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文檔簡介

1、西西 京京 學(xué)學(xué) 院院畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) (論(論 文)文)成績成績題題 目目: : 基于基于 PLCPLC 的水塔水位控制系統(tǒng)的水塔水位控制系統(tǒng)姓姓 名名: : 馮澤仲馮澤仲 系(院)系(院): : 機(jī)電工程系機(jī)電工程系 專專 業(yè)業(yè): : 機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù) 班班 級級: : 機(jī)電機(jī)電 09060906 班班 學(xué)學(xué) 號號: : 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師: : 蘇禮蘇禮 日日 期期: : 教務(wù)處制摘摘 要要在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,經(jīng)常需要對水位進(jìn)行測量和控制。水位控制在日常生活中應(yīng)用也相當(dāng)廣泛,比如水塔、地下水、水電站等情況下的水位控制。而水位檢測可以有多種實(shí)現(xiàn)方法,如機(jī)械控制、邏輯電路控制

2、、機(jī)電控制等。本文采用 PLC 進(jìn)行主控制,在水箱上安裝一個(gè)自動(dòng)測水位裝置。利用水的導(dǎo)電性連續(xù)地全天候地測量水位的變化,把測量到的水位變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號,主控臺應(yīng)用 MCGS 組態(tài)軟件對接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成相應(yīng)的水位顯示、故障報(bào)警信息顯示、實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線的顯示,使水位保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。關(guān)鍵詞:關(guān)鍵詞: 水位控制、三菱水位控制、三菱 PLCPLC fx2nfx2n目目 錄錄第 1 章 緒論 .31.1 可編程控制器的產(chǎn)生.31.2 PLC 的發(fā)展.5第 2 章 PLC 的基本結(jié)構(gòu).62.1 中央處理單元(CPU).62.2 存儲器.72.3 輸入/輸出模塊.82.4 擴(kuò)展模塊.

3、92.5 編程器.92.6 電源.11第 3 章 控制部分 .123.1 PLC 的工作原理.123.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析.153.4 輸入/輸出分配.19第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .214.1 工作過程.214.2 程序流程圖.214.3 梯形圖.23致謝25參考文獻(xiàn) .26第第 1 1 章章 緒緒論論1.11.1 可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器的產(chǎn)生可編程控制器是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的控制設(shè)備,是集微處理器、儲存器、輸入/輸出接口與中斷于一體的器件,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各個(gè)行業(yè)。計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通行能力上的飛速發(fā)展,大大加強(qiáng)了可編程控制

4、器通信能力,豐富了可編程控制器編程軟件和編程技巧,增強(qiáng)了 PLC 過程控制能力。因此,無論是單機(jī)還是多機(jī)控制、是流水線控制還是過程控制,都可以采用可編程控制器,推廣和普及可編程控制器的使用技術(shù),對提高我國工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)及生產(chǎn)效率都有十分重要的意義??删幊炭刂破?Programmable Controller)也可稱邏輯控制器(Programmable Logic Controller),是一微處理器為核心的工業(yè)自動(dòng)控制通用裝置,是計(jì)算機(jī)家族的一名成員,簡稱 PC。為了與個(gè)人電腦(也簡稱 PC)相混淆通常將可編程控制器稱為 PLC??删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和繼電器接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器接觸

5、器控制已經(jīng)有傷百年的歷史,它是一種弱電信號控制強(qiáng)電信號的電磁開關(guān),具有結(jié)構(gòu)簡單、電路直觀、價(jià)格低廉、容易操作、易于維修的有優(yōu)點(diǎn)。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常使用,至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時(shí),就必須改變系統(tǒng)的硬件接線,控制柜中的物件以及接線都要作相應(yīng)的變動(dòng),改造工期長、費(fèi)用高,用戶寧愿扔掉舊控制柜,另做一個(gè)新控制柜使用,阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,市場競爭的激烈,產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期日益縮短,工業(yè)生產(chǎn)從大批量、少品種,向小批量、多品種轉(zhuǎn)換,繼電器接觸器控制難以滿足市場要求,此問題首先被美國通用汽車公司(GM 公司)提了出來。通用汽車公司為適合汽車型號的不斷

