【文章內(nèi)容簡介】 PLC CPU 226為核心的溫度控制系統(tǒng)， PT100型熱電阻將檢測到的實際鍋爐水溫轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過 EM 235模擬量輸入 輸出 模塊轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并送到 PLC 的寄存器 中進行 PID 調(diào)節(jié)， PID 控制器輸出轉(zhuǎn)化為 0～ 10mA的電流信號 輸入控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導通角的大小來調(diào)節(jié)輸出功率，從而調(diào)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。 本設計的主要內(nèi)容分為兩部分：硬件部分和軟件部分。 榆林學院本科畢業(yè)設計 3 （ 1） 硬件部分為熱電阻型號的選擇、 PLC 的選擇。本課題 PLC 采用西門子S7200 系列 PLC， EM 235 模擬量輸入輸出模塊、可控硅加熱裝置 及組態(tài)軟件來實現(xiàn)運行、加熱、停止等功能。 （ 2）軟件部分則是對梯形圖代碼的編程，開環(huán)系統(tǒng)的仿真、以及使用組態(tài)王對系統(tǒng)進行實時溫度監(jiān)控的過程。 整體設計方案如圖 11: 圖 11 控制系統(tǒng)框圖 溫度條件 溫度測量傳感器 西門子 EM 235 模塊 PLC 外圍 設備對溫度 條件進行反饋控制 組態(tài)軟件 西門子 EM 235 模塊 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設計 4 榆林學院本科畢業(yè)設計 5 2 PLC 基礎 PLC（可編程控制器）基礎 PLC 的概述 PLC是英文 Programmable Logic Controller的縮寫，意為可編程 序邏輯控制器。世界上第一臺 PLC于 1969年由美國數(shù)字設備公司（ DEC）研制成功，隨著技術(shù)的發(fā)展， PLC的功能大大增強，不僅僅限于邏輯控制，因此美國電氣制造協(xié)會（ NEMA）于 1980年對它重命名，稱為可編程序控制器（ Programmable Controller），簡稱 PC，但由于 PC容易與個人計算機（ Personal Computer， PC）混淆，故人們?nèi)粤晳T將 PLC當做可編程控制器的縮寫 [3]。 PLC 的定義 由于可編程序控制器一直在發(fā)展中，至今尚未對其下最后的定義。目前，國際電工委員會 （ IEC）對 PLC 最新定義為： 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制器。它采用可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械設備和生產(chǎn)過程?？删幊绦蚣跋嚓P設備都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)集成、易于擴展其功能的原則設計 [3]。 PLC 控制系統(tǒng)的特點 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。它主要有以下特點： （ 1）可靠性高，抗干擾能力強 為了適應工業(yè) 應用要求， PLC 從硬件和軟件方面采用了大量的技術(shù)措施，以便能在惡劣環(huán)境下長時間可靠運行，現(xiàn)在大多數(shù) PLC 的平均無故障運行時間可達幾十萬小時。 （ 2）通用性強，控制程序可變，使用方便 PLC 可利用齊全的各種硬件裝置來組成各種控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設計和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設備更新的基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設計 6 情況下，無需大量改變 PLC 的硬件設備，只需要改程序就可以滿足要求。 （ 3）功能強，適應范圍廣 現(xiàn)代 PLC 不僅有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入 /輸出、功率驅(qū)動、通 信、人機對話、自檢、記錄顯示等功能，既可控制一臺生產(chǎn)機械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個生產(chǎn)過程。 （ 4）編程簡單，易學易用 目前大多數(shù) PLC采用梯形圖編程方式，梯形圖語言的編程與編程符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖非常接近，這樣使大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員非常容易接受和掌握 [4]。 （ 5）系統(tǒng)設計 ， 調(diào)試和維修方便 PLC 用軟件來取代繼電氣控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計安裝接線工作量大為減少。