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基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计

摘 要

对于升机控制系统中存在的问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。在该矿井提升机控制系统设计中，采用国内外先进的PLC控制技术改造传统的继电器—接触器式罐笼逻辑运行系统；采用变频调试系统与PLC和上位机组成一个集散控制系统；可方便灵活地对现场运行设备进行控制和显示；采用先进的计算机控制技术实现矿井提升机的微机管理与控制，从而，保证矿井提升机可靠、准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。
现场调试和运行结果表明，该系统工作可靠、控制精度高，完全可以满足现场生产运行的要求。

关键词：矿井提升机，PLC，变频调速，控制系统

The Freouency Conversion Use on The Speed Adjustment of Shaft Hoist on The Basis of PLC Control　

ABSTRACT

For hoist control system problems，the paper applied PLC and frequency converter to the system，and have carried on deeper research in feasibility．In the design of control system of mine elevator the new PLC control technique at home and abroad are applied to instead of the relay and touch．The advanced digital direct current frequency conversion equipment is adopted in the electromotor transmission．The establishment of real-time images using configuration software can be run on-site convenient and flexible way to control and display．Advanced industry control computer are used to monitor and manage the course of elevator．
Local debugging and running result indicate that the system is credible，the precision of control is high，and can fulfill the require of the local manufacture．

KEY WORDS：Shaft hoist, PLC, Frequency conversion, Control system
目　录

前　言 1
第1章 绪 论 4
1.1课题研究意义 4
1.2 矿井提升机电控系统的发展 5
1.2.1 国外矿井提升机的发展 5
1.2.2 国内矿井提升机的发展 6
1.3 本文主要研究内容 6
第2章 提升机的工况分析 8
2.1 提升系统简介 8
2.2 提升机电动机运行方式 8
2.3 提升机的速度图和力图 9
2.3.1 提升机的速度图 9
2.3.2 力图 10
2.4 矿井提升机对电气控制系统的要求 11
第3章 可编程控制器简介 15
3.1 PLC的基本特点 15
3.2 PLC的基本结构 16
3.3 PLC的工作原理 18
3.4 PLC的分类 19
3.5 PLC编程 20
3.5.1 PLC执行用户程序的过程 20
3.5.2 梯形图的表示 21
3.5.3 梯形图的编程规则 22
第4章：矢量控制变频调速 24
4.1变频调速的发展及在提升机系统中的应用 24
4.2变频调速基本原理 25
4.3变频调速控制方式分类 28
4.4 变频器按中间直流环节方式分类 30
4.5变频调速技术的发展现状 31
第5章 总体设计方案 33
5.1 系统控制要求 33
5.2 选择机型 33
5.3控制系统的I/0点 33
5.4系统控制结构 34
5.4.1 系统主电路图 34
5.4.2 系统控制电路图 34
5.4.3 系统外围接线图 35
5.5 设计步骤 35
5.6 系统流程框图 36
5.7硬件部分设计 36
5.7.1 输出规格 37
5.7.2 标度变换 37
5.7.3变频器参数设置表 37
5.8软件部分设计 38
5.9实验及结果 39
5.9.1实验过程 39
5.9.2实验现象 39
5.9.3实验结果 40
结　论 41
谢 辞 42
参考文献 43
附 录 44
外文资料翻译 46

