矿井提升机系统速度监测装置设计

2009届本科毕业论文 第 76 页 大 学本科生毕业设计姓 名： 学 号：学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 矿井提升机系统速度监测装置设计 专 题： 指导教师： 职 称： 教授 2009年6月 中国ccv大学毕业设计任务书学院 应用技术学院 专业年级 电气051 学生姓名 任务下达日期：2009年3月15日毕业设计日期：2009年3月15日至2009年6月10日毕业设计题目：矿井提升机系统速度监测装置设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：内容：1了解提升机电控系统2了解测速装置的原理与方法3采用S7-200PLC为主体设计测速装置的硬件、软件结构要求：1 选择作为主控设备的PLC及其模块2 外围电路设计3 行程和速度处理软件设计院长签字： 指导教师签字：中国ccv大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国ccv大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国ccv大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国ccv大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着矿石、物料、人员等的重要运输责任。对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。传统矿井提升机调速性能差，在启停车、制动、逻辑控制、速度监测等方面存在诸多安全问题，随着计算机和PLC技术的不断发展，采用先进的控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控制性能得到极大的改善，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新的高度，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行。本文基于西门子S7-200PLC为核心开发了矿井提升机速度监测系统，能够对矿井提升机的运行速度实时监测，指示罐笼在井筒中的位置，速度的显示通过PLC与上位机的通信，在上位机中进行显示。 本文首先介绍了矿井提升机控制系统的发展与现状，阐述了研究该系统的重要性和必要性。依据煤矿综合自动化系统的背景，结合煤矿提升机控制系统的发展趋势，分析了矿井提升机的运行特性和提升机速度监测的工作原理，确定了提升机运行速度的核心算法以及实现速度实时监测的方法。设计了测速系统的硬件电路；根据测速程序的核心算法，设计了各功能模块的程序流程图。根据矿井提升机运行的实际情况，分析了矿井提升机运行速度的各种保护，制订了相应的软硬件保护措施。关键词：可编程控制器； 矿井提升机； 通信ABSTRACTThe mine pit elevator is often called by the people the mine the pharynx and larynx, is the mine most important key equipment, is the underground mine and the outside only channel, is shouldering the ore, the material, the personnel and so on important transportation responsibility. To the elevator, the movement security and the reliability is very important. The traditional mine pit elevator velocity modulation performance is bad, is opening aspects and so on parking, brake, logical control, speed monitor to have many security problems, along with the computer and the PLC technologys unceasing development, uses the advanced control technology transformation tradition mine profession the tradition control system, thus enables the mine pit elevators control performance to have the enormous improvement, its automated level, the security, the reliability has achieved the new altitude, and uses modernized the management and the surveillance method safeguards elevators safe operation.This article was the core has developed the mine pit elevator speed observation system