【正文】 SUBISHI FX2N 系列可編程序控制器 MITSUBISHI三菱電機(jī)自動(dòng)化（上海）有限公司 RYODEN AUTOMATION LTD 超高速的運(yùn)算速度 ()， 50%小型化設(shè)計(jì)，程序容量 :內(nèi)置 8K STEP RAM ，最大可擴(kuò)充至 16K STEP，可使用 FX 系列模塊，可做 8 臺(tái)主機(jī)連線。 ４． ITSUBISHI FX2NC 系列 PLC RYODEN AUTO MATION LTD 當(dāng)連接 FX2NC 系列的緊湊型 I/O 擴(kuò)展模塊時(shí)，可以連接多達(dá) 256 個(gè) I/O。 課題的主要研究工作 設(shè)計(jì)某鋼鐵公司 60 萬噸棒材生產(chǎn)線的 PLC 控制系統(tǒng)并對(duì)其中個(gè)案設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程主要包括以下幾個(gè)部分： ７ １．總體設(shè)計(jì)：確定控制對(duì)象和控制范圍，詳細(xì)分析被控對(duì)象控制過程的要求，按照工藝流程列出控制系統(tǒng)的所有功能和指標(biāo)要求。 ２． PLC 的選擇：根據(jù)輸入 /輸出的參數(shù)個(gè)數(shù)，電壓，對(duì)控制器的反應(yīng)時(shí)間，編程語言等技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的 PLC 機(jī)型，為軟件編制做準(zhǔn)備。 ４．軟件設(shè)計(jì)，主要布驟如下： （ 1）分析問題，明確所要解決的要求和目標(biāo)。 （ 3）確定采用的編程語言或算法子程序。 （ 5）總裝調(diào)試：通過 PLC 編程器輸入程序，按照硬件設(shè)計(jì)圖現(xiàn)場(chǎng)接線并調(diào)試 [23， 25]。目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn) 300 多品種 PLC 產(chǎn)品，應(yīng)用在汽車（ 23%）、糧食加工（ %）、化學(xué) /制藥（ %）、金屬 /礦山（ %）、紙漿 /造紙（ %）等行業(yè)。 １． PLC 的發(fā)展歷程 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。 1968 年美國(guó) GM（通用汽車）公司提出取代繼 電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable Controller（ PC）。 PLC 的定義有許多種。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 上世紀(jì) 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 30~40%。 PLC 具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。 ２． PLC 的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組 成單元。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。 CPU 速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度，IO 數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 I/O 模塊集成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。 I/O分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。常用的 I/O 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 除了上述通用 IO 外，還有特殊 IO 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 （３）電 源模塊 １０ PLC 電源用于為 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC或 110VAC），直流電源（常用的為 24VAC） [5， 7， 15]。 ２． PLC 所使用的編程語言是面向現(xiàn)場(chǎng)，面向問題，面向用戶的控制語言，能直接而簡(jiǎn)明地表達(dá)被控制對(duì)象的輸入輸出之間的關(guān)系及動(dòng)作方式； PLC 對(duì)時(shí)間控制精度高，其特有的掃描控制方式執(zhí)行控制任務(wù)，提供了快速，確定而且可重復(fù)的響應(yīng)。 ４． 是 PLC 的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議， I/O 模板不通用，甚至連機(jī)柜、電源模板亦各不相同。 PLC 的工作原理 最初研制生產(chǎn)的 PLC 主要用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由繼電器接觸器構(gòu)成的控制裝置，但這兩者的運(yùn)行方式是不相同的： １． 繼電器控制裝置采用硬邏輯并行運(yùn) 行的方式，即如果這個(gè)繼電器的線圈通電或斷電，該繼電器所有的觸點(diǎn)（包括其常開或常閉觸點(diǎn)）在繼電器控制線路的哪個(gè)位置上都會(huì)立即同時(shí)動(dòng)作。 