前　言

矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井，是生产运输的主要工具。在煤炭生产中提升机担负着提升煤炭、矸石、下放材料、升降人员和设备的任务，是联系井上与井下的唯一途径，素有矿井“咽喉”之称。提升机的电力传动特性复杂，电动机频繁正反向，经常处于过负荷运转和电动、制动不断地转换的状态中。对提升机来说，运行的安全、可靠性是至关重要的。提升机运行的安全可靠性不仅直接影响整个矿井的生产能力，影响整个矿山的经济效益，而且还涉及到井下工作人员的生命安全。因此，研制并制造即安全可靠又节省能源的提升机是煤矿安全生产的一项重要课题。
近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机是电动机通过减速器传动卷筒的系统，后来出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。上世纪七十年代西门子发明矢量控制的交-直-交变频原理后，标志着用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。但国内提升机电控系统很长时间都处于落后的状况，直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，设备陈旧、技术落后。国产提升机安全性、可靠性差，在关键。
部位——上下两井口减速区段没有配套的有效的速度监视装置，就提升机控制技术而言，依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。
当前国内提升机电控绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继器接触器系统，设备陈旧、技术落后。而且这种控制方式存在着很多的问题：
1)转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。
3)继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用寿命，维修成本较高。
4)交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。
5)电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。
6)提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。
上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。就计算机技术在工业现场应用情况而言，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控理想的机型，它是采用计算机技术、按照事先编好并储存在计算机内部一段程序来设备的操作控制。采用PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量PLC技术已经广泛应用于各种提升机控制，配合一些提升机专用电子模块组成的提控制设备，可供控制高压带动力制动或低频制动，单、双机拖动等。操作、监控全保护系统选用可编程控制器。主控计算机应用软件能完成提升机自动、半自动、手动、检修、低速爬行等各种运动方式的控制要求。
采用先进的工业计算机、现场总线和工业自动化技术，按照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造和新建矿井设备选型的理想选择。使用上位机监控系统，采用组态模式，实现良好的人-机对话；实时监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁；可进行故障报警、数据查询、报表打印；记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计；故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。
为保证提升设备无事故，在提升设备有可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并在系统的各个环节上设有各种检测、控制、自诊断以及记录和保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。
本文从解决实际矿井提升系统存在的问题出发，对传统的调速方案进行了控制方式的革新和数字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加强了系统稳定性。表明本文所提出的设计方案具有实用价值。适用、经济、高效、可靠是本文提升机系统设计的追求目标。

第1章 绪 论

1.1课题研究意义
矿井提升机是煤矿“四大运转设备”之一，其电力传动特性复杂，电动机频繁正、反向运行，经常处于过负荷运转和电动、制动不断转换的状态中；它的安全性、可靠性亦是至关重要，其运行性能和安全可靠性直接影响着煤炭生产及作业人员的生命安全，一旦发生事故必然导致人员伤亡和设备的严重损坏，矿山正常生产的中断，造成重大的经济损失。因此，提高提升机的性能，提高其自动化水平，使其安全性、可靠性达到一个新的高度势在必行。
随着现代科学技术的进步，现代化矿井的建设，以及对作业人员的生命更加重视，对矿井提升机的安全可靠性提出了更高的要求。近年来，我国有关部门在提升机安全方面做了大量工作，使矿井提升机设备的安全可靠性有了很大进步，并将“可靠性系统工程”的理念引入了矿井提升机领域，与之相适应，提升机对其电控系统安全可靠性的要求也愈来愈高。因此，在设计矿井提升机时，总是把安全性、可靠性放在首要位置。就其本质而言，提升机电控系统的高可靠性主要表现在两个方面：一是电控装置本身质量好，故障率低；二是电控系统出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除。
由于国内现有提升设备陈旧、技术落后、故障率高，提升效率低，不能满足实际生产需求，存在的问题主要有以下几点：能源让费大，设备运行不稳定，使用寿命低，维修费用高，可靠性低。正由于以上问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统应用可编程计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。随着数字、电力电子技术的发展，可编程控制器和变频器在提升机控制系统中逐步得到使用，从而使得提升机控制系统的安全性得到了很大的提高。
可编程逻辑控制器(PLC)是目前工业领域应用广泛的机型。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，提高了控制精度。
经过调研和论证，开发研制基于PLC控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。

1.2 矿井提升机电控系统的发展
由于矿井提升机对安全性、可靠性和调速性的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。

1.2.1 国外矿井提升机的发展
1981年第一台用同步机悬挂臂传动的提升机在德国Monopoly矿问世，1988年由MAVGHH和西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Romberg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在上世纪七十年代，国外就将可编程控制器（PLC）应用于提升机控制。
上世纪八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用，使提升机自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，使安全保护性能又有了新的提高。

