【文章內(nèi)容簡介】 在線 （ 5）結(jié)構(gòu)靈活 可編程控制器的發(fā)展趨勢 隨著計算 機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善 。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 可編程控制器 的初期由于其價格高于 接觸器 控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來， PLC 的應(yīng)用面越來越廣， PLC 的應(yīng)用范圍通常分成以下 5 種類型： 順序控制； 運(yùn)動控制； 過程控制； 數(shù)據(jù)控制； 通信控制。 可編程控制器的系統(tǒng)組成 PLC 種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用 PLC 實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入 /輸出變換，并將這個變換給以物理實現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由 CPU、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入 /輸出接口電路等組成。 中央處理單元（ CPU） 單元 (CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、 I/O 以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng) PLC 投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 存儲器 PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。 輸入 /輸出模塊 輸入（ Input）模塊和輸出（ Output）模塊簡稱為 I/O 模塊。 PLC 的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入 /輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入模塊用于接收來自用戶設(shè)備的各種控制信號，如限 位開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。輸出模塊用于將這些信號轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像寄存器。 電源模塊 PLC 一般使用 220V 的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為 PLC 的中央處理器、存 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 儲器等電路提供 5V、177。 12V、 24V 等直流電源，使 PLC 能正常工作。 接口模塊 接口模塊用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 通信接口 為了實現(xiàn)“人─機(jī)”或“機(jī)─機(jī)”之間的對話， PLC 配有多種通信接口。 編程器 過去的編程設(shè)備一般是編程器 ，其功能僅限于用戶程序讀寫和調(diào)試。 其他部分 需要時， PLC 可配有存儲器卡、電池卡等。 可編程控制器的工作原理 PLC是一種工業(yè)控制計算機(jī)，故它的工作原理是建立在計算機(jī)工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，但是 CPU 是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，計算機(jī)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(yīng)各電器的動作，所以它屬于串行工作方式。 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(jìn)行工作的。 系統(tǒng)的 輸入 /輸出信號 輸入 信號 分析 輸入設(shè)備 用于產(chǎn)生 輸入控制信號 ， 本設(shè)計中輸入設(shè)備包括以下幾種： 啟動按鈕和停止按鈕 備用按鈕 切換開關(guān) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求， 輸入 信號分析如下： 啟動信號 1 個； 停止信號 1 個； 手動 /自動切換 信號 1 個； 備用 輸入信號 1 個； 手動輔助泵 輸入信號 1 個； 消防 /生活切換信號 1 個。 開關(guān)量輸入信號 共 6 個 ， 輸入 設(shè)備 及其電氣符號如表 所示。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 表 輸入 設(shè)備 及其電氣符號 輸入信號名稱 電氣符號 手動 /自動切換 按鈕 SF1 備用 按鈕 SF2 手動輔助泵 按鈕 SF3 啟動按鈕 SF4 停止按鈕 SF5 消防 /生活 切換按鈕 SF6 輸出 信號 分析 輸出設(shè)備是 PLC 的輸出信號驅(qū)動的執(zhí)行元件 ， 本設(shè)計中 由 PLC 輸出 控制的信號有： 變頻 接觸器 信號、工頻 接觸器 信號、輔助泵 接觸器 信號、變頻器 接觸器信號等。 根據(jù)系統(tǒng)控制要求， 輸出控制 信號分析如下： 1 號變頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 2 號變頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 3 號變頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 1 號工頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 2 號工頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 3 號工頻 接觸器 驅(qū)動信號 1 個 ； 輔助泵 接觸器 驅(qū)動信號 1 個； 變頻器 接觸器 驅(qū)動信號 1 個。 輸出開關(guān)量 共 8 個， 輸出 設(shè)備 及其電氣符號如表 所 示。 表 設(shè)備 及其電氣符號 輸出 設(shè)備 名稱 電氣符號 1號變頻 接觸器 QA1 2號變頻 接觸器 QA2 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 續(xù)表 3號變頻 接觸器 QA3 1號工頻 接觸器 QA4 2號工頻 接觸器 QA5 3號工頻 接觸器 QA6 輔助泵 接觸器 QA7 頻器 接觸器 QA8 PLC 選擇及擴(kuò)展模塊的選擇 PLC 的選擇 PLC 誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，目前國際上生產(chǎn) PLC 的公司有很多，如德國的西門子、日本的三菱、歐姆龍、松下；法國的 TE、施耐德、韓國的三星等。 