基于PLC立体车库控制系统设计说明书

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1、四 川 理 工 学 院毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目 基于PLC的立体车库 控制系统设计 学 生 曾 勇 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及自动化 机电03.1 学 号 030110229 指 导 教 师 孙 祥 国 四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于PLC的立体车库控制系统设计 系：机电工程系 专业：机械设计制造及自动化 班级：机电031 学号：030110229学生： 曾 勇 指导教师： 孙 祥 国 接受任务时间 2007/3/5 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1. 确定车库类型的选择2

2、. 绘制立体车库的平面结构简图 3. 列出进出车库、停车库两个系统的输入/输出信号 4. 根据I/O点数确定PLC的型号，并选址 5. 编写进出车库、停车库系统的逻辑梯形图 2指定查阅的主要参考文献及说明1.宫淑贞、王东青.可编程序控制器原理与应用.北京：人民邮电出版社，2002.72.徐世许.可编程序控制器原理应用网络.安徽：中国科学技术大学，2000.93.杨公源.可编程序控制器原理与应用.北京：电子工业出版社，2004.54.刘涳.常用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，20053进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1学习PLC、搜集资料、了解机械式车库的发展

3、2007.3.5-2007.3.252对比立体车库的类型、确定选用车库的类型2007.3.26-2007.4.23确定PLC的型号、输入信号与输出器件2007.4.3-2007.5.34编写车库门、车库内部控制梯形图2007.5.4-2007.5.225编写说明书 、绘图并总结2007.5.23-2007.6.56评阅及答辩2007.6.6-2007.6.24摘 要摘 要自动化立体车库是集自动化技术、机器人技术、计算机技术为一体的智能化、立体化的物流储运系统，能够自动而可靠的完成车辆的存储以及相关信息的管理。对该系统的开发与研究，可以解决我国停车难的问题，具有非常大的理论意义和使用价值。在程序

4、设计之前，首先确定车库的类型和平面结构。不同立体车库机构的布置和同一立体车库机构的选择等都不相同，所以对应的控制系统部分也就相应地有差别。由于堆垛式立体车库的运行效率高、可靠性好等，且能实现全自动化管理，具有广泛的应用前景，因此利用PLC（可编程序控制器）设计一个地下堆垛式立体车库的控制系统。而在设计的过程中，为了便于系统的检查，理清系统思路，尝试把进出车库的控制系统和智能搬运系统、堆垛控制系统分开来设计。整个系统的设计充分体现了PLC在自动控制中的优势。该设计的方法是：以平面停车场为核心，依靠油泵、电机等移动车位，利用PLC指令来控制车位位置变动进程。设计一种新型双层机械式停车库控制系统，文

5、中提出了软件设计的方法，并改进了速度。这种方法具有普遍意义，可用于任意车位的设计。本文概述了我国停车场的现状，提出了在市区建设立体车库的必要性；并简单概括了自动化立体车库的类型、特点和选型标准等等；还介绍了PLC的系统结构、工作原理、工作方式和编程的规则等；最后详细介绍了地下堆垛式立体车库和控制系统结构、工作原理、软件的实现，分析了系统的控制流程和PLC控制的梯形图。该系统实现了立体车库的有效控制与管理，充分发挥该车库的特点。关键词：控制系统，PLC，传感器，堆垛式立体车库AbstractAutomated multi-layer garage is a intellectualized an

6、d stereoscopic system of physical distribution 、storage and transportation, which bases on automated technique、robot technology and computer technology. It can complete the storage of vehicle and the management of related information automatically and reliably. The development and research of this s

7、ystem could solve the parking problem in our country, so it is possessed of significant theoretical meaning and use value.The Before programming, the type of garage and its planer construction are made certain. The mechanisms placement of different Multi-layer Garages is dissimilar, so is the mechan

8、isms selection of the same multi-layer garages. As a result, the corresponding part of control system makes a difference. Because multi-layer garages operating efficiency is high、 its reliability is good. It can implement full automation management, so it possesses the extensive application foregrou

9、nd. Programmable logic controller is use to design an automatic control system for stow-typed multi-layer garage under ground in this paper. In the course of design, In order to check the system and know the thought of it easily, so the control systems were tried to design respectively, containing t

10、he garage control system、the intelligent transit system and stow control system. The whole system shows PLCs advantage fully in the automatic control.The status quo of garage in our country is summarized in this paper, the necessity of building a stereo-garage in a downtown is advanced as well. We i

11、ntroduce the types、features and the standard of electrotype of the automated multi-layer garage, etc. And then the system organization、principle of operation、operate mode and programmatic rule of PLC are introduced; at last, its system configuration, operating principles, soft realization are detail

12、ed introduced. Flow control and ladder diagram of PLC are analyzed. This system makes automated multi-layer garage controlled and managed in effect, and gives full play to the garages characteristic.key words：Control system; PLC; Sensor; Tow-typed multi-layer garage 27目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 本文

