娇儿PLC的霓虹灯控制系统的设计方案

基于PLC的霓虹灯控制系统的设计第一章绪论随着改革的不断深入,社会主义市场经济的不断繁荣和发展,大中小城市都在进行亮化工程。企业为展现自己的形象和产品,一般都会采用通过霓虹灯广告屏来这种广告手法，所以当我们夜晚走在大街上,马路两旁各色各样的霓虹灯广告随处可见,一种是采用霓虹灯管做成的各种形状和多种彩色的灯管,另一种为日光等管或白炽灯管作为光源,另配大型广告语或宣传画来达到宣传的效果，大部分是采用霓虹灯。这就涉及到如何去控制霓虹灯的亮灭、闪烁时间及流动方向等诸多控制问题，如何去快捷、可靠、简单的去控制，成为人们考虑的重点，在这我认为PLC最适合去解决这些问题，因为 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。并且 PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的方面具有比较突出的优势，在现实中人们也是多通过PLC去控制霓虹灯的。选择这个题目作为毕业设计，既能通过这次设计复习学过的PLC知识，而且还能提高自己的设计水平，并且在一定程度上提高自己以后在找工作的成功率。所以我选择了这个题目。第二章霓虹灯的简况第一节霓虹灯的发展一、1926年霓虹灯初期发展阶段1/29霓虹灯<NEONLAMP）是一种低气压冷阴极辉光放电灯，又称冷阴极管。被广泛用于广告、招牌、标识、景观、装饰亮化。冷阴极管还被高档豪华酒店、文化娱乐场所用于照明以及特种灯等。霓虹灯发明于19世纪末、20世纪初，1910年世界上第一支商业性霓虹灯用于巴黎的皇宫大厦作照明装饰获得成功。1926年，霓虹灯传入中国，在上海南京东路伊文思图书公司橱窗内出现第一幅英文“皇家牌<ROYAL）打字机”霓虹灯广告。1927年，我国第一家霓虹灯制造厂—上海远东化学制造厂为上海中央大旅社制作安装第一块“中央大旅社”中英文对照的霓虹灯招牌。1930年，我国自制成功电感式霓虹灯变压器。1948年，上海开明霓虹制造厂与台湾工商广告公司合伙在台北市开设台湾第一家霓虹灯制作工厂—公明霓虹灯厂。1951年，我国试制成功氩、氖等惰性气体。1956年，复旦大学蔡祖泉教授试制成功我国第一只立式三级玻璃油扩散泵。1958年，上海市贸易信托公司霓虹灯行业改组为国营上海霓虹电器厂，是当时中国最大的集霓虹灯、霓虹器材生产、制作、安装的工厂。1966年，文化大革命使中国霓虹灯除制作政治宣传标语外，基本处于停顿状态。二、1978年霓虹灯进入恢复和初步发展阶段以十一届三中全会为标志，改革开放的市场经济使中国霓虹灯进入恢复和初步发展阶段。以上海霓虹电器厂为主的生产基地，在全国主要城市的广告公司系统、灯泡厂、事业单位、集体企业迅速建立起了大批霓虹灯厂，为当地霓虹灯的发展做出了贡献。1972年，上海文汇报发表“为广告正名”文章，上海霓虹灯电器厂逐步扩大霓虹灯、霓虹器材生产，供应全国并开始为其他城市广告公司和企业培训制灯技工和协助建厂。1981年，市场经济发展，促使霓虹行业从传统的直销进入商品经营时代，在上海安远路逐步形成霓虹灯市场一条街，最多时有 30多家经销厂店。2/291985年，日商“东芝”霓虹灯广告在上海最高楼“国际饭店”亮灯，引发争议。1990年，上海霓虹电器厂委托南京轻工机械厂设计生产的“自动化粉管生产流水线”投产，提高了霓虹灯粉管质量。1993年，在广州召开的新技术、新材料交流会议之际，上海、北京、广州等全国主要霓虹灯企业就筹备成立中国霓虹技术协作会进行商讨。三、1994年霓虹灯进入快速发展阶段1992年邓小平同志南巡讲话及党的十四大明确建立社会主义市场经济体制的目标，使霓虹灯进入快速发展阶段。1994年，中国第一个跨地区、跨部门、跨所有制的全国霓虹灯行业的民间组织—中霓会<中国广告协会广告公司委员会霓虹技术协作会）在成都成立。成立时全国霓虹灯经营单位约3000家左右。1995年，中科院北京科电高技术公司研制的“高分子真空系统”投向市场，提高了霓虹灯的真空技术。2003年，国家标准GB19149-2003《空载输出电压超过 1000V的管形放电灯用变压器(霓虹灯变压器>一般要求和安全要求》发布、实施。2004年，中国霓虹灯已从单一的手工作坊式生产、制作霓虹灯，形成专业化、系列化、现代化生产方式。全国形成以上海、江苏为主要的霓虹灯广告、店招、标牌制作中心。以广东为主要的电子变压器生产中心。以北京、山东为主要的制灯设备中心。全国各类企业达 1万余家，从业人员 10万人以上。据2003年统计，全国霓虹灯变压器生产量达1500万台，霓虹灯荧光粉管超过8000万支，霓虹灯电极14000万对。霓虹灯年产值已达30亿元左右。全国霓虹灯拥有量99280个，是十年前1994年的34817个的2.85倍，已成为霓虹灯及霓虹器材世界产量最高国家之一。四、2005年霓虹行业进入多元化发展时期中国霓虹灯发展创历史新高后，由于LED挤压，大、中城市户外广告整治拆除行动和世界经济危机的影响以及霓虹灯大发展带来的低价竞争，部分质量良莠不全等使霓虹灯发展受阻。霓虹行业以“科学发展观”指导企业生产经营，在3/29坚持做好、做优、发展霓虹灯同时研究、开发LED等产品以及景观灯、亮化工程等，形成新的利润增长点。2005年，经民政部核准成立“中国广告协会霓虹灯广告委员会”“中国照明学会霓虹技术专业委员会”“中国照明电器协会霓虹灯生产专业委员会”。在中国第一次出现三个全国性的行业组织。在现代生活中，霓虹灯作为广告装饰光源，将向高品质发展，在目前技术条件下，还没有一种新光源可全面替代，仍具有独特的生命力。