两种液体混合设计

武汉理工大学

毕业设计(论文)

课题名称: 两种液体混合的设计

系 别 机电工程

专 业

班 级 机电一体化13

姓 名

学 号 [1**********]5

指导教师

两种液体混合设计

设计人：云伟

摘要：多种液体自动混合是工业中经常遇到的一个工艺流程。它一般要求多种液体在不同时刻向容器中注入不同的量。液体向容器中注入的量可以采用液体传感器SL1、SL2、SL3，进行控制。即当某种液体向容器中注入，到达SL3时停止注入该液体。关闭YV1，然后注入另一种液体。到达液位SL1时停止。上述过程的控制如果采用传统的手动控制液体流量的话，肯定是会产生误差的，其误差会导致整个混合的报废。这在工业生产中肯定是不能允许的。

随着微处理器技术的发展，可编程序控制器得到了迅速的发展，其技术和产品日趋完善。它不仅以良好的性能特点满足了工业生产控制的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，使得其功能日趋完善化。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。此外，应用PLC 技术实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，节省成本，提高生产率。在工业生产中多种液体混合是工业中常通到的一个工艺流程，在此，将对两种液体的混合实际案例行分析，以充分的说明了PLC 控制技术的重要性，以及多处优点。

关键词：可编程序控制器 液体混合 PLC 发展趋势 液位传感器

Abstract: Automatic multiple liquid mixture is frequently encountered by the industry in a process. It generally require a variety of liquids at different times to different containers and injection quantity. To inject liquid in the containers can be used in liquid sensor SL1 and SL2, SL3, control. That is, when some liquid into the container, arrived SL3 to halt the liquid injection. Close YV1 and then injected into another kind of liquid. Reach Level SL1 a halt. If the above process control using traditional manual control liquid flow, certainly will produce error, the error will cause the entire mixed scrapped. This in industrial production in the affirmative should not be allowed.

Along with the development of microprocessor technology, programmable controller for fast development of its technology and products are maturing. It is not only good to meet the performance characteristics of a wide range of industrial production control needs, but will deal with communications technology and information technology integration, increasingly makes its functions perfect. Along with the development of computer networks, as a programmable controller automation control networks and the general international network an important part in the industry and industrial many areas outside the play an increasing role. In addition, the application of various provisions of PLC technology processes movement, control circuits can be simplified, saving costs, increasing productivity. Industrial production in a variety of industrial liquid is often mixed-a process that, in this, the two will be the actual case of mixed liquid line analysis to adequately explained the importance of PLC control technology, as well as many advantages.

Key words: PLC the liquid mixture development trends liquid level sensor

、

目录

引 言 ..................................................................................... 错误！未定义书签。

一PLC 简介 . .............................................................................................................. 6

二PLC 控制器的特点 . .............................................................................................. 7

三PLC 的应用领域 . .................................................................................................. 7

四PLC 应用中需要注意的问题 . .............................................................................. 8

五PLC 控制器的发展趋势 . .................................................................................... 12

六可编程序控制器的工作原理 .............................................................................. 13

七PLC 控制系统的程序设计 . ................................................................................ 16 结 论 . ...................................................................................................................... 20 致 谢 ..................................................................................................................... 21

参考文献 .................................................................................................................. 22

引 言

工业控制计算机是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳配套产品，而工业可编程控控制器则在工控领域中占有主要的地位。

20世纪40年代末50年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧必要的调节主要靠最简单的测量仪表由工人操作。50年代末60年代初，我国研制生产的传感器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实行调节意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。70年代初末，分散型控制系统进入工控领域，解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。 PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电空装置。而新一代的PLC 具有PID 调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地应用于航天、冶金、轻工等行业。很多有名的PLC 厂家相继推出高速、高性能、微型的PLC 。 PLC也存在着一些严重的问题和缺点。主要是PLC 的软件、硬件系统结构是封闭而不是开放式的，绝大多数的PLC 是专用总线专用通信网络及协议编程虽多为梯形图，但各公司的组太寻址结构不一致，使各种PLC 互不兼容。国际电工协会在1992年颁布了IEC1131—3，为各PLC 厂家编程的标准化铺平了道路。应用PLC 技术实现各种规定的工序动作可以简化控制线路，节约成本提高劳动生产率。

