【文章內(nèi)容簡介】 近來，可編程序控制器的發(fā)展更為迅速，更新?lián)Q代周期大約為三年左右，其結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，功能日益增強(qiáng)，性能價(jià)格比越來越高。展望未來，可編程序控制器在規(guī)模和功能上將向兩大方向發(fā)展。一方面大型可編程序控制器不斷向高速，大容量和高功能方向發(fā)展。另一方面發(fā)展簡易經(jīng)濟(jì)的超小型可編程序控制器，以適應(yīng)單機(jī)控制，小型自動化的需要，另外不斷增強(qiáng)其對過程控制的功能（模擬量控制能力）；研制采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，使同一工業(yè)控制系統(tǒng)中能連接不同的控制設(shè)備，分別執(zhí)行不同的任務(wù)；增強(qiáng)可編程序控制器的聯(lián)網(wǎng)功能，便于分散控制與集中控制的實(shí)現(xiàn)；大力研發(fā)智能I/O模塊，增強(qiáng)可編程序控制器的功能。從PLC的發(fā)展趨勢看，PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動化的主要手段，在未來的工業(yè)生產(chǎn)中，PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM和數(shù)控技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的四大支柱技術(shù)。 可編程序控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理可編程序控制器(ProgrammableController)簡稱PC,是近代在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置,它是按照用戶控制要求編寫的程序來工作的。和繼電——接觸器控制相比較,繼電——接觸器控制是將各自獨(dú)立的器件及觸點(diǎn)以固定接線方式來實(shí)現(xiàn)控制要求,而PC將控制要求以程序的形式(軟件編程)存儲在其內(nèi)部。送入存儲器中的程序內(nèi)容就相當(dāng)于繼電——接觸器控制的各種線圈、觸點(diǎn)和接線,這種存儲程序的控制,當(dāng)需要改變控制要求時(shí),只要改變程序,而不用改變接線。因而增加了控制的靈活性和通用性?？删幊绦蚩刂破鞯幕窘Y(jié)構(gòu)可編程序控制器一般由中央處理器、存儲器、輸入輸出組件、編程器及電源五部分組成。存儲器是可編程序控制器的重要組成部分,有了它可編程序控制器才能有記憶功能,才能預(yù)先把待解決問題的一步步操作,用命令的形式——即一條條指令保存起來。實(shí)現(xiàn)一定功能的若干條指令組成一個(gè)程序,根據(jù)程序作用的不同,可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器兩種。系統(tǒng)程序存儲器主要存儲系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序,并能對用戶程序作編譯處理。其永久保留在可編程序控制器中,不因關(guān)機(jī)、停電或其他部分出現(xiàn)故障等而改變其內(nèi)容。用戶程序存儲器用來存儲由編程器或磁帶輸入的用戶控制程序。用戶控制程序是根據(jù)生產(chǎn)過程和工藝要求編制的,可以通過編程器修改或增刪。中央處理器簡稱CPU,是PC的大腦。其主要的用途是處理和運(yùn)行用戶程序,針對外部輸入信號作出正確的邏輯判斷,并將結(jié)果輸給有關(guān)部門,以控制生產(chǎn)機(jī)械按既定程序工作。另外CPU還對其內(nèi)部工作進(jìn)行自動檢測,并協(xié)調(diào)PC各部分工作,如有差錯(cuò),它立即停止運(yùn)行。輸入、輸出部分是PC與被控設(shè)備連接起來的部件。用戶設(shè)備需要輸入PC的各種控制信號,如位置開關(guān)、按鈕、傳感器等,通過輸入部件將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能接受和處理的數(shù)字信號。輸出部件將中央處理器送出的弱電信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場所需要的強(qiáng)電信號并輸出,以驅(qū)動電磁閥、接觸器等被控設(shè)備的執(zhí)行元件。編程器是開發(fā)、維護(hù)PC自動控制系統(tǒng)不可缺少的外部設(shè)備。PC需要用編程器輸入、檢查、修改、調(diào)試用戶程序,也用以監(jiān)視PC的工作情況。 