基于plc的煤仓煤位大学本科学位论文.doc

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1、第1章 绪 论1.1 论文研究意义现在煤炭工业生产的过程中，井下、井上都存在数量不等的煤仓用于缓和运输系统压力便于组织生产。如何监控这些煤仓的煤位也就成了一个必须面对的问题。该设计应用新型矿用激光测距式煤仓煤位传感器测距原理及实现方法，设计了基于组态王6.53的人机界面，以可编程逻辑器为基础的煤仓煤位控制系统的煤位监控系统。该系统直观的显示实时监测数据，实现对现在设备的自动控制。应用组态王软件使画面更直观，并可以实时显示煤位、开关、阀门等模拟量及实时数据，画面切换按钮可以随时切换至实时趋势画面、报警画面及报表画面。可编程逻辑器可以对现场设备的自动控制，实现组态王与其外围器件的衔接，简化了硬件设

2、计；通过串行端口，数据可以实时地向上位机传输，同时为系统以后的扩展奠定了基础。该系统具有价格适中、安装使用方便、精度高、适应性好、抗干扰能力强、不存在近距离盲区等优点。11.2 国内外现状我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等（如DAN6400、TF200、MINOS和Senturion-200）引进了一批安全监控系统，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出KJ2、KJ4、KJ8、KJ10、KJ13、KJ19、KJ38、KJ66、KJ75、KJ80、KJ92等监控系统，在我国煤矿已大量使用。实践表明，安全监控系统为煤矿安

3、全生产和管理起到了十分重要的作用，各局矿已作为一项重大安全装备。由于当时相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者停产。因此造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。2随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了KJ90、KJ95、KJ101、KJF2000、KJ4/KJ2000和KJG2000等监控系统，以及MSNM、WEBGIS等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统。同时，在以风定

4、产，先抽后采，监测监控十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，规定了我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会、也促进了各厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。 国外煤矿监测监控技术是20世纪60年代开始发展起来的,至今已经有4代产品,基本上510a更新一代产品。从技术特性来看,主要是从信息传输发生的进步来划分监控系统发展阶段的。 第一阶段,煤矿安全监控系统主要采用空分制信号传输方式。60年代中期英国煤矿的运输机控制、日本煤矿中的固定设备控制大都采用这种技术。典型系统有法国的CTT

5、63/40煤矿监测系统,它可测瓦斯、一氧化碳、风速、温度等参数,最多可测40个测点。波兰的CMM-20系统,最多可测20个测点以及CMC-1系统,最多可测128个测点。第二阶段,随着以晶体管电路为主的信息传输技术的发展,煤矿安全监控系统主要采用频率区分信道的频分制信号传输方式,由于采用频分制,传输信道的电缆芯数大大减少,很快就取代了空分制系统。英美等国的煤矿在60年代后期就已大量采用频分制技术。其中最具代表性且至今仍有影响的是西德Siemens公司的TST系统和F+H公司的TF200(早期是TF24)系统,这些都是音频传输系统。第三阶段,集成电路的出现推动了时分制系统的发展,从而产生以时分制为

6、基础的第三代煤矿监控系统,其通信规程比较严格、抗干扰能力强、传输电缆与测试点数无关、结构简单、配置灵活。其中发展较快的是英国。英国煤炭研究院于1976年推出以时分制为基础的MINOS煤矿监控系统。开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局面,直到今日,国内外各种监控系统尽管在功能性和产品的技术先进性上都有较大的提高,但系统的整体结构仍没有太大的变化。在此阶段典型系统有英国的MINOS系统、美国的DAN6400系统、西德的GEA󰀁MATIC-2000全矿井监控系统等。 第四阶段,随着计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技的迅速发展,形成了以分布式微处理机为基

