【文章內容簡介】 的設計時間比設計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調試，輸入信號用小開關來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能[[] 鄭舒予，方東哲．擠出機變頻器改造解決方案[J]．中國新技術產品，2009，42(6)：22—24.]。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故。這很適合多品種、小批量的生產場合。，重量輕，能耗低：由于PLC采用了集成電路，其結構緊湊、體積小、能耗低。以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小于100mm，僅相當于幾個繼電器的大小。它的重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設備。 PLC控制系統(tǒng)的選擇 繼電器控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被PLC可編程控制系統(tǒng)所取代己是必然趨勢，如表 。繼電器控制柜只能針對固定的生產機械和固定的生產工藝設計的，通過硬接線方式裝配而成，只能完成既定的控制系統(tǒng)邏輯控制、定時、計數(shù)等功能，當生產過程中生產工藝突然要改變以滿足多樣需求時，控制柜就得必須重新設計和重新裝配線。而PLC可編程控制系統(tǒng)由于應用了微電子技術和計算機技術，各種控制功能都是通過可編程軟件來實現(xiàn)的，只要改變現(xiàn)有的程序并改動部分的接線端子，就可滿足生產工藝的改變需求。從適應性強、可靠性、方便性及設計、安裝、維護等各方面比較，PLC可編程控制系統(tǒng)都有顯著的優(yōu)勢。因此在用微電子技術改造傳統(tǒng)產業(yè)的過程中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)大多數(shù)將被PLC可編程控制系統(tǒng)所取代[[] 楊福安．變頻器應用淺析[J]．,62（4）：18—21．]。表 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較比較項目繼電器控制系統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)由許多繼電器,采用接線的方式來完成控制功能各種控制功能是通過編制的程序來實現(xiàn)的對生產工藝過程變更的適應性適應性差,需要更新設計,改變繼電器和接線適應性強,只需對程序進行修改控制速度 低,靠機械動作來實現(xiàn)計數(shù)及其他特殊功能一般沒有有安裝, 施工連線多,施工繁容易安裝,施工方便可靠性差,觸點多,故障多高,因為器件采用篩選和防老化等措施壽命短工作量大,故障不易查出長可擴張性困難容易結論:由于PLC可編程控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有絕對性的優(yōu)點，因此，在今后自動控制系統(tǒng)生產行業(yè)中，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)終將全部被PLC可編程控制系統(tǒng)所替代是必然所趨。 計算機控制系統(tǒng)20世紀60年代初，隨著小型計算機的出現(xiàn)，曾有人想用小型計算機來取代當時占統(tǒng)治地位的繼電器系統(tǒng)，但結果沒獲成功，代之的卻是PLC可編程控制系統(tǒng)[[] 汪建業(yè)，焦志剛，[J].，20(3):65—68.]的出現(xiàn)。進入20世紀70年代，采用微處理器的工業(yè)控制機出現(xiàn)了，它與PLC共同推動著傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造。經過長時間的技術改造和較長時間的實踐，人們才發(fā)現(xiàn)：在工業(yè)自動化工程中采用PLC可靠、方便、易于維護；，有效地防止了干擾信號的進入。，防止輻射干擾。，防止電源引入的干擾。，可對CPU內部電路進行監(jiān)測，一旦出錯，立即報警。，一旦斷電或運行停止，有關狀態(tài)及信息不會丟失。與一般工業(yè)控制計算機相比，具有有著較強的優(yōu)勢。如果在一些自動化控制系統(tǒng)中將兩者結合起來，PLC做下位機進行現(xiàn)場控制，計算機做上位機進行信息處理。計算機與PLC之間通過通信線路實現(xiàn)信息的傳送和交換，這樣相將構成一個功能較強的完整的控制系統(tǒng)。通用計算機與PLC本身在工作目的、原理和方式上都存在著較大的差異，其比較結果見表 。表 比較項通用計算機控制系統(tǒng)PLC自動系統(tǒng)工作目的科學計算，數(shù)據(jù)管理等工業(yè)自動控制工作環(huán)境對科學環(huán)境的要求較高對環(huán)境要求較低，可在惡劣環(huán)境工作工作方式中斷處理方式循環(huán)掃描處理方式特殊措施掉電保護等一般性措施采用多種抗干擾措施，自診斷，斷電保護，可在線維護編程語言匯編語言，高級語言梯形圖，助記符語言對操作人員的要求需專門的培訓，并有一定的計算機基礎一般的技術人員，稍加培訓即可操作對內存的要求容量大容量小系統(tǒng)軟件需配置功能較高的系統(tǒng)軟件一般只需簡單的監(jiān)控程序價格價格高價格較低其他若用于控制，需自行設計機種多，模塊種類多，易于集成系統(tǒng)結論: PLC程序設計簡單，易學易懂易維護，更適合于工程技術人員。