毕业设计（论文）水水塔水位控制PLC系统设计

1、滁州职业技术学院成人高等教育 毕毕 业业 设设 计计 课 题： 设计时间： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期：2011 年 月 日 目 录 摘 要 .2 前言 .2 可编程控制器的产生 .2 plc 的发展 .5 plc 的基本结构 .6 plc 特点 .11 plc 的工作原理 .12 梯形图程序设计及工作过程分析.12 水塔水位系统 plc 硬件设计.17 水塔水位控制 plc 系统设计要求. . . . . . . . . . . . . . .17 水塔水位系统控制电路.18 输入/输出分配.18 列出水塔水位控制系统 plc 的输入/输出接口分配表.19 水塔水位系

2、统的输入/输出设备.20 水塔水位控制系统plc 软件设计.21 工作过程.21 程序流程图.22 梯形图程序设计及工作过程分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 水塔水位控制系统梯形图的对应指令表. . . . . . . . . . . . . 24 结束语 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 水塔水位控制 plc 系统设计 摘 要 在工农业生产过程中，经常

3、需要对水位进行测量和控制。水位控制在日 常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。 而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。 本文采用 plc 进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导 电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电 信号，主控台应用 mcgs 组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的 水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在 适当的位置。 关键词： 水位控制、三菱 plc fx2n 前 言 可可编编程程控控制制器器的的产产生生 可编程控制器是二十世纪七十年代

4、发展起来的控制设备，是集微处理器、储存 器、输入 /输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化 工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发 展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧， 增强了 plc 过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是 过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提 高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。 可编程控制器 (programmable controller)也可称逻辑控制器 (programmable logic cont

5、roller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装 置，是计算机家族的一名成员，简称pc。为了与个人电脑（也简称pc）相混 淆通常将可编程控制器称为plc。 可编程控制器的产生和继电器接触器控制系统有很大的关系。继电器 接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具 有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式 固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变 时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改 造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品 更新换

6、代。 随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生 产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器接触器控制难以满足市场要求， 此问题首先被美国通用汽车公司（gm 公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不 断翻新，满足用户对产品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置， 取代传统的继电器接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的 gm10 条，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

7、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。 这十项指标就是现代plc 的最基本功能，值得注意的是plc 并不等同于 普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体” 和“便于扩充功能 ”的原则来设计。 用可编程控制器代替了继电器接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并 且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功 能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的 工作，此种控

8、制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的 “自然语言 ”编程，其标志性语言是极易为it 电器人员掌握的梯形图语言， 使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作 人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置 地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运 行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。 1969 年，第一台可编程控制器pdp14 由美国数字设备公司（dec）制 作成功，并在gm 公司汽车生产线上使用取得良好的效果，可编程控制器由此诞 生，在控制领域内产生了历史性革命。 plc 问世时间不长，但是随着微处理器的发展

9、，大规模、超大规模集成电路 不断出现，数据通信技术不断进步，plc 迅速发展。 plc 进入九十年代后，工 业控制领域几乎全被plc 占领。国外专家预言，plc 技术将在工业自动化的三 大支柱（ plc、机器人和 cac/cam）种跃居首位。 我国在八十年代初才开始使用plc，目前从国外应进的plc 使用较为普遍 的由日本 omron 公司 c 系列、三菱公司f 系列、灭国 ge 公司 ge 系列和德国 西门子公司 s 系列等。 plcplc 的发展的发展 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，

10、其发展过程大致可分为三 各阶段： 早期的 plc 一般称为可编程逻辑控制器。这是的 plc 多少由电继电器控制装置的替 代物的含义，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。装置种 的器件主要采用分离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器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，有故障指示，能重复使用等。其中 pl

11、c 特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 在七十年代，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。再硬件 方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程 i/o 模块、各种特殊 功能模块。并扩大了存储器的容量，是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。 进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术

12、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，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得 plc 软、硬功能发生了巨大变化。 plcplc 的基本结构的基本结构 plc 实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同， 、中央 处理单元(cpu)，如下图所示。 可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构 可编程控制器简称为 plc( programmable logic controller )主要由中央处理单元 (cpu)、存储器(ram 和 eprom)、输入/输出

13、模块(简称 i/o 模块)、扩展模块、编程器和电 源六大部分组成。 一、中央处理单元一、中央处理单元(cpu)(cpu) 中央处理单元(cpu)是 plc 控制中枢。它 plc 系统程序赋予功能接收并存储从编程器 键入用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o 以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序 中语法错误。当 plc 投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并 分别存入 i/o 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规 定执行逻辑或算数运算结果送入 i/o 映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之 后，最后将 i/o 映象区各输出状态或输出寄

