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毕业论文 plc多路信号采集

四川师范大学本科毕业设计

基于PLC的多路信号采集实验装置研制

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学 号 指导教师 完成时间 工学院机电工程系 电气工程及其自动化 2008 级 2 班 2008180207 2012年 5 月 14 日

毕业论文 plc多路信号采集

基于PLC的多路信号采集实验装置研制

学生姓名： 指导老师:

内容摘要：

本文介绍了基于PLC的信号采集的硬件设计和软件设计。本文介绍的重点

是信号采集系统，而该系统硬件部分的重心在于PLC。信号采集与通信控制采用了LM3107来实现，硬件部分是以PLC为核心，包括4通道模拟量输入模块LM3310和串行接口部分。4路被测信号通过模拟量输入模块实现模拟量到数字量的转换，然后经过PLC的处理，再通过串行口RS232传输到上位机，由上位机负责信号的显示。软件部分应用POWERPRO编写梯形图程序实现信号的采集，转换和显示。

关键词：PLC 上位机 模拟信号 信号采集

The design of muti-channel signal sampling

experimental device based on PLC

Abstract:

This article describes the PLC signal collecting hardware and software design. This article describes the focus of the signal sampling system, the system hardware part of the center of gravity lies in the PLC. Signal sampling and communication is controlled by the LM3107 to the hardware part is based on the PLC as the core of to including 4-channel analog input module LM3310, and serial interface part. 4-channel analog to digital conversion the signal through the analog input module, and then after the PLC processing, and then to the PC via serial port RS232 transmission from the host computer is responsible for signal display. The software part of the application the POWERPRO to write ladder program to achieve signal sampling, conversion and display.

Keywords: PLC the host computer analog signal signal sampling

目 录

毕业论文 plc多路信号采集

1绪论 .............................................................. 1

1.1研究背景及其目的意义......................................... 1

1.2国内外研究现状............................................... 2

1.3该课题研究的主要内容......................................... 2

2方案拟定 .......................................................... 3

2.1信号采集系统................................................. 3

2.2系统原理框图................................................. 3

3硬件设计 .......................................................... 4

3.1传感器检测电路的设计......................................... 4

3.1.1传感器概述 ............................................. 4

3.1.2传感器及其检测电路的选择 ............................... 6

3.2 PLC的选取................................................... 9

3.2.1 PLC概述 ............................................... 9

3.2.2 PLC的选取 ............................................ 12

4软件设计 ......................................................... 14

4.1 POWERPRO简介............................................... 14

4.2 算法设计 ................................................... 15

4.2.1信号采集的程序设计 .................................... 15

4.2.2软件滤波的程序设计 .................................... 16

4.2.3数据显示的程序设计 .................................... 18

结语............................................................... 20

参考文献........................................................... 21

致谢............................................................... 22

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基于PLC的多路信号采集实验装置研制

1绪论

1.1研究背景及其目的意义

信号采集又称数据采集，近年来，数据采集及其应用受到了人们越来越广泛

的关注，数据采集系统也有了迅速的发展，它可以广泛的应用于各种领域。

数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上

的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。

20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶

为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。

20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，

开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。[11]

20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运

用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。

可编程序控制器(P L C ) 以其控制能力强, 安全可靠, 编程简单, 使用方

便, 体积小等优点在工业控制中得到了广泛的应用。实际应用中常常采用上位 机(P C )/ 下位机(P LC )控制模式, 上位机提供良好的人机界面, 对全系统进行监控和管理, 下位机对输入数据进行采集、处理, 完成对输出设备的控制。现在以微机为核心的可编程数据采集与处理采集技术的发展方向得到了迅速的发

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展。

1.2国内外研究现状

信号采集系统是通过采集传感器输出的模拟信号并转换成数字信号，并进行

分析、处理、传输、显示、存储和显示。它起始于20世纪中期，在过去的几十年里，随着信息领域各种技术的发展，在信号采集方面的技术也取得了长足的进步，采集数据的信息化是目前社会的发展主流方向。各种领域都用到了信号采集，在石油勘探、科学实验、飞机飞行、地震数据采集领域已经得到应用。

我国的数字地震观测系统主要采用TDE-124C型TDE-224C型地震数据采集系

统。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗可靠性的TDE-324C型地震数据采集系统。该数据采集对拾震计输出的电信号模拟放大后送至A/D数字化，A/D采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变成数字地震信号。该数据采集系统具备24位A/D转化位数，采样率有50HZ、100HZ、200HZ。[11]

