基于plc在皮带传输机控制系统中的应用

1、摘 要 皮带输送机在许多企业中占有很重要的地位，但其控制单元种类繁多，都存 在着性能和功能的差异。传统继电器控制的皮带传输机存在电路复杂、可靠性差、 故障诊断与排除困难等缺点，为了取得企业的良好的经济效益和社会经济效益， 提出了采用实用性强、操作方便的 PLC 梯形图（LADDER DIAGRAM）编程语言 对皮带输送机控制系统进行设计。 全文采用了欧姆龙公司的 C 系列可编程控制器在四段皮带输送机控制系统中 的应用，给出了 PLC 控制皮带输送机系统的硬件组成和软件设计，其中包括 PLC 选型、I/O 地址分配、I/O 端子接线、程序设计和控制原理。该设计大大提高了设 备的可靠性，减少了故障

2、率，取得了成功。 关键词：PLC(CJ1M)；梯形图；皮带输送机；CX-Programmer Abstract Transmission belt machines occupy a very important position in many businesses, but its control unit is variety,there is a difference between the performance and functionality. The traditional relay control of the transmission belt has complex

3、circuits exist, poor reliability, fault diagnosis and rule out the difficulties shortcomings, in order to achieve the economic benefits of good corporate and social economic benefits,by using user-friendly,practical,strong PLC ladder (LADDER DIAGRAM) programming language on the belt transmission con

4、trol system design. The topic is introduced the apply for Series C Omron PLC in four paragraphs belt transmission system of control,it is given the hardware and software design of the PLC control belt transmission systems,including the PLC Selection,I/O address assignment, I/O terminal wiring,progra

5、mming and control theory. The design of the equipment improve the reliability of equipment and reduce the failure rate,it has been successful. Keywords：PLC(CJ1M)；Ladder；Transmission belt machine；CX- Programmer 目 录 第第 1 章章 概概述述.1 1.1 选题的背景.1 1.2 课题的研究目的和内容.2 1.3 课题研究的方案论证.2 第第 2 章章 可编程控制器理论基础可编程控制器理论

6、基础.4 2.1 PLC 的由来及定义.4 2.2 PLC 的特点及分类.5 2.3 PLC 的应用及发展阶段.8 2.4 PLC 的结构及工作原理.9 2.5 本章小结.13 第第 3 章章 PLC 控制系统及程序的设计方法控制系统及程序的设计方法.14 3.1 系统设计的主要内容及基本要求.14 3.2 系统设计的基本步骤.15 3.3 PLC 硬件系统设计.17 3.4 程序设计方法.18 3.5 本章小结.20 第第 4 章章 皮带传输机的皮带传输机的 PLC 设计设计.22 4.1 皮带输送机的电控原理.22 4.2 PLC 控制系统硬件设计.22 4.3 PLC 控制系统软件设计.

7、24 4.4 PLC 的调试与安装.28 4.5 本章小结.28 结结 论论.29 参考文献参考文献.30 致致 谢谢.31 附附 录录 1.32 附附 录录 2.40 第 1 章 概述 1.1 选题的背景 近 20 年来，可编程控制器在我国已获得了极其重要和广泛的应用，它不仅 可作为单一的机电控制设备，而且它作为通用的自动控制设备，也被大量的用于 过程工业的自动控制。可编程控制器与其他计算机控制装置，如集散控制系统、 现场总线控制系统、计算机基础过程系统、信息管理系统等，一起已成为工业控 制领域的主流控制装置。 本设计选择了欧姆龙公司的最新并具有代表性的 C 系列中、小型可编程控制 器作为样

8、机。欧姆龙 C 系列系列产品及程序通俗易懂、操作方便、实用性强， PLC 简单易学。它用梯形图（LADDER DIAGRAM）编程语言编程，类似于继电 器控制线路图。只要具有继电器控制线路图这方面的知识，就可以很快学会编程 和操作，不存在计算机技术和传统电器技术之间的专业“鸿沟” ，系统扩展灵活， 它采用积木式结构具有各种 I/O 模块和 A/D、D/A 模块等，便于各种需要配置成 各种不同模块的分布式或集中式的控制系统。PLC 的输入口可与触电式开关直接 相连，输出口与执行元件（接触器、电磁铁）相连，即在 PLC 的端子上接相应的 输入、输出信号线即可，使用非常方便。当控制要求改变时，要变更