6、翻新,滿足用戶對產(chǎn)品多樣性的需求,公開對外招標(biāo),要求制造一種新的工業(yè)控制裝置,取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制。其對新裝置性能提出的要求就是著名的 GM10 條,即:1. 編程方便,現(xiàn)場可修改程序;2. 維修方便,采用模塊化結(jié)構(gòu);3. 可靠性高于繼電器控制裝置;4. 體積小于繼電器控制裝置;5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī);6. 成本可與繼電器控制裝置競爭;7. 輸入可以是交流 115V;8. 輸出為交流 115V,2A 以上,能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥,接觸器等;9. 在擴(kuò)展時(shí),原系統(tǒng)只要很小變更;10. 用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到 4K。這十項(xiàng)指標(biāo)就是現(xiàn)代 PLC 的最基本功能,值得注意的是 PLC 并

7、不等同于普通計(jì)算機(jī),它與有關(guān)的外部設(shè)備,按照“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一體”和“便于擴(kuò)充功能”的原則來設(shè)計(jì)。用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制,實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能,并且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性等有點(diǎn),用程序代替硬接線,并且具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),用程序代替硬接線,減少了重新設(shè)計(jì),重新接線的工作,此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級語言,利用面向控制過程,面向問題的“自然語言”編程,其標(biāo)志性語言是極易為 IT 電器人員掌握的梯形圖語言,使得部熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。這樣,工作人員不必在變成上發(fā)費(fèi)大量地精力,只需集中精力區(qū)考慮如何操作并發(fā)揮改裝置地功能即可,輸入、輸出電平與市電接口,

8、市控制系統(tǒng)可方便地在需要地地方運(yùn)行。所以,可編程控制器廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。1969 年,第一臺可編程控制器 PDP14 由美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)制作成功,并在 GM 公司汽車生產(chǎn)線上使用取得良好的效果,可編程控制器由此誕生,在控制領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生了歷史性革命。PLC 問世時(shí)間不長,但是隨著微處理器的發(fā)展,大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn),數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷進(jìn)步,PLC 迅速發(fā)展。PLC 進(jìn)入九十年代后,工業(yè)控制領(lǐng)域幾乎全被 PLC 占領(lǐng)。國外專家預(yù)言,PLC 技術(shù)將在工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(PLC、機(jī)器人和 CAC/CAM)種躍居首位。我國在八十年代初才開始使用 PLC,目前從國外應(yīng)進(jìn)的 PLC

9、 使用較為普遍的由日本 OMRON 公司 C 系列、三菱公司 F 系列、滅國 GE 公司 GE 系列和德國西門子公司 S 系列等。1.21.2 PLCPLC 的發(fā)展的發(fā)展雖然 PLC 問世時(shí)間不長,但是隨著微處理器的出現(xiàn),大規(guī)模,超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步,PLC 也迅速發(fā)展,其發(fā)展過程大致可分為三各階段:早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。這是的 PLC 多少由電繼電器控制裝置的替代物的含義,其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。它在硬件上 以計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn),在 I/O 接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置種的器件主要采用分離元

10、件和中小規(guī)模集成電路,存儲器采用磁芯存儲器。另外還采取了一些措施,以提高其抗干擾的能力。在軟件編程上采用廣大電器工程技術(shù)人員所熟悉的繼電器控制線路的方式梯形圖。因此,早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置,其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂,便于安裝,體積小,能耗低,有故障指示,能重復(fù)使用等。其中 PLC 特有的編程語言梯形圖一直沿用至今。在七十年代,微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。美國,日本,德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元(CPU)。這樣,使 PLC 的功能大大增強(qiáng)。在軟件方面,除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外,還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、

11、通訊、自診斷等功能。再硬件方面,除了保持其原有的開關(guān)模塊以外,還增加了模擬量快、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。并擴(kuò)大了存儲器的容量,是各種邏輯線圈的數(shù)量增加,還提供了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)寄存器,使 PLC 的應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。進(jìn)入八十年代中、后期,由于插大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌,使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度,各制造廠商紛紛開發(fā)研制了專用邏輯處理芯片。這樣使得 PLC 軟、硬功能發(fā)生了巨大變化。第第 2 2 章章 P PL LC C 的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制計(jì)算機(jī),

12、其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同,、中央處理單元(CPU),如圖 2.1:圖 2.1 PLC 的基本結(jié)構(gòu)2.12.1 中央處理單元中央處理單元(CPU)(CPU)中央處理單元(CPU)是 PLC 控制中樞。它 PLC 系統(tǒng)程序賦予功能接收并存儲從編程器鍵入用戶程序和數(shù)據(jù);檢查電源、存儲器、I/O 以及警戒定時(shí)器狀態(tài),并能診斷用戶程序中語法錯(cuò)誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時(shí),首先它以掃描方式接收現(xiàn)場各輸入裝置狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入 I/O 映象區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,命令解釋后按指令規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算結(jié)果送入 I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有用戶程序執(zhí)行完畢之后,最后將 I/

