基于PLC的攪拌器控制系統(tǒng)設計

基于PLC的攪拌器控制系統(tǒng)設計摘要隨著PLC等許多處理器的開展，自動控制模式的電動機的數量越來越多。傳統(tǒng)的控制方式因技術手段落后、生產效率低等弊端已不能適應企業(yè)生產的需要。本文主要介紹采用西門子PLC實現對液體攪拌系統(tǒng)進行自動控制?；赑LC構成的用于兩種液體自動混合、自動攪拌和自動放料系統(tǒng)的控制目標、硬件組成、軟件設計及系統(tǒng)功能，能模擬顯示液體攪拌系統(tǒng)的全部工作過程。系統(tǒng)硬件主要由S7-300可編程控制器、電磁閥、泵以及液位變送器等組成，編程軟件采用采用西門子編程軟件STEP7。系統(tǒng)通過液位變送器將采集到的現場液位高度傳送給西門子PLC，并由PLC對現場數據邏輯處理后，發(fā)出相應的控制指令，完成系統(tǒng)的自動控制。最后，系統(tǒng)使用RS-232接口與上位機相連實現PLC與計算機的通訊。系統(tǒng)不僅自動化程度高，靈活性強,還具有在線修改功能，可滿足不同的生產工藝要求。關鍵字：PLC，液體攪拌系統(tǒng)，液位變送器，電磁閥DESIGNOFINDUSTRIALMIXINGPROCESSCONTROLSYSTEMBASEDONPLCABSTRACTWiththedevelopmentofPLC,therearemoreandmoreautomaticcontrolelectromotor.Thetraditionalwayofcontrollingcannotmeettheneedsofenterpriseproductionforitsinlowefficiencyandlowproductivity.ThispaperintroducestherationalapplicationofSIEMENSPLCintheautomaticcontrolsystemofliquidmixer.PLC-basedliquidcompositionforthetwoauto-mixing,automaticmixingandautomaticdischargesystem,controlobjectives,hardwarecomponents,softwaredesignandsystemcapabilitiesofliquidmixingsystemsimulationshowthatalltheworkprocess.TheSystemhardwareismainlyformedbytheS7-300programmablelogiccontroller,electromagneticvalve,pumpandliquidlocationsensor,programmingsoftwareusingSiemensSTEP7.TheSystemthroughtheliquidlocationsensorcollectedlevelinformationtoSiemensPLCandthenthePLCdealwithon-sitedata,andsendingcorrespondingcontrolcommandtocompletethesystemofautomaticcontrol.AtlastsystemisrealizedthecommunicationbetweenPLCandtheuppercomputerbyusingtheconnectionofRS-232.Thissystemnotonlyhashighautomationlevelandgreatmobilitybutalsocanaltertheparameteronline,itcanuseinkindsofliquidlocationcontrolsystems.Keywords:PLC，liquidmixingsystem，liquidlocationsensor，electromagneticvalve目錄1.