9、控制系统的 功能，可用编程器修改程序。它还可以用于不同的受控对象只要输入、输出组件 和应用的软件不同而已，可与强电相连，并有较强的带负载能力；体积小，重量 轻便于安装，有自检和监控功能，能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调 试提供方便，由于接线少，维护方时只需更换插入式模块，维护方便1。 用可编程序控制器来控制一台带式传送机，需要考虑到电动机正反转控制、 与带之间启动的时间差、传送带的速度控制、传感器的输入、整个过程每一步输 入输出的逻辑关系等一些问题，较以往的要求相比较是存在一些不同点，相对提 高了少，为了实现任务要求的各项功能，还需在这个基础上进行部分功能扩展， 使得整个统的功能更加完

10、善。当然，选择这个课题并非只运用可编程控制器的知 识，还要结合电路基础和电子技术、电动机传动原理、继电器接触器控制系统 课程的知识，运用它们来将该课题设计完成。 1.2 课题的研究目的和内容 皮带输送机控制系统的设计是一个很传统的课题，现在随着各种先进精确的 诸多控制仪器的出现，皮带输送机控制的设计方案也越来越先进，越来越趋于完 美，各种参考文献也数不胜数。 皮带输送机是在输送设备中是最常用的一种传输机构。该机种具有结构简单， 经济方便，使用可靠，传输平稳，输送量大，效率高，低噪音等优点。其形式多 样，适用范围广，特别适合一些散碎原料与不规则物品的输送。广泛应用于轻工， 电子，食品，化工，木业

11、，机械等行业。它具有输送平稳，物料与输送带没有相 对运动，能够避免对输送物的损坏。噪音较小，适合于工作环境要求比较安静的 场合等特点。结构简单，便于维护。能耗较小，使用成本低。由于可编程控制器 （简称 PLC）将其系统的继电器技术，计算机技术和通信技术融为一体，以其可 靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、以及编程简单、维护方便、通讯灵活等众多 优点，广泛应用于工业生产过程和装置的自动控制中2。PLC 不仅能实现复杂的 逻辑控制，还能完成定时、计算和各种闭环控制功能。设置性能完善、质量可靠、 技术先进的可编程控制器 PLC 控制皮带运输机监控系统，可以实现高自动化的皮 带机群的集中控制（包括遥控）及

12、保护。 此次毕业设计的课题内容即为 PLC 在 皮带输送机控制系统中的应用。其设计内容和要求是：完成用四台电动机带动四 条皮带运输机的传送控制系统，控制要求：启动时先启动最末一条皮带机，经 5 秒延时，再依次启动其它皮带。停止时应先停止最前一条皮带，待料运完毕再依 次停止其它皮带；出现故障时，要求该皮带机及其前面的皮带立即停止，而该皮 带机后面的皮带机待运料完毕后才停止；当某皮带载重时，该皮带前面的皮带机 停止，该皮带机运行 5 秒后停，而该皮带以后的皮带机待运料完毕后停止。 1.3 课题研究的方案论证 对于该课题设计，基本上存在三种方案，但是针对设计的要求，对各个方案 进行比较、选择，大致分

13、析过程如下： 方案一：利用强电电路，虽然强电电路也可以控制整个系统的运行，但是其 电路连接复杂，不便直接操作且不能实现自动化，同时存在一个稳定性、可靠性 的问题，而且很难制动继电器，不能够很好的完成所给定的任务。 方案二：只利用 PLC 可编程控制器，若只利用 PLC 可编程控制器，其高可 靠性是绝对可以保证系统的稳定性的，存在强电容易损坏 PLC 的问题。而且程序 复杂，控制器的运算时间变长。 方案三：利用 PLC 可编程控制器来控制，再加上强电电路组成的控制部分。 这个方案是利用了 PLC 的高可靠性和强电电路的简单化，整个系统的动作均由可 编程控制器控制，控制部分的信号通道由 PLC 和

