可編程控制器在冷庫中的應(yīng)用研究

1、可編程控制器在冷庫溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 網(wǎng)絡(luò)高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目：可編程控制器在冷庫溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 學習中心：江蘇鹽城亭湖奧鵬學習中心20VIP層 次： ?？破瘘c本科 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 2011 年 秋 季 學 號： 111140409378 學 生： 沈 國 棟 指導(dǎo)教師： 林 瑤 瑤 完成日期： 2013 年 06 月 28 日 II內(nèi)容摘要可編程控制器（PLC）是一種工業(yè)控制計算機，是繼承計算機、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)為一體的新型自動裝置?？删幊炭刂破鳎≒LC）作為傳統(tǒng)繼電器控制裝置的替代產(chǎn)品已經(jīng)得到了工業(yè)控制各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

2、，由于它可以通過軟件來改變控制過程，而且具有體積小，組裝靈活，編程簡單，易學易用，抗干擾能力強及可靠性高等特點，因此它非常適合于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用，同時在工業(yè)領(lǐng)域中深受工程操作人員的喜歡，所以PLC已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域中被廣泛地使用。 西門子公司的S7-200系列可編程控制器是一種小型的框架式可編程邏輯控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。它還包括數(shù)字量、模擬量、特殊I/O模塊和相關(guān)外圍設(shè)備。S7-200控制器具有強大的處理能力，其通訊網(wǎng)絡(luò)、功能模塊、存儲容量都可以靈活地進行選擇和配置。本文主要闡述的是S7-200系列可編程控制器及組態(tài)王在冷庫溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3、,通過組態(tài)王可以監(jiān)控過程參數(shù)、設(shè)置參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、過程狀態(tài)和應(yīng)用程序，以支持數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)監(jiān)控、程序上載/下載和監(jiān)測控制。梯形圖是PLC使用的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。其余電氣控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。通過一些程序的舉例分析，說明了這些控制功能是如何實現(xiàn)的。關(guān)鍵詞：PLC；梯形圖；溫控；S7-200；組態(tài)王目 錄內(nèi)容摘要I1 緒論11.1 課題的背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.1 國外溫度控制的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 我國溫度控制的發(fā)展現(xiàn)狀21.

4、3 本次論文的主要工作22 可編程控制器簡介32.1 可編程控制器的定義和特點32.2 可編程控制器的結(jié)構(gòu)42.3 可編程控制器的工作原理83 基于可編程控制器的冷庫溫控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)103.1 系統(tǒng)控制要求103.2 可編程控制器的選型103.3 I/O點及地址分配113.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖113.5 其他元件的選型124 系統(tǒng)控制程序的設(shè)計144.1 系統(tǒng)控制流程圖144.2 控制程序的設(shè)計154.3 組態(tài)王205 結(jié)論23參考文獻24251 緒論1.1 溫度控制的背景及意義在人們的日常生活、工業(yè)制造、制冷等領(lǐng)域，溫度作為當前環(huán)境的重要因素之一，被人們廣泛的作為參考因素來使用，從而保證

5、各項工作的正常運行，如火災(zāi)報警、溫室或糧倉中的溫度實時監(jiān)控、冷庫溫度的調(diào)節(jié)等，因此以溫度參數(shù)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)被廣泛開發(fā)和使用。使用傳統(tǒng)意義上的溫度計采集溫度信息，不但采集精度低，實時性差，而且操作人員的勞動強度高。此外由于環(huán)境因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)難以采集的問題，特別是在工廠，火災(zāi)等現(xiàn)場，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察和采集溫度，就需要實現(xiàn)能夠?qū)?shù)據(jù)采集并將其傳送到一個地方集中進行處理，以節(jié)約人力，提高效率，但是這樣就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈乃嚕捎趶S房打、需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的方法容易造成資源浪費而且可操作性差，精度不高，這都是在不同程度上限制了工作的進行和展開。因此，高精度，低成本，實時性好

6、的溫度控制系統(tǒng)急需人們?nèi)ラ_發(fā)。溫度的測量和控制對人類日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、氣象預(yù)報、物資倉儲等都起著極其重要的作用。在許多場合，及時準確獲得目標的溫度信息是十分重要的，近年來，溫度測控領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，溫度的測控芯片也相應(yīng)的登上歷史的舞臺，能夠在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域中廣泛使用。市場決定技術(shù)，技術(shù)引導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)，在這樣的環(huán)境下，與溫度控制的相關(guān)的電子類產(chǎn)品的開發(fā)成為了當今的研究熱點。隨著PLC技術(shù)的日益成熟，應(yīng)用范圍的逐漸擴大，以PLC為核心的控制系統(tǒng)，逐漸應(yīng)用到了生活中的很多方面，這不僅克服了溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴重延時性， 節(jié)約了人力，提高了采樣頻率，而且很大程度的提高了控制

