1、I摘 要可編程控制器（PLC）是一種數字運算式的電子系統專為工業環境下而設計的。它采用可編程的存儲器，用來在其內部執行邏輯運算、順序控制定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸出，控制各種類型的機械生產工程。在鋼鐵、航空航天、化工、紡織、軍事等工業領域獲得廣泛的應用。本文研究的是可編程控制器在燃燒爐點火系統中的應用，燃燒爐點火系統PLC 控制實現主要完成對燃燒爐的點火，同時轉入燃燒爐監控狀態過程。在系統中，火焰監測是一個非常重要的部分，本系統主要采用控制室自動點火、控制室手動點火、就地手動點火三種方式。不管是那種點火方式，點火前風門185 均要打開，通過火焰放大器對火焰進行監

2、測，經過 PLC 輸出信號控制點火器、點火電磁閥的開啟與關閉，同時火焰放大器對火焰實施檢測，實現火焰自動監控、爐出口風溫過高、燃氣壓力過高或過低三項安全聯鎖。本系統的硬件主要由 FX2N-48MR 型 PLC、點火器、點火電磁閥、主燃氣閥、火焰放大器、閃光報警器、燃燒爐等組成。其具體硬件電路設計包括 PLC外部接線電路、保護電路等。軟件設計包括自動點火程序設計、手動點火程序設計、安全聯鎖程序設計等。關鍵詞關鍵詞：FX2N-48MR PLC；點火系統；安全連鎖；火焰放大器；點火系統；安全連鎖；火焰放大器IIAbstractProgrammable logic controller (PLC) i

3、s a kind of digital operation of electronic systems designed for industrial environment. It uses programmable memory, which is executed logical operations in the internal and sequence controlling time, counting and arithmetic operation instructions, through the analog and digital output controlling

4、various types of machinery manufacturing engineering. It is widely used in steel, aerospace, chemical, and textile, military and industrial fields.What this text studies is that PLCs is applied for the furnace ignition system, and furnace ignition system controlled by PLC mainly finishes combustion

5、furnace, and being into the ignition process monitoring status. In the system, the flame monitoring is a very important part in this system; this system mainly adopts three kinds of ignitions which include automatic ignition control, manual ignition control, and on-site manual ignition control. The

6、185 gate is to be open before being any ignition control, through amplifiers carry on testing on fire, and the output signal of the PLC controls firearms and ignition electromagnetic valve which are opened and closed, and the amplifier carries on the fire test, which is showing that the flame has be

7、en established, ignition success, and sending out a signal of ignition competition, being into the combustion monitoring status, and realizing three security interlock which are automatic monitoring and controlling, furnace temperature, and gas exports high pressure too high or low.This system mainl

8、y consists of the hardware FX2N - 48MR type PLC, ignition, ignition solenoid valves, the gas valves, fire alarm, amplifiers, and flash furnace, etc. The hardware circuit design includes PLC wiring circuit, and protecting circuit, etc. Software design includes the PLC control furnace ignition procedu

9、re, etc.Keywords: FX2N 48MR PLC; The ignition system; Safety chain; Flame amplifierIII目 錄摘 要.IAbstract.II第 1 章 緒論 .1第 2 章 可編程序控制器概述.2 2.1 可編程序控制器（PLC）的產生與發展 .2 2.1.1 可編程序控制器的產生.2 2.1.2 可編程序控制器的發展.3 2.1.3 新一代可編程序控制器的技術現狀.4 2.2 PLC 的特點和分類 .6 2.2.1 PLC 的特點.6 2.2.2 PLC 的分類.7第 3 章 PLC 的基本結構及工作原理.9 3.1 PL

10、C 的基本結構 .9 3.2 PLC 的工作原理 .12 3.3 PLC 的常用匯編語言 .13第 4 章 PLC 的選型.16 4.1 FX2N 系列 PLC 的系統組成 .17 4.1.1 基本單元 .17 4.1.2 I/O 擴展單元和擴展模塊.18 4.1.3 特殊功能單元.19 4.1.4 外部設備 .20 4.2 FX2N 系列 PLC 的編程元件 .20第 5 章 執行機構的選擇.24 5.1 溫度傳感器.24 5.2 電磁閥.24 5.2.1 電磁閥的工作原理.24 5.2.2 電磁閥的分類.25 5.2.3 電磁閥的選型.26IV 5.2.4 安裝注意事項 .26第 6 章

11、控制系統的設計.28 6.1 設備工藝特點及控制要求.28 6.2 設計所需設備、工具及材料.29 6.3 輸入和輸出點分配.29 6.4 用三菱 FX2N PLC 控制 APV 燃氣爐點火系統的 PLC 接線圖.30 6.5 軟件流程圖.31 6.6 燃燒爐點火系統 PLC 控制實現梯形圖 .32 6.7 運行并調試程序.33第 7 章 結論 .35參考文獻 .36致 謝 .37附 錄 .38沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計1第 1 章 緒論APV 是噴霧干燥設備，用于對半合成車間的產品重油催化劑進行噴霧干燥，屬于精細化工生產范疇。而催化劑是露天生產，具有強震動、粉塵多、腐蝕嚴重、環境惡劣

