【導(dǎo)讀】的特殊要求，在了解了燒堿的生產(chǎn)工藝后，設(shè)計(jì)了離心機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。個(gè)電磁閥的操作均由PLC控制，可以根據(jù)工藝要求可以實(shí)現(xiàn)電磁閥的動(dòng)作。有效控制母液含鹽量及析出鹽含堿量。克服了離心機(jī)工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)單一、故障率高等缺。PLC邏輯控制程序的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)過程、控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法做了說明。系統(tǒng)離心機(jī)控制系統(tǒng)所沒有的若干優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　

【正文】 輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出模塊。 從響應(yīng)速度上看，晶體管響應(yīng)最快，繼電器響應(yīng)最慢；從安全隔離效果及應(yīng)用靈活性角度來看，以繼電器觸點(diǎn)輸出型最佳。 數(shù)字量 I/O 模塊 SM323 SM323 模塊有兩種類型，一種是帶有 8 個(gè)共地輸入端和 8 個(gè)共地輸出端，另一種是帶有 16 個(gè)共地輸入端和 16 個(gè)共地輸出端，兩種特性相同。 I/O 額定負(fù)載電壓 24 V DC，輸入電壓“ 1”信號(hào)電平為 11～ 30V，“ 0”信號(hào)電平為 － 3～＋ 5V， I/O 通過光耦與背板總線隔離。在額定輸入電壓下 ，輸入延遲為 ～ 。輸出具有電子短路保護(hù)功能。 控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展 工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的 CCS（計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)） ， 到第二代的 DCS（分散控制系統(tǒng)），發(fā)展到現(xiàn)在流行的 FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）。對(duì)諸如圖像、語音信號(hào)等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊螅执呱水?dāng)前在商業(yè)北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無 線技術(shù)等多種當(dāng)今流行技術(shù)融合進(jìn)來，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來新的發(fā)展機(jī)遇。 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的發(fā)展有著緊密的聯(lián)系。最早在 50 年代中后期，計(jì)算機(jī)就已經(jīng)被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中 。 60 年代初，出現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)完全替代模擬控制的控制系統(tǒng)，被稱為直接數(shù)字控制（ Direct Digital Control, DDC） 。 70 年代中期，隨著微處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的快速發(fā)展的時(shí)期， 1975 年世界上第一套以微處理為基礎(chǔ)的分散式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)問世，它以多臺(tái)微處理器共同分散 控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)集中管理，被稱為集散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System, DCS）。 進(jìn)入 80 年代以后，人們利用微處理器和一些外圍電路構(gòu)成了數(shù)字式儀表以取代模擬儀表，這種 DDC 的控制方式提高了系統(tǒng)的控制精度和控制的靈活性，而且在多回路的巡回采樣及控制中具有傳統(tǒng)模擬儀表無法比擬的性能價(jià)格比。 80 年代中后期，隨著工業(yè)系統(tǒng)的日益復(fù)雜，控制回路的進(jìn)一步增多，單一的 DDC控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)控制要求和生產(chǎn)工作的管理要求，同時(shí)中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)的性能價(jià)格比有了很大提高 。于是，由中小型計(jì)算機(jī)和微機(jī)共同作用的分層控制系統(tǒng)得到大量應(yīng)用。 