升降电梯控制系统设计

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1、垂直升降电梯控制系统的分析1引言随着城市建设的不断发展，高层建筑的不断增多，电梯作为高层建筑中垂直运行的交通工 具已与人们的日常生活密不可分。日前电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为 信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选 运行功能，拖动控制则由变频器来完成；第二种控制方式用可编程控制器取代微机实现信号 控制。从控制方式和性能上来说，这两种方法并没有太大的区别oPLC可靠性高，程序设计 方便灵活。本设计在用尸LC控制变频调速实现电流、速度双闭环的基础上，在不增加硬件 设备的条件下，实现电流、速度、位移三环控制。2硬件电路21硬件结构PLC为西

2、门子公司S7-200系列CPU221, PLC接受来自操纵盘和每层呼梯盒的召唤信号、 轿厢和门系统的功能信号以及井道和变频器的状态信号，经程序判断与运算实现电梯的集选 控制。PLC在输出显示和监控信号的同时，向变频器发出运行方向、启动、加/减速运行和 制动电梯等信号C2. 2电流、速度双闭环电路采用YASAKWA公司的VS 一 61665 CIM- RG5A 4022变频器。变频器本身设有电流检测装置， 由此构成电流闭环：通过和电机同轴联结的旋转编码器，产生a, b两相脉冲进入变频器， 在确认方向的同时，利川脉冲计数构成速度闭环。3位移和运行曲线控制电梯作为一种载人工具，在位势负载状态下，除要

3、求安全可靠外，还要求运行平稳，乘坐 舒适，停靠准确，理想的运行曲线3.1位移控制 采用变频调速双环控制可基本满足要求， 但和国外高性能电梯相比还需进一步改进。本设计一正是基于这一想法，利用现有旋转编码 器构成速度环的同时，通过变频器的尸G卡输出与电机速度及电梯位移成比例的脉冲数，将 其引入尸LC的高速计数输入端口 0000通过累计脉冲数，经式(1)计算出脉冲当量，由此确 定电梯位置。32速度控制本方法是利用PLC扩展功能模块D / A模块实现的，事先将数字化的理想速度曲线存入尸 LC寄存器，程序运行时，通过查表方。一忆写入D/A，由D/A转换成模拟量后将理想曲线 输出。3. 2. 1加速给定曲

4、线的产生6位。/A输出0-5V/0-V 1 0V,对应数字值人16进制数00FF，共255级。东洋电梯 加速实践在2. 5-3秒之问。按保守值计算，电梯加速过程中每次查表的时间间隔不亘超过 10ms。由于电梯逻辑控制部分程序最大，而尸LC运行采用周期扫描机制，因而采用通常 的查表方法，每次查表的指令时间间隔过长，不能满足给定曲线的精度要求。在PLC运行过 程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作 都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行的，每个循环都要对所有功能进行查询、判断和 操作。在一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制有其方便的一面，

5、但实时 性差。过长的扫描时间，直接影响系统对信号响应的效果，在保证控制功能的前提下，最大 限度地缩短CPU的周期扫描时间是一个很复杂的问题。一般只能从用户程序执行时间最短采 取方法。电梯逻辑控制部分的程序扫描时间已超过10ms,尽管采取了 1些减少程序扫描时 间的办法，但仍无法将扫描时间降到10ms以下。同时，制动段曲线采用按距离原则，每段 距离到的响应时间也不宜超过1 Oms o为满足系统的实时性要求，本文在速度曲线的产生方式中，采用中断方法，从而有 效地克服了尸LC扫描机制的限制。本文采用的PLC有三种中断功能：（1）外部中断；（2）高速计数内部中断（3）定周期中断。 前两种中断各有8个中

6、断点，后一种有4个中断点。在程序中采用了后面两种中断方式起 动过程采用定周期中断，制动过程采用高速计数内部中断。中断服务程序放在主程序后，运 行状态检测运行保护内选外呼等逻辑控制均在主程序中实现。而运行条件的判断运行 模式的选择查表等与运行曲线产生有关的程序 放在中断服务程序中。起动加速运行由定周期中断服务程序完成。这种中断不能由程序进行开关，一旦设定，就 一直按设定时间间隔循环，一，断，所以，起动运行条件需放在中断服务程序中，在不满 足运行条件时，中断即返回。3. 2. 2减速制动曲线的产生 为保证制动过程的完成，需在主程序中进行制动条件判断和减速点确定。在减速点确定之前，电梯一直处于加速或