霓虹灯又是冷阴极灯管照明，作为艺术品的一种，成为光的雕塑产品，将向高品质、高档产品发展。第三章变频器的现状、发展、结构及内容第一节变频器的现状及其发展随着国民经济的迅速发展，国内对变频器产品的需求越来越大，同时，变频器由于其节能环保的特性，受到国家政策的大力支持。变频器是一种高技术含量、高附加值、高回报的高科技产品。变频器最初的使用并不是为了节能，而是交流传动代替直流传动，并满足过程化控制的要求。随着自动化、电力电子等技术的发展，变频器作为电机调速节能关键设备，改变了普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无需任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗，达到系统高效运行的目的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：①技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。②能够提供特大功率的变频器，目前已超过 10000KW。4/29③变频调速产品的技术标准比较完备。④与变频器相关的配套产业及行业初具规模。⑤能够生产变频器中的功率器件，如 IGBT、IGCT、SGCT等。⑥高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。⑦产品国际化，当地化加剧。⑧新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。目前，在国内有不低于200家的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的低压产品，而在高压大功率变频器方面，在30家左右。由于罗宾康没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面：①国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。②具有研发能力和产业化规模的逐年增加。③国产高压变频器的功率也越做越大，目前国内最大的应用做到了 20000KW。④国内高压变频器的技术标准还有待规范。⑤与高压变频器相配套的产业很不发达。⑥生产工艺一般，可以满足变频器产品的技术要求，价格相对低廉。⑦变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。⑧与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。⑨已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。⑩部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器5/29一般变频器的节电率在20%-30%左右，最高甚至可超过50%，变频器的节能效果与应用环境的工况参数十分相关。电动机运行工况的参数设置是否合理、所带负载的变化特性，以及设备最初的调节、调速方式均可以直接影响变频器的节电效果。随着变频技术的高速发展与产品功能的拓展，变频器在水泥、电梯、印刷、电力等现代化产业以及医学、通讯、交通、运输、电力、电子、环保等领域得到空前的发展和应用，几乎国民经济各行各业都与变频器密不可分。按照720元/KW价格估计，即使在不考虑新增电动机的情况下，我国变频器市场规模已达到731亿元，发展空间十分广阔。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换<整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：①高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。②高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加<器件串联和单元串联）两个方向发展。③更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。④现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。⑥全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。⑦应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。⑧相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。第二节 变频器的结构及其内容变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走6/29向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2.平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源 6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流>，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的 “保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、 PID或其它方式逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。