【導(dǎo)讀】論文首先介紹了課題的意義，綜述了組態(tài)軟件、PLC技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況。然后介紹了西門子公司MM變頻器。子公司的基于Windows的組態(tài)軟件Protool/Proo。S7200PLC及其編程特點(diǎn)。第六章是對(duì)文章的總結(jié)和相關(guān)技術(shù)的展望。

　　

【正文】 13 標(biāo)準(zhǔn)為使用者提供標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境，共有四種編程方式 :梯形圖、結(jié)構(gòu)化編程語言、指令助記符、功能化模塊。 策略運(yùn)行程序 。 實(shí)用通信程序組件。極大的增強(qiáng)了組態(tài)軟件的功能，可以實(shí)現(xiàn)與第三方程序的數(shù)據(jù)交換。實(shí)用通信組件可以使用以太網(wǎng)、 RS485, PSTN 等多種通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問和傳輸。 組態(tài)軟件的功能特點(diǎn) ◆ 組態(tài)軟件有以下功能 ： ◆ 與采 集、控制設(shè)備之間的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ； ◆ 使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)圖形界面上的各元素關(guān)聯(lián)起來 ； ◆ 處理數(shù)據(jù)報(bào)警和系統(tǒng)報(bào)警 ； 存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢 ； 各類報(bào)表的生產(chǎn)和打印輸出 ； 為使用者提供靈活、靈活的組態(tài)工具，可以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求 ； 最終輸出的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠 ； 具有與第三方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。 組態(tài)軟件的特點(diǎn) :實(shí)時(shí)多任務(wù)是最大特點(diǎn)。例如數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)要 在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。程序設(shè)計(jì)人員在組態(tài)軟件中只需要填寫一些事先設(shè)計(jì)的表格，再利用圖形功能把被控對(duì)象 (如溫度計(jì)、電動(dòng)機(jī)、趨勢(shì)曲線、報(bào)表 )形象的畫出來，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)連接把被控對(duì)象的屬性與 I/O 設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯連接。當(dāng)由組態(tài)軟件生成的應(yīng)用系統(tǒng)投入運(yùn)行后，與被控對(duì)象相連的 I/O 設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化會(huì)直接帶動(dòng)被控對(duì)象的屬性變化。 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程 組態(tài)軟件通過 I/O 驅(qū)動(dòng)程序從現(xiàn)場(chǎng) I/O 設(shè)備獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀的顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上 。另一方面按照組態(tài)要求和操 作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給 I/O 設(shè)備，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制或調(diào)整控制參數(shù)。如圖 所示 ： 對(duì)已經(jīng)組態(tài)的歷史趨勢(shì)的變量存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)檢索請(qǐng)求給予響應(yīng)。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)及時(shí)將報(bào)警以聲音、圖像的方式通知操作人員，并記錄報(bào)警的歷史信息，以被檢索。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 16 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 庫(kù)內(nèi) 核I / O 數(shù) 據(jù) 連 接第 三 方數(shù) 據(jù) 庫(kù) 冗 余控 制計(jì) 算 與控 制報(bào) 警檢 查 與 處 理I / D s e r v e rI / D 設(shè) 備現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備報(bào) 警 通 知第 三 方 程 序 接口畫 面 顯 示歷 史數(shù) 據(jù)處 理實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 系 統(tǒng)圖 形 界 面 系 統(tǒng)I / D設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng) 圖 31 組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 17 第 4 章 PLC 技術(shù) PLC 概述 可編程程序控制器 ((Programmable Controller)，因?yàn)樵缙谥饕獞?yīng)用于開關(guān)量的控制，因此也稱為 PLC (programmable Logic controller)，即是可編程邏輯控制器?，F(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。 PLC 自問世以來，經(jīng)過 20 年的發(fā)展，已經(jīng)成為最受歡迎的工業(yè)控制類產(chǎn)品。它之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需求外，還有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好的解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問題。 PLC 的基本組成與各部分的作用 PLC 的基本組成 PLC 是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié) 構(gòu)形式的不同， PLC 可分為整體式和組合式兩類。 