畢業(yè)設計（論文）PLC水塔水位控制系統(tǒng)

1、水塔水位控制系統(tǒng) 摘 要 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要對水位進行測量和控制。水位控制在日常 生活中應用也相當廣泛，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，如機械控制、邏輯電路控制、機電控制等。本 文采用 plc 進行主控制，在水箱上安裝一個自動測水位裝置。利用水的導電性 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換成相應的電信號， 主控臺應用 mcgs 組態(tài)軟件對接收到的信號進行數(shù)據(jù)處理，完成相應的水位顯 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?shù)奈?置。 關鍵詞： 水位控制、三菱 plc、 fx2n abstract in

2、industrial and agricultural production process, often need to water level measuring and control. water level control in daily life applications are very wide, such as water tower, groundwater, hydropower station of water level control. and the water level detection can have a variety of realization

3、methods, such as mechanical control, logic control circuits, mechanical and electrical control, etc. this paper adopts plc main control, in installing a automatic measuring tank water device. use water conductivity continuously all-weather measurements, the variations of water level to measure conve

4、rted into the variation of the electrical signals, the console application mcgs software docking received signal data processing, complete the corresponding level display, fault alarm information display, real-time curves and historical curve, the display to keep in place water. keywords:water level

5、 control mitsubishi plc fx2n 目 錄 摘 要.1 關鍵詞： .1 前言 . .4 1 可編程控制器的概述.5 1.1 可編程控制器的產(chǎn)生 .5 1.2 plc 的發(fā)展.7 1.3 plc 的基本結構.7 1.4 plc 特點.12 1.5 plc 的工作原理.13 2 水塔水位系統(tǒng)plc 硬件設計 .17 2.1 要求獨立完成水塔水位控制 plc 系統(tǒng)設計與調試。 .17 2.2 水塔水位系統(tǒng)控制電路 .18 2.3 輸入/輸出分配 .18 2.3.1 水塔水位控制系統(tǒng) plc 的輸入/輸出接口分配表.18 2.3.2 水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設備 .19 3 塔水

6、位控制系統(tǒng)plc 軟件設計 .19 3.1 工作過程 .19 3.2 序流程圖 .20 3.4 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖的對應指令表 .22 總結 . .23 謝致 . .24 參考文獻 .25 前言 我國的供水自動化系統(tǒng)發(fā)展已初有成效。供水自動化系統(tǒng)主要包括水廠自 動化和供水管網(wǎng)調度自動化兩個方面。 由水工業(yè)的社會性所決定，水工業(yè)的學科體系由多個相互關聯(lián)的學科組成， 包括：水質與水處理技術、水工業(yè)工程技術、水處理基礎科學、水社會科學、 水工業(yè)設備制造技術等，它們共同支撐著水工業(yè)的工業(yè)體系。而在這些學科中 水質與水處理技術和水工業(yè)工程技術是水工業(yè)學科體系中的主導學科。 近幾十年來，自動控制技術迅

7、猛發(fā)展，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防建 設和航空，航天事業(yè)等領域中獲得廣泛的應用。隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展， 自動控制技術至今已滲透到各種科學領域，成為促進當今生產(chǎn)發(fā)展和科學技術 進步的重要因素。 比如在生活方面的溫度調節(jié)、濕度調節(jié)、自動洗衣機、自動售貨機、自動 電梯、空氣調節(jié)器、電冰箱、自動路燈、自動門、保安系統(tǒng)等。在工業(yè)方面主 要分為兩大類：一類是氣體、液體、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等 行業(yè)。需要對溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進行控制。另一類是對已 成型材料的進一步加工或者對多種已成型材料的裝配，主要控制位移、速度、 角度等參數(shù)這些都需要應用自動控制學科的知識。控制理論一般