進(jìn)入 90 年代以后，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得 DCS 系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，在今天的工業(yè)控制領(lǐng)域 DCS 仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位，但是 DCS 不具備開放性，布線復(fù)雜，費(fèi)用較高，不同廠家產(chǎn)品的集成存在很大困難。 從八十年代后期開始，由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，人們便開始尋求用一根通信電纜將具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來，在設(shè)備層傳遞的不再是 I/O（ 4～ 20mA/24VDC）信號(hào)，而是數(shù)字信號(hào)，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線。由于它解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的自身可靠性和開放性問題，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐漸成為了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 2 離心機(jī)控制要求 燒堿系統(tǒng)中的鹽堿分離離心機(jī)的分離過程是一個(gè)順序循環(huán)的工作過程，根據(jù)其工藝流程共分加料、母液、水洗、熔鹽、刮刀、稀母液、大洗等 7 個(gè)工步，依靠加料閥、母液閥、水洗閥、稀母液閥、熔鹽閥，刮刀閥，大洗閥等 7 個(gè)電磁閥的通斷電來配合完成上述工步過程。由圖 可知，只有前 6 步工作做連續(xù)循環(huán) 12 次后方可進(jìn)入大洗工步，待大洗完畢后再進(jìn)入下一次大循環(huán)。如此往 復(fù)循環(huán)，直到按下復(fù)位按鈕后，整個(gè)系統(tǒng)才停止運(yùn)行。 表 各電磁閥的狀態(tài)表 注：“ +”表示電磁閥通電，“ ”表示電磁閥斷電 加料 母液 水洗 稀母液 熔鹽 刮刀 大洗 1 加料閥 + 2 母液閥 + 3 水洗閥 + + 4 稀母液 閥 + + + + 5 熔鹽閥 + + + 6 刮刀閥 + + + 7 大洗閥 + 步驟 驟 開 關(guān) 狀 態(tài) 閥 門 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 初 始 化水 洗加 料母 液加 料 6 次稀 母 液熔 鹽刮 刀循 環(huán) 1 2 次大 洗加 料加 料5 、 6 通 電1 通 電2 通 電3 、 4 通 電4 、 5 、 6 通 電3 、 7 通 電4 、 5 、 6 通 電4 、 5 、 6 通 電起 動(dòng)是否是否延 時(shí) 7 S延 時(shí) 1 0 S延 時(shí) 5 S延 時(shí) 1 0 S延 時(shí) 3 0 S延 時(shí) 2 4 S延 時(shí) 3 0 S 圖 鹽堿分離離心機(jī)的工藝流程 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 3 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC的選型 PLC 機(jī)型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價(jià)格比。具體應(yīng)考慮以下幾方面： （ 1）性能與任務(wù)相適應(yīng) 對(duì)于小型單臺(tái)、僅需要數(shù)字量控制的設(shè)備，一般的小型PLC（如西門子公司的 S7200 系列、 OMRON 公司的 CPM1/CPM2 系列、三菱的 FX 系列等）都可以滿足要求。 對(duì)于以數(shù)字量控制為主，帶少量模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的溫度、壓力 、流量等連續(xù)量的控制，應(yīng)選用帶有 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，配接相應(yīng)的傳感器、變送器（對(duì)溫度控制系統(tǒng)可選用溫度傳感器直接輸入的溫度模塊）和驅(qū)動(dòng)裝置，并選擇運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理功能較強(qiáng)的小型 PLC（如西門子公司的 S7200 或 S7300 系列、 OMRON 的公司的 CQM1/CQM1H 系列等）。 對(duì)于控制比較復(fù)雜，控制功能要求更高的工程項(xiàng)目，例如要求實(shí)現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能時(shí)，可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度，選用中檔或高檔機(jī)（如西門子公司的 S7300 或 S7400 系列、 OMRON 的公司的 C200H 或 CV/CVM1 系列、 AB 公司的Control Logix 系列等）。 （ 2）結(jié)構(gòu)上合理、安裝要方便、機(jī)型上應(yīng)統(tǒng)一按照物理結(jié)構(gòu)， PLC 分為整體式和模塊式。整體式每一 I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式 PLC。