12、等特點。原 APV 燃燒爐的控制系統是通過 SIMATICS5-115 實施控制的，其外圍設備繁雜，儀表產品配件均需進口，若需更換，極不方便，經過十多年的運行，部分儀表已經老化，尤其是點火控制系統，由于采用機械式程控器、故障頻繁、影響了正常生產。火焰檢測、安全連鎖、爐膛出口溫度過高等安全聯鎖功能基本喪失，工藝操作也不方便，安全運行難以保證。因此，應對老的燃燒爐進行改造是十分必要的，應該通過 PLC 對 APV 燃燒爐控制進行改良。現代社會要求制造業對市場需求作出迅速的反應，生產出小批量、多品種、多規格、低成本和高質量的產品，為滿足這一要求，生產設備和自動生產線的控制系統必須具有極高的可靠性和靈

13、活性，可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）正是順應這一要求出現的，它是以微處理器為基礎的通用工業控制裝置。PLC 的應用面廣、功能強大、使用方便，已經廣泛地應用在各種機械設備和生產過程的自動控制系統中，PLC 在其他領域，例如民用和家庭自動化的應用也得到了迅速的發展。PLC 仍然處于不斷的發展之中，其功能不斷爭強，更為開放，它不但是單機自動化中應用最廣的控制設備，在大型工業網絡控制系統中也占有不可動搖的地位。PLC 應用面之廣、普及程度之高，是其他計算機控制設備無法比擬的。采用 PLC 控制的點火系統具有功能齊全、結構簡單、操作方便、安全可靠的優

14、點。其性能比原來的機械馬達優越得多，而且方便地實現了有關的安全聯鎖控制，各種信號顯示直觀。自投運以來，幾乎很少發生故障。沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計2第 2 章 可編程序控制器概述2.1 可編程序控制器（PLC）的產生與發展2.1.1 可編程序控制器的產生二十世紀六十年代末期，美國汽車制造業競爭十分激烈，為了適應市場從少品種大批量生產向多品種小批量生產的轉變，為了盡可能減少轉變過程中控制系統的設計制造時間，減少經濟成本，1968 年美國通用汽車公司 GM 公開招標，要求用新的控制裝置取代生產線上的繼電接觸器控制系統。1969 年美國數字設備公司 DGC（DIGTAL）根據上述要求，首先研

15、制出了世界上第一臺可編程控制器 PDP-14，用于通用汽車公司的生產線，取得了滿意的效果2。隨著微電子技術、計算機技術及數字控制技術的高速發展，到 80 年代末，PLC 技術已經很成熟，并從開關量邏輯控制擴展到計算機數字控制 (CNC) 等領域。近年生產的 PLC 在處理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破，并向電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化方向發展，性能價格比不斷提高，成為了工業自動化的支柱之一。這時候的可編程控制器的功能已不限于邏輯運算，具有了連續模擬量處理、高速計數、遠程輸入和輸出和網絡通信等功能。國際電工委員會(IEC)將可編程邏輯控制器改稱為可編程控制器 PC (Prog

16、rammable Controller)。后來由于發現其簡寫與個人計算機（Personal Computer）相同，所以又重新沿用 PLC 的簡稱。國際電工委員會（IEC）于 1982 年 11 月對可編程序控制器作了如下定義：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其相關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 ”從上述定義可以看出，PLC 是一種用程序

17、來改變控制功能的工業控制計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯網的功能。可編程控制器是一種以 CPU 為核心的計算機工業控制裝置，由于其良好的性能價格比和穩定的工作狀態以及簡便的操作性，已經廣泛應用于生產實際中。沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計3目前在世界先進工業國家 PLC 已經成為工業控制的標準設備，它的應用幾乎覆蓋了所有的工業企業。PLC 技術已經成為當今世界的潮流，成為工業自動化的三大支柱（PLC 技術、機器人、計算機輔助設計和制造）之一。2.1.2 可編程序控制器的發展從 PLC 產生到現在，已發展到第四代產品。其過程基本可分為：(1)第一代 PLC（196

18、91972 年）：大多用一位機開發，用磁芯存儲器存儲，只具有單一的邏輯控制功能，機種單一，沒有形成系列化。CPU 使用中小規模集成電路，采用磁芯存儲器。功能簡單（只有計數/定時功能） 。可靠性較差，略強于繼電器控制。機種單一，沒形成系列。(2)第二代 PLC（19731975 年）：采用了 8 位微處理器及半導體存儲器，增加了數字運算、傳送、比較等功能，能實現模擬量的控制，開始具備自診斷功能，初步形成系列化。CPU 使用微處理器，采用半導體存儲器 EPROM。功能增強（增加邏輯/數據運算、數據處理、自診斷等功能） 。有了計算機接口和模擬量控制功能。可靠性提高。整機功能向系列化、標準化發展，并由

