【文章內容簡介】 分析、執(zhí)行該指令。（5）采集由現場輸入裝置送來的數據，并存入指定的寄存器中。（6）按程序進行處理，根據運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)或數據寄存器的內容。（7）根據輸出狀態(tài)或數據寄存器的有關內容，將結果送到輸出接口。（8）響應中斷和各種外圍設備（如編程器、打印機等）的任務處理請求。2） I/O 接口 PLC 是通過各種 I/O 接口模塊與外界聯系的，按 I/O 點數確定模塊規(guī)格及數量，I/O 模塊可多可少，但其最大數受 CPU 所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或機架槽數限制。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)。PLC 的對外功能主要是通過各種 I/O 接口模塊于外界聯系來實現的。輸入模塊和輸出模塊是 PLC 與現場 I/O 裝置或設備之間的連接部件，起著 PLC 與外部設備之間的傳遞信息的作用。I/O 模塊分為開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入和模擬量輸出等模塊。3）存儲器 存儲器（內存）主要用于存儲程序及數據，是 PLC 不可缺少的組成單元。一般包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩部分。系統(tǒng)程序存儲器用于存儲整個系統(tǒng)的監(jiān)控程序，一般采用只讀存儲器（ROM） ，具有掉電不丟失信息的特性。用戶程序存儲器用于存儲用戶根據工藝要求或者控制功能設計的控制程序，早期一般采用隨機讀寫存儲器（RAM） ，需要后備電池在掉電后保存程序。目前則傾向于采用電可擦除的只讀存儲器（EEPROM）或閃存(Flash Memory)，免去了后備電池的麻煩。4）電源模塊 PLC 中的電源，是為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。電源可分直流和交流兩種類型，交流輸入 220VAC 或 110VAC， ，直流輸入通常是 24V。5）智能模塊 除了上述通用的 I/O 模塊外，PLC 還提供了各種各樣的特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、溫度控制、中斷控制、位置控制、以太網、遠程 I/O 控制、打印機等專用型或智能型的 I/O 模塊，用以滿足各種特殊功能的控制要求。I/O模塊的類型、品種與規(guī)格越多，系統(tǒng)的靈活性越好，模塊的 I/O 容量越大，系統(tǒng)的適應性就越強。6）編程設備常見的編程設備有簡易手持編程器、智能圖形編程器和基于 PC 的專用編程軟件。編程設備用于輸入和編輯用戶程序，對系統(tǒng)作些設定，監(jiān)控 PLC 及 PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程設備在 PLC 的應用系統(tǒng)設計與調試、監(jiān)控運行和檢查維護中是不可缺少的部件，但不直接參與現場的控制。 PLC 本質上就是一臺微型計算機，其工作原理與普通計算機類似，具有計算機的許多特點。但其工作方式卻與計算機有著較大的不同，具有一定的特殊性。PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式。工作時逐條順序掃描用戶程序，如果一個線圈接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，需等掃描到該觸點時才會動作 [6]。 可編程控制器的分類及特點根據 PLC 的結構形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。還有一些 PLC將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式 PLC。 還可以按 I/O 點數分類，根據 PLC 的 I/O 點數的多少，可將 PLC 分為小型、中型、大型和超大型四類:? I／O 點數在 256 以下為小型 PLC；? I／O 點數在 256～1024 為中型 PLC；? I／O 點數大于 1024 為大型 PLC；? I／O 點數在 4000 以上為超大型 PLC 可編程控制器有可靠性高、編程簡單易學、功能強、安裝簡單、維修方便、采用模塊化結構、接口模塊豐富、系統(tǒng)設計與調試周期短等特點 [7]。 人機界面基礎隨著社會的進步，工業(yè)自動化技術迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作最大透明化已經成為一種需要。人機界面（HMI Human Machine Interface）以其美觀易懂、操作人性化等顯著特點，正好滿足這種需求而得到廣泛的應用。 人機界面的定義 人機界面是指連接可編程控制器（PLC） 、變頻器、直流調速器、儀表等工業(yè)控制設備，利用顯示屏顯示，通過輸入單元（如觸摸屏、鍵盤、鼠標等）寫入工作參數或輸入操作命令，實現人與機器信息交互的數字設備,由硬件和軟件兩部分組成。 