7、稳速运行过程中。加速过程由固定周期中断完成；加速到对应模式 的最大值之后，加速程序运行条件不再满足，每次中断后，不再执行加速程序，直接从中断 返回。电梯以对应模式的最大值运行，在该模式减速点到后，产生高速计数中断，执行减速 服务程序。在该中断服务程序中修改计数器设定值的条件，保证下次中断执行。 在 PLC 的内部寄存器中，减速曲线表的数值由大到小排列，每次中断都执行一次表指针加，操作， 则下一次中断的查表值将小于本次中断的查表值。门区和平层区的判断均由外部信号给出， 以保证减速过程的可靠性。4程序设计利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入尸LC的高速计数输入端，构成位置反馈.高速计 数器累加的脉

8、冲数反映电梯的位置高速计数器的值不断地与各信号点对应的脉冲数进行比 较，由此判断电梯的运行距离，换速点，平层点和制动停车点等信号。理论上这种控制方式 其平层误差可在个脉冲当量范围.在考虑减速机齿轮合间隙等机械因素情况下，电梯的平层 精度可达内，大大低于国标的标准，满足电梯起制动平滑，运行平稳，平层准确的要求.电 梯在运行过程中，通过位置信号检测，软件实时计算以下位置信号：电梯所在楼层位置，快 速换速点，中速换速点，IT区信号和平层位置信号等.由此省去原来每层在井道中设置的 上述信号检测装置，大大减少井道检测元件和信号连接，降低成本。下面针对在实现集选控 制基础上新增添的楼层计数，快速换速，中速

9、换速，门区和平层信号5个子程序进行介绍。4. 1楼层计数 本设计采用相对计数方式.运行前通过自学习力一式，测出相应楼层高度脉冲数，对应17层电梯分别存入16个内存单元D01 一 D16o楼层计数器CNTIO为一双向计数器，当到达各层的楼层计数点时，根据运行方向进行加， 或减计数。运行中，高速计数器累计值实时与楼层计数点对应的脉冲数进行比较，相等时发出楼层计 数信号，上行加1，下行减1，为防止计数器在计数脉冲高电平期间重复计数，采用楼层计 数信号上沿触发楼层计数器。4.2快速换速当高速计数器值与快速换速点对应的脉冲数相等时，若电梯处于快速运行且本层有选层信 号，发快速换速信号.若电梯中速运行或虽

10、快速运行但本层无选层信号，则不发换速信号。 中速换速与快速换速判断方法类似，不再重复。4. 3门区信号当高速计数器CNT47数值在门区所对应脉冲数范围内时，发门区信号.平层信号与区信号 判断方法类似，不再重复。4. 4脉冲信号故障检测脉冲信号的准确采集和传输在本系统中显得尤为重要，为检测旋转编码器和脉冲传输电路 故障，设计了有无脉冲信号和错漏脉冲检测电路，通过实时检测确保系统正常运行。为消除 脉冲计数累计误差，在基站设置复位开关，接入PLC高速计数器CNT47的复位端0001。5结论本文所述系统基于电气集选控制原则，采用脉冲计数方法，用脉冲编码器取代井道中原有 的位置检测装置，实现位移控制，用

11、软件代替部分硬件功能，既降低系统成本，又提高了系 统的可靠性和安全性，实现电梯的全数字化控制。在实验室调试的基础上，采用上述方法，实地对两台17层电梯进行改造，经有关部分检测和近一年的实际运行表明，系统运行可靠，乘坐舒适，故障率大为降低，平层精度在5mm 以内，取得了良好机行电一体化的发展趋势现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领 域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展 及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、 功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化” 迈入了“机电

12、一体化”为特征的发展阶段。一、机电一体化概要机电一体化是指在机构得主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电 子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体 化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还 将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综 合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控 技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根 据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、 高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价

13、值，并使整个系统最优化的系统工程技 术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术 是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及 其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化 在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械， 其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装 置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自 动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保

14、护等。即机电一体化产 品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是 机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。二、机电一体化的发展状况机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段， 这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果 来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电 子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了 积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发 展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已

15、经 开发的产品也无法大量推广。20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控 制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规 模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。 这个时期的特点是：mechatronics 词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪 80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极 大发展；各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一 体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等