based on Siemens S7-200PLC, could to the mine pit elevators running rate real-time monitor, instruct that cages in well chamber position, the speed demonstration through PLC and the superior machine correspondence, carried on the demonstration in the superior machine. This article first introduced the mine pit elevator control systems development and the present situation, elaborated studies this systems importance and the necessity. Based on the coal mine synthesis automated systems background, unifies the coal mine elevator control systems trend of development, has analyzed the mine pit elevators operating characteristic and the elevator speed monitor principle of work, had determined the elevator running rates core algorithm as well as realizes the speed real-time monitor method. Designed has measured the fast systems hardware circuit; According to measured that the fast procedure the core algorithm, has designed various functional module program flow diagram. According to the mine pit elevator movements actual situation, has analyzed mine pit elevator running rate each kind of protection, has drawn up the corresponding software and hardware protective measures.Keywords: Programmable controller; the mine pit elevator; correspondence目 录1 绪论11.1课题背景11.2国内外的发展现状11.3课题主要内容32 矿井提升机电控系统概述32.1矿井提升系统简介32.1.1矿井提升系统的分类42.1.2矿井提升系统构成52.2矿井提升机系统结构分析53 矿井提升机速度监测系统设计63.1光电编码器概述63.1.1增量式光电编码器83.1.2绝对值式光电编码器83.2可编程控制器概述103.2.1可编程控制器结构组成113.2.2可编程控制器的工作原理163.2.3 S7-200系列可编程控制器功能概述193.2.4高速计数器原理及应用213.3可编程控制器速度监测系统设计243.3.1可编程控制器硬件设计243.3.2速度监测系统程序设计254上位机监测系统设计264.1 PLC与上位机的通信264.1.1串行通信接口标准274.1.2 PLC与计算机的连接与通信294.2联机调试及运行界面39结论40参考文献41附录A PLC程序43附录B 上位机VB程序49翻译部分52英文原文52中文译文63致谢741 绪论1.1课题背景近年来，随着社会经济的发展，煤炭的价格开始持续上涨，煤矿开采量呈现上升的趋势。而与此同时，矿井事故的发生率也越来越高，矿井安全生产越来越受到人们的重视。安全生产是任何煤矿企业都应强调的重中之重的问题，因为在矿井这一特殊生产环境中，若是发生事故，往往都是伴随着人员伤亡和巨大经济损失的惨重事故。矿井提升系统素有“矿井咽喉”之称，其中矿井提升机更是煤矿四种大型生产设备之一。矿井提升机是煤矿生产的重要设备，是联系井下与地面的主要运输工具，担负着提升煤炭、矿石和矸石、升降人员、下放材料、工具和设备等重要任务。矿井提升机能否安全可靠的运行，直接影响到煤矿生产人员的生命安全和煤矿的生产能力。国家煤矿安全监察局在2001年9月28日发布，自2001年11月1日起施行了煤矿安全规程，对矿井提升机的各项性能参数做出了明确的要求，以确保其安全运行。矿井提升机是矿井生产的重要设备，对提升机运行时的各个重要参数必须实时的监控，以保证提升机安全可靠的运行，其中对提升机运行速度的监控更是重中之重。目前，在工业自动化领域，利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器，以其高精度、高分辨率、高可靠性、体积小、使用方便，在自动测量和自动控制中得到了广泛的应用。1.2国内外的发展现状国外研制矿井提升机监控系统始于20世纪60年代，在提升机状态监控方面水平较高。特别是对闸控和速度监控等一些重要保护环节，设计更加合理，有些环节设置双重保护，如过速保护，过卷保护等。这些监控保护措施，对提升机的运行安全都是可靠的保证。