本設(shè)計選用的是德國西門子公司生 產(chǎn)的 S7200 系列的 PLC。 S7200 系列 PLC 是西門子公司生產(chǎn)的 一種小型 PLC，其許多功能已經(jīng)達(dá)到大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 的一樣。 CPU22*系列 PLC 它有如下六種不同結(jié)構(gòu)的配置單元： （ 1） CPU221。 本機(jī)集成 6輸入 /4輸出，無擴(kuò)展能力。 （ 2） CPU222。 本機(jī)集成 8輸入 /6輸出，最多可擴(kuò)展 2個模塊。 （ 3） CPU224。 本機(jī)集成 14輸入 /10輸出，最多可擴(kuò)展 7個模塊。 （ 4） CPU224XP。 本機(jī)集成 14輸入 /10輸出，最多可擴(kuò)展 7個模塊，并且在主機(jī)上增加了 2輸入 /1輸出的模擬量單元和一個通信口。 （ 1） CPU226 本機(jī)集成 24 輸入 /16 輸出，最多可擴(kuò)展 7 個模塊，具有 2 個通信口。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 PLC 型號選擇 綜上所述，根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)選擇 PLC 型號為 S7200CPU224。 擴(kuò)展模塊的選擇 S7200系列的 PLC 的主機(jī)提供一定數(shù)量的數(shù)字量 I/O 和模擬量 I/O， 當(dāng) CPU的 I/O 點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時，就要進(jìn)行 I/O 的擴(kuò)展。 I/O 擴(kuò)展包括 I/O 點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的 CPU 有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受 CPU 的功能限制。 S7200PLC 的 I/O 擴(kuò)展模塊有： （ 1） 輸入擴(kuò)展模塊 EM221 共有 3種，即 ： 8點(diǎn)和 16點(diǎn) DC、 8點(diǎn) AC。 （ 2） 輸出擴(kuò)展模塊 EM222 共有 5種，即 8點(diǎn) DC 和 4點(diǎn) DC、 8點(diǎn) AC、 8點(diǎn) 接觸器 和 4點(diǎn) 接觸器 。 （ 3）輸入 /輸出混合擴(kuò)展模塊 EM223 共有 6種。其中 DC 輸入 /DC 輸出的有三種， DC 輸入 /接觸器 輸出的有三種，它們對應(yīng)的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)分別為 4點(diǎn)、 8點(diǎn)和 16點(diǎn)。 （ 4）模擬量輸入擴(kuò)展模塊 EM231 共有 3種： （ 5） 模擬量輸出擴(kuò)展模塊 EM232 只有一種 2路模擬量輸出的擴(kuò)展模塊。 （ 6） 模擬量輸入 /輸出擴(kuò)展模塊 EM235只 有 一種 4路 AI/1路 AO（占用 2路輸出地址）。 本系統(tǒng)本設(shè)計 的 CPU224 與 EM235模塊 連接方式如圖 。 圖 模塊連接方式 各模塊的編址如表 所示。 主機(jī) CPU224 AC/DC 模塊 1 EM235 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 表 各模塊編址 主機(jī) I/O 模塊 EM235 AIW0 AQW0 AIW2 AIW4 AIW6 I/O 分配 數(shù)字量輸入部分 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸入信號有啟動信號、停止信號、手動 /自動切換信號、備用輸入信號、手動輔助泵輸入信號、消防 /生活切換信號等 ， 輸 入 信號 地址分配如表 所示。 表 數(shù)字量輸入 I/O分配 表 輸入 地址分配 功能 電氣符號 手動 /自動切換 按鈕 SF1 備用 按鈕 SF2 手動輔助泵 按鈕 SF3 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 續(xù)表 啟動按鈕 SF4 停止按鈕 SF5 消防 /生活切換按鈕 SF6 數(shù)字量輸出部分 PLC 輸出控制的信號有：變頻 接觸器 信號、工頻 接觸器 信號、輔助泵 接觸器信號、變頻器 接觸器 信號等 。 輸出 信號的 地址分配如表 所示。 表 數(shù)字量輸出 I/O分配 表 輸出地址分配 功能 電氣符號 1號變頻 接觸器 QA1 2號變頻 接觸器 QA2 3號變頻 接觸器 QA3 1號工頻 接觸器 QA4 2號工頻 接觸器 QA5 3號工頻 接觸器 QA6 輔助泵 接觸器 QA7 頻器 接觸器 QA8 模擬量輸入輸出部分 模擬量輸入輸出信號 的地址分配如表 所示。 表 分配表 地址分配 功能 AIW0 采樣數(shù)據(jù) AQW0 輸出控制值 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 系統(tǒng)電氣原理設(shè)計 根據(jù) 前面對輸入輸出設(shè)備的分 析和 I/O 分配， 進(jìn)行 PLC 與 外部 設(shè)備的連接，其 接線圖如圖 所示。 I 0 . 0 Q 0 . 0 I 0 . 1 Q 0 . 1 I 0 . 2 Q 0 . 2 I 0 . 3 Q 0 . 3 I 0 . 4 Q 0 . 4 I 0 . 5 Q 0 . 5 Q 0 . 6 Q 0 . 7 L + N 1 M 1 L 2 M 2 L M 3 L L1 C P U2 2 4 M R A L + A + M O A R B B+ V O B E M 2 3 5 2 2 0 V AC 壓力傳感器（電流信號） 液位傳感器（電流信號） 輸出模擬量信號到變頻器 S F 2 S F 3 S F 4 S F 5 S F 1 QA 1 1 QA 2 1 QA 3 1 QA 4 1 QA 5 1 QA 6 1 QA 7 1 QA 8 1 圖 PLC 外部接線圖 壓力傳感器 壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器，通常又把壓力測量儀表中的電測式儀表成為壓力傳感器。它一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 壓力傳感器的原理 壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成的。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成為一種電信號的 敏感器件，它是壓力傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，是應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)