1、 畢業(yè)論文 PLC 水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計 院（系）名稱電氣工程系 專業(yè)名稱機(jī)電一體化 學(xué)生姓名張祿勛 學(xué)生 編號8 指導(dǎo)教師趙海志 目錄 第一章 緒 論 .1 1.1 可編程控制器的產(chǎn)生 .1 1.2 PLC 的發(fā)展 .3 第二章PLC 的基本結(jié)構(gòu).4 2.1 中央處理單元(CPU) .4 2.2存儲器 .4 2.3 輸入/輸出模塊 .6 2.4 擴(kuò)展模塊 .7 2.5 編程器 .7 2.6 PLC 電源.8 第三章 PLC 的工作原理與特點.9 3.1 PLC 的工作原理.9 3.2 PLC 特點.11 第四章 梯形圖程序設(shè)計及工作過程分析 .13 第五章 水塔水位系統(tǒng)設(shè)計 .14 5.1

2、水塔水位系統(tǒng) PLC 硬件設(shè)計與調(diào)試 .14 5.2 水塔水位系統(tǒng)控制電路與輸入/輸出設(shè)備 .15 5.3 水塔水位控制系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表 .16 第六章 水塔水位控制系統(tǒng) PLC 軟件設(shè)計 .16 6.1 水塔水位控制系統(tǒng)工作過程 .16 6.2 水塔水位控制系統(tǒng)程序流程圖 .16 6.3 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖 .18 致 謝 .20 參考文獻(xiàn) .21 摘 要 隨著現(xiàn)代社會生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)水平的日益提高， 微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在繼電器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一種新型的工業(yè)控制 裝置可編程控制器。隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)實暴露的一些問題，以便能更快捷 更方

3、便的完成一些任務(wù)，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現(xiàn)方法，如機(jī)械控制、邏輯電路控制、機(jī)電 控制等。 本文采用 PLC 進(jìn)行主控制，在水箱上安裝一個自動測水位裝置。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、 故障報警信息顯示、實時曲線和歷史曲線的顯示，使水位保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?第一章 緒論 1.1 可編程控制器的產(chǎn)生 可編程控制器是繼電器控制的基礎(chǔ)上發(fā)展

4、起來的一種新型工業(yè)控制裝置， 它是將自動化技術(shù)、微型計算機(jī)技術(shù)及通訊技術(shù)融為一體的高可靠性的控 制器，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，它是一種數(shù)字運 算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的 存儲器，用來在其內(nèi)部執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算 等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入或輸出，控制各類型的機(jī)械或 生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制形成一 個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則來設(shè)計。它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、 冶金、化工、能源、交通等各個行業(yè)。計算機(jī)在操

5、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)自動化生產(chǎn)及 生產(chǎn)效率都有十分重要的意義。 可編程控制器 (Programmable Controller)也可稱邏輯控制器 (Programmable Logic Controller),是以微處理器為核心的工業(yè)自動控 制通用裝置，是計算機(jī)家族的一名成員，簡稱PC。為了與個人電腦 （也簡稱 PC）相混淆通常將可編程控制器稱

6、為PLC。 可編程控制器的產(chǎn)生和繼電器接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼 電器 接觸器控制已經(jīng)有上百年的歷史，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、價格低廉、容易操作、易于維修 的優(yōu)點。對于工作模式固定、要求比較簡單的場合非常實用，至今仍有廣 泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時，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，改造工期長、費用高，用戶寧愿扔 掉舊控制柜，另做一個新控制柜使用，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

7、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)； 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)動電磁閥，接觸器等； 9. 在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只要很小變更； 10. 用戶程序存儲器容量

8、至少能擴(kuò)展到 4K。 這十項指標(biāo)就是現(xiàn)代PLC 的最基本功能，值得注意的是PLC 并不 等同于普通計算機(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。 用可編程控制器代替繼電器接觸器的控制，實現(xiàn)了邏輯控制 功能，并且具有計算機(jī)功能靈活、通用性等優(yōu)點，用程序代替硬接線， 減少了重新設(shè)計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機(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，使得不熟悉計算機(jī)的人也能方便 地使用。這樣，工作人員不必在編程上花費大量地精力，只需集中精力 去考慮如何操作并發(fā)