此次设计的重点是怎样用PLC 来控制两种液体的混合，液体流向容器的量可以采用液面传感器进行控制。即当某种液体向容器中注入时，容器中的液面会不断上升，当液面接触到液面传感器时，液面传感器时，液面传感器会向PLC 提供一个输入，PLC 经过程序运算会产生一个使此种液体停止注入的输出。混合液体可能会进行搅拌混合，在对其加热，最后把混合液排到下一道工序。

一章PLC 简介

可编程序控制器(又称可编程控制器) 是以自动控制技术、微计算机技术和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置，目前已被广泛应用于各个领域。由于早期的可编程序控制器只能进行计数、定时以及对开关量的逻辑控制，因此，它被称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC 。后来，可编程序控制器采用微处理器作为其控制核心，它的功能已经远远超出逻辑控制的范畴，于是人们又将其称为 Programmable Controller，简称 PC。但个人计算机(Personal Computer) 也常简称PC ，所以为了避免混淆，可编程序控制器仍被称为PLC 。

1987年，国际电工委员会(IEC)在可编程序控制器国际标准草案第三稿中，对可编程序控制器定义如下：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其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机械或生产过程。可编程序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。

自从1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC ，并在美国GM 公司的汽车自动装配生产线上获得试用成功以来，由于PLC 优越的性能，其技术得到了飞速的发展。1971年，日本引进了这项技术并开始生产PLC 。1973年，原西德和法国也研制出自己的PLC 。随着微电子技术的迅猛发展，到20世纪80年代中期，PLC 的处理速度和可靠性大大提高，不仅增加了多种特殊功能，而且体积进一步缩小，成本大幅度下降。到20世纪90年代中期之后，PLC 几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，PLC 的各种智能化模块不断被开发出来。为了推动PLC 的应用，一些厂家还推出了PLC 的计算机辅助编程软件。

现在，PLC 不仅能进行逻辑控制，还在模拟量的闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制等方面都得到了广泛的应用。如今大中型，甚至小型PLC 都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID 功能。这些功能使PLC 的应用具有了硬件基础。另外，PLC 还具有较强的通信功能，可与计算机或其他智能装置进行通信和联网，从而方便地实现集散控制。

目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC ，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC 在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC 产品大致向两个方向发展：小型PLC 向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大、中型PLC 向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC 系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。

我国从20世纪70年代中期开始研制和开发国产PLC ，许多企业在PLC 的应用方面进行了积极的探索，取得了成功的经验和良好的效益。随着PLC 产品性能价格比的不断提高，中小企业普及应用PLC 的投资已经完全可以承受。可 以预见，PLC 技术的推广应用会使我国的工业自动化水平产生极大的飞跃。

二章PLC 控制器的特点

1. 灵活性和通用性强

继电器控制系统的控制电路要使用大量的控制电器，需要人工布线、焊接组装来完成的连接。如果工艺要求稍有变化，控制电路必须随着做相应的变动，耗时且费力。由于PLC 是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的，因此，在PLC 控制的系统中，当控制功能改变时只需要修改程序，外部接线改动及少，甚至可不必改动。一台PLC 可以通过改变程序而应用于不同的控制系统中，其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。

