【正文】 期高為1秒。第3章 硬件設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和步驟 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求。 ，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。，在選擇PLC的型號(hào)、I／O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量等內(nèi)容時(shí)，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(jì)的一般步驟設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，首先是進(jìn)行PLC應(yīng)用系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，即根據(jù)被控對(duì)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(guò)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(hào)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(jì)可以按以下步驟進(jìn)行：，制定控制方案 分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，確定被控對(duì)象對(duì) 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(kāi)關(guān)、選擇開(kāi)關(guān)等)和輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等)由此確定PLC的I／O點(diǎn)數(shù)。 選擇時(shí)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(chǎng)需要，確定控制按鈕，選擇開(kāi)關(guān)、接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈等各種輸入輸出設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、數(shù)量；根據(jù)所選的PLC的型號(hào)列出輸入／輸出設(shè)備與PLC輸入輸出端子的對(duì)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(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序與硬件設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短，而對(duì)于繼電器系統(tǒng)必須先設(shè)計(jì)出全部的電氣控制線路后才能進(jìn)行施工設(shè)計(jì)。 聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過(guò)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(mén)子公司的S7200PLC。西門(mén)子公司的S7200系列PLC可以滿足多種多樣的自動(dòng)化控制的需要。由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)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(jí)使其在解決用戶的工業(yè)自動(dòng)化問(wèn)題時(shí)，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(gè)擴(kuò)展模塊；CPU224模塊、CPU226模塊、CPU226XM模塊最多可帶7個(gè)擴(kuò)展模塊。參照西門(mén)子S7200產(chǎn)品目錄及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)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(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。另加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)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(cè)與控制系統(tǒng)中的邏輯流程圖如圖32所示：紅燈亮報(bào)警器響黃燈亮報(bào)警器響T60T50T=3minT=3min定時(shí)綠燈亮定時(shí)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(shí)，應(yīng)能自動(dòng)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(bào)警，以提醒操作人員注意排除故障。 系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)按紐啟動(dòng)控制程序，設(shè)置綠，紅，黃3個(gè)指示燈來(lái)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(guò)上限或低于下限時(shí)，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(bào)警，表示溫度超過(guò)上限或低于下限。 在被控系統(tǒng)中設(shè)置4個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，溫度信號(hào)經(jīng)變送器變成0~5V的電信號(hào)（對(duì)應(yīng)溫度0~100℃），送入4個(gè)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(shí)際值。 若被測(cè)溫度超過(guò)允許范圍，按控制算法運(yùn)算后，通過(guò)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(hào)。 PLC通過(guò)輸入端口連接啟動(dòng)按鈕，通過(guò)輸出端口控制綠燈的亮滅，通過(guò)輸出端口控制紅燈的亮滅，通過(guò)輸出端口控制黃燈的亮滅。 實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)懶惰控制的過(guò)程包括： PLC投入運(yùn)行時(shí)，通過(guò)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(jì)時(shí)用的兩個(gè)計(jì)數(shù)器復(fù)位。 按啟動(dòng)按鈕（X500），控制系統(tǒng)投入運(yùn)行。采樣時(shí)間到，則將待測(cè)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(shuō)明溫度正常，等待下一次采樣。 若Q﹥Q max，進(jìn)行上限處理：計(jì)算Q與上限溫度偏差，計(jì)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(shí)間，若調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，進(jìn)行聲光（紅燈亮）；若調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)，進(jìn)行下限處理：計(jì)算Q與下限溫度偏差，計(jì)算調(diào)節(jié)量，發(fā)出調(diào)節(jié)命令，并判斷調(diào)節(jié)時(shí)間，若調(diào)節(jié)時(shí)間太長(zhǎng)，進(jìn)行聲光（黃燈亮）；若調(diào)節(jié)時(shí)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(tái)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(guò)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(jì) PLC編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介 PLC編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC6ll31是PLC的國(guó)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(guó)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(yǔ)言：1) 指令表IL(Instruction list):西門(mén)子稱為語(yǔ)句表STL.2) 結(jié)構(gòu)文本ST(Structured text):西門(mén)子稱為結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言(SCL)。