14、按钮开关来控制，这是为了保证 电机动作的准确性。这个方案包含了方案三的优点，从而保证了整个系统的可靠 性之外，还可以简化程序。 与上面的三个方案相比较，方案三的可行性最高，也是最简单，可靠的。综 合上面的简单分析，本设计采用方案三进行设计。 第 2 章 可编程控制器理论基础 2.1 PLC 的由来及定义 2.1.1 PLC 的由来 在 60 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置 构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。 随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要 经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻

15、碍了更新周期的缩短。 为了改变这一现状，美国通用汽车公司在 1969 年公开招标，要求用新的控制装 置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： （1）编程方便，现场可修改程序； （2）维修方便，采用模块化结构； （3）可靠性高于继电器控制装置； （4）体积小于继电器控制装置； （5）数据可直接送入管理计算机； （6）成本可与继电器控制装置竞争； （7）输入可以是交流 115V； （8）输出为交流 115V，2A 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； （9）在扩展时，原系统只要很小变更； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到 4K。 1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台 P

16、LC，在美国通用汽车自 动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方 便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其 他工业领域推广应用。到 1971 年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸 等工业。 这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971 年 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台 PLC。1973 年，西欧国 家也研制出它们的第一台 PLC。我国从 1974 年开始研制，于 1977 年开始工业应 用3。 2.1.2 PLC 的定义 PLC 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展

17、标准化， 美国电气制造商协会 NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四 年的调查工作，于 1984 年首先将其正式命名为 PC（Programmable Controller） ， 并给 PC 作了如下定义：“PC 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记 忆体储存指令。用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数 字或类似的输入输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机 若是从事执行 PC 之功能，亦被视为 PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制 器。 ” 以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了

18、PLC 标准的草案第一稿，第二稿， 并在 1987 年 2 月通过了对它的定义4： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设 计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序 控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输 出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于 与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计 算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器 产品并不针对某一具体工业应用，在

19、实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选 用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 2.2 PLC 的特点及分类 2.2.1 PLC 的特点 根据IEC标准草案给PLC下的定义5：它是在工业环境中使用的数字操作的电 子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现特 殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字或 模拟输入，输出来控制各种类型的机械或过程。不论是PLC还是与它有关的外部 设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的功 能。从上述PLC的定义，我们可以看到PLC的许多特点，概括起来有以下几点： （1）高可靠性 所

20、有的 I/O 接口电路均采用光电隔离； 各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms； 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰； 采用性能优良的开关电源； 对采用的器件进行严格的筛选； 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU 立即采 用有效措施，以防止故障扩大； 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或由三 CPU 构成表决系统， 使可靠性更进一步提高。 （2）丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流、开关量或模拟量、电压或 电流、脉冲或电位、 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备， 如

21、：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连 接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业 局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。 （3）采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设 计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行 组合。 （4）编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说， 不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所

22、理解和掌握。 （5）安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现 场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行 和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的 方法，使系统迅速恢复运行。 2.2.2 PLC 的分类 PLC生产厂家及产品很多，为便于用户对一个已知应用来讲选择最合适的 PLC，厂商通常通过杂志或其他途径，定期地将不同功能与特性的PLC列表进行 比较，表中的内容6大体有：总的I/O点数，最多开关量I/O点数，最多模拟量I/O 点数

23、，继电器梯形逻辑图，高级语言（编程），PID功能，远动控制，文件编制 功能，数据总线，接口类型，扫描速度，存储器类型与容量，以及CPU 类型与 工艺等。为适应用户的不同应用要求，很多厂家均开发生产了相互有关联的系列 产品，为区别PLC的综合特性，通常以下述两种办法分类： （1）按I/O点数及存储器容量分类 小型：最多I/O为40/40，用户存储器IKB； 中型：最多I/O为128/128，用户存储器4KB； 大型：I/O128/128，用户存储器4KB。 上述分类法是1985年PLC国际会议7上所介绍的，在此基础上，对大、中、 小规模的PLC还要考察下列特点： 结构和布线技术； 处理机功能存储

