1、xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计xx 机电职业技术学院毕业论文基于 PLC 的 5 层电梯系统的设计系 别： 电气工程系专 业：机电一体化姓 名 : xx班 级： 机电一体化 3 班学 号： 25指导老师： xx入学日期：2009 年 9 月 论文完成日期：2012 年 2 月xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 2 页目录摘要 .41 电梯简介 .51.1 电梯的基本分类 51.1.1 按用途分类 51.1.2 按驱动系统分类 61.2 电梯的型号 71.3 电梯的主要参数及规格尺寸 91.4 电梯控制技术 .101.5 常用交流调速电梯的特点 .121.6 电梯的工作原理 .
2、142 PLC 可编程序控制器 .162.1 PLC 的起源与发展 .162.2 PLC 控制系统与其他工业控制系统的比较 .182.2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 182.2.2 PLC 控制系统与计算机系统的比较 192.2.3 PLC 控制系统与集散型控制系统的比较 212.3 PLC 控制系统的组成 .222.3.1 硬件的组成 222.3.2 软件的组成 252.4 PLC 控制系统的发展趋势 .293 PLC 控制电梯的设计 .323.1 电梯运行的理想曲线 .323.2 电梯控制系统特性 353.3 I/O 点数及其分配 .363.4 电梯内部 PLC 编程 37
3、3.5 电梯到达楼层后的停止 .403.6 电梯的开，关门程序 413.7 电梯外部操作与显示 PLC 程序 .41xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 3 页结论 .45参考文献 46致谢 .47xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 4 页摘要随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。PLC 是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。本文
4、介绍了利用可编程控制器编写的一个五层电梯的控制系统，检验电梯 PLC 控制系统的运行情况。实践证明，PLC 可遍程控制器和 MCGS 组态软件结合有利于 PLC 控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要有客梯，自动扶梯等。在现代社会，电梯已像汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计，美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。当今世界，电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史，据说它起源于公元前 236 年的古希腊。当时有
5、个叫阿基米德的人设计出-人力驱动的卷筒式卷扬机。1858 年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现，继而有在英国出现水压梯。1889 年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力，这才出现名副其实的电梯，并使电梯趋于实用化。1900 年还出现了第一台自动扶梯。1949 年出现了群控电梯，首批 46 台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。1955 年出现了小型计算机(真空管)控制电梯。1962 年美国出现了速度达 8 米/秒的超高速电梯。1963 年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。1967年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。1971 年集成电路被应用于电梯。第二年又出现
6、了数控电梯。1976 年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。关键词： 电梯控制；组态控制；可编程控制器xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 5 页1电梯简介1.1电梯的基本分类1.1.1按用途分类 乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯。主用与宾馆，饭店，办公楼，大型商店等客流量大的场合。这类电梯为了提高运送效率，其运行速度比较快，自动化程度比较高。轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度，使乘客能畅通地进出。而且安全设施齐全，装潢美观。 载货电梯：为运送货物而设计的并通常有人伴随的电梯。主要用于两层楼以上的车间和各类仓库等场合。这类电梯装潢不太讲究自动化程度和速度一般比
7、较低。而载重量和轿厢尺寸的变化范围则比较大。 住宅电梯：为提供住宅楼使用设计的电梯，一般采用下集选控制方式允许残疾人的轮椅，童车及家具等乘坐。 杂物电梯：供图书馆，办公楼，饭店等运送图书，文件，食品等物品。但不允许人员进入电梯。此种电梯结构简单，操纵按钮在厅门外侧，无乘人必备的安全装置。 船用电梯：固定安装在船舶上为乘客和船员或其他人员使用的电梯。船用电梯速度应小于或等于 1M/S。能在船舶摇晃中工作。 汽车用电梯：用于垂直运输各种车辆。这种电梯的轿厢面积比较大结构牢固，梯速不大于 1M/S。有时无轿厢顶，其特点是大轿厢，大载重量。常用与立体停车场及汽车库等场所。 观光电梯：观光电梯是一种供乘
8、客观光用的，轿厢透明的电梯。一般安装在高大建筑物的外壁供乘客观光建筑物的周围外景。 病床电梯：病床电梯是为医院运送病床而设计的电梯。其特点是轿厢窄而宽，常要求前后贯通开门。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 6 页 消防梯：火警情况下能适应消防员专用的电梯，非火警情况下可作为一般客梯或货梯使用。消防梯轿厢的有效面积应不小于 1.4 M2。额定载重量不得低于 630kg。庭门口宽度不得少于 0.8M，并要求以额定速度从最低一个停站直驶运行到最高一个停站（中间不停层）的运行速度时间不得超过 60s。 建筑施工电梯：建筑施工电梯指建筑施工与维修用的电梯。 扶梯：这类电梯装于商业大厦，火车站，