19、專用向通用方向過渡。(3)第三代 PLC（19761983 年）：隨著高性能微處理器及位片式 CPU 在PLC 中大量的使用，PLC 的處理速度大大提高，從而促使它向多功能及聯網通信方向發展，增加了多種特殊功能，如浮點數的運算、三角函數、表處理、脈寬調制輸出等，自診斷功能及容錯技術發展迅速。CPU 使用 8 或 16 位微處理器甚至多微處理器，采用半導體存儲器EPROM、MCMOSRA 等。增加浮點數運算，平方、三角函數等運算。增加查表、列表功能。自診斷及容錯技術提高。梯形圖語言及語句表成熟。沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計4小型 PLC 體積減小、可靠性提高、成本下降。大型 PLC 向模塊

20、化、多功能方向發展。(4)第四代 PLC（1983 年現在）：不僅全面使用 16 位、32 位高性能微處理器，高性能位片式微處理器，RISC(reduced instruction set computer)精簡指令系統 CPU 等高級 CPU，而且在一臺 PLC 中配置多個微處理器，進行多通道處理，同時生產了大量內含微處理器的智能模塊，使得第四代 PLC 產品成為具有邏輯控制功能、過程控制功能、運動控制功能、數據處理功能、聯網通信功能的真正名符其實的多功能控制器。增加高速計數、中斷、A/D、D/A、PID 等功能。處理速度進一步提高（1s/步） 。連網功能增強。編程語言進一步完善，開發了編程

21、軟件。開發了大量的特殊功能模塊。編程軟件功能更強大。不斷開發出功能強大可編程終端39。2.1.3 新一代可編程序控制器的技術現狀為了適應日益劇烈的市場競爭，新一代的可編程序控制器在技術創新方面有了長足的進展，主要體現在以下方面： (1)執行多任務功能的出現 所謂執行多任務，就是在一個可編程序控制器系統中，可同時安裝幾個CPU 模板，每個 CPU 模板執行各自的任務，控制與其執行任務相關的 I/O 模板。 (2)網絡能力的強化 網絡能力的加強，使可編程序控制器已經突破了原有的使用范圍，特別是引入現場總線、工業以太網、無線網絡及 Internet 等技術后，可編程序控制器的應用已今非昔比。典型的可

22、編程序控制器的網絡拓撲結構為設備控制層、過程控制層和信息管理層 3 個層次。在設備控制層中，引入現場總線，使得工業生產過程中的現場檢測儀表、變頻器、MCC 控制柜等一切現場設備都可直接與可編程序控制器相連；在過程控制層中，傳統意義上的人機界面的功能已煥然一新，使可編程序控制器能實現跨地區的編程、監控、診斷、管理，實現整沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計5個車間及全廠范圍的控制；在信息管理層，向工業以太網的擴展，使控制與信息管理融為一體。 (3)高速化處理功能 隨著網絡能力的強化，可編程序控制器實現的控制功能和控制范圍都在擴大，這就要求可編程序控制器實現高速運行和實時通信功能。高速化包括運算速度

23、的高速化、與外部設備交換數據的高速化、編程設備服務處理的高速化、外部設備響應的高速化。為了實現高速化，有些可編程序控制器已在其內核中設計有通信功能，借助于無源數據總線，系統的瓶頸得以消除，這種結構允許多個處理器、網絡能在一個機架中使用而沒有限制，從而提供了高性能的分布式實時控制系統的解決方案。 (4)大力發展集成化軟件 目前，可編程序控制器的生產廠商開發系統硬件費用的比例逐年下降，而開發軟件、集成等費用的比例逐年上升。現在的成套軟件將可編程序控制器的編程、操作員界面、運動控制、程序調試、故障診斷和處理、通信等集成為一體。人機界面及監控軟件集成了所有開放的標準接口，可直接從生產中獲得大量實時數據

24、，并對這些數據進行分析和打包，然后傳送到管理層，同時它能將過程優化數據和生產細節的參數迅速地反饋到控制層和現場，從而為集成ERP 系統鋪平道路。 (5)微型可編程序控制器異軍突起 傳統的微型可編程序控制器一般為 8-64 點數字量 I/O，1-4 點模擬量I/O，體積很小，可直接安裝在機器內。但現在的微型可編程序控制器除了上述功能外，在網絡功能和人機接口功能上已可與中大型的可編程序控制器相比，這一類微型可編程序控制器是目前發展最快的。(6)信息技術滲入可編程序控制器 信息技術滲入可編程序控制器是為了適應工廠控制系統和企業信息管理系統日益有機結合的發展趨勢，適應在控制層面上讓不同品牌的可編程序控