8、分為經(jīng)典控制 理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分。 經(jīng)典控制理論最初稱為自動調節(jié)原理，適用于較簡單系統(tǒng)特定變量的調節(jié)。 隨著后期現(xiàn)代控制理論的出現(xiàn)，故改稱為經(jīng)典控制理論。經(jīng)典控制理論以傳遞 函數(shù)為數(shù)學工具研究單輸入、單輸出的自動控制系統(tǒng)的分析和設計方法。主要 研究方法有時域分析法、根軌跡法和頻率特性法。 現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生,隨著科學技術的突飛猛進，特別是空間技術和各類高 速飛行器的發(fā)展，使各受控對象要求高速度、高精度，而系統(tǒng)的結構更加復雜， 要求控制理論解決動態(tài)耦合的多輸入多輸出、非線形以及時變系統(tǒng)的設計問題。 此外，對控制性能的要求也在逐步提高，很多情況下要求系統(tǒng)的某種性能是最 優(yōu)的，而且對環(huán)境的變

9、化要有一定適應能力等。這些新的要求用經(jīng)典理論是無 法解決的，這同時也為現(xiàn)代控制理論的形成創(chuàng)造了條件。具有結構簡單，使用 壽命長，可靠性高，操作維修方便，經(jīng)濟實用的優(yōu)點是用于各種高層液體儲存 的理想設備。 1 可編程控制器的概述 1.1 可編程控制器的產(chǎn)生 可編程控制器是二十世紀七十年代發(fā)展起來的控制設備，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)被廣泛應用于 機械制造、冶金、化工、能源、交通等各個行業(yè)。計算機在操作系統(tǒng)、 應用軟件、通行能力上的飛速發(fā)展，大大加強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，增強了plc 過程控制能力。 因此，無論是單機還

10、是多機控制、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，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),是一微處理器為核心的工業(yè)自動 控制通用裝置，是計算機家族的一名成員，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)有很大的關系。 繼電器 接觸器控制已經(jīng)有傷百年的歷史，它是一種弱電信號控制強電 信號的電磁開關，具有結構簡單、

11、電路直觀、價格低廉、容易操作、易 于維修的有優(yōu)點。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 換代。 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翻新，滿足用戶對產(chǎn)品多樣性的需求，公 開對外招標，要求制造一種

12、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，采用模塊化結構； 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)可直接送入管理計算機； 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，能直接驅動電磁閥，接觸器等； 9. 在擴展時，原系統(tǒng)只要很小變更； 10. 用戶程序存儲器容量至少能擴展到 4k。 這十項指標就是現(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，它與有關的外部設備

13、，按照“易于與工業(yè)控 制系統(tǒng)連成一體 ”和“便于擴充功能 ”的原則來設計。 用可編程控制器代替了繼電器接觸器的控制，實現(xiàn)了邏輯控制 功能，并且具有計算機功能靈活、通用性等有點，用程序代替硬接線， 并且具有計算機功能靈活、通用性能強等優(yōu)點，用程序代替硬接線，減 少了重新設計，重新接線的工作，此種控制器借鑒計算機的高級語言， 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，使得部熟悉計算機的人也能 方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發(fā)費大量地精力，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，市控制系統(tǒng)可

14、方便地在需要地地方運行。所以，可編程控制器廣 泛地應用于各工業(yè)領域。 1969 年，第一臺可編程控制器pdp14 由美國數(shù)字設備公司 （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，在控制領域內產(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)通信技術不斷進步，plc 迅速發(fā)展。 plc 進入九十年代后，工業(yè)控制領域幾乎全被plc 占領。國外專家預言， plc 技術將在工業(yè)自動化的三大支柱（plc、機器人和 cac/cam）種 躍居首位。 我國在八十年代初才開始使用plc，目前從國外應進的plc

15、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。 1.2 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 集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通訊技術的不斷進步，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、 定時等。它在硬件上 以計算機的形式出現(xiàn)，在 i/o 接口電路上作了改進以適 應工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。裝置種的器件主要采用分離元件和中小

16、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。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運 算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處

17、理和傳送、通訊、 自診斷等功能。再硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模 擬量快、遠程 i/o 模塊、各種特殊功能模塊。并擴大了存儲器的容量，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 的應用范 圍得以擴大。 進入八十年代中、后期，由于插大規(guī)模集成電路技術的迅速發(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。 1.3 plc 的基本結構 plc 實質是一種專用于工業(yè)控制計算機，其硬

18、件結構基本上與微型計算機 相同， 、中央處理單元(cpu)，如下圖所示。 plc 基本結構 一、中央處理單元(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 以及警戒定時器狀態(tài)， 并能診斷用戶程序中語法錯誤。當 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)運算結果送入 i/o 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。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

