液体混合控制装置设计

审定成绩：

重庆邮电大学移通学院 毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

液体混合控制装置设计

单 位（系别） ： 学 生 姓 名 ： 专 业 ： 班 级 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 答辩组 负责人 ：

自动化

电气自动化技术

填表时间： 20 年 月 重庆邮电大学移通学院教务处制

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重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文)任务书

设计(论文)题目 液体混合控制装置设计 学生姓名 系别 自动化 专业 电气自动化技术 班级 05210901 指导教师 职称 联系电话

教师单位 重庆邮电大学移通学院自动化系下任务日期__ ____年____月____日

主 要 研 究 内 容 、 方 法 和 要 求 进 度 计 划 设计内容：用西门子S7-200PLC实现液体混合装置的控制。 设计要求及方法： ⑴ 本装置由两种液体（A和B）混合装置，其中SL1、SL2、SL3为液面传感器，液体A、B阀门与混合液阀门由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，YKM为搅动电机； ⑵按下启动按钮SB1，液体A阀门打开，液体A流入容器。当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。液面到达SL1时，关闭液体B阀门，搅动电机开始搅动。搅动电机工作6秒后停止搅动，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过2秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。 ⑶停止操作：按下停止按钮SB2后，在完成一个周期后停止（停在空罐状态下）。 在此基础上，采用S7-200作为控制器，进行电梯控制系统运行原理设计、硬件系统设计、软件系统设计。 第4周 根据题目查找资料，完成开题报告； 第5周—第6周 阅读相关资料，进行初步研究, 完成外文文献翻译； 第7周—第12周 查阅资料，设计液体混合装置的总体方案，并进行硬件和软件的设计； 第13周—第14周 整理资料、数据，撰写毕业论文； 第15周—第17周 论文修改、提交论文。 [1]．张运刚主编．西门子S7-200PLC技术与应用．北京：人民邮电出版社，2007．6 [2]．王卫红主编．可编程控制器应用教程．北京：人民邮电出版社，2010．2 [3]．罗宇航主编．流行PLC实用程序及设计．西安：西安电子科技大学出版社，2006．12 [4]．刘美俊主编．西门子PLC编程及应用． 北京：机械工业出版社，2011．7 [5]．徐世许、朱妙其主编．可编程序控制器．合肥：中国科学技术大学出版社． 主 要 参 考 文 献 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 - 1 -

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备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。

摘 要

PLC是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，它是一种用程序来改变控制功能的计算机。随着微处理器、计算机和通信技术的飞速发展，可编程控制器以广泛应用在工业控制中。

本系统使用的西门子PLC的S7-200系列实现了对液体混合装置的自动控制要求，同时控制系统利用仿真设备不仅能满足两种液体的混合功能，而且可以扩展其功能满足多种液体混合系统的功能。提出了一种基于PLC的多种液体混合控制系统设计思路，提高了液体混合生产线的自动化程度和生产效率。文中详细介绍了系统的硬件设计、软件设计。其中硬件设计包括液体混合控制的电路框图、输入/输出的分配表及外部接线。软件设计包括系统控制的梯形图、指令表及工作过程。在本装置设计中，液面传感器和电磁门以及搅动电机采用相应的扭子开光和发光二极管来模拟，另外还借助外围元件来完成本装置。整个程序采用结构化的设计方法，具有调试方便，维护简单，移植性好的优点。

【关键词】PLC 液体混合装置 程序

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ABSTRACT

PLC is a general-purpose automatic control device of the computer technology as the core , it is a program to change the computer control function 。 With the rapid development of microprocessor , computer and communication technologies , programmable controllers are widely used in industrial control。

This system using the Siemens PL3C S7-200, series to achieve the requirements of the automatic control of liquid mixing device。 control system using simulation equipment can not only meet a mixture of two liquids。 and can extend its functionality to meet a variety of liquid mixing system function。 A variety of liquid mixing control system of PLC-based design ideas, and the liquid mixed production line automation and production efficiency.。This paper details the system's hardware design, software design。 Hardware design, including the allocation table and the external wiring of the control circuit block diagram of the liquid mixture。 input / output。 Software design, including system control ladder diagram, instruction sheet and working process。 The corresponding kink in the design of this device, the liquid level sensor and electromagnetic door, and the stirring motor to open light and light-emitting diodes to simulate, and also with the external components to complete the device。 Structured design approach to the entire program, with convenient debugging, maintenance is simple, the advantages of portability。