由美国PASCO公司生产的“科学工作室”是将数据采集应用于物理实验的崭

新系统，它由3部分组成：（1）传感器：利用先进的传感技术可实时采集技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；（2）计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次/S；（3）软件：中文及英文的应用软件。

[11]

受需求牵引，新一代机载数据采集系统为满足飞行实验应用也在快速地发

展。如爱尔兰ACRA公司2000年研发推出的新一代KAM500机载数据采集系统到了2006年。本系统采用16位（A/D）模拟数字变换，总采样率达500K/S,同步时间为+/-250ns，可以利用方式组成高达1000通道的大容量的分布式采集系统。

1.3该课题研究的主要内容

信号采集技术是信息科学的重要分支之一, 它研究信息信号的采集、存储、

处理以及控制等问题。它是对传感器信号的测量与处理, 以微型计算机等高技术为基础而形成的一门综合应用技术。信号采集也是从一个或多个信号获取对象信息的过程。随着微型计算机技术的飞速发展和普及,信号采集监测已成为日益重要的检测技术,广泛应用于工农业等需要同时监控温度、湿度和压力等场合。信号采集是工业控制等系统中的重要环节,通常采用PLC系统来实现,作为测控系统不可缺少的部分,信号采集的性能特点直接影响到整个系统。

现在以微机为核心的可编程数据采集与处理技术作为信号采集技术的发展

方向得到了迅速的发展。

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2方案拟定

2.1信号采集系统

信号采集，又称信号获取，是利用一种装置，从系统外部采集信号并输入到

系统内部的一个接口。信号采集技术广泛引用在各个领域。

70年代初，随着计算机技术及大规模集成电路的发展，特别是微处理器及

高速A/D转换器的出现，信号采集系统结构发生了重大变革。原来由小规模集成的数字逻辑电路及硬件程序控制器组成的采集系统被微处理器控制的采集系统所代替。由微处理器去完成程序控制，信号处理及大部分逻辑操作，使系统的灵活性和可靠性大大地提高，系统硬件成本和系统的重建费用大大地降低。

在该系统中需要将模拟量转换为数字量，而模拟量输入模块中的 A/D是将

模拟量转换为数字量的关键，他需要考虑的指标有：分辨率、转换时间、转换误差等等。而CPU模块是该系统的核心，它完成数据读取、处理及逻辑控制，数据传输等一系列的任务。在该系统中CPU模块采用的是LM3107，模拟量输入模块采用的是LM3310。通信的串行口采用RS232标准接口。数据由上位机显示。

2.2系统原理框图

图1 系统原理框图

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3硬件设计

3.1传感器检测电路的设计

3.1.1传感器概述

传感器的英文名称：transducer/sensor，国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：光敏传感器——视觉，声敏传感器——听觉，气敏传感器——嗅觉，化学传感器——味觉，压敏、温敏、流体传感器——触觉。敏感元件的分类：①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类，基于化学反应的原理。③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、

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气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。

新型传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的，目前已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。（1）线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。（2）灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用S表示灵敏度。（3）迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。（4）重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。（5）漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

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分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变

化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨 率并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化 值作为衡量分辨率的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

3.1.2传感器及其检测电路的选择

3.1.2.1温度传感器的选择

集成温度传感器是把温度传感器电路（如单晶硅温度传感器）与放大电路等

等后继电路，利用集成化技术制作在同一芯片上的功能器件。这种传感器输出信号大，与温度有较好的线性关系，具有小型化、低成本、使用方便、测温精度高等特点。因此，得到广泛应用。

集成温度传感器按输出量不同可分为电压型和电流型两种。其中，电压型的灵敏度一般为10mV/℃，电流型的灵敏度为1uA/℃。这种传感器还具有绝对零度时输出为零的特性，利用这一特性可制作绝对温度测量仪。集成温度传感器的工作范围是-50～+150℃，其具体数值因型号和封装形式不同而异。他们除了作测温元件外，还用于做温度补偿元件和温度控制元件。

KTY82—110型温度传感器的温度测量电路：下图为为KTY82—110型硅温度传感器电路，用于温度测量。电路中KTY—110的适用温度范围为0～100℃，Vd=5V时，Vo=1～3V。电阻为金属膜电阻，精度为±1%。放大器型号为NE532。