緒論11.1液體攪拌系統(tǒng)的簡介11.2液體攪拌系統(tǒng)組成21.3PLC在液體攪拌系統(tǒng)中的應用22.可編程控制器42.1可編程控制器的開展42.1.1PLC技術開展概況52.1.2可編程控制器在我國的開展62.2PLC的分類72.3PLC的工作原理82.4可編程控制器實現控制的要點102.4.1可編程控制器根本特點112.5PLC的主要技術指標及抗干擾分析132.5.1干擾源及干擾一般分類142.5.2PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源142.5.3PLC控制系統(tǒng)工程應用的抗干擾設計172.5.4主要抗干擾措施172.6西門子S7-300可編程控制器簡述182.7SIMATICS7-300系列PLC系統(tǒng)根本構成182.7.1SIMATICS7-300的組成192.7.2S7-300的擴展能力202.7.3S7-300模塊地址確實定202.8S7—300式PLC的CPU簡介213．控制系統(tǒng)硬件設計243.1系統(tǒng)工業(yè)流程243.2液位變送器的選擇243.3電磁閥的介紹253.3.1電磁閥的分類及特點253.3.2電磁閥的選擇263.4接觸器及選用273.4.1接觸器的分類和結構283.4.2接觸器的工作原理及選用283.5中間繼電器293.6PLC選型303.7系統(tǒng)主電路工作原理313.8系統(tǒng)控制電路工作原理324．控制系統(tǒng)軟件設計344.1PLC編程軟件STEP7344.2PLC控制流程354.3系統(tǒng)的程序設計35結論43致謝44參考文獻451.緒論1.1液體攪拌系統(tǒng)的簡介目前，我國的液體攪拌系統(tǒng)大局部采用傳統(tǒng)的繼電器進行控制，這種方法耗能大，浪費大，攪拌效果不好，給工廠浪費很多資金，同時對噪聲污染也很嚴重。隨著計算機技術的飛速開展，生產廠家對生產的自動化水平有了更高的要求。所以，對攪拌系統(tǒng)應該進行改良，使它可以靈活的根據液體的不同而進行混料的濃度可調，從而到達節(jié)能環(huán)保目的。液體攪拌系統(tǒng)由原料罐，混料罐，出料罐組成。它先將兩種原料送混料罐，然后在混料罐內混合，最后，送出料罐出料。兩種原料液體進料時到達設定的液面時停止進料，且攪拌器攪拌時間可根據濃度的不同而自行設定。設計要求在混料罐內混合兩種液體，首先確定混料罐內無殘留液體，即讓放料閥翻開10s，然后注入A液體，當A液面上升到L位時關斷A液；B液開始注入,B液面上升到H位時關斷B液，進液動作停止；攪拌電機M開始攪拌，攪拌均勻后(時間設定為20s)停止；出料閥翻開，兩個出料泵按照順序進行工作，實現出料，當出料動作結束后整個系統(tǒng)停止工作。根據上述設想，決定采用可編程控制器〔PLC〕、電磁閥、泵、電機以及液位變送器進行設計。為了實現液體攪拌系統(tǒng)的控制需要，系統(tǒng)使用PLC為控制核心。系統(tǒng)通過液位變送器采集現場液位高度并將其轉換成4～20mA的電流信號送PLC，PLC根據現場狀況及外部輸入指令控制攪拌系統(tǒng)，并顯示操作指示及發(fā)出報警。系統(tǒng)的控制框圖如圖1-1所示。圖1-1系統(tǒng)控制框圖根據系統(tǒng)的工藝流程整個液體攪拌控制系統(tǒng)過程可分成多個階段：根本液位控制過程、模擬量信號采集、報警指示。(1)根本液位控制過程：按控制要求，實現進料及出料時進料罐和出料罐的根本液位控制。(2)模擬量信號采集：通過液位變送器及A/D轉換器完成現場液位的采集過程。(3)報警指示：當超過所設定的液位時，報警輸出。液體攪拌系統(tǒng)組成為實現液位的采樣、自動控制，系統(tǒng)必須包括硬件局部和軟件局部。硬件局部由可編程控制器、液位變送器、電磁閥、電機、泵、A/D轉換器、RS-232電纜接口組成。