【Key words】PLC iquid mixing device Program

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目 录

前言.........................................................................6 第一章 绪论.................................................................6 第一节 研究现状...........................................................6 第二节 研究的意义.........................................................7 第三节 研究的方法.........................................................8 一、继电器控制系统........................................................9 二、单片机控制............................................................9 三、可编程序控制器控制....................................................9 第二章 PLC简介.............................................................11 第一节 PLC概述 ...........................................................11 一、PLC概况..............................................................11 二、PLC特点.............................................................11 第二节 PLC组成...........................................................11

一、电源.................................................................12 二、处理单元.........................................................12 三、储存器...............................................................12 四、输入/输出接口电路....................................................12 五、功能模块.............................................................12 六、通讯模块.............................................................13 第三节 PLC工作原理........................................................13 一、输入采样阶段.........................................................13 二、用户程序执行阶段.....................................................13 三、输出刷新阶段.........................................................13 第三章 系统硬件设计........................................................14 第一节 系统总体方案......................................................15

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第二节 系统主控芯片的选择................................................15 一、 I/O点数估算........................................................16 二、选型................................................................16 第三节 传感器及电机的选择.................................................16 一、液位传感器的选择....................................................16 二、搅拌电机的选择......................................................16

三、电磁阀的选择........................................................16 四、接触器的选择........................................................16 第四节 系统主电路图及PLC外部接线图......................................17 一、电动机硬件接线图 ...................................................17 二、系统主电路图.........................................................19 三、PLC外部接线图.......................................................20 第四章 系统硬件设计........................................................21 第一节 系统流程图.........................................................21 第二节 系统梯形图.........................................................22 一、系统梯形图..........................................................22 二、内存分配变量表......................................................23 二、系统程序............................................................23 第三节 系统调试...........................................................23 结 论......................................................................26 致 谢......................................................................27 参考文献....................................................................29 附 录......................................................................30 一、英文原文..............................................................30 二、英文翻译..............................................................32

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前 言

可编程序控制器是随着计算机技术、通信技术、微电子技术和继电器控制技术的进步而又发展起来的一种技术。当前，PLC已经广泛应用于机械制造、冶金工业、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等各行各业。既可以用于旧设备的技术改造，又可以用于新产品的开发和机电一体化设计。早期的PLC大多作为继电器控制的升级换代产品，主要实现简单的逻辑控制。

随着计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的发展，PLC技术也得到了很好的发展，其功能远远超过早期PLC的逻辑控制，还具有过程控制、运动控制，更多的具有了强大的网络通信能力，使之与CAD/CAM以及机器人技术一起被称为当代工业自动化生产的三大支柱。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，当然PLC在其他领域也得到了迅速的发展。

将PLC作为液体混合装置的主控制器，使得液体加料和搅拌过程实现了自动控制，并大大提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机顺利、有序、准确的工作创造了有力的保障。本文一西门子的S7-200 PLC作为液体混合装置的主控制器，进行整体的硬件设计和软件设计，最终达到液体混合装置的控制要求。

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第一章 绪论

第一节 研究现状

随着工业技术的不断革新，在炼油、化工、制药等行业中，多种液体混合是必不可少的工序，而且也是其生产过程中是非重要的组成部分。生产要求系统具有混合准确、控制可靠等特点，这是人工操作和半自动化控制所难以实现的，目前相关行业急需一种能将多种液体自动混合控制的系统。

以前的液体混合装置都用继电器接触器实现控制，但由于接线复杂，查找错误困难，而且对于设备的更新也困难，灵活性和可靠性都得不到保证，随着微机的发展，在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逻辑控制器，使可编程逻辑控制器增加了运算、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。此时的可编程逻辑控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为PLC。20世纪70年代中末期，可编程逻辑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，可编程逻辑控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。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。20世纪80年代至90年代中期，是可编程逻辑控制器发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。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，可编程逻辑控制器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。可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。这个时期发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程逻辑控制器的工业控制设备的配套更加容易。

本课题是针对两种液体自动混合装置，一方面由于液体进料与控制过程比较复杂、使进料参数变化较大，造成液体混合精度控制难，难以用测量控制器进行测定。针对这个难题，研究将PLC控制应用于两组原料自动混合系统，从而提高原料自动混合系统的稳定性、可靠性、精确性。研究这种高性能的原料自动混合系统，对于提高劳动生产率具有重要的

