1、基于PLC的霓虹燈控制系統設計第一章緒論隨著改革的不斷深入，社會主義市場經濟的不斷繁榮和發展，大中小城市都在進行 亮化項目。企業為展現自己的形象和產品，一般都會采用通過霓虹燈廣告屏來這 種廣告手法，所以當我們夜晚走在大街上，馬路兩旁各色各樣的霓虹燈廣告隨處 可見,一種是采用霓虹燈管做成的各種形狀和多種彩色的燈管，另一種為日光等管 或白熾燈管作為光源，另配大型廣告語或宣傳畫來達到宣傳的效果，大部分是采 用霓虹燈。這就涉及到如何去控制霓虹燈的亮滅、閃爍時間及流動方向等諸多 控制問題，如何去快捷、可靠、簡單的去控制，成為人們考慮的重點，在這我 認為PLC最適合去解決這些問題，因為 PLC具有通用性強

2、、使用方便、適應面 廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。并且PLC在工業自動化控制特別是順序控制中的方面具有比較突出的優勢，在現實中人們也是多通過PLC去控制霓虹燈的。選擇這個題目作為畢業設計，既能通過這次設計復習學過的PLC知識，而且還能提高自己的設計水平，并且在一定程度上提高自己以后在找工作的成功率。 所以我選擇了這個題目。第二章變頻器的現狀、發展、結構及內容第一節變頻器的現狀及其發展隨著國民經濟的迅速發展，國內對變頻器產品的需求越來越大，同時, 變頻器因為其節能環保的特性，受到國家政策的大力支持。變頻器是一種高技術含量、高附加值、高回報的高科技產品。變頻器最初 的使用并不是為了節

3、能，而是交流傳動代替直流傳動，并滿足過程化控制的要 求。隨著自動化、電力電子等技術的發展，變頻器作為電機調速節能關鍵設備, 改變了普通電動機只能以定速方式運行的陳舊模式，使得電動機及其拖動負載 在無需任何改動的情況下即可以按照生產工藝要求調整轉速輸出，從而降低電 機功耗，達到系統高效運行的目的。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用 將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現代電力電子技術和微電子 技術的迅猛發展，高壓大功率變頻調速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解 決的高壓問題，近年來通過器件串聯或單元串聯得到了很好的解決。國外各大品牌的變頻器生產商，均形成了系列化的產品，其控制系統也已

4、實現全數字化。幾乎所有的產品均具有矢量控制功能，完善的工藝水平也是國 外品牌的一大特點。目前，在發達國家，只要有電機的場合，就會同時有變頻 器的存在。其現階段發展情況主要表現如下： 技術開發起步早，并具有相當大的產業化規模。 能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過 10000KWJ 變頻調速產品的技術標準比較完備。 與變頻器相關的配套產業及行業初具規模。 能夠生產變頻器中的功率器件，如 IGBT、IGCT SGCT等。 高壓變頻器在各個行業中被廣泛應用，并取得了顯著的經濟效益。 產品國際化，當地化加劇。 新技術，新工藝層出不窮，并被大量的、快速的應用于產品中。目前，在國內有不低于200家的低壓變

5、頻器廠商，其大部分為 AC380V的低壓產 品，而在高壓大功率變頻器方面，在 30家左右。因為羅賓康沒有在中國申請專 利保護，因此絕大多數廠家都采用美國羅賓康的技術即單元串聯多重化結構。 隨著技術研究的進一步深入，在理論上和功能上國產高壓變頻器已經可以與進 口變頻器相比肩，但是受工藝技術的限制，與進口產品的差距還是比較明顯。 這些狀況主要表現在如下幾個方面： 國外各大品牌的產品正加緊占領國內市場，并加快了本地化的步伐。 具有研發能力和產業化規模的逐年增加。 國產高壓變頻器的功率也越做越大，目前國內最大的應用做到了20000KW/ 國內高壓變頻器的技術標準還有待規范。 與高壓變頻器相配套的產業很

6、不發達 生產工藝一般，可以滿足變頻器產品的技術要求，價格相對低廉。 變頻器中使用的功率半導體關鍵器件完全依賴進口，而且相當長時間內還會 依賴進口。 與發達國家的技術差距在縮小，具有自主知識產權的產品正應用在國民經濟 中。 已經研制出具有瞬時掉電再恢復、故障再恢復等功能的變頻器。 部分廠家已經開發出四象限運行的高壓變頻器一般變頻器的節電率在20%-30咗右，最高甚至可超過50%變頻器的節能效果 與應用環境的工況參數十分相關。電動機運行工況的參數設置是否合理、所帶 負載的變化特性，以及設備最初的調節、調速方式均可以直接影響變頻器的節 電效果。隨著變頻技術的高速發展與產品功能的拓展，變頻器在水泥、電

