【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量，假設(shè)采樣周期為TS系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)刻t=0，用矩形積分近似積分，用差分近似微分，將式(21)離散化，第n次采樣時(shí)控制器的輸出為：=+KI+KD[—（n—1）]+M (22)式(22)中的KI=，KD=分別是積分系數(shù)和微分系數(shù)。SV(n)PI(P)調(diào)節(jié)器D/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測(cè)量元件A/DCV(n)MV(n)PV(n)MV(t)PV(t)圖23 PLC閉環(huán)系統(tǒng)方框圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可編程控制器可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的惡劣工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力更得到用戶的好評(píng)。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最多的控制設(shè)備[12]。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，它將傳統(tǒng)的“硬”接線程序控制方式改換為存儲(chǔ)程序控制方式，即通過(guò)事先編制好并存于程序存儲(chǔ)器中的用戶程序來(lái)完成控制功能，而控制要求改變時(shí)，只需要修改存儲(chǔ)器中的用戶程序的部分語(yǔ)句即可。如圖31可編程控制器控制系統(tǒng)框圖?？删幊炭刂破饕云淇煽啃愿摺⒖垢蓴_能力強(qiáng)、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被日趨廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)控制領(lǐng)域。圖31可編程控制器控制系統(tǒng)框圖PLC的實(shí)質(zhì)就是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，屬于過(guò)程控制計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支?？删幊炭刂破鞯闹鳈C(jī)由中央微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM、EPROM、E2ROM)、輸入/輸出(INPUT/OUTPUT)模塊、外設(shè)I/O接口、I/O通道接口、編程器及電源部分等組成[7]。PLC硬件組成及PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖31和圖32所示。對(duì)于整體式PLC主要部件都在同一機(jī)殼內(nèi)，對(duì)于PLC為模塊式的機(jī)型，各功能單元可獨(dú)立封裝，構(gòu)成模塊，各模塊通過(guò)框架或連接電纜組合在一起。編程器是可編程控制器的外圍設(shè)備[13]。PLC內(nèi)的各部分或模塊間均通過(guò)總線進(jìn)行信息交換。總線根據(jù)其功能可分為電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的工藝要求，配備不同的外部設(shè)備，可構(gòu)成不同的控制功能的PLC控制系統(tǒng)。常用的外圍設(shè)備通常有編程器、盒式磁帶機(jī)、打印機(jī)、EPROM寫(xiě)入器等。PLC也可以通過(guò)通信接口或通信模塊實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，構(gòu)成PLC工業(yè)控制局域網(wǎng)或集散控制系統(tǒng)。 CPUEPROMRAM擴(kuò)展存儲(chǔ)器輸入模塊輸出模塊I/O接口通信接口 總 線用戶輸入 設(shè)備用戶輸出 設(shè)備外部設(shè)備計(jì)算機(jī)或其它PLC圖32 PLC硬件構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式(模塊式)兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。 PLC硬件選型 檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇原則(1) 檢測(cè)元件的選擇被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測(cè)和將測(cè)量信號(hào)傳送至控制器是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的一個(gè)環(huán)。對(duì)被控參數(shù)迅速、準(zhǔn)確的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)高性能控制的重要前提。檢測(cè)設(shè)備主要是根據(jù)被檢測(cè)參數(shù)的性質(zhì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體考慮來(lái)決定。被檢測(cè)參數(shù)性質(zhì)的不同、準(zhǔn)確度要求、響應(yīng)速度要求的不同以及對(duì)控制性能的要求的不同都影響檢測(cè)元件的選擇，要從工藝的合理性、經(jīng)濟(jì)性加以考慮。其選擇一般具有以下原則：① 盡可能的選擇測(cè)量誤差小的測(cè)量元件；② 盡可能的選擇快速響應(yīng)的測(cè)量元件；③ 選擇翻遍安裝的測(cè)量元件；④ 考慮經(jīng)濟(jì)以及檢測(cè)元件的精確度等。本系統(tǒng)需要兩個(gè)溫度傳感器：一個(gè)安裝在夾套內(nèi)，另一個(gè)安裝在內(nèi)膽。根據(jù)檢測(cè)精度和測(cè)量范圍以及以上原則等，選用鉑熱電阻Pt100為溫度傳感器，選擇JC100G為溫度變送器[14]。