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xxxxxx
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目： 電磁離合器性能測試臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)
學(xué) 院： xxxxxx
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： xxxxxx
姓 名： xxxxxx
指導(dǎo)教師： xxxxxx
完成日期： 2012年5月28日
xxxxxx
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目： 電磁離合器性能測試臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： xxxxxx 姓名： xxxxxx 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
1.內(nèi)容簡介：
基于PLC的電磁離合器性能測試臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)
2.基本要求：
（1）翻譯一篇不少于3000字的外文文獻(xiàn)
（2）畫出有CPU接線圖
（3）各程序圖要求清晰明了
（4）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，要求不少于1.5萬字
2、 重點(diǎn)研究的問題
主要研究的問題包括以下幾個(gè)方面：
1.從實(shí)際出發(fā)了解電磁離合器轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的工作流程。
2.參考工作流程，確定控制方案及要用到的元器件。
3.了解各元器件的功能和工作原理，完成相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)以及元器件的接線。
4.編寫控制程序并對其進(jìn)行模擬仿真分析結(jié)果。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料
二月初到二月底
2
通過閱讀文獻(xiàn)資料完成開題報(bào)告
三月上旬至三月中旬
3
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書和外文文獻(xiàn)翻譯
三月下旬至四月中旬
4
完成設(shè)計(jì)圖的繪制和相關(guān)的仿真分析
四月下旬至五月上旬
5
寫出初稿
五月上旬
6
修改，寫出第二稿
五月中旬
7
寫出正式稿，定稿
五月下旬
8
答辯
五月底
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
⑴王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2008
⑵方大千.變頻器、軟起動(dòng)器及PLC實(shí)用技術(shù)問答[M].人民郵電出版社，2007.
⑶劉瑞華.S7系列PLC與變頻器綜合應(yīng)用技術(shù)[M].中國電力出版社，2009.
⑷鄭鳳翼.圖解西門子S7-200系列PLC入門[M].電子工業(yè)出版社，2009.
⑸任國熊、任致程.特種變頻器實(shí)用手冊[M].中國電力出版社，2006.
⑹吳宗澤、羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊[M].高等教育出版社，2006.
⑺熊詩波、黃長藝.機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
⑻殷洪義、吳建華.PLC原理與實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版社，2008.
⑼陳忠平、周少華．西門子S7-200系列PLC自學(xué)手冊[M].人民郵電出版社，2008.
⑽鄭鳳翼、金沙.圖解西門子S7-200系列PLC應(yīng)用88例[M].電子工業(yè)出版社，2009.
⑾湖南湘儀動(dòng)力測試儀器有限公司.JC系列轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器使用說明書.
⑿西門子(中國)有限公司.MICROMASTER440通用型變頻器使用大全.
⒀李華棟.基于數(shù)字信號(hào)控制器的磁電式相位差轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究[J].重慶大學(xué)
碩士學(xué)位論文，2006.
⒁羅穩(wěn)剛.電梯PLC控制設(shè)計(jì)[J].成都電子機(jī)械高等專科學(xué)校，2007.
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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評閱表
學(xué)號(hào) xxxxxx 姓名 吳 滔 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 電磁離合器性能測試臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)
評價(jià)項(xiàng)目
評 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價(jià)
評閱人：
年 月 日
xxxxxx
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見
學(xué)號(hào)： xxxxxx 姓名： 吳 滔 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 70 頁 圖 表 1 張
論文（設(shè)計(jì)）題目： 電磁離合器性能測試臺(tái)控制部分設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要： 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量技術(shù)已在電機(jī)、汽
車、船舶運(yùn)輸、柴油機(jī)、化工機(jī)械、石油工業(yè)、冶金等多方面獲得了廣泛的應(yīng)用。
轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒定和節(jié)
能、安全與優(yōu)化控制等工作中所必不可少的內(nèi)容。因此，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研
制和生產(chǎn)情況，也就表征了一個(gè)國家的基礎(chǔ)工業(yè)和科學(xué)研究的現(xiàn)代化水平。
本文介紹了可編程控制器的特點(diǎn)及工作原理，詳細(xì)闡述了變頻器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)
速傳感器以及一些電器元件的特點(diǎn)。同時(shí)描述了西門子S7-200系列PLC在本系統(tǒng)
中的應(yīng)用，確定了以西門子S7-200PLC為核心的控制系統(tǒng)，完成了對電磁離合器轉(zhuǎn)
矩測量系統(tǒng)的集中控制。
指導(dǎo)教師評語
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會(huì)意見
答辯委員會(huì)主任：
年 月 日
目 錄
第1章緒論 1
1.1電磁離合器概述 1
1.2課題背景及意義 1
1.3國內(nèi)外基本研究情況 1
1.3.1 轉(zhuǎn)矩測量的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3.2 PLC控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.4課題的主要研究內(nèi)容 2
第2章 PLC 可編程序控制器 3
2.1 PLC的起源和發(fā)展 3
2.2 PLC控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 5
2.2.1 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較 5
2.2.2 PLC控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較 5
2.2.3 PLC控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較 7
2.3 PLC控制系統(tǒng)的組成 7
2.3.1 硬件的組成 7
2.3.2 軟件的組成 10
2.4 PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 13
第三章 元器件選型 15
3.1 PLC選型 15
3.1.1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算 15
3.1.2 存儲(chǔ)器容量的估算 15
3.1.3 控制功能的選擇 16
3.1.4 機(jī)型的選擇 17
3.1.5 CPU226及EM235介紹 19
3.2 I/O地址分配與擴(kuò)展I/O的地址分配 19
3.2.1 本機(jī)最大I/O配置 19
3.2.2 I/O點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展和編址 20
3.2.3 本設(shè)計(jì)I/O地址分配表 21
3.3變頻器選型 21
3.3.1 變頻器介紹 21
3.3.2 變頻器的調(diào)速 22
3.3.3 變頻器選型原則 22
3.3.4 MM440變頻器介紹 25
3.3.5 MM440 特點(diǎn) 25
3.3.6 MM440 控制端子介紹 27
3.4 傳感器選型 29
3.4.1 傳感器簡介 29
3.4.2 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器工作原理 30