7、梯、 印刷、電力等現代化產業以及醫學、通訊、交通、運輸、電力、電子、環保等 領域得到空前的發展和應用，幾乎國民經濟各行各業都與變頻器密不可分。按 照720元/KW價格估計，即使在不考慮新增電動機的情況下，我國變頻器市場 規模已達到731億元，發展空間十分廣闊。交流變頻調速技術是強弱電混合， 機電一體的綜合技術，既要處理巨大電能的轉換 整流、逆變），又要處理信息 的收集、變換和傳輸，因此它必定會分成功率和控制兩大部分。前者要解決與 高壓大電流有關的技術問題，后者要解決的軟硬件控制問題。因此，未來高壓 變頻調速技術也將在這兩方面得到發展，其主要表現為： 高壓變頻器將朝著大功率，小型化，輕型化的方向

8、發展。 高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加 器件串聯和單元串聯）兩個方向 發展。 更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中。 現階段，IGBT、IGCT SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR GTO各會退出變頻 器市場。 無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉矩控制等技術的應用將趨于成 熟。 全面實現數字化和自動化：參數自設定技術；過程自優化技術；故障自診斷 技術。 應用32位MCU DSP及ASIC等器件，實現變頻器的高精度，多功能。 相關配套行業正朝著專業化，規模化發展，社會分工將更加明顯第二節變頻器的結構及其內容變頻器實際上就是一個逆變器它首先是將交流電變為直流電

9、然后用電子元件對 直流電進行開關.變為交流電.一般功率較大的變頻器用可控硅.并設一個可調頻 率的裝置.使頻率在一定范圍內可調.用來控制電機的轉數.使轉數在一定的范圍 內可調.變頻器廣泛用于交流電機的調速中.變頻調速技術是現代電力傳動技術重 要發展的方向，隨著電力電子技術的發展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走 向成熟。變頻器不僅調速平滑，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩，而 且節能效果明顯。因此，交流變頻調速已逐漸取代了過去的傳統滑差調速、變 極調速、直流調速等調速系統，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機 生產線及樓宇、供水等領域。一般分為整流電路、平波電路、控制電路、逆變 電路等幾大

10、部分。1.整流電路整流電路的功能是把交流電源轉換成直流電源。整流電路一般都是單獨的一塊整流模塊.2.平波電路平波電路在整流器、整流后的直流電壓中含有電源6倍頻率脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動，為了抑制電壓波動采用電感和電容吸 收脈動電壓（電流，一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量，故 省去電感而采用簡單電容濾波平波電路。3.控制電路現在變頻調速器基本系用16位、32位單片機或DSP為控制核心，從而實現全 數字化控制。變頻器是輸出電壓和頻率可調的調速裝置。提供控制信號的回路 稱為主控制電路，控制電路由以下電路構成：頻率、電壓的 運算電路”主電路 的電壓、電流檢測電路

11、”電動機的速度檢測電路”運算電路的控制信號送至 驅動電路”以及逆變器和電動機的 保護電路變頻器采取的控制方式，即速度控制、轉拒控制、PID或其它方式4逆變電路逆變電路同整流電路相反，逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流電 壓，以所確定的時間使上橋、下橋的功率開關器件導通和關斷。從而可以在輸 出端U、V、W三相上得到相位互差120°電角度的三相交流電壓。第三章可編程控制器的簡況第一節可編控制器的產生與應用可編程控制器<PLC）是集計算機技術、自動控制技術、和通信技術為一體放入 新型自動控制技術。其性能優越，已被廣泛的應用于各個領域，并已成為工業 自動化的三大支柱<PLC

12、、工業機器人、CAD/CAM）之一。PLC的應用已成為一 個世界潮流，在不久的將來PLC技術在我國將得到更全面的發展。一、可編程控制器的產生及發展可編程控制器的產生可追溯到 20世紀 60年代末，在可編程控制器出現以前， 繼電器控制在工業控制領域占主導地位，由此構成的控制系統都是按預先設定 好的時間或條件順序地工作，若要改變控制的順序就必須改變控制系統地硬件 連線，這樣就使其應用在很多方面受到限制，其通用性和靈活性都比較差。20世紀 60年代末，計算機技術開始應用于工業領域，因為價格高、輸入輸出 電路不匹配、編程難度大以及難于適應惡劣工業環境等原因，未能在工業控制 領域獲得推廣。1968年，美

13、國最大的汽車制造商一一通用汽車公司 <GM ）為了適應生產工藝 不斷更新的需要，要求尋找一種比繼電器更可靠、功能更齊全、響應速度更快 的新型控制器，并從用戶角度提出了新一代控制器應具備的十大條件，立即引 起了開發熱潮。其主要內容是：1> 編程簡單，可在現場修改程序；2> 維護方便，最好是插件式；3> 可靠性高于繼電器控制柜；4> 體積小于繼電器控制柜；5> 可將數據直接送入管理計算機；6> 在成本上可與繼電器控制柜競爭；7> 輸入可以是交流 115V；8>輸出為交流115V 2A以上，能直接驅動電磁閥等；9> 在擴展時，原系統只需很小

14、變更；10>用戶程序存貯器容量至少能擴展到 4K。這就是著名的 GM 10條。如果說各種電控制器、電子計算機技術的發展是 可編程序控制器出現的物質基礎，那么 GM 10 條就是可編程序控制器出現的直 接原因。1969年，美國數據設備公司（DEC研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功 地應用在GM公司的生產線上。其后日本、西德等相繼引入，使其迅速發展起來。 但這一時期它主要用 于順序控制，雖然也采用了計算機的設計思想，但當時只 能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 PLC（ProgrammableLogic Controller 。70 年代初期誕生的微處理器和微型計算機，經過不斷

