1、PLC 控制系统研究 I PLC 控制系统研究 内容摘要 在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，大规模和超大规模集成电路的迅速发展，以 16位和 32位微处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。可编程控制器具有了高速计数、中断技术、 PID 控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。 本文从可控编程器 PLC的研究背景与意义出发，首先讨论了 PLC的发展现状与发展趋势，接着，详细讨论了 PLC的定义和各种优点， PLC
2、控制系统的特点和生产厂家，进而研究了 PLC控制系统的设计原则和主要步骤，最后，列举了 PLC控制的恒压无塔供水系统的具体实现过程，熟悉了整个 PLC控制系统的设计及硬件和软件系统，文章具有一定的指导意义。 关键词： 可控编程器； PLC；设计； 恒压无塔供水系统 PLC 控制系统研究 II 目 录 内容摘要 . I 1 绪论 . 1 1.1 课题的背景及意义 . 1 1.2 发展现状及趋势 . 2 1.2.1 发展现状 . 2 1.2.2 发展趋势 . 2 1.3 本文的主要内容 . 3 2 PLC 简介 . 5 2.1 PLC 的定义和特点 . 5 2.2.1 PLC 的定义 . 5 2.
3、2.2 PLC 的特点 . 5 2.2 PLC 控制系统的构成 . 6 2.3 PLC 工作原理 . 8 2.4 PLC 主要生产厂家 . 9 3 PLC 控制系统设计的原则步骤 . 11 3.1 影响 PLC 控制系统的因素 . 11 3.2 PLC 控制系统的设计原则 . 11 3.3 PLC 控制系统的设计步骤 . 13 3.3.1 分析被控对象并提出控制要求 . 13 3.3.2 确 定输入输出设备 . 13 3.3.3 选择 PLC . 13 3.3.4 分配 I/O 点并设计 PLC 外围硬件线路 . 14 3.3.5 程序设计 . 14 3.3.6 硬件实施 . 15 3.3.7
4、 联机调试 . 15 4 PLC 控制系统的应用举例 . 16 4.1 工艺说明 . 16 4.2 系统控制要求 . 16 PLC 控制系统研究 III 4.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 . 16 4.4 PLC 系统选型 . 17 4.5 系统程序设计 . 17 4.5.1 主程序 . 17 4.5.2 子程序 . 18 4.5.3 中断子程序 . 22 5 结论 . 24 参考文献 . 25 附 录 . 26 PLC 控制系统研究 1 1 绪论 1.1 课题的背景及意义 PLC 是现今最常用的控制设备，几乎可以完成工业控制领域的所有任务。其实，现在的 PLC 对模拟量也有很强的处理
5、能力。所以在大多数工业控制系统中，PLC 已取代工控机（ IPC）作为主控器来完对成复杂的工业自动控制任务。目前世界上着名的 PLC 生产厂家有美国的 AB 通用电气公司、日本的三菱、欧姆龙、德国的西门子以及法国的施耐德等等。 PLC 自产生后，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，为控制行业带来了新一轮的革命。 20世纪 20年代起人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产 机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是以各种继电器
6、为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器来构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。系统出现故障，排除故障又非常困难。尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制 柜，系统改造的工作量极大。所以通用性和灵活性较差 1。 到 20世纪 60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。 20 世纪
7、 60 年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。 为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚， 1968 年美国通用汽车制造公司（ GM）公开招标，对控制系统提出具体要求，归 纳其要求，其核心是：该设备要使用计算机技术，能让以前的电气技术人员很容易掌握的编程语言，该设备与被控制设备连接方便，不需要使用特别的供电方式。 根据这些要求，美国数字设备公司（ DEC 公司）于 1969 年研制开发出了世界上第一台可编程序控制器 PDP-14,并在 GM 公司的汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（
8、Programmable Logic Controller），简称 PLC,可编程序控制器由此诞生。由于它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系PLC 控制系统研究 2 统功能仅限于执行继电器逻辑、计时 、计数等。 PLC 诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家也相继研制成各自的 PLC.PLC 自问世以来，经过近 40 年的发展，在美、德、日、法等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。 1.2 发展现状及趋势 1.2.1 发展现状 目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，
9、 PLC 已由最初一位机发展到现在的以 16位和 32位微处理器构成的微机化 PC，而且实现了多处理器的多通道处理。如 今， PLC 技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程 I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使 PLC 向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。 现在，世界上有 200多家 PLC 生产厂家， 400多品种的 PLC 产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派 PLC 产品都各具特色。其中，美国是 PLC 生产大国，有 100多家 PLC 厂商，著名的
10、有 A-B 公司、通用电气（ GE）公司、莫迪康（ MODICON）公司。欧 洲 PLC 产品主要制造商有德国的西门子（ SIEMENS）公司、 AEG 公司、法国的 TE 公司。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（ SAMSUNG）、 LG 等，这些生产厂家的产品占有 80%以上的 PLC 市场份额。 经过多年的发展，国内 PLC 生产厂家约有三十家，国内 PLC 应用市场仍然以国外产品为主。国内公司在开展 PLC 业务时有较大的竞争优势，如：需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。 1.2.2 发展趋势 随着 PLC 应用领域日益扩大，
11、PLC 技术及其产品结构都在不断改进， 功能日益强大，性价比越来越高。 （ 1） 在产品规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型 PLC。以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型 PLC 方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高PLC 控制系统研究 3 和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对 PLC 的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。 （ 2） 向通信网络化发展 PLC 网络控制是当前控制系统和 PLC 技术发展的潮流。 PLC 与 PLC 之间的联网通信、 PLC 与上位计算机的联网通信已得到广泛应
