【正文】 PLC 系統(tǒng)硬件設(shè)計要點(diǎn) 飼料生產(chǎn)現(xiàn)場 PLC 控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計關(guān)系著本飼料生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)整個運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，加之系統(tǒng)包括飼料配比、攪拌加工、成品傳輸、打包分裝，現(xiàn)場儀器儀表包括電子秤、壓力、溫度、風(fēng)量、物料位等多個檢測點(diǎn)，需要能對重要參數(shù)區(qū)域進(jìn)行計數(shù)分析，保證生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的最佳范圍和各參數(shù)間的最佳組合，就不得不提高 PLC 控制子系統(tǒng)硬件設(shè)計抗干擾性，本文主要從系統(tǒng)輸入、輸出電路設(shè)計以及抗干擾設(shè)計幾點(diǎn)進(jìn)行闡述 [[3435] 1) PLC 控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計 :在信號源與儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線就很容易 通過磁禍合在電路中形成干擾。例如 PLC 供電電源適用的電源范圍較寬，常為AC85240V，因而可通過安裝 1:1 隔離變壓器、電源濾波器等裝置解決輸入端干擾禍合問題，同時將導(dǎo)線盡量遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備以及動力網(wǎng)，將變壓器的次級線圈屏蔽層接 PLC 輸入電路、信號線避免與動力線平行敷設(shè)來減小高低頻脈沖干擾。同時，對 PLC 輸入電路電源做好防短路及過載等問題。 2) PLC 控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計，根據(jù)要求，晶體管輸出可用于變頻器、各種指示燈或數(shù)字直流調(diào)速器的啟動停止，它響應(yīng)時間短，適用于高頻動作 。首選繼電器輸出的條件是 PLC 控制 系統(tǒng)輸出頻率應(yīng)在 6次 /min 以下，采用這種方法，特點(diǎn)是設(shè)計簡單，抗干擾和帶負(fù)載能力較強(qiáng)。如果 PLC 輸出帶電磁線圈等感性負(fù)載的，負(fù)載斷電時會對 PLC的輸出造成強(qiáng)烈的電流沖擊，所以直流感性負(fù)載一般和二極管相連，對交流感性負(fù)載應(yīng)接入吸收電路，這樣 PLC 就可以得到有效的保護(hù)。當(dāng) PLC 的掃描頻率在 10 次 /min 以下時，可采用繼電器輸出，也可采用 PLC 輸出驅(qū)動中間繼電器或固態(tài)繼電器 (SSR)，然后再驅(qū)動負(fù)載。對于兩個重要輸出量， PLC 內(nèi)部一般互鎖，但最好在 PLC 外部 進(jìn)行硬件上的互鎖，這樣就大大加強(qiáng)了 PLC 系統(tǒng)運(yùn)行的安全 性、可靠性。 3) PLC 控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。影響 PLC 飼料生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，因而在實(shí)際設(shè)計中需要針對不同的干擾源進(jìn)行分類，如根據(jù)噪聲產(chǎn)生的原因可分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等 。根據(jù)噪聲的波形及性質(zhì)可分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等 。按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。在本系統(tǒng)中，可通過將 PLC 系統(tǒng)裝置在金屬柜之內(nèi)，同時將外殼接地來進(jìn)行磁場屏蔽來防止空間輻射干擾 。在實(shí)際的布線過程中，將強(qiáng)電和弱電分開走線并保持足夠的間距，模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜 。 輸入輸出模塊選擇 S7200PLC 的數(shù)字量模塊 數(shù)字量輸入模塊包括直流輸入模塊和交流輸入模塊，主要用來控制用戶設(shè)備的數(shù)字量輸入信號的通 /斷 (0N/0FF)，如按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)、繼電器和接觸器的觸點(diǎn)等。