但是必須指出的是:計算機在信息處理方面還是優(yōu)于PLC。然而PLC與一般工業(yè)控制計算機相比，PLC還是有著較強的優(yōu)勢，其原因是PLC專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計。因此，PLC在工業(yè)控制中獲得了極大的成功，成為工業(yè)控制中的主流。 DCS集散控制系統(tǒng)近年來，隨著計算機技術、通信技術、控制技術、大規(guī)模集成電路、圖形顯示技術等高新技術的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)已經逐漸成為工業(yè)生產過程控制、管理和決策的核心。分散控制系統(tǒng)是生產過程監(jiān)視、控制技術發(fā)展和計算機與網(wǎng)絡技術應用的產物。50年代末期，計算機開始進入過程控制領域，數(shù)字控制技術取得了很大的進步。此后，微處理機技術和數(shù)字通信技術的飛速發(fā)展，導致了1975年分散控制技術的誕生。最近幾年，在分散控制系統(tǒng)日臻成熟的基礎上，以新的控制和管理理論為基礎的運行和優(yōu)化軟件，在生產過程中逐漸推廣使用，使分散控制系統(tǒng)逐漸變成一個集安全經濟運行，控制和管理的綜合網(wǎng)絡。PLC與DCS控制系統(tǒng)的比較如表 ,PLC與集散控制系統(tǒng)在發(fā)展過程中，始終是互相滲透互為補充。它們分別由兩個不同的古典控制設備發(fā)展而來PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢，初期主要側重于開關量順序控制方面。隨著PLC功能不斷擴充，PLC增加了模擬量控制功能、PID調節(jié)功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能及分級控制功能等，但PLC難以組成大型、復雜、綜合的系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)(DCS)是由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，初期主要側重于回路調節(jié)功能，之后又加入了順序控制的功能。DCS的設計思想是操作管理集中，控制分散以提高整個系統(tǒng)的可靠性及管理能力。所以它在模擬量處理，回路調節(jié)方面具有一定優(yōu)勢。表 比較項目PLC控制DCS控制高速順序控制106復雜過程控制610硬件可靠性98聯(lián)網(wǎng)和通訊功能48管理能力39系統(tǒng)診斷和報警38結論：PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。隨著微電子技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展，無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高，相比于DCS控制系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢所在。 本章小結本章主要論述PLC可編程控制器基本特點和控制功能概述，并將其與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的、計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)進行優(yōu)劣特點的比較，并在通過表格將其控制功能和特點加以一一比較和進行輔助說明和解釋。最終結論：PLC控制系統(tǒng)的特點體現(xiàn)在控制系統(tǒng)設計的能力高、現(xiàn)場環(huán)境的適應能力強、對操作維護人員的要求低和價格方面便宜、工作穩(wěn)定性能高等都有很大的優(yōu)勢,最終確定本設計采用PLC控制系統(tǒng)作為主要的控制核心.第4章 控制系統(tǒng)硬件設計 PLC選型及其工作特性 PLC的工作原理PLC是一種工業(yè)控制計算機，它的工作原理是建立在計算機工作原理的基礎之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。PLC工作的整個過程可分為三部分：1．是上電處理。機器上電后對PLC系統(tǒng)進行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模塊配置檢查，停電保持范圍設定，系統(tǒng)通信參數(shù)配置及其他初始化處理等。PLC上電處理階段完成以后進入掃描工作過程。PLC每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常，如檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；當出現(xiàn)致命錯誤時，CPU被強制為STOP方式，所有的掃描便停止。概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進行工作的[[] 《電線電纜手冊》編委會．電線電纜手冊[S]．北京：機械工業(yè)出版社，2009，11]。每一次掃描所用的時間稱作掃描周期或工作周期。在一個掃描周期中，PLC一般將完成部分或全部的以下操作:讀輸入→處理通信請求→執(zhí)行邏輯控制程序→寫輸出執(zhí)行→CPU自診斷。PLC就是這樣周而復始的循環(huán)這些動作過程一直到關機。