�通信非常方便。1-4可编程控制器的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式�在PLC中用户程序按先后顺序存放�CPU从第一条指令开始执行程序�直到遇到结束符后又返回第一条�如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时�只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时�从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出�一直循环扫描工作。1�输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段�顺序读入所有输入端子的通端状态�并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段。在程序执行时�输入映象寄存器与外界隔离�即使输入信号发生变化�其映象寄存器的内容也不会发生变化�只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入信息。2�程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则�按先左后右先上后下的步序�逐句扫描�执行程序。遇到程序跳转指令�根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。从用户程序涉及到输入输出状态时�PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态�从输出映象寄存器读出对应映象寄存器�根据用户程序进行逻辑运算�存入有关器件寄存器中。对每个器件来说�器件映象寄存器中所寄存的内容�会随着程序执行过程而变化。3�输出处理程序执行完毕后�将输出映象寄存器�即器件映象寄存器中的Y寄存器的状态�在输出处理阶段转存到输出锁存器�通过隔离电路�驱动功率放大电路�使输出端子向外界输出控制信号�驱动外部负载。1-5可编程控制器的趋势与动向一、当代PLC技术的发展趋势发展迅速�产品更新换代�开发各种智能化模块�不断增强过程功能�PLC与个人计算机�PC�结合�通信联网功能不断增强�发展新的编程语言�增强容错功能。二、当代PLC技术的发展动向美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件�这十大条件是�1.编程方便�可在现场修改程序�2.维修方便�最好是插件式�3.可靠性高于继电器控制柜�4.体积小于继电器控制柜�5.可将数据直接送入管理计算机�6.在成本上可与继电器控制竞争�7.输入可以是交流115V�8.输出为交流115V/2A以上�能直接驱动电磁阀�9.在扩展时�原有系统只要很小变更�10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14�并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。接着美国MODICON公司也研制出084控制�从此�这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。1971年日本从美国引进