24、器； 编程技术。 （2）按I/O点总数分类 随着微型PLC技术的发展日趋成熟，售价也趋向合理，每台约（200400）美 元。1986年国外亦提出按照I/O点总数、价格和尺寸，将PLC分类。 微型：I/O 总点数（2064）点，后上移到 128 点。PLC 的一个发展方向是 越来越小，一些 PLC 只有手掌大小，使用起来灵活方便； 小型：I/O 总点数为（65128）点，后上移到 5l2 点。其特点是体积小、 结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量 I/O 以外，还可以连接模拟量 I/O 以 及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数 据处理和传送、通讯联网以及各种应

25、用指令； 中型：I/O 总点数为（129512）点，后上移到 2048 点。I/O 的处理方式除 了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户 程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网 功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快； 大型：I/O 总点数为（5131024）点，后上移到 8192 点。大型 PLC 的软、 硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模 块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型 PLC 还可以采用三 CPU 构成表决式系统，使机器的可靠性更高； 超大型：I/

26、O总点数l02l4点。PLC的另一个发展方向是大型和超大型，这 些PLC具有上万个输入输出量，用于石化、冶金、汽车制造等领域。 下述两个方面应注意：一是微型PLC的产量增长迅速，占领了整个PLC市场 的 25。主要使用于不连续I/O状况，不需在通信与其它先进功能，如应用于单台机 床控制等场所；二是随着PLC技术的不断发展，划分PLC规模的I/O点数的界限不 断向上增移。这是由于PLC的结构没计是为了适应各种用户需要，通常是设计成 可扩展性的，并且随着微电子技术与通信技术的发展，处理机的性能及其通信能 力也在不断扩大所造成的。 2.3 PLC 的应用及发展阶段 2.3.1 PLC 的应用 随着

27、PLC 技术的飞跃发展，PLC 系统已成为一种综合的控制系统，特别是 PLC 己经深入到智能控制领域中，如在机械手控制、机器人控制8、实现离散数 学模型等方面都获得广泛应用，使 PLC 技术已大大超出了过去仅代替继电器电路 的范畴。PLC 的输入输出功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开 关量和模拟量信号的输入和输出，从而使得 PLC 具备许多控制功能。 （1）取代继电器控制：在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电 梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。 （2）过程控制：对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行 控制。 （3）位置、速度控制：在机器人、机床、电

28、机调速等领域进行位置、速度 控制。 （4）数据监控：在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据 采集、监控和控制。 （5）组成分散控制系统：把 PLC 作为下位机，与上位机的计算机共同组成 分散控制系统。 可以说 PLC 几乎应用到了工业控制的每一个领域，小到家庭的灯光照明，大 到冶金、石化企业的生产过程都有 PLC 的应用。 2.3.2 PLC 的发展阶段 虽然 PLC 问世时间不长，但是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讯技术的不断进步，PLC 也迅速发展，其发展过程 大致可分三个阶段： （1）早期的 PLC（60 年代末70 年代中期） 早期的

29、PLC 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 PLC 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义9，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定 时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在 I/O 接口电路上作了改进以适应工 业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储 器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编 程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。 因此，早期的 PLC 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安 装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中 PLC 特有的编程语言 梯形图一直沿用

30、至今。 （2）中期的 PLC（70 年代中期80 年代中，后期） 在 70 年代，微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。美国、日本、德国 等一些厂家先后开始采用微处理器作为 PLC 的中央处理单元（CPU） 。 这样，使 PLC 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、 计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等 功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远 程 I/O 模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数 量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使 PLC 的应用范围得以扩大。 （3）近期的

31、PLC（80 年代中、后期至今） 进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器 的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的 PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高。 而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑 处理芯片。这样使得 PLC 软、硬件功能发生了巨大变化。 2.4 PLC 的结构及工作原理 2.4.1 PLC 的结构 PLC 采用了典型的计算机结构，主要由 CPU、RAM、ROM 和输入输出接 口电路等组成，如图 2-1 所示。如果将 PLC 看作一个系统，该系统由输入变量和 输出变量组成。外部的各种开关信号、模拟量信号均作为 P