7、效果和控制精度。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 國外溫度控制的發(fā)展現(xiàn)狀自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都產(chǎn)生了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。國外溫控系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、適應(yīng)性、參數(shù)自整定等方面取得成果。美國、德國、瑞士等技術(shù)先進的國家都成產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在和行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智

8、能化、小型化等方面快速發(fā)展。1.2.2 我國溫度控制的發(fā)展現(xiàn)狀溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20實際80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，還沒開發(fā)性能可靠的自整定軟件。參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對

9、溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢 1.3 本次論文的主要工作本文研究的是可編程控制器在冷庫溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。本設(shè)計的主要內(nèi)容有：(1)根據(jù)PLC外圍硬件電路，繪制硬件接線圖，(2)選擇PLC型號，繪制主程序流程圖，列I/O分配表，(3)用組態(tài)軟件編制基于PLC的溫度控制系統(tǒng)組態(tài)界面，并編制部分程序，(4)最后進行運行程序的調(diào)試，實現(xiàn)溫度控制的溫度采集與控制降溫器輸出。全文共分為四章，各章內(nèi)容簡介如下：第一章緒論，簡述課題的背景和意義、論題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，介紹論文的主要內(nèi)容；第二章 可編程控制器簡介；第三章 基于可編程控制

10、器的移動工作臺系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)；第四章 系統(tǒng)控制程序的設(shè)計本文最后對全文進行總結(jié)，并指出了研究課題的未來發(fā)展方向。2 可編程控制器簡介2.1 可編程控制器的定義和特點可編程序控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤晳T地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字量或模擬量的輸入接口、輸出接口，控制各種類型機械的生

11、產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的一些問題，如機械式觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。可編程序控制器的定義1：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境

12、下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字量，模擬量的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計?？删幊炭刂破骶哂腥缦绿攸c2：（1）可靠性高，抗干擾能力強可靠性高是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的

13、機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齊全，功能完善，適用性強PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代的PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能模塊大量涌現(xiàn)，使PL

14、C滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。（3）易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言為工程技術(shù)人員所接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)

15、設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。2.2 可編程控制器的結(jié)構(gòu)可編程控制器從結(jié)構(gòu)上分3，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合

16、配置。組合式（模塊式）其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1。圖2.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1)中央處理器CPU（CPU芯片） 中央處理單元(CPU)一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片內(nèi)。CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路相連接。與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按PLC中系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地進行工作。用戶程序和數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，當PLC處于運行方式時，CPU按循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序。      CPU的主要任務(wù)有：控制用戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲；用掃描的方式通過I/O部件接收現(xiàn)場的狀態(tài)

17、或數(shù)據(jù)。并存人輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲器中；診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等；PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進行數(shù)據(jù)傳送、邏輯或算術(shù)運算等；根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制、制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能。      不同型號的PLC其CPU芯片是不同的，有采用通用CPU芯片的，有采用廠家自行設(shè)計的專用CPU芯片的。CPU芯片的性能關(guān)系到PLC處理控制信號的能力與速度，CPU位數(shù)越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運算速度也越快。PLC的功能是隨著CPU芯

18、片技術(shù)的發(fā)展而提高和增強的。(2)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。      系統(tǒng)存儲器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，系統(tǒng)程序固化在ROM內(nèi)，用戶不能直接更改，它使PLC具有基本的功能，能夠完成PLC設(shè)計者規(guī)定的各項工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內(nèi)容主要包括三部分。第一部分為系統(tǒng)管理程序，它主要控制PLC的運行，使整個PLC按部就班地工作。第二部分為用戶指令解釋程序，通過用戶指令解釋程序，將PLC的編程語言變?yōu)闄C器語言指令，再由CPU執(zhí)行這些指令。第三部分為標準程序模塊與系統(tǒng)調(diào)用，它包括許多不

19、同功能的子程序及其調(diào)用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運算等的子程序。PLC的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少也決定了PLC性能的高低。      用戶存儲器包括用戶程序存儲器(程序區(qū))和功能存儲器(數(shù)據(jù)區(qū))兩部分。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)用規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序，以及用戶的系統(tǒng)配置。用戶程序存儲器根據(jù)所選用的存儲器單元類型的不同，可以是RAM(有掉電保護)、EPROM或EEPROM存儲器，其內(nèi)容可以由用戶任意修改或增刪。用戶功能存儲器是用來存放(記憶)用戶程序中使用器件的ON/OFF狀態(tài)數(shù)值數(shù)據(jù)等。用