但是模塊式 PLC 的功能擴(kuò)展方便靈活， I/O 點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、 I/O 模塊的種類和塊數(shù)、特殊 I/O 模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式 PLC 大得多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也很方便。因此，對(duì)于較復(fù)雜的和要求較高的系統(tǒng)一般應(yīng)選 用模塊式 PLC。 根據(jù) I/O 設(shè)備距 PLC 之間的距離和分布范圍確定 PLC 的安裝方式為集中式、遠(yuǎn)程I/O 式還是多臺(tái) PLC 聯(lián)網(wǎng)的分布式。 對(duì)于一個(gè)企業(yè)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。因?yàn)橥粰C(jī)型的 PLC，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)與管理；其功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；其外部設(shè)備通用，資源可共享。同一機(jī)型 PLC的另一個(gè)好處是，在使用上位計(jì)算機(jī)對(duì) PLC 進(jìn)行管理和控制時(shí)，通信程序的編制比較方便。這樣，容易把控制各獨(dú)立的多臺(tái) PLC 聯(lián)成一個(gè)多級(jí)分布式系統(tǒng)，相互通信，集中管理，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)勢(shì)。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 （ 3）是否滿足響應(yīng)時(shí)間的要求 由于現(xiàn)代 PLC 有足夠高的速度處理大量的 I/O 數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來說， PLC 的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題。然而，對(duì)于某些個(gè)別的場(chǎng)合，則要求考慮 PLC 的響應(yīng)時(shí)間。為了減少 PLC 的 I/O響應(yīng)延遲時(shí)間，可以選用掃描速度高的 PLC，使用高速 I/O 處理這一類功能指令，或選用快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊。 （ 4） 對(duì)聯(lián)網(wǎng)通信功能的要求 近年來，隨著工廠自動(dòng)化的迅速發(fā)展，企業(yè)內(nèi)小到一塊溫度控制儀表的 RS485 串行通信、大到一套制造系統(tǒng)的以 太網(wǎng)管理層的通信，應(yīng)該說一般的電氣控制產(chǎn)品都有了通信功能。 PLC 作為工廠自動(dòng)化的主要控制器件，大多數(shù)產(chǎn)品都具有通信聯(lián)網(wǎng)能力。選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)需要選擇通信方式。 （ 5）其他特殊要求 考慮被控對(duì)象對(duì)于模擬量的閉環(huán)控制、高速計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面（ HMI）等方面的特殊要求，可以選用有相應(yīng)特殊 I/O 模塊的 PLC。對(duì)可靠性要求極高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。 因?yàn)?103 廠采用西門子系列 PLC 產(chǎn)品，因此為了保持機(jī)型統(tǒng)一，選用西門子 S7300 系列 PLC。 PLC容量估算 I/O 點(diǎn)數(shù)的估算 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的確定以系統(tǒng)實(shí)際的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為基礎(chǔ)確定。在 I/O 點(diǎn)數(shù)的確定時(shí)，應(yīng)留有適當(dāng)余量。通常 I/O 點(diǎn)數(shù)可按實(shí)際需要的 10～ 15%考慮余量；當(dāng) I/O 模塊較多時(shí)，一般按上述比例留出備用模塊。 本系統(tǒng)中有手動(dòng)控制按鈕 13 個(gè)，因此有輸入 13 點(diǎn)；輸出控制信號(hào) 9 個(gè)，指示信號(hào)9 個(gè)，因此共有輸出 18 點(diǎn)?？紤]到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，選定 PLC 的 I/O 能力應(yīng)最小為40 點(diǎn)。 PLC 存儲(chǔ)器容量估算 用戶程序占用多少存儲(chǔ)容量與許多因素有關(guān)，如 I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序編制前只能粗略的估算。