整體式 PLC 是將中央處理單元 (CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的 I/O 擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中， CPU是 PLC 的核心， I/O 單元是連接 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于 PLC 與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。 組合式 PLC 將 CPU 單元、輸入單元、輸出單元、智能 I/O 單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU 單元的底板稱為 CPU 底板，其它稱為擴(kuò)展底板。 CPU 底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過 10m。 無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 PLC 各部分的作用 (CPU) CPU 在 PLC 中的作用類似于人體的神經(jīng)中樞，它是 PLC 的運(yùn)算、控制中心。它按照系統(tǒng)程序所賦予的功能，完成以下任務(wù) ： (1)接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù) ； 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 18 (2)診斷電源、 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程的語法錯(cuò)誤 ； (3)用掃描的方式接收輸入信號(hào)，送入 PLC 的數(shù)據(jù)寄存器保存起來 ； (4)PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，根 據(jù)存放的先后順序逐條讀取用戶程序，進(jìn)行解釋和執(zhí)行，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作 ； (5)將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。 現(xiàn)代 PLC 使用的 CPU 主要有以下幾種 ： (1)通用微處理器，如 8080, 8088, Z80A, 8085 等。通用微處理器的價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，還可以借用微機(jī)成熟的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、豐富的軟硬件資源。 (2)單片機(jī)，如 8051 等。單片機(jī)由于集成度高、體積小、價(jià)格低和可擴(kuò)充性好，很適合在小型 PLC 上使用，也廣泛地用于 PLC 的智能 UO 模塊。 (3)位片式微處理器，如 AMD2900 系列等。位片式微 處理器是獨(dú)立于微型機(jī)的另一分支。它主要追求運(yùn)算速度快，它以 4 位為一片。用幾個(gè)位片級(jí)聯(lián)，可以組成任意字長(zhǎng)的微處理器。改變微程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容，可以改變計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。位片式結(jié)構(gòu)可以使用多個(gè)微處理器，將控制任務(wù)劃分為若干個(gè)可以并行處理的部分，幾個(gè)微處理器同時(shí)進(jìn)行處理。這種高運(yùn)算速度與可以適應(yīng)用戶需要的指令系統(tǒng)相結(jié)合，很適合于以順序掃描方式工作的PLC 使用。 根據(jù)存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下 3 種 ： (1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器 :和各種計(jì)算機(jī)一樣， PLC 也有其固定的監(jiān)控程序、解釋程序，它們決定了 PLC 的功能，稱為系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器就是用來存放這部分程序的。系統(tǒng)程序是不能由用戶更改的，故所使用的存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器 ROM 或 EPROM。 (2)用戶程序存儲(chǔ)器 :用戶根據(jù)控制功能要求而編制的應(yīng)用程序稱為 用戶程序，用戶程序存放在用戶程序存儲(chǔ)器中。由于用戶程序需要經(jīng)常改動(dòng)、調(diào)試，故用戶程序存儲(chǔ)器多為可隨時(shí)讀寫的 RAM。由于 RAM 掉電會(huì)丟失數(shù)據(jù)，因此使用 RAM 作用戶程序存儲(chǔ)器的 PLC，都有后備電池 (理電池 )保護(hù) RAM，以免電源掉電時(shí)，丟失用戶程序。當(dāng)用戶程序調(diào)試修改完畢 ，不希望被隨意改動(dòng)時(shí)，可將用戶程序?qū)懭?EPROM。目前較先進(jìn)的 PLC(如歐姆龍公司的 CPMIA 型 PLC)采用快閃存儲(chǔ)器作用戶程序存儲(chǔ)器，快閃存儲(chǔ)器可隨時(shí)讀寫，掉電時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，不需用后備電池保護(hù)。 (3)工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 :工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在 RAM中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，開辟有元件映象寄存器和數(shù)據(jù)表。 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 19 元件映象寄存器用來存儲(chǔ) PLC 的開關(guān)量輸入 /輸出和定時(shí)器。計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部繼電器的 ON/OFF 狀態(tài)。 數(shù)據(jù)表用來存放各種數(shù)據(jù)，它的標(biāo)準(zhǔn)格 式是每一個(gè)數(shù)據(jù)占一個(gè)字。它存儲(chǔ)用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值，如定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和設(shè)定值。它還用來存放 A113 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)果等。 根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在停電時(shí)用后備電池維持其當(dāng)前值，在停電時(shí)可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)器區(qū)域稱為數(shù)據(jù)保持區(qū)。 I/O 單元也稱為 I/O 模塊。 PLC 通過 I/O 單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場(chǎng)相聯(lián)系。輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)信息，加控制按鈕、操作開關(guān)和限位開關(guān)、光電管、繼電器觸點(diǎn)、行程開關(guān)、接近開關(guān)等信號(hào)，并通過輸入電路的濾波、光電隔離和電平轉(zhuǎn)換等將這 些信號(hào)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠接收和處理的信號(hào)。輸出單元將 CPU 送出的弱電控制信號(hào)通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件。 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換概念 A/D 和 D/A 原理 模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的基本原理 :輸入信號(hào)是現(xiàn)場(chǎng)物理參數(shù) (如溫度、 壓力和流量等 )經(jīng)傳感器檢測(cè)變成電信號(hào) (弱信號(hào) )，再經(jīng)過放大、濾波之后成為連續(xù)變化的波形。根據(jù)事先確定的頻率對(duì)波形采樣，假定采樣四次 (t t t3 和 t4)，如圖 41。將每次的采樣值 (如模擬電壓值 )送給 A/D 變換器，則對(duì)應(yīng) 每次采樣的電壓值轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào) (H進(jìn)制數(shù)字 )。 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬量的原理 :首先將數(shù)字信號(hào)并行輸入給 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出一個(gè)矩形波，經(jīng)過放大濾波之后即變成一個(gè)連續(xù)變化的模擬量輸出信號(hào)。 模擬量的輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣泛，如常用的溫度、壓力、速度、流量、堿度、位移等的工業(yè)檢測(cè)都是對(duì)應(yīng)電壓、電流的大小模擬星，再通過一定的運(yùn)算 (如 PID)后控制0 t 1 t 2 t 3 t 4100200300U ( mv )/ 電壓T （ s ） / 時(shí)間圖 41 采樣圖 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 20 生產(chǎn)過程達(dá)到一定的目的 (如恒溫等 )。模擬量輸入的電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量輸入信號(hào)按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)為 4～ 20 not 電流信號(hào)，或 1～ 5V、 10～ 10 V、 0～ 10 V的直流電壓信號(hào)。輸入模塊接收這種模擬信號(hào)之后，把它轉(zhuǎn)換成 8 位或 10 位或 12 位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) (最大值分別為 255, 1023 或 4095)，送給中央處理器進(jìn)行處理。因此，模擬量輸入模塊又叫 D/A 轉(zhuǎn)換輸入模塊。 模擬量輸出模塊是將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) (如 4095 等 )轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的電流輸出信號(hào)或 0～ 10 V、 1～ 5 V 的直流電壓輸出信號(hào)，以提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，模擬量輸出模塊又叫 A/D 轉(zhuǎn)換輸出模塊。 輸入輸出數(shù)據(jù)的處理 在掃描讀入模擬量值時(shí)，處理器從模擬量輸入模塊讀入模 擬量并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)值，再將其送入用戶指明的位置。 一般地，模擬量輸入模塊提供不止一個(gè)通道的輸入，因而只要信號(hào)兼容或類型相同 (電壓、電流 )，就能連接幾個(gè)或十幾個(gè)輸入信號(hào)。對(duì)于這些信號(hào)，不同的 PLC 有不同的處理方式。一般有兩種方式，一是使用指令充分利用多通道一次性將幾個(gè)或十幾個(gè)值放入寄存器數(shù)據(jù)區(qū)中，稱為塊轉(zhuǎn)移輸入。這種指令可以使用戶將值放置于任意數(shù)據(jù)區(qū)。模塊的地址反映于塊轉(zhuǎn)移指令的配置中，而輸入的數(shù)據(jù)本身在存貯時(shí)不受地址的約束。另一種處理方法則跟離散量數(shù)據(jù)輸人存貯方式相似， PLC 將數(shù)據(jù)存貯于與輸入模塊地址相對(duì) 應(yīng)的輸入 /輸出映像區(qū)中。同樣，模擬量輸出方式的數(shù)據(jù)處理也存在塊傳輸與輸出映像區(qū)兩種方式。 塊傳輸輸入方式的好處是可以由模塊給出每一模塊及各通道的診斷信息，信息刷新速度較快。塊傳輸輸出方式則可靈活地配置輸出模塊的工作方式。模塊地址通常由機(jī)架安插的物理位置所定義，處理器可以根據(jù)軟件 I/O 配置識(shí)別插槽中模塊是否為模擬量模塊。 PLC 的主要特點(diǎn) (1)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，平均故障時(shí)間為幾十萬小時(shí)。而且 PLC 采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。 硬件方面 ： ，在微處理與 I/O 電路之間采用光電隔離減少外部干擾源 對(duì) PLC 的影響。 ，對(duì)供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，減少高頻干擾。且有些模塊還設(shè)置了連鎖保護(hù)、自診斷電路等。 軟件方面 ： 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）用紙 佳木斯大學(xué)教務(wù)處 21 。 ，立即把狀態(tài)重要信息存入指定存儲(chǔ)器，禁止對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行任何不穩(wěn)定的讀寫操作，以防止存儲(chǔ)器信息被沖掉。這樣，一旦外界調(diào)節(jié)正常后，便可以恢復(fù)故障發(fā)生前的狀態(tài)，恢復(fù)原來的工作。 (2)編程簡(jiǎn)單、使用方便目前大多數(shù) PLC 采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些 PLC 還根據(jù)具體問題設(shè)計(jì)了如步進(jìn)梯形指令等，進(jìn)一步 簡(jiǎn)化了編程。 (3)設(shè)計(jì)安裝容易，維護(hù)工作量少。功能完善、通用性強(qiáng)、體積小、能耗低、性能價(jià)格比高。 Siemens S7 200 系列 PLC 特性 S7 200 系列 PLC 介紹 S7 200 系列 PLC 功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域