【文章內(nèi)容簡介】 動能力。 4)接線簡單 PLC只需將輸入設(shè)備(如按鈕、開關(guān)等)與輸入端子聯(lián)接，將輸出設(shè)備(如接觸器、電磁閥等)與輸出端子聯(lián)接。接線極其簡單、工作量極少。 5)功能強(qiáng) PLC不僅具有條件控制、定時、計數(shù)、步進(jìn)等控制功能，而且還能完成A/D. D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過程監(jiān)控等。因此，PLC既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，又可對模擬量進(jìn)行控制?？煽刂埔慌_單機(jī)、一條生產(chǎn)線，也可控制一個機(jī)群、多條生產(chǎn)線?？捎糜诂F(xiàn)場控制，也可用于遠(yuǎn)距離控制?？煽刂坪唵蜗到y(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。 6)體積小、重量輕、易于實現(xiàn)機(jī)電一體化 PLC具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。由于PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計的專用計算機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，以及有很強(qiáng)的可靠性和抗干擾能力，易于嵌入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。因此，PLC在機(jī)電一體化產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用。 2. PLC的主要功能 PLC是應(yīng)用面很廣，發(fā)展非常迅速的工業(yè)自動化裝置，在工廠自動化(FA)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)內(nèi)占重要地位。今天的PLC功能，遠(yuǎn)不僅是替代傳統(tǒng)的繼電器邏輯。 PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成 .多種控制功能 .數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功 .通信聯(lián)網(wǎng)功能 .輸入/輸出接口調(diào)理功能 .人機(jī)界面功能 .編程、調(diào)試功能1)控制功能邏輯控制:PLC具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能，可以代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。定時控制:它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定:接通延時、關(guān)斷延時和定時脈沖等方式。計數(shù)控制:用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進(jìn)行位置檢測。順序控制:在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進(jìn)控制器使用。 2)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能 數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括: .基本算術(shù):加、減、乘、除。 .擴(kuò)展算術(shù):平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算。 .比較:大于、小于和等于。 數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 模擬數(shù)據(jù)處理:PID、積分和濾波。3)輸入/輸出接口調(diào)理功能具有A/D. D/A轉(zhuǎn)換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)精度，可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。4)通信、聯(lián)網(wǎng)功能現(xiàn)代PLC大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有RS232或RS485接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程I/O控制，多臺PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機(jī)與多臺PLC構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。通常所說的SCADA系統(tǒng)，現(xiàn)場端和遠(yuǎn)程端也可以采用PLC作現(xiàn)場機(jī)。5)人機(jī)界面功能提供操作者以監(jiān)視機(jī)器/過程工作必需的信息；允許操作者和PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。實現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段:從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī)的CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機(jī)、工業(yè)計算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。6)編程、調(diào)試等使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機(jī)打印出程序文件。 PLC的基本工作原理PLC運(yùn)行時，內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作，大致可分為四大類：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作，執(zhí)行用戶程序的操作，以及服務(wù)于外部設(shè)備的操作（如果外部設(shè)備有中斷請求）。其過程示意圖如圖11所示。與其它計算機(jī)系統(tǒng)一樣，PLC的CPU是采用分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨著時間的延伸一個動作接一個動作順序地進(jìn)行。這種分時操作進(jìn)程稱為CPU對程序的掃描。PLC的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按序號順序排列。CPU從第一條指令開始，順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束。然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上述的掃描循環(huán)的。