15、地開發和改進，軟、硬 件資源和技術已經十分完善，價格也很低廉，因而滲透到各個領域。可編程序 控制器的設計和制造者及時吸收了微型計算機的優點，引入了微處理器和其它 大規模集成電路，誕生了新一代的可編程序控制器。 70 年代后期，隨著微電 子技術和計算機技術的迅猛發展，使 PLC從開關量的邏輯控制擴展到數字控制 及生產過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業控制裝置，故稱 為可編 程控制器，簡稱PC（ProgrammableController。但因為PC容易和個人計算機 （Perso nalComputer相混淆，故人們仍習慣地用 PLC作為可編程控制器的縮寫。1985年1月國際電工委員會vIE

16、C）對可編程序控制器給出如下定義“可 編程序控制器是一種數字運算的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采 用可編程序的存儲器，用來在內部存儲執行邏輯運算、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有關設備，都 應按易于與工業控制 系統聯成一個整體，易于擴充的原則設計”。PLC從誕生至今，其發展大體經歷了三個階段：從20世紀70年代至80年代中期，以單 機為主發展硬件技術，為取代傳統的繼電器接觸器控制系統而 設計了各種PLC的基本型號。到80年代末期，為適應柔性制造系統（FMS勺發展，在提高單機功能的同時，

17、 加強軟件的開 發，提高通信能力。 90年代以來，為適應計算機集成制造系統 （CIMS勺發展，采用多CPU的PLC系統，不斷提高運算速度和數據處理能力。PLC與傳統的繼電器邏輯相比，它具有如下優點：1）因為采用了大規模集成電路和計算機技術，因此可靠性高、邏輯功能強且體 積小。2) 在需要大量中間繼電器、時間繼電器及計數繼電器的場合， PLC 無需增加硬 設備， 利用微處理器及存儲器的功能，就可以很容易地完成這些邏輯組合和運 算，大大降低了控制成本。3) 因為PLC采用軟件編制程序來完成控制任務，所以隨著要求的變更對程序進 行修改 顯得十分方便，具有很好的柔性。繼電器線路則是通過許多真正的“硬”

18、 繼電器和它們之間的硬接線達到的，要想改變控制功能，必須變更硬接線，重 新配置，靈活性差。4) 新一代PLC除具有遠程通訊功能以及易于與計算機接口實現群控外，還可通 過附加高性能模塊對模擬量進行處理，實現各種復雜的控制功能，這對于布線 邏輯的繼電器控制系統是無法辦到的。PLC雖然采用了計算機技術和微處理器，但是它與工業控制計算機相比又具有 如下特點：1) PLC繼承了繼電器系統的基本格式和習慣，采用了面向控制過程和操作 者的邏輯語言，以繼電器邏輯梯形圖為編程語言，梯形圖符號和定義與常規繼 電器展開圖完全一致，容 易學習和掌握。并作了大量的擴展改進，可以視為 繼電器系統的超集，所以，對于有繼電器

19、 系統方面知識和經驗的人來說，尤 其是現場的技術人員，學習起來十分方便。2) PLC是從針對工業順序控制并擴大應用而發展起來的，一般是由電氣控制 器的制造廠 家研制生產，其硬件結構專用，標準化程度低，各廠家的產品不 通用。工業控制計算機是指 能夠與現場工業控制對象的傳感器、執行機構直 接接口，能夠提供各種數據采集和控制功能，并能在惡劣的工業環境中可靠運 行的計算機系統，簡稱工業控制機或工控機。工業控制機是 由通用計算機推 廣應用發展起來的，一般由微機廠、芯片及板卡制造廠開發生產。它在硬件結 構方面的突出優點是總線標準化程度高，產品兼容性強。3) PLC的運行方式與工業控制機不同，它對邏輯順序控

20、制很適應，雖也能完成 數據運算、PID調節等功能，但微機的許多軟件還不能直接使用，須經過二次 開發。它采用的梯形圖編 程語言很受熟悉繼電器控制而不熟悉計算機的電氣技 術人員的歡迎。工業控制機可使用通用微機的各種編程語言，因而其軟件資源 十分豐富，特別是有實時操作系統的支持，故對要求 快速、實時性強、模型復 雜的工業對象的控制占有優勢。但它對使用者的技術水平要求較高，即應具有 一定的計算機專業知識。4) PLC和工業控制機都是專為工業現場應用環境而設計的。PLC 在結構上采 取整體密封或插件組合型，并采取了一系列的抗干擾措施，使其具有很高的可靠性。工業控制機對各種模板的電氣和機械性能也有嚴格的考

