1、毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书专业 班级 姓名 一、课题名称： PLC 在自动控制领域中的应用 二、主要技术指标： (1)生产过程自动化系统和生产管理系统的融合 (2)软 PLC 和软 DCS (3)生产过程控制和管理软件的融合 三、工作内容和要求： （1)控制器(PLC)实现生产过程自动控制中的应用研究，理论与实践相结合 （2)了集现代自动控制技术、计算机(网络)技术和通信技术于一体的高科技产品可编程控制器 PLC 在自动控制领域的最新应用 四、主要参考文献： 1 教科书：胡寿松主编 ， 自动控制原理 ，科学出版社， 北京，2001 年第 4 版，65-132 页。 2 参考书：
2、Katsuhiko Ogata 著，卢伯英、于海勋等译 ， 现代控制工程 ，电子工业 出版社，北京，2003 年 7 月，第 4 版，102-156 3 王卫星编著.可编程控制器原理及应用M，北京：中国水利水电出版社 2002 年 ，137-185 4 林小峰.可编程控制器原理及应用.北京：高等教育出版社，1994.52-85 5 田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京：机械工业出版社，1994.85-93 学 生（签名） 年 月 日指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业
3、 075 班 臧宝亮 Page 2 of 28 系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文题目） PLC 在自动控制领域中的应用一、选题的背景和意义：可编程序控制器简称 PLC，是 20 世纪 60 年代以来发展极为迅速、应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。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，完成确定的逻辑、顺序、定时、计数、运算和一些确定的功能，来控制各种类型的机械设备或生产过程。当今 PLC 吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的自动化；从柔性制造系统、工业机器
4、人到大型分散控制系统，PLC 均承担着重要角色。二、课题研究的主要内容：本论文从 PLC 发展到在自动控制领域中的广泛应用，以及成为现代工业自动化的三大支柱之首。本论文阐述的主要内容如下：（1）可编程控制器(PLC)实现生产过程自动控制中的应用和研究以及理论与实践相结合。（2）详细阐述了集现代自动控制技术、计算机(网络)技术和通信技术于一体的高科技产品可编程控制器 PLC 在自动控制领域的最新应用。（3）PLC 在未来的发展前景及走向。常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 3 of 28 三、主要研
5、究（设计）方法论述：本论文主要从可编程序控制器简称（PLC）从无到有，从有到成为现代工业自动化的三大支柱之首。PLC 已成为自动控制领域中先头军，同时它还会将在以后的自动控制领域广泛的应用和发展下去。资料主要由指导老师提供及查阅参考书整理而成。四、设计（论文）进度安排：时间（迄止日期） 工 作 内 容8.18.2 选题，查找、分析资料8.38.4 完成开题报告8.58.6 列出论文提纲，并完善论文提纲8.78.8 提炼论文中心论点8.98.14 查找资料，写论文8.158.17 提炼要点，完善论文8.188.19 总结论文中心要点，完成论文8.208.21 完成论文摘要8.228.24 完成初
6、稿，交指导老师审阅8.258.27 完善初稿8.288.30 完成设计并定稿，答辩常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 4 of 28 五、指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日六、系部意见：系主任签名： 年 月 日PLC在自动控制领域中的应用目 录0.引言-61. 可编程控制器 PLC-61.1 PLC 概述-61.2 PLC 的结构组成及工作-81.3 PLC 网络及通信-101.4 PLC 的发展趋势-161.5 典型的 PLC 产品-161.6 PLC 在我国的应用-172.软 PLC 和