7、础,以开发性、集成性和网络化为特征的第四代煤矿监控系统。其信号的传输方式还是属于时分制范畴,但用原来的一般时分制的概念已不足反映这一高新技术的特点。其中有代表性的是美国MSA公司DAN6400系统,加拿大参透里昂600型系统。1.3 现有的煤位监控技术煤位测控系统发展到今天，比较成熟的有超声波式、核辐射式、电阻式、电容式和重锤式等煤位测控技术。首先分析以上相关煤位传感器的工作原理和特点，在指出其优缺点的情况下，同时也提出了适应煤矿井下煤仓煤位测量的煤位传感器的性能要求，(1)超声波式料位传感器超声波式料位传感器在煤仓顶部对着煤面装有超声波发生器和接收器。传感器的发生器发出超声波射至煤面并被反射

8、，反射回的超声波被接收器接收，由超声波发射到接收器接收所经历的时间乘以声速就可以计算出料位高度。超声波式能连续测量料位，非接触测量，有很强的抗干扰能力,安装、维护、使用非常方便。但对煤仓直径与深度比有一定的要求，并要求煤仓形状规则，内表面光滑，但测量盲区较大，因而可靠性差，测量深度也有一定限度。(2)核辐射式料位传感器核辐射式料位传感器由放射源Co-60(半衰期2.56年)和Cs-137(半衰期32.2年)发射的射线能够穿透煤仓壁和煤仓内的物料。在煤仓下侧装有射线接收器，随着煤位面高度的变化，射线穿过料层后的强度有所不同，接收器检测出射入的射线强度并通过显示装置显示出煤位高度。核辐射式料位传感

9、器射线式即能做定点测量，也能做连续测量，探头不与物料接触，无粘着和被掩埋危险。所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。但是防护要求高，作连续测量时，价格昂贵。(3)电容式料位传感器电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的，工作原理就是检测容量，根据介电常数。实际常用的又两种方式：一种是采用多个电容式料位开关接近开关进行高低点检测，当料上升到电容检测面的时候，电容传感器输出一个开关信号；另一种是采用直插式，这种料位计一般都有个很长的不锈钢杆，插入容器中，当料位慢慢上升或下降，电容量变化，电容传感器可以输出模拟量型号，当到达设定的上限制或者下限值的时候，输出报警信号，这种传感器可以

10、实时检测出位置。电容式是根据探极之间的电容正比于物料的料位，能作定点测量，也能连续测量，构造简单，安装容易。但它要求物料的介电常数稳定，故不适于煤矿井下应用，同样探头接触物料易粘着物料和损坏，而且测量距离也较小。(4)重锤式料位传感器重锤式料位传感器由伺服电机、减速器、悬有重锤的钢丝绳，料位检测装置以及带微机的显示仪表等组成。下面以拉力传感器重锤法料位计(见图1-1)为例介绍其工作原理：当传感器接到探测命令时：电机正转，经蜗轮、蜗杆减速后带动齿轮轴和绕线筒转动，使钢丝绳下放，带动重锤由仓顶下降。当重锤降至料面时被料面托起而失重，钢丝绳松驰，灵敏杠杆动作使微动开关接触，控制显示器得到该信号立即发

11、出电机反转命令，重锤上升返回，直到绕线筒碰上到顶开关，电机停转，重锤回到仓顶原始位置，完成一次探测过程。重锤式料位传感器可用于60m深的料仓测量，且这种测量与蒸气、灰尘无关，具有较高的测量精度。煤矿井下煤位测量的重锤式料位传感器应该具有良好的环境相容性、高可靠性、防爆、测量连续准确、易于维护或免维护等特点。31.电动机2.减速机3.滚筒4.钢丝绳5.力电传感器6.零位传感器7.重锤 图1-1拉力传感器重锤法料位计1.4 本文研究的主要内容针对对现场一直存在着对新型料位监测设备的需求。需要研制一种结构简单、价格低廉、适应性强、抗干扰能力强的数字化的煤位监控系统。本文应用新型矿用激光测距式煤仓煤位