21、慮，因而可靠性 也較咼。5）PLC 般具有模塊結構，可以針對不同的對象進行組合和擴展，以滿足工 業控制的需要，因而具有很好的性能/價格比。6）因為PLC是專為工業控制而設計的，其結構緊密、堅固、體積小巧，易于 裝入機械設備內部，是實現機電一體化的理想控制設備。可編程控制器是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發出來，并逐漸發 展成以微處理 器為核心，集計算機技術、自動控制技術及通訊技術于一體的 一種新型工業控制裝置。它是一種面向生產過程控制的數字電子裝置。不僅可 以取代傳統的繼電器控制系統，還可構成復雜的工業過程控制網絡。作為一種 先進而又成熟的技術，目前 PLC被廣泛地應用到機械、冶 金、化工

22、、電力、 輕紡等各個領域，產品遍及世界各地。這種新型的電控裝置極大地提高了勞動生產率和自動化程度。可編程控制器將傳統繼電器控制技術和現代計算機信 息處理兩者 的優點結合起來，成為工業自動化領域中最重要，應用最多的控 制設備，并已躍居工業生產 自動化三大支柱（即PLC機器人和計算機輔助設 計/制造CAD/CAM的首位。二、可編程控制器的特點及應用可編程控制器是現代計算機技術與傳統繼電器-接觸器控制技術相結合的產物， 專用于工業控制的環境，具有許多其他控制器件所無法相比的優點。<1 ）可靠性高、抗干擾能力強工業生產中對控制器的可靠性要求很高，可靠性也是用戶選擇控制裝置的首要 條件。為保證PL

23、C能在工業環境下可靠工作，在設計和生產過程中，從硬件和 軟件都采用了抗干擾的措施，使PLC能在惡劣的環境中可靠德工作，其平均故 障間隔時間一般可達到幾十萬小時。1）硬件方面：I /O通常采用光電隔離，有效地抑制了外部干擾源對 PLC的 影響；對供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而抑制或消除了高頻干擾；對CPU等重要部件采用良好的導電、導磁材料進行屏蔽，以減少空間電磁的干 擾；對有些模塊設置了聯鎖保護、自診斷電路等。2） ，軟件方面：PLC采用掃描方式，減少了因為外界環境干擾引起的故障；在 PLC系統程序中設有故障檢測和自診斷程序，能對系統硬件電路的故障實現檢 測和判斷；當外界干擾引起故障時，

24、能立即將當前重要信息加以封存，禁止任何不穩定的讀寫操作，一旦外界環境正常，便可恢復到故障發生前的狀態，繼 續原來的工作。<2 ）功能完善、擴展方便、組合靈活、實用性強現代PLC具有數字量和模擬量的輸入輸出<1/0）接口、各種擴展單元和特殊功 能模塊，可以方便靈活的組合成各種不同規模和要求的控制系統，以適應各種 工業控制的需要。<3）編程簡單、使用方便PLC采用面向控制過程和操作者的“自然語言”一梯形圖作為基本編程語言， 容易學習和掌握。PLC控制系統采用軟件編程來實現控制功能，當生產工藝流 程改變或生產設備更新時，可在不改變硬件設備的情況下，方便地改變控制程 序，具有很強的靈

25、活性和“柔性”。<4 ）體積小、質量輕，是實現“機電一體化”的理想產品因為PLC內部電路主要采用微電子技術設計，因此它具有結構緊密、體積小巧、 質量輕等特點，易于裝入機械設備內部，可簡化機械結構設計，因而成為實現 機電一體化的理想設備。<5 ）性價比高PLC完善的功能、可靠的性能以及諸多實用的特點，使其具有較高的性價比。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、 汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為 如下幾類。1、開關量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控 制、順序控制，既可用

26、于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。 如注塑2、模擬量控制在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量<Analog）和數字量<Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D 和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。3、運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用 于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制 模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的

27、產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、 電梯等場合。4、過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機， PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型 PLC都有PID模塊，目前許多小型 PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在 冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。5、數據處理現代PLC具有數學運算 含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數 據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這 些數據可以與存儲在

28、存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利 用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型 控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶 金、食品工業中的一些大型控制系統。6、通信及聯網PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機 控制的發展工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。可編程控制器 簡稱PLC是以微處理器為核心，將微型計算機技術、自動化技 術及通信技術融為一體的一種新型的高可靠性的工業自動化控制裝置。它具有 控

29、制能力強、可靠性高、配置靈活、編程簡單、使用方便、易于擴展等優點， 被廣泛地應用在各種控制中，迅速地改變著工廠自動化的面貌和進程，成為當 今及今后工業控制的主要手段和重要的自動化控制設備。因此專家認為，可編 程控制器技術、計算機輔助設計/計算機輔助制造以及機器人技術，將成為工業 生產自動化的三大支柱。第二節可編程控制器的分類、主要技術指標及生產廠家一、PLC的分類目前PLC的產品種類很多，型號規格也不統一，通常可分為3種形式。1. 按I / 0點數和程序容量分類PLC按I /0點數和程序容量可分為小型機、中型機和大型機3類。1） 小型機 輸入輸出點數在 256 點以下的 PLC 稱為小型機。有

