【正文】 期高為1秒。第3章 硬件設(shè)計 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，最大限度地滿足被控對象的控制要求。 ，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。，在選擇PLC的型號、I／O點(diǎn)數(shù)和存儲器容量等內(nèi)容時，應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，以利于系統(tǒng)的調(diào)整和擴(kuò)充。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟設(shè)計PLC應(yīng)用系統(tǒng)時，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機(jī)型和系統(tǒng)的具體配置。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計可以按以下步驟進(jìn)行：，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求。／O設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guān)、選擇開關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點(diǎn)數(shù)。 選擇時主要包括PLC機(jī)型、容量、I／O模塊、電源的選擇。／O地址 根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關(guān)、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入／輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。，進(jìn)行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設(shè)計可同時進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計。 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。 PLC系統(tǒng)選型本溫度控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7200PLC。西門子公司的S7200系列PLC可以滿足多種多樣的自動化控制的需要。由于具有緊湊的設(shè)計、良好的擴(kuò)展性、低廉的價格及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得S7200可以完美地滿足小規(guī)模的控制要求。此外，豐富的CPU類型和電壓等級使其在解決用戶的工業(yè)自動化問題時，具有很強(qiáng)的使用性和可選擇性。S7200 系列的PLC有CPU22CPU22CPU22CPU224XP、CPU226等類型。CPU221模塊不允許帶擴(kuò)展模塊；CPU222模塊最多可帶2個擴(kuò)展模塊；CPU224模塊、CPU226模塊、CPU226XM模塊最多可帶7個擴(kuò)展模塊。參照西門子S7200產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機(jī)為CPU226的PLC，CPU226模塊提供的主機(jī)I/O點(diǎn)有24個數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個數(shù)字量輸出點(diǎn)。另加上一臺擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一個模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖31所示。擴(kuò)展單元EM2228點(diǎn)繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO主機(jī)單元CPU226AC/DC繼電器圖31 PLC系統(tǒng)配置 系統(tǒng)控制要求PLC在溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)中的邏輯流程圖如圖32所示：紅燈亮報警器響黃燈亮報警器響T60T50T=3minT=3min定時綠燈亮定時T50T6050=T=60初始化圖32 邏輯流程圖 具體控制要求如下： 將被控系統(tǒng)的溫度控制在50℃~60℃之間，當(dāng)溫度低于50度或高于60度時，應(yīng)能自動進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)調(diào)整3分鐘后仍不能脫離不正常狀態(tài)，則應(yīng)采用聲光報警，以提醒操作人員注意排除故障。 系統(tǒng)設(shè)置一個啟動按紐啟動控制程序，設(shè)置綠，紅，黃3個指示燈來指示溫度狀態(tài)。被控溫度在要求范圍內(nèi)，綠燈亮，表示系統(tǒng)運(yùn)行正常。當(dāng)被控溫度超過上限或低于下限時，經(jīng)調(diào)整3分鐘后仍不能回到正常范圍，則紅燈或黃燈亮，并有聲音報警，表示溫度超過上限或低于下限。 在被控系統(tǒng)中設(shè)置4個溫度測量點(diǎn)，溫度信號經(jīng)變送器變成0~5V的電信號（對應(yīng)溫度0~100℃），送入4個模擬量輸入通道。PLC讀入四路溫度值后，再取其平均值作為被控系統(tǒng)的實際值。 若被測溫度超過允許范圍，按控制算法運(yùn)算后，通過模擬兩輸出通道，向被控系統(tǒng)送出0~10V的模擬量溫度控制信號。 PLC通過輸入端口連接啟動按鈕，通過輸出端口控制綠燈的亮滅，通過輸出端口控制紅燈的亮滅，通過輸出端口控制黃燈的亮滅。 實現(xiàn)溫度檢測懶惰控制的過程包括： PLC投入運(yùn)行時，通過特殊輔助繼電器M71產(chǎn)生的初始化脈沖進(jìn)行初始化，包括將溫度較佳值和基準(zhǔn)調(diào)節(jié)存入有關(guān)數(shù)據(jù)寄存器，使計時用的兩個計數(shù)器復(fù)位。 