13、的目的和意义11.2 国内外立体车库的研究现状11.2.1 国外立体车库的发展现状11.2.2 我国立体停车库的发展现状11.3 研究的主要内容、目标和方法2第2章 自动化立体车库的简介42.1 自动化立体车库的类型42.1.1 水平循环式立体停车库42.1.2 垂直循环式立体车库52.1.3 垂直升降式立体车库52.1.4 升降横移式立体车库62.1.5 输送带式立体停车库72.2自动化立体车库的特点82.3 立体车库的主要技术指标92.3.1 适用车型92.3.2 停车车位空间92.3.3 库容与库容利用率102.3.4 车辆存取时间102.4 立体车库设计选型的要点112.4.1 立体车

14、库库址选择112.4.2 适用车型的确定112.4.3 立体车库容量的确定122.4.4 选型12第3章 可编程序控制器（PLC）的简介133.1 可编程序控制器的特点133.2 PLC的硬件结构143.2.1 中央处理单元（CPU）153.2.2 开关量输入/输出单元153.3 PLC的工作原理183.3.1 输入刷新阶段193.3.2 程序执行阶段193.3.3 输出刷新阶段193.4 可编程序控制器的编程方式213.4.1 梯形图语言223.4.2 指令助记符语言233.5 PLC应用编程的原则和步骤233.5.1 编程中遵循的基本原则233.5.2 编程的进行步骤24第4章 堆垛式立体

15、车库的系统构成254.1运行原理和特点254.2 车库系统的结构254.3 信息管理系统264.3.1 上位机264.3.2 热备机系统274.4 出入口控制系统274.4.1 服务器274.4.2 激光检测系统274.4.3 主控PLC系统274.5 智能机械系统284.5.1 堆垛机系统284.5.2 水平交接系统28第5章 立体车库控制系统的设计295.1 进出车控制系统的设计295.1.1 系统设计295.1.2 梯形逻辑图325.1.3 小结345.2 地下停车库控制系统设计355.2.1 系统构成和工作原理355.2.2 堆垛机到位原理365.2.3 控制系统设计365.2.4 逻

16、辑梯形图415.3 控制系统的改进和运行速度的改善42结 论44参考文献45致 谢47附录1：指令语言48四川理工学院毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 本文的目的和意义作为现代大都市的标志，立体建筑和立体交通都有了显著发展，道路拥挤、车满为患已成为当今快节奏社会中的最不和谐之音，发展立体停车已成为人们的共识。目前我国经济正处在高速发展时期。随着人们生活水平的不断提高和加入世界贸易组织步伐的加快，汽车普遍进入家庭已为期不远，停车市场前景广阔。机械式立体停车库既可以大面积使用，也可以见缝插针设置，还能与地面停车场、地下停车库和停车楼组合实施。是解决城市停车难最有效的手段，是停车产业发展的必经之

17、路。1.2 国内外立体车库的研究现状介绍国内与国外在立体车库发展上存在的差距，并着重指出我国现在静态交通相对于动态交通的滞后，并且影响了动态交通的正常运行。1.2.1 国外立体车库的发展现状在50多年前，立体停车就在国外有所发展，先后出现了针对家庭使用双层停车设备，在一块停车面积上停放两辆汽车；利用住宅空地建起2-4层升降横移停车设备，停车面积利用率提高2-4倍；建起适合城市中心商住区使用的停车楼和停车塔，使单位停车面积进一步减小；利用广场、建筑物下面的空间建设地下停车库，使地下停车几乎不占地面空间。自70年代末起，世界经济高速发展，汽车逐渐普及，保有量不断增加，迫使地少人多、车多的国家、地区

18、和一些发达国家积极开展了机械式停车技术的研究开发制造应用，以日本、美国、德国等为代表的发达国家在停车技术领域的研究处于世界领先水平，韩国和港、澳、台地区的停车业也通过引进、移植、制造，得到了蓬勃发展，较好地解决了本地区的停车难，并开始向外输出技术和出口产品。1.2.2 我国立体停车库的发展现状我国城市停车还处在初级阶段，专用和公共停车位数量和合理的车位与车辆比率相差甚远，停车难到处可见。目前我国的停车场仍以平面停车场、路上停车场、路外停车场、自行式停车场为主，立体停车库和机械式停车场数量还很少。以我国停车产业发展较快的上海为例，路上、路外停车仍占有相当比例，已建设的车场大部分是地下自行式停车场

19、和在自行式停车场的基础上安装简易停车设备或增加存车数量。自行式停车场存在较多缺陷，近年来在发达国家已很少新建。大家感兴趣的是具有现代水平的机械式立体停车库。我国对机械停车库的开发与研究工作始于1984年。1988年由北京有色冶金设计研究总院率先研制完成了LS型(两层升降横移式)机械停车库,从此结束了我国没有机械停车库的历史。1989年该院又研制成功了S型(竖直循环式)机械停车库，1991年在中国石化总公司北京设计院正式投入使用,该项目获得了国家专利。它的建成标志着我国打破了传统的停车方式,为城市规划和城市建设提供了新的思路,为解决我国城市“停车难”问题闯出了一条新路。据不完全统计,自1991年