9、揮該裝置的功能即可，輸入、輸出電平與市電接口， 市電控制系統(tǒng)可方便地在需要的地方運行。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) 自動化的三大支柱（PLC、機(jī)器人和 CAC/CAM）種躍居首位

10、。 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 使用 較為普遍的由日本OMRON 公司 C 系列、三菱公司F 系列、美國 GE 公 司 GE 系列和德國西門子公司S 系列等。 1.2 PLC 的發(fā)展 雖然 PLC 問世時間不長，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 過程大致可分為三個階段。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、定時等。它在硬件上以計算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O 接口 電路上作了改進(jìn)以

11、適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置中的器件主要采用分離元件 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

12、的邏輯運算、 計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷 等功能。在硬件方面，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，使各種邏輯線圈 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，由于超大規(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 2 章 P

13、LC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相 同，中央處理單元(CPU)，如圖 2-1 所示。 系統(tǒng)程序存儲器電源 輸 入 電 路 中央處理單元 （CPU） 編程器 輸 出 電 路 系統(tǒng)程序存儲器 圖 2-1 硬件結(jié)構(gòu) 2.1 中央處理單元(CPU) 中央處理單元(CPU)是 PLC 控制中樞。它將 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 以及警戒定時器狀態(tài)， 并能診斷用戶程序中語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運行時，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

14、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)行邏輯或算術(shù)運算結(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/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)運行，直到停止運行。 為進(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 CPU 出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 2.2 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

15、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）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 下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)

16、 （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)于計算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程 序。包括監(jiān)控程序、管理程序、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；計時器；計數(shù)器；變址寄存器；累加器等存儲器。 （4）I/O 映象區(qū)：PLC 投入運行后，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

17、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)。一個開關(guān)量 I/O 占 用存儲單元中一個位（bit） ，一個模擬量 I/O 占用存儲單元中一個字（16 個 bit） 。整個 I/O 映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關(guān)量 I/O 映象區(qū)；模擬量 I/O 映 象區(qū)。 （5）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲區(qū) ：除 I/O 映象區(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、計時器、計數(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， 由內(nèi)部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當(dāng) PLC 斷電

18、時，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。所謂用戶程序是指使用戶 根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序由使用者通過編程 器輸入到 PLC 機(jī)的 RAM 存貯器中，以便于用戶隨時修改。也可將用戶程序存放在 EEPROM 中。 2.3 輸入/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)過程連接的接口。 現(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關(guān)，行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感器輸出的開關(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

19、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)動如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？?編程控制器有多種輸入/輸出模塊，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)字量輸入模塊帶有光電耦合電路，其目的 是把 PLC 與外部電路隔離起來，以提

20、高 PLC 的抗干擾能力。數(shù)字量輸出有繼電器 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與 PLC 的 I/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、05V、5 +5V、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

21、后，把它轉(zhuǎn)換成 8 位、10 位或 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)。 2.4 擴(kuò)展模塊 當(dāng)一個 PLC 中心單元的 I/O 點數(shù)不夠用時，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。智能 I/O 接口模 塊種類很多，例如高速計數(shù)模塊、PLC 控制模塊、數(shù)字位基于 PLC 的變頻恒壓供 水系統(tǒng)的設(shè)計置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯?？煲约爸悄?I/O 模塊等。 2.5

22、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。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，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

23、序執(zhí)行時顯示各種信號狀態(tài)、出錯提示等。使用圖形編程器可 以用多種編程語言編程，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)、錄音機(jī)、繪圖儀等設(shè)備連接，有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。但它的價格高，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)的編程器是個人計算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖?包作為編程器，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 某一線圈或觸點的工作

24、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。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中重新輸入程序的調(diào)試與試 運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候鍵盤中都 備有一個選擇鍵，以便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)字輸入和輸出點數(shù)。不同廠家、不同型 號