下面简单介绍一下瑞典、德国和法国的提升机速度监控系统。瑞典的提升机速度保护功能齐全，系统可靠，能实现全自动开车。以单罐笼带平衡锤提升机为例，这种提升机配备有显示、监控、安全保护等电路。如:(1)制动系统故障保护:当制动闸发生故障，闸衬磨损、闸盘变形、低油位以及制动油泵、冷却风扇电动机过负荷等故障出现时均产生紧急停车;(2)全程的过速保护电路:包括加速区和全速区的过速保护，自动减速区的过速保护，爬行速度区的过速保护，当提升机在井筒中任何位置，速度超过额定速度的15%时，过速继电器动作，产生紧急停车。在爬行段当速度大于2m/s时，爬行继电器动作;(3)钢丝绳保护电路:包括对钢丝绳速度、打滑等的监控;(4)自动起动、运转电路:包括起动信号、自动起动控制、自动减速以及上/下运行控制、停车电路等部分;(5)提升机监控器:监视提升机在井筒中各个部位的运行状态，从而发出各种相应的指令，控制提升机安全可靠地运行。德国西门子公司全数字式提升机拥有世界上先进的数字驱动系统。它有如下特点:第一，紧急制动时的恒减速功能，第二，提升钢丝绳张力的动态监视功能，第三，提升系统及设备的动态显示和故障自诊断功能。主要由监控站，控制处理站，编程器和通讯总线四部分组成。控制处理站可实现本系统的逻辑过程控制功能和模拟量的检测，运算和调节功能。监控站的主要作用是通过与控制处理站的总线联络通讯，将控制处理站采集到的控制系统设备的状态信息输入到监控站中，通过已编制好的显示程序，以图形、表格形式动态地显示在显示器上，同时还可以通过操作键对对在程序中设定的操作量进行手动修改，以便进行设备的调整和试验。监控站的显示功能齐全，如:(l)主要数据显示:显示提升机的主要运行参数;(2)概貌显示:显示提升机的状态，实际控制方式，主要模拟信号，报警指示，故障及停车等数据;(3) AK显示:显示提升机控制系统，保护系统，变流器以及手动紧急停车按钮工作状态的数据;(4)提升机保护功能试验显示:此显示供进行提升机保护功能试验时使用，在该项显示上进行保护选择，并显示试验结果。显示功能包括接地故障监控，过速，减速段过速，过卷及制动五种；(5)绳张力显示等14种显示功能，使用户一目了然。法国的提升机对于安全保护的设置更加完善，设计的安全保护有60多种，按照对提升机的保护作用，分为二个系统。系统一，包括液压站故障，制动控制电路的故障以及速度控制系统的故障等。当这些故障出现时，均对提升机施加机械的(制动闸)或者电气的(晶闸管逆变制动)制动力矩，控制提升机紧急停车;系统二，包括提升机监控器，电枢整流器系统的电气故障等，这类故障出现时对提升机施加制动力矩，使之紧急停车;系统三，包括盘形闸控系统，调零系统，电源的接地保护以及电机，变压器超温保护等，这类故障出现时，提升机不需要紧急停车而只是切除基准速度信号，让提升机自动减速停车。另外在安全回路中，这些故障均设有旁路开关，当这些故障出现时，可以闭合旁路开关，将提升容器提升到井口，再做处理。我国也有一些大型矿井引进了国外的提升系统，但由于国外公司都有技术保密制度，其核心技术(如程序等)无法掌握，在使用、维修和零部件的供应上都受到限制。而对于大多数的中小煤矿来说，其系统高昂的价格也使难以承受的。 国产的矿井提升机经过广大技术人员的努力，电气传动系统也已经有了很大的发展，但在技术水平上还落后于国外同类产品的水平。电控系统主要以TKD交流拖动为代表，主令操作及故障监控仍采用传统的继电器控制线路，每台提升机需要数百个甚至上千个触点的继电器，系统可靠性差，故障率高，且不易维修，数目众多的控制线要和各种动力电缆通过狭小的井筒空间并行下井，安全性差，电磁干扰大。为了弥补这个薄弱环节，保证提升机的安全运行，自九十年代以来，国内开展了提升系统安全监控的研究工作，全国近十余厂家先后研制了提升机综合后备保护装置，“ TJHB-11型矿井提升机微机后备保护装置”，“KTA-UP系列矿井提升安全监控系统装置”，“ WKHB型微机控制绞车后备保护装置”，“M12-3B提升机综合后备保护仪”等一批提升机监控装置应运而生。1.3课题主要内容本论文在深入研究矿井提升机速度监测系统的基础上，采用光电编码器和上位机监控技术，实现了对提升罐笼实时位置、运行速度、提升方向等重要参数的监控，提高了系统的控制精度，保证煤矿生产的安全性与可靠性。本论文的主要内容包括：对矿井提升机监控系统的基本功能、速度检测装置的工作原理、可编程控制器的工作原理作简单的分析。(1) 选择合适的光电编码器，完成对提升机行程、速度等参数的采集，要求光电编码器能够实时的、准确的、高精度的完成物理量与电信号的转化。(2) 基于可编程控制器，编写相应的程序，对光电编码器送来的提升机运行信号处理。(3) 基于VB6.0，编写上位机监控程序，对提升速度、行程以及运行方向等参数的实时监控。2 矿井提升机电控系统概述2.1矿井提升系统简介矿井提升系统的主要组成部分是:提升容器，提升钢绳，提升机，天轮和井架以及装卸附属装置等。常用的提升容器是罐笼和箕斗，如下图2-1所示为竖井单绳罐笼提升设备示意图。重矿车在井底车场或中间中段车场被推入下方罐笼的同时，空矿车正在井口车场被推入另一罐笼。两条钢绳2的一端分别与井口和井底罐笼相连，另一端分别绕过天轮3引至提升机房，固定并以相反的方向缠绕在提升机1的卷筒上。提升机运行时，这两个罐笼就沿着井筒做上下运动，以完成提升重矿车和下放空矿车的任务。2.1.1矿井提升系统的分类矿井提升设备的主要组成部分是:提升容器、提升钢丝绳、提升机及拖动控制系统、井架、天轮及装卸载设备等。