3.4.3 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器選型依據(jù) 31
3.5扭矩儀 33
第四章 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 34
4.1程序設(shè)計(jì)說明 34
4.2 轉(zhuǎn)矩調(diào)零程序設(shè)計(jì) 34
4.3測量系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) 36
4.3.1測量系統(tǒng)工作流程 36
4.3.2模擬量控制編程方法 36
4.3.3轉(zhuǎn)矩傳感器電機(jī)控制 37
4.3.4測量過程控制程序 38
4.4 故障報(bào)警電路設(shè)計(jì) 39
第五章設(shè)計(jì)總結(jié) 43
5.1本設(shè)計(jì)研究結(jié)論 43
5.2設(shè)計(jì)存在的問題和展望 43
致謝 44
參考文獻(xiàn) 45
附錄Ⅰ 程序語句 46
附錄Ⅱ CPU226接線圖 49
摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量技術(shù)已在電機(jī)、汽車、船舶運(yùn)輸、柴油機(jī)、化工機(jī)械、石油工業(yè)、冶金等多方面獲得了廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒定和節(jié)能、安全與優(yōu)化控制等工作中所必不可少的內(nèi)容。因此，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)情況，也就表征了一個(gè)國家的基礎(chǔ)工業(yè)和科學(xué)研究的現(xiàn)代化水平。
本文介紹了可編程控制器的特點(diǎn)及工作原理，詳細(xì)闡述了變頻器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以及一些電器元件的特點(diǎn)。同時(shí)描述了西門子S7-200系列PLC在本系統(tǒng)中的應(yīng)用，確定了以西門子S7-200PLC為核心的控制系統(tǒng)，完成了對電磁離合器轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的集中控制。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量，PLC，電磁離合器
ABSTRACT
Along with the progress in science and technology and the development of productive forces，torque and rotational speed measurement technology is widelyapplied in motor,automobile，marine transportation,diesel engine,chemical machinery,petroleum industry,metallurgy,etc．The torque and rotational speed measurement is necessary for mechanical products’development and research，test and analysis，quality test,pattern appraisal and energy conservation,security and optimized control.
Therefore,the development and production of torque and rotational speed measuremant system also represent the modem level of a country’s basic industry and the scientific research．
This paper provides an overview of featuers and working principle of the Programmable Logic Controller, elaborated the features of iverter, sensor and other electrical componets. Also describes the Siemens S7-200 series PLC in this system, established Siemens S7-200PLC as the core control system, completed the centralized control of electromagnetic clutch torque measurement system.
Keywords: Torque and tational speed measurement,PLC，Electromagnetic clutch
第1章緒論
1.1電磁離合器概述
電磁離合器主要應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，可在主動(dòng)部分運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，使從動(dòng)部分與主動(dòng)部分結(jié)合或分離。它有著高速響應(yīng)、耐久性強(qiáng)、組裝維護(hù)容易，使用簡單、動(dòng)作確實(shí)等特點(diǎn)。電磁離合器的動(dòng)作是通過電磁線圈驅(qū)動(dòng)離合盤吸合與分開。電磁離合器可分為：干式單片電磁離合器，干式多片電磁離合器，濕式多片電磁離合器，磁粉離合器，轉(zhuǎn)差式電磁離合器等。
1.2課題背景及意義
轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒
定和節(jié)能、安全與優(yōu)化控制等工作中所必不可少的內(nèi)容。通過測量機(jī)械設(shè)備的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，可以分析研究零件、機(jī)構(gòu)的受力狀況和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。因此，
轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量及分析是保證各種生產(chǎn)及輔助設(shè)備安全正常運(yùn)行、節(jié)省能源、提
高系統(tǒng)效率的重要手段。轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速在線監(jiān)測對減少非計(jì)劃檢修時(shí)間，快速分析
產(chǎn)生事故及故障的原因，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益都有重要意義。隨著科學(xué)技
術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量技術(shù)已在電機(jī)、汽車、船舶運(yùn)輸、交
通、柴油機(jī)、化工機(jī)械、石油、冶金等多方面獲得了廣泛的應(yīng)用。在市場經(jīng)濟(jì)激
烈的競爭下，許多機(jī)械新產(chǎn)品既要向更大功率、更高速度、更高效率的方向發(fā)展，
又要向更小的設(shè)計(jì)裕度方向加速發(fā)展，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量能為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供
科學(xué)數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，可為自適應(yīng)控制系統(tǒng)提供
控制信號(hào)；轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量是檢驗(yàn)各類動(dòng)力機(jī)械功率輸出是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的必
要手段；對于一些大型的、關(guān)鍵的、無儲(chǔ)備的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備來說，由于他們的意
外停車或故障將造成極大的危害，而轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量可對這些設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行狀
態(tài)監(jiān)測和故障識(shí)別，做到提前預(yù)警，避免危害。此外，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量在作為節(jié)
能指示器，多主機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力平衡指示器等方面都有著廣泛應(yīng)用。
隨著轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量的廣泛應(yīng)用，市場對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也提出了越來
越高的要求：由靜態(tài)測試轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)在線檢測；由間接測量轉(zhuǎn)向直接測量；由單功能轉(zhuǎn)向多功能，包括自補(bǔ)償、自修正、自適應(yīng)、自診斷、遠(yuǎn)程設(shè)定、狀態(tài)組合、信息存儲(chǔ)和記憶；要求系統(tǒng)微型化、數(shù)字化、智能化、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化；要求轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的檢測與動(dòng)力裝置的控制相結(jié)合，達(dá)到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率的優(yōu)化配置。