人機界面產品的組成及工作原理 人機界面產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、數據存貯單元等，其中處理器的性能決定了 HMI 產品的性能高低，是 HMI 的核心單元。根據 HMI 的產品等級不同，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（如組態(tài)王等） 。用戶必須先使用組態(tài)軟件制作“工程文件” ，再通過 PC 機和 HMI 產品的串行通訊口，把編制好的“ 工程文件 ”下載到 HMI 的處理器中運行。 人機界面產品的特點(1) 系統(tǒng)運行過程清晰化控制過程可以動態(tài)地顯示在 HMI 設備上。例如：爐子加熱通斷可以通過指示燈亮滅來顯示，爐子的溫度大小可以用棒圖來指示等等，使整個控制系統(tǒng)變得形象易懂，也更加清晰。(2) 系統(tǒng)操作簡單化操作員可以通過監(jiān)控界面來控制過程?？蓮谋O(jiān)控界面上啟動和停止系統(tǒng)、設定溫度上下限、設置 PID 參數等。(3) 顯示報警控制過程達到臨界狀態(tài)或系統(tǒng)運行錯誤時會自動觸發(fā)報警，例如，當爐子溫度超出溫度上下限時自動觸發(fā)報警。(4) 數據歸檔HMI 系統(tǒng)可以記錄過程變量值和報警信息并歸檔。例如：通過歸檔數據，您可以查看過去一段時間的系統(tǒng)運行情況，過程變量等。(5) 報表系統(tǒng)HMI 系統(tǒng)可以輸出報警和過程值報表。例如，您可以在生產某一輪班結束時打印輸出生產數據 [8]。第三章 PLC 控制系統(tǒng)硬件設計 在掌握了 PLC 的硬件構成、工作原理、指令系統(tǒng)以及編程環(huán)境后，就可以PLC 作為主要控制器來構造 PLC 控制系統(tǒng)。本章主要從系統(tǒng)設計結構和硬件設計角度，介紹該項目的 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟、PLC 的硬件配置、外部電路設計以及 PLC 控制器的設計和參數的整定。 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則和步驟弄懂 PLC 的基本工作原理和指令系統(tǒng)后,就可以把 PLC 應用到實際的工程項目中。無論是用 PLC 組成集散控制系統(tǒng)，還是獨立控制系統(tǒng)，PLC 控制部分的設計都可以參考圖 31 所示的步驟。 PLC 控制系統(tǒng)設計的基本原則任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實現被控對象(生產設備或生產過程)的工藝要求，以提高生產效率和產品質量。而在實際設計過程中，設計原則往往會涉及很多方面，其中最基本的設計原則可以歸納為 4 點。1. 設計原則 (1)完整性原則。最大限度的滿足工業(yè)生產過程或機械設備的控制要求。 (2)可靠性原則。確保計算機控制系統(tǒng)的可靠性。 (3)經濟型原則。力求控制系統(tǒng)簡單、實用、合理。(4)發(fā)展性原則。適當考慮生產發(fā)展和工藝改進的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面留有余地。 2. 評估控制任務 根據系統(tǒng)所需完成的控制任務，對被控對象的生產工藝及特點進行詳細分析，特別是從以下幾個方面給以考慮。 (1) 控制規(guī)模 一個控制系統(tǒng)的控制規(guī)?？捎迷撓到y(tǒng)的 I/O 設備總數來衡量。當控制規(guī)模較大時,特別是開關量控制的 I/O 設備較多時，最適合采用 PLC 控制。 (2) 工藝復雜程度 當工藝要求較復雜時,采用 PLC 控制具有更大的優(yōu)越性.(3) 可靠性要求 目前,當 I/O 點數在 20 甚至更少時，就趨向于選擇 PLC 控制了。 (4) 數據處理速度 若數據處理程度較低，而主要以工業(yè)過程控制為主時，采用 PLC 控制將非常適宜 [9]。評估控制任務PLC 機型的選擇控制柜設計及布線程序設計聯機調試PLC 安裝程序檢查、調試控制流程的設計程序備份修改軟、硬件模擬運行投入使用是否滿足要求圖 31 PLC 控制系統(tǒng)設計步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計的一般步驟 PLC 控制系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計。所謂硬件設計，是指 PLC 外部設備的設計，而軟件設計即 PLC 應用程序的設計。整個系統(tǒng)的設計分以下 5步進行。 1. 熟悉被控對象 深入了解被控系統(tǒng)是設計控制系統(tǒng)的基礎。設計人員必須深入現場，認真調查研究，收集資料，并于相關技術人員和操作人員一起分析討論，相互配合，共同解決設計中出現的問題。這一階段必須對被控對象所有功能全面的了解，對對象的各種動作及動作時序、動作條件、必要的互鎖與保護。電氣系統(tǒng)與機械、液壓、氣動及各儀表等系統(tǒng)間的關系。PLC 與其他設備的關系， PLC 之間是否通信聯網。系統(tǒng)的工作方式及人機界面，需要顯示的物理量及顯示方式等。 2. 硬件選擇 具體包括如下。 (1) 系統(tǒng) I/O 設備的選擇。