軟件局部由PLC編程軟件組成。(1)系統(tǒng)硬件組成及功能：=1\*GB3①可編程控制器：系統(tǒng)下位機選用西門子S7-300型PLC，作為整個系統(tǒng)的控制核心，主要用于實現自動控制。=2\*GB3②電磁閥：選用DF2型二位二通〔常閉〕電磁閥，用來控制進料及出料時液體的流動。=3\*GB3③接觸器：選用CJ10-20交流接觸器，用于控制電機、泵。=4\*GB3④中間繼電器：選用JZ14-44Z型中間繼電器，主要起中繼作用，與接觸器配合使用。=5\*GB3⑤液位變送器：選用HP-31B液位變送器，并轉換成4～20mA的電流輸入S7-300,用于采集現場液位數據。=6\*GB3⑥A/D轉換器：選用西門子四通道模擬量輸入模塊S7-300，用于將采集到的現場液位數據傳送給PLC。=7\*GB3⑦RS-232電纜接口：用于連接PLC及上位機。(2)系統(tǒng)軟件組成：PLC編程軟件：由于系統(tǒng)采用西門子的PLC，故也是使用西門子PLC編程軟件STEP7，用于編寫PLC控制程序。PLC在液體攪拌系統(tǒng)中的應用在化工、機械等行業(yè)的生產過程中，液體攪拌是十分重要也是必不可少的重要環(huán)節(jié)，液體攪拌的關鍵是保證混料過程中原料的準確性和比例以及保證原料的充分混合。采用通用計算機控制，盡管可以到達控制精度，但本錢高，對工作環(huán)境要求高，對現場操作人員要求也高。采用PLC實現液體攪拌控制，不但可以對液體攪拌過程的各個環(huán)節(jié)精確控制，而且大大降低本錢，可直接應用于工業(yè)現場，對現場操作人員的要求也不高。以往常采用傳統(tǒng)的繼電器控制液體攪拌系統(tǒng)，使用硬件連接電器多，可靠性差，自動化程度不高，為了克服上述缺點，目前采用先進控制器對傳統(tǒng)接觸控制進行改造，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性和自控程度，為生產提供了更可靠的保障。本文在此介紹一種采用可編程控制器對液體攪拌系統(tǒng)進行控制的方法，其電路結構簡單，投資少，可靠性好，自動化程度高。2.可編程控制器可編程控制器的開展可編程序控制器〔ProgrammableLogicController，簡稱PLC?！呈且晕⑻幚砥鳛楦?，綜合計算機、通信、聯(lián)網以及自動控制技術而開發(fā)的新一代工業(yè)控制裝置。可編程序控制器在我國的開展與應用已有30多年的歷史，現在它已經廣泛應用于國民經濟的各個工業(yè)生產領域，成為提高傳統(tǒng)工業(yè)裝備水平和技術能力的重要設備和強大支柱。隨著全球一體化經濟的開展，努力開展可編程序控制器在我國的大規(guī)模應用，形成具有自主知識產權的可編程序控制器技術，應該是廣闊技術人員努力的方向[1]?？删幊绦蚩刂破鲉柺烙?0世紀60年代，當時的可編程序控制器功能都很簡單，只有邏輯、定時、計數等功能；硬件方面用于可編程序控制器的集成電路還沒有投入大規(guī)模工業(yè)化生產，CPU以分立元件組成；存儲器為磁心存儲器，存儲容量有限；用戶指令一般只有二三十條，還沒有成型的編程語言；機型單一，沒有形成系列。一臺可編程序控制器最多只能替代200～300個繼電器組成的控制系統(tǒng)，在體積方面，與現在的可編程序控制器相比，可以說是龐然大物。進入70年代，隨著中小規(guī)模集成電路的工業(yè)化生產，可編程序控制器技術得到了較大的開展?？删幊绦蚩刂破鞴δ艹壿嬤\算外，增加了數值運算、計算機接口、模擬量控制等，可靠性進一步提高，初步形成系列，結構上開始有模塊式和整體式的區(qū)分，整機功能從專用向通用過渡。軟件開發(fā)有自診斷程序，程序存儲開始使用EPROM。70年代后期和80年代初期，微處理器技術日趨成熟，單片微處理器、半導體存儲器進入工業(yè)化生產，大規(guī)模集成電路開始普遍應用?？