第三章可编程控制器的简况第一节可编控制器的产生与应用可编程控制器<PLC）是集计算机技术、自动控制技术、和通信技术为一体放入新型自动控制技术。其性能优越，已被广泛的应用于各个领域，并已成为工业自动化的三大支柱<PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC的应用已成为一个世界潮流，在不久的将来PLC技术在我国将得到更全面的发展。一、可编程控制器的产生及发展7/29可编程控制器的产生可追溯到20世纪60年代末，在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的顺序就必须改变控制系统地硬件连线，这样就使其应用在很多方面受到限制，其通用性和灵活性都比较差。20世纪60年代末，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司 <GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。其主要内容是：1> 编程简单，可在现场修改程序；2> 维护方便，最好是插件式；3> 可靠性高于继电器控制柜；4> 体积小于继电器控制柜；5> 可将数据直接送入管理计算机；6> 在成本上可与继电器控制柜竞争；7> 输入可以是交流115V；8> 输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等；9> 在扩展时，原系统只需很小变更；10>用户程序存贮器容量至少能扩展到 4K。这就是著名的GM10条。如果说各种电控制器、电子计算机技术的发展是可编程序控制器出现的物质基础，那么GM10条就是可编程序控制器出现的直接原因。1969年，美国数据设备公司(DEC>研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。其后日本、西德等相继引入，使其迅速发展起来。8/29但这一时期它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(ProgrammableLogicController>。年代初期诞生的微处理器和微型计算机，经过不断地开发和改进，软、硬件资源和技术已经十分完善，价格也很低廉，因而渗透到各个领域。可编程序控制器的设计和制造者及时吸收了微型计算机的优点，引入了微处理器和其它大规模集成电路，诞生了新一代的可编程序控制器。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使 PLC从开关量的逻 辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称 为可编程控制器，简称 PC(ProgrammableController>。但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer>相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。1985年1月国际电工委员会<IEC）对可编程序控制器给出如下定义“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。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，易于扩充的原则设计”。PLC从诞生至今，其发展大体经历了三个阶段：从 20世纪70年代至80年代中期，以单机为主发展硬件技术，为取代传统的继电器—接触器控制系统而设计了各种PLC的基本型号。到80年代末期，为适应柔性制造系统(FMS>的发展，在提高单机功能的同时，加强软件的开发，提高通信能力。90年代以来，为适应计算机集成制造系统(CIMS>的发展，采用多CPU的PLC系统，不断提高运算速度和数据处理能力。PLC与传统的继电器逻辑相比，它具有如下优点：1）由于采用了大规模集成电路和计算机技术，因此可靠性高、逻辑功能强且体积小。2）在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC无需增加硬设备，利用微处理器及存储器的功能，就可以很容易地完成这些逻辑组合和运算，大大降低了控制成本。3）由于PLC采用软件编制程序来完成控制任务，所以随着要求的变更对程序进行修改显得十分方便，具有很好的柔性。继电器线路则是通过许多真正的“硬”9/29继电器和它们之间的硬接线达到的，要想改变控制功能，必须变更硬接线，重新配置，灵活性差。4）新一代PLC除具有远程通讯功能以及易于与计算机接口实现群控外，还可通过附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂的控制功能，这对于布线逻辑的继电器控制系统是无法办到的。PLC虽然采用了计算机技术和微处理器，但是它与工业控制计算机相比又具有如下特点：）PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，采用了面向控制过程和操作者的逻辑语言，以继电器逻辑梯形图为编程语言，梯形图符号和定义与常规继电器展开图完全一致，容易学习和掌握。