可編程序控制器的工作原理可編程序控制器對用戶程序的執(zhí)行過程采用循環(huán)掃描的工作方式。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下,順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài),按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理,然后順序向各輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。為了提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,并及時(shí)接收外來的控制命令,PC(在每次掃描期間,還進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器的通訊,其工作主要分以下五個(gè)階段。（1）　自診斷階段。PC在每次掃描用戶程序以前,都先執(zhí)行故障自診斷程序,一般包括輸入輸出、存儲器、CPU等部分的故障判斷。一旦發(fā)現(xiàn)異常,PC立即起動關(guān)機(jī)程序,保留現(xiàn)場的工作狀態(tài),把所有的輸出點(diǎn)置成“OFFamp。”狀態(tài)后停機(jī),并發(fā)出報(bào)警信號和顯示出錯(cuò)誤信號。若自診斷正常,則繼續(xù)向下掃描。（2）　與編程器等通訊階段。自診斷后,如果沒有發(fā)現(xiàn)故障,PC即檢查是否有編程器等的通訊請求,若有則進(jìn)行相應(yīng)處理。（3）　讀入現(xiàn)場信號階段。完成和外界通訊后,PC即開始掃描各輸入點(diǎn),讀入各點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并把這些數(shù)據(jù)按順序?qū)懭氲酱鎯ζ鞯臓顟B(tài)表中,供執(zhí)行用戶程序時(shí)使用。因此該階段也稱輸入采樣階段。（4）　執(zhí)行用戶程序階段。一般是從用戶程序存儲器的最低地址所存放的第一條程序指令開始執(zhí)行。在無中斷和跳轉(zhuǎn)控制的前提下,按存儲器地址遞增的方向依次執(zhí)行(掃描)用戶程序。直到用戶程序結(jié)束或用戶程序的末地址為止。在這種工作方式下工作,每掃描一次,所有的用戶程序都被執(zhí)行一次。（5）　輸出控制信號階段。PC在執(zhí)行用戶程序的同時(shí),更新輸出緩沖區(qū)的內(nèi)容。程序執(zhí)行完畢,CPU即發(fā)出信號,把緩沖區(qū)的內(nèi)容按規(guī)定的次序,通過輸出模塊把內(nèi)部邏輯信號變換成與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相適應(yīng)的電信號輸出,驅(qū)動生產(chǎn)現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制任務(wù)。依次完成上述五步操作,稱為一個(gè)掃描周期,之后PC又從自診斷開始進(jìn)行下一次掃描。就這樣不斷反復(fù)循環(huán),完成生產(chǎn)的連續(xù)控制,直到收到停止操作命令、停電、出現(xiàn)故障等才停止工作。由于PC,采用了反復(fù)掃描的工作方式,使之與工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)器需要反復(fù)執(zhí)行一系列操作的工作方式相似。因此PC的程序可以與機(jī)器的動作一一對應(yīng),直觀明了,易于編寫和修改,所以成為現(xiàn)代工業(yè)電氣自動化的領(lǐng)先技術(shù)。 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC在自動控制技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，主要有：（1）開關(guān)邏輯控制開關(guān)邏輯控制是PLC的基本控制功能，可用它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，如機(jī)床的電氣控制、電動機(jī)的控制等；也可以取代順序控制和程序控制，如高爐上料系統(tǒng)、電梯控制、輸送貨物控制、自動化生產(chǎn)線作業(yè)流程控制等。（2）閉環(huán)過程控制早期的PLC只具有簡單的邏輯控制功能，現(xiàn)代的PLC功能日益強(qiáng)大，大型PLC都具有模擬量控制單元，具有用于過程控制的各種專用模塊或子程序（如PID控制模塊等）。AB公司的1771CFM可組態(tài)流量計(jì)模塊，可用于電力管理、自動化、食品飲料和石油與天然氣中各種流量的測試和控制。