按啟動按鈕（X500），控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。采樣時間到，則將待測的四點(diǎn)溫度值讀入PLC，然后按算術(shù)平均的辦法求出四點(diǎn)溫度的平均值Q。將Q與Q max（溫度允許上限）比較，若也未低于下限，則說明溫度正常，等待下一次采樣。 若Q﹥Q max，進(jìn)行上限處理：計算Q與上限溫度偏差，計算調(diào)節(jié)量（比例系數(shù)設(shè)為2），發(fā)出調(diào)節(jié)命令，并判斷調(diào)節(jié)時間，若調(diào)節(jié)時間太長，進(jìn)行聲光（紅燈亮）；若調(diào)節(jié)時間未到3分鐘，則準(zhǔn)備下次繼續(xù)采樣及調(diào)節(jié)。當(dāng)采樣溫度低于下限，即Q＜Q max時，進(jìn)行下限處理：計算Q與下限溫度偏差，計算調(diào)節(jié)量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令，并判斷調(diào)節(jié)時間，若調(diào)節(jié)時間太長，進(jìn)行聲光（黃燈亮）；若調(diào)節(jié)時間未到3分鐘，則準(zhǔn)備下次繼續(xù)采樣及調(diào)節(jié)。 電氣控制系統(tǒng)電路圖（1） 主電路圖如圖33所示為電氣控制系統(tǒng)主電路。一臺加熱器為M1。接觸器KM1控制著M1正常運(yùn)行，F(xiàn)R1為加熱器過載保護(hù)用的熱繼電器；QF1為主電路的熔斷器。圖33 主電路圖（2）控制電路圖如圖34所示：圖34 控制電路圖12 第4章 軟件設(shè)計 PLC編程語言簡介 PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6ll31是PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)，1992~1995年發(fā)布了IEC6ll31標(biāo)準(zhǔn)中的1~4部分，我國在1995年11月發(fā)布GB/T 159691/2/3/4(等同于IEC6ll311/2/3/4)。IEC 6ll313廣泛地應(yīng)用PLC、DCS和工控機(jī)、“軟件PLC”、數(shù)控系統(tǒng)、RTU等產(chǎn)品。它們定義了5種編程語言：1) 指令表IL(Instruction list):西門子稱為語句表STL.2) 結(jié)構(gòu)文本ST(Structured text):西門子稱為結(jié)構(gòu)化控制語言(SCL)。3) 梯形圖LD(Ladder diagram):西門子簡稱為LAD。4) 功能塊圖FBD(ruction block diagram):標(biāo)準(zhǔn)中稱為功能方框圖語言。5) 順序功能圖SFC(Sequential function chart):對應(yīng)于西門子的S7Graph。順序功能圖梯形圖功能塊圖指令表結(jié)構(gòu)文本圖41 PLC的編程語言在SETP7編程軟件中，如果程序塊沒有錯誤，并且被正確地劃分為網(wǎng)絡(luò)，在梯形圖、功能塊圖和語句表之間可以轉(zhuǎn)換。如果部分網(wǎng)絡(luò)不能轉(zhuǎn)換，則用語句表表示。語句表可供喜歡用匯編語言編程的用戶使用。語句表的輸入快，可以在每條語句后面加上注釋。設(shè)計高級應(yīng)用程序時建議使用語句表。梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設(shè)計復(fù)雜的觸點(diǎn)電路時最好用梯形圖。功能塊圖適合于熟悉數(shù)字電路的人使用。S7 SCL 編程語言適合于熟悉高級編程語言(例如隊SCAL或C語言)的人使用。S7 Graph，HI Graph和CFC可供有技術(shù)背景，但是沒有PLC編程經(jīng)驗的用戶使用S7Graph對順序控制過程的編程非常方便，HI Graph適合于異步非順序過程的編程，CFC適合于連續(xù)過程控制的編程。通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）、數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。OB塊根據(jù)操作系統(tǒng)調(diào)用的條件（如時間中斷和報警中斷等）分成幾種類型，這些類型有不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的OB可以中斷低優(yōu)先級的OB。 復(fù)合數(shù)據(jù)類型與參數(shù)類型1. 復(fù)合數(shù)據(jù)類型通過組合基本數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型可以生成下面的數(shù)據(jù)類型:(1) 數(shù)組(ARRAY)將一組同一類型的數(shù)據(jù)組合在一起，形成一個單元。(2) 結(jié)構(gòu)(STRUCT)將一組不同類型的數(shù)據(jù)組合在一起，形成一個單元.(3) 字符串(SRTING)是最多有254個字符(CHAR)的一維數(shù)組。(4) 日期和時間(DATE一ANDJIME)用于存儲年、月、日、時、分、秒、毫秒和星期，占用8個字節(jié)，用BCD格式保存。(5) 用戶定義的數(shù)據(jù)類型UDT(userdefined data types).在數(shù)據(jù)塊 DB和邏輯塊的變量聲明表中定義復(fù)合數(shù)據(jù)類型。2．參數(shù)類型為在邏輯塊之間傳遞參數(shù)的形參(formal parameter，形式參數(shù))定義的數(shù)據(jù)類型:(1) TIMER(定時器)和COUNTER(計數(shù)器):對應(yīng)的實參(actual parameter，實際參數(shù))應(yīng)為定時器或計數(shù)器的編號，例如T3，CZI。(2) BLOCK(塊):指定一個塊用作輸入和輸出，實參應(yīng)為同類型的塊 。(3) POINTER(指針):。(4) ANY :用于實參的數(shù)據(jù)類型未知或?qū)崊⒖梢允褂萌我鈹?shù)據(jù)類型的情況，占10個字節(jié)。 系統(tǒng)存儲器1. 