7、软 DCS-172.1 软 PLC-172.1.1 软 PLC 定义-172.1.2 软 PLC 控制技术综述-172.2 软 DCS-20常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 5 of 28 2.3 DCS 控制系统与 PLC 控制区别-213. PLC 在自动控制领域中的应用-223.1 PLC 控制系统的概述-223.2 PLC 编程软件-223.3 PLC 的通信功能-233.4 PLC PC 化-244. 生产过程控制和管理软件的融合-245. 生产过程自动化系统和生产管理系统的融合-25
8、6. 结束语答谢辞参考文献论 PLC在自动控制领域中的应用摘要：本论文对可编程控制器(PLC)实现生产过程自动控制中的应用研究，理论与实践相结合，详细阐述了集现代自动控制技术、计算机(网络)技术和通信技术于一体的高科技产品可编程控制器PLC在自动控制领域的最新应用关键词：PLC；自动控制技术；应用On the PLC in the field of application of automatic controlAbstract: Thesis this realize production process application study automatically control, to
9、 programmable controller (PLC), the theory is combined with practice, have explained that collects the modern automatic control technology in detail, technology and the communication, to the integrative programmable controller PLC newest application in the automatic controlled field of high-tech pro
10、ducts of the computer (network) .Key words: PLC; Automatic control technology; Application0.引言当今制造业正在面临一个快速变革的时代，在经济全球化的同时，减少资金投入，降低人力成本，提高劳动生产率，缩短订单处理事件等成为用户不断追求的目标，对于制造业系统处理速度，开放性等方面的要求也韶讨从前川。自动控制系统所包含的内容也从对一些操作量的简单调节发展成为集实时控制、运动控制、故障诊断、数据综合分析、信息管理、质量跟踪等一系列复杂控制任务于一体统一的软硬件系统平台，这些任务的复杂性与控制的难度急剧增加，对自
11、动控制系统的功能提出了更高的要求.而要实现这些目标，就需要采用新的技术，不断改进软件和硬件系统，如采用基于 PC 的控制，就可以将 CPU 高速的处理性能和良好的开放性引入到控制领域。早在 20 世纪 70 年代，PLC 的出现逐步替代原有的继电器控制系统以来，PLC 被广泛适用于各种控制系统中，但是随着 PC 在控制系统中的出现，其功能在不断发生变化，由初期的人机界面功能逐步增加报普，报表，连接数据库，连接办公网络等，现在在许多应用场合，可以用 PC常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 6 of
12、28 实现 PLC 的功能，即基于 PC 的 PLC 自动化控制，而且传统的 PLC 控制系统难以实现或无法实现的功能，采用基于 PC 的控制将变得非常简单，如开环 /闭环控制、运动控制、视频信号处理、连接办公网络、复杂控制算法等。可编程逻辑控制器（PLC）作为新一化的工业控制装置，结构简单、性能全面、可靠性高。其突出的优点是：使用方便，具有杰出的实时功能和强大的通讯能力。在其小小的单元中，包含了强大的功能，使之能够独立地或通过网络分布式系统轻而易举地完成复杂的控制任务，很小的投入即能获得最有效的自动化系统，在工业现场领域深受欢迎，特别是经过特殊模块配置后，可以在保持简单易用的特点的同时大大扩
13、展其应用领域。PLC 的体积小，结构紧凑，编程方便，梯形图编程方式面向一般电气技术人员，操作简单，维修方便，易于实现机电一体化。1可编程控制器PLC11 PLC概述可编程控制器 PLC 及其组成的多级分布式网络是构成 CIMS 系统的基础，是现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。国际电工委员会(IEC)曾颁布 PLC的国际标准，并作了如下定义:可编程控制器是一种数字运算操作的高级电子系统，采用可编程的存储器在其内部存储执行顺序控制、定时计数、逻辑运算和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。由此 PL C是以微处理器为核心，综合