為了消除二者之間由于運(yùn)行方式不同而造成的差異，考慮到繼電器控制裝置各類觸點(diǎn)的動(dòng)作時(shí)間一般在 100ms 以上，而 PLC 掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于 100ms，因此， PLC 采用了一種不同于一般微型計(jì)算 機(jī)的運(yùn)行方式 掃描技術(shù)。 １１ 掃描技 術(shù) 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。在整個(gè)運(yùn)行期間 ， PLC 的 CPU 以一 定的 掃描 速度 重復(fù) 執(zhí)行 上述 三個(gè) 階段 。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 （ 1） 輸出刷新階段 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。程序 1 只用一次掃描周期，就可完成對(duì) %M4 的刷新； 程序 2 要用四次掃描周期，才能完成對(duì) %M4 的刷新。另外，也可以看到 ：采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別。 一般來說， PLC 的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖 所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和。 為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行 控制， PLC 采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。 所謂 I/O 響應(yīng)時(shí)間指從 PLC 的某一輸入信號(hào)變化開始到系統(tǒng)有關(guān)輸出端信號(hào)的改變所需的時(shí)間。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析 我所研究的個(gè)案是某鋼鐵工業(yè) 60 萬噸棒材生產(chǎn)線的 PLC 控制系統(tǒng)。此條軋鋼生產(chǎn)線分為 原料垮，加熱垮，主軋垮，成品垮，軋輥間和水處理系統(tǒng)。它控制著電機(jī)的啟動(dòng)和停止，電磁閥的開關(guān)，軋件的選型以及成品的打捆等等。 棒材熱連軋的電氣及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的組成 一 般分為兩種方式：一種是以大型 PLC為主的集中控制 (例如采用 GE Faune 90 70系列 PLC或 Siemens公司 s7— 400系列 PLC)，全部的控制功 能均集中在 PLC上；另外一種是采用分布式結(jié) 構(gòu)，將部分控制功能分散到控制器中，即把 PLC部分功能分解下放，這樣減輕了 PLC的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的速度，下放的功能不同，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也 不相同。 １５ 3 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)中某鋼鐵公司棒材連軋的電氣及自動(dòng)化控制 系統(tǒng)分為基礎(chǔ)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化兩 部分。過程自動(dòng)化部分由 3臺(tái) PⅢ工業(yè)控制機(jī)組成上位機(jī)和人機(jī)接口 (MMI)系統(tǒng)，其中一臺(tái)為服務(wù)器，兩臺(tái)為工作站。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各種規(guī)格產(chǎn)品的軋制速度設(shè)定、速度級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)、微張力控制、 活套高度控制、飛剪的切頭／切尾控制、精軋后 水冷輸出輥道控制、冷床入輥道控制、上鋼裝置 及步進(jìn)冷床控制等。 １６ 主要工藝設(shè)備及系統(tǒng)配置 １．工藝設(shè)備概況 如圖 ，該機(jī)組的主軋制線由 19架軋機(jī)組成，其中 7架 ( 560mmx 4／470mm 3)閉口兩輥水平布置軋機(jī)組成粗軋機(jī)組， 6架 ( 410mm 6)閉口兩輥水平布置軋機(jī)組成中軋機(jī)組， 6架 ( 350 mm 6)立平布置軋機(jī)組成精軋機(jī)組。中軋機(jī)組出口處設(shè) 2飛剪 (回 轉(zhuǎn)啟／停式 )，用 于尾部的剪切及故障碎斷。精軋機(jī)組后設(shè)有 1組水冷輥道倍尺飛剪后設(shè)有 3組冷床輸入輥道， 冷卻區(qū)設(shè)有冷床上鋼裝置 1套及步進(jìn)齒條式冷床 1座等其它設(shè)備。 ２． PLC系統(tǒng)硬件配置 該系統(tǒng)所選用的系列 SIEMENS S7400 PLC是一種先進(jìn)的可編程邏輯控制器。 該機(jī)組 PLC系統(tǒng)配置如圖 ， 由 PLC— A、 PLCB、 PL0C、操作臺(tái)及機(jī)旁箱等遠(yuǎn)程 I／ O站組成。 ３． PLC控制系統(tǒng)的軟件配置 （ 1）人 機(jī)界面 組態(tài)軟件因其為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā) 平臺(tái)，成為現(xiàn)代工控領(lǐng)域內(nèi)最受歡迎也不可缺少的人機(jī)界面系統(tǒng)。 在組態(tài)王的三個(gè)實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)以曲線的形式在該窗口中分別對(duì)三組檢測(cè)儀表中所顯示的數(shù)據(jù)顯示出來，動(dòng)態(tài)可視性教好；而在三個(gè)歷史趨勢(shì)曲線中，可以根據(jù)用戶的需要，分時(shí)間段顯示各個(gè)儀表所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)的曲線；數(shù)據(jù)報(bào)表中所顯示數(shù)據(jù)的形式僅僅是數(shù)字而已，和實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線與歷史趨勢(shì)曲線內(nèi)容一樣；報(bào)警窗口中可以顯 示并存檔系統(tǒng)操作員的操作動(dòng)作，同時(shí)可以根據(jù)用戶的設(shè)置實(shí)時(shí)顯示各個(gè)變量的數(shù)據(jù)上下限并可以連接到模擬報(bào)警設(shè)備以聲音等的形式提示給用戶； PID調(diào)節(jié)器所采用的算法為增量式，手動(dòng)調(diào)節(jié) P、 I、 D三個(gè)參數(shù)直至達(dá)到最佳控制效果。它與組態(tài)王的數(shù)據(jù)交換是由 WINDOWS下的標(biāo)準(zhǔn)DDE進(jìn)行設(shè)定。在開發(fā)系統(tǒng)中通過密碼保護(hù)確保系統(tǒng)不會(huì)隨便被人刪改，同時(shí)也涉及到不會(huì)被人隨便查看以保障知識(shí)產(chǎn)權(quán)不被侵犯；在運(yùn)行系統(tǒng)中，有很多按 鈕 是不能讓每個(gè)人都可以啟動(dòng)和停止的，我們?cè)O(shè)置了系統(tǒng)安全區(qū)和用戶訪問權(quán)限來確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 MPC02控制卡是基于 PC機(jī) PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，它與 PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面的 管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號(hào)的監(jiān)控等等）； MPC02卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)（包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等）。 VB和 VC++是目前工控領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的兩種支持動(dòng)態(tài)庫連接的開發(fā)工具。 （ 3） 過程控制 ① PID過程調(diào)節(jié) 本 設(shè)計(jì)在對(duì)軋件重量、長(zhǎng)度、溫度 及速度 控制和調(diào)節(jié)過程中，控制信號(hào)均有可能受到諸如電壓、電流波動(dòng)和環(huán)境因素等的影響，為避免在其被響應(yīng)前就有大幅度的失真，系統(tǒng)必須采用相應(yīng)的過程控制手段。根據(jù)組態(tài)王軟件中支持類 C語言的自定義函數(shù)，我編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的 PID算法程序。當(dāng)本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， PID調(diào)節(jié)過程自動(dòng)啟動(dòng)，對(duì)相應(yīng)的控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 ③ 數(shù)據(jù)采集傳輸部分 首先我們使用一個(gè)萬用表，利用其檢測(cè)電阻值的原理（測(cè)電阻時(shí)，它的兩個(gè)檢測(cè)端將輸出一個(gè)恒定的直流電壓信號(hào)），讓其輸出的電壓信號(hào)模擬現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器等檢測(cè)元件的輸出信號(hào)，傳送給組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)。然后，我們采用同樣的道理，在組態(tài)王中設(shè)定一個(gè) “期望 ”數(shù)值，讓它輸出以調(diào)節(jié)控制引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器的頻率，經(jīng)ADAM5024，數(shù)據(jù)送到 ADAM5017反饋回組態(tài)王的 PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，經(jīng)過增量式調(diào)節(jié)運(yùn)算，使稍稍失真的數(shù)據(jù)能根據(jù)不同的 P、 I、 D三個(gè)參數(shù)逐漸得到修正，最終達(dá)到精確控制的目的。報(bào)警窗口也能準(zhǔn)確記錄系統(tǒng)的每一