20、以来在北京、天津、上海、深圳等大城市，陆续有30多台机械停车库投入使用,该院的技术占有率约为80%以上。继LS型和S型机械停车库投入使用后,该院又开发出LX系列(两层循环式)、T系列(汽车升降机)和DS系列(三层升降横移式)机械停车库,分别安装在天津及北京等地。进入20世纪90年代后，随着电脑智能化管理和自动化仓库存储技术的发展，出现了自动化仓库存储式机械停车装置，极大的提高了土地利用率。1.3 研究的主要内容、目标和方法本文主要研究的是：通过PLC所提供的指令来设计立体车库的控制系统，以实现机械式立体车库的自动存取车。我们所设计的立体车库不但能够满足用户的停车要求，而且要使立体车库的控制系统

21、能实现预定的功能，例如自动进出立体车库；并且能够对车库进行安全监控；并能节约时间，提高效率，使存取车安全、可靠。自动化立体车库通过可编程序控制器（Programming Logic Controller，简称PLC）控制车位的空间位置变动，使车位能够实现空间到平面的转化，实现多重单层平面停车的功能。PLC作为自动化工业控制器，目前国内的众多升降横移式立体停车库中，其控制核心单元多为PLC，并通过控制按钮，由工作人员现场操作来实现对车库的管理和控制。可编程序控制器（PLC）是以微电子技术为核心的一种新型工业控制器，立体车库动作复杂，要求控制系统实现顺序动作控制、速度控制、定位控制及安全互锁控制。

22、所以PLC是立体车库的首选的控制系统。自动化立体车库对控制系统主要有如下几个方面的要求：（1）自动操作存取车时，单按钮操作，只要按动所选车位按钮，控制系统根据当前车库存车状况，自动选择调度方案，以最短的时间完成车辆的出入库。（2）安全互锁控制立体车库不允许因错误动作而造成车辆损坏，所以安全装置是必不可少的，如光电检测装置。控制系统应能及时检测出隐患，避免故障的发生。（3）高速、平稳一些大型立体车库的平均车辆存取时间能够达到小于70s，这就要求传动装置以高速度运行，同时，为了保证安全、低噪声与平稳起、制动，又要求传动装置具有自动加、减速功能。因此立体车库驱动装置一般都采用交流变频调速技术。四川理

23、工学院毕业设计（论文）第2章 自动化立体车库的简介2.1 自动化立体车库的类型国外立体车库控制系统的研究和应用已有很长历史，随着PLC技术的日趋成熟和自动化程度的不断提高，立体车库控制技术得到广泛推广。发达国家的诸多城市，均采用自动化立体车控制系统，有效地解决了土地资源紧缺和泊车难的问题。目前常用的立体车库结构形式有：水平循环式立体停车库、垂直循环塔式立体车库、垂直升降式立体车库、升降横移式立体车库、输送带式立体停车库。2.1.1 水平循环式立体停车库图2-1为水平循环式立体车库简图。这种车库主体结构为一水平放置的链式输送机，车辆停放在链式传送带的托盘上，随着车辆的入出库，所有车辆同时按固定次

24、序作循环运动，由平动机构确保车辆始终处于水平状态，整套系统由一大型电机单独驱动。水平循环式立体车库外形狭长，通过采用两层停车结构，可以有效地提高狭长地段的土地利用率。整个车库只有一个水平循环动作，因此电气控制系统简单，便于维护。但是由于其平动机构导轨易于磨损，因而增加了维护工作量。水平循环式立体车库停车数量受到单一驱动电动机功率和结构限制，一般在十几辆左右，可以通过组合，来达到所需的停车数量。图2-1 水平循环式立体停车库2.1.2 垂直循环式立体车库图2-2为垂直循环式立体车库，这种车库减小了占地面积，有效地提高了土地利用率。图2-2 垂直循环塔式立体车库垂直循环塔式立体车库主体是一个垂直回

25、转链式输送机，车辆停放在托盘上，由做垂直循环运动的链条带动，在平动机构的控制下保持车位水平，这种车库由单一大型电机驱动，电气控制系统简单，但其平动机构也存在导轨易磨损的问题，从而引发运行卡死现象。垂直循环式立体停车库停车数量受驱动电机功率及结构等因素限制，一般可停车1040辆。2.1.3 垂直升降式立体车库图2-3为垂直升降（塔式）式立体车库，它主要由高层停车架、升降电梯、车辆存取机构及回转台等组成。这种车库的主体结构由工字钢或槽钢焊接而成，结构简单，制造难度不大，由于提升运送车辆的升降电梯应具有较高的升降速度，以降低车辆的存取时间，所以一般采用直流调速装置或交流变频调速装置，实现自动加减速控