并作了大量的扩展改进，可以视为继电器系统的超集，所以，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。2）PLC是从针对工业顺序控制并扩大应用而发展起来的，一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，其硬件结构专用，标准化程度低，各厂家的产品不通用。工业控制计算机是指能够与现场工业控制对象的传感器、执行机构直接接口，能够提供各种数据采集和控制功能，并能在恶劣的工业环境中可靠运行的计算机系统，简称工业控制机或工控机。工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。3）PLC的运行方式与工业控制机不同，它对逻辑顺序控制很适应，虽也能完成数据运算、PID调节等功能，但微机的许多软件还不能直接使用，须经过二次开发。它采用的梯形图编程语言很受熟悉继电器控制而不熟悉计算机的电气技术人员的欢迎。工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，因而其软件资源十分丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它对使用者的技术水平要求较高，即应具有一定的计算机专业知识。4）PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。 PLC 在结构上采取整体密封或插件组合型，并采取了一系列的抗干扰措施，使其具有很高的可靠性。工业控制机对各种模板的电气和机械性能也有严格的考虑，因而可靠性也较高。5）PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展，以满足工业控制的需要，因而具有很好的性能／价格比。10/296）由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。它是一种面向生产过程控制的数字电子装置。不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络。作为一种先进而又成熟的技术，目前PLC被广泛地应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域，产品遍及世界各地。这种新型的电控装置极大地提高了劳动生产率和自动化程度。可编程控制器将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱(即PLC，机器人和计算机辅助设计／制造CAD/CAM>的首位。二、可编程控制器的特点及应用可编程控制器是现代计算机技术与传统继电器-接触器控制技术相结合的产物，专用于工业控制的环境，具有许多其他控制器件所无法相比的优点。<1）可靠性高、抗干扰能力强工业生产中对控制器的可靠性要求很高，可靠性也是用户选择控制装置的首要条件。为保证PLC能在工业环境下可靠工作，在设计和生产过程中，从硬件和软件都采用了抗干扰的措施，使PLC能在恶劣的环境中可靠德工作，其平均故障间隔时间一般可达到几十万小时。1）硬件方面：I／O通常采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而抑制或消除了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁的干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。2），软件方面：PLC采用扫描方式，减少了由于外界环境干扰引起的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路的故障实现检测和判断；当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。<2）功能完善、扩展方便、组合灵活、实用性强11/29现代PLC具有数字量和模拟量的输入输出<I/O）接口、各种扩展单元和特殊功能模块，可以方便灵活的组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。<3）编程简单、使用方便PLC采用面向控制过程和操作者的“自然语言”—梯形图作为基本编程语言，容易学习和掌握。PLC控制系统采用软件编程来实现控制功能，当生产工艺流程改变或生产设备更新时，可在不改变硬件设备的情况下，方便地改变控制程序，具有很强的灵活性和“柔性”。<4）体积小、质量轻，是实现“机电一体化”的理想产品由于PLC内部电路主要采用微电子技术设计，因此它具有结构紧密、体积小巧、质量轻等特点，易于装入机械设备内部，可简化机械结构设计，因而成为实现机电一体化的理想设备。<5）性价比高PLC完善的功能、可靠的性能以及诸多实用的特点 ，使其具有较高的性价比。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，使用情况大致可归纳为如下几类。1、 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑2、 模拟量控制在工业生产过程当中，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处理模拟量，必须实现模拟量 <Analog）和数字量<Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。