可编程序控制器PLC在电气控制中的应用.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流可编程序控制器PLC在电气控制中的应用.精品文档.广西机电职业技术学院毕业综合实践任务书课题类型：技术应用设计(论文)类 课题名称： 自动检测技术初探 系 部： 机械工程系 专 业： 机电设备维修与管理 班 级： 学生姓名： 麻 永 康 指导教师： 刘志钢 日 期： 2011 年 12 月 Pick to：Along with the computer technology, microelectronics technology and digital communication technologies of the fast devel

2、opment, the programmable controller (PLC) products with the most advanced computer industry of the technical means and electrical automation control the important theory, in its performance index and function further perfect and rich, have broken the traditional concept of PLC, electrical control fi

3、eld in the development of more and more large scope。Key words：Programmable Logic Controller（PLC）；Electrical control；Flowing water light。前 言可编程序控制器是微电子技术、自动控制技术和通讯技术相结合的一种新型的、通用的自动控制装置。由于它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易编程以及合适工业环境下应用等一系列优点，可以方便地直接用于机械制造、冶金化工、电力、交通、采矿、建筑、轻工、环保、食品等各行各业，既可用于老设备的技术改造，也可用于新产品的开发。尤其是近年

4、来可编程技术在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改造等方面应用越来越广泛，成为现代工业三大支柱之一。最初，PLC还仅是作为继电器接触器控制系统的替代品，而自从进入电气控制系统领域后，凸显了其独有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断功能等，提高了电气控制系统的可靠性，基本解决了普通继电器及接触器中常见的故障问题，经过调试后可长期安全可靠地运行。本文将对PLC的特点、基本工作过程、在电气控制中的应用等问题进行分析与阐述。目 录一、PLC的特点.1二、PLC的基本结构 12.1 电源模块.12.2 CPU模块.12.3 存储器.22.4 I/O模块.22.5 功能模块.22.6 通信模块.2

5、2.7 编程器.3三、PLC的工作原理.33.1 PLC的扫描.33.2 输入采样阶段.33.3 程序执行阶段.43.4 输出刷新阶段.4四、PLC的基本工作过程.4五、PLC内部运作方式.5六、PLC在电气控制中的应用56.1 开关量逻辑的控制.56.2 控制模拟量.56.3 集中式控制系统.66.4 分散控制系统.66.5 运动控制.66.6 数据处理的应用.6七、总体设计方案.7八、编程设计.88.1 程序结构图.88.2 流水灯程序 .98.3 程序分析108.4 设计心得. 10心 得 体 会11参考文献.11一、PLC的特点1 编程方法简单易学梯形图是使用的最多的PLC的编程语言，

6、其电路图形符号和表达方式与继电器电路原理图相似。梯形图语言形象直观、易学易懂，熟悉继电器电路图的电器技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。2 功能强，性能价格比高。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程组件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比，PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 3 抗干扰能力强 由于PLC采用了现代化的大规模集成电路技术，在内部电路、生产工艺等方面均采取先进的抗干扰处理技术，具有较高的可靠性。另外，PLC还自备硬件故障自动检测功能，一旦出现故障即可发出警报。在软件应用中，应

7、用者还可编入外围器件的自诊断故障程序，让系统中出了PLC之外的电路与设备也能获得自我保护功能。 4 维护与改造方便 PLC通过存储逻辑替代了接线逻辑，减少了控制设备外在的接线，极大减少了控制系统设计和建造的时间，为后期维护提供了方便，同时程序较易改变，可极快应用于生产过程的改变。二、PLC的基本结构2.1 电源模块PLC电源有交直流两种，但一般都采用交流电源，有115V/230V两档。通过开关电源降压整流提供给CPU、存储器、I/O接口等所需要的内部供电电源，为输入电路和少量的外部电子检查装置提供24V直流电源。另外还有独立的锂电池作为存储器的备用电源。2.2 CPU模块CPU是PLC的核心部