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现实意义。

第二节 研究的意义

为了提高产品质量，缩短生产周期，适应产品迅速更新换代的要求，产品生产正在向缩短生产周期、降低成本、提高生产质量等方向发展。在炼油、化工、制药等行业中,多种液体混合是必不可少的工序, 而且也是其生产过程中十分重要的组成部分。但由于这些行业中多为易燃易爆、有毒有腐蚀性的介质, 以致现场工作环境十分恶劣, 不适合人工现场操作。另外，生产要求该系统要具有混合精确、控制可靠等特点, 这也是人工操作和半自动化控制所难以实现的。所以为了帮助相关行业, 特别是其中的中小型企业实现多种液体混合的自动控制, 从而达到液体混合的目的，液体混合自动配料势必就是摆在我们眼前的一大课题。借助实验室设备熟悉工业生产中PLC的应用，了解不同公司的可编程控制器的型号和原理，熟悉其编程方式，而多种液体混合装置的控制更常见于工业生产中，适合大中型饮料生产厂家，尤其见于化学化工业中。

PLC是以计算机技术为核心的通用自动控制装置，也可以说它是一种用程序来改变控制功能的计算机。随着微处理器、计算机和通行技术的飞速发展，可编程序控制器PLC已在工业控制中得到广泛应用，而且所占比重在迅速的上升。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。它应用于工业混合搅拌设备，使得搅拌过程实现了自动化控制、并且提升了搅拌设备工作的稳定性，为搅拌机械顺序、有序、准确的工作创造了有了的保障。本文所介绍的两种液体混合的PLC控制程序可进行单周期或连续工作，具有断电记忆功能，复电后可继续运行。另外，PLC还有通信联网功能，再通过组态，可直接对现场进行监控、更方便工作和管理。

第三节 研究的方法

就目前的现状有以下几种控制方式满足系统的要求：继电器控制系统、单片机控制、可编程序控制器控制。

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一、继电器控制系统

该系统的控制功能是用硬件继电器实现的。继电器串接在控制电路中根据主电路中的电压、电流、转速、时间及温度等参量变化而动作，以实现电力拖动装置的自动控制及保护。系统复杂，在控制过程中，如果某个继电器损坏，都会影响整个系统的正常运行，查找和排除故障往往非常困难，灵活性差，影响速度慢。

二、单片机控制

高集成度，体积小，高可靠性。单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内容布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高，控制功能强，为了满足对对像的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。低电压，低功耗。便于生产 便携式产品，为了满足广泛适用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8~3.6V,而工作电流仅为数百微安。易扩展片内具有计算机正常工作所需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。由于单片机的广泛使用，因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。但是，单片机是一片集成电路。不能直接将它与外部I/O信号相连。要使它用于工业控制还要附加一些配套的集成电路和I/O接口电路，硬件设计、制作和程序设计的工作量相当大，正因如此其运行的可靠性也会大大降低。

三、可编程序控制器控制

实时性强，信号处理时间短、速度快、信号处理和程序运行的速度快，能满足各种控制目标。可考性高，抗干扰能力强PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的工艺制造，内部电路采取了非常强的抗干扰技术。具有很高的可靠性。

例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时，一些使用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报警信息。在应

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用软件中。应用者还可以编入外围器件的故障自我诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自我诊断保护，这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。用户使用方便，由于产品的系列化和模块化。并且配有品种齐全的各类软件，用户灵活组成各种规模和要求不同的控制系统。用户在硬件设计方面，只是确定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接线。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接上相应的输入、输出信号即可。不需要诸如继电器的固体电子器件和大量繁杂的硬件接线电路。在生产工艺流程改变，或生产线更新，或系统控制要求改变，需要变更控制系统功能时，一般不用改变或很少改变I/O通道的外部接线。只要改变储存器中的控制程序即可，这在传统的继电器 控制时是很难想象的。

可编程控制器从上个时间70年代发展起来的一种新型工业控制系统，起初它主要是针对开关量进行逻辑控制的一种装置。可以取代中间继电器、时间继电器等构成开关量控制系统。随着30多年来微电子技术的不断发展，PLC也通过不断的升级换代大大的曾加了其功能，现在PLC已经发展成为不但具有逻辑控制功能、还具有过程控制功能、运动控制功能和数据处理功能、联网通讯等多种功能。是名副其实的多功能控制器。由PLC为主构成的控制系统具有可靠性高、控制功能强大、性价比高等优点。是本次设计首选控制装置。

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第二章 PLC简介

第一节 PLC概述

一、PLC概况

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程的存储器、用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程 。可编程序控制器极其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