25、的PLC的輸入輸出點數(shù)也不同，有的大型機(jī)輸入輸出點數(shù)可達(dá)16K，而很多 小型機(jī)僅有10來點，而且CPU本身不帶模擬輸入與輸出，但CPU一般都帶有擴(kuò)展接 口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點數(shù)不夠時，就需對系統(tǒng)做出必要的 擴(kuò)展，各個廠家也生產(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： 用戶可根據(jù)自己實踐控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對PLC作硬 件組

26、態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時節(jié)省開支，減少不必要的投資。 當(dāng)已運行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時，PLC可以隨時進(jìn)行升級或改版，所做的 工作僅僅是替換或增加擴(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。 2.6 PLC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

27、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點的數(shù)量將 PLC分為三大類： 小型機(jī)：256點以下（無模擬量） ； 中型機(jī)：256 2048點（64 128路模擬量） ； 大型機(jī)：2048點以上（128 512路模擬量） 。 具體實現(xiàn)時，通常采用模板式結(jié)構(gòu)，以便用戶根據(jù)實際應(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。 第三章 PLC 的工作原理與特點 31 PLC 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， 但這兩者的運行方式是不相同的

28、： （1）繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運行的方式，即如果這個繼電器的線 圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點（包括其常開或常閉觸點）在繼電器控制 線路的那個位置上都會立即同時動作。 （2）PLC 的 CPU 則采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸 出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(包括其常開或常閉觸點) 不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。 為了消除二者之間由于運行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置 各類觸點的動作時間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時間一般均小于 100ms，因此，PLC 采用了一種不同于一般微型計算機(jī)的運行方式-掃描

29、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。 PLC 的 CPU 是采用分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨著時間的延 伸一個動作接一個動作順序地進(jìn)行，這種分時操作進(jìn)程稱為 CPU 對程序的掃描。 PLC 的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。CPU 從第 一條指令開始，順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束，然后返回第一條 指令開始新的一輪掃描。 1、掃描技術(shù) 當(dāng) PLC 投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程 序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運 行期間

30、，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。如圖 3-1： 圖 3-1 PLC 掃描周期 （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)的單元內(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

31、掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制 線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運算， 然后根據(jù)邏輯運算的結(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

32、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，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)動相應(yīng)的 外設(shè)。這時，才是 PLC 的真正輸出。 2、PLC 的 I/O 響應(yīng)時間 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性，PLC 的每個開關(guān)量輸入端都采 用光電隔離等技術(shù)。為了能實現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制，PLC 采用了 不同于一般微型計算機(jī)的運行方式（掃描技術(shù)） 。以上兩個主要原因，使得 PLC 得 I/O 響應(yīng)比一般微型計算

33、機(jī)構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)慢的多，其響應(yīng)時間至少等于 一個掃描周期，一般均大于一個掃描周期甚至更長。所謂 I/O 響應(yīng)時間指從 PLC 的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號的改變所需的時間。 如圖 3-2： 上 電 R U N 0 20 40 60 80 100 120 一月二月三月四月 亞洲區(qū) 歐洲區(qū) 北美區(qū) 自 診 斷 通 訊 輸 入 采 樣 用 戶 程 序 執(zhí) 行 輸 出 刷 新 故 障 圖 3-2 PLC 掃描周期示意圖 3.2 PLC 特點 (一) 高可靠性 1. 抗干擾能力強(qiáng)，適合于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運行，它完全不需要一般計 算機(jī)所要求的環(huán)境。且所有的 I/O 接口電路均采用光電隔

34、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) 系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu) 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

35、相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，可針對各類不同控制需要 進(jìn)行組合，便于擴(kuò)展；也易于檢查故障和維修更換，從而大大提高了效率。 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) 采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù) 為了實現(xiàn)機(jī)電一體化，將其設(shè)計得緊湊、堅固、小體積，易于裝入機(jī)械設(shè)備 內(nèi)部，各種工業(yè)控制需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 的各個部件包括 CPU 電源 I/O 等均采用模塊化設(shè)計，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

