【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2 所示。控制面板上有啟動(dòng) /停止按鈕、急停按鈕、下位 /上位選擇開關(guān)、手動(dòng) /自動(dòng)選擇開關(guān)、正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)按鈕、故障復(fù)位按鈕、計(jì)數(shù)清零按鈕及各種指示燈等。 完成以上的控制動(dòng)作，需要通過(guò) 可編程控制器來(lái)對(duì)生產(chǎn)線的控制。 PLC 基礎(chǔ) 可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)平臺(tái)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中用于對(duì)大量的數(shù)字量和模擬量進(jìn)行控制，例如電磁閥的開閉，電動(dòng)機(jī)的啟停、溫度、壓力、流量的設(shè)定，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)與控制等。 可編程控制器的縮寫為 PLC（ Programable Logical Controller），是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備。 20 世紀(jì) 60 年代，生產(chǎn)過(guò)程及各種設(shè)備的控制主要是繼電器控制系統(tǒng)。繼電器控制簡(jiǎn)單、實(shí)用， 但存在著明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，圖 11 飲料灌裝生產(chǎn)流水線模型 4 難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，一旦動(dòng)作順序或生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，就必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、布線、裝配和調(diào)試，所以通用性和靈活性較差。生產(chǎn)上迫切需要一種使用方便靈活、性能完善、工作可靠的新一代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。 1968 年美國(guó) GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國(guó)數(shù)宇公司研制出了第一代可編程序控制器，它具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)等順序等功能。 20 世紀(jì) 80 年代后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛的發(fā)展， PLC 采用通用微處理器為核心，具有了函數(shù)運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)、中斷技術(shù)、 PID 控制等功能，稱為 PC(Programable Controller) 即可編程控制器。但由于 PC（ Personal Computer）已成為個(gè)人計(jì)算機(jī)的代名詞，為了不與之混淆，人們習(xí)慣上仍將可編程控制器稱為 PLC。經(jīng)過(guò)短短的幾十年發(fā)展，可編程控制器已經(jīng)成為自動(dòng)化技術(shù)的三大支柱（ PLC、機(jī)器人和 CAD/CAM）之一。 1982 年，國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）制定了 PLC 的標(biāo)準(zhǔn)，在 1987 年 12 月頒布的第三稿中，對(duì)可編程控制器的定義是：“可編程控 制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。” 可編程控制器的特點(diǎn) (1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 微機(jī)雖然具有很強(qiáng)的功能，單抗干擾能力差，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾、電源波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度和濕度的變化等都可以使一般通用微機(jī)不能正常工作 。而 PLC 是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，故對(duì)于可能受到的電磁干擾、高低溫及電源波動(dòng)等影響，已在 PLC 硬件及軟件的設(shè)計(jì)上采用了措施。如在硬件方面采用了電和磁的屏蔽，對(duì) I/O接口采用了光電隔離，對(duì)電源及 I/O 接口線采用了多種濾波等。而在軟件方面采用了故障檢測(cè)、診斷、信息保護(hù)和恢復(fù)等手段，一旦發(fā)生異常， CPU 立即采取有效措施，防止故障擴(kuò)大，使 PLC 的可靠性大大提高。 (2) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活 5 PLC 在硬件結(jié)構(gòu)上采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)，各種輸入輸出信號(hào)模塊、通信模塊及一些特殊功能模塊品種齊全。針對(duì)不同的控制對(duì)象，可以 方便、靈活地組合成不同要求的控制系統(tǒng)。硬件接線簡(jiǎn)單，一般不需要很多配套的外圍設(shè)備。 (3) 編程方便，易于使用 PLC 采用了與繼電器控制電路有許多相似之處的梯形圖作為主要的編程語(yǔ)言，程序形象直觀，指令簡(jiǎn)單易學(xué)，編程步驟和方法容易理解和掌握，不需要具備專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)，只要具有一定的電工和工藝知識(shí)的人員都可以在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 (4) 功能完善，適用性強(qiáng) PLC 具有對(duì)數(shù)字量和模擬量很強(qiáng)的處理功能，如邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、特殊函數(shù)運(yùn)算等。 PLC 具有常用的控制功能，如 PID 閉環(huán)回路控制、中斷控制等。 PLC 可以擴(kuò)展特殊 功能，如高速計(jì)數(shù)、電子凸輪控制、伺服電動(dòng)機(jī)定位、多軸運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)控制等。