图 2 KTY82—110检测电路

本电路为硅温度传感器KTY82—110或KTY81—110温度测量电路，温度测

量范围为0～100℃,。用电阻R1和R2、传感器KTY81—110组成电桥的一个臂；电阻R3、电位器RP1和电阻R4组成电桥的其它桥臂。根据供给传感器1mA电流来选择R1和R2。

校准：调RP1电位器，使输出电压Vo=1V，传感器为0℃。在100℃时，调

节RP2，使输出电压Vo=3V。反复调节直至满意。

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3.1.2.2湿度传感器的选择

如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。在湿度传感器实际标定困难的情况下，可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。一致性判定，同一类型，同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上，越多越说明问题，放在一起通电比较检测输出值，在相对稳定的条件下，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能，以及分辨率，产品的最高量程等。对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的记录作比较，考查产品的温度适应性，并观察产品的一致性情况。产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。

基于以上各点，我选择了ZHG型湿敏电阻。ZHG型湿敏电阻为陶瓷湿敏传感器，其阻值随被测环境湿度升高而降低。ZHG湿敏电阻有两种型号：ZHG—1

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型和ZHG—2型，前者的外形为长方形，外壳采用耐高温塑料，多用于家用电器；后者的外形为圆柱体，外壳用铜材料制作，多用于工厂车间、塑料大棚、仓库和电力开关等场合的湿度的控制。

ZHG型湿敏电阻的特点是：体积小、重量轻、灵敏度高、测量范围宽（5%~99%RH）、

温度系数小、响应时间短、使用寿命长。

下图为应用ZHG湿敏电阻的湿度检测电路图。此电路输出信号为电压，共由五部分组成：湿敏元件（R3）;振荡器（由IC1、R1、R2、C1和D1组成，R1、R2和C1的数值决定震荡频率，本电路频率为100Hz）；对数变换器（由IC1—1、D2、D3和D4组成）；滤波器（有R4、C4组成）；放大器（由IC2—2，RP、R5、R6、R7、R8和T1组成）。

本传感器的测量电路由湿敏元件、电源（震荡器）和隔直电容C2组成，ZHG湿敏电阻一般情况下需要采用交流供电，否则湿度高时将有，电泳现象，使阻值产生漂移。但特殊场合，如工作电流小于10uA，湿度小于60%RH时，测量回路可以使用直流电源。

ZHG湿敏电阻的湿度电阻特性为非线性关系，对数变换器用于修正其非线性，修正后仍有一定的非线性，但误差小于±5%RH。输出电路由放大器构成，输出信号为电压。

图3 ZHG湿敏电阻检测电路

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3.2 PLC的选取

3.2.1 PLC概述

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机， 可编程逻辑控制器其硬件结构基本上与微型计算机相同，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十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器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 。二、中央处理单元(CPU)。中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。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，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，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映象区或数据寄存器内。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，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双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。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。

当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一、输入采样阶段。在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。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。二、用户程序执行阶段。在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上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

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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。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。三、输出刷新阶段。当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。一、系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。二、使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。三、能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型。1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求；1969 年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程逻辑控制器PDP—14 ，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这是第一代可编程逻辑控制器，Programmable，是世界上公认的第一台PLC。1969年，美国研制出世界第一台PDP-14；971年，日本研制出第一台DCS-8；1973年，德国研制出第一台PLC；1974年，中国研制出第一台PLC。

20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。0世纪70年代中末期，可编程逻辑控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，可编程逻辑控制器逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

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在可编程逻辑控制器系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是可编程逻辑控制器工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用可编程逻辑控制器应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，可编程逻辑控制器的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。一、输入输出（I/O）点数的估算。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商可编程逻辑控制器的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 二、存储器容量的估算。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。三、控制功能的选择。该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 1、运算功能 。简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。2、控制功能。控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3、通信功能。大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。可编程逻辑控制器系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，

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通信负荷不大于60%。可编程逻辑控制器系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）、PC为主站，多台同型号可编程逻辑控制器为从站，组成简易可编程逻辑控制器网络；2）、1台可编程逻辑控制器为主站，其他同型号可编程逻辑控制器为从站，构成主从式可编程逻辑控制器网络；3）、可编程逻辑控制器网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）、专用可编程逻辑控制器网络（各厂商的专用可编程逻辑控制器通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、）通信处理器。4、编程功能 。离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能。可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6、处理速度。可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。四、可编程逻辑控制器的类型 。可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型可编程逻辑控制器的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型可编程逻辑控制器提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