32、LC 的输入变量，它们 经 PLC 外部输入到内部寄存器中，经 PLC 运算处理后送到输出端子，它们是 PLC 的输出变量。PLC 系统各部分的作用说明如下： 图 2-1 PLC 结构简化框图 （1）中央处理单元（CPU） 中央处理单元（CPU）是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功 编程器 中央处理单元 （CPU） 输 入 单 元 系统程序存储器用户程序存储器 输 出 单 元， 电 路 电源 能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警 戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 PLC 投入运行时，首先它 以扫描的方式接收现场各输入装置

33、的状态和数据，并分别存入 I/O 映像区，然后 从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑 或算数运算的结果送入 I/O 映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕 之后，最后将 I/O 映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出 装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对 大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即 使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。 （2）存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑 变量和其它一些信息， PL

34、C 使用两种存储器：ROM 和 RAM。ROM 中存放系统 程序，包括检查档字、翻译程序和监控程序。RAM 中存放用户程序、逻辑变量 和供内部程序使用的工作单元。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存 放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 系统程序存储器 该存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序是 PLC 研制者所编的程序， 它是决定 PLC 性能的关键。系统程序包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、 标准子程序库及其他各种管理程序等。系统程序由制造厂家提供，一般都固化在 ROM 或 EPROM 中，用户不能直接存取。系统程序用来管理、协调 PLC 各部分 的工作，翻译、解释用户程序

35、，进行故障诊断等。 用户程序存储器 该存储器存放用户程序（应用软件）。用户程序是用户为解决实际问题并根 据 PLC 的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经 CPU 存放入用户存储 器。为便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器使用 RAM。 变量（数据）存储器 变量存储器存放 PLC 的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O 寄存器、定时器/ 计数器中逻辑变量的现行值等，这些现行值在 CPU 进行逻辑运算时需随时读出、 更新有关内容，所以，变量存储器也采用 RAM。现今用户程序存储器和变量存 储器常采用低功耗的 CMOS-RAM 及锂电池供电的掉电保持技术，以提高运行可 靠性。通常 PLC

36、 产品资料中所指的内存储器容量，是针对用户程序存储器而言的， 且以字（16 位字）为单位来表示存储器的容量。 （3）输入输出单元 输入单元是 PLC 与工业生产现场的被控设备相连的输入接口，是现场信号进 入 PLC 的桥梁。输入接口的主要作用是接收指令元件，检测元件传来的信号。输 入接口采用光电耦合电路，目的是把 PLC 与现场电路隔离，提高 PLC 的抗干扰 能力。接口电路内部有滤波，电平转移及信号锁存电路。各 PLC 生产厂家都提供 了多种形式的 I/O 部件或模块供用户选用。 输出单元也是 PLC 与现场设备之间的连接部件，负责把输出信号送给控制对 象的输出接口。输出接口电路一般由微电脑

37、输出接口和功率放大电路组成，其作 用将中央处理器送出的弱电信号转换成现场需要的电平信号，驱动被控设备的执 行元件。输出接口电路也采用光电耦合，每一点输出都有一个内部电路，由指示 电路，隔离电路，继电器组成。输出接口电路也有输出状态锁存、显示、电平转 移和输出接线端子排，输出部件或模块也有多种类型供选用。 （4）电源 PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠 得电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重 视。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去。 2.4.2 PLC 的工

38、作原理 PLC 虽具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大的不同。微机 一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式，有键按 下或 I/O 动作则转入相应子程序，无键按下则继续扫描。PLC 则采用循环扫描工 作方式，在 PLC 中用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个 CPU 每一个时 刻只能执行一个操作而不能同时执行多个操作，因此用户程序是按先后次序存放 的，CPU 按程序的顺序依次执行各个操作。即 CPU 从第一条指令开始执行，直 到遇到结束符又返回第一条执行，如此周而复始不断循环10。 PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，即在系统软件的

39、控 制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出 点发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时地接收外来的控 制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请求， 因此，PLC 工作过程分为以下五步： （1）自诊断 自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断， 若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保 留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 （2）与外设通信 自诊断正常后 PLC 即