2. 抗干扰能力强、可靠性高

1) 硬件方面的抗干扰措施

A. 对电源变压器、CPU 、编程器等主要部件，均采用严格措施进行屏蔽，以防

外界干扰。

B. 对供电系统及输入电路采用多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰，也削

弱了各部分之间的相互影响。

C. 对PLC 内部所需的+5 V电源采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整，

以消除由于交流电网的波动引起的过电压、欠电压的影响。

D. 采用光电隔离措施，有效地隔离了内部与外部电路间的直接电联系，以减少

故障和误动作。

E. 采用模块式结构的PLC ，一旦某一模块有故障，可以迅速更换模块，从而尽

可能缩短系统的故障停机时间。

2) 软件方面的抗干扰措施

F. PLC 通过监控程序定时地对电源及强干扰信号等进行检测。当检测到故障时，

立即转入故障处理程序，保存当前状态，禁止对程序的任何操作，以防存储信息被破坏。待故障排除后，立即恢复到故障前的状态，继续执行程序。 G. PLC 设置了监视定时器，如果程序每次循环的执行时间超过了规定值，表明

程序已进入死循环，则立即报警。

H. 加强对程序的检查和校验，发现错误立即报警，并停止程序的执行。

I. 利用后备电池对用户程序及动态数据进行保护，确保停电时信息不丢失。 由于采取了以上措施，PLC 的抗干扰能力和可靠性得到了提高。

3. 编程语言简单易学

4. PLC 与外部设备的连接简单，使用方便

5. PLC 具有完善的功能和较强的扩展能力

三章PLC 的应用领域

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，使用情况主要分为如下几类：

1. 开关量逻辑控制

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。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2. 工业过程控制

在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC 采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。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。

3. 运动控制

PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。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，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4. 数据处理

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。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

5. 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。随着工厂自动化网络的发展，现在的PLC 都具有通信接口，通信非常方便。

四章PLC 应用中需要注意的问题

PLC 是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC 的正常运行，要提高PLC 控制系统可靠性，一方面要求PLC 生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：

A. 工作环境

温度

PLC 要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

✓ 湿度

为了保证PLC 的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

✓ 震动

应使PLC 远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

✓ 空气

避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

✓ 电源

PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC 都有直流24V 输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC 接收到错误信息。

B. . 控制系统中干扰及其来源

现场电磁干扰是PLC 控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。

✓ 干扰源及一般分类

影响PLC 控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

✓ PLC 系统中干扰的主要来源及途径

强电干扰

PLC 系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、

大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。

✓ 柜内干扰

控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC 造成一定程度的干扰。

✓ 来自信号线引入的干扰

与PLC 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

✓ 来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC ）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC 系统将无法正常工作。

✓ 来自PLC 系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

✓ 变频器干扰

一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量；二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

主要抗干扰措施

✓ 电源的合理处理，抑制电网引入的干扰

对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC 滤波电路。

✓ 正确选择接地点，完善接地系统

良好的接地是保证PLC 可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC 控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系

统混乱对PLC 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地

电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，

如果电缆屏蔽层两端A 、B 都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发

生异常状态如雷击时，地线电流将更大。

此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用

下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分

布，影响PLC 内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC 工作的逻辑电压干扰容限

较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC 的逻辑运算和数据存贮，造成数据混

乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控

的严重失真和误动作。

✓ 安全地或电源接地

将电源线接地端和柜体连线接地为安全接地。如电源漏电或柜体带电，可从

安全接地导入地下，不会对人造成伤害。

✓ 系统接地

PLC 控制器为了与所控的各个设备同电位而接地，叫系统接地。接地电阻值

不得大于4Ω，一般需将PLC 设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作

为控制系统地

✓ 信号与屏蔽接地

一般要求信号线必须要有唯一的参考地，屏蔽电缆遇到有可能产生传导干

扰的场合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地环路”。信号源接地

时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC 侧接地；信号线中间有接头时，

屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽

双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，

选择适当的接地处单点接点。

✓ 对变频器干扰的抑制

加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干

扰阻隔在隔离变压器之前。

使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的

干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。

使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变

频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

五章PLC 控制器的发展趋势

工业控制计算机(简称工控机) 是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，

目前已成为工业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产

自动化的最佳配套产品，而工业可编程序控制器(PLC)则在工控领域中占有主要

的地位。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。

PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC ）对PLC 的定义是：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

