畢業(yè)設計（論文）水水塔水位控制PLC系統(tǒng)設計

1、滁州職業(yè)技術學院成人高等教育 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計 課 題： 設計時間： 班 級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期：2011 年 月 日 目 錄 摘 要 .2 前言 .2 可編程控制器的產(chǎn)生 .2 plc 的發(fā)展 .5 plc 的基本結構 .6 plc 特點 .11 plc 的工作原理 .12 梯形圖程序設計及工作過程分析.12 水塔水位系統(tǒng) plc 硬件設計.17 水塔水位控制 plc 系統(tǒng)設計要求. . . . . . . . . . . . . . .17 水塔水位系統(tǒng)控制電路.18 輸入/輸出分配.18 列出水塔水位控制系統(tǒng) plc 的輸入/輸出接口分配表.19 水塔水位系

2、統(tǒng)的輸入/輸出設備.20 水塔水位控制系統(tǒng)plc 軟件設計.21 工作過程.21 程序流程圖.22 梯形圖程序設計及工作過程分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 水塔水位控制系統(tǒng)梯形圖的對應指令表. . . . . . . . . . . . . 24 結束語 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 水塔水位控制 plc 系統(tǒng)設計 摘 要 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常

3、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)奈恢谩?關鍵詞： 水位控制、三菱 plc fx2n 前 言 可可編編程程控控制制器器的的產(chǎn)產(chǎn)生生 可編程控制器是二十世紀七十年代

4、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 cont

5、roller),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、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?lián)Q

6、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

7、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，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

8、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(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

9、，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 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。 plcplc 的發(fā)展的發(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，

10、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 pl

11、c 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

12、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。 plcplc 的基本結構的基本結構 plc 實質是一種專用于工業(yè)控制計算機，其硬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。 可編程控制器的基本結構可編程控制器的基本結構 可編程控制器簡稱為 plc( programmable logic controller )主要由中央處理單元 (cpu)、存儲器(ram 和 eprom)、輸入/輸出

13、模塊(簡稱 i/o 模塊)、擴展模塊、編程器和電 源六大部分組成。 一、中央處理單元一、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(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

14、存器內(nèi)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

15、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

16、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

17、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(nèi)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(nèi)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

18、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。 三、輸入三、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

19、示、電機等執(zhí) 行機構?？删幊炭刂破饔卸喾N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(nèi)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

20、。由于 工業(yè)控制系統(tǒng)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、0iv、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)

21、行機構。 四、擴展模塊四、擴展模塊 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

22、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(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，還可在調試程序、檢查程 序執(zhí)行時顯示各種信號狀態(tài)、出

23、錯提示等。 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、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鳛榫?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

24、的工作狀態(tài)進行監(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(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

25、型機輸入輸出點數(shù)可達16k，而很多小型機僅有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)

26、省開支，減少不必要的投資。 當已運行的系統(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

27、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：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。 plcplc 特點特點 (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(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

28、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

29、接連接另外為了提高操作性能它還有多種人-機對話的接口模塊; 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

30、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。 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

31、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

32、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，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(nèi)。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

33、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，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(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 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)行結果會對排在下面的凡是用到這些

34、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(nèi)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

35、因，使得 plc 得 i/o 響應比一般微型計算機 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 梯形圖程序設計及工作過程分析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

36、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(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

37、們在某些廠家的plc中應用。 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

38、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(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

39、條并列支路同時動作，這在設計梯形圖時，可以減 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

40、從頭開始掃描，并周而復始。 水塔水位系統(tǒng) plc 硬件設計 水塔水位控制水塔水位控制 plcplc 系統(tǒng)設計要求。系統(tǒng)設計要求。 在自來水供水系統(tǒng)中，為解決高層建筑的供水問題，修建了一些水塔。 水塔高為 35m，正常水位變化 2.5m，為保證水塔的正常水位，需要用水泵為其供水。 水泵房分別用 4 臺三相異步電動機，交流 380v，15kw 供水。正常運行時，3 臺電動 機運轉，1 臺電動機備用。 1因電動機功率較大，為減少起動電流，電動機采用定子串電阻或補償器降壓起動，并 要錯開起動時間（5s） 。 2為防止某一臺電動機應長期閑置而產(chǎn)生銹蝕，備用電動機可通過預置開關預先隨意設 置。如果未設置備