40、扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应 处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要 显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、 清内存等监控命令。在与上位机通信过程中 PLC 将接收上位机发出的指令进行相 应的操作，把现场状态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及 执行启动、停机、修改参数等命令。 （3）输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关 的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输入刷新，在一 个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状

41、态己经发生了变化也只 能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入 值的内存映象值而不是当时现场的实际值。 （4）解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无 跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻 辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时 器、内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器、输出继电 器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管外部实际 情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 （5）输出结果将本次扫描过程

42、解算得到的最新结果送到输出模块 自诊断 与外设通信 输入现场状态 解算用户逻辑 输出结果 图 2-2 PLC 的工作过程 取代前一次扫描解算结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑时，每一步所得 到的输出信号被存入输出映像寄存器而并未发送到输出模块，相当于输出信号被 输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态 表送到输出模块，其相应开关动作。 在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描。如此不断的反 复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、出 现故障或载物。PLC 的工作过程如图 2-2 所示。 2.5 本章小结 本章主要介绍了

43、可编程控制器的基本知识。第一部分介绍了 PLC 的由来及定 义。第二部分介绍了 PLC 的特点及三种分类。第三部分介绍了它的应用及三个发 展阶段。第四部分介绍了 PLC 的基本结构，画出了结构图，能清晰地显示出 PLC 的系统结构并讲述了各个组成部分的作用，还介绍了 PLC 的工作原理。 第 3 章 PLC 控制系统及程序的设计方法 可编程控制器技术最主要是应用于自动化控制工程中，如何综合地运用前面 学过知识点，根据实际工程要求合理组合成控制系统， 在此介绍组成可编程控 制器控制系统的一般方法11。 3.1 系统设计的主要内容及基本要求 3.1.1 系统设计的主要内容 （1）拟定控制系统设计的

44、技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来 确定，它是整个设计的依据； （2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； （3）选定 PLC 的型号； （4）编制 PLC 的输入输出分配表或绘制输入输出端子接线图； （5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言 （常用梯形图）进行程序设计； （6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之 间的友善关系； （7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； （8）编写设计说明书和使用说明书； 根据具体任务，上述内容可适当调整。 3.1.2 PLC 程序设计的基本要求 编制一个较好的 PLC 控制程序一般需要注

45、意以下几个方面： 正确性 一个程序必须经过实际检验，以证明其运行的正确性，这是对 PLC 程序最基 本的要求。而正确，规范地使用各种指令，正确合理地使用各类部件，则是程序 正确的重要因素。 可靠性 PLC 程序不仅要正确，而且要可靠。可靠性反映了 PLC 在不同工作状态下的 稳定性，这也是对程序设计的基本要求。有的用户程序在正常的工作条件下，或 合乎逻辑要求的操作情况下能正常工作，但当出现非正常工作情况，或进行非法 操作后，程序就不一定能正常工作了。所以为保证 PLC 的正常工作，使 PLC 能 应付各种非正常的突发事件，提高实际应用中的可靠性是非常重要的。 合理性 PLC 程序的合理性主要表

46、现在两个方面：一是应尽可能使用户程序简短；二 是应尽可能缩短扫描周期，提高输入输出响应速度。 可读性 系统的可读性好，是指程序要层次清晰，结构合理，指令使用得当，并按模 块化，功能化和标准化设计12；在输入输出点及内部器件的分配和使用上要有 规律性；还应在一些功能段以一些特殊指令后作一些注释，以方便记忆和理解。 一个可读性好的程序不仅便于设计者加深对程序的理解，便于修改和调试，而且 还便于使用者读懂程序，便于调整功能和日常维护。 可塑性 程序的可塑性是指当控制方案稍作改动时，只需对已设计好的程序略作修改 即可，程序容易修改或控制方案容易改变是 PLC 的一大特点。因此，PLC 可广泛 应用于各

47、种控制场合，特别适合在灵活多变的控制系统中应用。 3.2 系统设计的基本步骤 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤，如图 3-1 所示。 （1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程 ； 控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、 必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分， 这种可化繁为简，有利于编程和调试。 （2）确定 I/O 设备 根据被控对象对 PLC 控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出 设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设 备有

