【文章內容簡介】 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 8 （ PLC）。 20世紀 70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、 PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20世紀 80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標 志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀 80年代至 90年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 30~40%。在這時期， PLC 在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高， PLC 逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS 系統(tǒng)。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。這個時期發(fā)展了大型機和超小型機、誕生了各種各樣的特殊功能單元、生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。 PLC 的基本結構 PLC 實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，基本構成為： 圖 S7200 PLC CPU的外形模型圖 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此 PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在 +10%(+15%）范圍內，可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去。 （ CPU） 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 9 中央處理單元（ CPU）是 PLC 的控制中 樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當 PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將 I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 為了進一步提高 PLC 的可靠性，對大型 PLC 還采用雙 CPU 構成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個 CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運行。 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。 存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。 ① ．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。 ② ．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用 PLC通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出 相應的控制信號。 如計數(shù)、定位等功能模塊。 如以太網(wǎng)、 RS48 ProfibusDP 通訊模塊等。 西門子 S7200系列 PLC S7200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。 S7200系列 PLC 可提供 4個不同的基本型號的 8種 CPU 使用。 單元設計： 集成的 24V 負載電源：可直接連接到傳感器和變送器（執(zhí)行器）， CPU 221， 222具有 180mA輸出， CPU 224， CPU 226分別輸出 280， 400mA。可用作負載電源。 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 10 ： CPU 221~226各有 2種類型 CPU，具有不同的電源電壓和控制電壓。 /輸出點： CPU 221具有 6個輸入點和 4個輸出點， CPU 222具有 8個輸入點 和 6個輸出點， CPU 224具有 14個輸入點和 10個輸出點。 CPU 226具有 24個輸入點和 16個輸出點。 ： 允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應。 ： CPU 221/222 4個高速計數(shù)器（ 30KHz），可編程并具有復位輸入， 2個獨立的輸入端可同時作加、減計數(shù)，可連接兩個相位差為 90176。的 CPU224/226 6個高速計數(shù)器（ 30KHz），具有 CPU221/222相同的功能。 222/224/226： 可方便地用數(shù)字量和模擬量擴展模塊進行擴展?？墒褂梅抡嫫鳎ㄟx件）對本機輸入信號進行仿真，用于調試用戶程序。 ： CPU221/222 1個 CPU224/226 2個 CPU221/222/224/226還具有 ： 2路高頻率脈沖輸出（最大 20KHz），用于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)定位任務。 ： 例如為信息加注時間標記，記錄機器運行時間或對過程進行時間控制。 存儲器模塊（選件）： 可作為修改與拷貝程序的快速工具（無需編程器），并可進行輔助軟件歸檔工作。 ： 用于長時間數(shù)據(jù)后備。用戶數(shù)據(jù)（如標志位狀態(tài)，數(shù)據(jù)塊，定時器，計數(shù)器）可通過內部的超級電容存貯大約 5天。選用電池模塊能延長存貯時間到 200天（ 10年壽命）。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。 變頻器 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變 換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量2020 屆本科畢業(yè)設計論文 11 控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的 CPU 以及一些相應的電路 。 變頻器基本原理 圖 交流低壓直交直通用變頻器系統(tǒng)框圖 ，變頻器的主電路大體上可分為兩類 :電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它主要由三部分構成 ，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 （ 1） 整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。 （ 2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路構成器件有余量，可以省 去電感采用簡單的平波回路。 （ 3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使 6個開關器件導通、關斷就可以得到 3 相交流輸出。以電壓型 pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 （電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 （ 1） 運算電 路：將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較2020 屆本科畢業(yè)設計論文 12 運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 （ 2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 （ 3）驅動電路：驅動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導通、關斷。 （ 4）速度檢測電路 :以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器 (tg、 plg 等 )的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 （ 5）保護電路 :檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞， 使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 圖 變頻器主電路 變頻器調速基本原理 變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。當在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉子之間的空氣隙內產(chǎn)生一個旋轉磁場，它與轉子繞組產(chǎn)生相對運動，使轉子繞組產(chǎn)生感應電勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉矩，使電動機轉動起來。 電機磁場的轉速稱為同步轉速，用 N表示： N=60f/p(r/min) （ ） 式中： f— 三相交流電源頻率，一般為 50Hz； p— 磁極對數(shù)。當 p=1時， N=3000r/min；p=2時， N=1500r/min?？梢姶艠O對數(shù) p越多，轉速 N 越慢。 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 13 轉子的實際轉速 n比磁場的同步轉速 N 要慢一點，所以稱為異步電機，這個差別用轉差率 s表示： s=[n1－ n） /n1] 100% （ ) 當加上電源轉子尚未轉動瞬間， n=0，這時 s=1；起動后的極端情況 n=N，則 s=0，即 s在 0～ 1之間變化。一般異步電機在額定負載下的 s=（ 1～ 6） %。 綜合式（ ）和式（ ）可以得出 n=60f（ 1－ s） /p () 由式 ()可以看出，對于成品電機，其磁極對數(shù) p已經(jīng)確定，轉差率 s 變化不大，則電機的轉速 n 與電源頻率 f 成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉速，進而達到異步電機調速的目的。 人機交互界面與西門子 smartline 人機交互界 面 HMI 是 Human Machine Interface 的縮寫，“人機接口”，也叫人機界面。人機界面（又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介， 它實現(xiàn)信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。 （ HMI）產(chǎn)品的組成及工作原理 人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數(shù)據(jù)存儲單元等，其中處理器的性能決定了 HMI 產(chǎn)品的性能高低，是 HMI的核心單元。根據(jù) HMI 的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用 8位、 16位、 32位的處理器。 HMI 軟件一般分為兩部分，即運行于 HMI 硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于 PC 機 Windows 操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如 wincc flexible 畫面組態(tài)軟件）。使用者都必須先使用 HMI 的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過 PC機和 HMI 產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到 HMI 的處理器中運行。 薄膜鍵輸入的 HMI，顯示尺寸小于 ，屬初級產(chǎn)品。如 POP－ HMI 小型人機界面 觸摸屏輸入的 HMI，顯示 屏尺寸為 ～ ，屬中級產(chǎn)品 基于平板 PC計算機的、多種通訊口的、高性能 HMI，顯示尺寸大于 ，屬高端產(chǎn)品 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 14 明確監(jiān)控任務要求，選擇適合的 HMI產(chǎn)品 在 PC 機上用畫面組態(tài)軟件編輯“工程文件” 測試并保存已編輯好的“工程文件” PC機連接 HMI 硬件，下載“工程文件”到 HMI中 連接 HMI 和工業(yè)控制器（如 PLC、儀表等），實現(xiàn)人機交互 西門子 smartline 如今，人機界面已經(jīng)成為大多數(shù)工業(yè)機械設備的標準配置，尤其在使用小型機器和簡單應用時，成本成 了關鍵因素。西門子順應市場需求推出的全新 SIMATIC 精彩系列面板SmartLine，準確地提供了人機界面的標準功能，經(jīng)濟實用，具備高性價比。精彩系列面板采用全新的高分辨率 16:9 寬屏液晶顯示和先進的工業(yè)設計理念，使設備操作變得更加輕松快捷，引領人機界面產(chǎn)品進入高分辨率寬屏顯示時代。 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 15 第二章 PLC 編程軟件與 HMI 組態(tài)軟件 STEP7Micro/WIN 軟件介紹 S7200 PLC 的編程軟件為 STEP7Micro/WIN，它以 PLC 的用戶程序編輯功能為主（包括符號表編輯），可用于 PLC 用戶程序的編輯與監(jiān)控，可使用多種語言文字。STEP7Micro/WIN 軟件使用較簡單， S7