26、制，达到高速运行与平稳启停的双重目的。升降电梯要求具有平层停车定位装置，需要一套行程检测系统，升降电梯提升能力一般不超过5t，运行速度应在90m/min以上。车辆存取机构是升降电梯的附属装置，一般采用多节伸缩式货叉。回转台的作用是调整车辆入、出时的方位。垂直升降式立体车库动作较复杂，一般采用工业计算机或高档可编程序控制器构成其自动控制系统，实现存取车控制、自动计费等功能，也可实现无人化管理。图2-3 垂直升降式立体车库2.1.4升降横移式立体车库图2-4为升降横移式立体车库。这种车库多为中、小型车库，停放车辆数目从几辆至几十辆不等，一般采用24层结构。整套车库由支架及若干台机构相同的台车组成，

27、典型台车由卷扬提升机构、横移机构及托盘组成。各台车之间相互独立运作，一般情况下不致因某台车的故障而影响整个车库的正常运行。升降横移式立体车库可根据地形及高度条件随意组合，可以建在广场上、楼房旁、立交桥下或地下室内，极适合于厂矿企业、机关内部停车和社会小区内停车。升降横移式立体车库可以采用人工控制或可编程序控制器控制。升降横移式立体车库的土地利用率取决于层数，一般情况下，单位停车面积上可停放23辆车。图2-4升降横移式立体车库2.1.5 输送带式立体停车库图2-5为输送带式立体车库，采用升降电梯提升车辆，再用输送带将车辆送至停车位。整个车库系统较复杂，必须采用计算机控制，适合建在大型娱乐场所或繁

28、华商业区中。图2-5 输送带式立体车库除上述各种立体车库外，还有无平移双层提升式简易停车库，如图2-6所示。它是由液压传动装置构成的微型立体车库，也是一种常用的家庭车库。图2-6 无平移双层提升式简易停车库2.2自动化立体车库的特点这些特点是相对于自行式立体车库而言的，自行式立体车库的停车率(单位面积停车数)低，因为每层均有车道占去一定面积；存、取车不方便，每次存、取车司机要走较长的路；车库层次不能过多、不安全、易被窃等。1.节省占地面积,空间利用率高除了必要的停车空间外,几乎没有浪费。如垂直循环式机械停车库,占地面积只有50平方米,可同时存放30多辆轿车,而普通的停车场存放30辆轿车需要占地

29、1000平方米以上,两者相差20余倍。2.出入库管理方便简捷由电脑控制操作简单,库内的存车数量、存车位置、存车时间等全可以显示在操作盘上,一目了然。3.设备安全可靠完善的闭锁装置可保证汽车安然无恙,外部人员不能随意进出,汽车不会遭受人为的损伤和丢失,车主可大为放心。4.配置灵活可单独设置也可并排设置,或附设在其它建筑物内,可设在地上、地下或半地下,型式多样,适应性广。5.节能由于汽车在库内行程短,排放废气少,因此不需要强制通风,也无需大面积照明,耗电量低。6.节省时间车主不需寻找车位,调车时间短。2.3 立体车库的主要技术指标此处主要介绍立体车库产品的车位利用和它存取车的运行速度等方面的指标，

30、在车库建设中，为结构的选择和空间的布置提供了技术指标。2.3.1 适用车型大多数汽车都是按标准外形尺寸设计生产的。根据汽车尺寸的不同，可以分为S、D、M、G、L型，还有高顶的H型汽车。各种汽车的外形尺寸与重量参数详见表2-1。显然不同类型的汽车所需要的停车车位大小不一样的。根据某一车型设计的立体车库可以停放比该车型更小的其他车型的汽车。例如根据G型汽车设计的立体车库可以停放S、D、M和G型汽车。我们称车库可以停放的车型为车库的适用车型，而其中外形尺寸最大的车型为最大适用车型。表2-1汽车车型参数项目小型轿车S中型轿车D中大型轿车M大型轿车G超大型轿车L微型面包车H总长L/mm470050005

31、100530057005100总宽W/mm170018001900205020501900总高H/mm155015501550155015502050总重G/kg1600170019002100230025002.3.2 停车车位空间车库最大适用车型的外形尺寸决定了停车车位的有效空间，应根据存取设备的运动精度在各方向上加大一定的安全裕量，一般取200300mm。停车车位实际空间是由停车有效空间和其他结构（如托盘、提升设备等）所占的空间组成，由此可以计算出停车车位空间。若停车车位空间尺寸分别为总长L、总宽W和总高H，则停车车位空间容积V=LWH。2.3.3 库容与库容利用率立体车库可同时容纳的汽

32、车总数称为立体车库的容量（简称库容N）。利用有限的占地面积停放更多的车辆即库容最大是立体车库最根本的设计目标。通常用车库的面积利用率（Rs）及空间容量利用率（Rv）来表示： 其中 S总主体车库总面积，m2;V总主体车库总容积，m3；N车容；因为车库内总是要留有一些辅助空间，所以Rv总小于1，而Rs总是应该大于1，Rs越大说明立体车库土地利用率高。2.3.4 车辆存取时间车辆存取时间反映了车库的工作效率，对于具有单一提升装置的立体车库，如垂直升降式立体车库来说，车辆存取时间t包括驶入时间t1、提升时间t2、存入车位时间t3、提升装置回位时间t4、提升装置到位时间t5、取车时间t6、提升装置下降时