20、戶存儲器容量的大小，關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。(3)輸入接口電路 輸入接口電路是負責接收外部輸入元件信號電路接口?？捎糜谳斎腴_關(guān)量信號的數(shù)字輸入接口模塊和用于輸入模擬量的模擬信號輸入接口。數(shù)字輸入接口模塊可以由光電耦合電路和微型計算機輸入接口電路組成。采用光電耦合電路與現(xiàn)場輸入信號相連可防止現(xiàn)場的強電干擾信號進入PLC。光電耦合器的抗干擾性能是：由于輸入和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出端信號不會反饋到輸入端，也不會產(chǎn)生地線干擾和其他串擾。 模擬信號輸入接口輸入的模擬量信號分2類4種量，2類分別是電壓型和電流型。電壓型有0-10V和-10到

21、10V。電流型主要有4-20MA，0-20MA。然后模塊再通過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換成+32767-32768之間的數(shù)，然后參與PLC控制。(4)輸出接口電路 輸出接口電路是用于將PLC的運算結(jié)果轉(zhuǎn)換后作用于控制對象上，以便達到控制目的。輸出接口電路分開關(guān)量信號輸出的數(shù)字輸出接口和模擬量輸出的模擬信號輸出接口。數(shù)字輸出接口有驅(qū)動直流負載的大功率晶體管和場效應(yīng)管，驅(qū)動交流負載的雙向晶閘管以及既可以驅(qū)動交流負載也可以驅(qū)動直流負載的小型繼電器。負載電源可由外部現(xiàn)場提供。由于輸入/輸出接口電路采用了光電耦合電路或繼電器隔離電路，使得輸入/輸出電路與內(nèi)部電路在電氣上完全隔離，從而防止了現(xiàn)場隔離干擾，保

22、證PLC能在惡劣的環(huán)境下可靠地工作。模擬量輸出模塊是指PLC可以根據(jù)計算后的輸出要求，在模擬量輸出模塊中進行相應(yīng)精度的D/A轉(zhuǎn)換，可根據(jù)現(xiàn)場要求輸出一定精確度的模擬量信號，用于現(xiàn)場對象的控制。(5)通訊接口現(xiàn)代PLC一個顯著的特點就是具有通訊功能，目前主流的PLC一般都具有RS485（或RS232）通訊接口，以便連接編程設(shè)備、監(jiān)視器、打印機等外圍設(shè)備，或連接諸如變頻器、溫控儀等簡單控制設(shè)備進行簡單的主從式通訊，實現(xiàn)“人一機”或“機機之間的對話。一些先進的PLC上還具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊接口，可以與其他的PLC或計算機相連，組成分布式工業(yè)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)更大規(guī)模的控制，另外還可以與數(shù)據(jù)庫軟件相結(jié)合，實現(xiàn)

23、控制與管理相結(jié)合的綜合控制。(6)電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流信號經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入/輸出接口等內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路。為了減少電源間的相互干擾，輸入/輸出接口電路與內(nèi)部電路間的電源彼此相互獨立。電源的好壞對PLC的可靠性至關(guān)重要。大部分PLC都采用開關(guān)電源供電。(7)底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。(8)PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備1)編程設(shè)備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用

24、于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。 2)人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式輸入模擬量的電位器，打印機等。(9)PLC的通信聯(lián)網(wǎng)依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出"網(wǎng)絡(luò)就是控制器"的觀點說法。 PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使PLC與PLC 之間、PLC與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，

25、實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。PLC的通信，還未實現(xiàn)互操作性，IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標準，PLC各廠家均有采用。對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講，選擇網(wǎng)絡(luò)非常重要的。首先，網(wǎng)絡(luò)必須是開放的，以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴展；其次，針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求，選擇網(wǎng)絡(luò)的形式，這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標準的協(xié)議、機制的前提下進行；再次，綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題，確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標準。2.3 可編程控制器的工作原理介紹可編程控制器的工作原理4。PLC的掃描工作過程如圖2.2

26、所示。圖2.2 PLC的掃描工作過程當PLC投入運行后，整個PLC其工作過程一般分為三個階段：即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。PLC的掃描工作過程如圖2.2所示 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。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。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個

27、掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。 用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(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。 即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和

28、數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。 輸出刷新階段 當掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才

29、是可編程邏輯控制器的真正輸出。3 基于可編程控制器的冷庫溫控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)控制要求(1)基本內(nèi)容利用PLC對溫度控制系統(tǒng)進行設(shè)計,從而保證了控制系統(tǒng)的快速性、準確性、合理性,更好地滿足實際生產(chǎn)需要。(2)基本要求要求在分析溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)特性及工作循環(huán)流程的基礎(chǔ)上,給出應(yīng)用S7-200系列可編程序控制器對其進行系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計方案對系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計要做詳細闡述。(3)發(fā)揮部分學生在實現(xiàn)溫控系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，還可根據(jù)實際需要實現(xiàn)以下控制功能：啟動后，冷庫開始降溫，并維持在-8攝氏度左右。按下停止按鈕后，冷庫停止降溫，停止燈亮，溫度開始上升。當溫度越下限時，系統(tǒng)報警。當溫度越上