25、制器之間、可編程序控制器與分布式控制系統之間有效交換數據的要求。實際上多任務系統的實現、網絡能力的提高、軟件集成的發展使得信息技術很容易的就與可編程序控制器系統融為一體。 (7)加強安全技術 隨著可編程序控制器應用領域的擴大，對可編程序控制器系統的可靠性要沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計6求也越來越高，加強可編程序控制器的安全技術也成為了一個新的發展方向。具有容錯和冗余性能的故障防止型可編程序控制器已經出現，具備在線插拔的雙通道的信號模板和電源模板。內藏冗余的 CPU 系統的過程控制器也已出現，這種過程控制器利用內部測試電路檢查、診斷 I/O 模板的運行狀況，而不是采用冗余的 I/O 模板。

26、2.2 PLC 的特點和分類2.2.1 PLC 的特點PLC 能夠成為現代工業的三大支柱之一，引領工業自動化的發展潮流，得益與其獨到的特點這些特點歸納如下。(1)抗干擾能力強，可靠性高抗干擾能力強，可靠性高是 PLC 最重要的特點之一，同時也是對工業自動化產品最基本的要求。PLC 產品在硬件和軟件方面都采取了一系列的抗干擾措施，以提高其可靠性，如采用防塵抗振的整體式機箱，并在機箱內設置封閉的屏蔽層抵御外界的電磁干擾；采用獨立的輸入、輸出電源和光電耦合電路以隔離外界電路對輸入、輸出的不良影響；采用循環掃描的工作方式，并配以故障檢測和自診斷程序對系統硬件電路進行實時監測，一旦有異常情況發生，立即保

27、存當前程序運行的重要狀態信息，禁止任何不穩定的讀寫操作，待系統正常后恢復當前工作狀態。PLC 的平均無故障時間均大大超過 IEC 規定的 10 萬小時，許多優秀產品的無故障工作時間更是高達幾十萬小時，而且為了適應特殊場合的需求，有些PLC 還采用了雙 CPU 設計，支持熱插拔操作，進一步提高了 PLC 的可靠性。(2)編程方便，系統設計、安裝、調試方便快捷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。用軟件功能取代繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等元件，簡化物理控制電路，大大減少了系

28、統的設計、安裝、調試及日后的維護、維修工作量。(3)產品系列化，配套硬件齊全，功能完善，應用領域廣泛PLC 發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的標準化、模塊化、系沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計7列化產品，可以用于各種規模的工業控制場合。除了具有傳統的邏輯處理功能以外，現代 PLC 大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領域。近年來 PLC 的功能單元大量涌現，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、PID 控制、CNC 等各種工業控制領域中，加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用 PLC 組成各種控制系統變得非常容易。(4)數據交換格式標準化、接口豐富，便于組

29、建各種控制網絡PLC 除了常用模擬量、數字量輸入/輸出接口外，通常還具有豐富的通信接口，如串行通信接口、以太網接口、工業現場總線接口等便于用戶進行 PLC 的程序編制調試及組建各種類型的 PLC 控制網絡。工業現代總線技術發展迅速，也是現代 PLC 必備技術。利用現場總線技術、以太網技術和標準化數據交換技術可將多種不同的工業控制設備、人機交互軟、硬件及不同品牌的 PLC 組成功能完備的現代自動化控制網絡1。2.2.2 PLC 的分類PLC 應用范圍廣，其產品規格和性能也是各有特點。通常可根據其功能、結構形式和 I/O 接口數量的規模進行分類。(1)按功能分類根據 PLC 所具有的功能不同，可將

30、 PLC 分為低檔、中檔、高檔三類。低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數、移位及自診斷、監控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統。中檔 PLC 除具有低檔 PLC 的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數據傳送和比較、數制轉換、遠程 I/O、子程序、通信聯網等功能。有些還可增設中斷控制、PID 控制等功能，適用于復雜控制系統。高檔 PLC 除具有中檔 PLC 的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數的運算、制表及表格傳送功能等。高檔 PLC

31、 具有更強的通信聯網功能，可用于大規模過程控制或構成分布式網絡控制系統，實現工廠自動化。(2)按結構形式分類整體式 PLC。整體式 PLC 是將電源、CPU、I/O 接口等部件都集中封裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC 一般采用這種沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計8整體式結構。整體式 PLC 由不同 I/O 點數的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內有 CPU、I/O 接口、與 I/O 擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。擴展單元內只有 I/O 和電源等，沒有CPU。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式 P

32、LC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。模塊式 PLC。模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分分別作成若干個單獨的模塊，如 CPU 模塊、I/O 模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）及各種功能模塊。模塊式 PLC 由機架或基板和各種模塊組成。模塊裝在機架或基板的插座上。這種模塊式 PLC 的特點是配置靈活，可根據需要選配不同規模的系統，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型 PLC 一般采用模塊式結構。還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂裝式 PLC。疊裝式 PLC 的 CPU、電源、I/O 接口等也是各自獨立的模塊，但它們