30、時把 64 點以下的叫微型機， 其用戶程序容量一般小于 4K 字。以開關量輸入輸出為主，主要功能有邏輯運 算、定時、計數和算術運算。其特點是價格低廉、體積小巧、結構緊湊，適合 于替代繼電器、接觸器控制的單機控制場合。（ 2） 中型機中型PLC的I /0點數在2562048點之間，也以開關量輸入/輸出為主，用 戶程序容量一般小于 32K 字。它除了具有小型機功能外，還具有模擬量控制功 能和通信聯網功能，有較豐富的指令系統、更大的內存容量和更快的掃描速度。 可應用于較為復雜的連續生產過程控制。（ 3） 大型機大型機PLC的I / 0點數在2408點以上，用戶程序容量大于 32K字，并可擴展 除一般

31、類型的輸入/輸出模塊外，還有特殊類型的型號除了模塊和智能控制單 元，能進行數學計算、 PID 調節、整數、浮點運算和二進制、十進制轉換運算 等；還具有自診斷功能、通信聯網功能，可構成三級通信網。適合于自動化控 制、過程控制和過程監控系統，實現生產管理的自動化。2. 按結構形式分根據PLC的外形和硬件安裝結構的特點，PLC可分為整體式、模塊式和混合式3 種。（ 1） 整體式結構整體式結構又稱箱體式或單元式結構，它是把 PLC的CPU、存儲器、I/O接 口、電源、通信端口等都合裝在一個金屬或塑料機殼內，結構緊湊。機殼內的 兩側安裝輸入、輸出接線端子和電源進線，并有相應的指示燈顯示。面板上有 編程器

32、插座、通信口插座、外存儲器插座和擴展單元接口插座等，同時也配有 多種功能的擴展單元。體積小、質量輕、價格低，適用于工業生產中的單機控 制。2） 模塊式結構 為了擴展方便，大中型PLC和部分小型PLC采用模塊式結構。PLC由機架和模 塊兩部分組成，模塊安插在插座上，模塊插座焊在機架總線連接板上，有不同 槽數的機架供用戶選用，各機架之間用接口模塊和電纜相連。模塊式結構的PLC通常把CPU、存儲器、輸入/輸出接口等均作成各自相互獨 立的模塊，功能單一、品種繁多。系統規模可根據實際要求配置。這種結構PLC具有較多的輸入/輸出點數，且具有擴展方便和模塊組合靈活的特點，適 用于復雜的過程控制。二、 PLC

33、 的主要技術性能指標各公司產品的技術性能指標不同，各有特色。一般可按 CPU檔次、I/0點數、 存儲容量、掃描速度、網絡功能等方面來衡量 PLC的性能。PLC性能指標是控 制系統設計選型的重要依據。(1) I /0點數I /0點數是PLC最重要的一項技術指標，是指 PLC能夠處理的輸入、輸出端子 的總數它通常開關量的輸入、輸出用點數來表示，模擬量的輸入、輸出用通 道數來表示)。它決定了 PLC在實際應用中的規模大小。I/0點數包括主機的 I/0點數和最大的可擴展的點數，I/0點數越多，越能夠控制的器件和設備越 多。( 2) 內存容量PLC 的存儲器包括系統軟件存儲器和用戶應用存儲器兩部分，主要

34、用來存 儲程序和系統參數。系統軟件由生產家編制并已固化在內部的存儲器中。PlC的存儲存儲容量通常指應用存儲器的容量，即所謂的”內存容量“。在PLC中，程序指令是按”步“存放的，1 ”步“占用1個地址單元，一個地 址單元一般占2字節。如一個內存容量為2KB的PLC，可存放指令1000步。 用戶程序容量與最大I/0點數大體成正比，其大小決定了用戶所能編寫程序 的最大程度。因此，用戶必須根據實際情況來選擇足夠的內存容量。絕大多數 PLC都配置有較大容量的存儲器，一般能夠滿足對實際控制要求。3) 掃描速度PLC 是以循環掃描方式運行的。它在一個掃描周期內，執行系統內部處理、B輸入采樣、輸出刷新所需要的

35、時間是基本固定的，但它所執行的用戶程序所需 的時間隨程序長短和指令復雜程度而變化。掃描速度一般以掃描 1KB 的用戶程 序所需時間來衡量，其單位為 ms/KB;也有用1步指令的執行時間計，以s /步為單位。有時也用掃描時間表述，即CPU按邏輯順序，從開始到結束掃描 一次所需的時間。（ 4） 指令種類和數量這是衡量PLC軟件功能強弱的重要指標。指令的種類和數量決定了用戶編輯程 序的方式和PLC的處理能力和控制能力。指令的種類和數量越多，控制能力就 越強。（5）內部寄存器種類和數量PLC內部寄存器用以存放變量狀態、中間結果、數據等，還有許多輔助寄存器 可供用戶使用。內部寄存器主要有定時器、計數器、