1.2.2 国内矿井提升机的发展
目前，我国矿井提升机90％以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机一发电机组(M-G机组)供电，采用晶闸管整流传动(SCR-M)的只占一部分。传统的交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。
国内提升机行程控制的水平还较低，速度给定环节以时间给定和机械式行程给定为主，以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究还处于尝试阶段。“九五"期间国产全数字直流提升机己成为煤矿提升机的首选机型，由于采用了计算机技术，提升机的安全保护系统更为完善。但到目前为止，还未见采用智能控制装置实现高性能的行程控制系统的成套装置，对于我国的矿井提升机，实现高精度行程控制和制动控制系统安全可靠是一个急待解决的课题。
总体来说，我国近10余年来关于提升机计算机控制系统的研究发展迅速，采用了先进的控制设备和控制策略，无论在驱动方式上还是在控制技术上都取得了很大进展，积累了大量的经验，取得了很大成绩。

1.3 本文主要研究内容
本文以湘潭电机厂提升机电气改造为背景，在已经非常成熟但比较落后的交流拖动技术基础上，通过基于PLC的控制技术在矿井提升机行程、速度和制动控制中的应用研究，阐述了新型提升机控制系统的设计与应用情况。本文主要分析变频调试控制系统设计，组态软件的使用以及触摸屏技术的应用。
主要工作有：
1、了解矿井提升机的运行工艺情况
2、矿井提升机电控系统设计；
3、PLC控制技术研究；
4、变频调试控制系统的研究；
5、人机界面的制作；
6、仿真及实施。
总之，变频调速系统是值得研究和探讨的，它开辟了改善提升机系统调速性能的新途径，具有十分重要的实用价值和广阔的应用前景。

第2章 提升机的工况分析

2.1 提升系统简介
矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。目前 ,我国单绳缠绕式提升机 ,广泛采用交流绕线式电动机拖动 ,提升过程一般包括：起动加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。韶关一旅游景点的斜井提升观览车其提升和下降的整个过程控制全部由可编程逻辑控制系统（PLC）自动完成[6]。观览车在一长度为 400 m、坡度为 35°的斜坡上运行 ,见图2.1 ,其功能是在山顶与山底之间运送游客。由于是载人提升机 ,因此 ,对电力拖动控制提出了较高的要求 ,必须做到平滑起动加速, 平滑制动停车 ,不论是提升还是下降 ,提升机在斜坡上的运行不得超出规定的时间。

图2-1 观览车提升系统

2.2 提升机电动机运行方式
提升机电动机的运行方式,主要根据系统的力图来确定。
（1）加速阶段。提升时为正力 ,采用电动加速 。下放时为负力 ,若负力值较小 ,可考虑自由加速 ,并配合使用盘式制动器 ,若负力值较大 ,则采用动力制动加速。加速阶段不实行闭环调节 ,而以时间、速度为函数 ,逐步短接转子附加电阻 ,使提升电动机从零速升至全速。
（2）匀速阶段。提升时为正力 ,采用电动拖动。下放时为负力,采用能耗制动 、闭环控制 ,单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。
（3）主减速阶段。提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力 ,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。
（4）爬行阶段。当为正力时 ,转子接入几段附加电阻 ,由PLC控制运行；当为负力时 ,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。

2.3 提升机的速度图和力图
合理地确定提升机的力图和速度图,可以提高其运行的安全可靠性 ,以及减小电动机的功耗。

2.3.1 提升机的速度图
（1） 主加速阶段：如图2.2所示,正常提升时 ,接入第一级电阻,电动机产生的力矩比阻力矩大3% ～5% ,产生比较低的加速度 。随着转子电阻的逐渐切除 ,既保证了起动阶段的加速度 ,又使起动平稳 ,当上升到时 ,电动机运行在自然特性曲线上。下放时 ,由于负力较大 ,需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度 。投入动力制动时,盘式制动器松闸 ,将电动机的定子从交流电网上切除 ,并通过整流变压器T和调压模块,向定子绕阻通以直流电 ,从而产生固定的直流磁场 ,由于惯性作用 ,旋转的转子在固定磁场中运动 ,转子上产生感应电流 ,转子电流与固定磁场相互作用便产生了制动力矩 ,此后电动机的转速由于制动作用而降低 。制动力矩与励磁电流的平方成正比 ,并与转子附加电阻和电机的极数有关。
（2） 匀速阶段：上升时 ,电阻按时间原则来控制切除 ,使电动机保持电动状态 ,且速度。下放时 ,由测速发电机反映转子下放速度 ,当速度高于时 ,增大励磁电流 ,提高制动力矩 ,使观览车在斜坡上匀速运行。
（3） 主减速阶段：为使提升机准确停车 ,在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行 ,由装在斜坡上的位置开关动作发出信号 ,PLC再根据与电动机同轴运行的光电编码器发出的脉冲数进行比较 ,发出指令 ,然后接入两段电阻、使提升机速度下降 ,几秒后又将、接入电路 ,使降到。提升机到达底端与到达顶端稍有不同 ,一方面接入、、、,一方面增大励磁电流，使下放速度在规定的时间内降低。
（4） 爬行阶段：在左右 ,此数值实际上是一个平均值 ,因为提升机由较高的不可能很准确的变为速度。脉动爬行 ,此时电动机转子串有大量的电阻 ,故有特性软、不易控和电耗大等缺点。
（5） 停车阶段：接入最后一段电阻,同时将盘式制动器的KT线圈断电 ,抱闸迅速抱住卷筒 ,提升机停转。