33、间t7及车辆驶出时间t8。以某车库为例，车辆存取各阶段动作速度时间曲线如图2-7所示，则其存取时间为110s。图2-7 车辆存取动作曲线显然，对于不同的车位来说，车辆的存取时间是不一样的。因此，整个车库应该用平均车辆存取时间来反映车库的工作效率。对于具有多提升并行动作装置的立体车库来说，车辆存取时间取决于顺序完成的各个动作的最长时间。对于存取车辆时间相对集中的场所，如体育场馆、电影院旁的停车场，平均车辆存取时间可以大一些，如120s。2.4 立体车库设计选型的要点此节的主要目标是在立体车库的配建方面提供准确的数据，选择合适的地点和合适的立体车库，以达到车库的最高利用率。2.4.1 立体车库库址

34、选择使用停车场（库）的车辆主要有两种情况：在娱乐场所和商业区旁的暂时停放；在工矿企业内部和社会小区停车场的夜间存放。前者往往不固定，而后者相对固定。建造停车场时，首先应摸清停车场过往车辆的车型与数量分布情况，然后根据城市总体规划、交通状况、地形地貌、政策法规及地价等方面因素，决定立体车库库址。2.4.2适用车型的确定车库最大适用车型的选择决定了可存车型范围和库容利用率。因此，要对车库周围来往车辆车型及数量进行统计分析，以确定车库的适用车型。根据表2-1中的车型分类方法，设q1、q2、q3、q4、q5分别为可能使用车库的S、D、M、G、L型车辆的数量，Q为其总和，通过表2-2可以统计分析车库适用

35、车型比率。由表2-2可以看出，车库适用车型范围选的越大，车库适用车型比率P值就越大，可存车辆类型就越多。当P=1时，车库可以适用所有S-L型汽车。当较大型汽车所占比例不大时，应减小车库适用车型范围，如根据统计分析数据，取P=0.8，从表2-2中查处对应的适用车型，进一步计算出可供车库存放的车辆总数：T=PQ表2-2 适用车型比率分析车型数量比例适用车型比率Sq1q1/QP=q1/QDq2q2/QP=(q1+q2)/QMq3q3/QP=(q1+q2+q3)/QGq4q4/QP=(q1+q2+q3+q4)/QLq5q5/QP=(q1+q2+q3+q4+q5)/Q合计Q=q1+q2+q3+q4+q5

36、12.4.3 立体车库容量的确定立体车库库容量应根据车流量或每天进、出库车辆的总数和车辆的存取规律（集中或分散）来决定。据日本资料介绍，在商业区超过2000m面积建筑物必须附建停车场，按300m一个车位确定库容量。这些经验数据也可以作为确定库容时的参考。2.4.4 选型在选择车库类型时，首先要考虑库址周围的环境。如若在立交桥下或地下室内建造立体车库，就应选择升降平移式立体车库；如若将车库建在高层建筑旁，则应选择垂直升降式或垂直循环式塔形车库。其次要根据车辆存取特点进行选择，如娱乐场所旁的立体车库应选择顺序取车时间短的垂直循环式塔形立体车库，以便利于集中取车；而在商业区，应选择垂直升降式立体车库

37、。针对初选的各种方案，进行经济效益分析、建造费用分析及进行优缺点比较，从中找出最优方案。选定车库类型后，应用专业知识完成车库结构设计及控制系统设计。四川理工学院毕业设计（论文）第3章 可编程序控制器（PLC）的简介3.1 可编程序控制器的特点PLC优越的性能使它能在恶劣的环境下正常的工作，并很受客户的欢迎，主要原因是由于以下方面的特点。1.灵活性和通用性强继电器控制系统的控制电路要用大量的控制电器，需要通过人工布线、焊接、组装来完成电路的连接。其致命的缺点是，如果工艺要求稍有改变，控制电路必须随之做相应的变动，耗时且费力。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

38、中，当控制功能改变时只需修改程序即可，PLC外部接线改动极少，甚至可不必改动。一台PLC可以用于不同的控制系统中，只不过改变了其中的程序罢了,其灵活性和通用性是继电器控制电路所无法比拟的。2.抗干扰能力强、可靠性高继电器控制系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的靠性。继电器控制系统的维修工作不仅耗资费时，而且停产维修所造成的损失也不可估量。而在PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之PLC在硬件和软件方而都采取了强有力的措施，使产品具有极高的可靠性和抗干扰能力，故此PLC可以直接安装在工、比现场而稳定地工作。从国内外