编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算

术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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形成一

个整体，易于扩充其功能的原则设计。

从结构上，PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC 包括CPU

板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC 包括CPU 模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块

可以按照一定规则组合配置。

1. 我国工业控制计算机的发展

20世纪40年代末50年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要

的调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。50年代末60年代初，我国研

制生产的传感器、变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调

节意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。70年代初，我国自行研

制的工控机开始应用于工业过程控制，它部分地取代了原来控制室内的仪表。但

由于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的可靠性远不如现在，工控机带来

的控制集中引起“危险”集中。70年代末，分散型控制系统(DCS)进入工控领域，

解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。DCS 可建立通信网络，

为大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。80年代初，适应性较强

的总线型工控机(STD)应运而生，STD 总线技术的推广和应用，使工控机的功能

更加强化。

2. 工业PLC 控制器(PLC)发展趋势

PLC 作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装

置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，

当今世界PLC 生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿

美元，占工控机市场份额的50%，PLC 将在工控机市场中占有主要地位，并保持

继续上升的势头。

PLC 在60年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接

到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的

PLC 具有PID 调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛

地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC 也面临着其它行业工控产品的

挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：

1. 微型、小型PLC 功能明显增强

很多有名的PLC 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC 。三

菱的FXOS14点(8个24VDC 输入，6个继电器输出) ，其尺寸仅为58mm×89mm，

仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC 的应用领域扩大到远离工业

控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、

娱乐场所和商业部门。

2. 集成化发展趋势增强

由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC 向集成化方向发展，PLC 与PC

集成、PLC 与DCS 集成、PLC 与PID 集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其

是以PC 为基的控制产品增长率最快。PLC 与PC 集成，即将计算机、PLC 及操作

人员的人—机接口结合在一起，使PLC 能利用计算机丰富的软件资源，而计算机

能和PLC 的模块交互存取数据。以PC 机为基的控制容易编程和维护用户的利益，

开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。

3. 向开放性转变

我国的PLC 生产目前也有一定的发展，小型PLC 曾存在严重的缺点，主要是

PLC 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC 是专用总线、专

用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一

致，使各种PLC 互不兼容。国际电工协会(IEC)在1992年颁布了IEC1131-3《可