數(shù)字量輸入模塊的每一個輸入點(diǎn)與用戶設(shè)備連接構(gòu)成輸入電路，并通過輸入電路把現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成 CPU 能接收的數(shù)字信號，以適應(yīng)現(xiàn)場輸入信號多樣性的需求。數(shù)字量輸入的編程元件為“ I”。 1） 直流輸入模塊。 S7200PLC 直流輸入模塊如 EM221 8 點(diǎn) 24VDC, 8個數(shù)字量輸入分為兩組， 1M 和 2M分別為兩組輸入點(diǎn)內(nèi)部電路的公共端。直流電源可以用 CPU 模塊輸出的 24VDC 作為輸入回路的電源，也可以用外部用戶提供的 24VDC 作為輸入回路的電源，正、 反電壓極性都 可以。 直流輸入模塊圖如下圖 3— 6 所示。 圖 3— 6 直流輸入模塊圖 直流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線如圖 3— 7 所示。圖中雙向發(fā)光二極管 LED 用作狀態(tài)指示 。電阻 R2和 C 構(gòu)成濾波電路，濾掉輸入電路的觸點(diǎn)抖動或髙頻干擾脈沖 。光耦合器 T隔離了外部輸入電路與 PLC 內(nèi)部電路的電氣連接，并把外部信號整流成內(nèi)部電路接收的標(biāo)準(zhǔn)信號。當(dāng)外部按鈕 SB接通時，直流電源經(jīng)電阻 R1 和阻容濾波后加在雙向發(fā)光二極管 LED 上，經(jīng)過光耦合，光敏晶體管接收光信號并送入內(nèi)部電路，對應(yīng)輸入映像寄存器狀態(tài)為“ 139。 雙向發(fā)光二極管 LED 點(diǎn)亮 。當(dāng)外部按鈕 SB斷開時，對應(yīng)輸入映像寄存器狀態(tài)為“ O”， LED 熄滅 圖 3— 7 直流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線 圖 2)交流輸入模塊。 S7200PLC 交流輸入模塊如 EM221 8 點(diǎn) 220VAC，有 8個分隔式數(shù)字量 輸入端，供電電源為 220VAC,如圖 3— 8交流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線如圖 39 所示。圖中 R1 為取樣電阻，用來限制輸 入信號過高 。R2 和 C為髙頻去耦電路，防止高頻信號干擾。當(dāng)外部按鈕 SB接通時，交流電源 經(jīng)電容 C、電阻 R2 和雙向發(fā)光 二極管 LED,使發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)過光耦合，光敏晶體管接收光信號并送入內(nèi)部電路，對應(yīng)輸入映像寄存器狀態(tài)為雙向發(fā)光二極管 LED 點(diǎn)亮：當(dāng)外部 按鈕 SB 斷開時，對應(yīng)輸入映像 寄存器狀態(tài)為“ 0”， LED 熄滅 圖 3— 8 交流輸入模塊圖 圖 3— 9 交流輸入模塊的內(nèi)部電路與外部電路接線圖 PLC 模擬量模塊 模擬信號是指在一定范圍內(nèi)連續(xù)的信號（如電壓、電流等），這個“一定范圍”可以理解為模擬量的有效量程。在使用 S7200 系列模擬量時，需要注意信號量程范圍、撥碼開關(guān)設(shè)置、模塊規(guī)范接線、指示燈狀態(tài)信息等。 S7200 模擬量模塊分為 AI 模擬量輸入模塊、 AO 模擬量輸出模塊、 AI/AO 模擬量輸入輸出模塊三種類型。 1) AI 模擬量輸入模塊 如果 傳感器輸入的模擬時電壓或電流信號（如 177。 10V 或 020mA），可以選用普通的模擬量輸入模塊，通過撥碼開關(guān)設(shè)置來選擇輸入信號量程 。注意規(guī)范接線，盡量按照模塊上的通道順序使用，且未接信號的通道應(yīng)短接。 如果傳感器時熱電阻或熱電偶，直接輸出信號接模擬量輸入，但需要選擇特殊的測溫模塊，測溫模塊分為熱電阻模塊 EM231RTD 和熱電偶模塊 EM231TC。注意不同的信號應(yīng)該連至相對應(yīng)的模塊。 2) AO 模擬量輸出模塊 S7200 的擴(kuò)展模塊里，分別有 2 路、 4路的模擬量輸出模塊 EM232，根據(jù)接線方式選擇輸出信號類型，如電壓 ： 10V， 流 ： 20mA（ 420mA。 3) AI/O模擬量輸入輸送模塊 A. CPU 本體集成的 2路 AI、 1路 AO 本體集成的 2 路 AI 電壓是 177。 10V， 1 路 AO 是：電壓信號： 010V 或電流信號： 020mA；輸出信號類型可以通過硬件接線來選擇。 