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，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制12/29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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4、 过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调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。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的应用。5、 数据处理现代PLC具有数学运算<含矩阵运算、函数运算、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。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信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通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展工厂自动化网络发展得很快，各 PLC厂商都十分重视 PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。可编程控制器<简称PLC）是以微处理器为核心，将微型计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体的一种新型的高可靠性的工业自动化控制装置。它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，被广泛地应用在各种控制中，迅速地改变着工厂自动化的面貌和进程，成为当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。因此专家认为，可编程控制器技术、计算机辅助设计 /计算机辅助制造以及机器人技术，将成为工业生产自动化的三大支柱。第二节 可编程控制器的分类、主要技术指标及生产厂家13/29一、 PLC的分类目前PLC的产品种类很多，型号规格也不统一，通常可分为 3种形式。按I／O点数和程序容量分类PLC按I／O点数和程序容量可分为小型机、中型机和大型机 3类。（1）小型机输入输出点数在256点以下的PLC称为小型机。有时把64点以下的叫微型机，其用户程序容量一般小于4K字。以开关量输入／输出为主，主要功能有逻辑运算、定时、计数和算术运算。其特点是价格低廉、体积小巧、结构紧凑，适合于替代继电器、接触器控制的单机控制场合。（2）中型机中型PLC的I／O点数在256~2048点之间，也以开关量输入／输出为主，用户程序容量一般小于32K字。它除了具有小型机功能外，还具有模拟量控制功能和通信联网功能，有较丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。可应用于较为复杂的连续生产过程控制。（3）大型机大型机PLC的I／O点数在2408点以上，用户程序容量大于32K字，并可扩展。除一般类型的输入／输出模块外，还有特殊类型的型号除了模块和智能控制单元，能进行数学计算、PID调节、整数、浮点运算和二进制、十进制转换运算等；还具有自诊断功能、通信联网功能，可构成三级通信网。适合于自动化控制、过程控制和过程监控系统，实现生产管理的自动化。按结构形式分根据PLC的外形和硬件安装结构的特点， PLC可分为整体式、模块式和混合式种。（1）整体式结构整体式结构又称箱体式或单元式结构，它是把 PLC的CPU、存储器、I／O接口、电源、通信端口等都合装在一个金属或塑料机壳内，结构紧凑。机壳内的两侧安装输入、输出接线端子和电源进线，并有相应的指示灯显示。面板上有14/29编程器插座、通信口插座、外存储器插座和扩展单元接口插座等，同时也配有多种功能的扩展单元。体积小、质量轻、价格低，适用于工业生产中的单机控制。（2）模块式结构为了扩展方便，大中型PLC和部分小型PLC采用模块式结构。PLC由机架和模块两部分组成，模块安插在插座上，模块插座焊在机架总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，各机架之间用接口模块和电缆相连。模块式结构的PLC通常把CPU、存储器、输入／输出接口等均作成各自相互独立的模块，功能单一、品种繁多。系统规模可根据实际要求配置。这种结构PLC具有较多的输入／输出点数，且具有扩展方便和模块组合灵活的特点，适用于复杂的过程控制。二、 PLC的主要技术性能指标各公司产品的技术性能指标不同，各有特色。一般可按 CPU档次、I／O点数、存储容量、扫描速度、网络功能等方面来衡量PLC的性能。PLC性能指标是控制系统设计选型的重要依据。（1）I／O点数I／O点数是PLC最重要的一项技术指标，是指 PLC能够处理的输入、输出端子的总数<它通常开关量的输入、输出用点数来表示，模拟量的输入、输出用通道数来表示）。它决定了PLC在实际应用中的规模大小。I／O点数包括主机的I／O点数和最大的可扩展的点数，I／O点数越多，越能够控制的器件和设备越多。