PLC接通電源后，在進(jìn)行循環(huán)掃描之前，PLC首先確定自身的完好性，這是起始操作的主要工作。PLC進(jìn)行清零或復(fù)位處理，消除各元件狀態(tài)的隨機(jī)性；檢查I/O單元連接是否正確；啟動監(jiān)控定時器T0，執(zhí)行一段涉及到各種指令和內(nèi)存單元的程序，如果所用的時間不超過T0，則可證實自身完好，否則系統(tǒng)關(guān)閉。此后，將監(jiān)控定時器T0復(fù)位，允許掃描用戶程序。PLC的基本工作過程為： 圖11 PLC工作原理示意圖公共操作公共操作是在每次掃描程序前進(jìn)行自檢，若發(fā)現(xiàn)故障，除了故障燈外，還可判斷故障性質(zhì)：一般性故障，只報警不停機(jī)，等待處理；嚴(yán)重故障，則停止運(yùn)行用戶程序，此時PLC切斷一切輸出聯(lián)系。數(shù)據(jù)I/O操作數(shù)據(jù)I/O操作也稱為I/O狀態(tài)刷新。它包括兩種操作：一個是采樣輸入信號，即刷新輸入狀態(tài)表的內(nèi)容；二是送出處理結(jié)果，即用輸出狀態(tài)表的內(nèi)容刷新輸出電路。在PLC的存儲器中，有一個專門存放I/O的數(shù)據(jù)區(qū)，其中對應(yīng)于輸入端子的數(shù)據(jù)區(qū)，我們稱之為輸入映像存儲器。當(dāng)CPU采樣時輸入信號由緩沖區(qū)進(jìn)入映像區(qū)，這就是數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)刷新；同樣道理，CPU不能直接驅(qū)動負(fù)載。當(dāng)前處理的結(jié)果放在輸出映像存儲器區(qū)內(nèi)，在程序執(zhí)行結(jié)束后，才將輸出映像區(qū)的內(nèi)容通過鎖存器輸出到端子上。這步操作稱為輸出狀態(tài)刷新。執(zhí)行用戶程序操作在程序執(zhí)行前復(fù)位監(jiān)控定時器T1，即執(zhí)行程序并開始計時。監(jiān)控定時器T1就是通常所說的“看門狗”，它是用來監(jiān)視程序執(zhí)行是否正常的，正常時，執(zhí)行完用戶程序所用的時間不會超過T1的設(shè)定值，執(zhí)行完用戶程序后立即使“看門狗”復(fù)位，表示程序執(zhí)行正常。當(dāng)程序執(zhí)行過程中因某種干擾使掃描失控或進(jìn)入死循環(huán)時，“看門狗”會發(fā)出超時報警信號，使程序重新開始執(zhí)行。如果是偶然因素造成超時，重新掃描程序不會再遇到“偶然干擾”，系統(tǒng)便轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行；若由于不可恢復(fù)的確定性故障，則系統(tǒng)會自動地停止執(zhí)行用戶程序、切斷外部負(fù)荷、發(fā)出故障信號，等待處理。處理外設(shè)請求操作每次執(zhí)行完用戶程序后，就進(jìn)入服務(wù)外設(shè)請求命令的操作，外設(shè)的請求命令包括操作人員的介入和硬件設(shè)備的中斷。外設(shè)請求一般不會影響系統(tǒng)正常工作，而且可能更有利于系統(tǒng)的控制和管理。如果沒有外設(shè)請求，系統(tǒng)則會自動循環(huán)地掃描進(jìn)行。 PLC地址分配和實現(xiàn)控制功能從系統(tǒng)的控制功能上來說，應(yīng)具備以下七大功能：一、數(shù)據(jù)自動采集與檢測　數(shù)據(jù)自動采集與檢測主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。模擬量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水倉水位、電機(jī)工作電流、水泵軸溫、電機(jī)溫度、3臺水泵的流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口壓力；數(shù)字量檢測的數(shù)據(jù)主要有：水泵高壓啟動柜真空斷路器和電抗器柜真空接觸器的狀態(tài)、電動閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、真空泵工作狀態(tài)、電動球閥狀態(tài)。數(shù)據(jù)自動采集主要由PLC實現(xiàn)，PLC模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位，將水位變化信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計算出單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。影響水位的因素主要來自兩方而:一是水位計故障(如遭受雜物撞擊)，二是水位信號受干擾(如水波動較大)。對于前一個因素采用雙水位計，在水倉中設(shè)置兩個同樣的水位計，PLC同時對兩個水位計取樣。，要求值班人員進(jìn)行檢查；而對于信號干擾，則采用軟件過濾，只有當(dāng)信號在某一值附近穩(wěn)定足夠時間，且回差足夠小時才作為控制量使用，防止了因干擾而濘致機(jī)組誤動的情況。 在數(shù)據(jù)采集過程中，模擬量信號的處理是將模擬信號變換成數(shù)字信號（A/D轉(zhuǎn)換），其變換速度由采樣定律確定。一般情況下，采樣頻率應(yīng)為模擬信號中最高頻率成分的2倍以上，這樣經(jīng)A/D變換的精度可完全恢復(fù)到原來的模擬信號精度。A/D變換的精度取決于A/D變換器的位數(shù)。PLC所采用的A/D模塊均以積分方式變換，可使輸入信號的尖峰噪音和感應(yīng)噪聲平均化，適用于噪音嚴(yán)重的工業(yè)場所。二、自動輪換工作 為了防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮或其他故障未經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井安全，本系統(tǒng)程序設(shè)計了3臺泵自動輪換工作控制，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄并累計，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動啟停水泵和相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)某臺泵或所屬閥門故障、某趟管路漏水時，系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在觸摸屏上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，同時將故障泵或管路自動退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動輪換工作，以達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理，以免影響礦井安全生產(chǎn)的目的。三、“避峰填谷”所謂“避峰填谷”，是指調(diào)度水泵在用電的“谷段”和“平段”時間段工作，盡量避免在“峰段”啟動。要實現(xiàn)“避峰填谷”，需調(diào)度各水泵在用電的“谷段”和“平段”時間段，將水倉的水位排至設(shè)定的低位，以便水倉能夠騰出盡可能大的容積，使其在“峰段”容納更多的礦井涌水而不用啟動水泵。