9、飞机场。供运送顾客或乘客上下楼用。 自动人行道（自动步梯）：用于档次要求很高的国际机场，火车站。 特速电梯：除上述常用几种电梯外，还有为特殊环境，特殊条件，特殊要求而设计的电梯。如防爆电梯，防腐电梯等。1.1.2 按驱动系统分类交流电梯，牵引电动机是交流异步电动机的有以下四类： 交流单速电梯：牵引电机为交流单速异步电动机，梯速 V0.4M/S。例如用于杂物梯等。 交流双速电梯：牵引电机为电梯专用的变极对数的交流异步电动机，梯速 V1M/S，提升高度 h50M。 交流调速电梯：牵引电梯为电梯专用的单速或多速交流异步电机，而电动机的驱动控制系统在电梯的起动加速-稳速-制动减速（或仅是制动减速）的过
10、程中采用调压调速或涡流制动器调速或变频变压调速的方式，梯速 V2M/S，提升高度 h50M。 交流高速电梯：牵引电机为电梯专用的低转速的交流异步电动机。其驱动控制系统为变频变压加矢量的 VVVF 系统。其梯速 V2M/S，一般提升高度h120M。直流电梯，牵引电动机是电梯专用直流电动机有以下两类： 直流快速电梯：牵引电动机给减速箱后驱动电梯，梯速 V2.0M/S。现在由直流发电机供电给直流电动机的一个直流快速电梯已被淘汰，今后若有直流快xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 7 页速电梯的话。将由晶闸管供电的直流快速电梯。一般提升高度 h50M。 直流高速电梯：牵引电动机为电梯专用的低转速
11、直流电动机。电动机获得供电的方式是支流发电机组供电的，或是晶闸管供电的两种形式，其梯速V2.0M/S，一般的提升高度 h120M。液压电梯，电梯的升降是依靠液压传动的有以下两类： 柱塞直顶式：液压缸柱塞直接支撑在轿厢底部。通过柱塞的升降而使轿厢升降的液压提。梯速 V1M/S，一般提升高度 h20M。 柱塞侧顶式：（俗称”背包式” ）油缸柱塞设置于轿厢两侧，通过柱塞升降使轿厢升降的液压梯，梯速 V0.63。一般提升高度 h15M。1.2 电梯的型号电梯的型号编制方法：型号，即采用一组字母和数字，以简单明了的方式，将电梯的基本规格的主要内容表示出来。我国部颁标准中规定了如下的电梯型号编制法。图 1
12、-1 电梯型号识别图表 1-1 品种（组）代号表产品品种代表汉字拼音采用代号产品品种代表汉字拼音采用代号乘客电梯 客 KE K 杂物电梯 物 WU W载客电梯 货 HUO H 船用电梯 船 CHUAN C客货（两用）电梯 两 LIANG L 观光电梯 观 GUAN G病床电梯 病 BING B 汽车用电梯 汽 QI Qxx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 8 页住宅电梯 住 ZHU Z表 1-2 类别代号表产品类别 代表汉字 拼音 采用代号电梯液压梯梯 Ti T表 1-3 拖动方式代号表拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号 拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号交流 交 JIAO J 液压 液
13、 YE Y直流 直 ZHI Z 齿轮齿条 齿 CHI C表 1-4 控制方式代号表控制方式 代表汉字 采用代号 控制方式 代表汉字 采用代号手柄开关控制，自动门 手，自 SZ 信号控制 信号 XH手柄开关控制，手动门 手，手 SS 集选控制 集选 JX按钮控制，自动门 按，自 AZ 并联控制 并联 BL按钮控制，手动门 按，手 AS 梯群控制 群控 OKxx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 9 页1.3电梯的主要参数及规格尺寸图 1-2 电梯吊索类型图（a）平绕 11 吊索法；（b）21 吊索法；（c）全绕 11 吊索法对重装置；牵引绳；导向轮牵引绳；对重轮；轿厢；复绕轮；轿顶轮；（1）
14、额定载重量（kg）：制造和设计规定，电梯的额定载重量。（2）轿厢尺寸（mm）：宽*深*高（3）轿厢形式：有单双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶，轿底，轿壁的处理。颜色的选择，对电风扇，电话的要求等等。（4）轿厢形式：有栅栏门，封闭式中分门，封闭式双折门。封闭式双折中分门等。（5）开门宽度(mm)：轿厢门和层门完全开启的净宽度。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 10 页（6）开门方向：人在轿厢外面对轿厢门向左方向开启为左开门，门向右方向开启为右开门，两扇门分别向左右开启者为中开门，也称中分门。（7）牵引方式：常用的有平绕 1:1 的吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。半绕 2
15、:1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度的一半。全绕 1:1 吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。（8）额定速度（m/s）：制造和设计规定的电梯运行速度：（9）电气控制系统：包括控制方式，拖动系统的形式等。如交流电动机或直流电动机拖动。轿内按钮控制或集选控制等。（10）停层站数（站）：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均为站。（11）提升高度（mm）：由顶层端站楼面至楼顶站楼面之间的垂直距离。（12）顶层高度（mm）:由顶层端站楼面至机房楼楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离，电梯运行速度越快，顶层高度一般越高。（13）底层深度（mm）:有底层段站楼面至井道之间的垂直距
16、离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。（14）井道高度(mm)：由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。（15）井道尺寸(mm)：宽深1.4电梯控制技术所谓电梯控制技术是指电梯的传动系统及操纵系统的电气自动控制。作为我国 20 世纪 70 年代电梯的主要标志是交流双速电梯。其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数，两种或两种不同级对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组，极数多的绕组称为低速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。20 世纪 80 年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速方法是改变三相异步电机的定子供电电