1.3國內(nèi)外基本研究情況
1.3.1 轉(zhuǎn)矩測量的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
轉(zhuǎn)矩的測量，按原理可分為：傳遞類(扭軸類或轉(zhuǎn)矩計(jì)類)，平衡力類(支反力類或測功機(jī)類)，能量轉(zhuǎn)換類(間接測量法)等三類。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)工作中，大多數(shù)都采用傳遞類轉(zhuǎn)矩測量法。轉(zhuǎn)矩測量技術(shù)主要包括兩方面：一是傳感器，二是測量系統(tǒng)?，F(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的傳遞類轉(zhuǎn)矩測量手段是采用傳感器測量。國外轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)總體說來發(fā)展較早，技術(shù)水平也較為先進(jìn)。但近幾年來，國內(nèi)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)經(jīng)過廣大科研技術(shù)人員的不斷努力，也取得了迅速的發(fā)展。
1.3.2 PLC控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
自從第一臺(tái)PLC出現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制PLC，并得到了迅速的發(fā)展。
??? 目前，世界上有200多家PLC廠商，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲、和日本等三個(gè)流派產(chǎn)品，各流派PLC產(chǎn)品都各具特色，如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格便宜，在世界市場上占用重要地位。
??? 著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的A-B（Allen-Bradly）公司、GE（General Electric）公司，日本的三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric）公司、歐姆龍（OMRON）公司，德國的AEG公司、西門子（Siemens）公司，法國的TE（Telemecanique）公司等。
???? 我國的PLC研制、生產(chǎn)和應(yīng)用也發(fā)展很快，尤其在應(yīng)用方面更為突出。在20世紀(jì)70年代末和80年代初，我國隨國外成套設(shè)備、專用設(shè)備引進(jìn)了不少國外的PLC。此后，在傳統(tǒng)設(shè)備改造和新設(shè)備設(shè)計(jì)中，PLC的應(yīng)用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益，PLC在我國的應(yīng)用越來越廣泛，對提高我國工業(yè)自動(dòng)化水平起到了巨大的作用。
???? 目前，我國不少科研單位和工廠在研制和生產(chǎn)PLC，如遼寧無線電二廠、無錫華光電子公司、上海香島電機(jī)制造公司、廈門A-B公司等。
1.4課題的主要研究內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)的大體內(nèi)容是運(yùn)用PLC配合變頻器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來控制電磁離合器轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)。
要完成以上要求，本論文具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
⑴從實(shí)際出發(fā)，了解電磁離合器轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)的工作流程。
⑵參考工作流程，確定控制方案及要用到的元器件。
⑶了解各元器件的功能和工作原理，完成相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)以及元器件的接線。
⑷編寫控制程序，并對其進(jìn)行模擬仿真分析結(jié)果。
第2章 PLC 可編程序控制器
2.1 PLC的起源和發(fā)展
在可編程控制器誕生之前，繼電器控制系統(tǒng)已廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，繼電器控制系統(tǒng)通常可以看成由輸入電路，控制電路，輸出電路和生產(chǎn)現(xiàn)場這4個(gè)部分組成的。其中輸入電路也是由按鈕，行程開關(guān)，限位開關(guān)，傳感器等構(gòu)成。用以向系統(tǒng)送入控制信號(hào)。輸出電路部分是由接觸器，電磁閥等執(zhí)行元件構(gòu)成，用以控制各種被控制對象，如電動(dòng)機(jī)，電爐，閥門等。繼電器控制電路部分是控制系統(tǒng)的核心部分。它通過導(dǎo)線將各個(gè)分立的繼電器，電子元器件連接起來對工業(yè)現(xiàn)場實(shí)施控制；生產(chǎn)現(xiàn)場是指被控制的對象（如電動(dòng)機(jī)等）或生產(chǎn)過程。
繼電器控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中曾起著不可替代的重要作用，隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，市場經(jīng)濟(jì)競爭日趨激烈，繼電器控制系統(tǒng)已越來越難以適應(yīng)，因?yàn)槔^電器控制電路通常是針對著某一固定的動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)的。它的控制功能也僅僅只局限于邏輯控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)等這樣一些簡單的控制，一旦動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，布線，裝配，和調(diào)試。顯然，這樣的控制系統(tǒng)完全無法滿足日新月異且競爭激烈的市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。這就迫使人們要放棄原來已占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，研制可以替代繼電器控制系統(tǒng)的新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。
出于上述考慮，美國通用汽車公司（GM）于1968年提出了公開招標(biāo)研制新型的工業(yè)控制器的設(shè)想，第二年，即1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）就研制出了世界上第一臺(tái)可編程序控制器。在這一時(shí)期，可編程序控制器雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但實(shí)際上只能完成順序控制，僅有邏輯運(yùn)算，定時(shí)，計(jì)數(shù)等順序控制功能。所以人們將可遍程序控制器稱之為PCL（Programmable Logical Controller），即可編程序邏輯控制器。
20世紀(jì)70年代末80年代初，微處理器技術(shù)日趨成熟，使可編程序控制器的處理速度大大提高，增加了許多特殊，如浮點(diǎn)運(yùn)算，函數(shù)運(yùn)算，查表等。這樣可編程序控制器不僅可以進(jìn)行邏輯控制，還可以對模擬量進(jìn)行控制。因此，美國電氣制造協(xié)會(huì)NEMA（National Electrical Manufacturers Association）將之正式命名為PC（Programmable Controller）。值得注意的是，因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)的簡稱也是PC（Personal Computer），有時(shí)為了避免混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程序控制器簡稱PLC（盡管這是早期的名稱）。本書采用PLC的稱呼。20世紀(jì)80年代后，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展，以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機(jī)化可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展，使之在概念上，設(shè)計(jì)上，性能價(jià)格比等方面有了重大突破?？删幊绦蚓哂辛烁咚儆?jì)數(shù)，中斷技術(shù)，PID控制等功能，同時(shí)聯(lián)網(wǎng)通信功能也得到了加強(qiáng)，這些都使得可編程序控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化。國際電工委員會(huì)（IEC）制定了PLC的標(biāo)準(zhǔn)，并給出了它的定義：
“可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部儲(chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式，模擬式的輸入與輸出，控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)?！?
