【文章內容簡介】 已經廣泛地應用在各種機械設備和生產過程的自動控制系統(tǒng)中，PLC在其它領域，例如在民用和家庭自動化設備中的應用也得到了迅速發(fā)展。 PLC 的系統(tǒng)構成PLC的硬件系統(tǒng)由CPU、I/O擴展機及外部設備組成。西門子PLC以其極高的性能價格比，在國內占有很大的市場份額，在我國的各行各業(yè)得到了廣泛的應用。本次設計所采用的S7—300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝到機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網絡上，可以與計算機、其它PLC或其它設備通信。與繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC可以認為是由輸入部分、控制部分和輸出部分等組成，但它是采用大規(guī)模的集成電路的微處理器和存儲器來代替繼電器控制線路，控制作用是通過編制好并存入內存的程序來實現的。我們可以認為PLC的等效電路如下：輸入部分：用于接受外部輸入信號，與外部輸入設備連接。可以等效為一個受控于外部用戶輸入設備的繼電器線圈（輸入繼電器）。控制部分：等效于一個受控于內部邏輯的一個線圈，接點可用于驅動外部輸出設備的繼電器。輸出部分：用于與外部輸出設備連接。電源擴展機架接觸器電磁閥電 源 模 塊接 口 模 塊輸入模塊輸出模塊CPU模塊通信接口其它設備其它PLC計算機選擇開關指示燈限位開關電源按鈕 PLC控制系統(tǒng)示意圖PLC的工作原理CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的啟動、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務。用戶程序由用戶生成，用來實現用戶要求的自動化任務。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需的數據放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能SFC的系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標準子程序，這些塊也通稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當于用戶程序的主程序，它可以調用其它的塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內容，復位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動組織塊”O(jiān)B100，完成用戶指定的初始化操作，以后將進入周期性的循環(huán)運行。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷，如果有中斷事件出現，當前執(zhí)行的塊將停止執(zhí)行，并調用分配給該事件的組織塊。該組織塊執(zhí)行完畢后，被中斷的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別存放在輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其它編程元件也有對應的映像存儲區(qū)。在循環(huán)程序處理中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)域和輸出地址區(qū)域，而是訪問CPU內部的過程映像區(qū)。在讀輸入模塊階段，PLC將所有外部輸入電路的接通/斷開狀態(tài)讀如輸入過程映像區(qū)。在寫輸出模塊的階段，CPU將輸出過程映像區(qū)的狀態(tài)傳給輸出模塊。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過程映像位的狀態(tài)也隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)字能在下一個循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入。PLC用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中順序排列。在沒有跳轉指令和塊調用指令時，CPU從第一條指令開始，逐條順序執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束。在執(zhí)行指令時，從輸入過程映像區(qū)或別的存儲區(qū)中將有關編程元件的0、1狀態(tài)讀出來，并根據指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算的結果寫入到對應的存儲區(qū)中，因此，各編程元件的存儲區(qū)（輸入過程映像區(qū)除外）的內容將隨著程序的執(zhí)行而變化。 PLC對輸入輸出的處理規(guī)則 PLC的特點 1)靈活、通用 在繼電器控制系統(tǒng)中，使用的控制裝置是大量的繼電器，整個系統(tǒng)是根據設計好的電氣控制圖，由人工通過布線、焊接、固定等手段組裝完成的，其過程費時費力。