12、传感器测距原理及实现方法，设计了以基于组态王6.53与可编程逻辑器为基础的煤仓煤位监控系统。应用组态王软件制作煤仓监控画面，建立实时曲线和历史曲线、实时报表和历史报表，建立数据库，以及与下位机的数据通讯。硬件采用可编程控制器，通过编写可编程控制器实现与上位机的通讯及对现场设备的控制和数据通讯。主要的设计内容为：(1)基于对煤仓煤位的控制系统的研究，模拟现场工艺流程，构建煤位监控系统框架。(2)煤位传感器的选择。系统采用新型矿用激光测距式煤仓煤位传感器，该传感器采用相位测距，可靠性高、测量精度高、便于实现监控的数字化。(3)可编程控制系统的硬件选择；PLC电源设计；I/O连接设计，控制程序编写及

13、上位机的通讯设计等。(4)人机界面的设计。利用组态王设计实时画面、报警画面、报表统计、趋势曲线、实时监控数据等模块。第2章 组态软件介绍2.1 监控组态软件基本概念和特点组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。“组态（Configure）”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备

14、或过程进行监视、控制和管理。组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如：DCS(集散控制系统）组态、PLC（可编程控制器）梯形图组态；人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管

15、理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，监控组

16、态软件将会不断被赋予新的内容。4通用组态软件主要特点有：(1)功能多样，组态软件提供工业标准数学模型库和控制功能库，组态模式灵活，能够满足用户所需的测控要求。能对测控信息的历史记录进行储存、显示、计算、分析、打印，界面操作灵活方便，具有双重安全体系，数据处理安全可靠。(2)封装性，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术甚至不需要掌握编程技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。(3)通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等)的设备驱动程序、开放式的数据库和画面

17、制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。(4)实现多任务。组态软件基于Windows系统，充分利用面向对象的技术和ActiveX动态链接库技术，极大丰富了控制系统的显示画面和编程环境，从而方便灵活的实现多任务操作。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件

18、又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。综上所述，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。2.2 监控组态软件的发展背景和发展方向2.2.1 组态软件发展背景 自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快

19、的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。 监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。 关于新技术的不断涌现和快速发展对监控组态软件会产生何种影响，有人认为随着技术的发展，通用组态软件会退出市场，例如有的自动化装置直接内嵌“Web Server”实时画面供中控室操作人员访问。 作者并不这样认为。用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有的画面要求，最终用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此最终用户的监控系统是始终需要“组态”和

20、“定制”的。这就是监控组态软件不可能退出市场的主要原因，因为需求是存在且不断增长的。 监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。 近5年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发

21、展，是监控组态软件发展的有力支撑。2.2.2 组态软件发展方向目前组态软件都能完成的类似功能：监控界面的动画编辑、各类报表模块、报警模块、趋势曲线模块及使用脚本语言提供二次开发的功能等等。但从技术说，各类软件实现以上功能的方法各不相同，从这些不同之处及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来的发展方向。5 组态软件的功能需要变迁。由单一的人机界面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。最早的组态软件用来支撑自动化系统的硬件。那时侯，硬件系统如果没有组态软件的支撑就很难发挥作用，甚至不能正常工作。现在的情况有了很大改观。一方面软件部分地与硬件发生分离，大部分自动化系统的硬件和软件现在不是由同

22、一个厂商提供，这样就为自动化软件的发展提供了可以充分发挥作用的舞台。 实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检索的是连续变化的过程数据，它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘，现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据。 很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。这样做的优点是：所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人

23、员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。XML技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。 专用系统所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。这也是现在仍然有很多用户还在自己用VB编写自动化监控系统的主要原因。在有些应用领域，自动监控的目标及其特性比较单一（或可枚举，或可通过某种模板自主定义、添加、删除、编辑）且数量较多，用户希望自动生成大部

24、分自动监控系统，例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统。这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征，用户只需用组态软件做一些系统硬件及其参数的配置，就可以自动生成某种特定模式的自动监控系统，如果用户对自动生成的监控系统的图形界面不满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户对简便性的要求，又同时配备比较完善的编辑工具。 长期以来，中国的组态软件市场都是由国外的产品占主角，中国本土的组态软件进入国际市场还有很长的路要走，需要具有综合优势。中国的工程公司、自动化设备生产商在国际市场取得优势对组态软件进入国际市场也具有一定的推动作用。相信民族组态软件的崛起是迟早的事情。与其他软件