16、进入了机电一体化，微细加工 技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支； 另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系 和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技 术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究， 将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一 体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展 纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向三、机电一体

17、化的发展趋 势 机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它 的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方 向如下：3.1智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一 体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里 所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、 运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法, 模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的 控制目标。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相

18、同的智能，是不可能的，也是 不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的 部分智能，则是完全可能而又必要的。3.2模块化模块化是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研 制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单 元是一项十分复杂但又是非常重要的事。如研制集减速、智能调速、电机于一体的 动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成 典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大 生产规模。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突, 近期很难

19、制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显 然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一 体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带 来美好的前程。3.3网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。网络技术的兴起和飞 速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大 的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。机电一 体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于 网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的

20、终端设 备本身就是机电一体化产品。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势， 利用家庭网络(home ne t)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电 系统(computer integrated appliance system, CIAS)，使人们在家里分享各种高 技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。3.4微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发 展的趋势。国外称其为微电子机械系统(MEMS)，泛指几何尺寸不超过lcm3的机电 一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵 活，在生

21、物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶 颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术， 它包括光刻技术和蚀刻技术两类。3.5绿色化工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一 方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自 然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设 计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对 生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远 大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时

22、不污染生态环境，报废 后能回收利用。3.6系统化系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结 构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和 综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS 人格化。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层 含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人 的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机 一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一 体化产品都是受动物的启发研制

23、出来的。四、典型的机电一体化产品机电一体化产品分系统（整机）和基础元、部件两大类。典型的机电一体化系统 有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD /CAM系统等。典型的机电一体化元、部件有：电力电子器件及装置、可编程序控 制器、模糊控制器、微型电机、传感器、专用集成电路、伺服机构等。五、我国发展“机电一体化”面临的形势和任务机电一体化工作主要包括两个层次：一是用微电子技术改造传统产业，其目的 是节能、节材，提高工效，提高产品质量，把传统工业的技术进步提高一步；二是 开发自动化、数字化、智能化机电产品，促进产品的更新换代。（一）我国“机电一体化”工作面临的形

24、势1. 我国用微电子技术改造传统工业的工作量大而广，有难度2. 我国用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率的呼声高，有压力。3. 我国用机电一体化产品取代技术含量和附加值低，耗能、耗水、耗材高，污染、 扰民产品的责任重，有意义。在我国工业系统中，能耗、耗水大户，对环境污染严 重的企业还占相当大的比重。近年来我国的工业结构、产品结构虽然几经调整，但 由于多种原因，成效一直不够明显。这里面固然有上级领导部门的政出多门问题， 有企业的“故土难离”“死守故业”问题，但不可否认也有优化不出理想的产业， 优选不出中意的产品问题。上佳的答案早就摆在了这些企业的面前，这就是发展机 电一体化，开发和生

25、产有关的机电一体化产品。机电一体化产品功能强、性能好、 质量高、成本低，且具有柔性，可根据市场需要和用户反映时产品结构和生产过程 做必要的调整、改革，而无须改换设备。这是解决机电产品多品种、少批量生产的 重要出路。同时，可为传统的机械工业注入新鲜血液，带来新的活力，把机械生产 从繁重的体力劳动中解脱出来，实现文明生产。（二）我国“机电一体化”工作的任务我国在机电一体化方面的任务可以概括为两句话:一句话是广泛深入地用机电一 体化技术改造传统产业；另一句话是大张旗鼓地开发机电一体化产品，促进机电产 品的更新换代。总的目的是促进机电一体产业的形成、为我国产业结构和产品结构 调整作贡献。六、我国发展“

26、机电一体化”的对策（一）加强统筹安排，协调发展计划目前，我国从事“机电一体化”研究开发及生产的单位很多。各自都有一套自 己的发展策略。各单位的计划由于受各自立足点、着眼点的限制，难免只考虑局部 利益，各主管部门的有关计划和规划，也有统一考虑不足，统筹安排不够的问题， 同时缺少综观全局的有权威性的发展计划和战略规划。（二）强化行业管理，发挥“协会”作用目前，我国“机电一体化”较热，而按目前的行业划分方法和管理体制，“政出多 门”是难哆的。因此，我国有必要明确一个“机电一体化”行业的统管机构，根据 目前国家政治体制改革和经济体制改革的精神，以及机电一体化行业特点，我们建 议，尽快加强北京机电一体化

