PLC水塔水位控制系统设计

高等教育自学考试

毕业设计（论文）

题 目 PLC水塔水位控制及应用系统设计 专业班级 09级机电一体化工程 姓 名 指导教师姓名、职称 所属助学单位 武汉工业职业技术学院

2011年 4月1 日

武汉理工大学毕业论文

目 录

1 绪 论 ................................................................ 1 1.1可编程控制器的产生 ................................................ 1 1.2 PLC的发展 ........................................................ 3 2 PLC的基本结构 ....................................................... 4

2.1 中央处理单元(CPU) .............................................. 4 2.2 存储器 ......................................................... 4 2.3 输入/输出模块 .................................................. 6 2.4 扩展模块 ....................................................... 7 2.5 编程器 ......................................................... 7 2.6 PLC电源 ....................................................... 8 3 PLC的工作原理与特点 .................................................. 9

3.1 PLC的工作原理 ................................................. 9 3.2 PLC特点 ...................................................... 11 4 梯形图程序设计及工作过程分析 ....................................... 13 5 水塔水位系统设计 ................................................... 14

5.1 水塔水位系统PLC硬件设计与调试 ................................ 14 5.2 水塔水位系统控制电路与输入/输出设备 ........................... 15 5.3 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表 ..................... 16 6 水塔水位控制系统PLC软件设计 ....................................... 16

6.1 水塔水位控制系统工作过程 ...................................... 16 6.2 水塔水位控制系统程序流程图 .................................... 16 6.3 水塔水位控制系统梯形图 ......................................... 18 结 论 ................................................................ 19 致 谢 ................................................................ 20 参考文献 .............................................................. 21

I

武汉理工大学毕业论文

摘 要

随着现代社会生产的发展和技术进步，现代工业自动化生产水平的日益提高，微电子技术的飞速发展，在继电器控制系统的基础上产生了一种新型的工业控制装置——可编程控制器。随着科技的发展和现实暴露的一些问题，以便能更快捷更方便的完成一些任务，在工农业生产过程中，经常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。

II

武汉理工大学毕业论文

PLC水塔水位控制及应用系统设计

1 绪 论

1.1可编程控制器的产生

可编程控制器是继电器控制的基础上发展起来的一种新型工业控制装置，它是将自动化技术、微型计算机技术及通讯技术融为一体的高可靠性的控制器，可编程控制器是二十世纪七十年代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，它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的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入或输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按照易于与工业控制形成一个整体，易于扩充其功能的原则来设计。它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 Controller),是以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—接触器控制已经有上百年的历史，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、易于维修的优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常实用，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

1

武汉理工大学毕业论文

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； 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，使得不熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在编程上花费大量地精力，只需集中精力去考虑如何操作并发挥该装置的功能即可，输入、输出电平与市电接口，市电控制系统可方便地在需要的地方运行。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PDP—14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，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、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。

2

武汉理工大学毕业论文

1.2 PLC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，其发展过程大致可分为三个阶段。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。装置中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PLC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。在硬件方面，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，使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，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，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。

3

武汉理工大学毕业论文

2 PLC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)，如图2-1所示。

编程器 输入电路 中央处理单元 （CPU） 输出电路 系统程序存储器 系统程序存储器 图2-1 硬件结构

电源

2.1中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它将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术运算结果送入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。

为进一步提高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。

2.2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。

4

武汉理工大学毕业论文

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的系统程序。包括监控程序、管理程序、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。

（4）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。

（5）系统软设备存储区 ：除I/O映象区以外，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。

5

武汉理工大学毕业论文

用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的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。

2.3 输入/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接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感器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光电耦合电路，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。数字量输出有继电器输出、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。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与PLC的I/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。另外还有：0—somV、0—5V、—5—+5V、—10—+10V，0—10mA等。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或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，提供给执行机构。

6

武汉理工大学毕业论文

2.4 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。智能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLC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、智能存贮模快以及智能I/O模块等。

2.5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。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IBM—PC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、出错提示等。使用图形编程器可以用多种编程语言编程，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、绘图仪等设备连接，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IBM—PC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。

7

武汉理工大学毕业论文

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重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，以便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：

用户可根据自己实践控制系统的要求，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，所做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。

2.6 PLC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。

8

武汉理工大学毕业论文

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。

3 PLC的工作原理与特点

3．1 PLC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那个位置上都会立即同时动作。

（2）PLC的CPU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。

PLC的CPU是采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接一个动作顺序地进行，这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按序号顺序排列。CPU从第一条指令开始，顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。

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。如图3-1：

9

武汉理工大学毕业论文

图3-1 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。

（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC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。

（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

10

武汉理工大学毕业论文

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，提高其可靠性，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慢的多，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。如图3-2：

上电 R U N 自诊 断 通 讯 输 入 采样 用户程 序执行 输 出 刷新 故 障

图3-2 PLC扫描周期示意图

3.2 PLC特点

(一) 高可靠性

1. 抗干扰能力强，适合于在恶劣的生产环境下运行，它完全不需要一般计算机所要求的环境。且所有的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10~20ms. 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

11

武汉理工大学毕业论文

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) 系统采用了分散的模块化结构

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，可针对各类不同控制需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而大大提高了效率。

3. 直接连接，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) 采用了大规模集成电路技术和微处理器技术