25、产品相比，组态软件和IT类软件不同，有自己的特殊性，具有系统的概念，使用范围也不是很广，面临的国际竞争没有其他类似办公软件或操作系统那样激烈，因此中国的本土软件很容易崛起。组态软件市场的崛起一方面为最终用户节省了系统投资，另外也为用户解决了实际问题。现在用户购买组态软件虽然也需要一定的投资，但是和以前相比，投资额得到了大大降低。使用组态软件，用户可以做到“花了少量的钱，办成了大事情”。但是毕竟我们是跟在国外产品的后面发展起来的，要想全面超过国外的竞争对手，就必须坚持走好自己的道路，尽量减少效仿，突出特色，以客户需求为中心，积极创新。只有这样，本土的软件才能够具有稳固的根基。42.3 监控组态软

26、件的结构框架各类的组态软件从总体上来看一般都是有系统开发环境（或组态环境）和运行环境两大部分组成。系统的开发环境和运行环境之间的纽带是实时数据库。a.系统开发环境系统的开发环境（组态环境），它是一个工程开发设计的工具，主要用于制作监控画面、监控的设备的定义、定义相关变量、建立动画链接、编写程序控制命令语言、以及设定运行系统配置等的系统组态工具。b.系统运行环境在系统运行环境下，目标应用程序被载入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境负责采集和监控现场设备的数据，根据工程画面上图元的动画连接实时更新图形画面，将现场工程运行状况以组态图形的方式显示出来。工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依

27、据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。组态软件中的每个功能模块都是相对独立的，不同功能模块和组件的组合，就能够组织成一个功能完备的综合软件系统。根据系统的需求，常用的组件主要包括：(1)图形界面，主要包括开发程序和运行程序，开发程序可以实现自动化控制方案的编制，生成工作依赖的开发环境。编制并建立工程画面文件，生成目标应用系统。运行程序可以将开发程序中生成的应用系统加载到系统内存中，在系统运行的环境下执行实时运行。(2)实时数据库系统模块，实时数据库系统程序是联系上位机和下位机通信的纽带。可以将用户的操作指令发送到生产现场，并且能够将现场的各种实时状况以图形动态的形式显

28、示在屏幕上，这些都是依赖于实时数据库系统模块的支撑。系统提供了实时数据库参数设置的功能，能够自定义数据来源、数据类型、接口等参数。(3)历史数据库模块，该模块实现对历史数据的保存、查询检索等操作。由于实时数据库模块将现场的实时数据存储在内存中，随着系统运行的累积以及数据的更新，将不能满足数据存储的需求。历史数据库可以将重要的数据存储，并进行管理，用户可以通过操作历史数据库，对系统的运行状态进行评估。(4)设备驱动模块，设备驱动模块是实现数据交换和实时数据传递的模块。根据系统中本地数据采集和监控设备通信的要求可以选择适宜的通讯方式，支持常用的标准通讯协议，如HostLink、TCP、ModBus

29、 RTU等，当然也支持一些特殊的通讯协议。设备驱动模块，可以实现不同品牌PLC、板卡等设备的通讯。(5)网络通信模块，主要实现系统环境中网络节点实时信息的同步，实现数据的实时传输，实现网络实时通信。(6)数据报表模块，以图形、图表的方式显示系统运行的各种历史、统计、分析的信息，可以连接打印机直接输出。既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时的掌握和分析生产情况。(7)报警模块，报警模块是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员，有了报警，就可以提示操作人员注意。第3章 可编程控制器简介3.1

30、 可编程序控制器简介3.1.1 可编程序控制器功能与特点可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，是一种以微处理器为核心的自动化装置，在工作环境中使用数字操作的电子系统，使用可编程存储器内部存贮用户设计的指令，用这些指令来实现逻辑运算、顺序操作、定时计时以及算术运算，并通过数字或模拟I/O来控制各种类型的机械或过程。10PLC的主要功能为：逻辑控制功能；定时控制功能；计数控制功能；步进控制功能；数据处理功能；回路控制功能；通讯联网功能；监控功能；停电记忆功能；故障诊断功能。其中逻辑控制功能、步进控制功能、监控功能及数据处理功能是本文主要用到的功