17、压实现电动机的调速。由于电梯制动减速性能要求较高，所以采用的制动方法也有所不用。通常多为能耗制动。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 11 页在能耗制动中，将电机定子绕组接至直流电源，再加上采用闭环控制方式，从而有效地控制了能耗制动转距，使制动减速过程快速平稳，且制动精度高。20 世纪 90 年代，调压调频调速电梯开始占领市场。调压调频调速电梯（简称 VVVF 电梯）的调速方法是调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率。在 VVVF电梯的传动系统中，大量采用了微机控制技术及脉冲宽度调制技术，脉冲宽度调制器（简称 PWM 控制器）保证了由逆变器输送至三相异步电机定子电压波形为等效正弦波形。调
18、压调频调速电梯传动系统中还广泛的采用了矢量变换技术。使交流电机转速的控制类似直流电机。VVVF 电梯由于其体积小。重量轻，运行效率高，又节约能源，几乎包括了以往所用的电梯的优点，再加上极为完善的调速性能，因此它的应用几乎完全可以和直流电梯相媲美。大家都知道交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。这种系统控制的电梯速度在 1 米/秒以下。交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电
19、梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。它的舒适感好，平层准确度高，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于 2 米/秒以下的电梯。直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机-电动机组形式驱动。它控制的电梯速度达 4 米/秒，但是，机组结构体积大，耗电大，维护工作量较大，造价高，因此常用于对对速度，舒适感要求较高的建筑物中。可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题。(尤其是低速段)应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机-发电机组形式的直流电梯，它有很多优点。如:机房占地节省 35%，重量减轻 40%，节能
20、 25%到 35%。世界上最高速度的 10 米/秒电梯就是采用这种系统，其调速比达 1:1200。80 年代初，VVVF 变频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，目前控制速度已达 6 米/秒。它的体积小，重量xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 12 页轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统。总之，从理论上讲，电梯是垂直运动的运输工具，无需旋转机构来拖动，更新的电梯拖动系统实际上就是直线电机拖动系统。电梯在垂直运行过程中，有起点站也有终点站。对于三层楼以上的建筑物的电梯，起点站和终点站之间还没有停靠站，起点站设在
21、一楼，终点站设在最高六。设在一楼的起点站称为基站，起点站和终点站称为两端站，两端站之间称为中间站。各站厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮，一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮。中间层站的召唤箱各设置两只按钮或触钮。对于无司机控制的电梯，在各层站的召唤箱上均设置一只按钮或触钮。而电梯的轿厢内部设置有（杂物电梯除外）操纵箱。操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮或触钮，操纵箱上的按钮或触钮城内指令按钮或触钮。外指令按钮或触钮发出的电信号称为外指令信号，内指令按钮或触钮发出的电信号成为内指令信号。20 世纪 80 年代中期后，触钮已被微动按钮所取代。作为电梯基
22、站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮或触钮外，还设置一只钥匙开关，以便下班关电梯时。司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动该钥匙开关。把电梯的厅门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力电源。1.5常用交流调速电梯的特点 能源消耗低异步电动机的速度与供电频率有关。在启动期间，电动机电流随频率和速度增加而增加，并以最小转速运行，对每种速度都可获得最佳效率。能节约能量达45%。因电动机产生的热量相当小，故在机房内不需要专用的通风降温系统，没有额外的能量损耗。 电路负载低，所需紧急供电装置小xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 13 页在加速阶段，所需起动电流小于 2.5 倍的额定电
23、流。且起动电流峰值时间短。由于起动电流大幅度减小，故功耗和供电缆线直径可减小很多。所需的紧急供电装置的尺寸也比较小。 可靠性高，使用寿命长。具有先进的半导体变频器把交流换成直流。再把直流逆变成电压幅度和频率可变的交流。由于元器件性能可靠性可靠，工艺先进，经久耐用。在系统中由电动机转速调节不会增加电机的发热，而且还能减小电机的应力，使电梯运行性能非常可靠，延长使用寿命。 舒适感好在整个运行过程中。其驱动系统具有良好的调节性能。故乘坐电梯舒适感极好。电梯运行是跟随最佳给定的速度曲线运行的。其特性可适应人体感受，并保证运行噪声小，制动平稳 平层精度高采用现在传感技术和数字软件控制系统。在整个运行期间
24、准确地给位置信号加上精确地按楼层距离直接停靠的调节系统，在 VVVF 控制系统中其直接停靠由PC 机，变频器，曲线卡三个方面组成。曲线卡的输入信号有起动信号，转换信号。输出信号有运行信号，总控信号，转换应答信号等。曲线卡在接受到起动信号时，给变频器一条运行曲线，输出运行信号，电梯开始运行；在受到换速信号时，给变频器调节装置一条减速曲线，当到达停车位置时，曲线卡撤消运行信号，电梯即直接停靠楼层平面，完成一次运行，故使电梯在每个楼层都能准确平层，便于乘客进出不会绊倒。 运行平稳无噪声在轿厢内，机房内及邻近区域确保噪声小。因为其系统中采用了高时钟频率。始终产生一个不失真的正弦波供电电流。电动机不会出
