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1、17目录一、可编程控制器综述 11.1 可编程控制器的定义 11.2 可编程控制器的特点 11.3 可编程控制器的应用领域 21.4 可编程控制器的发展状况 3二、设计方案 42.1 控制要求 42.2 设计思路 52.3 功能流程 82.4 控制设备及 I/O 端口分配表 92.5 硬件接线图 102.6 控制状态转移图 112.7 控制梯形图 122.8 工作时序图 152.9 指令程序 162.10 调试运行与问题分析 18三、心得体会 19附录一 设计题目 20附录二 主要参考文献21 1一、 可编程控制器综述早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器(
2、Programmable Logic Controller)，简称 PLC，随着技术的发展，现代可编程控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围。PLC 从诞生至今，仅有 30 年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱之一。1.1 可编程控制器的定义可编程控制器（Programmable Controller）是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。国际电工委员会(International Electrical Committee
3、)在 1987 年颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 作了如下定义：“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.2 可编程控制器的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电器控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性
4、。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触控制系统相比，电气接线及开关接点已减少到原来的数百甚至数千分之一，故障也将随之大大降低。此外，PLC 具有 2硬件故障的自我检测功能，出现故障时可及时发出报警信息。在应用软件中，用户还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统就具有了极高的可靠性。(2) 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各
5、种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能模块大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、计算机数控(CNC) 等各种工业控制中。加上 PLC通讯能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。(3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。其编程语言易于为工程技术人员接受。像梯形图语言的图形符号和表达方式与继电器电路图非常接近，只用 PLC 的少量开关逻辑控制指令就可以方便地实现继电接触器电路的功
6、能。(4) 系统设计周期短，维护方便，改造容易PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大地减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计周期大大缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序来改变生产过程成为可能。因此很适合多品种、小批量的生产场合。(5) 体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，其新近产品的品种底部尺寸小于 100mm2，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.3 可编程控制器的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用
7、情况大致可归纳为以下几类。(1) 开关量的逻辑控制 3这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，又可用于多机群控制及自动化流水线。如电梯控制、高炉上料、注塑机、印刷机、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2) 模拟量控制在工业生产过程中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器能处理模拟量信号，PLC 厂家生产有配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器可用于模拟量控制。(3) 运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用
8、开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在可使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛地用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。(4) 工程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 控制是一般闭环控制系统中常用的控制方法。目前不仅大中型 PLC 都有 PID 模块，而且许多小型PLC 也具有 PID 功能。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛
9、的应用。(5) 数据处理现代 PLC 具有数学运算 (含矩阵运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与储存在储存器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通讯功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。(6) 通信及联网PLC 通信包含 PLC 之间的通信以及 PLC 与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展将会加快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 4的通讯功能，纷纷推出各自
10、的网络系统。最新生产的 PLC 都具有通讯接口，实现通讯非常方便。1.4 可编程控制器的发展状况世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。随着微处理器的出现，大规模、超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断进步，PLC 也迅速发展。其发展过程大致可分为以下 3 个阶段：(1) 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型的体积、
11、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能以及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。(2) 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得了广泛的应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。(3) 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。从控制规模来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种
12、人机界面单元，通讯单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。二、设计方案2.1 控制要求十字路口交通指挥信号灯控制要求如下： 51） 当启动开关 Q 合上时，信号灯控制系统开始工作，设此时南北向红灯亮，东西方向绿灯亮。当 Q 断开时，所有信号灯都熄灭；2） 南北红灯维持亮 60 秒。同时东西绿灯持续亮 54 秒，到 54 秒时东西绿灯闪亮 6 秒后熄灭。而后，东西红灯亮，南北绿灯亮；3） 东西红灯持续亮 36 秒。南北绿灯持续亮 30 秒，然后闪亮 6 秒熄灭。这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
13、4） 上述动作周而复始；5） 东西绿灯和南北绿灯不能同时亮。否则关闭信号灯系统报警。2.2 设计思路方案一：根据对交通指挥信号灯控制系统要求的分析，系统采用自动工作方式，其输入信号有系统启动开关 Q 信号（为方便系统分析假定开关 Q 由启动按钮 X000 和停止按钮 X001 组成） ；输出信号有东西方向、南北方向各两组指示灯驱动信号和故障指示灯驱动信号。由于每一方向的两组指示灯中，同种颜色的指示灯同时工作，为节省输出点数，可采用并联输出方法。由此可知，系统所需的输入点数为2，输出点数为 5，全部是开关量。由此绘出系统功能实现的“时间点”对应的支路，这些支路依据“时间点”的先后顺序绘出，且采用
14、一点扣一点的方式进行。具体如下表：表 2-1 时间点及实现方法器件 名称 实现功能X000 启动按钮接入端 X000=ON，南北红灯与东西绿灯亮T0 东西绿灯定时器 T0 定时 54 秒后，使东西绿灯熄灭T1、T2T1、T2 构成周期为 1秒的振荡器使东西绿灯闪动，T1 定时 0.5 秒后，东西绿灯亮， T2 定时 0.5 秒后，东西绿灯灭C0 东西绿灯频闪计数器T2 为 C0 计数信号，C0 计数 6 次，东西绿灯灭，东西红灯亮T3 南北绿灯定时器 T3 定时 30 秒后，使南北绿灯熄灭 6T4、T5T4、T5 构成周期为 1秒的振荡器使南北绿灯闪动，T4 定时 0.5 秒后，南北绿灯亮， T5 定时 0.5 秒后，南北绿灯灭C1 南北绿灯频闪计数器T5 为 C1 计数信号，C1 计数 6 次，所有灯均灭，完成一次工作，进入下一次循环方案二：按照交通灯系统控制要求，只有当启动开关 Q 合上时，信号灯控制系统才能开始工作，因此采用 X000 作为系统控制的总开关，并且采用并行分支的方式分别对东西、南北方向的信号灯进行控制。另外，由于东西和南北方向都为绿灯时，系统信号灯需关闭并报警，因此也采用一分支进行报警控制，且将报警信号的常闭开关置于各信号灯的支路中，实现系统出错时信号灯的关闭。首先，南北方向道路处于禁止通行的状态，东西方向道路处于允许通行的状态。南