31、能。可编程控制器的迅猛发展的原因在于它具有一些其它控制系统所不及的一些特点。(1)灵活性好在实现一个控制程序时，PLC具有很高的灵活性。由于PLC得结构形式多种多样，同一机型的PLC。其硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入和输出模块或特殊模块，组成不同硬件结构的控制装置。同时，在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性。相同硬件结构构成的PLC可以利用不同的软件实现不同的控制任务。在被控制对象的控制逻辑需要改变时，利用PLC可以很方便地实现新的控制要求，而其他的控制装置(如继电器控制)很难实现。(2)安全性高，抗干扰能力强工业生产过程对控制装备的可靠性要

32、求越来越高。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，完善的自我诊断功能，能够及时的诊断出PLC系统的软硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全。例如冗余设计，掉电保护，故障诊断，报警，运行信息显示和信息保护及恢复等。PLC专门为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。PLC采用隔离和滤波的抗干扰技术，其输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，得CPU与外部电路完全切断点的联系，有效的抑制了外部电路的干扰。(3)使用方便，维护简单PLC的用户界面十分友好，给使用者带来很大的方便。PLC提供标准的通讯接口，可以方便的构成PLC网络或计算机-PLC网络。他接口容易，编程语言易于为

33、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，即使没用计算机基础的人也能够掌握。PLC的监控功能可以对PLC的运行状态、内部数据进行监视或修改，增加了调试工作的透明度。PLC控制系统的维护非常简单，利用PLC的自我诊断功能和监控功能，可以迅速的查到故障点，维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息，或通过编程器和HMI屏幕的设定，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。(4)功能完善PLC除了具有基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊模块还可以实现点位控

34、制PID运算、过程控制、数字控制等功能，为了方便企业管理可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远程设备。(5)设计、施工、调试周期短用PLC完成一项控制任务时，由于硬软件齐全，设计和施工科同时进行。用软件编程取代了继电器硬件接线，实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时由于用户程序大都可以再实验室模拟调试，调好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机调试，使得调试方便、快速、安全可靠，因此大大缩短了设计和投运周期。由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。113.1.2 可编程控制器的发展趋势随着PLC技术的推

35、广及应用，PLC将进一步向以下几个方向发展。（1）标准化每个生产PLC的厂家都有自己的系列化产品，指令兼容，外设易于扩展，但不同厂家生产的PLC，梯形图。指令及各种配件均有一些差异，不利于PLC的普及因此，使PLC像个人计算机(PC)那样互相兼容，是PLC发展的重要方向，也是PLC研究中的一个艰巨的课题。(2)小型化从PLC出现以来，小型机的发展速度大大高于中、大型PLC。随着微电子技术的进一步发展，PLC的结构必将更为紧密，体积更小，使安装和使用更为方便。(3)模块化采用模块式结构，使系统的结构更加灵活、方便。而且小型机也有向模块化发展的趋势，使PLC的使用更简单、扩展更方便，通用性更强。(

36、4)低成本随着新型器件的不断涌现，主要部件成本的不断下降，在大幅度提高PLC功能的同时，也将大幅度降低PLC自身的成本，使PLC在经济上能与继电器电路抗衡真正成为继电器的替代物。(5)高功能PLC的功能将进一步加强，以适应各种控制需求；同时，计算、处理功能的进一步完善使PLC可在一定范围内代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也将进一步发展，用来完成各种专门的任务，如：位置控制、温度控制、中断控制、PID调节、远程通讯、音响输出等。最后，还应指出：PLC的普及是机电一体化的必然趋势。就是说，实现机电一体化，也是PLC发展的一个重要方向。103.1.3 可编程控制器的应用目前，在冶金、化工、机