编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC 厂家编程的标准化铺平了道路。现在

开发以PC 为基、在WINDOWS 平台下，符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体

系结构的PLC 正在规划中。小型PLC 已批量生产；中型PLC 已有产品；大型PLC

已开始研制。国内PLC 形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率

不超过10%，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星

电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自

动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势。

随着微处理器、网络通信、人—机界面技术的迅速发展，工业自动化技术日

新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。PLC 也由最初的只能处理开关量

而发展到可以处理模拟量和数据，加之与DCS 、PID 调节器、工业PC 等技术相结

合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而

发展生存下去。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将

来，是无法取代的。

六章可编程序控制器的工作原理

1. 扫描周期与工作过程

PLC 采用循环扫描的工作方式，它可以看成是一种由系统软件支持的扫描设

备，不论用户程序运行与否，都周而复始地进行循环扫描，并执行系统程序规定

的任务。每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期，每个扫描周期又分为五个

工作阶段，每个工

作阶段完成不同的任务。工作过程如图a 所示。

初

始

化公共处理执行程序扫描周期 计算处理I/O刷新外设端口服务

图a PLC循环扫描过程

2. 公共处理阶段

在每次扫描开始之前，CPU 都要进行监视定时器复位、硬件检查、用户内存

检查等操作。如果有异常情况，除了故障显示灯亮以外，CPU 还判断并显示故障

的性质；如果属于一般性故障，则只报警不停机，等待处理；如果属于严重故障，

则停止PLC 的运行。公共处理阶段所用的时间一般是固定的，不同机型的PLC

有所差异。

3. 执行程序阶段

在执行程序阶段，CPU 将指令逐条调出并执行。CPU 从输入映像寄存器和元

件映像寄存器中读取各继电器当前的状态，根据用户程序给出的逻辑关系进行逻

辑运算，运算结果再写入元件映像寄存器中。

的扫描时间不是固定的，其原因主要取决于用户程序中所用语句的条

数及每条指令的执行时间。因此，执行用户程序的扫描时间是影响扫描周期时间

长短的主要因素，而且，在不同时段执行用户程序的扫描时间也不尽相同。

4. 扫描周期计算处理阶段

若预先设定扫描周期为固定值(可由用户设定) ，则进入等待状态，直至达到该

设定值时扫描再往下进行。若设定扫描周期为不定(即取决于用户程序的长短

等) ，则要进行扫描周期的计算。扫描周期计算处理所用的时间很短。PLC 在正

常工作的情况下，扫描周期T 为

T = (运算速度×程序步数)+ I/O刷新时间 + 故障诊断时间

由于I/O刷新时间和故障诊断时间相对用户程序执行时间要小得多，因此扫

描时间主要由用户程序的长短和CPU 的运算速度决定。一般扫描时间达每秒钟可

扫描数十次以上，这对于一般的工业设备控制通常没什么影响。但对控制时间要

求较严格，响应速度要求快的系统，则应考虑PLC 的运算速度；并且应精确计算

响应时间，精心编排程序，合理安排指令的顺序；尽可能减少扫描周期造成的响

应延时等不良影响。由于PLC 是采用循环扫描的工作方式，因此它的输入/输出

响应速度受扫描周期的影响较大。

5. I/O刷新阶段

在I/O刷新阶段，CPU 与输入/输出电路直接打交道。从输入电路中读取各

输入点的状态，并写入输入映像寄存器中，也就是刷新输入映像寄存器的内容。

自此输入映像寄存器就与外界隔离，无论输入点的状态怎样变化，输入映像寄存

器的内容都保持不变，直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段才会写进新内容。另

外，CPU 还将所有输出继电器元件映像寄存器的状态传送到相应的输出锁存电路

中，再经输出电路的隔离和功率放大部分传送到PLC 的输出端，驱动外部执行元

件动作。I/O刷新阶段的时间长短取决于I/O点数的多少。

外设端口服务阶段

这个阶段里，PLC 检查是否有对编程器或计算机等的通信请求，若有，则进

行相应处理。例如，接收由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的

状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有对计算机的通信请求，

则也在这段时间内完成数据的接收和发送任务。

完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶段，周而复始地进行扫描。PLC

信号的传递过程如图b 所示。

