湖南工业大学PLC设计论文(3)

湖南工业大学专科毕业设计（论文）

序控制器并自己设计组成控制系统，其应用范围也扩大到建材、轻工、煤炭、水处理、食品、制药、造纸、橡胶和精细化工等工业领域。

③ 可编程序控制器的广泛发展阶段（90 年代初期到现在） 进入90年代，我国的可编程序控制器进入了广泛发展阶段，主要表现在以下几个方面：

(2)政府重视

可编程序控制器的发展得到了政府的高度重视，在当时机械电子工业部的领导下，于 1991 年成立了可编程序控制器行业协会。可编程序控制器行业协会在政府和企事业之间起到了桥梁作用，沟通了情况，为做出决策提供了依据。同时可编程序控制器的标准化工作也受到了有关部门的重视，于 1993 年成立了可编程序控制器标准化技术委员会，为我国可编程序控制器的进一步发展打下了基础。

2.4 PLC的特点及应用领域、分类及程序语言

1 PLC的特点

（1）．可靠性高，抗干扰强 （2）．功能强大，性价比高 （3）．编程简易，现场可修改 （4）．配套齐全，使用方便 （5）．寿命长，体积小，能耗低

（6）．系统的设计、安装、调试、维修工作量少，维修方便。 2 PLC的应用领域

PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：一方面由于微处理器芯片几有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面PLC的功能大大增强，它也能解决复杂的计算和通信问题。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成以下5种类型：

（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域。它用来取代传统的 继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。例如：注塑机械、印刷机械、、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

(2)运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数据到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的位置和加速度，确保运动平滑。

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（3）过程控制 PLC还能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。PID模块提供了使PLC具有闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定植上。

（4）数据处理 在机械加工中，PLC作为主要的控制和管理系统用于CNC和NC系统中，可以完成大量的数据处理工作。

（5）通信网络 PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

2 PLC在我国的应用

虽然我国在PLC生产方面比较弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30多亿人民币，应用的行业也很广。

在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不绝对，国外分类有些区别）：

微型：32 I/O 小型：256 I/O 中型：1024 I/O 大型：4096 I/O 巨型：8192 I/O

在我国应用的PLC系统中，I/O64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。

3 PLC的分类

PLC按结构可分为整体式和模块式。整体式的PLC具有结构紧凑、体积小、价格低的优势，适合常规电气控制。整体式的PLC也称为PLC的基本单元，在基本单元的基础上可以加装扩展模块以扩大使用范围。模块式是把CPU、输入接口、输出接口等做成独立的单元块，具有配置灵活、组装方便的优势，适合输入/输出点数差异较大的控制系统。

PLC按输入/输出接口（I/O接口）总数的多少可分为微型机、小型机、中型机和大型机。I/O点数小于64点为微型机；I/O点数在64至128点为小型机；I/O点数在129至512点为中型机；I/O点数在512点以上为大型机。PLC的I/O接口数越多，其储容量也越大，价格也越贵，因此，在设计程序时应尽量减少使用I/O接口的数量。

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4 PLC的程序语言与编程工具

PLC程序可以用梯形图语言或指令表语言编写。由于梯形图与继电器电路原理图非常接近，因此直观易学。指令表语句类似于计算机的汇编语言，梯形图语言需要转换为指令表语句后才能执行，这个转换可由编程软件自动完成。

PLC常用的编程工具如下。

（1）手持编程器。不同类型或型号的PLC只能使用专业的手持编程器，一般供现场调试程序用。优势是携带方便，缺点是一般手持编程器只能编写指令表语句。编程软件。计算机配套相应的软件后，便可以对不同类型或型号的PLC进行编程。程序软件可以使用梯形图或指令表语言编程，还可以对程序进行仿真测试或运行监控存储和修改程序也非常方便。 PLC编程语言与编程结构

现代的PLC一般备有多种编程语言，供用户使用。但不同厂家的PLC的编程语言有很大的区别，用户不得不学习多种编程语言和查找故障的方法。因此，IEC（国际电工委员会）1994年5月公布了可编程序控制器标准（IEC1131）。该标准由以下5部分组成：通用信息、设备与测试要求、PLC的编程语言、用户指南和通讯。由其制定的编程语言即满足目前市场的要求，又适应未来技术的发展。同时，IEC1131—3详细说明了句法、语义和下述5种PLC编程语言（见图4）的表达方式：

顺序功能图 梯形图 功能块图 指令表 文本结构

标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST），可以认为顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。 顺序功能图（SFC）

SFC提供了一种组织程序的图形方法，在SFC中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作（Action）是SFC中的三种主要元件（见图5）。步是一种逻辑块，即对应于特定的控制任务的编程逻辑；动作是控制任务的独立部分；转换是从一个

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任务到另一个任务的原因。

作为梯形图语言，SFC提供用户了以上三种基本结构（见图5）。在顺序结构中，CPU首先反复执行1中的动作，直到转换1变为“1”状态，CPU才处理第2步。在选择支路中，取决于哪一个转换是活动的，CPU只执行一条支路。在并行支路中，所有的支路被同时执行。

对于目前大多数PLC来说，SFC还仅仅作为组织编程的工具使用，尚需用其它的编程语言（如梯形图）将它转换为PLC可执行的程序。因此，通常只是将SFC作为PLC的辅助编程工具，而不是一种独立的编程语言。 梯形图(LD)

梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言，有时又被称为电路或程序。它是一种软件信息，是一种反映PLC的输入输出控制逻辑关系的程序软件，它与传统的继电器控制系统的梯形图（硬件）电路不同，不是真正的物理（硬件）电路，一定不能把它们当作硬件电路来看待。由于梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，因此很容易被工厂熟悉继电器控制的电气技术人员掌握，特别适用于开头量逻辑控制。

IEC1131-3的梯形图中除了线圈、常开触点和常闭触点外，还允许增加功能和功能块。

1、梯形图的主要特点

（1）PLC梯形图是的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等。但是它们不是真实物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。

（2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（Bus bar）。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压。当图6中的触点1、2接通时，可假设“概念电流”或“能流”（Power flow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序一致。能流的方向只能从左向右流动，因此图6中（a）图应改为图（b）所示的等效电路。

（3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。逻辑运算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。解算的结果立即可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑结算是根据输入映象寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。

（4）梯形图中的线圈应放在最右边，图7（a）的电路应改为图7（b）中的电路。

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（5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可无限次的使用。 2、梯形图经验设计方法：

（1）.可根据原有的继电逻辑控制图进行转化设计； （2）.没有固定的方法和步骤可遵循，试探性和随意性强； （3）.由于需要中间变量完成记忆联锁互锁，需要考虑的因素很多； （4）.设计耗时长，且修改麻烦； 3、梯形图编规则：

（1）、 每个继电器的线圈和它的触点均用同一编号，每个元件的触点使用时没有数量限制。

（2）、 梯形图每一行都是从左边开始，线圈接在最右边（线圈右边不允许再有接触点）

（3）、线圈不能直接接在左边母线上。

（4）、在一个程序中，同一编号的线圈如果使用两次，称为双线圈输出，它很容易引起误操作，应尽量避免。

（5）、在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个“电流”只能在梯形图中单方向流动——即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。

功能块图(FBD)

这是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，具有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算，信号是自左向右流运的。

像SFC一样，功能块图FBD也是一种图形语言，在FBD中也允许嵌入别的语言（如梯形图、指令表和结构文本）。

2.5 PLC的硬件结构

PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构基本上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。其结构如图2-1所示。

中央处理单元(CPU)是PLC 的控制中枢，它按照PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据、检查电源、存储器I/O以及警戒定时

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