綜上所述，PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。這種裝置具有體積小，功能強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)簡單，靈活通用，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，得到了用戶的公認(rèn)和好評。他經(jīng)過短短的幾十年發(fā)展后，現(xiàn)在已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC，機(jī)器人和CAD/CAM）之一，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械，冶金，化工交通，電力等領(lǐng)域中。
以PLC作為控制器的PLC控制系統(tǒng)是從根本上改變了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的工業(yè)原理和方式。繼電器控制系統(tǒng)是控制功能是通過采用硬件接線的方式來實(shí)現(xiàn)的，而PLC控制系統(tǒng)的控制功能是通過存儲(chǔ)程序來實(shí)現(xiàn)的，不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制，還可以進(jìn)行模擬量控制，順序控制。另外，它的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能也遠(yuǎn)比繼電器控制系統(tǒng)強(qiáng)很多，一般可以為用戶提供幾十個(gè)甚至上百個(gè)定時(shí)器，計(jì)數(shù)器。隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代PLC控制系統(tǒng)已遠(yuǎn)不是幾十年前的那個(gè)樣子，PLC的控制從早期的單機(jī)控制發(fā)展到多機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化。盡管現(xiàn)在的PLC控制系統(tǒng)已發(fā)生了很大的變化，但是從自動(dòng)控制的角度來看，PLC控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上仍有相似之處?，F(xiàn)在以集中型的PLC控制系統(tǒng)為例說明集中型PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有那些相同和不同之處，這對初學(xué)者理解PLC控制系統(tǒng)的工作原理是有幫助的。集中型PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
將兩種系統(tǒng)相比，就會(huì)發(fā)現(xiàn)PCL控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)輸入，輸出部分基本相同，輸入電路也是由按鈕，開關(guān)，傳感器所構(gòu)成：輸出電路也好似由接觸器，執(zhí)行器，電磁閥等構(gòu)成的。不同的是繼電器控制系統(tǒng)在控制線路被PLC中的程序代替，這樣一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因，PLC控制系統(tǒng)除了可以完成傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)所具有的全部功能外，還可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制，開環(huán)或閉環(huán)過程控制，甚至多級分布式控制。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PLC的成本在降低，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC控制系統(tǒng)代替已是發(fā)展的必然趨勢。
2.2 PLC控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較
2.2.1 PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較
比較項(xiàng)目
繼電器控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)
控制功能的實(shí)現(xiàn)
由許多繼電器，采用接線的方式來完成控制功能
各種控制功能是通過編制的程序來實(shí)現(xiàn)的
對生產(chǎn)工藝過程變更的適應(yīng)性
適應(yīng)性差。需要重新設(shè)計(jì)，改變繼電器和接線
適應(yīng)性強(qiáng)，只需對程序進(jìn)行修改
控制速度
低。靠機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)
極快?？课⑻幚砥鬟M(jìn)行處理
計(jì)數(shù)及其他特殊功能
一般沒有
有
安裝，施工
連線多，施工繁
安裝容易，施工方便
可靠性
差，觸點(diǎn)多，故障多
高，因元器件采用了篩選和老化等可靠性措施
壽命
短
長
可擴(kuò)展性
困難
容易
維護(hù)
工作量大，故障不易查找
有自診能力，維護(hù)工作量小
表2-1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較表
結(jié)論：由于PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，在今后的控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC控制系統(tǒng)所代替是大勢所趨。
2.2.2 PLC控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較
20世紀(jì)60年代，由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，有人曾試圖用小型計(jì)算機(jī)來取代當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng)，結(jié)果未獲成功，取而代之的卻是PLC的出現(xiàn)。通過計(jì)算機(jī)與PLC本身的工作目的，原理和方式上都存在著較大的差異，其結(jié)果比較見下表。
比較項(xiàng)目
通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)
工作目的
科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)管理等
工業(yè)自動(dòng)控制
工作環(huán)境
對工作環(huán)境要求比較高
對環(huán)境要求低，可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場工作
工作方式
中斷處理方式
循環(huán)掃描方式
系統(tǒng)軟件
需配備功能較強(qiáng)的系統(tǒng)的軟件
一般只需要簡單的監(jiān)控程序
采用的特殊措施
掉電保護(hù)等一般性措施
采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護(hù)，可在線維修
編程語言
匯編語言，高級語言
梯形圖，助記符語言，SFC標(biāo)準(zhǔn)化語言
對操縱人員的要求
需專門培訓(xùn)，并具有一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)
一般技術(shù)人員，稍加培訓(xùn)即可操作使用
對內(nèi)存的要求
容量大
容量小
價(jià)格
價(jià)格高
價(jià)格較低
其他
若用于控制，一般需自行設(shè)計(jì)
機(jī)種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng)
表2-2 PLC與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比較表