I/O刷新执行用户程序I/O刷新

PLC 执行用户程序的过程中，输入映像寄存器的状态是不变的，而元件映像

寄存器的内容则随程序的执行在改变。前一步的计算结果随即作为下一步的计算

条件，这一点与输入映像寄存器完全不同。另外，程序的执行是由上而下进行的，

所以各梯级中的继电器线圈不可能同时改变状态，执行用户程序的结果要保持到

下一个扫描周期的用户程序执行阶段。

环扫描工作方式也为PLC 提供了一条死循环自诊断功能。在PLC 内部设置了

一个监视定时器(WDT)，其定时时间可设置为大于用户程序的扫描时间，在每个

扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下，监视定时器不会动作。

如果由于CPU 内部故障使程序执行进入死循环，那么扫描周期将超过监视定时器

的定时时间。这时监视定时器(WDT)动作使PLC 运行停止，以提示用户排查故障。

PLC 的主要性能指标

1) 存储容量

系统程序存放在系统程序存储器中。这里说的存储容量指的是用户程序存储

器的容量。用户程序存储器的容量决定了PLC 可以容纳用户程序的长短，一般以

字为单位来计算。中、小型PLC 的存储容量一般在8 K 字以下；大型PLC 的存储

容量可达到256 K字～2 M字；也有的PLC 用存放用户程序的指令条数来表示容

量。

2) 输入/输出(I/O)点数

I/O点数指PLC 面板上的输入、输出端子的个数。I/O点数越多，外部可接

的输入器件和输出器件就越多，控制规模就越大。因此，I/O点数是衡量PLC 性

能的重要指标之一。

3) 扫描速度

扫描速度是指PLC 执行程序的速度。一般以扫描1 K 字所用的时间来衡量扫

描速度。PLC 用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，用户可以通过比较各

种PLC 执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。

4) 编程指令的种类和条数

这也是衡量PLC 能力强弱的主要指标。编程指令种类及条数越多，其功能就

越强，即处理能力、控制能力越强。

5) 内部器件的种类和数量

内部器件包括各种继电器、计数器/定时器、数据存储器等。其种类越多，

数量越大，存储各种信息的能力和控制能力就越强。

6) 扩展能力

大部分PLC 可以用I/O扩展单元进行I/O点数的扩展；有的PLC 可以使用各

种功能模块进行功能扩展等。

7) 智能单元的数量

PLC 不仅能完成开关量的逻辑控制，而且利用智能单元可完成模拟量控制、

位置和速度控制以及通信联网等功能。智能单元种类的多少和功能的强弱是衡量

PLC 产品水平高低的一个重要指标，各个生产厂家都非常重视智能单元的开发。

近年来智能单元的种类日益增多，功能也越来越强。

8) 支持软件

为了便于对PLC 的编程和监控，各PLC 生产厂家相继开发出各类计算机支持

的编程和监控软件。性能优越的PLC 支持软件可方便地实现用户软件的编制和修

改，同时也可以对PLC 的工作状态进行有效的监控。

七章PLC 控制系统的程序设计

● 初始状

此时各阀门关闭，容器是空的。 YV1=YV2=YV3=OFF

SL1=SL2=SL3=OFF

M ＝OFF

● 起动操作

按下起动按钮，开始下列操作：

1 YV1=ON,液体A 流入容器；当液面到达SI3时，

Yell=OFF，YV2＝ON ；

2液体B 流入，液面达到SL1时，YV2=OFF，M ＝ON ，开始搅拌；

3混合液体搅拌均匀后（设时间为l0s ），M ＝OFF ，YV3＝ON ，放出混合液体；

4当液体下降到名 SL2时，SL2从ON 变为OFF ，再过20s 后容器放空，关闭

YV3，YV3=OFF，完成一个操作周期；

5只要没按停止按钮，则自动进入下一操作周期。

按一下停止按钮，则在当前混合操作周期结束后，才停止操作，使系统停

止于初始状态。

系统设计

按照控制要求，输入点有5个，即一个启动按钮、一个停止按钮和三个液面

指示传感信号。输出点共4个，即3个电磁阀YV1、YV2和YV3，一台电动机M 。因该系统所需程序容量不大，故仍选用小型机控制。现以CPM1A 机为例，实现上述控制。I/O分配见表1。

I/O分配见表

I/O连接图

梯形图

控制系统程序

1、LD 00000

2、OR 01000

3、OR TIM000

4、AND-NOT 00004

5、AND-NOT 00002

6、OUT 01000

7、LD 00004

8、AND-NOT 01003

9、OUT 01001

10、LD 00002

11、AND-NOT 01002

程序说明

按钮SB1（00000）、SB2（00001），四个液位传感器SL1（00002）、SL2（00003）、SL3（00004）

按下启动按钮按钮SB1（00000）电磁阀YV1得电，常开触点01000闭合形成自锁；

当A 液体到达SL3时YV1就OFF YV2就ON

SL3（00004）动作，电磁阀YV2(01001)得电动作

当液体B 流入，液面达到SL1时，YV2（01001）就OFF ，M （01003）就ON ，开始搅拌且时间10S 。

SL1（00002）动作，电动机（01003）得电、继电器时间（001）动作

TIM001常开触点闭合，电磁阀（01002）得电动作，（01002）形成自锁且放出混合液体。（00003）动作时间继电器（002）记时20S 且放完混合液体完成一个操作周期！