8、件，相当于人的大脑，是PLC的运算、控制中心，用来实现逻辑、算数运算，并对整机进行控制。PLC常用的CPU主要有通用微处理器、单片机或双极型位片微处理器。一般来说，在小型PLC中，大多采用8位微处理器或单片机；在中型PLC中，大多采用16位微处理器或单片机；在大型PLC中，大多采用高速位片机2.3 存储器模块PLC的存储器是用来存放程序或数据的，分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器不需要用户干预的系统程序。用户程序存储器用来存储通过编程器输入的用户程序。通常将用户程序存储器分为程序存储区和数据存储区，程序存储区用来存储用户程序，数据存储区用来存储运算数据、中间运算结果和各种软元件

9、的状态等。常用的用户程序存储器有随机存取存储器（RAM）、可擦除可编程序只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）3种。2.4 I/O模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间连接的桥梁。输入模块的作用是接收和采集现场设备的各种输入信号，比如按钮、数字拨码开关、限位开关、接近开关、选择开关、光电开关、压力继电器等各种开关信号和热电偶、电位器、测速发电机以及各种变送器提供的模拟量输入信号，并将这些信号转换为CPU能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收经CPU处理过的数字信号，并把这些数字信号转换为被控设备所能接收的电压或电流信号，以控制接触器、电磁阀

10、、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，或控制指示灯、数字显示装置和报警装置等设备。2.5 功能模块在工业控制中，不仅需要处理开关量，而且还需要处理模拟量，需要具有闭环控制及机器的通信等功能。PLC逐渐加强和完善了这些功能。目前，一般采取如下两种措施来实现这些功能：一种是利用PLC的主CPU，再加上一定的硬件支持环境，通过开发比较完善的软件来完成，如一般的模拟量I/O的处理以及简单的控制；另一种是硬件、软件一起开发，形成带有自己CPU的模块，并在模块系统软件支持下，通过执行控制程序来完成任务，即利用所谓智能模块来实现控制。此时，智能模块的工作和PLC主CPU的工作可以并行进行，他可以不管PLC主C

11、PU的状态而独立地连续工作。这种智能模块与通用I/O模块的主要区别是：他自身不仅带有微处理器芯片，而且自身带有存储器和系统程序。该模块通过系统总线与CPU模块相连，并可在CPU模块协调管理下独立进行工作，提高处理速度，便于用户编程。2.6 通信模块通信模块是用来使CPU与外部设备或其他PLC或上位计算器进行开关量I/O、模拟量I/O、各种寄存器数值、用户程序和诊断信息的串行通信，时操作人员可以通过外部设备或上位计算机监控PLC的工作状态，为PLC输入程序，改变PLC的工作方式或某些参数，或者将PLC的程序或状态送到外部设备或上位计算机。2.7 编程器PLC的特点是其程序是可变的，既能方便地加载

12、程序，也能方便地修改程序。因此，一般PLC都配有专用的程序写入器，即编程器。编程器的作用是输入、修改、检查程序：显示定时器/计数器的当前值和设定值、PLC的工作状态、编程错误码；监视线圈和触点的状态；在程序运行中，修改定时器/计数器的设定值和其他一些常数等。三、PLC的工作原理3.1 PLC的扫描用户程序通过编程器输入并存放在PLC的用户存储器中。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运行处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则、顺序执行程序的各种操作

13、的过程称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间称为扫描周期。当PLC投入运行时，它首先执行系统程序和CPU自检等工作，然后开始顺序执行用户程序。PLC的用户程序由若干条指令（语句）组成，这些指令在存储器中是按步序号的顺序排列的。用户程序的执行是按顺序扫描工作方式完成的。在没有中断或跳转控制的情况下，CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再返回第一条指令开始信的一轮扫描，PLC就是这样周而复始地重复上述的扫描周期。3.2 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC用扫描方式，把所有输入端的外部输入信号的通/断（ON/OFF）状态一次写

14、入到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像存储器与外界隔离，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像存储器的内容也不会随之改变。输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在输入采样阶段结束之后，无论输入信号如何变化，输入映像存储器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入新的内容。3.3 程序执行阶段在程序执行阶段，PLC逐条解释和执行程序。若是梯形图程序，则按先上后下、先左后右的顺序进行扫描（执行）。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。在顺序执行程序时，