結(jié)論：一般情況下，在工業(yè)自動(dòng)化工程中采用PLC可靠，方便，易于維護(hù)。
進(jìn)入20世紀(jì)70年代，采用微處理器的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了。它與PLC共同推動(dòng)著傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造。經(jīng)過較長時(shí)間是實(shí)踐，人們又發(fā)現(xiàn)，PLC與一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，PLC還是有著較強(qiáng)的優(yōu)勢，其原因是PLC專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在PLC中采用了如下的硬件和軟件措施：
⑴ 光電耦合隔離和R-C濾波器，有效地防止了干擾信號(hào)的進(jìn)入。
⑵ 內(nèi)部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。
⑶ 采用優(yōu)良的開關(guān)電源，防止電源線引入的干擾。具有良好的自診斷功能可對CPU等內(nèi)部電路進(jìn)行檢測，一旦出錯(cuò)，立即報(bào)警。
⑷ 對程序及有關(guān)數(shù)據(jù)有電池供電進(jìn)行后備，一旦斷電或運(yùn)行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會(huì)丟失。
⑸ 對采用的器件都進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選和簡化，排除了因器件問題而造成的故障。
⑹ 采用了冗余技術(shù)進(jìn)行一步增強(qiáng)了可靠性。對某些大型PLC還采用了雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)。
⑺ 隨著構(gòu)成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相應(yīng)的提高。一般PLC的平均無故障時(shí)間可達(dá)到幾萬小時(shí)以上。某些PLC的生產(chǎn)廠家甚至宣布，今后生產(chǎn)PLC不再標(biāo)明可靠性這一指標(biāo)，因?yàn)閷CL來講這一指標(biāo)已毫無意義了。經(jīng)過大量時(shí)間人們發(fā)現(xiàn)PLC系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障大是由于PLC的外部開關(guān)，傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的，而不是PLC本身發(fā)生的。
⑻ 另外，PLC程序設(shè)計(jì)簡單，易學(xué)易懂易維護(hù)，更適合于工程技術(shù)人員。因此，PLC在工業(yè)控制方面獲得了極大成功，成為工業(yè)控制中的主流。但是必須指出的是：計(jì)算機(jī)在信息處理方面還是優(yōu)于PLC，所以在一些自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，常常將兩者結(jié)合起來，PLC做下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場控制，計(jì)算機(jī)做上位機(jī)信息處理。計(jì)算機(jī)與PLC之間通過通信線路實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成，構(gòu)成一個(gè)功能較強(qiáng)的完整的控制系統(tǒng)。
2.2.3 PLC控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較
由前所述可知，PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。而集散型控制系統(tǒng)DCS（Distribution Control System）是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng)，它在模擬量處理，回路調(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢。而PLC隨微電技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無論在功能上，速度上，智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都用很大的提高。并開始與小型計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了以PLC為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能不斷增強(qiáng)，PLC與PLC及計(jì)算機(jī)的互聯(lián)，可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)高速公路上（Data Highway）掛接在線通用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)，編程和下裝，進(jìn)行在線監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程，這樣就已具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài)，加上PLC的價(jià)格和可靠性優(yōu)勢，使之可以與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競爭。
2.3 PLC控制系統(tǒng)的組成
PLC控制系統(tǒng)像一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件兩個(gè)部分組成的，硬件是指PLC本身及其外圍設(shè)備，軟件是指管理PLC的系統(tǒng)軟件，PLC的應(yīng)用程序，編程語言和程序支持工具軟件。
圖2-1典型PLC控制系統(tǒng)的硬件組成圖
2.3.1 硬件的組成
PLC控制系統(tǒng)的硬件是由是由輸入/輸出（I/O）電路及外圍設(shè)備等組成的。系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定，可大可小。下面對構(gòu)成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。
（1）主控模塊
除了早期生產(chǎn)的整體式PLC（PLC的各個(gè)部件都在同一機(jī)殼內(nèi)）外，目前市場多數(shù)的PLC都已采用模塊化的結(jié)構(gòu)（PLC的各個(gè)部件獨(dú)立封裝，稱之為模塊）。在PLC中各個(gè)模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊（也稱CPU），它包括：CPU，存儲(chǔ)器，通信接口等部分。
①CPU：CPU是PLC的控制中樞，它由控制器和運(yùn)算器組成。其中，控制器是用來統(tǒng)一指揮和控制PLC工作的部件。運(yùn)算器則是進(jìn)行邏輯，算術(shù)等運(yùn)算部件。PLC在CPU的控制下使整個(gè)機(jī)器有條不紊的協(xié)調(diào)工作，以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場各個(gè)設(shè)備的控制。CPU的具體作用如下：
執(zhí)行接受，存儲(chǔ)用戶程序的操作指令。
用以掃描方式來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。
執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。完成數(shù)據(jù)和信息的處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，完成用戶指令規(guī)定的各種操作。