39、使用PLC的实际情况来看，平均无故障率可以达到几万其至几十万小时以上。因而PLC被誉为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。3.编程语言简单易学虽然PLC是以微型计算机技术为核心的控制装置，但是不要求使用者精通计算机方面复杂的硬件和软件知识。大多数PLC采用类似继电器控制电路的“梯形图”语言编程，清晰直观，简单易学，了解继电器控制线路的电气技术人员很容易接受。4.PLC与外部设备的连接简单、使用方便用微机控制时，要在输入/输出接口电路上做大量工作，才能使微机与控制现场的设备连接起来，调试也比较烦琐。而PLC的输入/输出接口已经做好，其输入接口可以直接与各种输入设备(如按钮、各种传感器等)连

40、接，输出接口具有较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等强电电器连接，接线简单使用非常力便。5.PLC的功能强、功能的扩展能力强其一，PLC利用程序进行定时、计数、顺序、步进等控制， 十分准确可靠。而用继电器控制时，需使用大量时间继电器、计数器，步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与PLC相比。其二， PLC还具有A/D和D/A转换、数据运算和数据处理、运动控制等功能。因此它既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。其三，PLC具有通信联网功能，因此，它不仅可以控制台单机、一条生产线，还可控制一个机群、多条生产线，它既可现场控制，也可远距离对生产过程进行监控。PLC的功能扩展极

41、为方便，硬件配置相当灵活，根据控制要求的改变，可以随时变动特殊功能单元的种类和个数，再相应修改用户程序就可以达到变换和增加控制功能的目的。6.PLC控制系统的设计、调试周期短由于PLC是通过程序实现对系统的控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序。更为方便的是可在实验室里进行系统的模拟进行调试，使现场工作量大为减少。而继电器控制系统是靠调整控制电路的接线来改变控制功能的，调试时费时又费力。7.PLC体积小、重量轻、易于实现机电一体化 由于PLC内部电路主要采用半导体集成电路，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低的特点；更由于它只有很强的抗干扰能力，能适应各种恶劣的环境，因而它已成为实现机

42、电一体化十分理想的控制装置。3.2 PLC的硬件结构根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元等与主机配合使用。整体式PLC的结构紧凑、体积小，小型机常用这种结构。整体式PLC的基本组成如图3-1所示。图3-1 整体式PLC的组成示意图组合式PLC的组成如图3-2所示。这种结构的PLC是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块可以插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系

43、。装有CPU的单元称为CPU模块，其他称为扩展模块。CPU与组合式的PLC系统配置灵活，有的小型机也用这种结构。图3-2 组合式PLC的组成示意图下面主要介绍CPU和输入/输出单元，3.2.1 中央处理单元（CPU）CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按照预先编好的系统程序完成各种任务。其作用有以下几点：（1）接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并可通过显示器显示出程序的内容和存储地址。（2）检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中发现错误，则立即报警或停止程序的执行。（3）接收、调用现场信息。将接收到现场输入

44、的数据保存起来，在需要该数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。（4）执行用户程序。当PLC进入运行状态后,CPU根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取。解释和执行用户程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端，以驱动PLC外部的负载。（5）故障诊断。诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。3.2.2 开关量输入/输出单元输入/输出单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供的信号，例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号

45、经过输入电路的滤波、光电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。下面介绍几种常用的IO单元的工作原理。1.开关量输入单元按照输入端电源类型的不同，开关量输入单元分为直流输入单元和交流输入单元。（1）直流输入单元直流输入单元的电路如图3-3所示，外接的直流电源极性可任意。虚线框内是PLC内部的输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图中，T为一光电耦合器，

46、发光二极管与光电三极管封装在一个管壳中。当二极管中有电流时其发光，此时光电三极管才导通。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的局部干扰。LED显示该输入点的状态。其工作原理是：当S闭合时光电耦合器导通，LED点亮表示输入开关S处于接通状态。此时A点为高电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入映像寄存器状态置1；当S断开时光电耦合器不导通，LED不亮，表示输入开关S处于断开状态。此列A点为低电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时，将该输入点对应的输入映像寄存器状态置0。有的PLC内部提供24V的直流电源，这时直流输入单

47、元无需外接电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，这就是所谓无源式直流输入单元。无源式直流输入单元简化了输入端的接线，方便了用户。图3-3 PLC的输入接口电路（直流输入型）（2）交流输入单元交流输入单元的电路如图3-4所示。虚线框内是PLC内部的输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各个输入点所对应的输入电路均相同。图3-4 交流输入电路图中，电容C为隔直电容，对交流相当于短路。R1和R2构成分压电路。这里光电耦合器中是两个反向并联的发光二极管，任意一个二极管发光都可以使光电三极管导通。显示用的两个发光二极管LED也是反向并联的。所以这个电路可以