此外，還有1771QH力矩控制模塊、1771TCM溫度控制模塊等。GE公司的PROLOOP過程控制器，可執(zhí)行PID控制、比例控制和級聯(lián)控制，且有單回路、多回路和自動調(diào)試的三種方式。（3）機(jī)械加工的數(shù)字控制 PLC和機(jī)械加工中的數(shù)字控制（NC）及計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）組成一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制如著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM112系列，已將CNC功能與PLC融為一體，專家預(yù)言，CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制與管理系統(tǒng)。（4） 機(jī)器人控制隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的形成，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，機(jī)器人的控制同樣可用PLC來實(shí)現(xiàn)，如美國JEEP公司焊接自動生產(chǎn)線上使用的29個(gè)機(jī)器人，每臺都用一個(gè)PLC控制。（5） 構(gòu)成多級分布式控制系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，國外正在興起工廠自動化（FA）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，許多著名的PLC制造商都建立了自己的多級分布式控制系統(tǒng)，并開始逐步向制造自動化通信協(xié)議MAP靠攏。多級分布式控制系統(tǒng)一般分為四級：第一級為實(shí)時(shí)控制，主要是順序控制；第二級為協(xié)調(diào)控制，用于協(xié)調(diào)各種機(jī)械的配合問題；第三極為PLC的裝入、管理數(shù)據(jù)的采集與之調(diào)度；第四極為數(shù)據(jù)處理，由上位計(jì)算機(jī)處理各種數(shù)據(jù)。 可編程序控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信確定了PLC的型號，還要考慮到PLC為計(jì)算機(jī)通信的問題。由于設(shè)計(jì)者的水平和設(shè)計(jì)要求等其他的原因，在此設(shè)計(jì)中并為牽涉PLC為計(jì)算機(jī)通信，只在此稍作敘述。在工程自動化中，計(jì)算機(jī)的通信功能作為各級之間接口是十分必要的?？删幊绦蚩刂破髋c計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，可使可編程序控制器與計(jì)算機(jī)互補(bǔ)功能的不足。對于控制，可編程序控制器對現(xiàn)場，對設(shè)備都極為方便，對打印圖表，圖形顯示，中文輸出就遜色一些，而這些功能正是計(jì)算機(jī)的特長?？删幊绦蚩刂破髋c計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，計(jì)算機(jī)通常僅用于編程，修改參數(shù)，系統(tǒng)管理方面，而不直接參與控制過程，而可編程序控制器在第一線脫機(jī)運(yùn)行，即使計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，也不會影響生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。可編程序控制器與計(jì)算機(jī)之間的通信一般是通過RS－485口和RS－232C口進(jìn)行的，信息交換的方式為字符串方式，運(yùn)用RS－485和RS－232C通信，容易配置一個(gè)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的系統(tǒng)。將所有軟元件的數(shù)據(jù)和狀態(tài)由可編程序控制器送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)采集這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，用計(jì)算機(jī)改變可編程控制器設(shè)備的初始值和設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對可編程控制器的直接控制，一旦確定了可編程控制器的控制指令格式就能很方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以這樣說，凡具有RS－232口并能輸入輸出字符串地計(jì)算機(jī)都可以用于通信。