如果因為工藝上少許變化，需要改變電氣控制系統(tǒng)時，原先整個電氣控制系統(tǒng)將被全部拆除，而重新進行布線、焊接、固定等工作，耗費大量人力、物力、和時間。而PLC是通過在存儲器中的程序實現控制功能，若控制功能需要改變，只需修改程序及少量接線即可。而且，同一臺PLC還可用于不同控制對象，通過改變軟件則可實現不同控制的控制要求。因此，PLC具有很大的靈活性和通用性，結構形式多樣化，可以適用于各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求。2)可靠性高、抗干擾能力強可靠性是工業(yè)控制器件的重要指標。因此，要求在各種惡劣工作環(huán)境和條件(如電磁干擾、灰塵等)下可靠工作，將故障率降至最低。PLC具有很高的可靠性和抗干擾能力，不會出現繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中接線老化、脫焊、觸點電弧等現象，故被稱為“專為適應惡劣工業(yè)環(huán)境而設計的計算機”。3)編程簡單、使用方便 PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。目前，PLC大多采用梯形圖語言編程方式，它既繼承了繼電器控制線路的清晰直觀感，又考慮到電氣技術人員的讀圖習慣和應用實際，電氣技術人員易于編程，程序修改靈活方便。這種面向控制過程、面向問題的編程方式，與匯編語言相比，雖然增加了解釋程序和程序執(zhí)行時間，但對大多數機電控制設備來說，PLC的控制速度還是足夠快的。此外，PLC的I/O接口可直接與控制現場的用戶設備聯接。如繼電器、接觸器、電磁閥等聯接，具有較強的驅動能力。 4)接線簡單 PLC只需將輸入設備(如按鈕、開關等)與輸入端子聯接，將輸出設備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯接。接線極其簡單、工作量極少。 5)功能強 PLC不僅具有條件控制、定時、計數、步進等控制功能，而且還能完成A/D. D/A轉換、數字運算和數據處理以及通信聯網、生產過程監(jiān)控等。因此，PLC既可對開關量進行控制，又可對模擬量進行控制。可控制一臺單機、一條生產線，也可控制一個機群、多條生產線。可用于現場控制，也可用于遠距離控制?？煽刂坪唵蜗到y(tǒng)，又可控制復雜系統(tǒng)。 6)體積小、重量輕、易于實現機電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點。由于PLC是專為工業(yè)控制而設計的專用計算機，其結構緊湊、堅固耐用，以及有很強的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機械設備內部。因此，PLC在機電一體化產品中被廣泛應用。 人機界面HMI人機界面是操作人員與PLC之間進行對話和相互作用的接口設備。近年來人機界面的應用越來越廣泛，已經成為現代工業(yè)控制系統(tǒng)不可缺少的設備之一。這里我們選用觸摸屏和操作臺。觸摸屏用來監(jiān)視帶式輸送機的運行工況。觸摸屏可以監(jiān)視帶式機速度、拉線急停和跑偏開關的動作位置等各種保護狀況以及顯示帶式輸送機的正常運行工況和各種故障狀態(tài)。通過操作臺的各種控制按鈕，可以進行工作方式選擇和就地控制帶式輸送機。、就地控制箱面板。 操作臺 就地控制箱面板觸摸屏技術就是使用者只要用手指輕輕地觸碰計算機顯示屏上的圖符或文字，就能實現對主機的操作或查詢，這樣就擺脫了鍵盤和鼠標操作，從而大大地提高了計算機的可操作性。觸摸屏是一種最直觀的操作設備，只要觸摸屏幕上的圖形對象，計算機便會執(zhí)行相應的操作。觸摸屏具有方便直觀、圖像清晰、堅固耐用和節(jié)省空間等優(yōu)點。在觸摸屏上，我們主要顯示皮帶的運行狀況和給煤機的運行信號，膠帶的速度和各個故障的狀態(tài)及故障出現的具體位置，同時也可以查詢到各皮帶滾筒的溫度，以實時監(jiān)測皮帶，減少故障查找環(huán)節(jié)，提高工作效率。3 膠帶輸送機集控系統(tǒng)硬件設計 SIMATIC S7300 PLC簡介 SIMATIC S7300 PLC簡介 SIMATIC S7—300系列PLC是模塊化結構設計，各個單獨模塊之間可以進行單獨組合和擴展，從而使控制系統(tǒng)設計更加靈活滿足不同的應用需求。編程器PG用來為S7300 PLC編制程序，使用編程電纜連接編程器和CPU。通過PROFIBUS電纜可以實現S7300 CPU之間的通訊，以及與其他SIMATIC S7 PLC進行通訊。一根PROFIBUS總線電纜可以連接多個S7300。S7300 PLC的主要組成部分有導軌（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、接口模塊（IM）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）等。它通過MPI網的接口直接與編程器PG、操作員面板OP、和其它S7 PLC相連。 PLC系統(tǒng)構成圖導軌（RACK）：導軌是安裝S7300各類模塊的機架，它是特制不銹鋼異型板，其長度有160、48582000（mm）五種，可根據實際需要選擇。