25、现转距脉动。因此，消除了振动和噪声。直流调速方式有 G-M 调速，相位控制调压调速和斩波控制（PWM）调压调速等不同的电气驱动技术。其调速系统的变流方式与交流的变流方式有所不同见表1-5。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 14 页表 1-5 各种调速方式对比图调速方式 一次变流 二次变流 三次变流直流电机 G-M 系统 机械 机械 -直流电机相控调速方式 电子 机械 -直流电机 PWM 系统 电子 电子 机械交流电机”交-直-交”变频系统 电子 电子 -交流电机”交-交”变频系统 电子 - -交流电机调压系统 电子 - -上述反复一次变流的最后两种调速方式，由于不能达到很宽的调速范围
26、和很好的性能。故只能在有限的场合中适用。其他四种调速方式都可以达到很高的性能。因此在性能电梯中得到广泛的使用。但使用直流电机系统时，不管采用何种方式都必须进行机械变流。显然，这就是直溜电机的致命缺陷，是直流电机最终被交流电机代替的根本原因。1.6电梯的工作原理当曳引机组的曳引轮旋转时，依靠嵌在曳引轮槽中的钢丝绳与曳引槽之间的摩擦力，驱动钢丝绳来升降轿厢，曳引钢丝绳一端挂着轿厢，另一端悬挂对重，产生拉力分别为 S1 和 S2。当 S1 和 S2 的差值等于或小于绳槽之间摩擦力时，电梯正常运行，绳槽之间无打滑现象。具体图形见图 1-3。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 15 页图 1-3
27、 电梯的工作原理曳引钢丝绳与曳引轮槽不打滑的条件是：（1）当轿厢满载，并以额定速度下降制动时： （式 1）521es式中：S1 曳引钢丝绳轿厢一边的拉力（N） ；S2 曳引钢丝绳对重一边的拉力（N） ； 曳引绳在曳引轮上的包角，一般 ；复绕时 ，计算01303时用弧度值自然对数底数 =2.71828； 钢丝绳与曳引轮槽间的当量摩擦系数，它的大ef小与轮槽的形型尺寸及钢丝绳和轮间的摩擦系数 有关，常取f 1.06.f（式 2）ff sin2i2)(s4式中，sin ，sin ，sin2 ，sin2 中的， 的值用角度值代入；2 ，2, 中的值用弧度值代入。 ； 。0190164式（1）中的 ，
28、)/)(1gQGs)/(gWs上式中：G-轿厢自重（N） ；Q-额定载重量（N） ；W-对重装置重量（N ） ； -xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 16 页电梯加速度。（2）当轿厢空载时，以额定速度上升制动时，（式 3）, ， fS1)/1(gGs)/1(2gWsxx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 17 页2 PLC可编程序控制器2.1 PLC的起源与发展在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这 4 个部分组成的。其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。用已向
29、系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计，布线，
30、装配，和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。出于上述考虑，美国通用汽车公司（GM）于 1968 年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即 1969 年美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为 PCL（Programmable Logical Controller） ，即
31、可编程序逻辑控制器。20 世纪 70 年代末 80 年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 18 页处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会 NEMA（National Electrical Manufacturers Association）将之正式命名为 PC（Programmable Controller） 。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是 PC（Personal Computer） ，有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可
32、编程序控制器简称 PLC（尽管这是早期的名称） 。本书采用 PLC 的称呼。20 世纪 80 年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数，中断技术，PID 控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（IEC）制定了 PLC 的标准，并给出了它的定义。“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编
33、程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。 ”综上所述，PLC 是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和 CAD/CAM）之一，被广泛
34、地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。以 PLC 作为控制器的 PLC 控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而 PLC 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 19 页随着计算机和通信几刷的发展，现代 PLC 控制系统已远不是几十年前的哪个样子，PLC 的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动