14、存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运 行，直到停止运行。 进一步提高 plc 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 表决式系统。这样，某个 cpu 出现故障，整个系统仍能正常运行。 二、存储器二、存储器 存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。 1、plc 常用存储器类型 （1）ram （random assess memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取 速度最快，由锂电池支持。 （2）eprom（erasable programmable read only memory）这是一种可擦除只读

15、存储 器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。 （3）eeprom(electrical erasable programmable read only memory)这是一种电可 擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。 2、plc 存储空间分配 各种 plccpu 最大寻址空间各不相同，plc 工作原理，其存储空间一般包括以下三个区 域： （1）系统程序存储区 （2）系统 ram 存储区（包括 i/o 映象区和系统软设备等） （3）用户程序存储区 系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监 控程序、管

16、理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固 化 eprom 中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该 plc 性能。 系统 ram 存储区：系统 ram 存储区包括 i/o 映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈； 数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。 （1）i/o 映象区：plc 投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输 出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(ram)以存放 i/o 状态和数据，这些单元称作 i/o 映象区。一个开关量 i/o 占用存储单元中一个位（bit） ， 一个模拟量 i/o 占用存储

17、单元中一个字（16 个 bit） 。整个 i/o 映象区可看作两个部分组 成：开关量 i/o 映象区；模拟量 i/o 映象区。 （2）系统软设备存储区 ：i/o 映象区区以外，系统 ram 存储区还包括 plc 内部各类 软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为 具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者 plc 断电时，由内部锂电池供电，数 据不会遗失；后者当 plc 断电时，数据被清零。 用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用户根据工程 现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通过编程器输入到 plc 机

18、的 ram 存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在 eeprom 中。 三、输入三、输入/ /输出模块输出模块 输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的 输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流 量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到 plc。由于这些信号电平各式各样， 而可编程控制器 cpu 所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成 plc 能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号， 并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显

19、示、电机等执 行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入 /输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级， 主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤 除信号的噪声和便于 plc 内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁 存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把 plc 与外部电路隔离起来，以提 高 plc 的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模 拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即 a/d 或 d/a 转换

20、。由于 工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必 须通过模拟量输入/输出模块与 plc 的中央处理器连接。模拟量输入模块 a/d 转换后的二 进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇 plc 的 1/0 总线挂接。现在标准量程的模拟电 压主要是 05 伏和 010 伏两种。另外还有：0somv、0iv、5+sv、10 +10v，010ma 等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成 8 未、 10 未或 12 位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理 器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执

21、行机构。 四、扩展模块四、扩展模块 当一个 plc 中心单元的 i/o 点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于 连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展， 使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能 i/o 接口模块种类很多，例如高速计数模块、 plca 控制模块、数字位基于 plc 的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、 智能存贮弄快以及智能 i/o 模块等。 五、编程器五、编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或 磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的

22、编 制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信 息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入plc。 目前编程器主要有以下三种类型： 1.便携式编程器(也叫简易编程器)；2.图形编程器；3.用于ibmpc及其兼容机的编 程器。 便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶 显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。 图形编程器以液晶显示器(lcd)或阴极射线管(crt)作屏幕，用来显示编程内容和提供 如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程 序执行时显示各种信号状态、出

23、错提示等。 使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程 器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用 于中、大型可编程控制器的编程要求。 用于ibmpc及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编 程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两 种，编程工作方式是在plc机处于停机状态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程 序，或者对已有的程序予以编辑和修改。 监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈 或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件

24、的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器 件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编 程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结 构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数 据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双 功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。 现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧， cpu本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的plc的输入输 出点数也不同，有的大

25、型机输入输出点数可达16k，而很多小型机仅有10来点，而且cpu 本身不带模拟输入与输出，但cpu一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入 或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模 板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线 或通过总线连接器与cpu相连。主要有数字输入输出模板，模拟输入输出模板，热电 阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。 用扩展模板来扩展系统具有以下的优点： 用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对plc作硬件组态， 以求达到各种功能或控制精度，同时节

26、省开支，减少不必要的投资。 当已运行的系统需要改造或扩充时，plc可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅 是 替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可 编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步 提高控制质量与可靠性。 六、电源六、电源 plc中的电源一般有三类： 1、+5v、15v直流电源：供plc中ttl芯片和集成运放使用； 2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源； 3、锂电池及其充电电源。 考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。 目前plc的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不