为了实现机电一体化，将其设计得紧凑、坚固、小体积，易于装入机械设备内部，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的编程大多使用面向控制操作的控制逻辑语言。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。

12

武汉理工大学毕业论文

4 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——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BASIC语言、C语言等，它们在某些厂家的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“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，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。

13

武汉理工大学毕业论文

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，然后再从头开始扫描，并周而复始。

5水塔水位系统设计

5．1 水塔水位系统PLC硬件设计与调试

水塔水位控制装置如图5-1所示。

1、保持水池的水位在S3——S4之间，当水池水位低于下限液位开关S4，此时S4为ON，电磁阀打开，开始往水池里注水，超过水池下限液位开关S4时，此时水池下限液位开关S4为OFF，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S3时，则S3为ON，电磁阀关闭。

2、保持水塔的水位在S1——S2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，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。

14

武汉理工大学毕业论文

图5-1 水塔水位控制装置图

5．2 水塔水位系统控制电路与输入/输出设备

1、水塔水位系统控制电路如图5-2所示。

图5-2 水塔水位系统控制电路

2、水塔水位系统的输入/输出设备

15

武汉理工大学毕业论文

这是一个单体控制小系统，没有特殊的控制要求，只需选用一般中小型控制器即可。

5．3 水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表

水塔水位控制系统PLC的输入/输出接口分配表如表5-1所示：

表5-1 水塔水位系统PLC的输入/输出接口分配表

输入 继电器 X0 X1 X2 X3 X4 输入变量名 控制开关 水塔上限液位开关 水塔下限液位开关 水池上限液位开关 水池下限液位开关 输出 继电器 Y1 Y0 输出变量名 电磁阀Y 电机M1 S1表示水塔的水位上限，S2表示水塔水位下限，S3表示水池水位上限，S4表示水池水位下限，M1为抽水电机，Y为水阀。

6 水塔水位控制系统PLC软件设计

6．1 水塔水位控制系统工作过程

设水塔、水池初始状态都为空着的当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障，S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。当S4为OFF时，且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。此次给水塔供水完成

6．2水塔水位控制系统程序流程图

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图6-1所示：

16

武汉理工大学毕业论文

开始 否 水池水位低于下限吗 是 电磁阀打开 水池水位高于下限？ 是 水池继续加水 否 水塔水位低于下限吗 水池水位高于上限 是 电磁阀关闭 水泵启动 供水 水塔水位高于下限 水塔水位高于上限 水池水位低于下限 水泵停止 结束

图6-1 水塔水位控制系统的PLC控制流程图

17

武汉理工大学毕业论文

6.3 水塔水位控制系统梯形图

根据程序流程图设计的梯形图如图6-2所示：

图6-2 水塔水位控制系统梯形图

18

武汉理工大学毕业论文

结 论

在毕业之际，要用我所学的知识作出一个设计，来给予我这三年所学知识的一个肯定。

我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在此时对以前学习的知识的挑战与突破。在对这个设计的材料的搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。

通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于三菱的PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习三菱PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。

设计过程中得到老师的意见和同学的提醒，再加上上网搜集到的资料，我也明白了不是每个问题都能自己解决的，只有通过自己努力以及别人的帮助才能把工作做得更好，古人说：三人行必有我师、思而不学则殆。所以说学习要善于向别人请教，学思结合。

如今毕业设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，是这次设计让我明白了人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。

19

武汉理工大学毕业论文

致 谢

首先感谢我有这样一次学习和锻炼的机会，感谢带领我们这次培训的领导和师傅对我们各方面的关心和照顾，同时也感谢工作地的员工们，尤其是作业班长对我们的悉心指导和帮助。总得来说在实习期间，虽然很辛苦，但是，在这艰苦的工作中，我却倍感值得。我明白，今后的工作还会遇到许多新的东西，这些东西会给我带来新的体验和新的体会。因此，我坚信：只要我用心去发掘，勇敢地去尝试，一定会能更大的收获和启发的。

经过这次实践，虽然时间很短。可我学到的却是我在学校难以了解的。自己的虚心求教，使得这期间的实习更加有意义。

此次的毕业实习为我深入社会，体验生活提供了难得的机会，让我在实际的社会活动中感受生活，了解在社会中生存所应该具备的各种能力。为以后自己的奠定了坚实的基础。

这次毕业设计能够顺利完成除了我个人的努力外，还和老师、同学和朋友们的帮助是分不开的，尤其感谢我的指导教师李峰老师，感谢他对我的悉心教导和谆谆教诲。在此，对给过我帮助和支持过的老师和同学致以忠诚的感谢

20

武汉理工大学毕业论文

参考文献

[1] 廖常初．《PLC基础及应用》．北京 机械工业出版社，2004 [2] 王兆义．《可编程序控制器教程》．北京机械工业出版社 2005 [3] 三菱FX2N系列《微型可编程控制器使用手册》

[4] 张万忠. 《可编程控制器应用技术》. 北京：化学工业出版社，2001 [5] 李俊季、赵黎明. 《可编程控制应用技术实训指导》. 北京：化学工业出版社，2001

[6] 张桂香. 《电气控制与PLC应用》. 北京：化学工业出版社，2003 [7] 钟肇新、范建东. 《可编程控制器原理及应用（第三版）》. 广州：华南理工大学出版社，2003

[8] 吕景泉. 《可编程控制器技术教程》. 北京：高等教育出版社，2000

21