響應(yīng)外部設(shè)備（如編程器，打印機(jī)）的請求。
PLC中所采用的CPU隨機(jī)型的不同而不同，通常有3種：通用微處理器（如8086，80286，80386等），單片機(jī)芯片，位片式處理器。一般來說，小型PLC大采用8位微處理器或單片機(jī)作為CPU，如Intel8086，Inter96系列單片機(jī)，具有集成度高，運(yùn)算速度快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如日本歐姆龍公司生產(chǎn)的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生產(chǎn)的MC68B09的CPU芯片。這是一種增強(qiáng)型8位微處理器。對大型PLC，大多采用高速位片式微處理器，它具有靈活性強(qiáng)，速度快，效率高的優(yōu)點(diǎn)。
目前，一些廠家生產(chǎn)的PLC中，還采用了冗余技術(shù)，即采用雙CPU或三CPU工作，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術(shù)可使PLC的平均無故障工作時(shí)間達(dá)幾十萬小時(shí)以上。
②存儲(chǔ)器：PLC系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序，用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：采用PROM或EPROM芯片存儲(chǔ)器。它是由生產(chǎn)廠家直接存放的，永久存儲(chǔ)的程序和指令，稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序和PLC的硬件組成與專用部件的特性有關(guān)，用戶不能隨意訪問和修改這部分存儲(chǔ)器的程序。
存儲(chǔ)器區(qū)：工作數(shù)據(jù)是PLC運(yùn)行過程中經(jīng)常變化的，需要隨機(jī)存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存，因此采用隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)包括輸入，輸出數(shù)據(jù)映象區(qū)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器預(yù)置和當(dāng)前數(shù)值的數(shù)據(jù)。
用戶程序存儲(chǔ)區(qū)：用于存放用戶經(jīng)編程器或計(jì)算機(jī)輸入的應(yīng)用程序。一般采用EPROM或EEPROM存儲(chǔ)器，用戶可檫寫重新編程。用戶程序存儲(chǔ)器的容量一般就代表PLC的標(biāo)稱容量。通常，小型機(jī)小于8KB，中型機(jī)小于50KB，而大型機(jī)可以在50KB以上。
③通信接口：主控模塊通常有一個(gè)或一個(gè)以上的通信接口（簡稱通信口），用以與計(jì)算機(jī)，編程器相連，實(shí)現(xiàn)編程，調(diào)試，運(yùn)行，監(jiān)視等功能。
（2）輸入/輸出模塊
PLC的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)過程，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O模塊實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量，如溫度，壓力，液位，速度，電壓，開關(guān)量，繼電器狀態(tài)等，因此，需要有相應(yīng)的I/O模塊作為CPU與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的橋梁。且這些模塊應(yīng)具有較好的抗干擾能力。目前，生產(chǎn)廠家已開發(fā)出各種型號(hào)的模塊供用戶選擇。對于輸入/輸出模塊有：數(shù)字量輸入/輸出模塊，開關(guān)量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，交流信號(hào)輸入/輸出模塊，220V交流輸入/輸出模塊。還有智能模塊，它本身帶CPU，存儲(chǔ)器和監(jiān)控系統(tǒng)，可獨(dú)立完成各種運(yùn)算。智能模塊的種類很多，如高速計(jì)數(shù)模塊，PID調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊，閥門控制模塊，智能存儲(chǔ)模塊和智能I/O模塊。
（3）電源模塊
該模塊將交流電源轉(zhuǎn)換成供CPU存儲(chǔ)器所需的直流電源，是整個(gè)PLC系統(tǒng)的能源供給中心。它的好壞直接影響到PLC的功能和可靠性。目前，大多數(shù)PLC采用高質(zhì)量的開關(guān)式穩(wěn)壓電源，與普通電源相比，PLC的電源工作穩(wěn)定性好，抗干擾能力也強(qiáng)。有些機(jī)器的電源除了供內(nèi)部電路使用外，還向外提供24VDC的穩(wěn)壓電源，用于外部傳感器的需要，這樣就避免了因外部電源不合格而引起的外部故障。
I/O電路
PLC的基本功能就是控制，它采集被控對象的各種信號(hào)。經(jīng)過PLC處理后，通過執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)控制。輸入電路就是被控對象（需要進(jìn)行控制的機(jī)器，設(shè)備和生產(chǎn)過程）進(jìn)行檢測，采集，轉(zhuǎn)換和輸入。另外，安裝在控制臺(tái)上的按鈕，開關(guān)等也可以向PLC送控制指令。輸出電路的功能就是接受PLC輸出的控制信號(hào)，對被控對象執(zhí)行控制任務(wù)。
PLC外圍設(shè)備
PLC的外圍設(shè)備很多，但基本功能不外乎對信息和數(shù)據(jù)的處理。常用的有編程器，可編程終端，打印機(jī)，條碼讀入機(jī)等等。編程器PLC的重要外圍設(shè)備之一，它可以將用戶編寫的程序送到PLC的用戶程序存儲(chǔ)器。因此，它的主要任務(wù)是輸入程序，調(diào)試程序和監(jiān)控程序的執(zhí)行過程?？删幊探K端是具有I/O功能的PLC人機(jī)界面產(chǎn)品。人可以通過觸摸屏幕將信息輸入PLC中同樣可編程終端也可以將PLC的輸入數(shù)據(jù)和信息顯示在屏幕上。
2.3.2 軟件的組成
PLC控制系統(tǒng)的軟件主要是系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件，編程語言及編程支持工具軟件幾個(gè)部分組成。
（1）PLC系統(tǒng)軟件與工作過程
PLC系統(tǒng)軟件是PLC工作所必須的軟件。在系統(tǒng)軟件的支持下，PLC對用戶程序進(jìn)行逐條的解釋，并加以執(zhí)行，直到用戶程序結(jié)束，然后返回到程序的
始又開始新的一輪掃描。PLC的這種工作方式就稱之為循環(huán)掃描。
圖2-2 PLC內(nèi)部工作示意圖
值得注意的是在繼電器控制系統(tǒng)中，一個(gè)繼電器的線圈被接通或斷開，繼電器的所用觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)）都會(huì)立即動(dòng)作。但在PLC中，由于采用的是循環(huán)掃描的工作方式，所用只有掃描到”線圈”的觸點(diǎn)時(shí)，才會(huì)動(dòng)作，沒有掃描到時(shí)，觸點(diǎn)就不會(huì)動(dòng)。并且PLC掃描一次用戶程序的時(shí)間即掃描周期與擁護(hù)程序的長短和掃描速度有關(guān)，一般為1ms至幾十毫秒?，F(xiàn)以O(shè)MRONP型機(jī)為例來說明PLC掃描的工作過程，如上圖在沒有掃描之前，PLC首先應(yīng)保證自身的完好性。接通電源之后，為消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性，進(jìn)行清零或復(fù)位處理，檢查I/O單元連接是否正確，再執(zhí)行一段程序。使它涉及到各種指令和內(nèi)存單元，如果執(zhí)行的時(shí)間不超過規(guī)定的時(shí)間范圍，則證明自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。上述操作完成后，將時(shí)間監(jiān)視定時(shí)復(fù)位，才允許掃描用戶程序。