30、限時，系統(tǒng)報警。3.2 可編程控制器的選型S7-200系列PLC5可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器等。S7-200系列的基本單元如表3.1所示。表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元型號輸入/輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU2216/40S7-200CPU2228/62個擴展模塊S7-200CPU22424/107個擴展模塊S7-200CPU224XP24/167個擴展模塊S7-200CPU22624/167個擴展模塊本論文采用的是CUP2265。它具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點?？蛇B接

31、7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量I/O點或35 路模擬量I/O點。26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.3 I/O點及地址分配根據(jù)控制要求，對可編程控制器的I/O點及地址進行分配，詳見表3.2所示。表3.2 可編程控制器的I/O點及地址進行分配輸入I0

32、.0啟動按鈕I0.1停止按鈕輸出Q0.1啟動指示燈Q0.2停止指示燈Q0.3正常運行指示燈Q0.4溫度越上限報警指示燈Q0.5鍋爐加熱指示燈3.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖 給出系統(tǒng)輸入輸出接線圖及PLC接口設(shè)計,如圖3.1和3.2所示。圖3.1 硬件連接圖圖3.2 EM 235 CN連接圖3.5 其他元件的選型(1)傳感器6熱電偶是一種感溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標

33、準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。本論文采用的是K型熱電阻。(2)EM 235模擬量輸入模塊EM 235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉(zhuǎn)換DC 15V或通過500電阻 轉(zhuǎn)換DC210V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。如表3

34、.2所示為如何用DIP開關(guān)設(shè)置EM 235模塊。開關(guān)1到6可選擇模擬量輸入范圍和分辨率。所有的輸入設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式。表3.2所示為如何選擇單/雙極性（開關(guān)6）、增益（開關(guān)4和5）和衰減（開關(guān)1、2和3）。下表3.2中，ON為接通，OFF為斷開。表3.2 EM 235選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFO

35、FFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV根據(jù)溫度檢測和控制模塊，我設(shè)置PID開關(guān)為010001，如表3.3所示圖3.3 DIP開關(guān)(3)溫度檢測和控制模塊模擬真實冷庫的溫度檢測和控制模塊，可自行將010V模擬信號轉(zhuǎn)化為占空比對鍋爐進行加熱。輸出的模擬信號也是010V，冷庫設(shè)備外接24V直流電源。4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計4.1 控制系統(tǒng)的流程圖控制流程圖，主要分為以下三個部分：(1)主程序：初始化子程序，并調(diào)用子程序，如圖4.1。圖4.1 主程序 (2)子程序：子程序在調(diào)用時被進行掃描，在掃描結(jié)束后返回主程序，如

36、圖4.2。圖4.2 子程序（3）中斷程序：在掃描到中斷點時，如果中斷開啟，程序中斷掃描，進入中斷程序，只有在中斷結(jié)束后才會返回原來的程序，如圖4.3。圖4.3 中斷程序4.2 控制程序的設(shè)計(1)初次上電的一段程序說：1)讀入模擬信號，并把數(shù)值轉(zhuǎn)化顯示冷庫室內(nèi)的當前電壓2)判斷冷庫溫度是否在正常范圍，打亮正常運行指示燈/溫度越上限報警指示燈 (2)啟動/停止階段的一段程序說：1）啟動過程：按下啟動按鈕后，開始標志位M0.1置位，M0.2復(fù)位。打開運行指示燈Q0.0，熄滅并停止指示燈初始化PID。開始運行子程序。2）停止過程：按下停止按鈕后，開始標志位M0.1復(fù)位，點亮停止指示燈，熄滅運行指示燈

37、。并把輸出模擬量AQW0清零，停止冷庫制冷設(shè)備繼續(xù)降溫。停止調(diào)用子程序0，仍然顯示當前冷庫溫度。3）停止時模擬量輸出清零，防止設(shè)備繼續(xù)降溫(3)子程序的一段程序說：1）輸入設(shè)定溫度2）把設(shè)定溫度、P值、I值、D值都導(dǎo)入PID3）每100ms中斷一次子程序進行PID運算(4)中斷程序，PID的計算的一段程序說：1）模擬信號的采樣處理，歸一化導(dǎo)入PID2）DIP程序運算3）輸出DIP運算結(jié)果，逆轉(zhuǎn)換為模擬信號4.3 組態(tài)王PLC通訊配置與方式(1)串行數(shù)據(jù)傳送和并行數(shù)據(jù)傳送1)并行數(shù)據(jù)傳送：并行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)據(jù)位是同時進行的，以字或字節(jié)為單位傳送。并行傳輸速度快，但通信線路多、成本高，適合近距離數(shù)據(jù)高速傳送。2)串行數(shù)據(jù)傳送：串行數(shù)據(jù)傳送時所有數(shù)