36、要自行組合。 (四) 編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多使用面向控制操作的控制邏輯語言。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)境下直接運行，使用時只需將現(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行，各種模塊上均有運行和 故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障，由于采用模塊化結(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)運行。 第 4 章 梯形圖程序設(shè)計及工作過程分析 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語

37、言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中 的觸點、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 算機(jī)匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(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)備簡單價廉。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SF

38、C)類似于計算機(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BASIC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。每一個邏輯行起始于左母線然 后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。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

39、中各支路也沒有真實的電流流過。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，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0 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)部繼電器線圈外， 還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(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，而左

40、邊必須有觸點。 5)繼電器線圈在一個程序中不能重復(fù)使用：而繼電器的觸點，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，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動作，這在設(shè) 計梯形圖時，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)計大大簡化。 所以，由梯形圖編寫指令程序時，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中 的每個符號對應(yīng)于一條指令，一條指令為一個步序。 當(dāng)PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時去執(zhí) 行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的 過

41、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)成一個掃 描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始。 第 5 章 水塔水位系統(tǒng)設(shè)計 51 水塔水位系統(tǒng) PLC 硬件設(shè)計與調(diào)試 水塔水位控制裝置如圖 5-1 所示。 1、保持水池的水位在 S3S4 之間，當(dāng)水池水位低于下限液位開關(guān) S4，此 時 S4 為 ON，電磁閥打開，開始往水池里注水，超過水池下限液位開關(guān) S4 時，此 時水池下限液位開關(guān) S4 為 OFF，表示水位高于下限水位。當(dāng)液

42、面高于上限水位 S3 時，則 S3 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，則水塔下限液位開關(guān) S2 為 ON，則驅(qū)動電機(jī) M 開始工作，向水塔供水。當(dāng) S2 為 OFF 時，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，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，同時水池水 位也低于下限水位時，電機(jī) M 不能啟動。 圖 5-1 水塔水位控制裝置圖 52 水塔水位系統(tǒng)控制電路與輸入輸入/ /輸出設(shè)備輸出設(shè)備 1、水塔水位系統(tǒng)控制電路如圖 5-2 所示。 圖 5-2 水塔水位系統(tǒng)控制電

43、路 2、水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設(shè)備 這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，只需選用一般中小型控制 器即可。 53 水塔水位控制系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表 水塔水位控制系統(tǒng) PLC 的輸入/輸出接口分配表如表 5-1 所示： 表 5-1 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) Y1 電磁閥 Y X1 水塔上限液位開關(guān) Y0 電機(jī) M1 X2 水塔下限液位開關(guān) X3 水池上限液位開關(guān) X4 水池下限液位開關(guān) S1 表示水塔的水位上限，S2 表示水塔水位下限，S3 表示水池水位上限，S4 表示水池水位下限，M

44、1 為抽水電機(jī)，Y 為水閥。 第 6 章 水塔水位控制系統(tǒng) PLC 軟件設(shè)計 61 水塔水位控制系統(tǒng)工作過程 設(shè)水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的當(dāng)水池水位低于水池低水位界（S4 為 ON 表示），閥Y 打開進(jìn)水（Y 為 ON）定時器開始定時，4 秒后，如果S4 還不為 OFF， 那么閥 Y 指示燈閃爍，表示閥Y 沒有進(jìn)水，出現(xiàn)故障，S3 為 ON 后，閥 Y 關(guān)閉（Y 為 OFF）。當(dāng) S4 為 OFF 時，且水塔水位低于水塔低水位界時S2 為 ON，電機(jī) M 運轉(zhuǎn) 抽水。當(dāng)水塔水位高于水塔高水位界時電機(jī)M 停止。此次給水塔供水完成. 62 水塔水位控制系統(tǒng)程序流程圖 水塔水位控制系統(tǒng)的 PLC 控制流程圖，根據(jù)設(shè)計要求控制流程圖如圖 6-1 所示： 開始 水池水位低 于下限嗎 電磁閥打開 水池水位高于 下限？ 水池繼續(xù)加水 電磁閥關(guān)閉 水池水位高于上限 水塔水位低 于下限嗎 水泵啟動 供