輸入設備包括按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等。輸出設備包括繼電器、接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等。(2) 選擇 PLC。PLC 選擇包括對 PLC 的機型、容量、 I/O 模塊、電源等的選擇。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。在進行 I/O 通道分配時應給出 I/O 通道分配表，表中應包含 I/O 編號、設備代號、名稱及功能等。(4) 繪制 PLC 外圍硬件線路圖。畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入 PLC 的控制電路等。由 PLC 的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經確定。 (5)計數器、定時器及內部輔助繼電器的地址分配。 3. 編寫應用程序 根據控制系統(tǒng)的要求，采用合適的設計方法來設計 PLC 程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。程序通常還應包括以下內容： (1)初始化程序。在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內容有：對某些數據區(qū)、計數器等進行清零，對某些數據區(qū)所需數據進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。 (2)檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設計基本完成時再添加。 (3)保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 4. 程序調試程序調試分為 2 個階段，第一階段是模擬調試、第二階段是現場調試。程序模擬調試是，以方便的形式模擬產生現場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 (1)硬件模擬法是使用一些硬件設備（如用另一臺 PLC 或一些輸入器件等）模擬產生現場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到 PLC 系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 (2)軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調試過程中，可采用分段調試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 現場調試。當控制臺及現場施工完畢，程序模擬調試完成后，就可以進行現場調試，如不能滿足要求，須重新檢查程序和接線，及時更正軟硬件方面的問題。 5. 編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC 程序以及使用說明書等 [10]。 PLC 的選型與硬件配置 PLC 型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的 S7200 系列的 PLC。S7200 PLC屬于小型整體式的 PLC, 本機自帶 RS485 通信接口、內置電源和 I/O 接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的 S7200 CPU 構成一個簡單的數字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數字量 I/O 模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規(guī)模控制系統(tǒng) [10]。完整的 S7200 系列 PLC 實物如圖 32所示。圖 32 S7200 系列 PLC 實物圖 S7200 CPU 的選擇S7200 系列的 PLC 有 CPU22CPU22CPU22CPU224XP 、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用 S7200 CPU226，CPU226 集成了 24 點輸入/16 點輸出，共有 40 個數字量 I/O?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 點數字量或 35 點模擬量 I/O。還有 13KB 程序和數據存儲空間空間， 6 個獨立的 30KHz 高速計數器，2 路獨立的 20KHz 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。配有 2 個 RS485 通訊口，具有 PPI，MPI 和自由方式通訊能力，波特率最高為 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng) [11]。 本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點數不多，本可以使用 CPU224 以下的類型，不過為了能調用編程軟件 STEP 7 里的 PID 模塊，只能采用 CPU226 及以上機種。