12、用。目前， PLC 制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强 PLC 的联网能力。各 PLC 制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。 PLC 已成为集散控制系统（ DCS）不可缺少的组成部分。 （ 3） 向模块化、智能化发展 为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来， PLC 厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能 I/O 模块、温度控制模块和专门用于检测 PLC 外部故障的专用智能模块等，这些 模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了 PLC 的应用范围，还提高了系统的可靠性。 （ 4）编程语言和编程工具的多样化和标准化 多种编程语言的并存、互补与发展是 PLC
13、 软件进步的一种趋势。 PLC 厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向 MAP(制造自动化协议 )靠拢，使 PLC 的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。 1.3 本文的主要内容 本文研究的是 PLC 控制系统。 全文共分为五章，各章内容简介如下： 第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国 内外发展现状，介绍论文的主要内容； 第二章是 PLC 的简介，主要介绍了 PLC 的定义，优势以及 PLC 可控编程器的组成，工作原理和生产厂家； 第三章是全文的重点，只要介绍了 PLC 控制系统设计时应注意的主要问题，主要探讨了设
14、计原则和设计步骤； 第四章举出 PLC 控制系统应用的一个例子，即 PLC 控制的恒压无塔供水系统的具体实现过程，对 PLC 控制系统的设计更加熟悉； 第五章是全文的总结。 PLC 控制系统研究 4 本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。 PLC 控制系统研究 5 2 PLC 简介 2.1 PLC 的定义和特点 2.2.1 PLC 的定义 PLC 的全称为可编程逻辑控制器（ ProgrammableLogicController， PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输
15、出控制各种类型的机械或生产过程。 根据 1987 年国际电工委员会（ International Electrical Committee）颁布的 PLC标准草案中对 PLC 做如下定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储 器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入 /输入控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计 2。 2.2.2 PLC 的特点 PLC 是一个以微处理器为核心的数字运算
16、操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时 /计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机 械或生产过程。 PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是 PLC 的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用
17、户在购到所需的 PLC 后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将 PLC 应用于生产实践。 可编程控制器具有如下特点： （ 1）可靠性高，抗干扰能力强 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。为确保一些极其重要用户使用PLC 控制系统研究 6 在极其苛刻条件下，部分 PLC 厂商采用硬件或软件冗余措施，使 PLC 的平均无故障工作时间更长。同时，现有 PLC 通常都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，提供用户使用。这样，整个系统具有极高的可靠性。 （ 2）配套齐全
18、，功能完善，适用性强 随着科学技术的进步和电子技术的发展， PLC 厂商也大力发展 PLC 硬件和软件技术，形成了大、中、小各种规模的系列化产品，用于各种规模的工业控制场合。不仅完善了逻辑处理功能，而且还有完善的数据运算能力，用于各种数字控制领域控制。同时，随着 PLC 的功能单元大量完善， PLC 可用于位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制场合中。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，接口简单，编程语言易于为工程技术人员接受，其梯形图语言的图形符号与表达方
19、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）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 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，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入
20、机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 2.2 PLC 控制系统的构成 PLC 控制系统由硬件部分和软件部分组成。 对于整个 PLC 控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的 PLC机型、存储器容量、电源模块、输入 /输出模块、通信模块、模拟量输入 /输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。其系统结构如图 2-1。 PLC 控制系统研究 7 I / O扩展单元I / O扩展接口中央处理单元( CPU )输入接口输出接口限位
21、开关手动开关编码器数字开关电源外部设备接口存储器系统程序用户程序数据编程器上位计算机图形监控系统打印机EPROM 写入器盒式磁带机条码判读机电源电磁阀继电器指示灯蜂鸣器图 2-1 PLC 的系统结构 （ 1）中央处理器 中央处理器（ CPU）是 PLC 的核心部分，它通过系统总线与用户存储器、输入 /输出（ I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行 PLC 内部故障的诊断等。 （ 2）存储器 根据存储器存储内容的不同，把存储器分为： 系统程序存储器：用来存放系统程序的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是 PLC 厂家根据选用的 CPU 的指令系统编写的，并固化到 ROM 里，用户不能修改其内容。 用 户程序存储器：用来存放用户根据控制要求编制的程序。不同类型的 PLC，其存储容量也不一样。 数据存储器：用以存放 PLC 运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。 （ 3）输入 /输出（ I/O）单元 输入 /输出（ I/O）单元是 PLC 与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设