33、之間是靠電纜進行連接，并且各膜塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統可以靈活配置，還可做得體積小巧13。(3)按 I/O 點數分類根據 PLC 的 I/O 點數的多少，可將 PLC 分為微型、小型、中型和大型四類。微型 PLC。微型 PLC 也稱為迷你型 PLC，其 I/O 的點數一般在 32 點一下。小型 PLC。小型 PLC 的 I/O 點數一般在 128 點一下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體。除了開關量 I/O 以外，還可以連接模擬量 I/O及其他各種特殊功能模塊。它能執行包括邏輯運算、計時、計數、算術、運算數據處理和傳送通信聯網，以及各種應用指令。中型 PLC。中型 PLC

34、采用模塊化結構，其 I/O 點數一般在 256 到 1024 點之間。I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式之外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入，刷新輸出。它能連接各種特殊功能模塊，通用聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。大型 PLC。一般 I/O 點數在 1024 點以上的稱為大型 PLC。大型 PLC 的軟/硬件功能極強，具有極強的自診斷功能、通信聯網功能強，有各種通信聯網的模塊可以構成三級通信網實現工廠生產管理自動化。大型 PLC 還可以采用冗沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計9余或 CPU 構成表決式系統，使機器的可靠

35、性更高。一般的，微型、小型 PLC 采用整體型結構，即將所有電路單元安裝在一個控制箱/盒內，通過并行接口進行 I/O 擴展。中型以上的 PLC 多采用模塊式結構，通過合理組合，可將不同功能的模塊組合在一起，以適應不同的應用環境。第 3 章 PLC 的基本結構及工作原理3.1 PLC 的基本結構PLC 基本組成包括中央處理器（CPU） 、存儲器、輸入/輸出接口（縮寫為I/O，包括輸入接口、輸出接口、外部設備接口、擴展接口等） 、外部設備編程器及電源模塊組成。PLC 內部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數據總線連接，外部則根據實際控制對象配置相應設備與控制裝置構成PLC 控制系統。

36、(1)中央處理器 中央處理器(CPU)由控制器、運算器和寄存器組成并集成在一個芯片內。CPU 通過數據總線總線、地址總線、控制總線和電源總線與存儲器、輸入輸出接口、編程器和電源相連接。 小型 PLC 的 CPU 采用 8 位或 16 位微處理器或單片機，如 8031、M68000 等，這類芯片價格很低；中型 PLC 的 CPU 采用 16 位或 32 位微處理器或單片機，如8086、96 系列單片機等，這類芯片主要特點是集成度高、運算速度快且可靠性高；而大型 PLC 則需采用高速位片式微處理器。 CPU 按照 PLC 內系統程序賦予的功能指揮 PLC 控制系統完成各項工作任務。 (2)存儲器

37、PLC 內的存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序和數據等。 系統程序存儲器 PLC 系統程序決定了 PLC 的基本功能，該部分程序由 PLC 制造廠家編寫并固化在系統程序存儲器中，主要有系統管理程序、用戶指令解釋程序和功能程序與系統程序調用等部分。 系統管理程序主要控制 PLC 的運行，使 PLC 按正確的次序工作；用戶指令沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計10解釋程序將 PLC 的用戶指令轉換為機器語言指令，傳輸到 CPU 內執行；功能程序與系統程序調用則負責調用不同的功能子程序及其管理程序。 系統程序屬于需長期保存的重要數據，所以其存儲器采用 ROM 或EPROM。ROM 是只讀存儲器，該

38、存儲器只能讀出內容，不能寫入內容，ROM 具有非易失性，即電源斷開后仍能保存已存儲的內容。 EPEROM 為可電擦除只讀存儲器，須用紫外線照射芯片上的透鏡窗口才能擦除已寫入內容，可電擦除可編程只讀存儲器還有 E2PROM、FLASH 等。 用戶程序存儲器 用戶程序存儲器用于存放用戶載入的 PLC 應用程序，載入初期的用戶程序因需修改與調試，所以稱為用戶調試程序，存放在可以隨機讀寫操作的隨機存取存儲器 RAM 內以方便用戶修改與調試。通過修改與調試后的程序稱為用戶執行程序，由于不需要再作修改與調試，所以用戶執行程序就被固化到 EPROM 內長期使用。 數據存儲器 PLC 運行過程中需生成或調用中