二、PLC特点

PLC具有以下特点：

1通用性好，可以灵活组合功能模块，实现各种控制。 ○

2运行稳定可靠，有多层次抗干扰措施，内部运行非机械特点，原件寿命可不考虑。 ○

3环境适应性好，可与强电、震动、波动的设备一起工作。 ○

4安装、维护方便，设计施工周期短。无内部接线，全以编程实现。运行中能自诊断、 ○

动态监视控制过程并以提示，现场施工与PLC程序设计可同时进行，调试修改方便。

5编程简单。软件易学，采用适应电气原操作习惯的梯形图，以面向过程、面向问题 ○

的自然语言编程。内部接点、器件在编程中使用的次数几乎不受限。

6功能强。能实现逻辑、模拟数据处理及通讯联网、控制。 ○

7体积小、重量轻、功耗低。 ○

第二节 PLC组成

PLC本身就是一台适合工业现场使用的专用计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

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一、电源

可编程逻辑控制器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，可编程逻辑控制器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 。

二、处理单元

处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器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。当可编程逻辑控制器投入运行时，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。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双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。

三、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。

四、输入/输出接口电路

现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

五、功能模块

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如计数、定位等功能模块。

六、通信模块

第三节 PLC工作原理

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一、输入采样阶段

在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

二、用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取

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I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。

三、输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

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第三章 系统硬件设计

第一节 系统总体方案

本设计利用西门子PLC的S7-200系列设计两种液体混合装置控制系统。在实验之前将容器中的液体放空，按动启动按钮SB1后，电磁阀YU1通电打开，液体A流入容器。当液位高度达到SL2时，液位传感器SL2接通，此时电磁阀YU1断电关闭，而电磁阀YU2通电打开，液体B流入容器。当液位达到SL1时，液位传感器SL1接通，这时电磁阀YU2断电关闭，同时启动电动机YKM搅拌。6S后电动机M停止搅拌，这时电磁阀YU3通电打开，放出混合液去下道工序。当液位高度下降到SL3后，再延时2s电磁阀Y3断电关闭，并同时开始新的周期。原理图如图3.1所示。

图3.1 液体混合装置原理图

第二节 系统主控芯片的选择

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一、I/O点数估算

首先统计被控设备对输入、输出点的总需求量，把被控设备的信号源一一列出，认真分析输入、输出点的信号类型。

在初始状态时，根据要求要实现液体的自动混合导出控制，在开始操作之前，各阀门必须为关闭状态，容器为空。此时液体控制电磁阀Y1=Y2=Y3=OFF状态；传感器L1=L2=L3=OFF状态；电动机M为关闭状态。

在启动操作中，当装置和液体的都准备好之后，按下启动按钮,开始下列操作，Y1=ON,液体A流入容器;当液面到达L2时,Y1=OFF,Y2=ON;液体B流入,液面达到L1时,Y2=OFF,M=ON,电动机开始进行液体的充分混合搅拌;当混合液体搅拌均匀后(设时间为6s),M=OFF,Y3=ON,开始放出混合液体;当液体下降到L3时,L3从ON变为OFF,把时间控制为再过2s后容器放空,关闭Y3,Y3=OFF完成一个操作周期;在只要没有按停止按钮的状态下,则自动进入下一个循环操作周期。

在停止操作中，当工作完成之后需要关闭系统，按一下停止按钮,则在当前混合操作周期结束后,才停止操作。从而使系统停止在开始状态，以便下次启动系统时能够顺利的开始系统的循环。根据以上分析，对PL3C来说，需要提供5个输入点和4个输出点。除了以上的输入输出点意外，PL3C与计算机、打印机、CRT显示器等设备连接，需要用专用接口，也应计算在内。考虑到在实际安装、调试和应用中，还有可能发现一些估算中未预见到的因素，要根据实际情况增加一些输入、输出信号。因此，要按估计数再增加15%―20%的输入、输出点数，以备将来调整、扩充使用。综上所述，I/O估算为：输入点点数为8，输出点点数为7。

二、选型

西门子PLC的型号、规格繁多，根据前面的I/O估算，再查阅《西门子PLC编程手册》中的相关表格，根据系统I/O点数，选择S7-200系列。其中CPU选用CPU222。

第三节 传感器及电机的选择

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一、液位传感器的选择

选用LSF-2.5型液位传感器

其中“L”表示光电的，“S”表示传感器，“F”表示防腐蚀的，2.5为最大工作压力。 LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光的反射折射原理，当没有液体时，光被前端的棱镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制成单点或多点液位开关。LSF 光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下： ①工作压力可达2.5Mpa。 ②工作温度上限为125°C。 ③触点寿命为100万次。 ④触点容量为70w。

⑤开关电压为24V DC；切换电流为0.5A。

二、搅拌电机的选择

选用EJ15-3型电动机。其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。相关元件主要技术参数及原理如下：

①EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。 ②额定电压为220V，额定频率为50Hz，功率为2.5KW，采用三角形接法。 ③电动机运行地点的海拔不超过1000m。 ④工作温度-15～40°C /湿度≤90%。

⑤EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。

三、电磁阀的选择

（1）入罐液体选用VF4-25型电磁阀

其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，4表示设计序号，25表示口径（mm） 宽度。相关元件主要技术参数及原理如下：

①材质：聚四氟乙烯。使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体。 ②介质温度≤150℃/环境温度-20～60°C。

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③使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 ④功率：AC：2.5KW。

⑤操作方式：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。

（2）出罐液体选用AVF-40型电磁阀

其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，40为口径(mm)。相关元件主要技术参数及原理如下：

①其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果。 ②其阀体材料为：聚四氟乙烯，有比较强的抗腐蚀能力。 ③使用电压：AC：220 V50Hz/60Hz DC：24V。 ④功率：AC：5KW。

四、接触器的选择

功率为2.5KW选用CJ20-10/CJ20-16型接触器，其中“C”表示接触器，“J”表示交流，20为设计编号，10/16为主触头额定电流。 相关元件主要技术参数及原理如下： ①操作频率为1200/h。 ②机电寿命为1000万。

③主触头额定电流为10/16（A）。 ④额定电压为380/220（A）。

第四节 系统主电路图及PLC外部接线图

一、电动机硬件接线图

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图3.2电动机硬件接线图

二、系统主电路图

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图3.3系统主电路图

三、PLC外部接线图

图3.4 PLC外部接线

（一）输入输出点的地址分配

输入输出点的地址分配见表3.5。

表3.5

模块号 CPU222 输入端子号 1 2 3 4 5 6 7 8 输出端子号 1 2 3 4 5 6 地址号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 信号名称 启动，上升沿有效 停止，上升沿有效 液面检测H，上升沿有效 液面检测I，上升沿有效 液面检测L，下降沿有效 A液电磁阀X1，“1”有效 B液电磁阀X2，“1”有效 混合液电磁阀X3，“1”有效 搅拌电机，“1”有效 说明 按钮 按钮 液位传感器 液位传感器 液位传感器 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电机 - 20 -

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第四章 系统硬件设计

第一节 系统流程图

本设计中，没有涉及手动部分，在本程序设计中只考虑自控部分。本控制的原始条件是搅拌器内没有液体，所有阀门、搅拌电机均为关闭状态。这时如果按下启动按钮，系统被启动，执行控制任务1，输入A液体到搅拌器。

当液体A的液位达到I时，执行控制任务2，液体A停止输入、开始输入液体B。 当液体B的液位达到H时，执行控制任务3，液体B停止输入、启动搅拌电机、启动 搅拌定时器。

当搅拌时间到，执行控制任务4，停止搅拌电机、输出混合液。 当液面低于L时，执行控制任务5，启动输出延时定时器。

当输出延时时间到，执行控制任务6，关闭输出电磁阀等待再一次启动。 如图4.1所示。

图4.1系统流程图 - 21 -

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第二节 系统梯形图

一、系统梯形图

见图4.3，其中输入元件、输出元件和定时器的实际地址，都使用了符号表的名字。

二、内存分配变量表

为了便于编制、便于阅读程序。采用S7-200符号表进行程序设计。符号表的作用是建立输入输出变量的符号名称与变量的地址的对应关系。有了符号表，就可以用符号表的名称代替变量的实际地址进行编程。符名表中的名称可以是英文也可以是中文。实际中用英文书写比较快捷。本程序中为了便于阅读采用中文建立符号表。设控制系统的内存变量分配表（符号表）见表4.2。

表中用小括号标明的名称，没有写入PLC的符号表，在编程时还应该使用元件的实际地址。

表4.2

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

名称 启动 停止 H检测 I检测 L检测 阀X1 阀X2 阀X3 电机M (搅拌计时器) (缶排空延时器) (原始标志) (液位最低标志) 地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 T101 T102 M0.0 M0.1 注释 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 上升沿有效 下降沿有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 “1”有效 时基=l00ms，T0N定时器 时基=l00ms，T0N定时器 Bool Bool - 22 -

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图4.2系统梯形图

二、系统程序

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NETWORK 1 //搅拌器没液体(L=0)，阀门关闭，搅拌机停止。 LDN L检测 // L检测=I0.4。 AN 阀X1 //阀X1=Q0.0。 AN 阀X2 //阀X2=Q0.1。 AN 阀X3 //阀X3=Q0.2。 AN 电机M //电机M=Q0.3。 = M0.0 //原始标志=M0.0。

