大工本科PLC控制研究论文.docx

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大工本科PLC控制研究论文

网络高等教育

本科生毕业论文（设计）

题目：

PLC控制系统研究

学习中心：

层次：

专科起点本科

专业：

电气工程及其自动化

年级：

学号：

学生：

指导教师：

完成日期：

内容摘要

在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，大规模和超大规模集成电路的迅速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化可编程控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、性能价格比等方面有了重大的突破。

可编程控制器具有了高速计数、中断技术、PID控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程控制器的应用范围和领域不断扩大。

本文从可控编程器PLC的研究背景与意义出发，首先讨论了PLC的发展现状与发展趋势，接着，详细讨论了PLC的定义和各种优点，PLC控制系统的特点和生产厂家，进而研究了PLC控制系统的设计原则和主要步骤，最后，列举了PLC控制的注塑料机控制系统的具体实现过程，熟悉了整个PLC控制系统的设计及硬件和软件系统，文章具有一定的指导意义。

关键词：

可控编程器；PLC；设计；注塑机控制系统

1绪论

1.1课题的背景及意义

PLC是现今最常用的控制设备，几乎可以完成工业控制领域的所有任务。

其实，现在的PLC对模拟量也有很强的处理能力。

所以在大多数工业控制系统中，PLC已取代工控机（IPC）作为主控器来完对成复杂的工业自动控制任务。

目前世界上着名的PLC生产厂家有美国的AB通用电气公司、日本的三菱、欧姆龙、德国的西门子以及法国的施耐德等等。

PLC自产生后，生产厂家不断涌现，品种不断翻新，为控制行业带来了新一轮的革命。

20世纪20年代起人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统的继电接触器控制系统。

由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。

但是以各种继电器为主要元件的电气控制线路可能需要成千只继电器来构成，需要使用成千上万根导线来连接，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据大量的空间。

运行时，又产生大量的噪声，消耗大量的电能。

为保证控制系统的正常运行，需要安排大量的电气技术人员进行维护。

系统出现故障，排除故障又非常困难。

尤其是在生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或控制柜，系统改造的工作量极大。

所以通用性和灵活性较差[1]。

到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。

20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。

为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，1968年美国通用汽车制造公司（GM）公开招标，对控制系统提出具体要求，归纳其要求，其核心是：

该设备要使用计算机技术，能让以前的电气技术人员很容易掌握的编程语言，该设备与被控制设备连接方便，不需要使用特别的供电方式。

根据这些要求，美国数字设备公司（DEC公司）于1969年研制开发出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14,并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功。

当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC,可编程序控制器由此诞生。

由于它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑、计时、计数等。

PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，日本、德国、法国等国家也相继研制成各自的PLC.PLC自问世以来，经过近40年的发展，在美、德、日、法等工业发达国家已成为重要的产业之一。

世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。

产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

1.2发展现状及趋势

1.2.1发展现状

目前，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且实现了多处理器的多通道处理。

如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

现在，世界上有200多家PLC生产厂家，400多品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品，各流派PLC产品都各具特色。

其中，美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司。

欧洲PLC产品主要制造商有德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司、法国的TE公司。

日本有许多PLC制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士等，韩国的三星（SAMSUNG）、LG等，这些生产厂家的产品占有80%以上的PLC市场份额。

经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主。

国内公司在开展PLC业务时有较大的竞争优势，如：

需求优势、产品定制优势、成本优势、服务优势、响应速度优势。

1.2.2发展趋势

随着PLC应用领域日益扩大，PLC技术及其产品结构都在不断改进，功能日益强大，性价比越来越高。

（1）在产品规模方面，向两极发展。

一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC。

以适应单机及小型自动控制的需要。

另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。

随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高，要求用户存储器容量也越来越大。

（2）向通信网络化发展

PLC网络控制是当前控制系统和PLC技术发展的潮流。

PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信已得到广泛应用。

目前，PLC制造商都在发展自己专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。

各PLC制造商之间也在协商指定通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的组成部分。

（3）向模块化、智能化发展

为满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，PLC厂家先后开发了不少新器件和模块，如智能I/O模块、温度控制模块和专门用于检测PLC外部故障的专用智能模块等，这些模块的开发和应用不仅增强了功能，扩展了PLC的应用范围，还提高了系统的可靠性。

（4）编程语言和编程工具的多样化和标准化

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。

PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP（制造自动化协议）靠拢，使PLC的基本部件，包括输入输出模块、通信协议、编程语言和编程工具等方面的技术规范化和标准化。

1.3本文的主要内容

本文研究的是PLC控制系统。

全文共分为五章，各章内容简介如下：

第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；

第二章是PLC的简介，主要介绍了PLC的定义，优势以及PLC可控编程器的组成，工作原理和生产厂家；

第三章是全文的重点，只要介绍了PLC控制系统设计时应注意的主要问题，主要探讨了设计原则和设计步骤；

第四章举出PLC控制系统应用的一个例子，即PLC控制的恒压无塔供水系统的具体实现过程，对PLC控制系统的设计更加熟悉；

第五章是全文的总结。

本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2PLC简介

2.1PLC的定义和特点

根据1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做如下定义：

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的操作指令，并通过数字式或模拟式的输入/输入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。

可编程控制器具有如下特点：

1）可靠性高，抗干扰能力强

PLC由于采用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，具有很高的可靠性。

为确保一些极其重要用户使用在极其苛刻条件下，部分PLC厂商采用硬件或软件冗余措施，使PLC的平均无故障工作时间更长。

同时，现有PLC通常都带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，提供用户使用。

这样，整个系统具有极高的可靠性。

2）配套齐全，功能完善，适用性强

随着科学技术的进步和电子技术的发展，PLC厂商也大力发展PLC硬件和软件技术，形成了大、中、小各种规模的系列化产品，用于各种规模的工业控制场合。

不仅完善了逻辑处理功能，而且还有完善的数据运算能力，用于各种数字控制领域控制。

同时，随着PLC的功能单元大量完善，PLC可用于位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制场合中。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

3）易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，接口简单，编程语言易于为工程技术人员接受，其梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。

这很适合多品种、小批量的生产场合。

5）体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.2PLC控制系统的构成

PLC控制系统由硬件部分和软件部分组成。

对于整个PLC控制系统来说，其硬件部分不仅包括选择符合控制要求的PLC机型、存储器容量、电源模块、输入/输出模块、通信模块、模拟量输入/输出模块和特殊功能模块等，还应当包括选择合适的可编程控制器外围装置、设备与接口，如输入设备（控制按钮、开关、传感器等）、执行装置（接触器、继电器等）和由执行装置控制的现场设备（水泵、鼓风机、阀门等）。

其系统结构如图2.1。

图2.1PLC的系统结构

（1）中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。

通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。

其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、调用系统程序对用户程序进行编辑或编译并把相应的操作数转存到内存中去、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。

（2）存储器

根据存储器存储内容的不同，把存储器分为：

系统程序存储器：

用来存放系统程序的存储器。

系统程序相当于计算机操作系统，主要包括检查程序、编译程序和监控程序，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。

用户程序存储器：

用来存放用户根据控制要求编制的程序。

不同类型的PLC，其存储容