PLC 可以組成多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送、上位監(jiān)控等功能。 設(shè)計(jì) PLC 控制時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則 (1) 最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求 充分發(fā)揮 PLC 的功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊密配合，擬定控 制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。 (2) 保證 PLC 控制系統(tǒng)安全可靠 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證 PLC 程序不僅在正常條件下運(yùn)行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯(cuò)等），也能正常工作。 (3) 力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便 一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo) 致運(yùn)行資金 的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使6 控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。 (4) 適應(yīng)發(fā)展的需要 由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇 PLC、輸入 /輸出模塊、 I/O 點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 實(shí)際上 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照國(guó)外發(fā) 達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)：首先考慮的是系統(tǒng)的安全性、可靠性設(shè)計(jì)，然后才是根據(jù)控制工藝要求進(jìn)行控制流程設(shè)計(jì)，然后就是編寫切實(shí)可行、高效的 PLC 程序，這里在安全性、可靠性設(shè)計(jì)要求的前提下，編寫相應(yīng)的 PLC程序非常重要，硬件上保證的安全性，以及軟件 PLC 程序中的安全考慮應(yīng)該同步進(jìn)行。 2. 飲料灌裝生產(chǎn)流水線的 PLC 控制要求和內(nèi)容及硬件設(shè)計(jì) 控制任務(wù) 自動(dòng)化生產(chǎn)線模型設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。手動(dòng)模式用于設(shè)備的調(diào)試和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)的復(fù)位。自動(dòng)模式下允許啟動(dòng)生產(chǎn)線運(yùn)行。 控制系統(tǒng)中包括緊急情況的處理以及故障診斷與顯示報(bào)警 功能。 (1) 急停功能 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，按下急停按鈕，停止設(shè)備的一切運(yùn)行。 (2) 手動(dòng)模式 ? 在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)點(diǎn)動(dòng)按鈕使傳送帶電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，用于調(diào)試設(shè)備。 ? 在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)復(fù)位按鈕對(duì)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行清零。 ? 在手動(dòng)模式下，可以通過(guò)選擇開關(guān)設(shè)置下位（ PLC）或上位（ HMI）控制。 (3) 自動(dòng)模式 ? 在自動(dòng)模式下，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，傳送帶運(yùn)行。 ? 空瓶子達(dá)到灌裝位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，灌裝閥門打開。 ? 灌裝時(shí)間到，灌裝閥門關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行。 ? 在自動(dòng)模式下，按下停止按鈕， 系統(tǒng)停止，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，傳送帶停止運(yùn)行。 (4) 工件計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì) 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工件的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，包括毛坯數(shù)，正品數(shù)和廢品數(shù)。正品數(shù)顯示在控制面板的數(shù)碼管上。 7 (5) 模擬量檢測(cè) 灌裝液罐的液位由模擬量液位傳感器進(jìn)行監(jiān)視。液位低于下限時(shí)，要打開進(jìn)料閥門，液位高于上限時(shí)，要關(guān)閉進(jìn)料閥門。 (6) 故障報(bào)警 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)能夠立即響應(yīng)，控制面板上相應(yīng)的故障指示燈會(huì)閃亮。故障排除后，按下故障復(fù)位按鈕，生產(chǎn)線才能自動(dòng)運(yùn)行。 控制方案設(shè)計(jì)原則 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的被控對(duì)象一般為機(jī)械加工設(shè)備、電器設(shè)備、生產(chǎn) 線或生產(chǎn)過(guò)程?？刂品桨冈O(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等幾部分內(nèi)容。 