36、中間繼電器、數據寄存器 和特殊寄存器等。PLC寄存器種類和數量配置情況是衡量 PLC硬件功能的一個 指標。（6）擴展能力PLC擴展能力是指I/ 0點數和類型的擴展、特殊信號處理的擴展、存儲容量和 控制區域 <聯網）的擴展等。考慮到實際情況的變化，在選擇PLC時要為系統的擴展留有適量的余地。（7）智能模塊PLC除主控模塊外，還可配接各種智能模塊，完成多種特殊的控制，如模擬量 控制、遠程控制及通信等。其種類和數量越多，說明PLC功能越強大。（ 8） 編程語言與編程工具每種類型PLC都具有多種編程語言，具有互相轉換的可移植性；但不同類型 PLC的編程語言互不相同，互不相容。一般由廠家提供專用編

37、程工具，包括專 用編程器和專用編程軟件。編程器一般使用助記符語言，編程軟件可在PC機上操作，普遍采用梯形圖/功能圖或高級計算機語言 < 如C、BASIC、或 PASCAL 語言）進行編程。PLC主要生產廠家目前，世界上生產PLC的廠家已有200多個，各種型號和系列。比較著名的有美國A-B、通用電氣GE）、莫迪康vModicon ）公司；日本的三 菱電機vMitsublshi ）、歐姆龍Omron ）、富士電機FUJI ）、松下電工公司； 德國的西門子Siemens ）公司；法國的TE與施奈德Schneider ）公司；韓國 的三星vSumsung ）與LG等公司。其中美國和德國是以大型

38、PLC而聞名，而日 本主要生產小型的PLC。我國有無錫華光等公司，生產多種型號的PLC,如SU、SG等，發展也很快，并在價格上很有優勢。第三節可編程控制器的結構組成和工作原理一、可編程控制器的結構組成可編程控制器的結構多種多樣。但其組成的一般原理基本相向，都是以微處理 器為核心的結構，其功能的實現不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持實 際上可編程控制器就是一種新型的工業控制計算機。可編程控制器主要由中央處理單元（CPU、存儲器（RAM、ROM、輸入輸出單 元（I/O、電源和編程器等幾部分組成，其結構框圖如圖2-1所示編程器行程幵關輸入單元用戶程序存儲器系統程序存儲器中央處理器輸出甲元接觸器線圈

39、 n 討燈電狂問找圈電源 一）、中央處理單元（CPU可編程控制器中常用的CPU主要采用通用微處理器、單片機和雙極型位片 式微處理器三種類型。通用微處理器如 8080 、8086、80286、80385 等、 單片機如 8031、 8096 等、位片式微處理器 （如 AM2900 、 AM 2901、 AM2093等 >。可編程控制器的檔次越高.CPU的位數也越多、運算進度也越快， 功能指今越強。FX2系列可編程控制器使用的微處理器是 I 6位的8096單片機< 二）、存儲器可編程控制器配有兩種存儲器：系統存儲器和用戶存儲器。系統存儲器存 放系統管理程序，用戶存儲器存放用戶編制的控制

40、程序。小型可編程控制器的 存儲器容量一般在 8K字節以下。常用的存儲器有 CMOS RAM和EPROM EEPROM CMOS RAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序.生 成用戶數據區，存放在 RAM中的用戶程序可方便地修改。CMOS RAM存儲器 是種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池作備用電源。 掉電時，可以有效地保持存儲的信息。鋰電他的壽命一般為（530>年，若經常帶負載可維持（2 5>年。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。往往用這些類 型存儲器固化系統管理程序和用戶程序，EEPROM存儲器又可寫成E2PROM, 它是一種電可擦除可編程的只讀

41、存儲器.既可按字節進行擦除。又有可整片擦 除的功能。< 三）、輸入輸出單元 （I/O 單元>實際生產過程中的信號電平是多種多樣的，外部執行機構所需的電平也是 干差萬別的，而可編程控制器的 CPU所處理的信號只能是標準電平。正是通過 輸入輸出單元實現了這些信號電平的轉換。I/O單元實際上是PLC與被控對象 間傳遞輸入輸出信號的接口部件。 I/O 單元有良好的電隔離和濾波作用。接到 PLC上輸入接口的輸人器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各種輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流型和直流型，高電壓 型和低電壓型、電壓型和電流型之分 。（1> 、輸入接口電路

42、各種PLC的輸入電路大都相同，通常有三種類型：一種是直流 （12-24>v輸入。 另一種是交流（100-120>v、（200-240>V 輸入，第三種是交直流12 一 24V 輸入。外界輸入器件可以是無源觸點或者有源傳感器的集電極開路的晶體管， 這些外部輸入器件是通道PLC輸人端子與PLC相連的。PLC輸人電路中有光耦合器隔離。并設有RC濾波器，用以消除輸入觸點的抖動和外部噪聲干擾。當 輸入開關閉合時，一次電路中流過電流，輸入指示燈亮光耦合器被激勵三 極管從截止狀態變為飽和導通狀態，這是一個數據輸入過程。圖2-2是一個直流輸入端內部接線圖。圖弘2直流輸人端內部搖線圖(2、輸出