39、間結果數據(如輸入/輸出元件的狀態數據、定時器、計數器的預置值和當前值等)和組態數據(如輸入輸出組態、設置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表配置、定義存儲區保持范圍、模擬電位器設置、高速計數器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態等)，這類數據存放在工作數據存儲器中，由于工作數據與組態數據不斷變化，且不需要長期保存，所以采用隨機存取存儲器 RAM。 RAM 是一種高密度、低功耗的半導體存儲器，可用鋰電池作為備用電源，一旦斷電就可通過鋰電池供電，保持 RAM 中的內容。 (3)接口 輸入輸出接口是 PLC 與工業現場控制或檢測元件和執行元件連接的接口電路。PLC 的輸入接口有直流輸入、交流輸入、交直流輸入等類

40、型；輸出接口有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出等類型。晶體管和晶閘管輸出為無觸點輸出型電路，晶體管輸出型用于高頻小功率負載、晶閘管輸出型用于高頻大功率負載；繼電器輸出為有觸點輸出型電路，用于低頻負載。 現場控制或檢測元件輸入給 PLC 各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關以及其他一些傳感器輸出的開關量或模擬量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成 CPU 能夠接收和處理的信號。輸出接口電路將 CPU 送出的弱電沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計11控制信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動電磁閥、接觸器等被控設備的執行元件。 輸入接口 輸入接口用于接收和采集兩種類型的輸入信號，一類是

41、由按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸頭等開關量輸入信號；另一類是由電位器、測速發電機和各種變換器提供的連續變化的模擬量輸入信號。 濾波電路用以消除輸入觸頭的抖動，光電耦合電路可防止現場的強電干擾進入 PLC。由于輸入電信號與 PLC 內部電路之間采用光信號耦合，所以兩者在電氣上完全隔離，使輸入接口具有抗干擾能力。現場的輸入信號通過光電耦合后轉換為 5V 的 TTL 送入輸入數據寄存器，再經數據總線傳送給 CPU。 輸出接口 輸出接口電路向被控對象的各種執行元件輸出控制信號。常用執行元件有接觸器、電磁閥、調節閥(模擬量)、調速裝置(模擬量)、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等。輸出接口電路一般由微

42、電腦輸出接口電路和功率放大電路組成，與輸入接口電路類似，內部電路與輸出接口電路之間采用光電耦合器進行抗干擾電隔離。 微電腦輸出接口電路一般由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路集成在芯片上，CPU 通過數據總線將輸出信號送到輸出數據寄存器中，功率放大電路是為了適應工業控制要求，將微電腦的輸出信號放大。 其它接口 若主機單元的 I/O 數量不夠用，可通過 I/O 擴展接口電纜與 I/O 擴展單元(不帶 CPU)相接進行擴充。PLC 還常配置連接各種外圍設備的接口，可通過電纜實現串行通信、EPROM 寫入等功能。 (4)編程器 編程器作用是將用戶編寫的程序下載至 PLC 的用戶程序存儲器，并

43、利用編程器檢查、修改和調試用戶程序，監視用戶程序的執行過程，顯示 PLC 狀態、內部器件及系統的參數等。 編程器有簡易編程器和圖形編程器兩種。簡易編程器體積小，攜帶方便，但只能用語句形式進行聯機編程，適合小型 PLC 的編程及現場調試。圖形編程器既可用語句形式編程，又可用梯形圖編程，同時還能進行脫機編程。 沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計12目前 PLC 制造廠家大都開發了計算機輔助 PLC 編程支持軟件，當個人計算機安裝了 PLC 編程支持軟件后，可用作圖形編程器，進行用戶程序的編輯、修改，并通過個人計算機和 PLC 之間的通信接口實現用戶程序的雙向傳送、監控PLC 運行狀態等。 (5)電

44、源 PLC 的電源將外部供給的交流電轉換成供 CPU、存儲器等所需的直流電是整個 PLC 的能源供給中心。PLC 大都采用高質量的工作穩定性好、抗干擾能力強的開關穩壓電源，許多 PLC 電源還可向外部提供直流 24V 穩壓電源，用于向輸入接口上的接入電氣元件供電，從而簡化外圍配置2。3.2 PLC 的工作原理由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方，若有鍵按下或有 I/O 變化，則轉入相應的子程序，若無則繼續掃描等待。PLC 則是采用循環掃描的工作方式。對每個程序，CPU 從第

45、一條指令開始執行，按指令步序號做周期性的程序循環掃描，如果無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。掃描周期的長短主要取決于以下幾個因素：一是 CPU 執行指令的速度；二是執行每條指令占用的時間；三是程序中指令條數的多少。一個掃描周期主要可分為 3 個階段。(1)輸入刷新階段在輸入刷新階段，CPU 掃描全部輸入端口，讀取其狀態并寫入輸入狀態寄存器。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執行階段。在程序執行期間即使輸入端狀態發生變化，輸入狀態寄存器的內容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸

46、入刷新階段才能被讀入。(2)程序執行階段在程序執行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐步執行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態寄存器。當最后一條控制程序執行完畢后，即轉入輸入刷新階段。(3)輸出刷新階段沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計13當所有指令執行完畢后，將輸出狀態寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器） ，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執行元件工作，這才形成 PLC 的實際輸出。由此可見，輸入刷新、程序執行和輸出刷新三個階段構成 PLC 一個工作周期，由此循環往復，因此稱為循環掃描工作方式。由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行

47、的，所以亦將這兩個階段統稱為 I/O 刷新階段。實際上，除了執行程序和 I/O 刷新外，PLC 還要進行各種錯誤檢測（自診斷功能）并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務” ，一般在程序執行之后進行。顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每個掃描周期只進行一次 I/O 刷新，即每一個掃描周期 PLC 只對輸入、輸出狀態寄存器更新一次，所以系統存在輸入輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統的響應速度。但是由于其對 I/O 的變化每個周期只輸出刷新一次，并且只對有變化的進行刷新，這對一般的開關量控制系統來說是完全允許的，不但不會造成影響，還會提高抗干擾能力。這是

48、因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC 在一個工作周期的大部分時間是與外設隔離的，而工業現場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。但是在快速響應系統中就會造成響應滯后現象，這個一般 PLC 都會采取高速模塊。總之，PLC 采用掃描的工作方式，是區別于其他設備的最大特點之一，我們在學習和使用 PLC 當中都應加強注意。3.3 PLC 的常用匯編語言PLC 的編程語言種類比較多，對于不同的生產廠家、不同系列的產品所采用的編程語言的表達方式、編程符號等也不盡相同，但其結構形式，編程思路基本一致，學會其中的一種便可很容易掌握不同品牌、不同類型的 PLC 編程語言。PLC 的編程語言從總體

49、上看可分為圖形編程語言和字符編程語言兩種類型。PLC 提供的編程語言，常見的有梯形圖（LAD） 、指令表（STL） 、順序功能圖（SFC） 、功能模塊圖（FBD）等。(1)梯形圖（LAD）梯形圖是使用廣泛的 PLC 圖形編程語言。PLC 的梯形圖在形式上沿襲了傳統的繼電器電氣控制圖。它與繼電器控制系統的電路很相似，是在原繼電器控制系統的繼電器梯形圖的基礎上演變而來的一種圖形語言。它將 PLC 內部的各沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計14編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號定義，并按邏輯要求及連接規律組合和排列，從而構成表示 PLC 輸入、輸出之間控制關系的圖形。梯形圖編程語言

50、的特點是：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設計人員易于掌握。梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點是，梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，應用時，需要與原有繼電器控制的概念區別對待。(2)指令表語言（IL）指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數組成。在無計算機的情況下，適合采用 PLC 手持編程器對用戶程序進行編制。同時，指令表編程語言與梯形圖編程語言圖一一對應，在PLC 編程軟件下可以相互轉換。指令表編程語言的特點是：采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握；在手持

51、編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于操作，可在無計算機的場合進行編程設計；與梯形圖有一一對應關系。其特點與梯形圖語言基本一致。(3)功能模塊圖語言（FBD）功能模塊圖語言是與數字邏輯電路類似的一種 PLC 編程語言。采用功能模塊圖的形式來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。它用數字電子線路的“與” 、 “或” 、 “非”等邏輯門電路、觸發器、連線等圖形符號來進行編程。它可以用觸發器、計數器、比較器等數字電子線路的符號表示其他圖形編程語言無法表示的 PLC 基本指令與應用指令。功能模塊圖編程語言的特點：功能模塊圖程序設計語言的特點是：以功能模塊為單位，分析理解控制方案簡單容易；功能模

52、塊是用圖形的形式表達功能，直觀性強，對于具有數字邏輯電路基礎的設計人員很容易掌握的編程；對規模大、控制邏輯關系復雜的控制系統，由于功能模塊圖能夠清楚表達功能關系，使編程調試時間大大減少。(4)順序功能流程圖語言（SFC）順序功能流程圖語言是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件，根據轉移條件對控制系統的功能流沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計15程順序進行分配，一步一步的按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務，用方框表示。在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯。這種編程語言使程序結構清晰，易于閱讀及維護，大大減輕編程的工作量，縮短編程和調試

53、時間。用于系統的規模校大，程序關系較復雜的場合。順序功能流程圖編程語言的特點：以功能為主線，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于對用戶程序理解；避免梯形圖或其他語言不能順序動作的缺陷，同時也避免了用梯形圖語言對順序動作編程時，由于機械互鎖造成用戶程序結構復雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時間也大大縮短。(5)結構化文本語言（ST）結構化文本語言是用結構化的描述文本來描述程序的一種編程語言。它是類似于高級語言的一種編程語言。在大中型的 PLC 系統中，常采用結構化文本來描述控制系統中各個變量的關系。主要用于其他編程語言較難實現的用戶程序編制。結構化文本編程語言采用計算機的描述方式來描述系統中各

