毕业论文初稿

PLC技术融于生活点滴

李静潇

摘要：根据2006年的统计，中国进入世界500强的企业中，内地的19家企业全部是国有企业。中国企业500强中，大多数为国有及国有控股企业，其营业收入占国内生产总值的比重达77.6%，是中国经济的中坚力量。目前为止，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、电力、化工、建材、机械制造、轻纺、汽车、交通运输、环保及文化娱乐等多个行业。 关键词：电机分批自启动、以太网、令牌总线（N:N）网络、RS485

一、PLC的定义

PLC即为可编程控制器（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” 二、PLC的构成

PLC的硬件结构与微型计算机基本相同，基本构成为： （一）、电源

可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着非常重要的作用。如果没有一个良好、可靠的电源系统是无法正常工作的，一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它任何措施而将PLC直接连接到交流电网中。 （二）、中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功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，以及诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器运行时，它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并且分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中依次逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定来执行逻辑或者算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器中。等全部用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象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中，如此循环运行，直到停止运行为止。

为了提高PLC的可靠性，近年来对大型的可编程逻辑控制器采用了双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使其中某个CPU出现了故障，整个系统仍然能够正常运行。 （三）、存储器

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。 （四）、输入／输出接口电路

1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

2．现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作

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用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （五）、功能模块

如计数、定位等功能模块。 （六）、通信模块 三、PLC的特点: （一）、可靠性高，且抗干扰能力强

可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC采用了现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具备很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大的降低了。此外，PLC还带有硬件故障的自我检测功能，故障出现时可以迅速发出警报信息。 （二）、配套齐全，功能完善，且适用性强

PLC发展至今，形成了大、中、小三种规模的系列化产品。可以致力于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能欠缺以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，适用于各种数字控制领域。近年，PLC的功能单元逐步涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各类工业控制中。再加上PLC的通信能力的增强以及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统也变得非常容易。 （三）、简单易懂、操作简便

PLC是通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口方便，编程语言容易被工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号、表达方式与继电器电路图十分接近，只需要用PLC的少量开关量逻辑控制指令就能够方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不了解计算机原理和汇编语言的人员使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （四）、系统化的设计、建造工作量小，维护简便，易于改造

PLC用存储逻辑代替了接线逻辑，很大幅度的减少了控制设备的外部接线，使控制系统设计及建造的周期大大缩短，同时维护也变得容易很多。更为重要的是，它使同一设备经过改变程序从而改变生产过程成为一种可能。这就适合多品种、小批量的生产场合。 （五）、小巧，轻盈，低能耗

以超小型的PLC为例，新近出产的PLC品种底部尺寸小于100毫米，重量小于0.15kg，功耗仅需数瓦。由于体积小巧很容易装入机械的内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

四、PLC在中国工业发展中的应用领域

1978年以前，中国只有单一的公有制经济，国有企业占77.6%，集体企业占22.4%。改革开放为多种经济成分的共同发展开辟了广阔空间，外商和港澳台商投资工业、个体和私营工业等其他经济成分如雨后春笋般迅猛发展起来。

国有企业的改革始终是中国经济体制改革的中心环节。现今，中国国有企业的公司制改革已基本完成，对整个国民经济的控制力、影响力和带动力不断增强。到2006年，全部国有工业企业及年产品销售收入500万元以上的非国有工业企业增加值中，国有及国有控股企业占35.6%，集体企业占3.2%，其余份额为非公有制企业占有，包括外商投资企业、港澳台商投资企业，以及个体和私营企业，

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呈现出多种经济成分并存的活跃局面。

根据2006年的统计，中国进入世界500强的企业中，内地的19家企业全部是国有企业。中国企业500强中，大多数为国有及国有控股企业，其营业收入占国内生产总值的比重达77.6%，是中国经济的中坚力量。非公有制企业已成为推动行业发展的主体，在40个工业行业中，非公有制经济在27个行业中所占的比例超过了50%，部分行业超过了70%。

目前为止，PLC在国内外已广泛应用于石油、钢铁、电力、化工、建材、机械制造、轻纺、汽车、交通运输、环保及文化娱乐等多个行业，使用情况大致可归纳为如下几类： （一）、开关量的逻辑控制

开关量的逻辑控制——PLC最基本、最广泛的应用领域，它可以取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，不仅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。如印刷机、注塑机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （二）、模拟量控制

在工业生产过程中，有许多连续性变化的量，如压力、温度、流量、液位和速度等等都是模拟量。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。 （三）、运动控制

PLC可用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来看，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。 （四）、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。 （五）、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。 （六）、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。 五、PLC在各系统中的实用案例 （一）、西门子S7-300系列PLC控制电机的分批启动

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1、电机分批自起动技术在石油化工等连续生产企业中有着广泛的用途。以PLC为核心控制单元的电机分批自启动系统具有以下功能及特点： （1） 能够实时监控电机的运行状态；

（2） 记忆电网波动前电机的运行状态，只有在电网波动前处于运行状态而且在电网波动时停机的电机才具备电机自启动条件；

（3） 准确及时地捕获电网电压信息。

（4） 分批自启动的电机按照工艺流程需要，在PLC中预先设置，同时为避免多台电机在自启动中对电网的影响、电机分批自启动中采用分批延时处理方式。具有多路输入和多路输出功能，实现多台电机自启动集中控制。