图2-2 提升机速度图

2.3.2 力图
提升机在工作过程中分为主加速受力F1，匀速受力F2，主减速受力F3，爬行受力F4，停车受力F5。

图2-3 提升机力图

由直线运动的运动方程可得:
(2-1)
式中: F —提升机在某运动阶段的力 ,kg；
—提升机的静阻力（包括车重、提升机重量和绳重）,kg；
—把旋转运动的部件折算到直线运动的变位质量 ,kg·；
—各阶段的加速度、减速度值 ,。
当时, ,匀速运行；
时 ,，加速运行；
时 ,,减速运行。
根据以上分析 ,F =f（t）的力图见图2.3

2.4 矿井提升机对电气控制系统的要求
提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。
根据动力学方程式
(2-2)
式中:—电动机电动力矩；
—传动系统的静阻转矩；
—传动系统的飞轮力矩， ，其中J为转性惯量（kg*），g是重力加速度（）；
—传动系统的动态转矩（N*m）；
—加速度；
可以得出按给定速度图所需转矩=f(t)的特性，从而可以得到拖动系统所需的力F=f(t)，如图2.4所示。
提升机的负载静力矩，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡提升系统中，力矩也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负载，所以静力矩的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态(便于罐笼的装卸载)，对辊筒必须施加机械闸。
从图2.4可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩可能为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。图2.5表示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。
(l)重物上提，静载量较大()。其给定速度图与力图如图2.5(a)所示
在加速段
其中为加速力矩与匀速力矩之差

图2-4 提升机传动系统给定速度图、力图

加速力矩为：；
在匀速段，匀速力矩为：；
在减速段，，但,所以减速段力矩为：,
其中为减速力矩与匀速力矩之差；
在爬行段，爬行力矩为：；
根据此力图可知，电动机在各段均工作在正向电动状态。
(2)重物上提，静载量较小()。其给定速度图和力图如图2.5（b）所示
在加速段，加速力矩：；
在匀速段，匀速力矩：；
在减速段，减速力矩：但，所以；
在爬行段，爬行力矩：。
根据力图可知，电动机在加速段和等速段，工作在正向电动状态；在减速段，工作在正向制动状态；在爬行段，又工作在正向电动状态。也就是说，在整个提升过程中，电动机的运行状态应切换两次。
图2-5在不同负载下的给定速度图和力图

（3）重物下放，静载量较小（）。其给定速度图与力图如图2.5（c）所示
在加速段：,；
在匀速段：；
在减速段：，；
在爬行段：；
根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态；在匀速、减速和爬行阶段均工作在正向制动状态。
(4)重物下放，且静载量较大（）。其给定的速度图和力图如图2.5（d）所示:在加速段：,。
在等速、减速和爬行段，F均为负。根据力图可知，电动机在整个提升过程中始终工作在正向制动状态。
要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。
综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下：
1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。提升人员时，加速度，升降物料时，加速度。另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。
2)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。
3)有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。
4)特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性)。
5)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。
6)采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。尽量节约能源和降低运转费用。