27、协会的建设，赋予其行业管理职能。“协会”要进一 步扩大领导机构理事会的代表层面和复盖面，要加强办公室、秘书处的建设； 要通过其精明干练的办事机构、经济实体，组织“行业”发展计划、战略规划的拟 制；指导行业布点布局的调整，进行发展突破口的选择，抓好重点工程的试点和有 关项目的发标、招标工作（三）优化发展环境、增大支持力度优化发展环境指通过宣传群众，造成一种社会上下、企业内外都重视、支持“机电 一体化”发展的氛围，如尽快为外商到我国投资发展“机电一体化”产业提供方便； 尽可能为兴办开发、生产机电一体化产品的高新技术企业开绿灯；尽力为开发、生 产机电一体化产品调配好资源要素等。增大支持力度，在技术政

28、策上，要严格限制耗电、耗水、耗材高的传统产品的发展, 对未采用机电一体化技术落后产品限制强制淘汰；大力提倡用机电一体化技术对传 统产业进行改造，对有关机电一体化技术对传统产业乾地改造，对有关技术开发、 应用项目优先立项、优先支持，对在技术开发、应用中做出贡献的单位领导、科技 人员进行表彰奖励等。（四）突出发展重点，兼顾“两个层次”机电一体化产业复盖面非常广，而我们的财力、人力和物力是有限的，因此我 们在抓机电一体化产业发展时不能面面俱到、平铺直叙，而应分清主次，大胆取舍， 有所为，有所不为。要注意抓两个层次上的工作。第一个层次是“面上”的工作， 即用电子信息技术对传统产业进行改造，在传统的机电

29、设备上植入或嫁接上微电子 （计算机）装置，使“机械”和“电子”技术在浅层次上结合。第二个层次是“提高” 工作，即在新产品设计之初，就把“机械”与“电子”统一起来进行考虑，使“机 械”与“电子”密不可分，深度结合，生产出来的新产品起码正做到机电一体化。七、结语综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是 社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机电一体化相关的技术还有很多, 并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技 术的广阔发展前论将越来越光的发展前景1、PLC即可编程控制器(Programmable logic Controller，

30、是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(In terna ti onal Elec trical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数 字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方

31、面有很重要的 应用，可以说有半导体的地方就有PLC“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。”PLC的特点2.1可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。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。 例如三菱公司生产的F

32、系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU 的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制 系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至 数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC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。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊 断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系 统具有极咼的可靠性也就不奇怪了。2.2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规 模的工业控制场合。

33、除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能 力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了 位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。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。2.3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，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语 言易于为工程技术人员接受。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

34、打开 了方便之门。2.4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。2.5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。3。PLC基础知识1.1 PLC的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件 进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动

35、作的控制，及大量离散量的数据采 集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。4. 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，使用情况大致可归纳为如下几 类。4.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它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。4.2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等 都是模拟量。

36、为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字 量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换 模块，使可编程控制器用于模拟量控制。4.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开 关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在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。世界上各主要PLC厂家的 产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,PLC

37、 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中 用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能 模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。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。4.5数据处理现代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。这些数据可 以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传 送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人 控制的柔性制造系统；

38、也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些 大型控制系统。4.6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。随着计算机控制的发展， 工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各 自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。5. PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按 照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功 能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM （通用汽车）公司提出取代 继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备

39、公司（DEC）研制出了基于集成电路 和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可 编程序控制器，称Programmable，是世界上公认的第一台PLC.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

40、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。个人计算机（简称PC）发 展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名 为 Programmable Logic Controller （PLC）。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

41、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。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为3040%。 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，PLC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

42、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

43、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。6. PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于 可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品 种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性 上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更 好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况 会随着国际竞争的加剧而打

44、破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现 国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算 机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控 制系统DCS (Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。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。论嵌入式系统嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般 由嵌入

45、式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部 分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件 和I /0端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（0S）（要求实时和多 任务操作）和应用程序编程。有时设 计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控 制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从 而使内部的代

46、码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断。3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理 出器。4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设 备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至uW级。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式 CPU大多工作在为特定用户群设计的系统

47、中，它通常都具有低功耗、体积小、集成 度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也 越来越紧密。2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。3嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞 争力。4. 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进 入市场，具有较长的生命周期。5. 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片 或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。6. 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其 中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。