35、化。尽管现在的PLC 控制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的角度来看，PLC 控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的 PLC 控制系统为例说明集中型 PLC 控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解 PLC 控制系统的工作原理是有帮助的。集中型 PLC 控制系统的结构。将两种系统相比，就会发现 PCL 控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被 PLC 中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就
36、可以了。正是上述原因，PLC 控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC 的成本在降低，传统的继电器控制系统被 PLC 控制系统代替已是发展的必然趋势。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 20 页2.2 PLC控制系统与其他工业控制系统的比较2.2.1 PLC控制系统与继电器控制系统的比较 表 2-1 plc 与继电器控制系统比较表比较项目 继电器控制系统 PLC 控制系统控制功能的实现 由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺
37、过程变更的适应性适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线适应性强，只需对程序进行修改控制速度 低。靠机械动作实现 极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能 一般没有 有安装，施工 连线多，施工繁 安装容易，施工方便可靠性 差，触点多，故障多 高，因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施寿命 短 长可扩展性 困难 容易维护 工作量大，故障不易查找 有自诊能力，维护工作量小结论：由于 PLC 控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被 PLC 控制系统所代替是大势所趋。2.2.2 PLC控制系统与计算机系统的比较20 世纪 60 年代，由于小型计
38、算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器控制系统，结果未获成功，代只的却是 PLC 的出现。通过计算机与 PLC 本身的工作目的，原理和方式上都存在着较大的差异，其结果比较见表 2-2。 xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 21 页表 2-2 PLC 与计算机系统比较表比较项目 通用计算机系统 PLC 控制系统工作目的 科学计算，数据管理等 工业自动控制工作环境 对工作环境要求比较高 对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作工作方式 中断处理方式 循环扫描方式系统软件 需配备功能较强的系统的软件 一般只需要简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施 采用多种抗干
39、扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修编程语言 汇编语言，高级语言 梯形图，助记符语言，SFC 标准化语言对操纵人员的要求需专门培训，并具有一定的计算机基础一般技术人员，稍加培训即可操作使用对内存的要求 容量大 容量小价格 价格高 价格较低其他 若用于控制，一般需自行设计 机种多，模块种类多，易于集成系统结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用 PLC 可靠，方便，易于维护。进入 20 世纪 70 年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与 PLC 共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现，PLC 与一般的工业控制计算机相比，PLC 还是有着较强的优势，其原因是 PLC
40、专为在工业环境下的应用而设计，在 PLC 中采用了如下的硬件和软件措施： 光电耦合隔离和 R-C 滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。具有良好的自诊断功能可对 CPU 等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 22 页 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型 PLC 还采用了双 CPU构成冗余系统，或三 CPU 构成表
41、决式系统。 随着构成 PLC 的元器件性能的提高，PLC 的可靠性也在相应的提高。一般PLC 的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些 PLC 的生产厂家甚至宣布，今后生产 PLC 不再标明可靠性这一指标，因为对 PCL 来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现 PLC 系统在使用中发生的故障大是是由于 PLC 的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是 PLC 本身发生的。 另外，PLC 程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC 在工业控制方面获得了极大成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信息处理方面还是优于 PLC，所以在一些自动化控制系统中
42、，常常将两者结合起来，PLC 做下位机进行现在控制，计算机做上位机信息处理。计算机与 PLC 之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。2.2.3 PLC控制系统与集散型控制系统的比较由前所述可知，PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统 DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。而 PLC 随微电技术，计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，
