自动立体车库PLC控制系统设计

PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少的多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常进行。

3.3 可编程控制器的结构

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。 （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映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序[7]，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映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像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[8]。

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得作用。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。 （4）编程器及其他选件

编程器是编制、编辑、调试、监控PLC的用户程序的必备设备。小型PLC的程序编制可直接使用简易的手持式编程器来完成，较为复杂的编程一般使用专门的编程软件。PLC还可以选配其他设备，如盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、人机接口单元、网络连接设备等，可以根据实际需要进行配置。 （5）PLC硬件结构框图如图3.1所示：

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主机电源输入设备输入单元微机处理（CPU）运算器控制器输出单元输出设备其他设备外设接口存储器系统程序用户程序扩展接口扩展单元图3.1 PLC硬件结构框图

3.4可编程控制器的组成及其工作原理

3.4.1 可编程控制器的组成 （1）CPU模块

同一般的微处理机一样，中央处理单元是可编程控制器的主要部分，是系统的运算和控制中心。它按照PLC系统程序赋予的功能，完成以下任务：

a：接受并存储用户程序和数据；

b：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； c: 当PLC投入运行后，已扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据； d: 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术运算；

e: 根据用户程序的执行结果，更新有关状态标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

小型PLC一般采用8位微处理器，而大、中型PLC一般采用16或32位微处理器。一般中型可编程控制器多为双处理器系统，即字处理器和位处理器，其中字处理器是主处理器，由它处理字节操作指令，控制系统总线、内部计数器、内部定时器、监视扫描时间、统一管理编程接口，同时协调位处理器及输入输出。位处理器也称从处理器，主要作用是处理位操作指令和在机器操作系统的管理下实现编程语言向机器语言的转换[9]。

（2）存储器

存储器主要用于存放系统程序和应用软件。基本上由ROM(Read Only Memory只读存储器)、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除的只读存储器)及RAM(Random Assess Memory,随机存储器)种组成，存储能力的大小随机器的性能而变化。

根据存储内容的不同，PLC的存储器空间一般分为以下3个区域：

a:统程序存储区，用于存放PLC的系统程序。系统程序是由控制器的制造厂家在研制

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系统时确定的，它和机器的硬件组成有关，并在机器使用过程种是不变动的。

b:用户程序存储区，用于存放用户应用程序。用户应用程序是随控制器的使用环境而定的，随着控制对象的不同而变动，一般存放在EPROM存储器中。

c:系统RAM存储器，用于存放控制器在运行中发生变化和需要进行存取的一些数据。该存储区中存放的数据一般不需要保存很长时间，所以该部分的存储器我们一般都选用RAM，来适应随机存取的要求。与一般的计算机系统不同，在PLC的系统RAM存储区中，除存储工作数据外，还划分有输入输出数据映像区及计数器、定时器的设定值与当前值的数据存放区。

（3）底板及电源模块

对于分体式结构的PLC，一般都做成总线模板框架式结构。装有CPU模块的框架称为基本框架，其他为扩展框架，框架之间通过电缆连接。在一个框架中，CPU模块等模板插装在一块底板上。底板为总线式结构，内部装有总线控制器的印刷电路板，提供总线插槽和扩展底板接口。根据底板上插槽数目的不同，有3槽、8槽、18槽等不同的规格。

PLC配有开关式稳压电源，用来对PLC的内部电路供电。PLC通常使用交流220V或直流24V工作电源。它的电源模块为其他各模块提供DC5V、12V、24V等各种内部直流工作电源。许多PLC都可以为输入电路和外部的传感器提供直流24V的工作电源，但是驱动PLC负载的直流电源及交流电源一般由用户提供。

（4）I/O模块及特殊I/O模块

I/O模块是PLC的CPU与现场用户设备进行联系的桥梁。可编程控制器系统通过其I/O接口模板检测被控对象的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控制的信息。同时，控制器通过I/O模板将控制器的处理结果送给被控对象，以驱动各种执行机构实现控制[10]。

从信号类型上看，PLC的I/O模块通常包括：开关量输入模块、模拟量输入模块、开关量输出模块和模拟量输出模块等类型，这些模板又有直流和交流、电压和电流类型之分，每个类型又有不同的参数等级，分别用于联系不同类型及大小的外部信号。

一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离：

a:入电平转换 将输入端的不同电压和电流信号转换成CPU所能接受的低电平信号。 b:出电平转换 将微处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需要的电压和电流信号。

c:电气隔离 指在CPU与I/O回路之间采用的防干扰措施，以隔离CPU与I/O回路之间的联系，在强的外部干扰情况下防止PLC故障或误动作。大型PLC中还有一类特殊I/O模板，如高速计数模板、PID控制模板、中断控制模板等，它们一般是为了提高PLC的实时控制功能和过程控制功能而专门设计的。

（5）通信接口模块

几乎所有的PLC都具备联网通信能力。在实际的控制系统中，由于控制对象的增加、控制功能的复杂，就可能由两台或多台PLC组成的控制系统；在有些情况下，也需要由PLC和其他的计算机组成控制系统。

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3.4.2 可编程控制器的工作原理

PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。CPU对用户程序的执行过程是CUP的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。一个扫描周期主要可分为：

（1）读输入阶段。每次扫描周期的开始，先读取输入点的当前值,然后写到输入映像寄存器区域。在之后的用户程序执行的过程中，CPU访问输入映像寄存器区域,而并非读取输入端口的状态，输入信号的变化并不会影响到输入映像寄存器的状态，通常要求输入信号有足够的脉冲宽度，才能被响应[11]。

（2）执行程序阶段。用户程序执行阶段,PLC按照梯形图的顺序，自左而右，自上而下的逐行扫描，在这一阶段CPU从用户程序的第一条指令开始执行直到最后一条指令结束，程序运行结果放入输出映像寄存器区域。在此阶段，允许对数字量I/O指令和不设置数字滤波的模拟量I/O指令进行处理，在扫描周期的，各个部分，均可对中断事件进行响应

（3）处理通信请求阶段。是扫描周期的信息处理阶段，CPU处理从通信端口接收到的信息。

（4）执行CPU自诊断厕试阶段。在此阶段CPU检查其硬件，用户程序存储器和所有I/O模块的状态。

（5）写输出阶段。每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映像寄存器中的数据输出给数字量输出端点（写入输出锁存器中），更新输出状态。然后PLC进入下一个循环周期，重新执行输入采样阶段，周而复始。

如果程序运行中使用了中断，那么系统会自动立即运行这个程序，并且中断程序可以在扫描周期内的任意点被执行。

如果程序中使用了立即I/O指令，可以直接存取I/O点。用立即指令读输入点值时，相应的输入映像寄存器的值未被修改，用立即I/O指令写输出点值时，相应的输出映像寄存器的值被修改[12]。

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