1、PLC 自动供水泵站控制1摘要近年来随着科技的飞速发展，PLC 的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的 PLC 应用系统中，PLC 往往是作为一个核心部件来使用，仅 PLC 方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。AbstractWith the development at full speed of science and technology in recent years, the application of the one-chip computer is moving towards dee
2、pening constantly, drive tradition is it measure crescent benefit to upgrade day to control at the same time. In measuring in real time and automatically controlled one-chip computer application system, the one-chip computer often uses as a key part, only one-chip computer respect knowledge is not e
3、nough, should also follow the structure of the concrete hardware , and direct against and use the software of targets characteristic to combine concretly, perfecton to use the roofing cement precast block generally is the SP board第 1章 绪论可编程控制器（Programmable Logic Controller）于 1969 年面世，发展到现在已广泛应用于钢铁、石
4、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，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。第 1.1节 可编程序控制器概述目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简单、运行可靠等优点，所以本课题选用可编程序控制器PLC 的硬件的主机由 CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几大部分组成，此外配备的各种外部设备如计算机可通过通信接口与主机连接。可编程序控制器（简称 PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，PLC 是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动
5、控制系统相结合的产物。PLC 作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解 PLC 的结构、工作原理等。以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统。可编程控制系统可分为硬件和软件。可编程控制系统中硬件组成及各部分的作用PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU） 、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。南京工程学院毕业设计论文2对于整体式 PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图
6、如图 1-5-1 所示；对于模块式 PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图 1-5-2 所示。无论是哪种结构类型的 PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。第 1.2节 可编程序控制器的工作原理尽管整体式与模块式 PLC 的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC 主要组成各部分进行简单介绍。（1）中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如 Z80、8086、80286 等） 、单片微处理器（如 8031、8096 等）和位片式微处理器
7、(如 AMD29W 等) 。小型 PLC 大多采用 8 位通用微处理器和单片微处理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微处理器。目前，小型 PLC 为单 CPU 系统，而中、大型 PLC 则大多为双 CPU 系统，甚至有些 PLC中多达 8 个 CPU。对于双 CPU 系统，一般一个为字处理器，一般采用 8 位或 16 位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操
8、作指令和实现 PLC 编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了 PLC 的速度，使 PLC 更好地满足实时控制要求。在 PLC 中 CPU 按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。2）诊断电源、PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。PLC 自动供水泵站控制35）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些 PLC 还具有制表打印或数
9、据通信等功能。（2）存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器 RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM 、EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由 PLC 的制造厂家编写的，和 PLC 的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供 PLC 运行的平台。系统程序关系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM、PROM 或 EPROM 中，用户不能访问和修改。用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户
10、根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM 中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器 EPROM 中。现在有许多PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器。工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在 RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根
11、据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在 PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当 PLC 提供的用户存储器容量不够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。（3）输入/输出单元输入/输出单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连接部件。 PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据；同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设