37、械、电子、电力、轻工、建筑建材、交通等几乎所有的工业控制过程均可用PLC实现。但是，不同档次的PLC又有其不同的应用范围低档小型PLC可广泛代替继电器控制线路，进行逻辑控制、适用于开关量较多，没有或只有很少几路模拟量的场合，如行车的自动控制等。中档PLC可广泛应用于具有较多开关量，少量模拟量的场合，如自动加工机床等。高档PLC适用于具有大量开关量和模拟量的场合，如化工生产过程等。11随着PLC的迅速发展，功能不断的完善。如今，PLC的应用类型大致分为：顺序控制、运动控制、过程控制、数据处理及通信和联网这五种类型。3.2 可编程序控制器的结构一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相

38、同的，对箱体式PLC，主要由CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等组成，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如图3-1所示： 图3-1 PLC结构简化框图PLC各个组成部分作用如下：(1)中央处理器CPUCPU是PLC的“大脑”，它控制所有其他部件的操作，一般由控制电路、运算器、寄存器等组成，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口电路联接。中央处理单元主要完成以下任务：a

39、.从存储器中读取指令。CPU从地址总线上给出指令的存储地址，从控制总线上给出读指令，从数据总线上得到读出的指令，从存放到CPU内的指令存储器中b.执行指令。对存放在指令寄存器重的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作。例如：读取输入指令，取操作数，执行逻辑运算和算术运算，将结果输出等c.准备取下一条指令。CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在CPU的控制下，程序的指令即可以顺序执行也可以进行分支或转移处理。d.处理中断。有些PLC除了顺序执行程序外，还提供了中断处理功能。CPU通过接收I/O接口或内部的中断请求信号，进行中断处理。处理完毕后，再返回

40、原地址，继续顺序执行。这种控制方式提高了PLC的处理速度。(2)存储器存储器主要分成系统存储器以及用户存储器。PLC厂家将系统程序固化在ROM内，系统存储器就是用来保存程序的部件，用户不能随意更改内部程序。系统存储器为PLC提供了最基本的智能能力，可以支持设计者设计的各项规定。PLC的性能在很大程度上就取决于系统程序质量的优劣程度。它的主要内容包括：系统管理程序，控制PLC运行状态，使得PLC能够正常工作；标准程序模块与系统调用，用于存储各种子程序（如特殊运算、完成输出输入等子程序）和其调用管理程序，用户指令解释程序，通过指令解释程序，可以把PLC的编程语言解译成计算机语言指令，PLC的各项工

41、作就是依靠上述程序实现的。(3)电源PLC中配备了一个开关式稳压电源。该电源可以为扩展单元、输入输出板以及CPU板提供（5VDC）工作电源，同时可以为外部接入的输入元件提供（24VDC）工作电源。(4)扩展接口 PLC的基本单元和扩展单元通过扩展接口进行连接，设计者可以比较灵活的对PLC进行配置。(5)输入/输出接口 PLC通过输入输出接口实现外部连接。输入接口主要用来实现外部输入信号的接收和采集，根据信号来源的不同大致上可以分成两大类，一类是由测速发电机、电位器以及变送器此的模拟信号。另外一类是选择开关、继电器触点、行程开关、光电开关、按钮等此类的开关量信号。输出接口主要实现了PLC对各种元

42、器件的指令传输，连接中的被控制对象接收到PLC发出的各项指令后能够实现驱动负载和控制，例如电磁阀、调节阀、指示灯等。(6)通信接口 通信接口主要实现人机交互以及消息的传递，PLC中常用的通信接口有：显示器、打印机、其他计算机、PLC等。与打印机的通信接口，能够传递系统参数和程信息。与显示器的通信接口，能够显示过程画面。与其他PLC的通信接口，能够将多部PLC系统连接成网络，形成大规模的系统。与计算机连接，能够形成多级控制系统，形成综合控制与管理系统。(7)编程器 编程器是用来对程序进行编制、调试和控制的常用外部设备，它可以直接同总线相联，而不需要功能模块。编程器主要有两大类：简易型和智能型。简