另外， PLC 的用戶程序可以通過計算機在實驗室仿真調(diào)試，減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。此 外，由于 PLC 結(jié)構(gòu)模塊化及很強的自我診斷能力，維修也極為方便。 由于 PLC 的技術(shù)指標是由使用者提出的，因此它在工業(yè)中的應用具有其他工業(yè)控制設備難以兼具的獨一無二的特性，是最貼切工業(yè)生產(chǎn)需求的控制裝置。 PLC 的主要組成 （ 1） 中央處理單元 CPU CPU 又稱為中央處理器，它是 PLC 的控制中心，它通過總線（包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線）與存儲器和各種接口連接，以控制他們有條不紊地工作。CPU 的性能對 PLC 工作速度和效率有很大的影響，故大型 PLC 通常采用高性能的CPU。 CPU 的主要功能如下： a. 接收通信接口送來的程序和信息，并將他們存入存儲器。 b. 采用循環(huán)檢測（即掃描檢測）方式不斷檢測輸入接口送來的狀態(tài)信息，以判斷輸入設備的輸入狀態(tài)。 c. 逐條運行存儲器中的程序，并進行各種運算，再將運算結(jié)果存儲下來，然后通過輸出接口輸出，以對輸出設備進行有關的控制。 d. 監(jiān)測和診斷內(nèi)部各電路的工作狀態(tài)。 （ 2） 存儲器、存儲空間的分配 存儲器的功能是存儲程序和數(shù)據(jù)。 PLC 通常配有 ROM（只讀存儲器）和 RAM（隨機存儲器）兩種存儲器， ROM 用來存儲系統(tǒng)程序， RAM 用來存儲用戶程序和程序運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。 榆林學院本科畢業(yè)設計 7 （ 3） 輸入 /輸出接口 輸入 /輸出接口又稱為 I/O 接口或 I/O 模塊，是 PLC 與外圍設備之間的連接部件。 PLC 通過輸入接口檢測輸入設備的狀態(tài)，以此作為對輸出設備控制的依據(jù)，同時 PLC 又通過輸出接口對輸出設備進行控制。 PLC 的 I/O 接口能接受的輸入和輸出信號的個數(shù)成為 PLC 的 I/O 點數(shù)。 I/O 點數(shù)是選擇 PLC 的重要依據(jù)之一。 a. 輸入接口 PLC 的輸入接口分為數(shù)字量輸入接口和模擬量輸入接口，數(shù)字量輸入接口用于接收 “ 0” 數(shù)字信號或開關通斷信號，又稱為開關量輸入接口；模擬量輸入接口用于接收模擬量信號。 b. 輸出接口 PLC 的輸出接口也分為數(shù)字量輸出接口和模擬量輸出接口。模擬量輸出接口通常采用 DA 轉(zhuǎn)換電路，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。 （ 4） 通信接口 PLC 配有通信接口， PLC 可通過通信接口與編程器、打印機、其他 PLC、計算機等設備實現(xiàn)通信。 （ 5） 擴展接口 為了提升 PLC 的性能，增強 PLC 的控制功能，可以通過擴展接口給 PLC 增接一些專用模擬模塊。 （ 6） 電源 PLC 一般采用開關電源供電，與普通電源相比， PLC 電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。 PLC 的電源對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值 177。15%的范圍內(nèi)波動。有些 PLC 還可以通過端子往外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源 [5]。 PLC 的工作方式 PLC 是一種由程序控制運行的設備，其工作方式與微型計算機不同，微型計算機運行到結(jié)束指令時，程序運行結(jié)束。 PLC 運行程序時，會按順序依次逐條執(zhí)行存儲器中的程序指令，當執(zhí)行完最后的指令后，并不會馬上停止，而是又重新開始再次執(zhí)行存儲器中的程序，如此周而復始， PLC 的這種工作方式稱為循環(huán)掃描方式。 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設計 8 PLC 的種類及型號的確定 PLC 的種類 目前 PLC 的主要品牌有：美國 AB， ABB，松下 ，西門子，三菱，歐姆龍，臺達，富士等。下面對三菱、西門子、歐姆龍及松下 PLC 做一簡單介紹： （ 1） 三菱 FX 系列 PLC 簡介及型號說明： 三菱 FX 系列 PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，以逐步替代三菱公司原 F、 F F2 系列 PLC 產(chǎn)品。其中 FX2 是 1991 年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0 是在 FX2 之后推出的超小型 PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內(nèi)的 FX0S、 FX1S、 FX0N、 FX1N、 FX2N、 FX2NC 等系列 PLC，具有較高的性能價格比，應用廣泛。他們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊 裝式結(jié)構(gòu)。 （ 2） 西門子 PLC 的特點及歷史 德國西門子（ SIEMENS）公司的 PLC 在我國的應用也很廣泛，在印刷生產(chǎn)線、化工、冶金等諸多領域都有廣泛應用。西門子公司的 PLC 產(chǎn)品包括 LOGO、 S7200、S7300、 S7400、 S71200 等。 S7 系列 PLC 體積小、速度快、具有網(wǎng)絡通信能力，功能性強，可靠性高等優(yōu)勢。 S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型 PLC（如 S7200），小規(guī)模性能要求的 PLC（如 S7300）和中、高性能要求的 PLC（如 S7400）等。 西門子 SIMATIC 系列 PLC，誕生于 1958 年，經(jīng)歷了 C3,S3,S5,S7 系列，已成為應用非常廣泛的可編程控制器。 a. 西門子公司的產(chǎn)品最早是 1975 年投放市場的 SIMATIC S3，它實際上是帶有簡單操作接口的二進制控制器。 b. 1979 年， S3 系統(tǒng)被 SIMATIC S5 所取代，該系統(tǒng)廣泛地使用了微處理器。 c. 20世紀 80 年代初， S5系統(tǒng)進一步升級 ——U系列 PLC，較常用機型： S590U、95U、 100U、 115U、 135U、 155U。 d. 1994 年 4 月， S7 系列誕生，它具有更國際化、更高性能等級、安裝空間更小、更良好的 WINDOWS 用戶界面等優(yōu)勢，其機型為： S7200、 300、 400。 e. 1996 年，在過程控制領域中，西門子公司又提出 PCS7（ 過程控制系統(tǒng) 7）的概念，將其優(yōu)勢的 WINCC（與 WINDOWS 兼容的操作界面）、 PROFIBUS（工業(yè)現(xiàn)場總線）、 COROS（ 監(jiān)控系統(tǒng)）、 SINEC（西門子工業(yè)網(wǎng)絡）及控調(diào)技術(shù)融為一體。 f. 西門子公司提出 TIA（ Totally Integrated Automation）概念，即全集成自動化系統(tǒng)，將 PLC 技術(shù)溶于全部自動化領域。 由最初發(fā)展至今， S S5 系列 PLC 已逐步退出市場，停止生產(chǎn)，而 S7 系列PLC 發(fā)展成為了西門子自動化系統(tǒng)的控制核心，而 TDC 系統(tǒng)沿用 SIMADYN D 技榆林學院本科畢業(yè)設計 9 術(shù)內(nèi)核，是對 S7 系列產(chǎn)品的進一步升級，它是西門子自動化系統(tǒng)最尖端，功能最強的可編程控制器。 （ 3） 歐姆龍 PLC 簡介 歐姆龍 PLC 是一種功能完善的緊湊型 PLC，能為業(yè)界領先的輸送分散控制等提供高附加值機器控制；它還具有通過各種高級內(nèi)裝板進行升級的能力，大程序容量和存儲器單元，以 Windows 環(huán)境下高效的軟件開發(fā)能力。歐姆龍 PLC 也能用于包裝系統(tǒng)，并支持 HACCP（寄生脈沖分析關鍵控制點）過程處理標準。 （ 4） 松下 PLC FP1 產(chǎn)品規(guī)格及性能介紹 FP1 是日本松下電工生產(chǎn)的小型 PLC，該產(chǎn)品有 C1 C1 C2 C C5C72 多種規(guī)格，形成系列化。雖然是小型機，但其性價比卻很高，特別適合于中小企業(yè)。 PLC 型號的選擇 鑒于上述對各 型號 PLC 的簡要介紹以及對本系統(tǒng)要求的分析，本次設計的控制系統(tǒng)需要繼電器型的 PLC，我選擇了德國西門子 S7200 系列 PLC， CPU 選用CPU 226 AC/DC/繼電器。 S7200系列 PLC 是西門子公司新推出的一種小型 PLC。它以緊湊的結(jié)構(gòu)、良好的擴展性、強大的指令功能、低廉的價格，已成為當代各種小型控制工程的理想控制器。 無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此 S7200系列具有極高的性價比。 S7200 PLC 包含了一個單獨的 CPU 和各種可選的擴展模塊，可以十分方便地組成不同規(guī)模 的控制器。其控制規(guī)?？梢詮膸c上到幾百點。 S7200 PLC 可以方便地組成微機 PLC 網(wǎng)絡和 PLCPLC 網(wǎng)絡，從而完成更大規(guī)模的工程。 S7200的編程軟件 STEP7Micro/WIN32可以方便地在 Windows環(huán)境下對 PLC編程、調(diào)試、監(jiān)控，使得 PLC 的編程更加簡潔、容易。可以說， S7200 可以完成各種小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 西門子 S7200 系列 PLC 簡介 S7200 系列是 S7 系列中的小型 PLC，常用在小型自動化設備中。根據(jù)使用的CPU 模塊不同， S7200 系列 PLC 可分為 CPU22 CPU22 CPU22 CPU226等類型，除 CPU221 無法擴展外，其他類型都可以通過增加擴展模塊來增加功能。各規(guī)范見下表： 基于 PLC 的多路溫度控制 系統(tǒng)的設計 10 表 S7200 系列 PLC 的技術(shù)規(guī)范