删幊绦蚩刂破鏖_始向多處理器開展，使可編程序控制器的功能和處理速度大為增強，并具有通信和遠程I/O能力，增加了多種特殊功能，如浮點運算、三角函數、查表、列表等，自診斷和容錯技術也迅速開展。80年代后期到90年代中期，隨著計算機和網絡技術的普及應用，超大規(guī)模集成電路、門陣列以及專用集成電路的迅速開展，可編程序控制器的CPU已開展為由16位或32位微處理器構成，處理速度得到很大提高，高速計數、中斷、PID、運動控制等功能引入了可編程序控制器。使得可編程序控制器能夠滿足工業(yè)生產過程的各個領域，可編程序控制器已完全取代了傳統(tǒng)的邏輯控制裝置，模擬量儀表控制裝置和以小型機為核心的DDC〔直接數字控制〕控制裝置。由于聯(lián)網能力增強，既可和上位計算機聯(lián)網，也可以下掛遠程I/O，從而組成分布式控制系統(tǒng)〔DCS〕已無困難。梯形圖語言和語句表語言完全成熟，根本上標準化，SFC〔順序功能圖〕語言逐步普及，專用的編程器已被個人計算機和相應編程軟件所替代，人機界面裝置日趨完善，已能進行對整個工廠的監(jiān)控、管理，并開展了冗余技術，大大加強了可靠性。PLC技術開展概況以往的順序控制主要由繼電器組成，由此構成的控制系統(tǒng)都是按預先設定好的時間或條件順序的工作，假設要改變控制的順序就必需改變控制器的硬件接線，使用起來不靈活。1968年，美國最大的汽車制造商——通用汽車公司為了適應生產工藝不斷更新的需要，要求尋找一種更好的控制器。1969年，美國數字設備公司〔DEC公司〕研制出第一臺可編程序控制器PDP-14，在美國通用汽車公司的生產線上試用成功，PLC由此誕生。70年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現，使8位微處理器和位片處理器相繼問世，使可編程控制技術產生了飛躍。在邏輯運算功能的根底上，增加了數值運算，閉環(huán)控制，提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、德國和法國相繼研制出自己的PLC，我國在1974年也開始研制。70年代末由于超大規(guī)模集成電路的出現，使PLC向大規(guī)模、高性能方向開展，形成了多種系列化產品。這時面向工程技術人員的編程語言開展成熟，出現了工藝人員使用的圖形語言。在功能上PLC已可以代替某些模擬控制裝置和小型機的DDC系統(tǒng)。進入八九十年代后，PLC的軟硬件功能進一步得到加強，PLC已開展成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)，能與其他設備通信，生成報表，調度產出，可診斷自身故障及機器故障。這些改良使PLC符合今天對高質量高產出的要求。盡管PLC功能越來越強，但它仍然保存了先前的簡單與易于使用的特點。PLC未來的開展不僅依賴于對新產品的開發(fā)，還在于PLC與其他工業(yè)控制設備和工廠管理技術的綜合。無疑，PLC將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。目前PLC朝以下幾個方向開展：(1)大型網絡化：網絡化和強通信能力是PLC開展的一個主要的方面，向下與多個智能裝置相連，向上與工業(yè)計算機、以太網等相連構成特殊的控制任務。(2)多功能：為了適應特殊功能的需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量輸入輸出、回路控制、通信控制、機械運動控制、高速計數、中斷輸入等。這些智能模塊以處理器為根底，其CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機CPU時間很少，有利于提高PLC掃描速度和完成特殊的控制任務。