13、O 映象區(qū)各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)輸出裝置,如此循環(huán)運(yùn)行,直到停止運(yùn)行。進(jìn)一步提高 PLC 可靠性,近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采用三 CPU 表決式系統(tǒng)。這樣,某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障,整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。2.22.2 存儲器存儲器存放系統(tǒng)軟件存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件存儲器稱為用戶程序存儲器。1、PLC 常用存儲器類型(1)RAM (Random Assess Memory) 這是一種讀/寫存儲器(隨機(jī)存儲器),其存取速度最快,由鋰電池支持。(2)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)

14、這是一種可擦除只讀存儲器。斷電情況下,存儲器內(nèi)所有內(nèi)容保持不變。紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容)。(3)EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲器。使用編程器就能很容易對其所存儲內(nèi)容進(jìn)行修改。2、PLC 存儲空間分配各種 PLCCPU 最大尋址空間各不相同,PLC 工作原理,其存儲空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域:(1)系統(tǒng)程序存儲區(qū)(2)系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)(包括 I/O 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等)(3)用戶程序存儲區(qū)系統(tǒng)程序存儲區(qū):系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程

15、序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化 EPROM 中,用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC 性能。系統(tǒng) RAM 存儲區(qū):系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)包括 I/O 映象區(qū)以及各類軟設(shè)備,如:邏輯線圈;數(shù)據(jù)寄存器;計(jì)時(shí)器;計(jì)數(shù)器;變址寄存器;累加器等存儲器。(1)I/O 映象區(qū):PLC 投入運(yùn)行后,輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應(yīng)外設(shè)。它需要一定數(shù)量存儲單元(RAM)以存放 I/O 狀態(tài)和數(shù)據(jù),這些單元稱作 I/O 映象區(qū)。一個(gè)開關(guān)量I/O 占用存儲單元中一個(gè)位(bit),一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲單元中一個(gè)字(16

16、個(gè) bit)。整個(gè) I/O 映象區(qū)可看作兩個(gè)部分組成:開關(guān)量 I/O 映象區(qū);模擬量 I/O 映象區(qū)。(2)系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) :I/O 映象區(qū)區(qū)以外,系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)還包括 PLC內(nèi)部各類軟設(shè)備(邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等)存儲區(qū)。該存儲區(qū)又分為具有失電保持存儲區(qū)域和無失電保持存儲區(qū)域,前者 PLC斷電時(shí),由內(nèi)部鋰電池供電,數(shù)據(jù)不會遺失;后者當(dāng) PLC 斷電時(shí),數(shù)據(jù)被清零。用戶程序存儲區(qū):主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶程序時(shí)指使用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的的產(chǎn)生過程和工藝要求編寫的控制程序。次程序由使用者通過編程器輸入到 PLC 機(jī)的 RAM 存貯器中,以便于用戶隨時(shí)修改。

17、也可將用戶程序存放在 EEPROM 中。2.32.3 輸入輸入/ /輸出模塊輸出模塊輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的借口?,F(xiàn)場的輸入信號,如按鈕開關(guān),行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān)量或模擬量(壓力、流量、溫度、電壓、電流)等,都要通過輸入模塊送到 PLC。由于這些信號電平各式各樣,而可編程控制器 CPU 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平,所以輸入模塊還需將這些信號轉(zhuǎn)換成 PLC 能夠接受和處理的數(shù)字信號。輸入模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號,并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行部件所能接收的控制信號,以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)??删幊炭刂破饔卸喾N輸入/輸出

18、模塊其類型有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。這些模塊分直流和交流、電壓和電流類型,每種類型又有不同的參數(shù)等級,主要有數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入輸出/模塊,部件上都設(shè)有接線端子排,為了濾除信號的噪聲和便于 PLC 內(nèi)部對信號的處理,這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊帶有廣電耦合電路,其目的是把 PLC 與外部電路隔離起來,以提高 PLC 的抗干擾能力。數(shù)字兩輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸入/輸出模塊主要用來實(shí)現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換,即 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號是連續(xù)變化的模