12、OUT 01003 13、TIM 001 #0100 14、LD TIM001 15、OR 01002 16、AND-NOT TIM002 17、OUT 01002 18、AND-NOT 00003 19、TIM 002 #0200 20、END

结 论

通过本次的毕业设计，我对可编程序控制器有了一个全新的认识。了解了可编程序控制器的基础知识，以及怎样根据实际要求来设计一套程序等。

可编程序控制器是为工业控制应用而设计的。早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，今天，这种装置的功能已经大大超出了逻辑的控制范围。其硬件结构主要中央处理单元（CPU ）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源和编程器几部分。

PLC 对用户程序的执行过程是通过CPU 的周期循环扫描并采用集中采样，集中输出的工作方式来完成的。PLC 投入运行后，其工作过程一般分成三个阶段，即输入采样，用户程序和输出刷新三个阶段。PLC 的技术性能包括一般性能、功能特征（基本单元）、输人性能、输出性能及其他性能。由于PLC 采用模块化结构，具有编程简单易学，安装维护方便的特点，在顺序控制、位置控制、数据处理和通信联网等方面有广泛的应用。

随着电子 技术和计算机的迅猛发展，PLC 的功能也越来越强大。现在，PLC 已广泛应用于工业控制的各个领域，PLC 、机器人技术、CAD/CAM技术共同构成了工业区自动化的三大支柱。

在实际生产中，多种液体混合是工业中经常遇到的一个工艺流程。本课题中，我们就两种混合进行了分析。两种液体自动混合是工业中经常遇到的一种工艺流程。液体流向容器的量可以采用液面传感器进行控制。即当某种液体向容器中注入时，容器中的液面会不断上升，当液面接触到液面传感器时，液面传感器时，液面传感器会向PLC 提供一个输入，PLC 经过程序运算会产生一个使此种液体停止注入的输出。混合液体可能会进行搅拌混合，在对其加热，最后把混合液排到下一道工序。

PLC 的应用是基于其以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列优点，因而在制造、冶金、能源、交通、化工、电力等领域有着广泛的应用，成为现代工业控制的支柱之一。根据这些特点，可将其应用形式归纳为以下几种：开关量逻辑控制、模拟量控制、过程控制、定时和计数控制、顺序控制、数据处理、通信和联网。

经过一个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个自考本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是困难的。

在这里首先要感谢我的指导老师叶俊、游佳。老师们平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，到设计草案的确定和修改等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为平常，但是老师们仍然细心地纠正设计中的错误。除了敬佩老师们的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

其次要感谢和我一起作毕业设计的同学，他们在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次毕业设计，并承担了大部分的工作量。如果没有他们的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。

最后在这里，我要要对所有帮助我的老师、同学表示真挚的感谢！如果没有他们的努力帮助和热情的支持，可能就没有此次毕业设计的成绩。最后，我再一次感谢所有关心和爱护我的人，你们辛苦了！

i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii. ix. 程周．电气控制与PLC 原理及应用．北京：电子工业出版社，2003.7 张万忠．可编程控制器应用技术．北京：化学工业出版社，2001.12 1. 戴一平．可编程序控制技术．北京：机械工业出版社，2001 余雷声．电气控制与PLC 应用．北京：机械工业出版社，2001 徐德，孙同景．可编程序控制器（PLC ）应用技术．济南：山东科学技术出版社，1995 李向东．电器控制与PLC ．京：工业出版社，2005 常低压电器与可编程序控制器．西安：西安电子科技大学出版社，2002 路林吉．王坚等．可编程序控制器原理及应用，北京：清华大学出版社，2002 吕景泉．可编程序控制技术教程，北京：高等教育出版社.2001 黄净. 电器及PLC 技术, 北京：机械工业出版社.2002