14、了计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向对象的、面向控制过程的“自然语台” ，编程的，简单易懂、操作方便、适应工业环境的，高可靠性的新一代工业控制装置 PLC 发展经历了四次换代，现代的 PLC 系列产品已成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能和联网通信功能的多功能控制器，能满足现代工业发展的不同需求，能适应更加复杂和恶劣的工业现场环境。由于 PL C 控制对象的复杂性和多样性，应用环境的特殊性和工作运行的连续性、实时性，使其在设计上有更高要求。1. 抗干扰能力强，运行稳定可靠PL C 通常工作在环境恶劣的工业现场，并且要求有较高的平均无故障时间(5-10 万小时)
15、，因此 PLC 的设计中，在硬件上选用优质元器件，并采用电源多级滤波和稳压措施，电磁屏蔽、输入输出滤波、光电隔离及通道间绝缘，输入电 4li 与输出电源外部封装;在软件上采月 J 循环扫描工作方式，具有程序语法检查、故障检测与诊断和出错后报警、保护数据、封闭数据以及恢复数据等措施。2.接口模块功能强、类型多。现代 PL C 模块化能力大大增强，不仅具有电源模块、数字量输入模块、数字量输出模块，还具有专用的模拟量输入模块、模拟量输出模块和各种连接模块，更重要的是在联网通信方面推出功能强大通信模块、modem 模块、天线模块和远程通信控制模块等。随着应用范围和领域的拓展，PLC 的功能模块还在不断
16、发展创新。3.适应能力强，应用范围广现代 PL C 产品系列化和模块化，而且不仅具有逻辑运算、定时计数、顺序控制等功能，还具有 A/D, D/A 转换、数字运算、数据处理和通信等功能，这使得 PLC 的应用可根据实际情况方便灵活地组成功能不同的控制系统，既可是控制单机的简单系统也可是控制多机的复杂系统，又司利用通信功能实现更复杂的远程群控系统。4.编程方法简单实用PL C 虽然由内部微处理器控制，但并没有采用微机控制中常用的汇编常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 7 of 28 语言或其他专用高级
17、语言，而是结合实际提出了梯形图(LAD)、语句表(STL) 和逻辑符号图(FBD)等编程方法，这些编程语台都是面向对象、面向控制过程的，易于编写、易于调试，这也大大增进了 PLC 的广泛应用。5.体积小、结构紧凑，功能强大作为微电子的高科技产品，PLC 不仅结构紧凑、坚固、体积小、重量轻，而且功耗很低。例如 SIEMENS S7-400 系列的主控模块 CPU 412-1,尺寸仅为 25*290*210 (W*H*D) mm，重 720g，功耗小于 8w121，而且这些主控模块具有很好的抗震性，并能适应环境温度的剧烈变化。PLC 在设计上的特点决定了 PLC 高性能和广阔的应用范围。1.开关量
18、的逻辑控制PLC 替代继电器控制系统实现逻辑控制和顺序控制是 PLC 最基本、最广泛的应用。2.过程的闭环控制PLC 利用专用的模拟量 I/O 模块实现了对模拟量(如温度、压力、流量、液体等连续变化量) 的闭环控制。3.运动控制利用专用的运动控制模块可实现对直线或轴运动的控制，这使 PLC 可广泛应用于运动机械设备控制系统。4.数据的分析和处理现代 P LC 都具有数据运算(定点、浮点、函数运算)、数据传送、数据转换、数据排序和查表功能，并具有数据的采集、分析、处理和建库等功能，从而能够实现大中型控制系统。5.通信联网现代 PL C 除了主控 CPU 模块上的 MPI 接口连接通信外，还可通过
19、扩展的一系列通信模块实现联网通信，如通过专用通信处理器 CP 和专用远程通信控制模块 TIM 等。通过功能强大的通信处理模块，可实现系统间的数据和信息的交换，构成分散控制、集中管理的分层式集散型复杂控制系统。12 PLC的结构组成及工作方式一、PLC 的结构组成可编程控制器实现控制，其实质是按一定算法进行输入和输出变换，并将这个变换予以物理实现，即输入输出和物理实现是 PLC 实现控制的两个基本点. PLC 对输入和输出的处理类似于现代微处理机的信息处理，但是针对复杂恶劣的工业现场环境显得更加专业化。PLC 的物理实现要考虑实际控制的需要，例如，要求输入应排除干扰信号，输出应放大到工业控制的水
20、平，并能为实际控制系统方便的使用，这点使 PLC 有别于普通微机信号只针对信号本身，而不考虑实际现场的需要。PL C 的 基本组成仍采用了典型的计算机结构，一般都是由中央处理单元(CPU)、存储器(memory),输入部分(input),输出部分(output)和电源部分(supply)五部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，存储器是存放系统程序和用户程序及数据的，1/O 部分是连接现场设备与 CPU 的接口电路，电源部分则为 PLC 内部电路提供电源。图 1 .1 示意了 PLC 的原理图常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化