19、擬量,因此這些模擬量必須通過模擬量輸入/輸出模塊與 PLC 的中央處理器連接。模擬量輸入模塊 A/D 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量,經(jīng)光電耦合器和輸出鎖存器宇 PLC 的 1/0 總線掛接?,F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是 05 伏和 010 伏兩種。另外還有:0somV、0IV、5+SV、10+10V,010mA 等。模擬量輸入模塊接收標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流猴,把它轉(zhuǎn)換成 8 未、10 未或 12 位的二進(jìn)制數(shù)字信號,送給中央處理器進(jìn)行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號,提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.42.4 擴(kuò)展模塊擴(kuò)展模塊當(dāng)一個(gè) PLC 中心單元的 I/O 點(diǎn)

20、數(shù)不夠用時(shí),就要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展,擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,使可編程控制器的功能更加強(qiáng)大和完善。只能 I/O 接口模塊種類很多,例如高速計(jì)數(shù)模塊、PLCA 控制模塊、數(shù)字位基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯弄快以及智能 I/O模塊等。2.52.5 編程器編程器它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連,以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連,以將用戶程序和有關(guān)信息打

21、印出來或存放在磁帶上,磁帶上的信息可以重新裝入 PLC。目前編程器主要有以下三種類型:1.便攜式編程器(也叫簡易編程器);2.圖形編程器;3.用于 IBMPC 及其兼容機(jī)的編程器。便于攜帶的特點(diǎn),一般只能用指令形式編程,通過按鍵輸入指令,通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕,用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息,還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時(shí)顯示各種信號狀態(tài)、出錯(cuò)提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程,梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機(jī)

22、、錄音機(jī)、繪畫儀等設(shè)備連接,有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。但它的價(jià)格高,適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于 IBMPC 及其兼容機(jī)的編程器是個(gè)人計(jì)算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?,也可直接編制成梯形圖,其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種,編程工作方式是在 PLC 機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程,它的功能主要是輸入新的程序,或者對已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤,一般可以對某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,也可以對成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài),除搜索、監(jiān)視、跟蹤外,還可以對一些器件進(jìn)行操作。

23、因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器,主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵,在使用雙功能鍵的時(shí)候鍵盤中都備有一個(gè)選擇鍵,以選擇其中一種方式工作。現(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化,可編程控制器也不例外,它的結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固,外形小巧,CPU 本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。不同廠家、不同型號的 PLC 的輸入輸出點(diǎn)數(shù)也不同,有的大型機(jī)輸入輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)16K,而很多小型機(jī)僅有 10 來點(diǎn),而且 CPU 本身不帶模擬輸入與輸出,但 CPU一般都帶有擴(kuò)

24、展接口。因此,用戶選型后,所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí),就需對系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展,各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固,有易于接線的端子排,帶有擴(kuò)展總線或通過總線連接器與 CPU 相連。主要有數(shù)字輸入輸出模板,模擬輸入輸出模板,熱電阻、熱電偶擴(kuò)展模板,還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。用擴(kuò)展模板來擴(kuò)展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn):用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求,選用各種合適的擴(kuò)展模塊對 PLC 作硬件組態(tài),以求達(dá)到各種功能或控制精度,同時(shí)節(jié)省開支,減少不必要的投資。當(dāng)已運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí),PLC 可以隨時(shí)進(jìn)行升級或改版,所作的工作僅僅是替換或增加

25、擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發(fā)將進(jìn)一步擴(kuò)展可編程控制的功能,專用模板的開發(fā)不僅擴(kuò)大了可編程控制系統(tǒng)的控制功能,而且將進(jìn)一步提高控制質(zhì)量與可靠性。2.62.6 電源電源PLC 中的電源一般有三類:1、+5V、15V 直流電源:供 PLC 中 TTL 芯片和集成運(yùn)放使用;2、供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源;3、鋰電池及其充電電源。考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用,不同類型的電源其地線也不同。目前 PLC 的發(fā)展非常迅速,型號眾多,各種特殊功能模板不斷涌現(xiàn)。通常根據(jù)其 I/O 點(diǎn)的數(shù)量將 PLC 分為三大類:小型機(jī):256 點(diǎn)以下(無模擬量); 中型機(jī):256 2

26、048 點(diǎn)(64 128 路模擬量); 大型機(jī):2048 點(diǎn)以上(128 512 路模擬量)。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí),通常采用模板式結(jié)構(gòu),以便用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行配置。但一些小型機(jī)常制作成一體機(jī),其配置固定,主要供定型成套設(shè)備使用;而一些大型機(jī)一般在電源、或者 CPU,甚至兩者都作了熱備份。PLC 特點(diǎn)(一) 高可靠性1. 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離2. 各輸入端均采用 R-C 濾波器其濾波時(shí)間常數(shù)一般為 1020ms.3. 各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾4. 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源5. 對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選6. 良好的自診斷