B. EM235 模擬量輸入輸出模塊 EM235 模塊由 4路 AI 和 1 路 AO，通過撥碼開關(guān)設(shè)置來選擇 4路 AI 通道的輸入信號量程， 1路 AO 是：電壓信號： 010V 或電流信號： 020mA；輸出信號類型可以通過硬件接線來選擇。 通信接口設(shè)置 S7— 200PLC 整合了一個或兩個 RS— 485 通信接口，即可作為 PG（編程）接口，也可作為 OP（操作終端）接口，如鏈接一些 HMI（人機(jī)接口）設(shè)備。支持自由通信協(xié)議及 PPI（點(diǎn)對點(diǎn)主站模式）通信協(xié)議 。 電源 S7— 200 本機(jī)單元有一個內(nèi)部電源，它為本機(jī)單元，擴(kuò)展沒款以及 24v/DC 電源輸出。每一個 S7— 200CPU 向外提供 5VDC 和 24VDC 電源。需要注意一下兩點(diǎn)： 1) CPU 模塊都有一個 24V DC 電源的定額，可以增加一個外部 24V DC 電源來供給擴(kuò)展。 2) 當(dāng)有擴(kuò)展模塊鏈接時 CPU 模塊也為提供 5V電源。如果擴(kuò)展模塊的 5V電源需求超出了 CPU 模塊的電源定額，必須卸下擴(kuò)展模塊，直到需求在電源預(yù)定值之內(nèi)才行。 第 4 章 PLC軟件部分設(shè)計 本系統(tǒng)在傳統(tǒng)儀表 PLC 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用局域網(wǎng)通信技術(shù)將飼料生產(chǎn)現(xiàn)場控制與公司遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)相結(jié)合，融和了標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議通信、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)等多種方法。本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包括生產(chǎn)現(xiàn)場軟件以及遠(yuǎn)程端管理信息系統(tǒng)設(shè)計兩部分內(nèi)容。本章主要闡述 PLC 現(xiàn)場部分的軟件設(shè)計以及數(shù)字 PID 控制算法 。 飼料生產(chǎn)控制程序流程 可編程序控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定了用戶程序的編制方法，在目前各類 PLC 控制程序設(shè)計過程中，經(jīng)常出現(xiàn)諸如順序控制結(jié)構(gòu)、循環(huán)控制結(jié)構(gòu)、判斷分支結(jié)構(gòu)、 終 端結(jié)構(gòu)等，針對不同的控制功能及其過程，不同程序結(jié)構(gòu)同時決定了系統(tǒng)內(nèi)部電路組成及編程思路的差異性。循環(huán)控制的程序結(jié)構(gòu)，采用模塊式結(jié)構(gòu)，整個程序是由若干個程序塊串 聯(lián)組成，每個程序塊又由若干條指令，完成某種控制功能。運(yùn)行時 CPU 從程序起點(diǎn)開始，依次執(zhí)行各個程序塊中的每一條指令，直到程序終點(diǎn)，從而構(gòu)成一個掃描周期，并周而復(fù)始地重復(fù)上述掃描循環(huán)。 對于飼料生產(chǎn)過程的控制，采用循環(huán)控制結(jié)構(gòu)及編程方法，就完全可以達(dá)到控制功能的要求，一般包括以下幾個程序塊： a)系統(tǒng)工作狀態(tài)識別及初始化程序塊； b)設(shè)備非聯(lián)鎖集中控制操作程序庫； c)流程聯(lián)鎖控制主令啟停操作程序塊； d)設(shè)備輸入狀態(tài)檢測程序塊； e)風(fēng)網(wǎng)設(shè)備控制程序塊； f)主流程設(shè)備控制程序塊； g)設(shè)備故障報警程序及顯示程序塊； h)與上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)的采集與匯總程序塊。 由現(xiàn)場控制計算機(jī)完成系統(tǒng)程序初始化，根據(jù)遠(yuǎn)程控制端計算機(jī)發(fā)送的系統(tǒng)配置參數(shù)啟動可編程控制器及其傳感器設(shè)備。首先檢查飼料原料倉中是 否有料，若空倉或者飼 料配量不足，則啟動配料生產(chǎn)線進(jìn)行下料。由電子皮帶秤進(jìn)行稱重并實(shí) 計量，計量結(jié)果通過現(xiàn)場總線傳送至可編程控制器 CPU，計算得到實(shí)時流量及累計流量。