27、断涌现。通常根据其i/o点 的数量将 plc分为三大类： 小型机：256点以下（无模拟量） ； 中型机：256 2048点（64 128路模拟量） ； 大型机：2048点以上（128 512路模拟量） 。 具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小 型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、 或者cpu，甚至两者都作了热备份。 plcplc 特点特点 (一) 高可靠性 1. 所有的 i/o 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与 plc 内部电路之间电 气上隔离 2. 各输入端均采用 r-c 滤波器其滤波时间常数一般为

28、1020ms. 3. 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰 4. 采用性能优良的开关电源 5. 对采用的器件进行严格的筛选 6. 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 7. 大型 plc 还可以采用由双 cpu 构成冗余系统或有三 cpu 构成表决系统,使可靠性 更进一步提高 (二) 丰富的 i/o 接口模块 1. 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。 2. 有相应的 i/o 模块与工业现场的器件或设备如：按钮；行程开关；接近开关；传 感器及变送器；电磁线圈；控制阀。 3. 直

29、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。 (三) 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。 (四) 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理解和掌握。 (五) 安装简单维修方便 plc 不需要专门的机房可以在各

30、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。 plcplc 的工作原理的工作原理 最初研制生产的 plc 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两 者的运行方式是不相同的： （1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或 断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上 都会立即同时动作。 （2）plc 的 cpu

31、则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或 逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必 须等扫描到该触点时才会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触 点的动作时间一般在 100ms 以上，而 plc 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， plc 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于 i/o 响应要 求不高的场合，plc 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。 1、扫描技术 当 plc 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用 户程序执行和输出

32、刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期 间，plc 的 cpu 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下图： plc 扫描周期 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段，plc 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 i/o 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在 这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o 映象区中的相应单元的状态和数据也 不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才 能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc 总是按由上

33、而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在 扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后 右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果， 刷新该逻辑线圈在系统 ram 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 i/o 映象区中 对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执 行过程中，只有输入点在 i/o 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设 备在 i/o 映象区或系统 ram 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯 形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些

34、线圈或数据的梯形图起作用；相反， 排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在 其上面的程序起作用。 （3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc 就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu 按照 i/o 映象区 内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才 是 plc 的真正输出。 2、plc 的 i/o 响应时间 为了增强 plc 的抗干扰能力，提高其可*性，plc 的每个开关量输入端都采用光电隔离 等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，plc 采用了不同于一般微型计算 机的运行方式（扫描技术） 。以上两个主要原

35、因，使得 plc 得 i/o 响应比一般微型计算机 构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周 期甚至更长。所谓 i/o 响应时间指从 plc 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号 的改变所需的时间。如下图： plc 扫描周期示意图 梯形图程序设计及工作过程分析梯形图程序设计及工作过程分析 梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、 线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了 许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制 系统的人来说，易被接受。继电器

36、梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多 数plc用户都首选使用梯形图编程。 指令是用英文名称的缩写字母来表达plc的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编 语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助 记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句 表，编程设备简单价廉。 状态转移图语言(sfc)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制 过 程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。 这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。 高级语言类似于bacic语言、c语言等，它

37、们在某些厂家的plc中应用。 通常微、小型plc主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有： 1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点 的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件 编号地址必须在所使用plc的有效范围内。 2)梯形图是plc形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支 路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述 用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它 只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。 3)梯形图中的

38、继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l态”， 表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“o态”。梯形图中继 电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、 移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。 4)梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有 触点，而左边必须有触点。 5)继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用， 且使用次数不受限制。 6)plc在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的， 即按扫描方式顺序执行程序，不存在几

39、条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减 少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序 时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令 为一个步序。 当plc运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但cpu是不能同时去执行多个操 作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为cpu对程 序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的 情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到 程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再

40、从头开始扫描，并周而复始。 水塔水位系统 plc 硬件设计 水塔水位控制水塔水位控制 plcplc 系统设计要求。系统设计要求。 在自来水供水系统中，为解决高层建筑的供水问题，修建了一些水塔。 水塔高为 35m，正常水位变化 2.5m，为保证水塔的正常水位，需要用水泵为其供水。 水泵房分别用 4 台三相异步电动机，交流 380v，15kw 供水。正常运行时，3 台电动 机运转，1 台电动机备用。 1因电动机功率较大，为减少起动电流，电动机采用定子串电阻或补偿器降压起动，并 要错开起动时间（5s） 。 2为防止某一台电动机应长期闲置而产生锈蚀，备用电动机可通过预置开关预先随意设 置。如果未设置备

