【正文】 單元。 CPU 速度和內存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作 速度， IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集成了 PLC的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 I/O 分為開關量輸入（ DI），開關量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 常用的 I/O 分類如下： 開關量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 4 模擬量：按信號類型分，有電流型（ 420mA,020mA）、電壓型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 IO外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按 I/O點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量， I/O 模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 編程器的作用是用來供用戶進行程序的輸入、編輯、調試和監(jiān)視的。編程器一般分為簡易型和智能型兩類。簡易型只能聯(lián)機編程，且往往需要將梯形圖轉化為 機器語言助記符后才能送入。而智能型編程器（又稱圖形編程器），不但可以連機編程，而且還可以脫機編程。操作方便且功能強大。 PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24V 的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或 110VAC），直流電源（常用的為 24VDC）。 可編程控制器的工作原理 : PLC 的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。 CPU 從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返 回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC 就是這樣周而復始地重復上述循環(huán)掃描的。 PLC 工作的全過程可用圖 21 所示的運行框圖來表示。 圖 21 可編程控制器運行框圖 PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 5 可編程控制器的分類及特點 (一 )小型 PLC 小型 PLC 的 I/O 點數(shù)一般在 128 點以下，其特點是體積小、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量 I/O以外，還可以連接模擬量 I/O 以 及其他各種特殊功能模塊。它能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數(shù)、算術、運算數(shù)據處理和傳送通訊聯(lián)網以及各種應用指令。 (二 )中型 PLC 中型 PLC 采用模塊化結構，其 I/O 點數(shù)一般在 256～ 1024 點之間， I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式即在掃描用戶程序的過程中直接讀輸入刷新輸出，它能聯(lián)接各種特殊功能模塊，通訊聯(lián)網功能更強，指令系統(tǒng)更豐富，內存容量更大，掃描速度更快。 (三 )大型 PLC 一般 I/O 點數(shù)在 1024 點以上的稱為大型 PLC，大型 PLC 的軟硬件功能極 強，具有極強的自診斷功能、通訊聯(lián)網功能強，有各種通訊聯(lián)網的模塊可以構成三級通訊網實現(xiàn)工廠生產管理自動化，大型 PLC 還可以采用冗余或三 CPU 構成表決式系統(tǒng)使機器的可靠性更高 組態(tài)軟件的基礎 組態(tài)的定義 組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中某一具體任務的過程。組態(tài)軟件是有專業(yè)性的，一種組態(tài)軟件只能適合某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制中，如 DCS(集散控制系統(tǒng) )組態(tài)， PLC 梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。工業(yè)控制中形成的組態(tài)結果是用在實時監(jiān)控的。從表 面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。 工控組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內置編譯系統(tǒng)，提供類 BASIC 語言，有的支持 VB，現(xiàn)在有的組態(tài)軟件甚至支持 C高級語言。 在當今工控領域，一些常用的大型組態(tài)軟件主要有： ABBOptiMax， WinCC， iFix，Intouch，組態(tài)王，力控，易控， MCGS 等。本設計采用亞控的組態(tài)王軟件進行組態(tài)的設計。 組態(tài)王軟件的特點 組態(tài)王軟件具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三 個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 WindowsPLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 6 的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據鏈 接功能。 組態(tài)王軟件仿真的基本方法 （ 1） 圖形界面的設計 圖形 ,是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。 （ 2） 構造數(shù)據庫 數(shù)據 ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據庫 ,并用此數(shù)據庫中的變量描述工控對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。 （ 3） 建立動畫連接 連接 ,就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行 ,以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。 （ 4） 運行和調試 PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 7 3 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設計 本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計的角度，介紹該項目的 PLC 控 制系統(tǒng)的設計步驟、 PLC 的硬件配置、外部電路設計以及 PLC 控制器的設計參數(shù)的整定。 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則 1．充分發(fā)揮 PLC 功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求。 2．在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用及維修方便。 3．保證控制系統(tǒng)安全可靠。 4．應考慮生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇 PLC 的型號、 I／ O點數(shù)和存儲器容量等內容時，應留有適當?shù)挠嗔浚岳谙到y(tǒng)的調整和擴充。 