41、用電動機組號，則系統(tǒng)默認為 4 號電動機組為備用。 3每臺電動機都有手動和自動兩種控制狀態(tài)。在自動控制狀態(tài)時不論設置哪一臺電動機 作為備用，其余電動機都要按順序逐臺起動。 4在自動控制狀態(tài)下，如果由于故障使某臺電動機組停車，而水塔水位又未達到高水位 時，備用電動機組自動降壓起動；同時對發(fā)生故障的電動機組根據(jù)故障性質發(fā)出停機 報警信號，提請維護人員及時排除故障。 5當水塔水位達到高水位時，高液位傳感器發(fā)出停機信號，各個電動機組停止運行。當 水塔水位低于低水位時，低液位傳感器自動發(fā)出開機信號，系統(tǒng)自動按順序降壓啟動。 6每臺電動機都有運行狀態(tài)指示燈（運行、備用和故障） 。 7液位傳感器要有位置狀態(tài)

42、指示燈。 8. 完整的設計任務書；封面、畢業(yè)設計任務書、設計內(nèi)容和封底 9. 完成組態(tài)或硬件配置； 10. 設計主控電路圖 11. 正確合理地進行編程元件的通道分配； 12. 畫出輸入/輸出接線圖及相關圖紙； 13. 設計梯形圖控制程序； 14. 編制系統(tǒng)的操作說明； 15. 編制系統(tǒng)的調試說明及注意事項； 16. 設計體會 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，

43、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。 水塔水位系統(tǒng)控制電路水塔水位系統(tǒng)控制電路 水塔水位控制系統(tǒng) plc 軟件設計 各電氣器件對應的各電氣器件對應的 i/oi/o 接口接口 m1m1:正轉 io.0 m m2 2:正轉 i0.1 反轉 i0.2 m3m3：正轉 i0.3 反轉 i0.4 停止 i0.5 fr1 i0.6 fr2 i0.7 fr2 i1.0 m1:正轉 q0.0 m2：正轉 q0.1 反轉 q0.2 m3:正轉 q0.3 反轉 q0.4 為了保證在緊急情況下（包括 plc 發(fā)生故障時）能可靠的切斷 plc 的負載電源

44、，設 置了交流接觸器 km。在運行時按下“負載電源”按鈕，使 km 線圈得電并自鎖，km 的主 觸點接通，給外部負載提供交流電源，出現(xiàn)緊急情況時使用“緊急停車”按鈕斷開負載 電源。 由于電動機 plc 控制電路梯形圖采用順序功能圖畫法不是太方便，所以本電動機采 用經(jīng)驗畫圖法和順序功能圖并用的辦法，在電動機啟動的互鎖機構采用熟知的繼電器圖 形為 plc 控制的經(jīng)驗畫圖法，在電動機正常停機和過載緊急停機時采用順序功能圖法。 采用此畫圖法更為方便。整個設計思路也清晰可見。 根據(jù)經(jīng)驗設計的三臺電動機順序啟動正反轉互鎖的梯形圖如下： 停止電路用順序功能圖的畫法畫出梯形圖，根據(jù)課程設計要求，順序功能圖如下

45、： 順序功能圖說明：當電動機順序啟動以后使 m0.0 變?yōu)榛顒硬剑琲0.6 為 m1 電動機過載 保護按鈕，i0.7 為 m2 過載保護按鈕，i1.0 為 m3 電動機過載保護按鈕，當電動機過載 時其按鈕閉合，當 i1.0 閉合時 m0.1 變?yōu)榛顒硬?，?i0.7 閉合時 m0.2 變?yōu)榛顒硬剑?i0.6 閉合時 m0.3 變?yōu)榛顒硬?，當按動關閉按鈕 i0.5 時 m0.1 變?yōu)榛顒硬剑?m0.1 變?yōu)?活動步時，m0.5t37 通電，在此條件下檔 t37 計時時間到后，m0.2 變?yōu)榛顒硬剑?0.2 變?yōu)榛顒硬綍r m0.5,m0.6t38 通電，當 t38 計時時間到后，滿足條件,m