由于提升容器及提升机的结构和原理不同，矿井提升设备可构成不同的提升系统，常见的提升系统有:(1)主井箕斗提升系统;(2)副井罐笼提升系统;(3)多绳摩擦(主、副井)提升系统;(4)斜井串车提升系统;(5)斜井箕斗提升系统。2.1.2矿井提升系统构成以多绳摩擦式提升机为例，直流传动多绳摩擦式矿井提升系统主要由工作机构、制动系统、机械传动系统、润滑系统、观测和操作系统、拖动控制和自动保护系统，外加辅助部分等构成。1.工作机构主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。2.制动系统液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，是提升机最关键也是最后一道安全保障装置，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。3.机械传动系统机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。4.润滑系统润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。5.观测和操纵系统观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信号。6.拖动控制和自动保护系统拖动控制和自动保护系统包括主拖动电动机、微拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。矿井提升机自动保护系统的作用是:在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从fu实现对系统的保护。2.2矿井提升机系统结构分析多绳摩擦式提升机的工作原理是把钢丝绳搭放在主导轮上，两端各悬挂一个提升容器(也可一端悬挂平衡锤)，当电动机带动主导轮转动时，借助于安装在主导轮上的衬垫与钢丝绳之间的摩擦力带动钢丝绳，完成提升和下放的任务。目前，多绳摩擦式提升机己经成为提升机发展的方向，它的主要组成部分有：(1)工作机构。包括主轴装置及主轴承，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。主要作用有:缠绕或搭放钢丝绳;承受各种正常载荷以及在各种紧急制动情况下所造成的非正常载荷等。(2)制动系统。液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分之一，是提升机最关键也是最后一道安全保障装置。主要作用有:在减速停车或紧急制动情况下，能使提升机安全制动，迅速停车。因此，制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。(3)机械传动装置。包括减速器、离合器和连轴器。减速器的作用是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。(4)润滑系统。包括润滑油泵站和管路。主要作用有:在提升机工作时连续地向主轴承、减速器轴承和啮合齿面押送润滑油，以保证轴承和齿轮良好地工作。(5)检测及操纵系统。包括操纵台、深度指示器、传动装置和测速发电装置。主要作用有:操纵提升机完成提升、下放等动作;显示提升机运行情况及设备工作情况。(6)拖动控制和自动保护系统。包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统和信号系统。主要作用有:提供提升机提升、下放时所需的动力;控制提升机系统各个动作指令的准确实现;故障发生时自动将主电动机断电同时进行安全制动实现多系统的保护。(7)辅助部分。包括机座、机架、护罩和导向轮装置。3 矿井提升机速度监测系统设计3.1光电编码器概述光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅码盘和光电检测装置组成，光电码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个方形或圆形孔，发光元件和光敏元件分置在光电码盘两侧，二者组成的光电检测装置。光电编码器结构示意图3.1所示。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光电码盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。图3-1 光电编码器结构示意图此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号装置，两套光电装置产生的脉冲的相位有一定的差别，这也就产生了方向信号，如A装置产生脉冲相位超前于B相时是正转的话，反转时，B装置产生的脉冲相位就会超前于A装置产生的脉冲相位。光电编码器判断旋转方向的工作原理如图3.2所示。图3.2 光电编码器判断旋转方向工作原理图根据光电编码刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种：(1)增量式编码器(2)绝对式编码器(3)混合式绝对值编码器目前，工业控制中的定位设备中，光电编码器相对于接近开关、光电开光，有以下特殊功能及优点:(1)信息化:除了定位，控制室还可知道其具体位置;还可换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。(2)柔性化:定位可以在控制室柔性调整。