PLC 控制系統(tǒng)設計的一般步驟 設計 PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行 PLC 應用系統(tǒng)的功能設計，即根據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。然后是進行 PLC 應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出 PLC控制系統(tǒng)的結構形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據系統(tǒng)分析的結果，具體的確定 PLC 的機型和系統(tǒng)的具體配置。 PLC 控制系統(tǒng)設計可以按以下步驟進行： 1．熟悉被控對象，制定控制方案 分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、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。 2．確定 I／ O設備 根據系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入 (如按鈕、行程開關、選擇開關等 )和輸出設備 (如接觸器、電磁閥、信號指示燈等 )由此確定 PLC 的 I／ O點數(shù)。 3．選擇 PLC 選擇時主要包括 PLC 機型、容量、 I／ O模塊、電源的選擇。 4．分配 PLC 的 I／ O地址 根據生產設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規(guī)格、數(shù)量；根據所選的 PLC的型號列出輸入／輸出設備與 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。 5．設計軟件及硬件進行 PLC 程序設 計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現(xiàn)場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此， PLC 控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。 6．聯(lián)機調試 聯(lián)機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統(tǒng)調。 PLC 程序設計的一般步驟 1．繪制系統(tǒng)的功能圖。 2．設計梯形圖程序。 3．根據梯形圖編寫指令表程序。 4．對程序進行模擬調試及修改，直到滿足控制要求為止。調試過程中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 8 PLC 控制系統(tǒng)的設計步驟可參考圖 31： 圖 31 PLC 控制系統(tǒng)的設計步驟 PLC 的選型和硬件配置 PLC 型號的選擇 本溫度控制系統(tǒng)采用德國西門子 S7200 PLC。 S7200 是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。 S7200 系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 S7200 系列具有極高的性能 /價格比。 S7200 CPU 的選擇 S7200 系列的 PLC 有 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226 等類型。 此系統(tǒng)選用的S7200 CPU226,CPU 226 集成 24 輸入 /16輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248路數(shù)字量 I/O 點或 35路模擬量 I/O 點。 13K 字節(jié)程序和數(shù)據存儲空間。 6個獨立的 30kHz 高速計數(shù)器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。 2個 RS485 通訊 /編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。 EM235 模擬量輸入 /輸出模塊 在溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉換成 420mA 的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉換成數(shù)字信號再送入 PLC 中進行處理。在這里我們選擇西門子的 EM235 模擬量輸入 /輸出模塊。 EM235 模塊具有 4 路模擬量輸入 /一路模擬量的輸出。它允許 S7200 連接微小的模擬量信號，177。 80mV 范圍。用戶必須用 DIP 開關來選擇熱電偶的類型，斷線檢查，測量單位，冷端補償和開路故障方向： SW1～ SW3PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 9 用于選擇熱電偶的類型， SW4 沒有使用， SW5 用于選擇斷線檢測方向， SW6 用于選擇是否進行斷線檢測， SW7 用于選擇測量方向， SW8 用于選擇是否進行冷端補償。所有 連到模塊上的熱電偶必須是相同類型。 熱電式傳感器 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉化為電量變化的裝置。在各種熱電式傳感器中，以將溫度量轉換為電勢和電阻的方法最為普遍。其中最為常用于測量溫度的是熱電偶和熱電阻，熱電偶是將溫度轉化為電勢變化，而熱電阻是將溫度變化轉化為電阻的變化。這兩種熱電式傳感器目前在工業(yè)生產中被廣泛應用。 該系統(tǒng)需要的傳感器是將溫度轉化為電流，且水溫最高是 100℃，所以選擇 Pt100鉑熱電阻傳感器。 P100 鉑熱電阻，簡稱為： PT100 鉑電阻，其阻值會隨著溫度的變化而改變。 PT 后的 100 即表示它在 0℃時阻值為 100 歐姆，在 100℃時它的阻值約為 歐姆。它的工作原理：當 PT100 在 0攝氏度的時候他的阻值為 100 歐姆，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值成勻速增長。 可控硅加熱裝置簡介 對于要求保持恒溫控制而不要溫度記錄的電阻爐采用帶 PID 調節(jié) 的 數(shù)字式溫度顯示調 節(jié)儀 顯示和 調節(jié)溫度 ，輸出 0～ 10mA 作為直流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護。溫度測量與控制是 熱電偶 采集信號通過 PID 溫度調節(jié)器 測量和輸出 0～ 10mA 或 4～ 20mA 控制觸發(fā)板控制可控硅導通角的大小，從而控制主回路加熱元件電流大小，使電阻爐保持在設定的溫度工作狀態(tài)。 可控硅溫度控制器 由主回路和控制回路組成。主回路是由可控硅，過電流保護快速熔斷器、過電壓保護 RC 和電阻爐的加熱元件等部分組成。 系統(tǒng)整體設計方案和電氣連接圖 系統(tǒng)選用了 PLC CPU 226 為控制器， PT100 型熱電阻將檢 測到的實際鍋爐水溫轉化為電流信號，經過 EM235模擬量輸入模塊轉化成數(shù)字量信號并送到 PLC中進行 PID調節(jié)，PID控制器輸出轉化為 0～ 10mA的電流信號輸入控制可控硅電壓調整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調節(jié)輸出功率，從而調節(jié)電熱絲的加熱。 PLC 和組態(tài)王連接，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控。 整體設計方案如圖 33: 圖 33 整體設計方案 計算機 P L C EM 235 可控硅 PT100 鍋 爐 PLC 鍋爐溫度控制系統(tǒng) 10 24V 系統(tǒng)硬件連線圖如圖 34 :