(2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇由于本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是電阻絲加熱爐，采用的是220V交流電源作為電阻絲的供應(yīng)電源，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是用來(lái)根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)電阻絲上的電壓從而達(dá)到控制加熱爐溫度的目的。因此對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇選用相對(duì)應(yīng)的MJYD—JL—20型單相交流模塊。 系統(tǒng)硬件組成本課題選用歐姆龍公司的C200H系列的PLC及其擴(kuò)展模塊，該系列硬件采用積木式結(jié)構(gòu)。PLC的模塊組為總線模板框式結(jié)構(gòu)，基本框架(CPU母板)上裝有CPU模板，其它槽位裝有I/O模板；如果I/O模板多時(shí)，可由CPU母板經(jīng)I/O擴(kuò)展電纜連接I/O擴(kuò)展母板，在其上裝I/O模板。PLC內(nèi)的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，還發(fā)展了一系列特殊功能的I/O模板，這為PLC用于各行各業(yè)打開(kāi)了出路，如用于條形碼識(shí)別的ASCII/BASIC模板，用于反饋控制的PID模板，用于運(yùn)行控制、機(jī)械加工的高速計(jì)數(shù)模板、單軸位置控制模板、雙軸位置控制模板、凸輪定位器模板、射頻識(shí)別接口模板等，這在以后還會(huì)有很大發(fā)展。另外在輸入、輸出的相關(guān)元件、強(qiáng)干擾場(chǎng)合的輸入、輸出電隔離、地隔離等方面也會(huì)更加完善。PLC中的CPU與存儲(chǔ)器配合，完成控制功能。它與DCS系統(tǒng)處理溫度、壓力、流量等參數(shù)的系統(tǒng)不同，采用快速的巡回掃描周期，~，更快的則選用50ms或更小的掃描周期。如圖33為本次PLC的整體結(jié)構(gòu)圖：C200H—DA001C200H—TS101C200H—OC221C200H—ID212C200HPlc旋轉(zhuǎn)編碼器指示燈熱敏電阻Pt00調(diào)功器圖33溫度串級(jí)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 CPU模塊的選型CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過(guò)程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。在使用者看來(lái)，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作[15]。C200H PLC的CPU單元共有三種型號(hào)，其中CPU01E和CPU11E即可使用AC100V~120V電源，也可使用AC200~240V電源，CPU03E只能使用DC24V電源。CPU11E單元專用于將SYSMAC LINK單元或SYSMAC NET LINK單元連接到CPU上，對(duì)其它兩種CPU單元來(lái)說(shuō)，可以直接安裝在CPU左側(cè)的兩個(gè)槽位上或通過(guò)一個(gè)總線連接器接到CPU上。CPU單元的結(jié)構(gòu)由電源電路、微處理器、控制電路、存儲(chǔ)系統(tǒng)、外設(shè)接口、I/O接口和輸入電路等幾個(gè)部分組成。電源電路對(duì)輸入交流電源進(jìn)行隔離、濾波、整流和穩(wěn)壓，為PLC系統(tǒng)提供各種所需的直流工作電源。微處理器采用Motorola公司的6800系列68B09CPU芯片，它是一種增強(qiáng)型8位微處理器，具有豐富的指令系統(tǒng)和多種尋址方式，且運(yùn)行速度快。存儲(chǔ)器系統(tǒng)由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器和用戶RAM幾個(gè)部分組成，分別用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)程序、用戶程序和輸入輸出狀態(tài)、中間運(yùn)算結(jié)果。其中用戶存儲(chǔ)單元是一用戶可獨(dú)立安裝的內(nèi)裝電池的存儲(chǔ)模塊。外設(shè)接口提供編程器及其它C系列的外部設(shè)備的連接接口。I/O接口實(shí)現(xiàn)SYSBUS標(biāo)準(zhǔn)總線接口。輸入/輸出電路提供面板指示燈及其它I/O端子與CPU的接口，以指示CPU的工作狀態(tài)。I/O模塊： PLC與電氣回路的接口，是通過(guò)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(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開(kāi)關(guān)量輸入(DI)，開(kāi)關(guān)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： 開(kāi)關(guān)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。 模擬量：按信號(hào)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[16]。電源模塊：PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，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)。本課題選用CPU01E型CPU模塊。 基本I/O輸入輸出模塊選型本課題選用C系列的C200HID212為基本輸入模塊，該模塊為16點(diǎn)DC輸入，工作電壓為DC12~24V，在PLC機(jī)架上通道號(hào)為010CH；C200HOC221為基本輸出模塊，該模塊為8點(diǎn)繼電器輸出模塊，工作電壓為DC24V，機(jī)架上通道號(hào)為020CH。輸入模塊連接兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，用于對(duì)給定量SV進(jìn)行設(shè)定。輸出模塊連接一個(gè)指示燈，用于顯示系統(tǒng)是否正常工作。圖34為輸入輸出模塊的接線圖：COM8 4 2 18 4 2 101002010030100401005010060100701008010090100101000SB1SB2C200HID212a)輸入模塊ba