43、易型，需要把梯形图转换成机器语言输入。常用的外部输入设备有，发光二极管、键盘或是其他监视器。 智能型，也可以称之为图形编程器，支持联机和脱机两种编程模式，能够在图像显示设备上显示，可以直接进行图形编程和界面操作。用户可以使用个人电脑(PC)作为编程器，条件是要安装制定的软件包并且配有对应的通信电缆。(8)智能I/O接口 智能I/O接口可以满足复杂的控制需求，如，位置闭环控制模板实现位置调节功能，高速计数模板实现高速脉冲计数和处理功能等。上述类型的智能模板，本身都带有处理器系统。(9)其他部件 PLC可以配置其他的外部设备，如，打印机、存储器卡、监视器、盒式磁带机等等。3.3 可编程序控制器的工

44、作原理3.3.1 可编程序控制器的工作过程PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC启动后，先进行初始化处理(清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的链接等)，开始运行后，串行的执行存储器的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。(1)公共处理阶段公共处理包括PLC自检，执行来自外设的命令、复位所有定时器、检查I/O单元的链接、检查扫描时间等。PLC自检就是CPU自我故障诊断，如果出现故障，就进行相应的处理，以提高系统的可靠性。CPU对PLC自检结束后，就检查是否有外设请求，如是否进入编程状态，是否需要通信服务等。(2)实行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机、磁带

45、盒等外部设备与PLC相连时、则PLC在每次循环时都将执行来自外部设备的命令。(3)执行用户程序扫描阶段在这个阶段，CPU将指令逐条调出执行。CPU对用户程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令，所需要的输入信息状态均从输入映象寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对于其他信息，则是从PLC的元件映象寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算中间结果都立即写入元件映象寄存器中，这样该元件的状态马上就可以被后面将要扫描的指令所利用。对输出继电器的扫描结果，是先将结果写入元件映象寄存器中的输出映象寄存器中，待输出刷新阶段集中进行批处理。(4)输入、输出更新阶段 PLC的CPU再每个扫描周期进

46、行一次输入来进行输出更新。当CPU对全部用户程序扫描结束后，将输入端得状态送到输入状态寄存器中，同时把输出状态寄存器的状态通过输出元件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。此阶段结束后，CPU将进入下一个扫描周期。3.3.2 可编程序控制器对输入/输出的处理规则(1)输入映象寄存器中的数据，是在输入采样阶段扫描到的输入信号的状态集中写进去的，在本扫描周期中，它不随外部输入信号的变化而变化。(2)输出映象寄存器中的状态，是由用户程序中的输出指令的执行结果来决定的。(3)输出锁存器中的数据是在输出刷新阶段，从输出映象寄存器集中写进去的。(4)输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数

47、据确定的。(5)执行用户程序时所需要的输入、输出状态，是从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出的。113.3.3 PLC的扫描时间及I/O响应时间PLC完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间。扫描时间的长短取决于系统的配置、I/O通道数、程序使用的指令及外围设备的链接等。扫描时间分为四段，每段的时间为：a.公共处理时间，这个时间是固定的，一般为： (3-1)b.输入输出更新时间。PLC的输入通道数总是大于输出通道数，所以输入输出更新时间可以以输入通道数为准。这段的扫描时间为： (3-2)其中N为输入通道数减1。c.程序执行时间。这部分时间取决于用户程序中使用的指令类型和条数。把程序中使

48、用的所有指令的执行时间加在一起，就等于。d.执行外设命令所需要的时间。当有外部设备与PLC相连时，其处理时间可按下面方法确定。 (3-3)PLC的I/O相应时间，就是PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间。用PLC设计一个控制系统是，必须知道有一个输入信号后PLC经过多上时间才能有一个对应的输出信号，不能正确并精确地解决系统各部分元件之间的配合问题。当PLC工作程序执行阶段时，虽然输入状态发生了变化，即输入状态寄存器的内容发生了变化，CPU执行输入信号也不会变化，而要到下一个周期的输入、输出更新阶段。才能有效。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下一个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。PLC的I/O的响应时间是可变的。第4章 煤位监控系统的硬件设计4.1 煤位测距