48、接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。 PLC的输入电路有共点式、分组式、隔离式之别。输入单元只有一个公共端子(COM)的称为共点式，外部备输入元件都有一个端子与COM相接；分组式是将输入端子分为若干组，每组各共用一个公共端子；隔离式输入单元，是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。2.开关量输出单元输出接口是将经过CPU处理过的输出数字信号（1或0）传送给输出端的电路元件，以控制器接通或断开，从而驱动接触器、电磁阀、指示灯等输出设备获得或失去工作所需的电压或电流。为适应不同类型的输出设备负载，PLC的输出接口类型有三种：继电器输出型、晶闸管输出型和晶

49、体管输出型，分别如图3-5、图3-6、图3-7所示。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题；晶闸管输出型和晶体管输出型皆为无触点输出方式，开关动作快、寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的负载回路，其中晶闸管输出型常用于带交流电源负载，晶体管输出型则用于带直流电源负载。图3-5 继电器输出接口电路 图3-6 晶闸管输出接口电路 a) b)图3-7 晶体管输出接口电路从三种类型的输出电路可以看出，继电器、晶闸管和晶体管作为输出端的开关元件受PLC的输出指令控制，完成接通或断开与相应输出端相连的负载回路

50、的任务，它们并不向负载提供工作电源。负载工作电源的类型、电压的等级和极性应该根据负载要求以及PLC输出接口电路的技术性能指标确定。由于输入输出接口电路采用了光电耦合或继电器隔离电路，使现场的输入、输出设备与PLC之间没有电的联系，从而大大减少了电磁的干扰，这是提高PLC可靠性的关键措施之一。3.3 PLC的工作原理PLC虽然以微处理器为核心，具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令和中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序，无键按下，则继续扫描等待。PLC则是采用“顺序扫描、不断循环”的方式

51、进行工作的。当PLC运行时，CPU根据用环控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号作周期性的程序循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条循序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。如此周而复始。PLC的工作过程大体可分为输入刷新、程序执行、输出刷新三个阶段，并进行周期性循环，如图3-8所示。图3-8 PLC的扫描工作过程3.3.1 输入刷新阶段PLC在输入刷新阶段，首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，并将其存入（写入）内存中各对应的输入状态映

52、像寄存器中，这一过程称为采样或输入刷新。随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入端状态有变化，输入状态映像寄存器中的内容也不会改变。变化了的输入状态信号只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。3.3.2 程序执行阶段PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令，所需的执行条件可从输入状态映像寄存器中和元件状态寄存器（存有辅助继电器、定时器、计数器、输出继电器等PLC各种内部元件的状态）中读入，经过相应的运算处理后，将结果再写入元件状态映像寄存器中。因此，对于每一个元件来说，元件状态映像寄存器中所存的内容会随着程序的执行进程而改变。3.3.3 输出刷新阶段当程序所有

53、指令执行完毕，输出状态映像寄存器（元件状态映像寄存器中对应输出继电器的部分）的通断状态在CPU的控制下被下一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式输出，推动外部相应执行元件工作，这就是PLC的输出刷新。经过输入刷新、程序执行和输出刷新这三个阶段，完成一个扫描周期。这个过程以同一方式反复重复成为循环扫描工作方式。在循环扫描工作方式中，由于输入刷新过程是在输出刷新过程后马上进行的，有时为了简便起见，将输入刷新阶段和输出刷新过程统称为I/O刷新。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，可编程控制器还要进行各种错误检测（自诊断功能）和与编程工具等外部设备通讯，这些操作称为“监视服务”，在程序执行后进行

54、。由于扫描时间定义为完成一次扫描所需时间，故一个扫描周期（I/O刷新、程序执行和监视服务）的长短主要取决于三个因素：一是CPU执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长短。由于采用这种集中采样，集中输出的方式，使得在每一个扫描周期中，PLC只对输入状态采样一次，对输出状态更新一次，在一定程度上降低了系统的响应速度，即存在输入/输出滞后的现象。图3-9是输入/输出响应延时的实例。图3-9 PLC输入/输出的相应延迟第一次扫描：由于00000输入映像寄存器是OFF，则所有输出01000、01001、01002均处于OFF状态。第二次扫描：在输入采样阶段，由于00

55、000输入映像寄存器由OFF转为ON，则01001输出映像寄存器在执行程序后变为ON，同时01002输出映像寄存器也变为ON。输出刷新后在输出端子上01000=OFF、01001=ON、01002=ON。第三次扫描：由于01001输出映像寄存器为ON，所以执行程序后01000也变为ON。由上述循环扫描过程可见，在输入条件接通后，输出将出现响应延迟。最大延迟时间可能占23个扫描周期时间，所以响应延迟时间与程序长度、指令执行速度有关。实际上，输入/输出滞后现象除与上面所说的PLC的集中输入/输出刷新、程序循环扫描执行方式有关外，还与输入电路滤波器的时间常数以及继电器输出方式中输出继电器的机械滞后有