(3)现场安装的方便安全:一个光电编码器，可以测量从几个林到几百米的距离、n个位置;只要解决一个光电编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和环境恶劣等问题;由于是旋转码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。(4)经济化:对于多个控制位置，只需一个光电编码器的成本，降低了安装、维护、损耗成本，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。3.1.1增量式光电编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。增量型编码器每转一圈可产生一系列的脉冲，脉冲的数量表示角位移的测量。按其输出方式的不同，可分为长线输出、开集输出、电压输出和推拉互补输出四种方式。按其机械结构的不同，可分为中空轴和带轴编码器，根据各自不同的特点可应用于各种不同的场合。编码器内有一圆盘编码盘，通常为一光学玻璃。编码盘最外圈的码道上均匀分布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。例如，一个每转5000脉冲的增量型编码器，其码盘的增量码道上共有5000个透光和不透光的扇形区这个编码盘被安装在编码器的旋转轴上，LED（光源)发射出平行且定向的光束照射在编码盘上，光敏元件接收被调制的光线并将其转化为两个相位相差90的正弦波，还有一些数字电子元件放大这些信号并将其整形成正交波的脉冲序列，由电缆传动输出。增量式旋转编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即分辨角度为:=360/n分辨率=1/n例如，条纹数为1024，则分辨角度=360/1024=0.3253.1.2绝对值式光电编码器绝对值式光电编码器是按照角度直接进行编码的传感器，可直接将测角用数字编码表不出来，且每一个角度位置均有对应的编码。这种编码信号是在计算机或数字控制装置中进行的。这种编码器需要复杂的光电元件，比增量式编码器成本要高。码盘的分辨率与码道数n的多少有关，码道越多，分辨率越高，其分辨角为:绝对值式编码器为每一个位置提供一具体数值(代码值)，与增量式编码器相比，绝对值式编码器只要安装好、供给工作电压并初始化后即可正常工作，且掉电后不丢失数值;而增量型编码器掉电后必须先调零才能继续使用。编码盘与增量式编码器类似，其上刻有透光和不透光的图形，这个编码盘被安装在编码器的旋转轴上，光源发射出的光经光学系统形成一束平行光投射在编码盘上，并与码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合，码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应一码道有一个光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光与否转换输出相应的电平信号（0或1)。绝对值型编码器可分为单转编码器(single-turn encoder)和多转编码器(multi-turn encoder)（1)单转编码器单转编码器根据测量步数将机械上一圈(0-3600 )分成一定的数值，编码器旋转一圈以后重新记数，最大测量范围为4096。（2)多转编码器多转编码器不仅检测角度位置，还记忆圈数，为实现这些功能，需将更多的刻度盘用轴承联结在编码器的旋转轴上其测量范围计算公式如下:测量范围=4096sX4096r式中:*为步数;r为转数(3)格雷码目前，光电编码器最常使用的代码是格雷码。格雷码的特点是:当一个数变化为下一个数时，在编码盘上只有一位发生变化(从亮变暗)，即每增加一位数仅变化一格。在二进制中，二进制码的各个位整体可表示一确定的数值，而格雷码不行，它不对应一确定的数值，而是通过SSI控制器将其转化为二进制/BCD码。格雷码充分利用各个数位，记数范围0-2。例如: =16，计数范围为0-15；=4096，计数范围为0-4095。测量范围可由计数范围得出，例如两个测量范围值360和1000，如果计数范围为76435，其测量范围为360；如果从12-1011计数，其测量范围为1000。格雷码的测量范围必须是以2为底的整数次幂作为基准在本系统设计中，光电编码器主要用于行程及速度的检测，使用增量式光电编码器就可以满足要求。选用PIE系列PIE-1024-GOSE型编码器，光电编码器与拽引机同轴旋转，拽引机直径1.85m，拽引机旋转一周罐笼运行5.812m，光电编码器旋转一周产生1024个脉冲，一个脉冲对应罐笼运行0.00567578m。3.2可编程控制器概述可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，人们常把可编程控制器称为可编程逻辑控制器PLC(Programmable logic Controller)。它是以微处理器为基础，在传统的继电器控制技术基础上，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术而发展起来的新型控制器，是用作数字控制的专用计算机。由用户编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出（I/O）来控制各种生产过程。在现代工业发展中，PLC技术、CAD/CAM技术和机器人技术并称为现代工业自动化的三大支柱。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。”世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。