NETWORK 2 //执行控制任务1，输入A液体到搅拌器（X1=1）。 LD M0.0 //原始标志=M0.0。 A 启动 //启动=I0.0。 AN 停止 //停止=I0.1。 EU //上升沿有效。 S 阀X1, 1 //阀X1=Q0.0。

NETWORK 3 //执行控制任务2，液体A停止、输入液体B（X1=0，X2=1）。 LD 阀X1 //阀X1=Q0.0，输入液体A，Q0.0=1。 A I检测 //I检测=I0.3，液体A到位，I0.3=1。 EU //上升沿有效。

R 阀X1, 1 //阀X1=Q0.0，停止输入液体A，Q0.0=0。 S 阀X2, 1 //阀X2=Q0.1，输入液体B，Q0.1=1。

NETWORK 4 //执行控制任务3，停液体B、启动搅拌电机（X2=0，M=1）。 LD 阀X2 //阀X2=Q0.1，输入液体B，Q0.1=1。 A H检测 // H检测=I0.2，液体B到位，I0.2=1。 EU //上升沿有效。

R 阀X2, 1 //阀X2=Q0.1，停止输入液体B，Q0.1=0。 S 电机M, 1 //电机M=Q0.3，启动搅拌电机Q0.3=1。

NETWORK 5 //启动搅拌定时器（启动T101）。

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LD 电机M //电机M=Q0.3，搅拌电机运行Q0.3=1。 TON T101, +600 //搅拌计时=T101，启动搅拌定时器。

NETWORK 6 //执行控制任务4，停止搅拌电机、输出混合液（M=0，X3=1）。 LD T101 //搅拌计时=T101，搅拌定时到，T101=1。 EU //上升沿有效。

R 电机M, 1 //电机M=Q0.3，停止搅拌，Q0.3=0。 S 阀X3, 1 //阀X3=Q0.2，打开输出阀，Q0.2=1。

NETWORK 7 //检测液位低于L，置标志M0.1（M0.1=1）。 LD 阀X3 //阀X3=Q0.2，输出混合液，Q0.2=1。 A L检测 // L检测=I0.4，混合液全部输出，I0.4=0。 ED //下降沿有效。 S M0.1, 1 //液位最低标志=M0.1。

NETWORK 8 //执行控制任务5，启动输出延时定时器（启动T102）。 LD M0.1 //液位最低标志=M0.1，液位最低，M0.1=1。 TON T102, +100 //液体排空计时=T102。

NETWORK 9 //执行控制任务6，关闭输出电磁阀等待再一次启动（X3=0）。 LD T102 //液体排空计时=T102，液体排空，T102=1。 R 阀X3, 1 //关闭阀X3=Q0.2。 R M0.1, 1 //清除液位最低标志=M0.1。

NETWORK 10 //执行停止操作。

LD 停止 //停止按钮=I0.1，按下停止按钮，I0.1=1。 EU //上升沿有效。 R 阀X1, 4 //复位输出阀X1=Q0.0。

NETWORK 11 //错误处理

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LD 启动 //启动和停止按钮同时按下的错误。 A 停止 //

LD 阀X1 //阀X1和阀X2同时打开的错误。 A 阀X2 // OLD

LD 阀X1 //阀X1和阀X3同时打开的错误。 A 阀X3 // OLD

LD 阀X2 //阀X2和阀X3同时打开的错误。 A 阀X3 // OLD

STOP //系统停止。

第三节 系统调试

运用调试程序进行系统静调。模拟两种液体混合装置的操作过程，对控制程序作一些改动，使之变成可连续运行的调试程序。具体作法如下： 设PL3C进入运行方式后：

经过一定的准备时间，模拟按下启动按钮，Q0.2的指示灯亮；

一段时间后，液面上升到I位置，Q0.2的指示灯灭，Q0.0的指示灯亮； 一段时间后，液面上升到L1位置，Q0.0的指示灯灭，Q0.3的指示灯亮； 一段时间后，Q0.3的指示灯灭，Q0.1的指示灯亮；

一段时间后，液面低于L3位置，Q0.1的指示灯灭，Q0.2的指示灯亮，当前操作周期结束，自动进入下一个操作周期。

在系统运行过程中，模拟按下停止按钮，所有运行立即结束。 调试结束。

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结 论

基于以上设计与调试，两种液体混合装置的系统设计基本结束。测试结果满足设计给定要求。

利用本装置混合的液体混合精度不高，会影响到产品的品质。主要原因出在本装置缺少一个环节，清洗的环节。一个工作流程结束后，液体池壁也会有混合液残液残留，未对它进行清洗，下一个工作流程混合的液体混合精度将会发生变化，随着程序的积累，液体混合的精度就会发生更大的变化。所以必要的时候可以在系统添加一个清洗的环节，以满足生产需要。