56、关。一般的，PLC几毫秒乃至几十毫秒的响应延迟，对响应速度要求不高的普通工业系统或设备的控制来讲是无关紧要的，或者说，这些滞后现象是完全允许的。但在那些需要输出对输入做出快速反应的高速系统或设备的控制中则不能忽视，必须通过合理选择机型（例如应考虑选用具有快速响应、高速计数及中断处理功能，而且指令执行速度高的PLC）和精心设计程序加以解决。虽然PLC的扫描工作方式使系统的响应速度受到一定影响，但从另外一个角度却大大提高了系统的抗干扰能力，使可靠性增强。这也是PLC的一个特殊的优点。3.4 可编程序控制器的编程方式可编程序控制器最突出的优点之一就是采用“软”继电器（编程元件）代替“硬”继电器（实际

57、元件），用软件编程逻辑代替传统的硬件布线逻辑实现控制作用。而且PLC的编程语言面向被控对象、面向操作者，易于为熟悉继电器控制电路的广大电气技术人员理解和掌握。通常，PLC的编程语言有梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等，为增强数据运算和通讯联网功能，有些PLC还可用Basic等高级语言进行编程。在这些语言中，尤以梯形图、指令助记符语言最为常用。应该指出，由于PLC的设计和生产尚无统一的国际标准，因而各厂家产品使用的编程语言及编程语言中所采用的符号也不尽相同。下面以最为常用的三相异步电动机直接启动继电器接触器控制电路（见图3-10）为例，用PLC编程实现该项控制。首先应

58、确定原继电接触器控制电路中，哪些量是输入量，哪些量是输出量，以便分配PLC的输入、输出端子与之对应（即进行I/O分配）。从图3-10中可以看到SB2、SB3分别是电机正转和反转的按钮，SB1是电机停止转动的按钮；它们都是发出信号，使线圈KM1/KM2通电或断电。因此，我们可以知道SB1、SB2、SB3是输入量，KM1、KM2是输出量。图3-10 三项异步电动机正反转控制电路图3-11是用PLC实现电机正反转控制的外围接线示意图，启动按钮SB2、SB3和停止按钮SB1作为输入设备分别与PLC的输入端00000、00001及00002相连；接触器KM1、KM2的线圈作为输出设备与PLC的输出端01

59、000和01001相连。以及通过PLC编程语言来表达上述直接启动控制逻辑的程序。图3-11 PLC用于电机正反转控制的外围接线和梯形图3.4.1 梯形图语言梯形图语言是在继电接触器控制原理图的基础上演变而来的一种图形语言，它将PLC内部的各种编程元件（如输入继电器、输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等）和命令用特定的图形符号和标注加以描述，并赋予一定的意义。梯形图就是按照控制逻辑的要求和连接规则将这些图形符号进行组合或排列所构成的表示PLC输入、输出之间逻辑关系的图形，它具有清晰直观、可读性强的特点，是目前使用最多的一种编程方式。1.梯形图中的符号在梯形图中，、分别表示PLC各种编程元件（

60、或称软继电器）的常开和常闭触点，则表示其线圈。但应该注意，它们并非物理实体，只是概念上的意义。每一个软继电器实际上仅对应于PLC工作数据存储区中的一个存储单元（位），当该单元的状态是“1”时，相当于该继电器的线圈接通，对应的常开触点闭合、常闭触点断开；为“0”时，则相当于该继电器的线圈未接通，对应的常开、常闭触点保持常态。另外，人们常把对数据进行操作处理的指令看成一种特殊的、广义的输出元件，用线圈来表示。线圈前有若干个常开或常闭触点组成的逻辑电路与之串联，作为执行该指令的条件。2.梯形图编程的格式和特点(1)每个梯形图由多层梯级（或称逻辑行）组成，每层梯级（即逻辑行）起始于左母线，经过触点的各

61、种连接，最后通过一个继电器线圈终止于右母线。每一逻辑行实际上代表一个逻辑方程。(2)梯形图中左右两边的竖线（称为左右母线）表示假想的逻辑电源，当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，表示有“概念”电流自左向右流动。(3)梯形图中某一编号的继电器线圈一般情况下只能出现一次（除了有跳转指令和步进指令等的程序段以外），而同一编号的继电器常开、常闭触点则可被无限次使用（即重复读取与该继电器对应的存储单元状态）。(4)梯形图中每一梯级的运算结果，可立即被其后面的梯级所利用。(5)输入继电器仅受外部输入信号控制，不能由各种内部触点驱动，因此梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈。(6)梯形图中的输入触点和输出继电器线圈对应的是I/O映像寄存器相应位的状态，而不是物理触点和线圈。现场执行元件只能通过受控于输出继电器状态的接口元件（继电器、晶闸管、晶体管）所驱动。(7)PLC的内部辅助继电器、定时器、计数器等的线圈不能用于输出控制之用。3.4.2 指令助记符语言指令助记符语言是一种类似于计算机汇编语言的编程方式，它用简洁易记的文字符号来表达PLC的各种控制指令。指令与操作数（编程元件或数据）结合形成控制语句。由若干条指令控制语句即可组成PLC的助记符控制程序（也称指令语句表）。3.5 PLC应用编程的原则和步骤应用编程时可编程控制器控制系统设计中重要的一