27、功能一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況 CPU 立即采用有效措施以防止故障擴(kuò)大7. 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高(二) 豐富的 I/O 接口模塊1. PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號如:交流或直流;開關(guān)量或模擬量;電壓或電流;脈沖或電位;強(qiáng)電或弱電等。2. 有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備如:按鈕;行程開關(guān);接近開關(guān);傳感器及變送器;電磁線圈;控制閥。3. 直接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機(jī)對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。(三) 采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需

28、要除了單元式的小型 PLC 以外,絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu),PLC 的各個(gè)部件包括 CPU 電源 I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì),由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來,系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。(四) 編程簡單易學(xué)PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對使用者來說不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識,因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。(五) 安裝簡單維修方便PLC 不需要專門的機(jī)房可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行,使用時(shí)只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接即可投入運(yùn)行,各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置,便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障,由于采用模塊化

29、結(jié)構(gòu),因此一旦某模塊發(fā)生故障用戶可以通過更換模塊的方法使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。第第 3 3 章章 控控制制部部分分3.13.1 PLCPLC 的工作原理的工作原理最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置,但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的: (1)繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn)行的方式,即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電,該繼電器所有的觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會立即同時(shí)動(dòng)作。 (2)PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式,即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開,該線圈的所有觸點(diǎn)(包括其常開或常閉觸點(diǎn))不會立即動(dòng)作,必須等掃

30、描到該觸點(diǎn)時(shí)才會動(dòng)作。為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異,考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在 100ms 以上,而 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于 100ms,因此,PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式-掃描技術(shù)。這樣在對于 I/O 響應(yīng)要求不高的場合,PLC 與繼電器控制裝置的處理結(jié)果上就沒有什么區(qū)別了。 1、掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后,其工作過程一般分為三個(gè)階段,即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間,PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。如下圖:圖 3.1 PLC 掃描周

31、期(1)輸入采樣階段在輸入采樣階段,PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù),并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后,轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中,即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化,I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此,如果輸入是脈沖信號,則該脈沖信號的寬度必須大于一個(gè)掃描周期,才能保證在任何情況下,該輸入均能被讀入。 (2)用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段,PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí),又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路,并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線

32、路進(jìn)行邏輯運(yùn)算,然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果,刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài);或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即,在用戶程序執(zhí)行過程中,只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化,而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化,而且排在上面的梯形圖,其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用;相反,排在下面的梯形圖,其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 (3)輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后,

33、PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間,CPU 按照I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路,再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí),才是 PLC 的真正輸出。2、PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力,提高其可*性,PLC 的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采用光電隔離等技術(shù)。為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制,PLC 采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式(掃描技術(shù))。以上兩個(gè)主要原因,使得PLC 得 I/O 響應(yīng)比一般微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多,其響應(yīng)時(shí)間至少等于一個(gè)掃描周期,一般均大于一個(gè)掃描周期甚至更長。所謂 I/O 響應(yīng)時(shí)間指從 PLC 的某一輸入信號變化開

34、始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時(shí)間。如下圖:圖 3.2 PLC 掃描周期示意圖3.23.2 梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析梯形圖程序設(shè)計(jì)及工作過程分析梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言,它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號,與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似,但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令,它比較直觀、形象,對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說,易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程,絕大多數(shù) PLC 用戶都首選使用梯形圖編程。指令是用英文名稱的縮寫字母來表達(dá) PLC 的各種功能的助記符號,類似于計(jì)算機(jī)匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠

35、完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表,每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成,比較抽象,通常都先用其它方式表達(dá),然后改寫成相應(yīng)的語句表,編程設(shè)備簡單價(jià)廉。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計(jì)算機(jī)常用的程序框圖,但有它自己的規(guī)則,描述控制過程比較詳細(xì)具體,包括每一框前的輸入信號,框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容,框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思,是一種常用的程序表達(dá)方式。高級語言類似于 BACIC 語言、C 語言等,它們在某些廠家的 PLC 中應(yīng)用。通常微、小型 PLC 主要采用繼電器梯形圖編程,其編程的一般規(guī)則有:1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線然后是觸點(diǎn)的各種連接,最后是