19、器內數(shù)據(jù)傳送到相應輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止 運行。 進一步提高 plc 可靠性，近年來對大型 plc 還采用雙 cpu 構成冗余系統(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。 二、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

20、。斷電情況下，存儲器內所有內容保持不變。紫外線連續(xù)照射下 可擦除存儲器內容)。 （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容進行修改。 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) （2）系統(tǒng) ram 存儲區(qū)（包括 i/o 映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等） （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)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)系統(tǒng)程 序。包括監(jiān)控程序、管理程序

21、、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。 （1）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)送至相應外設。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

22、中一個字 （16 個 bit） 。整個 i/o 映象區(qū)可看作兩個部分組成：開關量 i/o 映象區(qū)；模擬 量 i/o 映象區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟設備存儲區(qū) ：i/o 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) ram 存儲區(qū)還包括 plc 內部各類軟設備（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，由內部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會遺失；后者當 plc 斷電時，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用程序。所謂用戶程序時指使用 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 機的 r

23、am 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。 三、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)設備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的借口。 現(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開關，行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或 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準電 平，所以輸入模塊還需將這些信號轉換成 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，并把它轉換成現(xiàn)場執(zhí)行部 件所能接收的控制信號，以驅動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構。

24、可編 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，部件上都設有接 線端子排，為了濾除信號的噪聲和便于 plc 內部對信號的處理，這些模塊上都 帶有濾波、電平轉換、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 來實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的轉換，即 a/d 或 d/a 轉換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)

25、中 有傳感器或執(zhí)行機構有一些信號是連續(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 轉換后 的二進制數(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。現(xiàn)在標 準量程的模擬電壓主要是 05 伏和 010 伏兩種。另外還有：0somv、0 iv、5+sv、10+10v，010ma 等。模擬量輸入模塊接收標準量程的模 擬電壓或電流猴，把它轉換成 8 未、10 未或 12 位的二進制數(shù)字信號，送給中 央處理器進行處理。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進制數(shù)字信號轉換成標 準量程的電壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構。 四、擴

26、展模塊 當一個 plc 中心單元的 i/o 點數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進行擴展，擴展接 口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控 制中的廣泛應用和發(fā)展，使可編程控制器的功能更加強大和完善。只能 i/o 接 口模塊種類很多，例如高速計數(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)的設計置譯碼模塊、閥門控制模塊、智能存貯弄快以及智能 i/o 模塊等。 五、編程器 它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視。有的編程器還可 與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在它的作用 是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監(jiān)視。有的編程器還

27、可與打印機或磁 帶機相連，以將用戶程序和有關信息打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 可在調試程序、檢查程序執(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月多種

28、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、錄音機、繪畫儀等設備連接，有較強的監(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及其兼容機的編程器是個人計算機加上適當?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。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機處于停機狀態(tài)時可以進行編程， 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)進行監(jiān)視和跟蹤，一般可以 對某一線圈或觸點的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，也可以對成組器件的工作狀態(tài)進行監(jiān) 視，還可以跟蹤某一

29、器件在不同時間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還 可以對一些器件進行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入程序的調 試與試運行是非常有用和方便的。編程器的結構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，它的結構緊密、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 型號的plc的輸入輸出點數(shù)也不同，有的大型機輸入輸出點數(shù)可達16k，而 很

30、多小型機僅有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 出必要的擴展，各個廠家也生產(chǎn)了專用于擴展用的各模板供用戶選用。擴展模 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。 用擴展模板來擴展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點： 用戶可根據(jù)自己時間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴展模塊對plc作硬 件組態(tài)，以求達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。 當已

31、運行的系統(tǒng)需要改造或擴充時，plc可以隨時進行升級或改版，所作的 工作僅僅是替換或增加擴展模板和修改相應的控制軟件。特殊模板及智能模板 的開發(fā)將進一步擴展可編程控制的功能，專用模板的開發(fā)不僅擴大了可編程控 制系統(tǒng)的控制功能，而且將進一步提高控制質量與可靠性。 六、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 p