確定系統(tǒng)控制任務(wù)與設(shè)計(jì)要求 首先要了解機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電氣執(zhí)行元件之間的關(guān)系，仔細(xì)分析被控對(duì)象的控制過(guò)程和控制要求，熟悉工藝流程及設(shè)備性能，明確各項(xiàng)任務(wù)的要求、結(jié)束條件及控制方式。對(duì)于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可將控制任務(wù)分成幾個(gè)獨(dú)立的部分，這樣可以化繁為簡(jiǎn)，有利于編程和調(diào)試。 制定電氣控制方案 根據(jù)生產(chǎn)工藝和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制要求，確定控制系統(tǒng)的工作方式，例如：全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、單機(jī)運(yùn)行、多機(jī)聯(lián)線運(yùn)行等。還要確定控制系統(tǒng)應(yīng)有的其他功能，例如故障診斷與顯示報(bào)警、緊急情況的處理、管理功能、網(wǎng)絡(luò)通信等。 確定控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào) 根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的功能要求，明確控制對(duì)象輸入輸出信號(hào)的類型及信號(hào)數(shù)值范圍。 控制對(duì)象的類型 （ 1）數(shù)字（開關(guān)）量型 數(shù)字量輸入對(duì)象：按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、限位開關(guān)、光電開關(guān)等各種開關(guān)型傳感器。數(shù)字量輸出對(duì)象：繼電器、電磁閥、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器、 指示燈、蜂鳴器等。 （ 2）模擬量型 模擬量輸入對(duì)象：溫度、壓力、流量、液位、電動(dòng)機(jī)電流等各種模擬量傳感器。8 模擬量輸出對(duì)象：電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 控制對(duì)象的數(shù)值范圍 （ 1）數(shù)字（開關(guān)）量型 外部輸入信號(hào)電壓等級(jí)： DC24V、 DC48~125V、 AC120/230V。外部負(fù)載電壓等級(jí)：DC24/48V、 DC48~125V、 AC120/230V。 （ 2）模擬量型 外部輸入傳感器信號(hào)的類型（如電壓、電流、電阻等）及測(cè)量的量程范圍。外部負(fù)載的類型（如電壓或電流）及對(duì)應(yīng)的輸出值范圍 。 PLC 選型與硬件配置 (1). PLC 選型 PLC 主要主要考慮一下幾點(diǎn)： I/O 信號(hào)的點(diǎn)數(shù)：根據(jù)已確定的 I/O 設(shè)備統(tǒng)計(jì)所需要的 I/O 信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，選擇是否支持?jǐn)U展機(jī)架的 CPU。 網(wǎng)絡(luò)通訊的模式：根據(jù)控制要求的信號(hào)傳輸方式所需要網(wǎng)絡(luò)接口的形式，選擇支持現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以亞太網(wǎng)絡(luò)或點(diǎn)到點(diǎn)通訊的 CPU。如果網(wǎng)絡(luò)有路由要求，則選擇集成了該功能的 CPU。 (2). 硬件配置 考慮到生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、控制任務(wù)的增加以及維護(hù)重接線的需要，在選擇硬件模塊時(shí)要留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊? 根據(jù)已經(jīng)確定的 I/O 設(shè)備統(tǒng)計(jì) 所需要的 I/O 信號(hào)的點(diǎn)數(shù)和類型，預(yù)留 10%~15%的容量，選擇 I/O 信號(hào)模塊。 根據(jù)特殊功能要求選擇智能單元 . 根據(jù)通信要求選擇通信接口模塊。 I/O 分配 通過(guò)對(duì)輸入輸出設(shè)備的分析、分類和整理，進(jìn)行相應(yīng)的 I/O 地址分配，應(yīng)盡量將相同類型的信號(hào)、相同電壓等級(jí)的信號(hào)地址安排在一起，以便施工和布線，并繪制 I/O接線圖。 控制程序設(shè)計(jì) 9 按照控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的核心。程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將控制任務(wù)進(jìn)行分解，編寫完成不同功能的程序塊，包括循環(huán)掃描主程序、急停處理子程序、手動(dòng)運(yùn)行 子程序、自動(dòng)運(yùn)行子程序、故障報(bào)警子程序等。 編寫的程序要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬運(yùn)行與調(diào)試，檢查邏輯及語(yǔ)法錯(cuò)誤，觀察在各種可能的情況下各個(gè)輸入量、輸出量之間的變化關(guān)系是否符合設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改設(shè)計(jì)。 3. S7300 硬件介紹 S7300 硬件模塊 S7300/屬于模塊式 PLC，主要由機(jī)架、電源模塊、 CPU 模塊、信號(hào)模塊、通信模塊、功能模塊、接口模塊等組成，所有模塊均安裝在機(jī)架上。 S7300 系統(tǒng) PLC 如圖 31 所示。 CPU CPU 模塊如圖 32 所示，早期的 CPU 是指 2020 年 10 月以前的產(chǎn)品， 2020 年 10月以后的產(chǎn)品為新型的 CPU。在 PLC 控制系統(tǒng)中， CPU 模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，它不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲(chǔ)器用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。 3 2 圖 31 S7300 系列 PLC 1電源 2CPU 3信號(hào)模塊