為了適應(yīng)聯(lián)網(wǎng)，幾乎所有地PLC都開發(fā)了與計(jì)算機(jī)通信的接口，例如S7－200系列PLC上都配備有專用于RS－485通信的標(biāo)準(zhǔn)插座?？删幊炭刂破髋c計(jì)算機(jī)通信的形式有多種多樣，如(1)PC/PPI網(wǎng)絡(luò)，利用西門子公司的PC/PPI電纜，將S7－200系列PLC與裝有STEP 7 Micro/WIN軟件的計(jì)算機(jī)連接起來，可方便地組成PC/PPI網(wǎng)絡(luò)。（2）多主機(jī)網(wǎng)絡(luò)。（3）令牌網(wǎng)絡(luò)。它是多主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的一種特殊情況。（4）DP網(wǎng)絡(luò)。在S7－200系列PLC中，只有CPU215支持DP協(xié)議，且只能作從機(jī)使用，到目前的S7－300、S7－400系列的PLC，其聯(lián)網(wǎng)、通信功能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大。第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在確定控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案之前，要先進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)際和生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)查研究，現(xiàn)有系統(tǒng)信息、設(shè)備原始資料是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先提條件。熱能發(fā)電廠燃煤輸送帶控制系統(tǒng)大都使用皮帶機(jī)輸送，實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)備多，任務(wù)繁重，系統(tǒng)戰(zhàn)線長，環(huán)境惡劣，噪聲和粉塵污染嚴(yán)重，運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度強(qiáng)，現(xiàn)場工作人員身體受到嚴(yán)重危害。因而為了減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，減輕惡劣環(huán)境對現(xiàn)場工作人員身體危害，提高工作效率和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，加裝卸煤上煤整體自動化控制裝置勢在必行。本次設(shè)計(jì)的思路就是熱能發(fā)電廠燃煤輸送帶控制系統(tǒng)的PLC自動控制。輸煤系統(tǒng)有兩條輸煤線，包括料斗、給煤機(jī)、0、1~7等12條皮帶機(jī)，在電廠中有著極為重要的地位，一旦不能正常工作，發(fā)電就會受到影響。為了保證生產(chǎn)運(yùn)行的可靠件，輸煤系統(tǒng)采用自動（聯(lián)鎖）、手動（單機(jī)）兩種控制方式，自動、手動方式由開關(guān)進(jìn)行切換。由于輸煤廊環(huán)境惡劣，全部操作控制都在主廠房的主控制室里進(jìn)行，儀表盤上設(shè)有各個(gè)設(shè)備的啟、停按鈕，還有為PLC提供輸入信號的控制開關(guān)。輸煤設(shè)備控制功能由PLC實(shí)現(xiàn)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和皮帶跑偏監(jiān)測以及故障紀(jì)錄功能則由上級工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成。在我的設(shè)計(jì)方案中其設(shè)計(jì)要求是：起動設(shè)備時(shí)先起動最后一臺皮帶機(jī)或者設(shè)備，經(jīng)過5S延時(shí)后，再依次起動其他的皮帶機(jī)；停機(jī)時(shí)先停止最前一臺設(shè)備，待料運(yùn)送完畢后再依次停止其他設(shè)備；當(dāng)某臺設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該設(shè)備前面的設(shè)備立即停止，而該設(shè)備以后的皮帶機(jī)待料運(yùn)送完后才停止。系統(tǒng)的自動化控制功能：(1)系統(tǒng)啟動前各臺設(shè)備預(yù)警。(2)地面輸煤生產(chǎn)線上各設(shè)備按逆煤流方向順序延時(shí)起動,按順煤流方向順序延時(shí)停車。