21、专业 075 班 臧宝亮 Page 8 of 28 图 1.2 示意了 PLC 的结构图1. 中 央处 理单元 CPU作为 PLC 控制器的核心，中央处理单元具有以下功能: 接收输入的用户程序和数据并送入存储器; 监视电源和 PLC 内部电路的工作状态; 诊断用户程序和系统程序的语法错误，并对用户程序指令进行编译; PLC 进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并执行;常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 9 of 28 采集输入部分送来的状态和数据，并存入指定的寄存器; 按程序进行处理，
22、根据运算结果更新相关标志的状态和输出的状态或数 据寄存器的内容; 传送状态或数据寄存器的相关内容到输出接口; 响应各种外围设备( 编程器、键盘、显示器、打印机等)的请求;现代 PL C 按功能分散处理、联网通信和容错技术的要求往往包括多个 CPU，分别承担一定的控制功能。2. 存储器现代 PLC 均配有系统程序控制器，用于存放监控程序、模块化应用功能的子程序、调用管理程序和各种系统参数。用户程序存储器存放用户编制的程序及随机参数等。3. 输入输出部分也称为 I/O 单元，是 PLC 与被控设备的接口电路，是 CPU 与现场 I/O 装置或设备间的连接部件，起着 PLC 与外部设备间传送信息的作
23、用。I/O 单元既可通过底板总线与主控模块放在一起，也可通过连接器用电缆引出远程放置，实现远程联网及控制。一般1/O 模块上有状态显示和 UO 接线端子排，方便监视与连接。输入接口电路一般山光电祸合电路和微电脑输入接口电路组成，而输出接口电路一般由微电脑输出接口和功率放大器组成。现代 PLC 除了以上 1/O 接口电路外，还配有各种和外围设备连接的接口电路，通过相应的接口电路的插座可连接编程器、计算机、打印机等设备。4.电源部分PL C 一般 配有专用的开关式稳压电源供内部电路使用，现代大多数机型可向外提供直流 24 V 稳压电源，以供外部设备(如传感器等) 使用，从而避免电源污染也减少了外部
24、连线。PLC 常配有高能的后备电源(铿电池)以备外部电源正常或非正常断电情况下内部程序和数据丢失。二、工作方式PL C 采用对 1/O 操作、数据处理等的循环扫描工作方式。这种工作方式在系统软件控制下，顺序扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号整个工作过程如图 1.3 所示自诊断是指在 PLC 扫描用户程序之前先执行故障自诊断程序，主要诊断 I/O 部分、常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告论 PLC 在自动控制领域中的应用 机电工程系机电一体化专业 075 班 臧宝亮 Page 10 of 28 存储器和 CPU 等，自诊断正常则继续向下扫描;与
25、编程器或计算机通信是指 PLC 检查编程器或计算机等是否有通信的请求，并接收发送来的程序、指令和各种数据，将相应的状态、数据和信息显示出来; CPU 对各输入端扫描并将输入端的状态送到输入状态寄存器，完成对现场信息的输入采样过程; CPU 逐条调出并执行用户程序的指令，按照指令对数据进行运算，并将结果送至输出寄存器，实现 PLC 的程序执行过程;当所有指令执行完毕后，PLC 集中将输出状态寄存器中的状态通过输出模块单元转换成控制设备的电压或电流信号，以驱动控制设备，实现对输出状态的刷新。13 PLC网络及通信一、PLC 网络PL C 网络多采用类似 ISO 提出的 OSI7 层模型191， 也
26、是分层结构，由上至下，各层发挥不同的作用。一般，上层负责生产管理，底层负责现场控制与监测，中间层则负责生产过程的监控及优化。PL C 网络 通常采用多级通信子网以构成复合型拓扑结构，夯在不同级别的子网中配置不同的通信协议，这是根据 PLC 网络中的实际通信要求，即上层主要传递管理信息，通信报文较长、传输信息量大、通信范围广，但对实时性要求不高; 而底层主要传送过程数据和控制指令，报文较短、通信量不大、通信距离较近，但对实时性和可靠性要求较高;中间层通信要求介于上、下层之间川 。PLC 网络采用多级复合型结构通信网，可根据 PLC 网络分层情况，对相邻且通信要求相近的几层进行合并，由级子网实现，因而这种结构具有很强的适应性和扩展性。图 1.4 示意了 SIEMENS S7 系列 PLC 典型网络