公共操作公共操作是在每次掃描程序前又一次自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了報(bào)警顯示燈亮之外，還判斷故障性質(zhì)。一般性故障，只報(bào)警不停機(jī)，等待處理；對于嚴(yán)重故障，則停止運(yùn)行用戶程序，此時(shí)PLC切斷一切輸出。
數(shù)據(jù)I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出操作有的稱為I/O狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一是采樣輸入信號(hào)（即刷新輸入狀態(tài)的內(nèi)容）；二是送出處理結(jié)果（即按輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路）。PLC數(shù)據(jù)I/O示意圖如下：
圖2-3 PLC數(shù)據(jù)I/O示意圖
① 輸入映象存儲(chǔ)器及刷新。由上圖所示可知送入PLC端子上的輸入信號(hào)，經(jīng)過電隔離，電平轉(zhuǎn)換，濾波處理后，進(jìn)入緩沖器內(nèi)CPU的采樣。。在PLC的存儲(chǔ)器有一個(gè)專門存放I/O數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應(yīng)輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，稱之為輸入映象存儲(chǔ)器。當(dāng)CPU采樣時(shí)，輸入信號(hào)由緩沖區(qū)進(jìn)入映象區(qū)。接著就是數(shù)據(jù)輸入或輸出狀態(tài)刷新。
只有在采樣刷新的時(shí)刻，輸入映象存儲(chǔ)器中的內(nèi)容才與輸入信號(hào)（不考慮電路固有的慣性和濾波滯后影響）一致，其他時(shí)間范圍輸入信號(hào)變化是不會(huì)影響映象存儲(chǔ)器的內(nèi)容的。由于PLC掃描周期一般只有幾十毫秒，所以兩次采樣時(shí)間很短，對一般開關(guān)量來說，可以認(rèn)為沒有因間斷采樣引起的誤差。即認(rèn)為輸入信號(hào)一旦變化，就能立即進(jìn)入輸入映象的存儲(chǔ)器內(nèi)。
② 輸出映象存儲(chǔ)器及輸出狀態(tài)刷新。同樣道理，CPU不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。按用戶程序要求及當(dāng)前輸入狀態(tài)，要保持到下次刷新為止。同樣，對于變化較慢的控制過程來說，因?yàn)閮纱嗡⑿碌臅r(shí)間間隔和輸出電路的慣性時(shí)間常數(shù)一般才幾十毫秒，可以認(rèn)為輸出信號(hào)是及時(shí)的。
③執(zhí)行用戶程序這里又包括監(jiān)視與執(zhí)行兩部分。
1）監(jiān)視定時(shí)器WDT。監(jiān)視定時(shí)器就T1是通常所說的”看門狗”WDT（Watch-DogTimer），它是用來監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常。正常時(shí)，執(zhí)行完用戶程序多用的時(shí)間不會(huì)超過T1，在程序復(fù)位WDT，即執(zhí)行程序并開始計(jì)時(shí)：執(zhí)行完用戶程序后立即令WDT復(fù)位，表示程序執(zhí)行正常。當(dāng)程序執(zhí)行過程中因某種干擾使掃描失控或進(jìn)入死循環(huán)，則WDT會(huì)發(fā)出超時(shí)報(bào)警信號(hào)，使程序重新開始執(zhí)行。如果是偶然因素造成超時(shí)，重新程序不會(huì)再遇到”偶然干擾”，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行；若由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地停止執(zhí)行用戶程序，切斷外部負(fù)載，發(fā)出故障信號(hào)，等待處理。
2)執(zhí)行用戶程序。用戶程序是放在用戶程序存儲(chǔ)器中的，掃描時(shí)，按順序從零步開始，逐步解釋和執(zhí)行，直到執(zhí)行END指令才結(jié)束對用戶程序的掃描。
（2）應(yīng)用軟件
PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是指為完成PLC實(shí)際控制任務(wù)而編制的各種軟件。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域范圍的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用水平的提高，PLC應(yīng)用軟件也大大豐富起來了。PLC應(yīng)用軟件與一般計(jì)算機(jī)信息處理軟件相比，有很大不同，PLC應(yīng)用軟件有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
①應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)必須與生產(chǎn)工藝緊密結(jié)合。生產(chǎn)工藝要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生產(chǎn)過程，由于各種設(shè)備的工藝參數(shù)不一樣，控制實(shí)現(xiàn)的方式也不一樣。所以程序設(shè)計(jì)人員必須深入現(xiàn)場，嚴(yán)格尊守生產(chǎn)工藝的具體要求來設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。
②應(yīng)用軟件與硬件緊密相關(guān)。軟件設(shè)計(jì)人員不能拋開硬件配置和系統(tǒng)孤立地考慮軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)必須根據(jù)硬件系統(tǒng)，接口的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)。
③PLC應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)需要計(jì)算機(jī)，自動(dòng)控制技術(shù)甚至網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種知識(shí)。特別是PLC網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)不再是一個(gè)單獨(dú)的裝置。在控制系統(tǒng)中，可能包括有多臺(tái)不同型號(hào)的PLC，計(jì)算機(jī)，外圍設(shè)備等。因此在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)和處理某種控制功能都離不開計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和通信技術(shù)。因此，應(yīng)用程序中不僅有PLC程序，還有計(jì)算機(jī)程序和通信網(wǎng)絡(luò)程序等。
（3）編程語言及編程支持工具軟件
PLC有多種編程語言：梯形圖語言，助記符語言，邏輯功能圖語言，布爾代數(shù)語言和某些高級語言。但使用廣泛的還是梯形圖語言和助記符語言?，F(xiàn)在世界上各個(gè)PLC生產(chǎn)廠家都研制了自己的PLC編程支持工具軟件和監(jiān)控組態(tài)軟件。用戶可以根據(jù)自己的需要利用這些軟件來改善軟件的開發(fā)環(huán)境，提高編程效率。
2.4 PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