48、继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 （3）选择合适的 PLC 类型 根据已确定的用户 I/O 设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择 合适的 PLC 类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O 模块的选择、电源模块的 选择等。 （4）分配 I/O 点 分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配表或者画出输入输出端子 的接线图。接着就可以进行 PLC 程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和 现场施工。 图 3-1 可编程控制器应用系统设计与调试的主要步骤 （5）设计应用系统梯形图程序 根据工作功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用 系统设计的最核心工作，也是比较

49、困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟 悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 （6）将程序输入 PLC 当使用简易编程器将程序输入 PLC 时，需要先将梯形图转换成指令助记符， 以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上 下位机的连接电缆将程序下载到 PLC 中去。 （7）进行软件测试 程序输入 PLC 后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏 漏的地方。因此在将 PLC 连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除 程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。 （8）应用系统整体调试 在 PLC 软硬件设计和控制柜及

50、现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机 调试，如果控制系统是由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调 试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调 试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。 （9）编制技术文件 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、 PLC 梯形图。 3.3 PLC 硬件系统设计 3.3.1 PLC 型号的选择 在做出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决 定是否选用 PLC 进行控制。机型的选择可从以下几个方面来考虑： （1）对输入输出点的选择 要先弄清楚控制系统的 I/O 总点数，再按实

51、际所需总点数的 1520留出备 用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。 （2）对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。 （3）对 I/O 响应时间的选择 对开关量控制的系统，PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求， 可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环系统就要考虑这 个问题。 （4）根据输出负载的特点选型 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。 （5）对在线和离线编程的选择 计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计 算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 （6）据是否联网通

52、信选型 若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功 能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC、上位计算机及 CRT 等的接口。 （7）对 PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同 I/O 点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具 有功能扩展灵活，维修方便（换模块） ，容易判断故障等优点，要按实际需要选 择 PLC 的结构形式。 3.3.2 分配输入输出点 一般输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。 分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号， 即进行编号。 在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前

53、， 按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联） ，然后再接到输入点。 （1）确定 I/O 通道范围 不同型号的 PLC，其输入输出通道的范围是不一样的，应根据所选 PLC 型 号，查阅相应的编程手册。 （2）内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电 器、定时器/计数器时作数据存储或数据处理用。 从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。未分配模 块的输入/输出继电器区以及未使用 1：1 链接时的链接继电器区等均可作为内部 辅助继电器使用。根据程序设计的需要，应合理安排 PLC 的内部辅助继电器。 （3）分配定时器计数器 PLC 的定时器

54、计数器数量分别见有关操作手册。 3.4 程序设计方法 要想顺利完成控制系统的设计，不仅要熟练掌握各种指令的功能及使用规则， 还要学习如何编程，下面将介绍常用的几种方法。 3.4.1 逻辑设计法 逻辑设计法的基础是逻辑代数。当 PLC 控制系统主要对开关量进行控制时， 使用逻辑设计比较方便。在程序设计时，利用系统输入和输出之间的信号状态表 或系统工作时序图作为分析工具，对控制任务进行逻辑分析和综合。将控制电路 中的元件的通断状态视为以触点通断状态为逻辑变量的逻辑函数，对经过化简的 逻辑函数，利用 PLC 的逻辑指令可以顺利地设计出满足要求的且较为简练的控制 程序。这种方法的设计思路清晰，所编写的

55、程序易于优化，是一种较为实用可靠 的程序设计方法。 3.4.2 顺序控制设计法 所谓顺序控制，就是根据生产工艺，按预先规定的顺序，在各个输入信号的 作用下，使生产过程的各个执行机构自动地按顺序动作。顺序控制不仅广泛应用 于中，小企业的加工，装配，检验，包装等工作的自动化中，而且在大型计算机 控制的高度自动化工矿企业中，也是不可或缺的控制方式。 顺序控制设计法有一定的规律可循，所编写的程序易读、易检查、易修改， 是常用的设计方法之一。使用顺序控制设计法的关键有三条：一是理顺动作顺序， 明确各步的转换条件；二是准确地画出功能表图；三是根据功能表图正确地画出 相应的梯形图，最后再根据某些特殊功能要求