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè) I/O 點(diǎn)及有關(guān)功能器件大概占用的內(nèi)存大致如下： 開關(guān)量輸入所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為：輸入點(diǎn) 數(shù) 10 開關(guān)量輸出所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為：輸出點(diǎn)數(shù) 8 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為：定時(shí) /計(jì)數(shù)器數(shù)量 2 模擬量所需存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)為：模擬量通道數(shù) 100 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 通信接口所需存儲(chǔ)器字節(jié)數(shù)為：接口數(shù)量 300 存儲(chǔ)器的總字?jǐn)?shù)再加上一個(gè)備用容量即為存儲(chǔ)器容量。例如，作為一般應(yīng)用下的經(jīng)驗(yàn)公式是： 所需存儲(chǔ)器容量 （ KB） =（ 1~） （ DI 10+DO 8+T/C 2+AI/AO 100+CP 300)/1024 其中： DI 為數(shù)字量輸 入點(diǎn)總數(shù)； DO 為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)； T/C 為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器總數(shù)；AI/AO 為模擬量 I/O 通道總數(shù)； CP 為通信接口總數(shù)。 根據(jù)上面的經(jīng)驗(yàn)公式得到的存儲(chǔ)器的容量估算值為： I/O 模塊的選擇 在 PLC 控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制，要將對(duì)象的各種測(cè)量參數(shù)，按要求的方式送入 PLC。 PLC 經(jīng)過運(yùn)算、處理后，再將結(jié)果以數(shù)字量的形式輸出，此時(shí)也要把該輸出變換為適合于對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的量。所以，在 PLC 和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)置信息的傳遞和變換裝置。這個(gè)裝置就是輸入 /輸出（ I/O）模塊。不同的信號(hào)形式，需要不 同類型的 I/O 模塊。對(duì) PLC 來講，信號(hào)形式可分為四類。 （ 1） 數(shù)字量輸入信號(hào) 生產(chǎn)設(shè)備或控制系統(tǒng)的許多狀態(tài)信息，如開關(guān)、按鈕、繼電器的觸點(diǎn)等，它們只有兩種狀態(tài)：通或斷，對(duì)這類信號(hào)的拾取需要通過數(shù)字量輸入模塊來實(shí)現(xiàn)。輸入模塊最常見的為 24V 直流輸入，還有直流 5V、 12V、 48V，交流 115V/220V 等。按公共端接入正負(fù)電位不同分為漏型和源型。 有的 PLC 即可以源型接線，也可以漏型接線，比如 S7200。當(dāng)公共端接入負(fù)電位時(shí)，就是源型接線；接入正電位時(shí)，就是漏型接線。 有的PLC 只能接成其中一種 。 （ 2） 數(shù)字量輸出信號(hào) 還有許多控制對(duì)象，如指示燈的亮和滅、電機(jī)的啟動(dòng)和停止、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關(guān)閉等，對(duì)它們的控制只需通過二值邏輯“ 1”和“ 0”來實(shí)現(xiàn)。這種信號(hào)通過數(shù)字量輸出模塊去驅(qū)動(dòng)。數(shù)字量輸出模塊按輸出方式不同分為繼電器輸出型、晶體管輸出型、晶閘管輸出型等。此外，輸出電壓值和輸出電流值也各有不同。 （ 3） 模擬量輸入信號(hào) 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 生產(chǎn)過程的許多參數(shù)，如溫度、壓力、液位、流量都可以通過不同的檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號(hào)，然后再將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入 PLC。完成這一任務(wù)的就是模擬量輸入模塊。 （ 4） 模擬量輸出信號(hào) 生產(chǎn)設(shè)備或過程的許多執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，往往要求用模擬信號(hào)來控制，而 PLC 輸出的控制信號(hào)是數(shù)字量，這就要求有相應(yīng)的模塊將其轉(zhuǎn)換為模擬量。這種模塊就是模擬量輸出模塊。 典型模擬量模塊的量程為 10V～ +10V、 0～ +10V、 4～ 20mA 等，可根據(jù)實(shí)際需要選用，同時(shí)還應(yīng)考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。一些 PLC 制造廠家還提供特殊模擬量輸入模塊，可用來直接接收低電平信號(hào)（如熱電阻 RTD、熱電偶等信號(hào)） 此外，有些傳感器如旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的是一連串的脈沖，并且輸出的頻率較高（ 20kHz 以上），盡管這些脈沖信號(hào)也可算作數(shù)字量，但普通數(shù)字量