電源模塊、CPU、及其它信號模塊都可方便地安裝在導軌上。除CPU模塊外，每塊信號模塊都帶有總線處理器，安裝時先將總線連接器裝在CPU模塊并固定在導軌上，然后依次將各模塊裝入，通過背板總線將各模塊從物理上和電氣上連接起來。電源模塊（PS）：電源模塊用于將SIMATIC S7300連接到120/230V交流電源和24/48/60/110V直流電源。它與CPU模塊和其它信號模塊之間通過電纜連接，而不是通過背板總線連接。 中央處理單元模塊（CPU）：SIMATIC S7300提供了多種不同性能的CPU，以滿足不同用戶的需求，包括CPU312IFM、CPU31CPU31CPU31CPU315 2DP等。CPU模塊除完成執(zhí)行用戶程序的主要任務之外，還為S7300背板總線提供5V直流電源，并通過MPI接口與其它中央處理器和編程裝置通信。S7300的編程裝置可以是西門子專用的編程器，如PG70PG7PG7PG760等，也可以用通用微機，配以STEP7軟件包，并加MPI卡和MPI編程電纜構成。接口模塊（IM）：接口模塊用于多機架配置時連接主機架和擴展機架。S7300通過分布式的主機架和3個擴展機架，可操作多達32個模塊。信號模塊（SM）：信號模塊使不同的過程信號電平和S7300的內部信號電平相匹配，主要有數字量輸入模塊SM32數字量輸出模塊SM32模擬量輸入模塊SM33外部過程信號可以方便地連接在信號模塊的前連接器上。特別指出的是，其模擬量輸入模塊獨具特色，可以接入熱電偶、熱電阻、4～20mA電流、0～10V電壓等18種不同的信號，輸入量程范圍很寬。功能模塊（FM）：用于實時性強、存儲計數量較大的過程信號處理任務。如：快給進和慢給進驅動定位模塊FM35電子凸輪控制模塊FM35步進電機定位模塊FM35伺服電機位控模塊FM35智能位控制模塊SINUMERIK FMNC等。通信處理器（CP）是一種智能模塊，它用于PLC間和PLC與其它裝置間連網以實現數據共享。如：具有RS232C接口的CP340，與現場總線連網的CP342 5DP。 模塊安裝S7300可以水平安裝也可以垂直安裝，其允許的環(huán)境溫度分別為0～40℃（垂直安裝）和0～60℃。電源和CPU必須安裝在導軌的左側（水平安裝）或低部（垂直安裝）。S7300是模塊化組合結構，根據應用對象不同，可選擇不同型號和不同數量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一個機架上（導軌）或多個機架上。除電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個機架上最多只能安裝八個信號模塊或功能模塊。IM360/IM361接口模塊用來將S7300背板總線從一個機架連接到下一個機架。在使用擴展機架時，除了另需模塊機架和接口模塊以外，可能還需要另加電源模塊。中央處理單元總是在0號機架的2號槽位上，1號槽安裝電源模塊，3號槽總是安裝接口模塊，槽號4到11，可自由分配信號模塊，功能模塊和通信模塊。需要注意的是槽號是相對的，每一個機架的導軌并不存在物理的槽位。 集控系統(tǒng)PLC的設計 CPU的選擇（1）I/O點數的確定 經過對各輸入輸出的大略計算，本設計中需要數字量輸入164點，數字量輸出69點，模擬量輸入通道14路，其具體分配見表3. 2。 模擬量輸入通道數皮帶機速度1*7滾筒溫度1*7總計14數字量輸入點數操作臺控制方式選擇3總啟動按鈕1總停止按鈕1起車預警按鈕1急停按鈕1給煤機啟停按鈕2各皮帶啟停按鈕14堆煤傳感器1*7主提升、走廊皮帶跑偏開關2*12其他皮帶跑偏開關8*6縱撕傳感器1*7煙霧傳感器1*7走廊皮帶拉線急停開關2主提升皮帶拉線急停開關20其他皮帶拉線急停開關1*5就地箱啟動按鈕1*7就地箱停止按鈕1*7就地箱急停按鈕1*7總計164數字量輸出點數皮帶電機開7灑水裝置電磁閥7皮帶電機關7警鈴1給煤機啟動、停止2狀態(tài)指示燈10就地箱故障顯示燈5*7總計69考慮到前面的設計中I/O點數可能有疏漏，并考慮到I/O端的分組情況以及隔離與接地要求，應在統(tǒng)計后得出的I/O總點數基礎上，增加10％到15％的裕量。考慮裕量后的I/O總點數即為I/O點數估計值。選定的PLC機型的I/O能力極限值必須大于I/O點數估計值，并應盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應留有30％的裕量。（2） 存儲器容量選擇PLC的I/O點數估算值大小，在很大程度上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求，因此可以在I/O點數估算值的基礎上計算對PLC存儲器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計經驗公式進行存儲器容量估算。這種方法是以PLC處理每個信息量所需存儲器數的統(tǒng)計平均經驗值為依據，乘以信息量數再考慮一定的裕量計算得到存儲器需要容量。作為一般應用下的一種經驗公式是：存儲器容量其中：DI為數字量輸入總點數； DO為數字量輸出總點數； AI/O為模擬量I/O通道總數。 DI點數估計值為164=189，DO點數估計值為69=80，AI通道