第3章 可编程控制器简介

3.1 PLC的基本特点
PLC的诞生给工业控制带来革命性的飞跃,与传统的继电器控制相比有着突出的特点.
第一,灵活性、通用性强。继电器控制系统如果工艺要求稍有变化,控制电路必须随之作相应的变动,所有布线和控制柜极有可能重新设计,耗时且费力然而是利用存储在机内的程序实现各种控制功能的。因此当工艺过程改变时,只需修改程序即可,外部接线改动极小,甚至可以不必改动,其灵活性和通用性是继电器控制电路无法比拟的。
第二,可靠性高,抗干扰能力强,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,大大降低了系统的可靠性。而在控制系统中,大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的,加之在硬件和软件方面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可以直接安装在工业现场稳定地工作。
PLC在硬件方面采取电磁屏蔽、光电隔离、多级滤波等措施在软件方面采取警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施 ,并利用后备电池对程序和数据进行保护,因此被称为“专为适应恶劣的工业环境而设计的计算机”。
第三 ,编程简单 ,使用方便 。PLC采用面向过程 ,面向问题的“自然语言”编程方式 ,直观易懂,主要采用梯形图和语句表编写程序,使得广大电气技术人员更容易接纳和理解。同时设计人员也可根据自己的喜好和实际应用的要求选择其他编程语言 。标准是编程语言的标准 ,除了梯形图语句表之外,还存在顺序流程图结构化文本和功能块图三种编程语言的表达方式。一个程序的不同部分可用任何一种语言来描述,支持复杂的顺序操作功能处理以及数据结构。
第四,功能强大,可扩展。的主要功能包括开关量的逻辑控制、模拟量控
制部分还具备控制或模糊控制功能、数字量智能控制、数据采集和监控、通信、联网及集散控制等功能。
PLC的功能扩展也极为方便,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。
PLC以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系统相比较 ,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线 ,从而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。它是由计算机简化而来的，又有着诸多自身独特的优势。如下所述：
1.系列化
各大生产公司一般都有小型、中型、大型三种系列产品。
2.多处理器
一般小型机是单处理器系统中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器大型机则为多处理器系统,由字处理器!位处理器和浮点处理器等组成。
3.较大的存储能力
4.很强的I/O口
5.智能外围接口
6.网络化
PLC可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连,网上可兼容不同类型的和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。
7.紧凑及高可靠性
8.通俗化的编程语言和丰富的指令
目前常用的有种3编程语言：
1）顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间上的顺序控制；
2）适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能；
3）类似汇编语言的指令表。

3.2 PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3.1所示：
1. 中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，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，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
2.存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
3.电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

图3-1 PLC的基本结构图

3.3 PLC的工作原理
PLC一般采用循环扫描的工作方式[11]。
PLC上电后,执行系统程序规定的任务 ,周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段,循环扫描过程为公共处理执行用户程序扫描周期计算输入输出刷新外设端口服务--公共处理。
1.公共处理
在公共处理阶段,要进行复位监视定时器、硬件检查、用户内存检查等操作。若有异常情况,故障显示灯亮,判断并显示故障的性质。若属于一般性故障,则只报警,但不需要停机 ,可等待处理。
2.执行用户程序
执行用户程序阶段,逐条解释和执行用户程序,其所需的全部信息都是从映像寄存器中读取的.映像寄存器包括输入映像寄存器和元件映像寄存器。输入映像寄存器存储着输入继电器的通断状态,输入继电器接通为1,断开为0。元件映像寄存器存储着输出继电器、各种辅助继电器等的状态,同样用和表示它们的通断状态。
PLC在执行用户程序时所需的外部输入信息,不是直接从输入端读取的,而是从输入映像寄存器中读取的。在每个扫描周期的I/O刷新阶段,CPU从PLC输入端读取一次信息并存入输入映像寄存器中 。在此后的一个扫描周期中,尽管PLC输入端的状态可能发生过变化 ,但输入映像寄存器中的数据也保持不变 。同样 ,所需的输出继电器或其他编程元件的状态信息 ,是从元件映像寄存器中读取的。在执行用户程序过程中,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。可见,在一个扫描周期中元件映像寄存器中的内容是可变的。
3.扫描周期的计算
在扫描周期的计算阶段 ,若预先设定了扫描周期的值 ,则进入等待 ,直至达到该设定值时扫描再往下进行若扫描周期设为不定时,则要进行扫描周期的计算。
4.I/O刷新
在I/O刷新阶段 ,主要作两件事情:
(1)读各输入点的状态
从输入电路中读取各输入点的状态并将此状态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,无论输入信号的状态怎样变化 ,输入映像寄存器的内容都保持不变,一直到下一个扫描周期的I/O刷新阶段,才会写进新内容.
(2)读输出元件映像寄存器中的状态
将对应输出继电器的元件映像寄存器的状态传送到输出锁存器电路中,再经输出电路的隔离和功率放大送到的输出端 ,驱动外部执行元件动作。
5.外设口服务
在外设口服务阶段,完成与外设口连接的外围设备如编程器或通信适配器的通信处理。完成上述各阶段的处理后,又返回公共处理阶段,周而复始的进行扫描。