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控制器，使PLC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。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程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，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是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世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的主要特点如下：(1)可靠性高，控制功能强，适用于恶劣的工业环境；(2)模块化结构，扩展能力强，与外部设备连接方便；(3)体积小、重量轻、功耗低，性价比高；(4)维护方便，功能更改灵活，编程方便易学。3.2.1可编程控制器结构组成目前，PLC生产厂家很多，产品结构也各不相同，但其基本组成部分大致如图3-3所示。由图3-3可以看出，PLC采用了典型的计算机结构，主要由主机、I/O扩展接口及外围设备组成。PLC主机由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口、I/O扩展接口、通信接口、外围设备接口和电源等部分组成。下面介绍PLC主要组成部件及其主要作用。1. CPUCPU是PLC的核心部件，也是PLC的运算和控制中心。PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。CPU由微处理器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行时按照系统程序所赋予的任务进行的。PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器按其所处理的数据位数可分为4位、8位、16位和32位等。PLC大多使用8位和16位微处理器。控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊的进行工作，其基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。控制器接口电路时微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。微处理器通过它来实现与各个单元之间的可靠的信息交换和最佳的时序配合。图3-3 PLC的典型结构控制器的主要功能有以下几点：采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入输入影映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）。按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。将各种运算结果送到输出端。监测和诊断电源PLC内部电路工作状态，以及用户程序编程过程中出现的语法错误。根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，响应各种外围设备（如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2.存储器存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。PLC的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统存储器是PLC用于存放那个系统程序如指令（软件）等内容的部件，这部分存储器用户不能访问。用户存储器是为用户程序提供存储的区域，用户程序存储器容量的大小界定了用户程序的大小和复杂程度，从而决定了用户程序所能完成的功能和任务的大小。用户程序存储器的容量一般以字节为单位。小型PLC的用户程序存储器容量在1KB左右，典型PLC的用户程序存储器容量可达数兆字节（MB）。PLC的用户存储器一般包括几个部分，每一部分都有特定的功能和用途。PLC的存储器主要包括以下几类：只读存储器（Read Only Memory,ROM） ROM一般用来存放PLC的系统程序，其内容可读，但数据存储后不可再写或修改。大多数PLC采用了程序固化的运行方法，不仅将系统启动、自检及基本的I/O驱动程序写入ROM中，而且将各种控制、检测功能莫阔、用户组态的应用程序及所有固定参数也全部固化在ROM中，即所有的系统程序和绝大部分的用户程序都存储在ROM中。因此在PLC的存储器中，ROM占有较大的比例。只要接通电源，PLC就可以正常运行，所以ROM基本不受掉电、电噪声等的影响。ROM的内容只能读出，不能写入，是非易失的内容。可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory,PROM） 存入PROM的程序是用户用编程器一次性写入的，不能再改变。PLC很少使用PROM作为应用存储器。一般在使用这类存储器时需用RAM作永久备份。虽然PRO可编程，具有ROM的非易失性，但它需要专门的编程设备。一旦编程便不易修改或擦除，对程序的任意修改则要求有一组新的PROM芯片。