15、所需要的输入状态由输入映像存储器读出，所需要的其他软元件的状态从元件映像存储器中读出，而将执行结果写入到元件映像存储器中。对于每个软元件来说，元件映像存储器中所存的内容会随着程序执行的进程而变化。3.4 输出刷新阶段当所有的用户程序执行完后，集中将元件映像存储器中的输出元件（即输出继电器）的状态转存到输出锁存储器中，经过输出模块隔离和功率放大，转换成被控设备所能接收的电压或电流信号后，再去驱动被控制的用户输出设备。四、PLC的基本工作过程在设计PLC控制系统时，应满足被控对象的基本要求，并对实际工作现场进行研究、收集资料，并实现设计人员与操作人员的密切配合，共同拟定可操作方案，对可能潜在的问题

16、进行共同分析、共同解决。并在满足各方控制要求的前提下，考虑控制系统的简单性与经济性，方便后期的使用及维修，并确保电气控制的安全性、稳定性。PLC在电气控制中的基本工作过程为： （1）直接输入：在系统软件的控制下，按照顺序对输入点进行扫描，并读取输入点的状态。 （2）程序的执行：对用户程序中的指令按顺序扫描，并根据输入的状态及指令进行逻辑性运算。 （3）控制信号的输出：根据以上逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各个输出点同时发出相应的信号，以实现所需的逻辑控制功能。 以上过程完成后，再重新开始，并反复执行，每执行一次即完成一个扫描周期。在实际应用时，很多机械设备的工作流程可分为一系列不断重复的顺序

17、动作，而PLC的工作程序恰与其相似，因此PLC程序能很好地与机器动作相对应，且程序的编制简单、直观，易于修改，减少了开发软件的费用，并缩短软件开发周期。五、PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤

18、一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。 步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。 步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此

19、种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。六、PLC在电气控制中的应用6.1 开关量逻辑的控制这是PLC控制技术中最基本、最广泛的应用领域。替代了传统的继电器电路，并同时实现顺序控制及逻辑控制，既适用于单台设备的控制，也可以应用于自动化流水线中，如生产线、组合机床、磨床、镗床和龙门刨床等。6.2控制模拟量在实际工业生产过程中，会出现很多连续变化的物理量，如温度、速度、流量、液位、压力等模拟量。这些模拟量可通过数字量之间D/A转换和A/D转换得以实现，确保编程器对模拟量实现处理。6.3 集中式控制系统集中式控制系统主要采用一台功能较强大的PLC监视系统、对多个设备进行控制，已形成“中央集中式”的计

20、算机控制体系。在该项系统中，每个设备之间的连锁、联络关系以及运行顺序等都由中央PLC来统一完成。可见，集中式控制系统比单机控制系统的成本低，更经济实惠。但如果其中一个控制对象的程序需要做出改变，就要停止中央PLC的控制，同时其他控制对象也随之停止运行。6.4 分散控制系统在分散控制系统中，每一个控制对象都需要设置一台PLC，每台PLC之间能通过信号的传递而产生内部响应、发令或连锁等，或者可由上位机通过数据通信总线完成通信任务。分散控制系统中采取多台机械生产线控制的方式，每条生产线之间都有数据相连接，由于每个控制对象都是由自身的PLC来控制，所以如果某台PLC运行停止，对其他PLC不会产生影响。

21、随着技术的不断进步，目前可由PLC承担底层的控制任务，通过网络连接，将PLC和过程控制二者结合。6.5 运动控制PLC能够对圆周运动或者直线运动进行控制。在控制机构的配置中，过去进行的为直接应用于传感器及执行机构中，而现在则可以采取专用的运动控制模块。例如多轴位置的控制模块、伺服电机其单轴、可驱动步进电机等，PLC可广泛应用于机器人、机械、电梯、机床等多种场合。6.6 数据处理的应用PLC在数据处理过程中，具备数据传送、数据转换、数学运算、查表、排序及操作等功能，并完成对数据的采集、分析与处理。这些数据可以与存储于存储器中的数据同时具备参考价值，并完成控制操作。另外，这些数据也可以通过通信功能