在液体加入的时候，液体的上升并不是十分平稳的，而是有起伏变化的，所以液体传感器对液面的检测不能十分精确，液面起伏越大检测精度也越小。为了增加检测精度，一种可行的方法是控制液体加入的速度和方式，尽量将速度放慢，或者将液体的送人采取在混合池底部压入的方式。

通过这次毕业设计。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的科学文化素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的撑握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题就出现了。这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料和询问老师，使得我对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地位。因此，学好这门课程十分重要。

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致 谢

毕业设计完成了，在这个过程中我学到了很多东西。首先我要感谢我的导师杨传燕老师，她在我完成论文的过程中，给予了我很大的帮助。在论文开始的初期，我对于论文的结构以及文献选取等方面都有很多问题，在设计论文过程中得到杨老师多方帮助，此次毕业设计是非常难得的一次理论与实践相结合的机会，通过这次对“多种液体自动混合装置的PLC控制”的设计使我摆脱了单纯理论学习的状态，和眼高手低的毛病。通过本次毕业设计，使我了解到PLC的重要性。PLC是一门极其重要的课程，他综合了计算机技术和自动控制技术和通讯技术。在当今由机械化向自动化，信息化飞速发展的社会，尤其是PLC技术越来越受人们广泛应用。因此学会和运用PLC，将对我们以后踏上工作岗位有极其重要的帮助，在此次设计中，我们遇到了许多困难，通过对自身的查找，我找出几点不足之处,不会利用查翻资料。在理论课学习过程中，老师曾经给过我们很多关于PLC的参考资料。而我没有去充分利用。在老师的提示下，我才如获至宝。

通过这次毕业设计。我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我的科学文化素质，在没有做实践设计以前，我们对知识的撑握都是理论上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序用到PLC中的时候，问题就出现了。这样，我就只能一个一个问题的去解决，通过查阅资料和询问老师，使得我对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。使我了解了PLC控制技术在工业应用和工业生产中的重要地位。因此，学好这门课程十分重要。

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参考文献

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[7].梁剑雄，邓水先. 高可靠性的PLC控制系统的设计. 2005.1 [8].何国金. 机械电气自动控制[M].重庆：重庆大学出版社，2002

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附 录

一、英文原文

PLC brief

John Paul

PLC has a simple structure, easy programming, superior performance, versatile, easy to

use,high reliability, engage interfere with the ability to wait until a series of advantages, has been widely applied in the field of automatic control of industrial processes。

Since the 1960s, the United States introduced the ,programmable logic controller

(Programmable Logic Controller, PLC) to replace traditional relay control unit, the PLC has been rapid development, has been widely used around the world。PLC functionality and continuous improvement。With the continuous improvement of computer technology, signal processing technology, the continuous development of control technology network technology and user demand, PLC switch processing on the basis of the analog processing and motion control

functions PLC today is no longer confined to the logic control, also play an important role in the field of motion control, process control。As the product of choice of the discrete control system, PLC in the 1980s to the 1990s, the rapid development of world-wide PLC annual growth rate of 20% to 30%。With the continuous improvement of the degree of factory automation and

expanding the base of the PLC market capacity in recent years, the PLC in industrial countries, growth is slowing down。However, the very rapid growth in China and other developing countries, the PLC。Comprehensive information in global sales revenue of the PLC in 2004 for about $ 10 billion, occupies a very important position in the field of automation。PLC is a touching imitation of the original relay control principle developed in the 1970s, the PLC logic control switch, first applications in the automotive manufacturing industry。To store the implementation of logical, sequential control, timing, counting and operations, such as operating instructions; and operation via the digital inputs and outputs to control various types of machinery or production processes。User control program prepared by expression of the production process of the process

requirements, and pre-stored in the PLC user program memory。Run-time in the contents of stored procedures one by one, to complete the process the requested operation。PLC CPU directs the program to step the program counter of the store address in the program is running, performing each step, the counter automatically incremented by 1, the program carried out

sequentially from the starting step (step number zero) to the final step (typically END instruction), and then return to the starting step cycle operation。PLC for each completed one cycle of operation required time is called a scan cycle。Different types of PLC cycle scan cycles in 1 microsecond to tens of microseconds。Count logic PLC ladder programming in the solution, showing the advantages of fast solvers in the microsecond range, 1K logic program is less than 1