當PLC上電后，處于正常運行時，它將不斷重復掃描過程，并不斷循環(huán)重復下去。分析上述掃描過程，如果對遠程I/O、特殊模塊、更新時鐘和其他通信服務等枝葉的東西暫不考慮，這樣掃描過程就只剩下“輸入采樣”、“程序執(zhí)行”和“輸出刷新”三個階段了。這三個階段是PLC工作過程的中心內容，也是PLC工作原理的實質所在。(1)輸入采樣階段PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態(tài)存入相對應的輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新。接著系統(tǒng)進入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的內容。所以，一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，或者說輸入信號的頻率不能太高，否則很可能造成信號的丟失。(2)程序執(zhí)行階段進入程序執(zhí)行階段后，一般來說（因為還有子程序和中斷程序的情況），PLC按從左到右、從上到下的步驟順序執(zhí)行程序。當指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時，PLC就從輸入映像寄存器中“讀入”對應輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應元件（“軟繼電器”）的當前狀態(tài)。然后進行相應的運算，最新的運算結果馬上再存入到相應的元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而刷新。(3)輸出刷新階段在用戶程序執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通∕斷開）在輸出刷新階段一起轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式集中輸出，最后經過輸出端子驅動外部負載。在下一個輸出刷新階段開始之前，輸出鎖存器的狀態(tài)不會改變，從而相應輸出端子的狀態(tài)也不會改變。 PLC系統(tǒng)選型從結構上分，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、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置.本設計的控制系統(tǒng)采用的PLC主模塊是S7226CN, 它能滿足中等性能要求的應用，應用領域相當廣泛。其模塊化、易于實現(xiàn)分布、易于用戶掌握等特點使得S7200成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經濟的方案。[[] 、HMI和伺服控制技術的磁性編碼檢測系統(tǒng)[J].，103 (7)：30—33.]，使用戶可以完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊。性能好、工業(yè)適應能力強、體積小巧、指令功能豐富、運算速度較快、價格低廉、多功能和多用途，具有很高的性能價格比。特別是其提供基于WINDOWS的編程軟件STEP 7MicroWIN，為PLC系統(tǒng)編程帶來很大的便利，該編程軟件容易使用，結構清晰，并有豐富的在線變量監(jiān)測功能和模擬仿真功能，這一點大大方便了今后的調試工作。相對于市場中常用的其他PLC 品牌，如日本三菱、歐母龍、法國施耐德等[[] 姚焱．低壓電器與PLC應用技術[M]．北京：人民郵電出版社，2012：56—59.]，其突出特點如下: 。 .S7200系列PLC可提供五種不同的基本單元和多種規(guī)格的擴展單元。目前提供的S7200 CPU有：CPU22CPU22CPU22CPU224XP、CPU226和CPU226XM，CPU21X系列產品現(xiàn)已被CPU22X取代。不同型號的S7200 PLC CPU性能差別較大，如表 特 性CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226CPU226XM程序存儲區(qū)4096B4096B8192B12288B16384B24576B數(shù)據(jù)存儲區(qū)2048B2048B8192B10240B10240B20480B本機I/O6入4出8入6出14入10出14入10出24入16出24入16出擴展模塊數(shù)027777表 CPU型號表結論：由于單螺桿擠出機控制系統(tǒng)工藝流程較復雜、維修量較大、環(huán)境條件比較差，我們選用模塊式結構的PLC。通過對系統(tǒng)控制要求的分析可知，系統(tǒng)共有開關量輸入點36點，開關量輸出點28點，故選用S7CPU226，它可以擴展7個模塊能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。CPU226的外圍接線圖如圖 。圖 AC/DC/RLY外圍接線圖 控制系統(tǒng)的I/O通道地址分配根據(jù)本設計的擠出機控制系統(tǒng)的控制要求，I/O通道地址分配如表 。PLC擴展模塊選型通過對擠出機PLC控制系統(tǒng)要求的分析[[] [J]..]可知，該系統(tǒng)共有開關量輸入點36點，開關量輸出點28點。本設計選用的CPU226為26輸入∕16輸出，I/O點數(shù)無法滿足設計需求，所以需要擴展一塊數(shù)字量輸入∕輸出模塊EM223（8DI/8DO