22、的实现而传输到智能装置中，或者打印成表。目前数据处理多应用于大型控制系统中，如过程控制系统、柔性制造系统等。 由上可见，在指定范围内，可编程序控制器以其高性能价格取胜，并凭借其适应性强、可靠性高、使用方便等突出特点在自动化控制领域广泛应用。再加上PLC制造成本的不断下降、功能的不断加强，已成为工业企业的首选设备。总体设计方案1、硬件设计 根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电气控制系统原理接线图。 2、软件设计 （1）软件设计的主要任务是根据控制系统要求将顺序功能图转换为梯形图，在程序设计的时候最好将使用的软元件（

23、如内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途，以便于程序设计、调试和系统运行维护、检修时查阅。 （2）模拟调试。将设计好的程序下载到PLC主单元中。由外接信号源加入测试信号，可用按钮或小开关模拟输入信号，用指示灯模拟负载，通过各种指示灯的亮暗情况了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，直到满足设计要求为止。八、编程设计8.1 程序结构图启动X1停止X0启动Y2HL3Y1HL2Y0HL1停止HL3灭HL3亮HL2灭HL2亮HL1灭HL1亮8.2流水灯程序8.3 程序分析开始时MO、T0、T1和T2均为OFF，当按下启动按钮X0后，使M0

24、变为ON，M0的常开触点接通自锁M0，同时使Y0变为ON。T0线圈通电0.5S后，T0的常开触点接通T1的线圈，使Y1为ON,T0的常闭触点断开，使Y0为OFF。T1线圈通电0.5S后，T1的常开触点接通T2的线圈，使Y2为ON,T2的常闭触点断开，使Y1为OFF。T2线圈通电0.5S后，T2的常闭触点断开，使T0、T1、T2和Y2线圈断电，其所有触点全部复位，T0又开始新的一轮定时。以后Y0、Y1、Y2的线圈都将这样周期性地通电和断电，直到按下停止按钮X1，使M0变为OFF，Y0、Y1、Y2通电和断电的时间分别等于T0、T1和T2的设定值。8.4 设计心得在设计的过程中，我开始时对X、Y、M

25、、T的了解和使用并不充分，这就导致了我依赖电力推动的电气原理，使得编程中原本简单的问题我把它复杂化了。所以，在用梯形图设计程序时，要先对一些简单的梯形图语言进行学习，这样设计程序起来就很简单。学习梯形图语言的基本数据结构：（1） 出入继电器（X） 输入继电器与PLC的输入端子相连，是PLC接收外部开关信号的接口。输入继电器是光电隔离的电子继电器，其线圈、常开、常闭触点与传统硬继电器表示方法一致。（2） 输出继电器（Y） 输出继电器的外部输出接点连接到PLC的输出端子上，输出继电器是PLC用来传送信号到外部负载的元件。没一个输出继电器有一个外部输出的常开触点，但在梯形图中，每一个输出继电器的常开

26、触点和常闭触点都可以多次使用。（3） 辅助继电器（M） PLC内部有大量的辅助继电器，辅助继电器是靠软件实现其功能，他们不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，只是一种内部的状态标志，相当于继电器控制系统中的中间继电器，但它的常开常闭触点在PLC编程中可以无限次地使用。（4） 定时器（T） 计时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器。它有一个设定值寄存器，一个当前值寄存器，以及无限个接点。心 得 体 会通过这次设计，我对PLC的工作原理和使用方法有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在我设计这程序的时候，对一些细节不加重视，当我把自己相出来的程序写到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。能够解决一个个在调试中出现的问题，让我知道我对PLC的理解还需要加强。有的初学者在理论上花了很多功夫，结果半年下来还是没有把PLC搞懂，其实只要你自己亲自动手一些实际的梯形图编写、程序下载、调试等操作，增加对PLC的感性认识，很快就可以掌握PLC这项技术了。参考文献