43、接口電路PLC的輸出有三種形式：繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸比。圖2-3給出了 PLC的輸出電路圖。繼電器輸出型最常用。當PLC輸出時接通或斷開輸出電路中繼電器的線圈，繼電器的接點閉合或斷開，通過該接點控制外部負 載電路的通斷。很顯然，繼電路輸出是利用了繼電器的接點和線圈將PLC的內部電路與外部負載電路進行了電氣隔離。晶體管輸出型是通過PLC光耦合使晶體管截止或飽和以控制外部負載電路、并同時對PLC內部電路和輸出晶體管電路進行了電氣隔離。第三種是雙向晶閘管輸出型，采用了光觸發型雙向晶閘管。 三種輸出形式以繼電器型響應最慢。輸出電路的負載電源由外部提供。實際應用中，輸出電流額定值與負載性質有

44、關。例如FX2型FLC繼電器輸出的負載能力電源電壓在250v AC以下時，對電阻負載為2A/點；對感性負載為80V *A ;圖2 3 PI.C的輸出電路圖a）紳迪禱端出加聶體管愉出"踴閘管輸出ia)圖2 3 Pix：的輸岀邑路圖a）能電器犒出 2聶陲管輸出 C晶削管輸出通常，PLC的制造廠商為用戶提供多種用途的I/O單元。從數據類型上看 有開關量和模擬量；從電壓等級上看有直流和交流；從速度上看有低速和高速， 從點數上看有多種類型；從距離上看可分為本地I/O和遠程I/O。遠程I/O單元通過電纜與CPU單元連接、可放在距CPU單元數百M遠的地力。四）、電源單元PLC的供電電源是一般市電、

45、也有用直流 24v供電的。PLC對電源穩定度要 求不高，一般允許電源電壓額定值在 +10%-15%的范圍內波動。PLC內有一個 穩壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電.小型PLC電源往往和CPU單元合為一體，中大型 PLC都有專門電源單元，有些 PLC電源部分還有以24v DC輸出，用于對外部傳感器供電，但電流往往是毫安級 。<五）、編程器編程器是PLC的最重要外圍設備，利用編程器將用戶程序送入 PLC的存儲器， 還可以用編程器檢查程序、修改程序；利用編程器還可以監視PLC的工作狀態編程器一般分簡易型編程器和智能型編程器，小型PLC常用簡易型編程器大中型PLC多用智能型CRT編

46、程器，除此以外，在個人計算機上添加適當的硬件 接口和軟件包。即可用個人計算機為 PLC編程。利用微機作為編程器，可以直 接編制并顯示梯形圖。二、可編程控制器的編程語言¥K ITPLC是一種工業控制計算機。不光有硬件，軟件也必不可少，一提到軟件就必 然和編程語言相聯系。不同廠家、甚至不同型號的 PLC的編程語言只能適應自 己的產品。目前PLC常用的編程語言有四種，梯形圖編程語言、指令語句表編 程語言、功能圖編程語音、高級編程功能語言。梯形圖編程語形象直觀，類似 電氣控制系統中繼電器控制電路圖，邏輯關系明顯；指令語句表編程語言雖然 不如梯形圖編程語言直觀，但有鍵入方便的優點；功能圖編程語

47、言和高級編程 語言需要比較多的硬件設備< 一）梯形圖編程語言圖-4 兩禪羥制國該語言習慣上叫梯形圖 梯形圖沿襲了繼電器控制電 路的形式，也可以說，梯形 圖編程語言是在電氣控制系 統中常用的繼電器接觸器 邏輯控制基礎下簡化了符號 演變而來的。形象、直觀、 實用，電氣技術人員容易接受，是目前用得最多的一種PLC編程語言。繼電器接觸器電氣控制電路圖和PLC梯形圖示于圖2-4中，由圖可見兩種控制電路圖 邏輯含義是一樣的，但具體表達方法卻有本質區別。PLC梯形圖中的繼電器、定時器、計數器不是物理繼電器、物理定時器、物理計數器，這些器件實際上是存儲器中的存儲器，因此稱為軟器件。相應位為“1 ”狀態，

48、表示繼電器線圈通電或常開接點閉合或常閉接點斷開。PLC的梯形圖是形象化的編程語言，梯形圖左右兩端的母線是不接任何電源的。 梯形圖中并沒有真實的物理電流流動而僅僅是概念電流一一虛電流或稱為假 想電流。把PLC梯形圖左邊路線假想為電源相線而把右邊母線假想為電源地 線：假想電流只能從左向右流動層次改變只能先上后下。假想電流是執行用 戶程序時滿足輸出執行條件的形象理解。PLC梯形圖中每個網絡由多個梯級組成。每個梯級輸出一個或多個支路組 成并出一個輸出入件構成，但右邊的元件必須是輸出元件。例如圖 2-4b中梯 形圖由兩個梯級組成，梯級1）中有4個編程元件（XI、X2、Y1和丫2，最右 邊的丫1是輸出元件

49、。梯形圖中每個編程元件應按一定的規則加標字母數字串，不同編程元件常用不 同的字母符號和一定的數字串來表示，不同廠家的PLC使用的符號和數字串往往是不一樣的。二）指令語句表編程語言這種編程語言是一種與計算機匯編語言相類似的助匯符編程方式，用一系 列操作指令組成的語句表將控制流程描述出來，并通過編程器送到PLC中去。需要指出的是，不同廠家的PLC指令語句表使用的助記符并不相同因此，一 個相同功能的梯形圖。書寫的語句表并不相同。表2-1是三菱電機公司FX型PLC指令語句完成圖24b功能編寫的程序。1¥1帛嬴扎盤茶京同我屮；*til：TYIi.D科fiLIT表41三萋電機FX型PI-右語旬轂