（5） 具备远程通信接口，实现与上位机或DCS系统的通信，在上位机或DCS系统中方便的对该系统进行监控和维护。

（6） 洛阳石油化工总厂的2套PLC电机分批自启动设备，采用西门子S7-300系列PLC，它以CPU303为中央处理单元，每执行1000条二进制指令约需0.7ms。S7-300同时具备128点数字量输入（输出）和32路模拟量输入（输出）,12KB的RAM,20KB的负载存储器；完全能够满足电机状态和系统电压的实时监控和及时实现电机分批自启动的要求。

2、系统组成 （1）、2套PLC电机分批自启动系统根据变电所供电方式，每一段低压母线采用1台PLC。系统硬件主要分为外围电路和核心单元2部分。外围电路主要完成母线电压、电机运行状态等信号的采集、处理和转换以及电机起动指令的驱动等。核心单元（即PLC）主要完成信号处理，发出电机驱动指令。根据系统的要求，其核心PLC主要有以下几个部分：

1）、CPU313及系统软件。它完成电压和电机运行状态监测，实时进行逻辑判断，发出电机分批自启动指令。CPU313有4中操作选择：RUN-P、RUN、STOP和MRES运行方式。

2）、模拟量输入模块SM331（8路输入）。它把电压变送器输入的4-20mA的模拟量转换为数字信号，并将数字信号送到PLC的控制单元，以供PLC做出电压判断。

3）、数字量输入模块SM331.16路输入2个，32路输入1个，完成62台电机运行状态监测和PLC电机分批自启动系统运行、调试状态监测，电机运行状态信号通过电机操作回路中的接触器辅助接点接至该模块。

4）、数字量输出模块SM322（输出8路）。接受PLC控制单元的指令，完成电机驱动信号输出，通过出口中间继电器，驱动电机操作回路，完成电机分批自启动。 （2）、电机分批自启动系统软件主要任务为：

1）、完成系统初始化； 2）、正常状态下的数据监测； 3）、电网电压出现波动后，即电网电压降至70%，所有电机都会因为电气保护装置而强制退出运行，在此之前，程序已经做出判断并锁存电机状态信号；

4）、当电力系统恢复正常（3s内，母线电压恢复至95%）时，程序依据故障前保存的电机状态信号、对具备自启动条件的电机，按照顺序分批发出启动信号，使其恢复运行；

5）、无论在正常状态下或是在电机自启动过程中，PLC均实时监测母线电压； 6）、通信借口程序。包括系统监测数据和故障信息，PLC将采集的母线电压

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信息、电机启动状态信息传输到上位机或DCS系统，便于维护人员实时了解设备运行状况。 （二）、用三菱的FX2N PLC实现N:N网络（令牌总线） 1、网络概述： （1）、目前PLC网络采用分级分布式复合结构时，一般分为三级（层）：

1）、管理层（以太网） 2）、控制层（开放式，标准的现场总裁） 3）、现场层（部件层）也就是指装置层和传感器层

以太网采用CSMA／CD(Carrier Sense Multiple Asscess with Collision Detection)介质访问控制方式，即载波监听多路访问／冲突检测方式，该方式可以简单通俗地叙述为“先听后讲，边讲边听”。以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术，与互联网技术结合是未来eManufactory技术基础：在没有严格时间要求的设备层也将获得一定的发展；但对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合，现场总线技术还将处于主导地位；我们必须学会面对一个多种网络技术并存的现实世界。以下就对现场总线中的一种——令牌总线进行研究。

N:N网络相当于三级总线型结构的中间一级，即控制层，最低一层为远程I／O链路，负责与现场设备通信，收集现场数据，驱动执行器，在远程I／O链路中配置周期I／O通信机制，这一层也可配置AS-I（传感器-执行器接口）链路，除了N:N网络外，比较通用的有主从总层，传输层，回话层即表面层这四层，包括应用层（APPLICATION），数据链路层（DATALINK），物理层（PHYSICAL），这主要是针对工业过程的特点，使数据在网络流动中尽量减少中间环节，加快数据的传输速度，提高网络通信及数据处理的实时性，它们之间区别最大之处在于数据链路层协议，尤其是这层中的介质访问（MAC）子层，MAC协议可分为如下三个类型。（1）集中式轮询协议1：N；（2）令牌总线协议N:N；（3）总线仲裁协议。

N:N网络RS485连线的选择是一对导线，单对子布线的情况下，在端子RDA和RDB之间连接端子电阻（110欧，1／2瓦棕棕棕），双对子布线的情况下，在端子SDA和SDB之间连接端子电阻，（220欧姆，1／4瓦橙橙棕），而在RDA和RDB之间也是这样。 2、优点： （1）、节省配线2、提高处理速度3、实时性好。 1）、N:N网络设计：

硬件设计：PLC可选用FX2N,FX2NC,FX1N,FX0N,通讯选用FX2N-485-BD,或者FX1N-485-BD, FX0N-485-BD,在本设计中，选用两个FX2N-485-BD,两个FX1N-485-BD,一个FX1N-32MR,一个FX1N-485-BD。

软件设计：由于使用了三个FX2N可变成控制器，在软件设计中，要分别对每个可编程控制器进行编程，选一个PLC为主站，将网络参数写在这个主站中。 2）、其通讯通过以下操作实现：

主站点的输入点X000到X003(M1000到M1003)输出到站点号1和2的输出点Y010到Y013。

站点1的输入点X000到X003(M1064到M1067)输出到主站点和站点2的输出点Y014到Y017。

站点2的输入点X000到X003(M1128到M1131)输出到主站点和站点1的输出点Y020到Y023。

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