32、lc分為三大類： 小型機：256點以下（無模擬量） ； 中型機：256 2048點（64 128路模擬量） ； 大型機：2048點以上（128 512路模擬量） 。 具體實現(xiàn)時，通常采用模板式結構，以便用戶根據(jù)實際應用需求進行配置。 但一些小型機常制作成一體機，其配置固定，主要供定型成套設備使用；而一 些大型機一般在電源、或者cpu，甚至兩者都作了熱備份。 1.4 plc 特點 (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

33、以防止輻射干擾 4. 采用性能優(yōu)良的開關電源 5. 對采用的器件進行嚴格的篩選 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大 7. 大型 plc 還可以采用由雙 cpu 構成冗余系統(tǒng)或有三 cpu 構成表決系統(tǒng),使 可靠性更進一步提高 (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；開關量或模擬量；電壓 或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。 2. 有相應的 i/o 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備如：按鈕；行程開關；接近 開關；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

34、對話的接口模塊; 為 了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊等等。 (三) 采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要除了單元式的小型 plc 以外，絕大多數(shù) plc 均 采用模塊化結構，plc 的各個部件包括 cpu 電源 i/o 等均采用模塊化設計，由 機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 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 不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 (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

35、各種設備與 plc 相應的 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，由于采用模塊化結構， 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)迅速恢復運行。 1.5 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成的控制裝 置，但這兩者的運行方式是不相同的： （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 控制線路的哪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

36、 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的運行方式- -掃描技術。這樣在對于 i/o 響應要求不高的場合，plc 與繼電器控制裝置的 處理結果上就沒有什么區(qū)別了。 1、掃描技術 當 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

37、周期。在整個運行期間，plc 的 cpu 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階 段。如下圖： 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)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(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

38、)。在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成的控 制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運 算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) ram 存儲區(qū)中對應位的 狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 i/o 映象區(qū)中對應位的狀態(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備在 i/o 映 象區(qū)或系統(tǒng) ram 存儲區(qū)內的狀態(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

39、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 當掃描用戶程序結束后，plc 就進入輸出刷新階段。在此期間，cpu 按照 i/o 映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅動 相應的外設。這時，才是 plc 的真正輸出。 2、plc 的 i/o 響應時間 為了增強 plc 的抗干擾能力，提高其可*性，plc 的每個開關量輸入端都采 用光電隔離等技術。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的運行方式（掃描技術） 。以上兩個主要原因，使得 plc 得 i/o 響應比一

40、般微型計算機構成的工業(yè)控制系統(tǒng)滿的多，其響應時間至 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 響應時間 指從 plc 的某一輸入信號變化開始到系統(tǒng)有關輸出端信號的改變所需的時間。 如下圖： plc 掃描周期示意圖 1.6 梯形圖程序設計及工作過程分析 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、線圈、串并聯(lián)等術語和圖形符號，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

41、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plc的各種功能的助記符號，類似于計 算機匯編語言。由指令構成的能夠完成控制任務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，然后改寫成相應的語句表，編程設備簡單價廉。 狀態(tài)轉移圖語言(sfc)類似于計算機常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則， 描述控制過程比較詳細具體，包括每一框前的輸入信號，框內的判斷和工作內 容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構思，是一種常用的程序表達方式。 高級語言類似于bacic語言、c語言等，它們在某些廠家的plc中應用。 通常微、小型plc主要采用繼電

42、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。 (2)梯形圖是plc形象化的編程方式，其左右兩側母線并不接任何電源，因 而圖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上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器

43、 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 “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、 運算的結果。 (4)梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的 右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。 (5)繼電器線圈在一個程序中不能重復使用：而繼電器的觸點，編程中可以 重復使用，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 在設計梯形圖時，可以

44、減少許多有約束關系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設計大大 簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序， 梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。 當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，直到程序結束。每掃描完一次程序就構 成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復始。 2 水塔水位系

45、統(tǒng)plc硬件設計 水塔水位控制裝置圖 2.1 要求獨立完成水塔水位控制 plc 系統(tǒng)設計與調試。 （1）保持水池的水位在 s3s4 之間，當水池水位低于下限液位開關 s3，此時 s3 為 on，電磁閥打開，開始往水池里注水，當 5s 以后，若水池水位 沒有超過水池下限液位開關 s3 時，則系統(tǒng)發(fā)出警報；若系統(tǒng)正常運行，此時水 池下限液位開關 s3 為 off，表示水位高于下限水位。當頁面高于上限水位 s4 時，則 s4 為 on，電磁閥關閉。 （2）保持水塔的水位在 s1s2 之間，當水塔水位低于水塔下限水位開 關 s2 時，則水塔下限液位開關 s2 為 on，則驅動電機 m 開始工作，向水塔