(3)輸煤線上任一設(shè)備因故障或其它原因停車時(shí),來煤方向各設(shè)備立即停車,順煤方向順序延時(shí)停車,以避免堆煤,減少皮帶壓煤。(4)在緊急情況下,任一設(shè)備都可通過現(xiàn)場急停按鈕實(shí)現(xiàn)緊急停車。(5)對各臺設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)自動檢測,并將信息傳輸給PLC與總控機(jī)。(6)各臺設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及故障報(bào)警等信息都可以在總控室屏幕上顯示。整套輸煤系統(tǒng)的控制由一臺PLC控制，由0～7等12條輸送帶完成輸煤工作，整個(gè)控制系統(tǒng)分為卸煤和上煤兩個(gè)部分，由一個(gè)控制室控制。1，2，3 皮帶輸煤帶完成卸煤工作，0，4，5，6，7等皮帶輸送帶完成上煤工作。上煤工作分AD、BD兩種方式運(yùn)行，卸煤部分與上煤部分都具有單機(jī)和聯(lián)機(jī)控制、手動和自動方式供選擇，都具有聯(lián)機(jī)起動、聯(lián)機(jī)停止、急停、故障停止和報(bào)警功能。當(dāng)運(yùn)行方式為聯(lián)機(jī)時(shí)，按下啟動按鈕，由預(yù)備鈴響對各崗位發(fā)出預(yù)告信號，卸煤部分首先啟動3皮帶輸送帶，上煤部分首先啟動0皮帶輸送帶，然后都按著逆煤流方向逐一啟動每臺聯(lián)鎖電機(jī)，最后一臺電機(jī)啟動完畢后，各臺設(shè)備正常運(yùn)行。正常停機(jī)時(shí)，按下停止按鈕，卸煤部分料斗停止下煤，經(jīng)一定延時(shí)后，各輸送帶按順煤流方向依次延時(shí)停機(jī)；上煤部分給煤機(jī)停止給煤，經(jīng)一定延時(shí)后，各輸送帶也按順煤流方向依次延時(shí)停機(jī)。當(dāng)需要緊急停止時(shí)，按下急停按鈕，系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行設(shè)備同時(shí)斷電，使正在運(yùn)行的皮帶機(jī)或設(shè)備同時(shí)停機(jī)。如果設(shè)備故障，該設(shè)備及其前面的設(shè)備立即停機(jī)，而該輸送帶以后的皮帶待料運(yùn)完后停機(jī)。上煤部分有兩種工作方式。AD的工作方式為：給煤機(jī)→4A→5A→6A→7A→0→鍋爐；BD的工作方式為：給煤機(jī)→4B→5B→6B→7B→0→鍋爐。在生產(chǎn)實(shí)踐中設(shè)計(jì)成兩種工作方式就是為了有多種輸煤途徑供選擇，不耽誤為機(jī)組保質(zhì)、保量提供燃煤的目的，當(dāng)一種發(fā)生故障，還有另一種輸煤方式可供選擇，使系統(tǒng)可以保質(zhì)、保量的照常提供燃煤。整個(gè)系統(tǒng)可顯示各皮帶輸送帶和輸煤設(shè)備的運(yùn)行狀況，并對整個(gè)輸煤過程的所有情況做出實(shí)時(shí)記錄。，與常用的繼電器控制工藝過程分析硬件設(shè)計(jì)分析控制要求軟件設(shè)計(jì)確定I/O設(shè)備選擇PLC分配I/O點(diǎn)數(shù)繪制流程圖I/O接線圖的設(shè)計(jì)控制面板的設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)梯形圖繪制程序指令表輸入程序并檢測調(diào)試選擇外部設(shè)備 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟邏輯設(shè)計(jì)比較，組件的選擇代替了原來的部件選擇，程序設(shè)計(jì)代替了原來的硬件邏輯設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中的輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素有：（1）系統(tǒng)組成方案與網(wǎng)絡(luò)通信方式；（2）系統(tǒng)總的I/O點(diǎn)數(shù)?？紤]適當(dāng)余量，以此選擇PLC框架個(gè)數(shù)和I/O模塊數(shù)量；（3）控制系統(tǒng)的工藝流程，復(fù)雜程度。根據(jù)控制的復(fù)雜程度選定存儲器容量；（4）輸入/輸出設(shè)備規(guī)格。包括控制信號類型、大小，負(fù)載設(shè)備的性質(zhì)。以此確定輸入/輸出模塊類型；（5）CPU選擇。由存儲器容量、輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和模塊類型、運(yùn)算功能和運(yùn)算速度等因素選擇合適的PLC機(jī)型；