按照飼料配料設(shè)定成分比例，將檢測獲取的實(shí)際給料流量和設(shè)定流量進(jìn)行比較，比較結(jié)果作為系統(tǒng)偏差控制的輸入，由調(diào)節(jié)器按照系統(tǒng)控制要求按工業(yè)控制中應(yīng)用較廣的 PID 控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體的調(diào)節(jié)過程以及參數(shù)設(shè)計將在本章數(shù)字濾波器及 PID 控制小節(jié)中進(jìn)行闡述。經(jīng) PID調(diào)節(jié)改變輸出信號以控制變頻器對輸送電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒流量控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 41所 示 。 圖 41 飼料生產(chǎn)現(xiàn)場控制流程圖 根據(jù)工藝流程及控制要求，編制各工段的控制流程圖，飼料顆粒粉碎工段的控制圖如圖 42所示 。 圖 42 粉碎工段控制流程框圖 典型回路軟件設(shè)計 設(shè)備輸入狀態(tài)檢測程序塊 中間繼電器 MOM4 構(gòu)成一個故障檢 測 記憶回路，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān) SB 置于手動位置， ,輸入信號“ 1”或 自動空氣開關(guān)斷開，輸入信號為 “ 0”， 其對應(yīng)的常閉接點(diǎn)狀態(tài)不變。電流通過常閉接點(diǎn) M502 或 M502，使 M10 線圈得電并自保。其梯形程序控制圖 ， 如圖 43 所示。 圖 43 設(shè)備輸入狀態(tài)檢測程序塊 設(shè)備啟動后，交流接觸器 KM 輸入信號為“ 1，其對應(yīng)接點(diǎn) M500 由常閉變?yōu)槌ｉ_，即使在 TO 接點(diǎn)閉合的情況下，電流也不會超過 M500 和 TO，使 MO 得電，表示設(shè)備運(yùn)行正常。一旦由于某種原因是 KM 輸入信號為“ 0，其對應(yīng)的接點(diǎn) M500 恢復(fù)為常閉狀態(tài)，在 TO接點(diǎn)仍閉合的情況下，電流便會從 M500 和 TO 使 MO線圈得電并自保。 MO 得電，即有故障發(fā)生，用其接點(diǎn)狀態(tài)去聯(lián)鎖有關(guān)的控制及報警回路。其余回路依次類推，當(dāng)故障復(fù)位信號 M4 由常閉變?yōu)閿嚅_時 MOM4 全部復(fù)位。 主流程設(shè)備控制程序塊 M13 為流程啟動信號， T10 為風(fēng)網(wǎng)全部啟動完畢信號， Y1~Y4 為輸出信號， 700~M704 為設(shè)備非聯(lián)鎖單機(jī)控制信號， T0~T4 為啟動及檢測延時信號， T11~T14 為停車延時信號，M10 為流程停車信號。其梯形程序控制圖如圖 44所示。 當(dāng)流程啟動時，風(fēng)網(wǎng)設(shè)備啟動完畢后， M T10 節(jié)點(diǎn)閉合，電流通過 M1 T M0、T11 使 Y0 得電并自保，發(fā)出輸出信號，啟動電機(jī) 1。同時 T0 常開節(jié)點(diǎn)閉合，檢測輸入回路。若有故障 M0 常閉接點(diǎn)斷開， M0 失電，切斷輸出信號；如無故障，則通過M1 T0、 M T12 回路使 Y1 得電并自保，發(fā)出輸出信號啟動電機(jī) 2，同時 T1 計時，經(jīng)過延時 T1 常開節(jié)點(diǎn)閉合檢測輸入回路，若有故障 M1 常閉接點(diǎn)斷開， Y1 失電切斷輸出信號；若無故障，則啟動 M3，依此類推知道 5啟動完畢。 圖 44 流程設(shè)備控制程序塊 停車時， M10 常閉接點(diǎn)斷開，首先切斷 Y4 停 M5，并通過 Y Y M10 回路使 T14 得電，記過延時其常閉接點(diǎn)斷開，切斷 Y停 M4。依此類推直到 1 逐臺全部停車。 在運(yùn)行過程中，若 M3 發(fā)生故障， M2 常閉觸點(diǎn)斷開， Y T2失電，由于 T2常開接點(diǎn)斷開，使得 Y T3 失電， T3 常開接點(diǎn)斷開，又使得 Y T4 失電， 5同時停車。故障發(fā)生， M10 常開接點(diǎn)閉合，通過 Y Y M10 使 T12 得電，經(jīng)過延 時 T12 常閉接點(diǎn)斷開使 Y1 失電，停 M2，經(jīng)過 Y0、 Y M0 又使 T11 得電，經(jīng)過延時T11 常閉接點(diǎn)斷開使 Y0 失電，停 1。 數(shù)字濾波與 PID控制設(shè)計 數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器是一個離散時間系統(tǒng)，主要由數(shù)字乘法