可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory,EPROM） EPROM是特制的PROM，也是非易失的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。EPROM可视为半永久性存储器，可永久的存储某一程序直至需要修改。如果需要对芯片内容进行彻底清除，则只要将芯片窗口暴露在紫外线下约20min即可。在彻底清除EPROM原内容后可对程序进行重新编制。EPROM的永久存储能力及易修改的RAM特性使其构成了一个适宜的存储系统。电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Progammable Read Only Memory,EEPROM） EEPROM是非易失性存储器，然而也具有与RAM同样的编程灵活性。EEPROM的存储内容由用户写入，并可反复写入。在写入新的内容时，原来存储的内容会自动清除。随机存取存储器（Random Access Memory,RAM） RAM又称读/写存储器，信息可读、可写。在PLC中作为用户程序和数据的存储器。用户可以通过编程器读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM。RAM为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操作时需要修改的参数（如设定值、手动操作值、PID参数等）也需存入RAM中。另外，一些较先进的PLC还提供了在线修改用户程序的功能。由于RAM是一种挥发性的器件，即当供电电源关断后，其存储的内容会丢失，因此在实际使用中通称为其配备掉电保护电路。当正常电源关断后，由后备电池供电，保护器存储的内容不丢失。为了在关断PLC外部电源后，保存RAM中的用户程序和某些数据（如计数器的计数值）不会丢失，一般为RAM配备了一个锂电池。当电源发生间隙供电时保持其内容。通常锂电池可用2-5年，需要更换锂电池时，PLC面板上的“电池电压过低”发光二极管亮，同时有一个内部标志位变为“1”的状态，可以用它的常开触点来接通控制屏面板上的指示灯或声光报警器，通知用户及时更换锂电池。现在大多数PLC都是用带后备电池的RAM作为应用存储器。3.I/O接口I/O接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业过程控制现场之间的连接部件。PLC通过输入接口能够得到生产过程的各种参数，并向PLC提供开关信号量，经过处理后，变成PLC能够识别的信号。PLC通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现对工业现场执行机构的控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口必须能实现电平转换。输入接口的作用是把现场的按钮、各种开关或传感器等信号转变成PLC内部可以处理的标准信号。常用的输入接口按其使用电源不同可以分成3种类型，即直流输入接口、交流输入接口和交直流输入接口。输入接口采用光电耦合电路，如图3-2所示，它可以大大减少强电和电磁干扰。输出接口的作用是将PLC内部的标准信号转换为外部现场执行机构所需要的电开关量输出信号。PLC的输出接口也采用光电耦合电路设计，按PLC内部所使用的功率放大器件不同可分为晶体管型、晶闸管型及继电器型。晶体管型输出接口用于驱动直流负载。晶体管输出单元的驱动电路一般采用晶体管进行驱动放大，其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源，如图3-4所示。带负载能力为每个输出点一般1A左右，每个模块3A左右。晶体管开关量输出模块为无触点输出模块，使用寿命较长。晶体管输出电路的延迟时间小于1ms。晶闸管型输出接口电路用于驱动交流负载。该类型的输出接口为无触点开关，带负载能力一般为每个输出点1A左右，每个模块4A左右。双向晶闸管多用于交流负载，负载驱动能力比继电器型的大，可直接驱动小功率接触器。晶闸管型输出电路其响应时间介于晶体管型与继电器型之间继电器型输出接口既可以驱动交流负载，又可以驱动直流负载。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右。图3-3输入接口电路图3-4 晶体管型输出接口电路4.I/O扩展接口I/O扩展接口用来扩展PLC的I/O端子数。当用户所需要的I/O端子数超过PLC基本单元的I/O端子数时，即主机单元（带CPU）的I/O端子数不能满足I/O设备端子数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展接口（不带有CPU）与主机单元相连接，以增加PLC的I/O端子数，适应控制系统的要求。其他很多的智能单元也通过该接口与主机相连，PLC的扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。5.通信接口PLC配有各种通信接口，如RS-232、RS-422和RS-485等接口，这些通信接口有的需要通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实现通信。6.外围设备接口及特殊模块外围设备接口是可编程控制器主机实现人-机对话、机-机对话的通道。通过它，可编程控制器可以和编程器、彩色图形显示器、打印机等外围设备相连，也可以与其他可编程控制器或上位计算机连接。