12、备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部 CPU 的处理的信息只能是标准电平，所以 I/O 接口要实现这种转换。I/O 接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力。另外，I/O 接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC 提供了多种操作电平和驱动能力的 I/O 接口，有各种各样功能的 I/O 接口供用户南京工程学院毕业设计论文4选用。I/O 接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。常用的开关量输出接口按输
13、出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图 4 所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。PLC 的 I/O 接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为 PLC 输入/ 输出（I/O）点数。I/O 点数是选择 PLC 的重要依据之一。当系统的 I/O 点数不够时，可通过PLC 的 I/O 扩展接口对系统进行扩展。（4）通信接口PLC 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC 通过这些通信接口可与监
14、视器、打印机、其它 PLC、计算机等设备实现通信。PLC 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它 PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程 I/O 系统也必须配备相应的通信接口模块。（5）智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的 CPU、系统程序、存储器以及与PLC 系统总线相连的接口。它作为 PLC 系统的一个模块，通过总线与 PLC 相连，进行数据交换，并在 PLC 的协调管理下独立地进行工作。PLC 的智能接口模块种类很多，如：高速计
15、数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。（6）编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 PLC 内部状态和参数，与 PLC 进行人机对话。它是开发、应用、维护 PLC 不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由 PLC 厂家生产，专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在 PLC
16、 的编程插座上，或者用专用电缆与 PLC 相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的 FX-20P-E 简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的 GP-80FX-E 智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动PLC 自动供水泵站控制5器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种 PLC 进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于 PLC 产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，
17、现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买 PLC 厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的 PLC 程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改 PLC 的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。（7）电源PLC 配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC 电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15% 的范围内波动。许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源，用于对外部传感器供电。（8
18、）其它外部设备除了以上所述的部件和设备外，PLC 还有许多外部设备，如 EPROM 写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM 写入器是用来将用户程序固化到 EPROM 存储器中的一种 PLC 外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用 EPROM 写入器将 PLC 内 RAM 保存到 EPROM 中。PLC 内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储 PLC 的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与 PLC 控制系统的
19、对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED 显示器、声光报警器等器件构成。对于 PLC 系统，还可采用半智能型 CRT 人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型 CRT 人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自 PLC 的信息并在 CRT 上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与 PLC 相连，也可作为独立的节点接入 PLC 网络。第 1.3节 可编程序控制器的结构及软件1.3.1 可编程控制器的结构1、按硬件的结构类型分类可编程控制器是专门为工业生
20、产环境设计的。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有单元式、 模块式及叠装式三种结构。2、按应用规模及功能分类为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程控制器能够处理信号的输入信号数南京工程学院毕业设计论文6量是不一样的。一般将一路信号称作一个点，将输入点和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将 PLC 分为超小（微）、 小 、中 、大 、超大等五种类型。可编程控制器还可以按功能分为低档机 、中档机及高档机。而可编程控制器按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。一般大型 、超大型机都是高档机。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有
21、一定的联系，大型机都是模块式机，具有很大的存储容量。1.3.2 可编程控制器的软件1、可编程控制器的软件分类可编程控制器的软件包含系统软件和应用软件两大部分。（1）系统软件系统软件包含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配 、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用可编程控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。（2）应用软件应用软件也叫用户软件，是用户为达到某种控制目的，采用 PLC 厂家提供的编程语言自主编制的程序
22、。根据控制要求若使用导线连接继电接触器来确定控制器件间逻辑关系方式叫做接线逻辑。用预先存储在 PLC 机内的程序实现某种控制功能，就是人们所指的存储逻辑。另外应用软件是一定控制功能的表述。同一台用于不同的控制目的时，需要编制不同的应用软件。应用软件存入 PLC 后如需改变控制目的可多次改写。2、应用软件编程语言的表达方式应用软件的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程控制器的通用编程语言。但由于各国可编程控制器的发展过程有类似之处，可编程控制器的编程语言及编程工具都大体差不多。一般常见的有如下几种编程语言的表达方式：梯形图 、指令表 、顺序功能图 、