PLC當(dāng)初是針對工業(yè)順序控制發(fā)展而研制的。經(jīng)過30幾年的迅速發(fā)展，PLC已不僅能進(jìn)行開關(guān)量控制，而且還能進(jìn)行模擬量控制，位置控制。特別是PLC的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得PLC如虎添翼，由單機(jī)控制向多機(jī)控制，由集中控制向多層次分布式控制系統(tǒng)發(fā)展?，F(xiàn)在PLC的足跡已遍布了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，形成了滿足各種需要的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。
今后PLC控制系統(tǒng)將朝什么方向發(fā)展呢？在市場經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的今天，產(chǎn)品的發(fā)展取決于市場的需求。PLC的主要應(yīng)用領(lǐng)域是自動(dòng)化。不同的企業(yè)對自動(dòng)化的要求，規(guī)模以及投資數(shù)額都不相同，存在著不同的層次需求。從我國目前正在開展的以高新技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展形式來看，我們不僅要大力發(fā)展適合于大，中型企業(yè)的高水準(zhǔn)的PLC網(wǎng)絡(luò)，而且也要發(fā)展合適小型企業(yè)該找的性能價(jià)格比高的小型PLC控制系統(tǒng)。所以今后PLC控制系統(tǒng)將朝著兩個(gè)方向發(fā)展：一是向小型化，微型化系統(tǒng)方向發(fā)展。作為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，PLC將朝著體積更小，速度更快，功能更強(qiáng)，價(jià)格更低的方向發(fā)展。二是向大型化，網(wǎng)絡(luò)化，多功能的方向發(fā)展。
⑴ 小型化、高性能、低成本、簡單使用
近年來，小型PLC應(yīng)用十分普遍，超小型PLC的需求日趨增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國機(jī)床行業(yè)應(yīng)用超小型PLC幾乎占據(jù)了市場的1/4，國外許多PLC廠家正在積極地研制開發(fā)出各種超小型微型的PLC。例如德國西門子公司的S7-200既可以單機(jī)運(yùn)行也可以聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。S7-200的最小配置是8個(gè)數(shù)字量輸入和6個(gè)數(shù)字量輸出，還可以根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展2～7個(gè)模塊，最多可達(dá)到128個(gè)輸入和120輸出，此外S7-200還可以進(jìn)行模擬量控制，是一種性能價(jià)格比較好的微型PLC
⑵ 大型化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能
多層次分布式控制系統(tǒng)與集中型相比，具有更高的安全性和可靠性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，組態(tài)也更為靈活方便，地域分布也廣，是當(dāng)前控制系統(tǒng)發(fā)展的主要潮流。為了適應(yīng)這種發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化，世界上各PLC生產(chǎn)廠家不斷地研制開發(fā)功能更強(qiáng)的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種PLC網(wǎng)絡(luò)一般是多級的，網(wǎng)絡(luò)的最底層是現(xiàn)場執(zhí)行級，網(wǎng)絡(luò)的最上層為組織管理級?，F(xiàn)場執(zhí)行級可以由多個(gè)PLC或遠(yuǎn)程I/O工作站所組成，中間一級由PLC或計(jì)算機(jī)構(gòu)成。最高一級一般由高性能的計(jì)算機(jī)組成。它們之間采用工業(yè)以太網(wǎng)，MAP網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線相連構(gòu)成一個(gè)多級分布式PLC。隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，這種多分布式的PLC控制系統(tǒng)不再是單一的，除了控制功能外，還可以實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化，生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)調(diào)度，產(chǎn)品計(jì)劃，統(tǒng)計(jì)管理等功能，成為一種測，控，管一體化的多功能綜合系統(tǒng)。
⑶ PLC控制系統(tǒng)將與智能控制系統(tǒng)更進(jìn)一步地相互滲透和結(jié)合
目前，PLC與計(jì)算機(jī)已成為地結(jié)合并廣泛應(yīng)用，PLC不再是單獨(dú)的一個(gè)控制裝置，它成為控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分和環(huán)節(jié)。隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，今后的PLC將更加注重它與智能控制系統(tǒng)的結(jié)合。許多PLC開發(fā)商已經(jīng)注意到了PLC的兼容性，不僅是PLC與PLC的兼容，而且還注意到PLC與計(jì)算機(jī)的兼容，使之可以充分地利用計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的軟件資源。例如西門子的S7-300采用SIMATICS7的模塊，它的軟件編程，監(jiān)控都可以在Windows操作平臺(tái)上操作和運(yùn)行。今后PLC將采用速度更快，功能更強(qiáng)的CPU，容量更大的存儲(chǔ)器。并將更充分地利用計(jì)算機(jī)資源。PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，集散控制系統(tǒng)，嵌入式計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)還將進(jìn)一步滲透與結(jié)合，這必將更進(jìn)一步拓寬PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和空間。
⑷ 實(shí)現(xiàn)軟，硬件的標(biāo)準(zhǔn)化
長期以來，PLC走的是專門化的道路，使其在獲得成功的同時(shí)也帶來諸多的不便。例如各個(gè)公司的PLC都有通信聯(lián)網(wǎng)的能力，但各個(gè)公司的PLC之間還無法通信聯(lián)網(wǎng)，因此制定PLC國際標(biāo)準(zhǔn)已是今后的發(fā)展趨勢。從1978年起國際電工委員會(huì)IEC在其下設(shè)TC65的SC65B中轉(zhuǎn)設(shè)WGT工作組制定PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)。
第三章 元器件選型
工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
3.1 PLC選型
工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性價(jià)比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
3.1.1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算
I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。
3.1.2 存儲(chǔ)器容量的估算
存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，