（2）内存容量PLC的存储器包括系统软件存储器和用户应用存储器两部分，主要用来存储程序和系统参数。系统软件由生产家编制并已固化在内部的存储器中。PlC的存储存储容量通常指应用存储器的容量，即所谓的”内存容量“。在PLC中，程序指令是按”步“存放的，1”步“占用1个地址单元，一个地址单元一般占2字节。如一个内存容量为2KB的PLC，可存放指令1000步。用户程序容量与最大I／O点数大体成正比，其大小决定了用户所能编写程序15/29的最大程度。因此，用户必须根据实际情况来选择足够的内存容量。绝大多数PLC都配置有较大容量的存储器，一般能够满足对实际控制要求。（3）扫描速度PLC是以循环扫描方式运行的。它在一个扫描周期内，执行系统内部处理、 B输入采样、输出刷新所需要的时间是基本固定的，但它所执行的用户程序所需的时间随程序长短和指令复杂程度而变化。扫描速度一般以扫描1KB的用户程序所需时间来衡量，其单位为ms／KB；也有用1步指令的执行时间计，以s／步为单位。有时也用扫描时间表述,即CPU按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。（4）指令种类和数量这是衡量PLC软件功能强弱的重要指标。指令的种类和数量决定了用户编辑程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。指令的种类和数量越多，控制能力就越强。（5）内部寄存器种类和数量PLC内部寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用。内部寄存器主要有定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。PLC寄存器种类和数量配置情况是衡量PLC硬件功能的一个指标。（6）扩展能力PLC扩展能力是指I／O点数和类型的扩展、特殊信号处理的扩展、存储容量和控制区域<联网）的扩展等。考虑到实际情况的变化，在选择PLC时要为系统的扩展留有适量的余地。（7）智能模块PLC除主控模块外，还可配接各种智能模块，完成多种特殊的控制，如模拟量控制、远程控制及通信等。其种类和数量越多，说明 PLC功能越强大。（8）编程语言与编程工具每种类型PLC都具有多种编程语言，具有互相转换的可移植性；但不同类型PLC的编程语言互不相同，互不相容。一般由厂家提供专用编程工具，包括专16/29用编程器和专用编程软件。编程器一般使用助记符语言，编程软件可在 PC机上操作，普遍采用梯形图／功能图或高级计算机语言<如C、BASIC、或PASCAL语言）进行编程。三、 PLC主要生产厂家目前，世界上生产PLC的厂家已有200多个，各种型号和系列。比较著名的有美国A-B、通用电气<GE）、莫迪康<Modicon）公司；日本的三菱电机<Mitsublshi）、欧姆龙<Omron）、富士电机<FUJI）、松下电工公司；德国的西门子<Siemens）公司；法国的TE与施奈德<Schneider）公司；韩国的三星<Sumsung）与LG等公司。其中美国和德国是以大型PLC而闻名，而日本主要生产小型的PLC。我国有无锡华光等公司，生产多种型号的PLC，如SU、SG等，发展也很快，并在价格上很有优势。第三节可编程控制器的结构组成和工作原理一、可编程控制器的结构组成可编程控制器的结构多种多样。但其组成的—般原理基本相向，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持．实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。可编程控制器主要由中央处理单元 (CPU>、存储器(RAM、ROM>、输入输出单元(I/O>、电源和编程器等几部分组成，其结构框图如图2-1所示17/29一）、中央处理单元((CPU>可编程控制器中常用的 CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。通用微处理器〔如 8080、8086、80286、80385等〕、单片机〔如8031、8096等〕、位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2093等>。可编程控制器的档次越高．CPU的位数也越多、运算进度也越快，功能指今越强。FX2系列可编程控制器使用的微处理器是 l6位的8096单片机。二）、存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器存放系统管理程序，用户存储器存放用户编制的控制程序。小型可编程控制器的存储器容量—般在8K字节以下。常用的存储器有CMOSRAM和EPROM、EEPROM。CMOSRAM是—种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序．生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。CMOSRAM存储器是—种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作备用电源。掉电时，可以有效地保持存储的信息。锂电他的寿命一般为(5—30>年，若经常带负载可维持(2—5>年。EPROM、EEPROM都是只读存储器。往往用这些类型存储器固化系统管理程序和用户程序，EEPROM存储器又可写成E2PROM，它是一种电可擦除可编程的只读存储器．