3) 梯形圖LD(Ladder diagram):西門(mén)子簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)AD。4) 功能塊圖FBD(ruction block diagram):標(biāo)準(zhǔn)中稱為功能方框圖語(yǔ)言。5) 順序功能圖SFC(Sequential function chart):對(duì)應(yīng)于西門(mén)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(yǔ)言在SETP7編程軟件中，如果程序塊沒(méi)有錯(cuò)誤，并且被正確地劃分為網(wǎng)絡(luò)，在梯形圖、功能塊圖和語(yǔ)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(yǔ)句表表示。語(yǔ)句表可供喜歡用匯編語(yǔ)言編程的用戶使用。語(yǔ)句表的輸入快，可以在每條語(yǔ)句后面加上注釋。設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用程序時(shí)建議使用語(yǔ)句表。梯形圖適合于熟悉繼電器電路的人員使用。設(shè)計(jì)復(fù)雜的觸點(diǎn)電路時(shí)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(yǔ)言適合于熟悉高級(jí)編程語(yǔ)言(例如隊(duì)SCAL或C語(yǔ)言)的人使用。S7 Graph，HI Graph和CFC可供有技術(shù)背景，但是沒(méi)有PLC編程經(jīng)驗(yàn)的用戶使用S7Graph對(duì)順序控制過(guò)程的編程非常方便，HI Graph適合于異步非順序過(guò)程的編程，CFC適合于連續(xù)過(guò)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(shí)間中斷和報(bào)警中斷等）分成幾種類型，這些類型有不同的優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)的OB可以中斷低優(yōu)先級(jí)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(guò)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(gè)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(gè)單元.(3) 字符串(SRTING)是最多有254個(gè)字符(CHAR)的一維數(shù)組。(4) 日期和時(shí)間(DATE一ANDJIME)用于存儲(chǔ)年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒和星期，占用8個(gè)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(shí)器)和COUNTER(計(jì)數(shù)器):對(duì)應(yīng)的實(shí)參(actual parameter，實(shí)際參數(shù))應(yīng)為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的編號(hào)，例如T3，CZI。(2) BLOCK(塊):指定一個(gè)塊用作輸入和輸出，實(shí)參應(yīng)為同類型的塊 。(3) POINTER(指針):。(4) ANY :用于實(shí)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(gè)字節(jié)。 系統(tǒng)存儲(chǔ)器1. 過(guò)程映像輸入/輸出(/IQ)在掃描循環(huán)開(kāi)始時(shí)，CPU讀取數(shù)字量輸入模塊的輸入信號(hào)的狀態(tài)，并將它們存入過(guò)程映像輸入(process image input，PI)中。在掃描循環(huán)中，用戶程序計(jì)算輸出值，并將它們存入過(guò)程映像輸出表(process image output，PIQ).在循環(huán)掃描結(jié)束時(shí)將過(guò)程映像輸出表的內(nèi)容寫(xiě)入數(shù)字量輸出模塊。I和Q均以按位、字節(jié)、字和雙字來(lái)存取，BI0，IWO和ID0。與直接訪問(wèn)I/O模塊相比的優(yōu)缺點(diǎn)。2. 內(nèi)部存儲(chǔ)器標(biāo)志位(M)存儲(chǔ)器區(qū)3. 定時(shí)器(T)存儲(chǔ)器區(qū)時(shí)間值可以用二進(jìn)制或BCD碼方式讀取。4. 計(jì)數(shù)器(C)存儲(chǔ)器區(qū)計(jì)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(wèn)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(cè)試、啟動(dòng)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(jì)算機(jī)的通信卡CP56ll(PCI卡)、CP55ll或CP5512(PCMCIA卡)將計(jì)算機(jī)連接到MPI 或PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)。計(jì)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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC的通信。STEP 7的授權(quán)在軟盤(pán)中。STEP7光盤(pán)上的程序Author ware用于顯示、安裝和取出授權(quán)。（1）編程語(yǔ)言3種基本的編程語(yǔ)言:梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語(yǔ)句表(STL)。57SCL(結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言)，87 GRAPH(順序功能圖語(yǔ)言)，S7HiGraph和CFC。（2）符號(hào)表編輯器（3）增強(qiáng)的測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)塊的狀態(tài)等。程序中的特殊點(diǎn)可以通過(guò)輸入符號(hào)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(cuò)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(shí)現(xiàn)的時(shí)間驅(qū)動(dòng)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(jì)本設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)器復(fù)位；按啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始溫度采樣，采樣周期為1秒；K型熱電偶傳感器把所測(cè)量的溫度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；模擬量輸入通道AIW0通過(guò)讀入模擬電壓量送入PLC；經(jīng)過(guò)程序計(jì)算后得出實(shí)際測(cè)量溫度T，將T和溫度設(shè)定值比較，根據(jù)偏差計(jì)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(kāi)始系統(tǒng)初始化綠燈亮，系統(tǒng)運(yùn)行取實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制方式由傳統(tǒng)的集中控制向多級(jí)分布式方向發(fā)展，PLC的通信和聯(lián)網(wǎng)功能也越來(lái)越強(qiáng)。在實(shí)際工作中，無(wú)論是計(jì)算機(jī)之間