41、用电动机组号，则系统默认为 4 号电动机组为备用。 3每台电动机都有手动和自动两种控制状态。在自动控制状态时不论设置哪一台电动机 作为备用，其余电动机都要按顺序逐台起动。 4在自动控制状态下，如果由于故障使某台电动机组停车，而水塔水位又未达到高水位 时，备用电动机组自动降压起动；同时对发生故障的电动机组根据故障性质发出停机 报警信号，提请维护人员及时排除故障。 5当水塔水位达到高水位时，高液位传感器发出停机信号，各个电动机组停止运行。当 水塔水位低于低水位时，低液位传感器自动发出开机信号，系统自动按顺序降压启动。 6每台电动机都有运行状态指示灯（运行、备用和故障） 。 7液位传感器要有位置状态

42、指示灯。 8. 完整的设计任务书；封面、毕业设计任务书、设计内容和封底 9. 完成组态或硬件配置； 10. 设计主控电路图 11. 正确合理地进行编程元件的通道分配； 12. 画出输入/输出接线图及相关图纸； 13. 设计梯形图控制程序； 14. 编制系统的操作说明； 15. 编制系统的调试说明及注意事项； 16. 设计体会 保持水塔的水位在 s1s2 之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关 s2 时，则水塔 下限液位开关 s2 为 on，则驱动电机 m 开始工作，向水塔供水。当 s2 为 off 时，表示水塔 水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位开关 s1 时，则 s1 为 on，

43、电机 m 停 止抽水。 当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机 m 不能启动。 水塔水位系统控制电路水塔水位系统控制电路 水塔水位控制系统 plc 软件设计 各电气器件对应的各电气器件对应的 i/oi/o 接口接口 m1m1:正转 io.0 m m2 2:正转 i0.1 反转 i0.2 m3m3：正转 i0.3 反转 i0.4 停止 i0.5 fr1 i0.6 fr2 i0.7 fr2 i1.0 m1:正转 q0.0 m2：正转 q0.1 反转 q0.2 m3:正转 q0.3 反转 q0.4 为了保证在紧急情况下（包括 plc 发生故障时）能可靠的切断 plc 的负载电源

44、，设 置了交流接触器 km。在运行时按下“负载电源”按钮，使 km 线圈得电并自锁，km 的主 触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时使用“紧急停车”按钮断开负载 电源。 由于电动机 plc 控制电路梯形图采用顺序功能图画法不是太方便，所以本电动机采 用经验画图法和顺序功能图并用的办法，在电动机启动的互锁机构采用熟知的继电器图 形为 plc 控制的经验画图法，在电动机正常停机和过载紧急停机时采用顺序功能图法。 采用此画图法更为方便。整个设计思路也清晰可见。 根据经验设计的三台电动机顺序启动正反转互锁的梯形图如下： 停止电路用顺序功能图的画法画出梯形图，根据课程设计要求，顺序功能图如下

45、： 顺序功能图说明：当电动机顺序启动以后使 m0.0 变为活动步，i0.6 为 m1 电动机过载 保护按钮，i0.7 为 m2 过载保护按钮，i1.0 为 m3 电动机过载保护按钮，当电动机过载 时其按钮闭合，当 i1.0 闭合时 m0.1 变为活动步，当 i0.7 闭合时 m0.2 变为活动步，当 i0.6 闭合时 m0.3 变为活动步，当按动关闭按钮 i0.5 时 m0.1 变为活动步，当 m0.1 变为 活动步时，m0.5t37 通电，在此条件下档 t37 计时时间到后，m0.2 变为活动步，当 0.2 变为活动步时 m0.5,m0.6t38 通电，当 t38 计时时间到后，满足条件,m

46、0.3 变为活动步， 当 m0.3 变为活动步时 m0.4,m0.5,m0.3 变为活动步，当 m0.4 通电时初始步 m0.0 变为活 动步，等待下一关闭。 梯形图功能简介： i0.0 为 m1 电动机按钮，当开始按动 i0.0 时，m1 电动机起，m1 启动过后，按动 i0.1,m2 电动机正转，此时不能按 i0.2 反转按钮，按后没反应，若开始时按 i0.2 反转 按钮，电动机反转，再按 i0.1 正转按钮就没反应了，当 m2 启动以后，按 i0.3 或 i0.4，电动机正转或反转，与 m2 的原理一样，就不多那个介绍了。当三台电动机顺序启 动后，正常情况下按动 i0.5 按钮，电动机顺