3.4 PLC的分类
PLC一般可按控制规模和结构形式分类
一、按PLC得控制规模分类
按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机常用于单机控制和小型控制场合，在通信网络中常作从站。例如，三菱公司的FX2N PLC属于小型机。小型机中，控制点数小于64点的为超小型机或微型PLC。中型机的控制点数一般在256点到2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。中型机控制点数较多、控制功能强，常用于中型控制场合，在通信网络中可做主站也可做从站。大型机的控制点数在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K字以上。大型机控制点数多、功能很强、运算速度很快，常用于大型控制场合，在通信网络中常作主站。例如，西门子公司的S7-400PLC就属于大型机。以上分类没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限会发生变更。
二、按PLC得结构形式分类
PLC按结构形式可分为整体式、模块式和叠装式三类。
（1）整体式PLC
整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源。扩展单元内只有I/O和电源。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。例如，美国GE公司的GE-I/J系列PLC为整体式结构。
（2）模块式PLC
模块式结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。模块式PLC由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。模块式PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。
（3）叠装式PLC
将整装式和模块式结合起来，成为叠装式PLC。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。
3.5 PLC编程
3.5.1 PLC执行用户程序的过程
根据PLC的工作流程,设PLC的输入数据为X,输出数据为Y。在用户程序第n次扫描执行时,其输入数据是第n-1扫描的I/O刷新阶段读取的Xn-1；执行用户程序过程中,元件映像寄存器中的数据既有第n-1次扫描存入的数据Y n-1,也有第n次执行程序的中间结果。第n次扫描I/O数据是Yn。
如图3.2所示给出PLC执行用户程序的过程示意图，执行第一个梯级时，PLC从输入映像寄存器中读取输入端00000的状态，设其为1则输入继电器00000的状态。再读出输入端00001的状态,设其为0,则输入继电器的00001的状态为0。再由常开触点和常闭触点00000和常闭触点00001的状态运算出继电器01000当当前的状态是1。若此前的状态是0，要改写与其对应的元件映像寄存器的状态向下继续执行第二个梯级，从元件映像寄存器中读出继电器01000的状态1（前一步存入的）,所以常开触点为01000为1，继电器010001的状态是1。若此前01001的状态是0，则要改写与其对应的元件映像寄存器的状态。本次扫描刷新时元件映像寄存器中存的内容是继电器为,继电器为1。

图3-2 PLC执行用户程序的过程

由上述分析可得出,执行用户程序过程的特点是：
1）在执行用户程序的过程中，输入映像寄存器的状态保持不变，一直保存到下一次I/O刷新之前。
2)元件映像寄存器的内容随程序的执行而改变，前一步的运算结果随即可作为下一步的运算条件，与输入映像寄存器不同。
3）不同于继电器控制，PLC执行程序是按由上而下、自左向右的顺序进行的。所以不同梯级中的继电器线圈及其触点的状态不可能同时发生改变。
3.5.2 梯形图的表示
绘制梯形图时，我们首先要用符号表示出各种元素如常开触点、常闭触点、输出、并联常开、并联常闭等。整个梯形图指令由若干个梯级组成，每个梯级又是一个或几个输入元件和一个输出元件组成，输出元件应出现在梯级的最右边,输入元件出现在输出元件的左边。
我们在编MFC程序中,经常要用到一些资源，如位图、对话框、