既可按字节进行擦除。又有可整片擦除的功能。<三）、输入输出单元(I/O单元>18/29实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是干差万别的，而可编程控制器的 CPU所处理的信号只能是标准电平。正是通过输入输出单元实现了这些信号电平的转换。 I/O单元实际上是 PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。 I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC上输入接口的输人器件是各种开关、按钮、传感器等。 PLC的各种输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流型和直流型，高电压型和低电压型、电压型和电流型之分。(1>、输入接口电路各种PLC的输入电路大都相同，通常有三种类型：一种是直流(12-24>v输入。另一种是交流(100-120>v、(200-240>V输入，第三种是交直流〔12一24〕V输入。外界输入器件可以是无源触点或者有源传感器的集电极开路的晶体管，这些外部输入器件是通道PLC输人端子与PLC相连的。PLC输人电路中有光耦合器隔离。并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。当输入开关闭合时，一次电路中流过电流，输入指示灯亮．光耦合器被激励．三极管从截止状态变为饱和导通状态，这是一个数据输入过程。图 2-2是一个直流输入端内部接线图。(2>、输出接口电路PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输比。图2-3给出了PLC的输出电路图。继电器输出型最常用。当PLC输出时．接通或断开19/29输出电路中继电器的线圈，继电器的接点闭合或断开，通过该接点控制外部负载电路的通断。很显然，继电路输出是利用了继电器的接点和线圈将 PLC的内部电路与外部负载电路进行了电气隔离。晶体管输出型是通过 PLC光耦合使晶体管截止或饱和以控制外部负载电路、并同时对PLC内部电路和输出晶体管电路进行了电气隔离。第三种是双向晶闸管输出型，采用了光触发型双向晶闸管。三种输出形式以继电器型响应最慢。输出电路的负载电源由外部提供。 实际应用中，输出电流额定值与负载性质有关。 例如FX2型FLC继电器输出的负载能力．电源电压在250vAC以下时，对电阻负载为2A/点；对感性负载为80V*A；对灯负载为100W。20/29通常，PLC的制造厂商为用户提供多种用途的I/O单元。从数据类型上看有开关量和模拟量；从电压等级上看有直流和交流；从速度上看有低速和高速，从点数上看有多种类型；从距离上看可分为本地I/O和远程I/O。远程I/O单元通过电缆与CPU单元连接、可放在距CPU单元数百M远的地力。四）、电源单元21/29PLC的供电电源是一般市电、也有用直流 24v供电的。PLC对电源稳定度要求不高，一般允许电源电压额定值在+10%--15%的范围内波动。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电．小型PLC电源往往和CPU单元合为—体，中大型PLC都有专门电源单元，有些PLC电源部分还有以24vDC输出，用于对外部传感器供电，但电流往往是毫安级。<五）、编程器编程器是PLC的最重要外围设备，利用编程器将用户程序送入 PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视 PLC的工作状态。编程器—般分简易型编程器和智能型编程器，小型 PLC常用简易型编程器．大中型PLC多用智能型CRT编程器，除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包。即可用个人计算机为 PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。二、可编程控制器的编程语言PLC是一种工业控制计算机。不光有硬件，软件也必不可少，一提到软件就必然和编程语言相联系。不同厂家、甚至不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。目前PLC常用的编程语言有四种，梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语音、高级编程功能语言。梯形图编程语形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有键入方便的优点；功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备。一）梯形图编程语言该语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器．接触器逻辑控制基础下简化了符号演变而来的。形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。继电器接触器电气控制电路图和 PLC梯形图示于图 2-4中，22/29由图可见两种控制电路图逻辑含义是—样的，但具体表达方法却有本质区别。PLC梯形图中的继电器、定时器、计数器不是物理继电器、物理定时器、物理计数器，这些器件实际上是存储器中的存储器，因此称为软器件。相应位为“ 1”状态，表示继电器线圈通电或常开接点闭合或常闭接点断开。