23、功能块图及结构文体等。可编程控制器的编程语言是编制可编程控制器应用软件的工具。它是以 PLC 的输入口、 输出口 、机内元件进行逻辑组合以及数量关系实现系统的控制要求，并存储在机内的存储器中。PLC 自动供水泵站控制71.3.3 FX系列可编程控制器的基本构成FX 系列可编程控制器的硬件构成：（1）单片机PLC 中的单片机包含了中央处理器、随机存储器、只读存储器、串行接口 SIO、时钟CTC 等，是 PLC 的指挥系统。FX2 系列中大部分都采用表面封装技术的芯片，主板中只含两片超大规模集成电路：一片是通用 16 位 CPU，用于处理一般逻辑指令；另一片是专用逻辑处理器，用于处理高速指令、中断
24、等。（2）电源FX2 系列 PLC 基本单元和扩展单元均采用开关电源。开关电源输出DC5V、DC12V、DC24V 三种电压等级的直流电：5V 的一路供内部 IC 用，12V 的一路用以驱动输出继电器，24V 的一路提供给用户以作传感器的电源。（3）通信接口FX2 系列 PLC 的基本单元带有三个与外部装置相连的通信接口，一个是连接编程器的接口，一个是连接扩展单元或扩展模块的接口，还有一个是连接特殊功能适配器的接口。（4）编程器编程器的主要功能是编写用户程序，并将用户程序送入 PLC 基本单元的用户存储器中，有些编程器还兼有监控和向主机发出各种命令的功能。（5）输入、输出接口电路1）输入接口电
25、路 FX2 型 PLC 输入接口电路如图 5-4，电路中光耦的输出端设有 RC滤波器，这是为防止由于输入点的抖动及信号输入线中混入的噪声引起误动作而设计的，所以输入信号从 ONOFF 或从 OFFON 变化时，PLC 输入接口电路内部约有 10ms 的响应滞后。输入端子传感器 XCOMCOMDC电源可变程序控制器LED5V24V+24V南京工程学院毕业设计论文8图 5-4 FX2 型 PLC 输入接口电路输入接口电路中一个不容忽视的参数是输入灵敏度，也就是输入的动作电流。FX2 型PLC 的输入电流为 7mA，能引起输入动作的最小电流为 2.53mA，但为使动作可靠，输入电流必须大于 4.5m
26、A，为了保证可靠切断，输入电流必须小于 1.5mA。因此，当输入回路中串有二极管或电阻，或者有并联电阻，或有漏电流时应特别注意，以免造成系统误动作。与 PLC 输入端 X 相连的信号输入元件可以是按钮、行程开关等无源触点或接近开关、光电开关等 NPN 型集电极开路输出方式的传感器。对无源触点，应直接接在 X 端与公共端 COM 之间；对 NPN 型集电极开路输出的传感器，应按照图 5-4 所示的方式连接。当 X端与 COM 端接通时，输入指示灯亮表示有输入信号。2）输出接口电路 FX2 型的 PLC 输出接口电路共有三种形式：一种是继电器输出型，一种是晶闸管输出型，一种是晶体管输出型。输出接口
27、电路的隔离方式继电器输出型是利用继电器线圈与输出触点，将 PLC 内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶闸管输出型是采用光控晶闸管，将 PLC 的内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶体管输出型是采用光电耦合器将 PLC 内部电路与输出晶体管进行隔离。无论哪种隔离方式都能有效地防止因外部电路故障而波及到内部电路，保证 PLC 的输出安全可靠。输出接口电路的主要技术参数响应时间 响应时间是表示 PLC 输出器件从 ON 状态转变为 OFF 状态，或从 OFF 状态转变为 ON状态所需要的时间。继电器型响应时间最长，从输出继电器的线圈通电或断电到输出触点 ON 或 OFF 的响应时间均为 10ms
28、；晶闸管型从光控晶闸管获得驱动信号或失去驱动信号到晶闸管完全导通或完全截止的时间在 1ms 以下；晶体管型从光耦获得驱动信号或失去驱动信号到输出晶体管完全导通或完全截止的时间在 0.2ms 以下（24V、200mA 时） 。PLC 自动供水泵站控制9输出电流 继电器型具有较大的输出电流，一般对电压为 AC 250V 以下的电路驱动纯电阻负载的能力为 2A/点，晶闸管型和晶体管型输出电流都较小。对于感性负载，由于在断开的瞬间会产生较高的自感电势，因此在考虑 PLC 的输出电流时应留有余地。此外对交流电路中的感性负载应在负载两端并接 RC（一般 R 取 120 ，C 取 0.1 ）浪涌吸收电路，对
29、F直流电路中的感性负载要在负载两端并接续流二极管。开路漏电流 开路漏电流指 PLC 输出处于 OFF 状态时，输出回路中的电流。继电器型输出为 OFF时没有漏电流。晶闸管输出型由于在 PLC 内部与输出晶闸管并联了 RC 吸收支路，故将引起开路漏电流，此开路漏电流可能使 PLC 外部所接的小型继电器保持吸合，应加以重视。晶体管输出型开路漏电流一般较小（100 以下） ，一般不会造成输出误动作。A3）输出公共端PLC 的输出端子有两种接法：一种是输出端无公共端，每一路输出都是各自独立的；另一种是若干路输出构成一组，共用一个公共端，各组的公共端用编号区分如COM1、COM2，各组公共端间相互隔离。
30、对共用一个公共端的同一组输出，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同的电压类型和电压等级。 除上述开关量输入输出接口电路外，FX2 还可通过专用模块进行模拟量输入输出。FX 4AD 为专用模拟量输入模块，FX2DA 为专用模拟量输出模块。（6）输入输出继电器PLC 的输入端是其内部的输入继电器（X）从外部接收开关信号的端口，输入端与输入继电器之间是经过光电隔离的。由于输入端与输入继电器是一一对应的，所以有多少个输入继电器就有多少个输入端。FX2 系列 PLC 最多有 128 个输入继电器，故又称 128 点输入。所有输入继电器只能由输入端接收的外部信号驱动，而不能用程序驱
31、动。输入继电器是一种电子继电器，其常开触点和常闭触点可重复使用无数次，这与普通的电磁继电器不一样。PLC 的输出端是输出继电器（Y）向外部负载输出信号的端口。输出继电器的触点分外部输出触点和内部触点两种，外部输出触点（继电器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）接到 PLC 的输出端子上，且只有常开触点。内部触点如同输入继电器一样，其常开和常闭触点可重复使用无数次。输出继电器和输出端子是一一对应的，FX2 的输出继电器最多有 128 个，故又称 128 点输出。输出继电器是 PLC 唯一能驱动外部负载的元件。FX2 系列 PLC 的输入输出点数均可扩展至 128 点（即 X0X177，Y0Y177）
32、 ，使用时总点数不可超过 256 点。FX 系列可编程控制器的软件构成：（1）系统程序PLC 的系统程序是由制造商编制的用于控制 PLC 本身运行的程序，它分为管理程序、南京工程学院毕业设计论文10用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用三部分。（2）用户程序用户程序是由用户根据控制的需要而编制的程序，编程语言可以是梯形图、指令语句表及流程图等。用户程序依次存放在监控程序指定的存储空间内。第 1.4节 可编程控制器的发展世界上第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑
33、控制及定时 、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算 、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。此后可编程控制器经历了快速飞越性的发展。中国是 20 世纪 80 年代初引进、 应用、 研制、 生产可编程控制器的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器，后来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，中国已经能够生产中小型可编程控制器。预计 21 世纪可编程控制器将会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上，会有运算速度更快、 存储容量更大、 智能水
34、平更高的品种出现。从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型两个方向发展。从产品的配套性能上看，产品的品种会更丰富、 规格会更齐备。完美的人机界面 、完备的通讯设备会更好的适应各种工业控制场合的需求。从市场上看，各国生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。这将是有利于可编程技术的发展及可编程产品普及的。从网络的发展情况来看，可编程控制器和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的集散控制系统（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络或国际通用网络的重要组成部分，将在众多领域发挥越来越大的作用。