46、供水。 當 s2 為 off 時，表示水塔水位高于水塔下限水位。當水塔液面高于水塔上限水 位開關 s1 時，則 s1 為 on，電機 m 停止抽水。 當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 m 不能啟動。 2.2 水塔水位系統(tǒng)控制電路 水塔水位系統(tǒng)控制主電路圖 水塔上限液位開關 s1 水塔下限液位開關 s2 水池上限液位開關 s4 水池下限液位開關 s3 水塔 電機 m 水池 電磁閥 水流 2.3 輸入/輸出分配 2.3.12.3.1 水塔水位控制系統(tǒng)水塔水位控制系統(tǒng) plcplc 的輸入的輸入/ /輸出接口分配表輸出接口分配表 水塔水位系統(tǒng) plc 的輸入/輸出接口分配

47、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 y0 電磁閥 x1 水塔上限液位開關 y1 電機 m x2 水塔下限液位開關 y2 水池下限指示燈 a1 x3 水池下限液位開關 y3 水池上限指示燈 a2 x4 水池上限液位開關 y4 水塔下限指示燈 a3 y5 水塔上限指示燈 a4 y6 報警指示燈 a5 2.3.22.3.2 水塔水位系統(tǒng)的輸入水塔水位系統(tǒng)的輸入/ /輸出設備輸出設備 這是一個單體控制小系統(tǒng)，沒有特殊的控制要求，它有 5 個開關量，開 關量輸出觸點書有 8 個，輸入、輸出觸點數(shù)共有 13 個，只需選用一般中小型 控制器即可。據(jù)此，可以對輸入、輸出點作出地址分配

48、，水塔水位控制系統(tǒng) 的 i/o 接線圖如下： 水塔水位系統(tǒng)的輸入/輸出設備圖 x0 x1 x2 x3 x4 com y0 y1 y2 y3 y4 y5 y6 傳感器 1 傳感器 2 傳感器 3 傳感器 4 電磁閥 電機m sb 水池下限指示燈 a1 水池上限指示燈 a2 水塔下限指示燈 a3 水塔上限指示燈 a4 報警指示燈 a5 220v 3 塔水位控制系統(tǒng) plc 軟件設計 3.1 工作過程 設水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，4個液位指示燈全亮。當執(zhí)行程序是， 掃描到水池為液位低于水池下限位時，電磁閥打開，開始往水池里進水，如果 進水超過5s，而水池液位沒有超過水池下限位，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，

49、系統(tǒng)就會 自動報警。若5s只有水池液位按預定的超過水池下限位，說明系統(tǒng)在正常的工 作，水池下限位的指示燈a1滅。此時，水池的液位已經(jīng)超過了下限位了，系統(tǒng) 檢測到此信號時，由于水塔液位低于水塔水位下限，電機m開始工作，向水塔 供水，當水池的液位超過水池上限液位時，水池上限指示燈a2，電磁閥就關閉， 但是水塔現(xiàn)在還沒有裝滿，可此時水塔液位已經(jīng)超過水塔下限水位，則水塔下 限指示燈a3滅，電機m繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿是，水塔 也未超過水塔上限，水塔上限指示燈a4滅，但剛剛給水塔供水的時候，電機m 已經(jīng)把水池的水抽走了，此時水塔液位已經(jīng)低于水池上限，水池上限指示燈a2 良。此次給水塔供水完成。 3.2 序流程圖 水塔水位控制系統(tǒng)的 plc 控制流程圖，根據(jù)設計要求控制流程圖如下： plc控制流程圖 3.3梯形圖 根據(jù)程序流程圖設計的梯形圖如下 3.4 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖的對應指令表 水塔水位控制系統(tǒng)指令表 總結 經(jīng)過在機械工程系的三年學習，在畢業(yè)之際，要用我所學的知識作一個設 計，來給予我這三年所學知識的一個肯定。