過程映像輸入/輸出(/IQ)在掃描循環(huán)開始時，CPU讀取數(shù)字量輸入模塊的輸入信號的狀態(tài)，并將它們存入過程映像輸入(process image input，PI)中。在掃描循環(huán)中，用戶程序計算輸出值，并將它們存入過程映像輸出表(process image output，PIQ).在循環(huán)掃描結(jié)束時將過程映像輸出表的內(nèi)容寫入數(shù)字量輸出模塊。I和Q均以按位、字節(jié)、字和雙字來存取，BI0，IWO和ID0。與直接訪問I/O模塊相比的優(yōu)缺點(diǎn)。2. 內(nèi)部存儲器標(biāo)志位(M)存儲器區(qū)3. 定時器(T)存儲器區(qū)時間值可以用二進(jìn)制或BCD碼方式讀取。4. 計數(shù)器(C)存儲器區(qū)計數(shù)值(0一999) 可以用二進(jìn)制或BCD碼方式讀取。(DB)與背景數(shù)據(jù)塊(DI)DB為共享數(shù)據(jù)塊，DBBS，DBW10和DBD12。DI為背景數(shù)據(jù)塊，DIX，DIB，DIW和DID。6. 外設(shè) I/O區(qū)(Pl/PO)外設(shè)輸入 (PI)和外設(shè)輸出(PQ)區(qū)允許直接訪問本地的和分布式的輸入模塊和輸出模塊?？梢园醋止?jié)(PIB或PQB)、字(PIW或PQW)或雙字(PID或PQD)存取，不能以位為單位存取PI和PO。 STEP7 的原理STEP7用于S7，M7，C7，WINAC的編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置，基于STEP7 。STEP7具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。 STEP7概述PC/MPI適配器+RS232C通信電纜。計算機(jī)的通信卡CP56ll(PCI卡)、CP55ll或CP5512(PCMCIA卡)將計算機(jī)連接到MPI 或PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。計算機(jī)的工業(yè)以太網(wǎng)通信卡CP 1512(PCMCIA卡)或CP 1612(PCI卡)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)計算機(jī)與PLC的通信。STEP 7的授權(quán)在軟盤中。STEP7光盤上的程序Author ware用于顯示、安裝和取出授權(quán)。（1）編程語言3種基本的編程語言:梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)。57SCL(結(jié)構(gòu)化控制語言)，87 GRAPH(順序功能圖語言)，S7HiGraph和CFC。（2）符號表編輯器（3）增強(qiáng)的測試和服務(wù)功能設(shè)置斷點(diǎn)、強(qiáng)制輸入和輸出、多CPU運(yùn)行(僅限于57一400)，重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、.直接下載和調(diào)試塊、.同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點(diǎn)可以通過輸入符號名或地址快速查找。（4）STEP7的幫助功能按FI鍵便可以得到與它們有關(guān)的在線幫助。菜單命令“Help→contains”進(jìn)入幫組窗口。 7的硬件組態(tài)與診斷功能（1）硬件組態(tài)① 系統(tǒng)組態(tài)：選擇硬件機(jī)架，模塊分配給機(jī)架中希望的插槽。② CPU的參數(shù)設(shè)置。③ 模塊的參數(shù)設(shè)置?？梢苑乐馆斎脲e誤的數(shù)據(jù)。（2）通信組態(tài)① 網(wǎng)絡(luò)連接的組態(tài)和顯示；② 設(shè)置用MPI或者PROFIBUSDP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)。③設(shè)置MPI、PROFIBUS或者工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)的時間驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，用通信塊編程。（3）系統(tǒng)診斷①快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶程序在運(yùn)行中的故障原因。②用圖形方式顯示硬件配置、模塊故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。 程序設(shè)計本設(shè)計是鍋爐控制，以溫度控制為主，主要是控制鍋爐內(nèi)水的溫度達(dá)到控制溫度的目的。PLC運(yùn)行時，將溫度設(shè)定值，PID參數(shù)值等，存入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，使定時器復(fù)位；按啟動按鈕，系統(tǒng)開始溫度采樣，采樣周期為1秒；K型熱電偶傳感器把所測量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；模擬量輸入通道AIW0通過讀入模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過程序計算后得出實際測量溫度T，將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計算調(diào)整量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖42所示：開始系統(tǒng)初始化綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行取實際溫度變量TT是否滿足條件 YN PID調(diào)節(jié)Y調(diào)節(jié)是否成功 N紅燈/黃燈亮，喇叭響 圖42 控制程序流程圖 通信系統(tǒng)隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，自動控制方式由傳統(tǒng)的集中控制向多級分布式方向發(fā)展，PLC的通信和聯(lián)網(wǎng)功能也越來越強(qiáng)。在實際工作中，無論是計算機(jī)之間