46、0.3 變?yōu)榛顒硬剑?當 m0.3 變?yōu)榛顒硬綍r m0.4,m0.5,m0.3 變?yōu)榛顒硬?，?m0.4 通電時初始步 m0.0 變?yōu)榛?動步，等待下一關閉。 梯形圖功能簡介： i0.0 為 m1 電動機按鈕，當開始按動 i0.0 時，m1 電動機起，m1 啟動過后，按動 i0.1,m2 電動機正轉，此時不能按 i0.2 反轉按鈕，按后沒反應，若開始時按 i0.2 反轉 按鈕，電動機反轉，再按 i0.1 正轉按鈕就沒反應了，當 m2 啟動以后，按 i0.3 或 i0.4，電動機正轉或反轉，與 m2 的原理一樣，就不多那個介紹了。當三臺電動機順序啟 動后，正常情況下按動 i0.5 按鈕，電動機順

47、序關閉，按動 i0.5 后，m3 電動機先關閉， 當 m3 關閉后十秒 m2 關閉，m2 關閉后五秒 m1 再關閉，等待下一次啟動，此為正常情況。 另外當電動機 m1 過載時，三臺電動機都直接停止，當 m2 過載時，m2、m3 停止，m1 過五 秒后停止，當 m3 過載時，m3 直接停止，十秒后 m2 停止，再過五秒后 m1 停止， （m1 過載 開關 i0.6,m2 過載開關 i0.7，m3 過載開關 i1.0） 。 輸入輸入/ /輸出分配輸出分配 列出水塔水位控制系統(tǒng)列出水塔水位控制系統(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

48、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 y0 水池 x1 水塔上限液位開關 y1 電機組 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 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，水塔水位控制

49、系統(tǒng)的 i/o 接線圖如下： 工作過程工作過程 設水塔、水池初始狀態(tài)都為空著的，2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，電機組打開，開始往水池里進水，每臺電機啟動時間間隔 5s，如果沒有三臺電機工作，說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，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， 電機組就關閉，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

50、位，則水 塔下限指示燈a3滅，電機組繼續(xù)工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽滿，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，電機組已經(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。 程序流程圖程序流程圖 水塔水位控制系統(tǒng)的 plc 控制流程圖，根據(jù)設計要求，控制流程圖如下： 低水位顯示 高水位顯示 報警 報警 報警 報警 手動 停車 高水位？ 啟動備用機組 有故障？ 4號機組正常？ 啟動4號機組 4號機組備用？ 3號機組正常？ 啟動3號機組 3號機組備用？ 2號機組正常？ 啟動2號機組 2號機組備用？ 1號機組正常？ 啟動1

51、號機組 1號機組備用？ 自動？ 低水位？ 準備 梯形圖梯形圖程序設計及工作過程分析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出點、 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 用戶首選使用梯形圖編程。 梯形圖編程的一般規(guī)則有： (1)梯形圖安自上而下、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，最后是線圈或是線圈與母線相

52、連，整個梯形圖呈階梯型。梯形圖所使用的原件 編號地址必須在所使用plc的有效范圍內(nèi)。 (2)梯形圖是plc形象化得編程方式，其左右兩側母線并不接觸任何電源，因而圖中各支路 也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常使用“有電流”、“得電”等來形象地描述 用戶程序中解算滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為他 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)器為“1態(tài)”，便 是該繼電器線圈通電，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，

53、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，可以減 少許多有約束關系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設計上大大簡化。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，梯形圖中的每一個符號對應一條指令

54、，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。 根據(jù)程序流程圖設計的梯形圖如下 水塔水位控制系統(tǒng)指令表 電器元件的選擇電器元件的選擇 1.電動機的選擇 (1)水塔電動機 已知其額定功率為 11kw 查電工手冊應選擇型號為：y2-1