56、，添加部分控制程序。要想用好顺 序控制设计法，重要的是熟练掌握功能表图的画法，以及根据功能表图画出相应 梯形图的方法。 3.4.3 继电器控制电路图转换设计法 有些继电器控制的系统或设备经过多年的运行实践证明其设计是成功的。若 欲改用 PLC 控制，可以在原继电器控制电路的基础上经过合理转换，设计出具有 相同功能的 PLC 控制系统。把继电器控制转换成 PLC 控制时，要注意转换方法， 以确保转换后系统的功能不变。 （1）对各种继电器和电磁阀13等的处理 在继电器控制系统中，大量使用了各种控制电器，例如交直流接触器，电磁 阀，电磁铁，中间继电器等。交直流接触器，电磁阀，电磁铁的线圈是执行元件，

57、 要为它们分配相应的 PLC 输出继电器号。中间继电器可以用 PLC 内部的辅助继 电器来代替。 （2）对常开按钮和常闭按钮的处理 在继电器控制电路中，一般启动用常开按钮，停车用常闭按钮。用 PLC 控制 时，启动和停车一般都用常开按钮。尽管使用哪种按钮都可以，但画出的 PLC 梯 形图却不同。 （3）对热继电器触点的处理 若 PLC 的输入点较多，则热继电器的常闭触点可占用 PLC 的输入点；若输 入点较少，则热继电器的信号可不输入 PLC 中，而是接在 PLC 外部的控制电路 中。 （4）对时间继电器的处理 物理的时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种。通电延时型时间继 电器，其延时动

58、作的触点有通电延时闭合和通电延时断开两种；断电延时型时间 继电器延时动作的触点有断电延时闭合和断电延时断开两种。用 PLC 控制时，时 间继电器可以用 PLC 的定时器计数器来代替。PLC 定时器的触点只有接通延时 闭合和接通延时断开两种，但通过编程，可以设计出满足要求的时间控制程序。 3.5 本章小结 本章是对PLC控制系统和程序设计方法的概括。首先告诉读者系统设计的主 要内容及基本要求。然后介绍了系统设计的主要步骤，并用流程图清晰地描述出 来。在第3章的后两节介绍了PLC硬件系统的设计方法、编程方法等等。 第 4 章 皮带传输机的 PLC 设计 4.1 皮带输送机的电控原理 某厂的生产工序

59、有 1 组 4 段皮带输送机，其示意图如图 4-1 所示。 图 4-1 四段皮带输送机的示意图 该组 4 段皮带输送机各段电机分别由接触器 KM1、KM2、KM3、KM4 进行控 制。为了防止皮带输送机上物料堆积过多，该控制电路必须满足以下条件：启动时 各接触器的吸合顺序必须为 KM4KT1（延时）KM3KT2（延时） KM2KT3（延时）KM1；停止时各接触器的断开必须与启动时顺序相反即 KM1KT4（延时）KM2KT5（延时）KM3KT6（延时）KM4。如果用 继电回路能实现其目的，则该控制电路将使用多个时间继电器。除启动和停止按钮 外，另外使用的触点达 20 多个，联锁电路烦杂，其接线也

60、比较复杂。所以故障判 断困难，检修不方便。并且电路可靠性差，故障率较高。从而使生产造成了很大的 影响。因此对其进行改造，采用先进的 PLC 控制。 4.2 PLC 控制系统硬件设计 由图 4-1 可知，该皮带输送机控制装置的输入器件是启动按钮 SB1 和停止按钮 SB2，表示故障或负载设定的 A、B、C、D 分别接主机输入点 0.010.04，输出器 件则是接触器 KM1、KM2、KM3、KM4。根据要求，选用可编程控制器来实现对 本系统的控制，由于顺序控制采用 OMRON 系统效果较好，并结合输入，输出量 A B C D 的个数，此处选用设备类型为 CJ1M，网络类型为 SYSMAC WAY