3.2.2 PLC的选取

作为小型PLC产品，LM系列PLC无论是独立运行，还是相互连接构成网络，均可以实现强大而复杂的控制功能。其主要特点表现如下：小巧紧凑的设计、简单可靠的安装、丰富的模块种类、强大的模拟量处理、功能强大的指令集、独特的掉电保护、实用的离线仿真、标准的编程语言。由于具有强大的功能和极高的

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性价比，LM系列小型PLC是单机控制和小型控制系统的首选产品，不仅可以实现简单逻辑控制，也可以实现复杂的自动化控制。应用范围广泛，既可用于工矿企业，也可用于民用场合。应用领域包括机床、冲压机械、印刷机械、纺织机械、建材机械、包装机械、塑料机械、运动控制、运输带、环保设备、中央空调、电梯、橡胶工业、各类生产流水线等。

3.2.2 CPU模块的选取

LM3107集成14点输入和10点继电器输出共24个数字量I/O点，可连接4个扩展模块。具有3点100KHz单相高速计数器和2点100KH两相高速计器。1个RS232串行通讯接口，支持专有协议、MODBUS RTU从站协议和自由协议，是一款有较强控制能力的控制器。

3.2.3 模拟量输入模块的选取

LM3310模块为4通道模拟量输入模块，完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。工作电源和现场所需电源分别由扩展总线及外部24VDC提供。

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4软件设计

4.1 POWERPRO简介

PowerPro软件是和利时公司专为 LM 系列 PLC 所开发的基于 Windows 的编程工具。PowerPro软件具有控制方案的编辑和仿真调试功能，是 LM 系列 PLC 的硬件配置和软件编程的标准软件包。PowerPro 与传统的PLC 编程软件相比，有如下一些特点和功能：程序语言标准化：在上世纪 90 年代中后期，IEC 发布了自动化行业程序语言的国际标准。先是 IEC1113-3标准，后来修订为 IEC61131-3 标准，以帮助 PLC、NC 及 DCS 等自动化行业统一编程语言，促进编程技术的进步。PowerPro 是完全符合 IEC61131-3 标准的编程软件，具有 IL、LD、ST、FBD、SFC、CFC等多种语言编程方式。内部器件变量化：LM 系列 PLC 没有常规 PLC 那么多的内部器件，如定时器、计数器等，取而代之的是变量。变量是PowerPro特有的一个概念，类似于高级语言的形式。这些变量按需要声明，使用多少，就声明多少。变量名还可按其功用命名，比起器件编号更便于辨认。变量还可分为全局与局部、输入与输出、掉电保持与不保持等多种类型。同时，利用 PowerPro 强大的计算功能，还可以定义多种的数据类型。不仅包括布尔型、字节型、字型、双字型，而且还包括指针、枚举、多维数组、单精度浮点数等类型。程序组织模块化：PowerPro 对程序的组织是完全模块化的。PowerPro 提出 POU 的概念，PO（Program Oginization Unit）即为程序组织单元。PowerPro 的程序组织单元包括程序、函数和功能块。这三者共同完成了一个工程。PowerPro 对程序的组织，都是主程序通过对其他 POU 的调用来实现的。这既便于多人参与编程，又便于程序重用、阅读、调试，还可节省内存，确保程序安全。同时，PowerPro 是一个开放的系统，用户可以根据需要，开发出适合自己的指令。模块设定软件化：PowerPro 是一个开放的系统。一方面，读者可以根据需要开发自己的指令；另一方面PowerPro将 PLC的许多参数和模块设定通过指令的形式开放给用户，用户可以根据自己的需求，在程序中完成设定，诸如：串口通讯参数的设定等。编程监控一体化： PowerPro软件有独特的视图和报警功能，可以在运行和调试时提供一个可视化的界面。另外，PowerPro 还提供有非常强大的仿真和调试功能，可以更方便地检查程序逻辑的正确性。

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4.2 算法设计

4.2.1信号采集的程序设计

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4.2.2软件滤波的程序设计

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4.2.3数据显示的程序设计

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