43、构成了以 PLC 为重要部件的分布式控制系统。随着 PLC 网络通信功能不断增强，PLC 与 PLC 及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态，加上 PLC 的价格和可靠性优势，使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 23 页2.3 PLC控制系统的组成PLC 控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指 PLC 本身及其外围设备，软件是指管理 PLC 的系统软件，PLC
44、的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。图 2-1 典型 PLC 控制系统的硬件组成2.3.1 硬件的组成PLC 控制系统的硬件是由 PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。PLC 系统（1）主控模块除了早期生产的整体式 PLC（PLC 的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的 PLC 都已采用模块化的结构（PLC 的各个部件独立封装，称之为模块） 。在 PLC 中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称 CPU） ，它包括：CPU，存储器，通信接口
45、等部分。CPU：CPU 是 PLC 的控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器是xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 24 页用来统一指挥和控制 PLC 工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。PLC 在 CPU 的控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU 的具体作用如下：执行接受，存储用户程序的操作指令。用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。PLC 中所采用的 CPU 随机型的不
46、同而不同，通常有 3 种：通用微处理器（如8086，80286，80386 等） ，单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型 PLC 大采用 8 位微处理器或单片机作为 CPU，如 Intel8086，Inter96 系列单片机，具有集成度高，运算速度快，可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的 OMRONC200H型 PLC 采用的是 Motorola 公司生产的 MC68B09 的 CPU 芯片。这是一种增强型 8位微处理器。对大型 PLC，大多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。目前，一些厂家生产的 PLC 中，还采用了冗余技术，即采用双 CPU 或三 CPU工作
47、，进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使 PLC 的平均无故障工作时间达几十万小时以上。存储器：PLC 系统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。系统程序存储区：采用 PROM 或 EPROM 芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的，永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和 PLC 的硬件组成与专用部件的特性有关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。存储器区：工作数据是 PLC 运行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器 RAM。数据存储区包括输入，输出数据映象区，定时器/计数器预置和当前数值的数据。用户程序存储区
48、：用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存储器，用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般xx 机电职业技术学院电气工程系毕业设计第 25 页就代表 PLC 的标称容量。通常，小型机小于 8KB，中型机小于 50KB，而大型机可以在 50KB 以上。通信接口：主控模块通常有一个或一个以上的通信接口（简称通信口） ，用以与计算机，编程器相连，实现编程，调试，运行，监视等功能。（2）输入/输出模块 PLC 的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过 I/O 模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器
49、状态等，因此，需要有相应的 I/O 模块作为 CPU 与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有：数字量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，模拟量输入/输出模块，交流新号输入/输出模块，220V 交流输入/输出模块。还有智能模块，它本身带 CPU，存储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块，PID 调节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能 I/O 模块。（3）电源模块该模块将交流电源转换成供 CPU 存储器所需的直流电源，是整个 PLC 系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到 PLC 的功能和可靠性。目前，大多数 PLC 采用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比，PLC 的电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供 24VDC 的稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。I/O 电路PLC 的基本功能就是控制，它采集被控对象的各