PLC的梯形图是形象化的编程语言，梯形图左右两端的母线是不接任何电源的。梯形图中并没有真实的物理电流流动．而仅仅是概念电流——虚电流或称为假想电流。把PLC梯形图左边路线假想为电源相线．而把右边母线假想为电源地线：假想电流只能从左向右流动．层次改变只能先上后下。假想电流是执行用户程序时满足输出执行条件的形象理解。PLC梯形图中每个网络由多个梯级组成。每个梯级输出一个或多个支路组成．并出—个输出入件构成，但右边的元件必须是输出元件。例如图2-4b中梯形图由两个梯级组成，梯级1）中有4个编程元件(X1、X2、Y1和Y2>，最右边的Y1是输出元件。梯形图中每个编程元件应按一定的规则加标字母数字串，不同编程元件常用不同的字母符号和—定的数字串来表示，不同厂家的PLC使用的符号和数字串往往是不一样的。二）指令语句表编程语言这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助汇符编程方式，用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。需要指出的是，不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同．因此，一个相同功能的梯形图。书写的语句表并不相同。表2-1是三菱电机公司FX型PLC指令语句完成图2—4b功能编写的程序。指令语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由—条或几条语句来执行。PLC的语句表达形式与微机的语句表达23/29式相类似．也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表不 (如L1表示取、OR表示或等>，用来执行要执行的功能，告诉PLC该进行什么操作，例如逻辑运算的与、或、非；算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先设定值。三）、功能图编程语言这是一种较新的编程方法。它是用像控制系统流程图一样的功能图表达一个控制过程，目前国际电工协会 (IEC>正在实施发展这种新式的编程标准。不同厂家的PLC对这种编程语言所用的符号和名称也不一样。三菱 PLC叫功能图编程语言，而西门子 PLC叫控制系统流程图编程语言。图 2-5是一个先”与”后“或”操作的功能图编程语言图。四）高级语言编程近几年推出的PLC，尤其是大型PLC，已开始用高级语言进行编程，有的PLC采用类似PASCAL语言的专用语言，系统软件具有这种专用语言的自动编译程序。采用高级语言编程后，用户可以象使用普通微型计算机一样操作 PLC。除了完成逻辑功能外，还可以进行 PID调节、数据采集和处理以及与上位机通信等。三、可编程控制器的工作原理一）、PLC的编程器件概述24/29PLC内部有多具有不同功能的插件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如输入继电器 X是由输人电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器Y是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器 T，计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址寄存器V／Z等都是由存储器组成的。为了把它们与通常的硬器件区分开，我们通常把上面的器件称为软器件，是等效概念抽象模拟的器件。并非实际的物理器件。从工作过程看，我们只注重器件的功能．按器件的功能给名称，例如输入继电器 x、输出继电器Y等、而且每个器件都有确定的地址编号．这对编程十分重要；需要特别指出的是，不同厂家、甚至同—厂家的不同型号的PLC编程器件的数量和种类都不一样，下面我们以FX小型PLC为蓝本，介绍编程器件。<二）、FX2系列PLC编程器件1、输入继电器(X0一X177输入继电器与PLC的输入端相连、是PLC接收外部开关信号的接口。与输人端子连接的输入继电器是光电隔离的电子继电器，其线圈、常开接点、常间接点与传统硬继电器表示方法一样，如图 2-6左边所示。这里常开接点、常闭接点的使用次数不限，这些接点在 PLC内可以自由使用，FX2型PLC输入继电器采用八进制地址编号， X0—X177最多可达 128点。输入继电器必须有外部信号来驱动．不能用程序驱动。2、输出继电器Y0—Y177输出继电器的外部输出接点连接到PLC的输出端子上，输出继电器是PLC是用来传送信号到外部负载的元件，如图2-6右边所示。每一个输出继电器有一个外部输出的常开接点。而内部的软接点，不管是常开还是常闭．都可以无限次的自由使用。输出继电器的地址编号也是八进制。 Y0—Y177，最多可达128点。3、辅助继电器M25/29PLC内部有很多辅助继电器，它的常开常闭接点在 PLC内部编程时可以无限次的自由使用。但是这些接点不能直接驱动外部负载．外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。在逻辑运算中经常需要—些利用继电器作为辅助运算用，这些器件持往用作状态暂存、移位等运算。另外，辅助继电器还具有一些特殊功能。下面是几种常见的辅助继电器。1）通用辅助继电器M0—M499通用辅助继电器按十进制地址编号M0—M499共的500点(在FX型PLC中除输入输出继电器外，其它所有器件都是十进制编号>。<2）断电保持