50、指令語句表是由若干條語句組成的程序。語句是程序的最小獨立單元。每 個操作功能由一條或幾條語句來執行。PLC的語句表達形式與微機的語句表達式相類似也是由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼用助記符表不（如L1表示取、OR表示或等 ，用來執行要執行的功能，告訴 PLC該進行什么操作，例 如邏輯運算的與、或、非；算術運算的加、減、乘、除；時間或條件控制中的 計時、計數、移位等功能。操作數一般由標識符和參數組成。標識符表示操作 數的類別，例如表明是輸入繼電器、輸出繼電器、定時器、計數器、數據寄存 器等。參數表明操作數的地址或一個預先設定值。三）、功能圖編程語言這是一種較新的編程方法。它是用像控制系統流程圖

51、一樣的功能圖表達一 個控制過程，目前國際電工協會（IEC正在實施發展這種新式的編程標準。不 同廠家的PLC對這種編程語言所用的符號和名稱也不一樣。三菱PLC叫功能圖編程語言，而西門子PLC叫控制系統流程圖編程語言。圖2-5是一個先”與” 后“或”操作的功能圖編程語言圖。圖2七先與秸"或掙操柞的功能圖編程語言圖四）咼級語言編程近幾年推出的PLC,尤其是大型PLC,已開始用高級語言進行編程，有的 PLC采用類似PASCAL語言的專用語言，系統軟件具有這種專用語言的自動編譯程序。采用高級語言編程后，用戶可以象使用普通微型計算機一樣操作PLC。除了完成邏輯功能外，還可以進行 PID調節、數據

52、采集和處理以及與上位機通三、可編程控制器的工作原理 一）、PLC的編程器件概述PLC內部有多具有不同功能的插件，實際上這些器件是由電子電路和存儲器組 成的。例如輸入繼電器X是由輸人電路和映象輸入接點的存儲器組成；輸出繼 電器丫是由輸出電路和映象輸出接點的存儲器組成；定時器 T,計數器C、輔助繼電器M、狀態器S、數據寄存器D、變址寄存器V/Z等都是由存儲器組成 的。為了把它們與通常的硬器件區分開，我們通常把上面的器件稱為軟器件， 是等效概念抽象模擬的器件。并非實際的物理器件。從工作過程看，我們只注 重器件的功能按器件的功能給名稱，例如輸入繼電器 x、輸出繼電器丫等、 而且每個器件都有確定的地址編

53、號這對編程十分重要；需要特別指出的是，不同廠家、甚至同一廠家的不同型號的PLC編程器件的數量和種類都不一樣，下面我們以 FX小型PLC為藍本，介紹編程器件。< 二）、FX 2系列PLC編程器件 1、輸入繼電器（X0 X177輸入繼電器與PLC的輸入端相連、 是PLC接收外部開 關信號的接口。與 輸人端子連接的輸 入繼電器是光電隔 離的電子繼電器，其線圈、常開接點、常間接點與傳統硬繼電器表示方法一樣，如圖2-6左邊所示。這里常開接點、常閉接點的使用次數不限，這些接點在 PLC內可以自由使用，FX2型PLC輸入繼電器采用八進制地址編號，X0 X177最多可達128點輸入繼電器必須有外部信號來

54、驅動不能用程序驅動2、輸出繼電器Y0 Y177輸出繼電器的外部輸出接點連接到 PLC的輸出端子上，輸出繼電器是 PLC是用 來傳送信號到外部負載的元件，如圖 2-6右邊所示。每一個輸出繼電器有一個 外部輸出的常開接點。而內部的軟接點，不管是常開還是常閉都可以無限次 的自由使用。輸出繼電器的地址編號也是八進制。丫0 丫177，最多可達128點3、輔助繼電器MPLC內部有很多輔助繼電器，它的常開常閉接點在 PLC內部編程時可以無限次的自由使用。但是這些接點不能直接驅動外部負載外部負載必須由輸出 繼電器的外部接點來驅動。在邏輯運算中經常需要些利用繼電器作為輔助運算用，這些器件持往用 作狀態暫存、移位等運算。另外，輔助繼電器還具有一些特殊功能。下面是幾 種常見的輔助繼電器。< 1）通用輔助繼電器 M0M499通用輔助繼電器按十進制地址編號 MO M499共的500點（在FX型PLC中 除輸入輸出繼電器外，其它所有器件都是十進制編號 >。<2） 斷電保持輔助繼電器 M500M1023（524 點>PLC在運行中若發生停電輸出繼電器相通用輔助繼電器全部成為斷開狀 態。上電后，除了 PLC運行時被外部輸入信號接通的以外，其它仍斷開。不少 控制系統要求保持斷電瞬間狀態。斷電保持輔助繼電器就是用于此場合，斷電 保持是由PLC內裝鋰電池支持的。<3）