47、序关闭，按动 i0.5 后，m3 电动机先关闭， 当 m3 关闭后十秒 m2 关闭，m2 关闭后五秒 m1 再关闭，等待下一次启动，此为正常情况。 另外当电动机 m1 过载时，三台电动机都直接停止，当 m2 过载时，m2、m3 停止，m1 过五 秒后停止，当 m3 过载时，m3 直接停止，十秒后 m2 停止，再过五秒后 m1 停止， （m1 过载 开关 i0.6,m2 过载开关 i0.7，m3 过载开关 i1.0） 。 输入输入/ /输出分配输出分配 列出水塔水位控制系统列出水塔水位控制系统 plcplc 的输入的输入/ /输出接口分配表输出接口分配表 水塔水位系统 plc 的输入/输出接口分

48、配表 输入 继电器 输入变量名 输出 继电器 输出变量名 x0 控制开关 y0 水池 x1 水塔上限液位开关 y1 电机组 x2 水塔下限液位开关 y2 水池下限指示灯 a1 x3 水池下限液位开关 y3 水池上限指示灯 a2 x4 水池上限液位开关 y4 水塔下限指示灯 a3 y5 水塔上限指示灯 a4 y6 报警指示灯 a5 水塔水位系统的输入水塔水位系统的输入/ /输出设备输出设备 这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，它有 5 个开关量，开关量输出触 点书有 8 个，输入、输出触点数共有 13 个，只需选用一般中小型控制器即可。据此，可 以对输入、输出点作出地址分配，水塔水位控制

49、系统的 i/o 接线图如下： 工作过程工作过程 设水塔、水池初始状态都为空着的，2个液位指示灯全亮。当执行程序是，扫描到水 池为液位低于水池下限位时，电机组打开，开始往水池里进水，每台电机启动时间间隔 5s，如果没有三台电机工作，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若5s只有水池液位 按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯a1灭。此时，水 池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限， 电机m开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯a2， 电机组就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水

50、位，则水 塔下限指示灯a3灭，电机组继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满，水塔也未超过 水塔上限，水塔上限指示灯a4灭，但刚刚给水塔供水的时候，电机组已经把水池的水抽走 了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯a2良。此次给水塔供水完成。 程序流程图程序流程图 水塔水位控制系统的 plc 控制流程图，根据设计要求，控制流程图如下： 低水位显示 高水位显示 报警 报警 报警 报警 手动 停车 高水位？ 启动备用机组 有故障？ 4号机组正常？ 启动4号机组 4号机组备用？ 3号机组正常？ 启动3号机组 3号机组备用？ 2号机组正常？ 启动2号机组 2号机组备用？ 1号机组正常？ 启动1

51、号机组 1号机组备用？ 自动？ 低水位？ 准备 梯形图梯形图程序设计及工作过程分析程序设计及工作过程分析 梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的出点、 线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了 许多功能强而使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系 统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数 plc 用户首选使用梯形图编程。 梯形图编程的一般规则有： (1)梯形图安自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的 各种连接，最后是线圈或是线圈与母线相

52、连，整个梯形图呈阶梯型。梯形图所使用的原件 编号地址必须在所使用plc的有效范围内。 (2)梯形图是plc形象化得编程方式，其左右两侧母线并不接触任何电源，因而图中各支路 也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常使用“有电流”、“得电”等来形象地描述 用户程序中解算满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为他 只能由左向右单方向流，层次的改变也只能自上而下。 (3)梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，便 是该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0态”。梯形图中继电 器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，

53、还包括定时器、计数器、移 位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。 (4)梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有 触点，而左边必须有触点。 (5)继电器线圈在一个程序中不能重复使用,而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使 用次数不受限制。 (6)plc 在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的， 即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减 少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计上大大简化。所以由梯形图编写指令程序 时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每一个符号对应一条指令

54、，一条指令 为一个步序。当plc运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但cpu是不能同时去执 行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。 这种分时操作的过程为cpu对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用 户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序， 也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期， 然后再从头开始扫描，并周而复始。 根据程序流程图设计的梯形图如下 水塔水位控制系统指令表 电器元件的选择电器元件的选择 1.电动机的选择 (1)水塔电动机 已知其额定功率为 11kw 查电工手册应选择型号为：y2-1