36、線圈或線圈與右母線相連,整個(gè)圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用 PLC 的有效范圍內(nèi)。2)梯形圖是 PLC 形象化的編程方式,其左右兩側(cè)母線并不接任何電源,因而圖中各支路也沒有真實(shí)的電流流過。但為了讀圖方便,常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動(dòng)作條件,它僅僅是概念上虛擬的“電流”,而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流:層次的改變也只能自上而下。3)梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器,相應(yīng)某位觸發(fā)器為“l(fā) 態(tài)”,表示該繼電器線圈通電,其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合,動(dòng)斷觸點(diǎn)打開,反之為“o 態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的,除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線

37、圈外,還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。4)梯形圖中信息流程從左到右,繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連,線圈的右邊不能有觸點(diǎn),而左邊必須有觸點(diǎn)。5)繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用:而繼電器的觸點(diǎn),編程中可以重復(fù)使用,且使用次數(shù)不受限制。6)PLC 在解算用戶邏輯時(shí),是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的,即按掃描方式順序執(zhí)行程序,不存在幾條并列支路同時(shí)動(dòng)作,這在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí),可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路,從而使電路設(shè)計(jì)大大簡化。所以,由梯形圖編寫指令程序時(shí),應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序,梯形圖中的每個(gè)符號對應(yīng)于一條指令,一條指令為一個(gè)步

38、序。當(dāng) PLC 運(yùn)行時(shí),用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行,但 CPU 是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作的,它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。這種分時(shí)操作的過程稱為 CPU 對程序的掃描。掃描從 0000 號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始,在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下,按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序,也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序,直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期,然后再從頭開始掃描,并周而復(fù)始。水塔水位系統(tǒng) PLC 硬件設(shè)計(jì)水塔水位控制裝置圖圖 3.3 水位控制系統(tǒng)簡圖要求獨(dú)立完成水塔水位控制 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試。1)保持水池的水位在 S3S4 之間,當(dāng)水池水位低于下限

39、液位開關(guān) S3,此時(shí) S3 為 ON,電磁閥打開,開始往水池里注水,當(dāng) 5S 以后,若水池水位沒有超過水池下限液位開關(guān) S3 時(shí),則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào);若系統(tǒng)正常運(yùn)行,此時(shí)水池下限液位開關(guān) S3 為 OFF,表示水位高于下限水位。當(dāng)頁面高于上限水位 S4 時(shí),則 S4 為 ON,電磁閥關(guān)閉。2)保持水塔的水位在 S1S2 之間,當(dāng)水塔水位低于水塔下限水位開關(guān)S2 時(shí),則水塔下限液位開關(guān) S2 為 ON,則驅(qū)動(dòng)電機(jī) M 開始工作,向水塔供水。當(dāng) S2 為 OFF 時(shí),表示水塔水位高于水塔下限水位。當(dāng)水塔液面高于水塔上限水位開關(guān) S1 時(shí),則 S1 為 ON,電機(jī) M 停止抽水。當(dāng)水塔水位低于下限水位時(shí)

40、,同時(shí)水池水位也低于下限水位時(shí),電機(jī) M 不能啟動(dòng)。如圖 3.4,為水塔水位系統(tǒng)控制電路水塔上限液位開關(guān) S1水塔下限液位開關(guān) S2水池上限液位開關(guān) S4水池下限液位開關(guān) S3水塔電機(jī) M水池電磁閥水流圖 3.4 水塔水位系統(tǒng)控制主電路圖3.43.4 輸入輸入/ /輸出分配輸出分配表 3.1 水塔水位系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表輸入繼電器輸入變量名輸出繼電器輸出變量名X0控制開關(guān)Y0電磁閥X1水塔上限液位開關(guān)Y1電機(jī) MX2水塔下限液位開關(guān)Y2水池下限指示燈 a1X3水池下限液位開關(guān)Y3水池上限指示燈 a2X4水池上限液位開關(guān)Y4水塔下限指示燈 a3Y5水塔上限指示燈 a4Y6報(bào)警指示燈 a5水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備這是一個(gè)單體控制小系統(tǒng),沒有特殊的控制要求,它有 5 個(gè)開關(guān)量,開關(guān)量輸出觸點(diǎn)書有 8 個(gè),輸入、輸出觸點(diǎn)數(shù)共有 13 個(gè),只需選用一般中小型控制器即可。據(jù)此,可以對輸入、輸出點(diǎn)作出地址分配,水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O接線圖如圖 3.5:圖 3.5 水塔水位控制系統(tǒng)的 I/O 接線圖X0X1X2X3X4COMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6傳感器 1傳感器 2傳感器 3傳感器 4電磁閥電機(jī)MSB水池下限指示燈

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