四、系統(tǒng)保護(hù)功能超溫保護(hù)：水泵長期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度保護(hù)裝置及PLC 實現(xiàn)超限報警。流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動后或正常運(yùn)行時，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，自動轉(zhuǎn)換為啟動另一臺水泵。電動機(jī)故障：利用PLC及觸摸屏監(jiān)視水泵電機(jī)過電流、漏電、低電壓等電氣故障，并參與控制。電動閘閥故障：由電動機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的過載、短路、漏電、斷相等故障，并參與水泵的聯(lián)鎖控制。五、三種工作方式系統(tǒng)控制具有自動、半自動和手動檢修3種工作方式。自動時，由PLC檢測水位、壓力及有關(guān)信號，自動完成各泵組運(yùn)行，不需人工參與；半自動工作方式時，由工作人員選擇某臺或幾臺泵組投入，PLC自動完成已選泵組的啟停和監(jiān)控工作；手動檢修方式為故障檢修和手動試車時使用，當(dāng)某臺水泵及其附屬設(shè)備發(fā)生故障時，該泵組將自動退出運(yùn)行，不影響其它泵組正常運(yùn)。PLC柜上設(shè)有該泵的禁止啟動按鈕，設(shè)備檢修時，可防止其他人員誤操作，以保證系統(tǒng)安全可靠。系統(tǒng)可隨時轉(zhuǎn)換為自動和半自動工作方式運(yùn)行。經(jīng)過粗略計算，需要數(shù)字量輸入64點(diǎn)，數(shù)字量輸出56點(diǎn)，模擬量輸入通道22路，其具體分配見表4 。表2 模擬量輸入通道統(tǒng)計表模擬量輸入通道數(shù)水倉水位1水泵真空度3出水口壓力3排水管流量3水泵軸承溫度3電機(jī)溫度3電機(jī)電流3電機(jī)電壓3總計22表3數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計表數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)電動閘閥開3電動閘閥關(guān)3電動閘閥停3電動閘閥開到位3電動閘閥關(guān)到位3電動閘閥開過轉(zhuǎn)矩3電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩3真空泵狀態(tài)2電機(jī)合閘3電機(jī)分閘3電機(jī)合閘到位3電機(jī)分閘到位3真空泵球閥開到位2真空泵球閥關(guān)到位2球閥開到位9球閥關(guān)到位9故障復(fù)位1急停1操作方式選擇3真空泵射流管啟動方式選擇1總計64表4數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計表數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)真空泵球閥開2真空泵球閥關(guān)2排水泵球閥開9排水泵球閥關(guān)9電動閘閥開3電動閘閥關(guān)3電動閘閥開到位3電動閘閥關(guān)到位3電動閘閥開過轉(zhuǎn)矩3電動閘閥關(guān)過轉(zhuǎn)矩3真空泵電機(jī)開3真空泵電機(jī)關(guān)3水泵電機(jī)開3水泵電機(jī)關(guān)3警鈴1故障顯示燈1總計54考慮到前面的設(shè)計中I/O點(diǎn)數(shù)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(yīng)在統(tǒng)計后得出的I/O總點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上，增加10％到15％的裕量。考慮裕量后的I/O總點(diǎn)數(shù)即為I/O點(diǎn)數(shù)估計值。選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估計值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％的裕量。（2） 存儲器容量選擇PLC的I/O點(diǎn)數(shù)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(diǎn)數(shù)估算值的基礎(chǔ)上計算對PLC存儲器容量的需求。目前，大多用統(tǒng)計經(jīng)驗公式進(jìn)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(shù)的統(tǒng)計平均經(jīng)驗值為依據(jù)，乘以信息量數(shù)再考慮一定的裕量計算得到存儲器需要容量。作為一般應(yīng)用下的一種經(jīng)驗公式是：存儲器容量其中：DI為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)； DO為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)； AI/O為模擬量I/O通道總數(shù)。 DI點(diǎn)數(shù)估計值為64=74，DO點(diǎn)數(shù)估計值為56=65，AI通道估計值為22=26個。所以存儲器容量為: (7410+655+26100)/1024= 工程實踐中，大多采用粗略估算，加大裕量，實際選型時參考此值采用就高不就低的原則。（3） 響應(yīng)速度PLC是為工業(yè)自動化而設(shè)計的通用控制器，不同檔次的PLC的響應(yīng)速度一般能滿足起應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC，或者應(yīng)用中的某些功能或信號有特別的速度要求時，確定PLC的型號就應(yīng)特別慎重。 通過上面的計算，考慮系統(tǒng)通訊要求，選用SIMATIC S7300系列中的CPU3152 DP是最合適的。其中最主要的原因是CPU3152 DP是S7300系列中唯一帶現(xiàn)場總線(PROFIBUS) SINEC L2DP接口的CPU模塊。內(nèi)置80KB RAM，隨機(jī)存儲器為48KB，最大數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)為1024個，最大模擬量I/O通道數(shù)為128個。最大配置4個機(jī)架，32塊模塊。滿足設(shè)計需要。選用： CPU3152 DP處理器；PS307電源模塊；ET200M遠(yuǎn)程控制單元；CP3422DP通信模塊；CP340通信模塊；SM321數(shù)字量輸入模塊；SM322數(shù)字量輸出模塊；SM331模擬量輸入模塊。 S7200PLC的基本組成本系統(tǒng)選用德國西門子公司的SIMATIC S7200系列PLC系統(tǒng)。S7200系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種單獨(dú)模塊之間可以進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。它的系統(tǒng)構(gòu)成如