54、種變量之間的各種運算關系，完成所需的功能或操作。大多數 PLC 制造商采用的結構化文本編程語言與 BASIC 語言、PASCAL 語言或 C 語言等高級語言相類似，但為了應用方便，在語句的表達方法及語句的種類等方面都進行了簡化。結構化文本編程語言的特點：采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算；需要有一定的計算機高級語言的知識和編程技巧，對工程設計人員要求較高。直觀性和操作性較差。不同型號的 PLC 編程軟件對以上五種編程語言的支持種類是不同的，早期的 PLC 僅僅支持梯形圖編程語言和指令表編程語言。目前的 PLC 對梯形圖（LD） 、指令表（STL） 、功能模塊圖（FBD）編程語言都以

55、支持。比如，SIMATIC STEP7 Micro WIN V3.2。在 PLC 控制系統設計中，要求設計人員不但對 PLC 的硬件性能了解外，也要了解 PLC 對編程語言支持的種類1。沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計16第 4 章 PLC 的選型可編程控制器的工程設計選型是十分重要的工作，工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC 及有關裝備應是集成的，標準的，按照易于工業控制系統形成一個整體，易于擴充的原則選型。所選用的 PLC 應是在相關工業領域有投運業績，成熟可靠的系統，PLC 的系統硬件，軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求想適應。因此，工程設計選型和概算時，應首先分析工

56、藝過程特點，控制要求，明確控制任務和范圍，確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數，所需存儲器容量，確定可編程控制器的功能，外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的可編程控制器和相應的控制系統。首先，根據設計系統的控制要求提供多種配置，經過確定適當的系統配置和此后的設備類型選擇，然后開始分析輸入/輸出規格要求。要合理確定一個PLC 的 I/O 規格要求，就必須考慮幾方面的因素：首先，與 PLC 處理機設定位置有關的 I/O 設備的位置確定。其次，選定本地 I/O 或遠程 I/O 系統后，就必須選擇 I/O 接口模塊的型號。在大多數應用中，要求不止一種型號的 I/O 模塊。再次

57、，標準的操作控制部件，如按鈕、選擇器開關及指示燈通常使用 12V、24V或 220V 交流電，也可使用 12V48V 直流電，因此電源的選擇在這種情況下也是有必要進行的。此外，對應用中所用的 PLC 的控制功能選擇還要取決于包括PLC 的運算功能，PLC 的內存容量、PLC 的指令系統，PLC 的處理速度及其他通信聯網、編程器等外圍設備。除了這些要求之外，還應對經濟性進行考慮。在沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計17考慮可編程控制器的性能價格比時，還應該考慮應用的可擴展性，可操作性等因素，進行比較和兼顧。輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出器件就需要一定的費用。當點數增加到某一數值

58、后，相應的存儲器容量、機架、母板等也需要相應的增加，因此，點數的增加對 CPU 選用，存儲器的容量控制功能范圍等選擇都有影響。所以，在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統有較高的性能價格比。根據控制系統對 PLC 的指令系統要求，以及控制要求中的輸入設備（按鈕、限位開關、轉換開關等） 、輸出設備（如接觸器、電磁閥、信號指示燈等） ，確認 I/O 點數。所以在節省經濟的優勢上，選擇一般小型的 PLC。同一機型 PLC在使用上位計算機對 PLC 進行管理和控制時，通信程序的編制比較方便。本控制系統采用 FX2N 系列 PLC，屬于整體式（單元式）結構，其特點是非常緊湊，它將所有的模板都裝入一個機

59、體內，構成一個整體，這樣體積小巧、成本低、安裝方便，可以直接裝入機床或電控柜中，適與機電一體化設計和生產。其出色性能與同類型可編程控制器相比主要有以下幾方面：極高的可靠性；處理時間短；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內置集成功能；實時特性；強勁的通訊能力；豐富的擴展模塊及模塊的通用性好。正是由于FX2N 系列的強大功能，因此被廣泛應用到集散自動化系統中，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。其應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，

60、中央空調，電梯控制，運動系統等。FX2N 系列可編程控制器是 FX 系列中功能最強，速度最高的可編程控制器。有多種特殊功能模塊，如模擬量輸入/輸出模塊，高速記數模塊，脈沖輸出模塊，脈沖控制模塊，有多種串行通信模塊或功能擴展板。使用特殊功能模塊和功能擴展板，可實現模擬量控制，位置控制和聯網通信等功能。4.1 FX2N 系列 PLC 的系統組成FX2N 系列 PLC 系統的基本組成，包括基本單元、擴展單元、模擬量 I/O 模塊，以及各種特殊功能單元及外圍設備等。沈陽工業大學工程學院本科生畢業設計184.1.1 基本單元基本單元為 PLC 的主體單元，也稱主機單元。其內部各部分之間通過內部系統總線連