PLC还有许多特殊功能模块，主要包括模拟量I/O单元、远程I/O单元、高速计数模块、中断输入模块和PID调节模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能模块的种类也越来越多。7.电源PLC的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、稳压处理后，转换成满足PLC内部的CPU、存储器和I/O端子等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC的电源输入电压既有直流5V、12V和24V，又有交流110V和220V.3.2.2可编程控制器的工作原理PLC的一个工作过程一般有5个阶段：内部处理阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。当PLC开始运行时，首先清除I/O影响区的内容，其次进行自诊断，然后与外部设备进行通信连接，确认正常后开始扫描。对每个用户程序，CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号作周期性的程序循环扫描；如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令。如此周而复始不断循环，因此，PLC的工作方式是一种串行循环工作方式，如图3-5所示。（1）内部处理阶段在这一阶段，CPU监测主机硬件、用户程序存储器I/O模块的状态以及清除I/O映像区的内容等，即PLC进行各种错误监测（自诊断功能），若自诊断正常，则继续向下扫描。（2）通信处理阶段在通信处理阶段，CPU自动监测并处理各种通信端口接收到的任何信息，即检查是否有编程器、计算机或尚未PLC等通信请求，若有则进行相应处理，完成数据通信任务。譬如：PLC接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息发送给编程器进行显示，这称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。（3）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC首先扫描所有的输入端子，按顺序将所有输入端的输入信号状态（0或1表示在接线端上是否在承受外加电压）读入输入映像寄存区。这个过程称为对输入信号的采用，或称输入刷新阶段。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入下一步工作过程，即程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，而这些变化必须等到下一个工作周期的输入刷新阶段才能被读入。（4）程序执行阶段程序执行阶段又称程序处理阶段，是PLC对程序按顺序执行的过程。在程序执行阶段，PLC根据用户输入的控制程序，从第一条指令开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内如辅助寄存器和输出状态寄存器；并且只有输入映像寄存器存放的输入采样值不会发生变化，其他各种数据在输出映像寄存器或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。前面执行的结果可能被后面的程序所用到，从而影响后面程序的执行结果；而后面执行的结果不可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期，再次扫描前面程序时才有可能起作用。但是，在扫描过程中如果遇到程序跳转指令，就会根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段存入的对应输入端子状态。从输出映像寄存器“读入”对应处处映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，每一个元件（输出软继电器的状态）都会随着程序执行过程而变化。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新阶段。（5）输出刷新阶段当程序中所有指令执行完毕后，PLC将输出状态寄存器中所有输出继电器的状态，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，这就形成PLC的实际输出。输入采样、程序执行和输出刷新时PLC执行用户程序的3个主要阶段，这3个阶段构成PLC的一个工作周期。由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。图3-5 PLC的循环扫描过程由此可以总结出PLC在扫描过程中信号的处理规则如下：输入映像寄存区中的数据，取决于本扫描周期输入采样阶段所处的状态。在程序执行和输出刷新阶段，输入映像区中的数据不会因为有新的输入信号而发生改变。输出映像寄存区中的由程序中输出指令的执行结果决定。在输入采样和输出刷新阶段，输出映像区的数据不会发生改变。输出端子直接与外部负载连接，其状态由输出装填寄存器中的数据来确定。3.2.3 S7-200系列可编程控制器功能概述西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列PLC,除了一般PLC具有的定时/计数控制、条件控制、数据处理、运动控制和过程控制功能外，还具有多种其他功能，使得编程控制时更加灵活、方便。执行指令速度高。CPU 执行每条二进制指令的时间为0.37s。丰富的指令功能。