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ms。It as if all the input switch 16 (also 32) is an analog。Large PLC to use a CPU to complete the analog computing。Calculation results to the PLC controller。The same I / O points system with PLC than the DCS, the lower its cost (around can save about 40%)。PLC do not have a dedicated operator station with software and hardware are generic, so maintenance costs than the DCS is much lower。A PLC controller, you can receive thousands of I / O points (up to more than 8000 I / O)。If the controlled object is the device chain, to loop seldom more appropriate use of PLC。PLC as universal monitoring software in the design of enterprise management information system, to be easy。The past 10 years, with the PLC price reduction and user demand continues to expand, more and more small and medium-sized equipment adopts PLC control and PLC in China is growing very rapidly。With China's rapid economic development and the continuous

improvement of the basic level of automation, the next period of PLC in China will continue to maintain high growth momentum。Universal PLC applied to special equipment that it is an embedded controller, embedded controller PLC relative to the average square with higher reliability and better stability。Some users encountered in the practical work is original with embedded controllers, and now gradually replace the embedded controller with PLC or custom PLC。

PLC It is a real-time system is different from the traditional PC-based motor control system to relay whenever the design changes, the whole system almost always re-create not only time-consuming and laborious; relay the same time as there is contact poor contact, wear the shortcomings of the volume, the resulting higher costs, low reliability, and difficult to repair, and other issues in order to improve these shortcomings, the United States DEC first published in 1969: program control of the programmable controller (Programmable Controller)。published early (Programmable Logic Controller) referred to the PLC, the first purpose of replacing the implementation of the relay, relay logic and other functions such as timing or counting sequence control based, also known as sequence controller, the structure as a microcomputer, so it can be called microcomputer programmable controller (MCPC), until 1976, the American Association of Motor Manufacturing officially given a name for the Programmable the Controller, you can

program the controller, referred to as PC, due to the current PC (Personal Computer) is extremely common, coupled with often used in conjunction with the programmable controller, in order to distinguish between the two, it is generally said program controller for the PLC to be。 PLC market a wide range, according to the manufacturer and applicable sites the different, but each label can be unit complex is divided into large, medium and small; general factories and schools typically use a small PLC, which produced by the Japanese MITSUBISHI F-Series and China's Shihlin ElectricA Series PLC than by the people love to use the CAI will be the Mitsubishi the FX2 PLC-based to be introduced and hope the user can have a deeper understanding of the PLC using the PLC can be more handy。 basic internal structure of programmable controllers canto represent the three branches of the internal at the unit including the CPU, input modules, output modules and the PLC CPU via the input module to obtain the signal generated by the input

element, then one by one from the memory, remove the original program written ininput control commands via the logical calculus of the computing department, and then over the output module to drive the external output devices。

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二、英文翻译

PLC简述

PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、搞干扰能强等一系列优点，在工业生产过程自动控制领域得到了广泛用。

二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%～30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。 PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬

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件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头。 通用PLC应用于专用设备时可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而方具有更高的可靠性和更好的稳定性。实际工作中碰到的一些用户原来采用嵌入式控制器，现在正逐步用通用PLC或定制PLC取代嵌入式控制器。

PLC它是一种即时系统有别于个人电脑传统式以继电器为主的电机控制系统中，每当变更设计时，整个系统几乎都要重新制作，不但费时又费力;同时由于继电器还有接点接触不良，磨损，体积大之缺点，因此造成成本升高，可靠性低，不易检修等问题为了改善这些缺点，美国DEC在1969年繁体首度发表：。可程式控制器（可编程控制器）程式控制器在发表初期被称为（可编程逻辑控制器）简称PLC的，控制器，即可程式控制器，简称PC机，由于目前个人电脑（个人电脑）极为普遍，加上买卖相关的例句可程式控制器配合使用，为了区分两者，所以一般都称可程式控制器为PLC的以加以分别。目前市面上之PLC的种类繁多，依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异，其中以日系三菱三菱F系列及我国士林电机工工程学系生产之一个系列的PLC较受国人爱用。而本蔡将以三菱的FX2的PLC为主加以介绍，望使用者能对PLC的有更深的了解，在使用的PLC时能更得心应手。可程式控制器内部基本结构可用下图来表示，其内部处单元包括的CPU，输入模组，output模组三大部门，PLC的CPU的会经由input;模组取得input;元件工程学系产生的讯号，再从记忆体中逐一取出原先以程式书写器中输入的控制指令，经由运算部门逻辑演算后，再将结果调的过; output模组加以驱动外在的; output元件。

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