(3)高可靠性、好兼容性：由于現代控制系統(tǒng)的可靠性和兼容性日漸受到人們的重視，一些公司將自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中。可編程控制器在我國的開展我國可編程序控制器的開展與國際上的開展有所不同，國際上可編程序控制器的開展是從研制、開發(fā)、生產到應用，而我國那么是從成套設備引進、可編程序控制器引進應用、消化移植、合資生產到廣泛應用。大致可劃分為下述三個階段：(1)可編程序控制器的初級認識階段〔70年代后期到80年代初期〕國際上可編程序控制器的開展，首先引起了國內工程技術界的極大興趣，所以我國對可編程序控制器的認識始于70年代后期到80年代初期的成套設備引進中。正是在成套設備引進過程中，我們翻開了眼界，了解認識了可編程序控制器，這也促進了可編程序控制器在我國的開展。(2)可編程序控制器的引進應用和消化移植階段〔80年代初期到90年代初期〕80年代初期開始，隨著我國改革開放的不斷深入，在成套設備引進的同時，國外原裝的可編程序控制器開始涌入國內市場。許多部門和單位相繼引進可編程序控制器并自己設計組成控制系統(tǒng)，其應用范圍也擴大到建材、輕工、煤炭、水處理、食品、制藥、造紙、橡膠和精細化工等工業(yè)領域。隨著應用能力的提高和市場需求的擴大，一些部門和單位本著技貿結合、消化移植的方針，一方面進行二次開發(fā)和應用研究，一方面也在引進可編程序控制器的生產線，建立生產可編程序控制器的合資企業(yè)，積極開發(fā)自己的產品。(3)可編程序控制器的廣泛開展階段〔90年代初期到現在〕進入90年代，我國的可編程序控制器進入了廣泛開展階段，主要表現在以下幾個方面：=1\*GB3①政府重視：1991年成立了可編程序控制器行業(yè)協(xié)會?？删幊绦蚩刂破餍袠I(yè)協(xié)會在政府和企事業(yè)之間起到了橋梁作用，溝通了情況，為做出決策提供了依據。1993年成立了可編程序控制器標準化技術委員會，為我國可編程序控制器的進一步開展打下了根底。=2\*GB3②應用更加廣泛。這一階段可編程序控制器的應用已經滲透到國民經濟的各個部門和工業(yè)過程的各個角落，已成為企業(yè)提高裝備技術水平的重要標志。PLC的分類可編程控制器一般從點數、功能、結構形式和流派等方面進行分類[2]。(1)根據點數和功能進行分類根據點數和功能可以分為小型、中型和大型PLC。小型PLC的輸入/輸出端子數量為256點以下；中型PLC的輸入/輸出端子數量為1024點以下；大型PLC的輸入/輸出端子數量為1024以上。小型PLC、中型PLC和大型PLC不光表達在輸入輸出端子數量上，更重要的是功能的差異。小型PLC主要用于完成邏輯運算、計時、計數、移位、步進控制等功能。中型PLC的功能，除完成小型PLC的功能外，還有模擬量控制、算術運算、數據傳送和矩陣等功能。大型PLC，除完成中型PLC的功能外，還有更強的連網、監(jiān)視、記錄、打印、中斷、智能、遠程控制等功能。另外，小型、中型和大型PLC的分類不是絕對的，有些小型PLC的功能可以具備局部中型PLC的功能。(2)根據結構形式進行分類按照結構形式分，PLC有整體式和模塊式兩種。①整體式PLC是一個整體，其所有部件均在一個盒內。它的優(yōu)點是結構緊湊、體積較小，本錢低，安裝方便，缺點是輸入輸出點數是固定的，不一定能適應具體的控制現場的需要。整體PLC根據需要也可以進行擴展。②模塊式PLC是由多個模塊組成的，通過內部總線連接在一起，用戶可以根據需要組建自己的PLC系統(tǒng)。模塊式PLC的優(yōu)點是1/O模塊及I/O點數可根據用戶需要靈活組合，擴展能力強、使用方便、便于維修。缺點是體積較大、插件較多，影響工作的可靠性，并且價格較高。(3)PLC的流派分類世界上PLC的生產廠家約200多家，生產的產品大概有400多種。按地域分為4個流派：①美國產品，性價比適中，使用比擬方便；②歐洲產品，性價比適中，易用性一般，擴展性強；③日本產品，性價比高，使用方便，擴展性一般；④中國產品，性價比特別高，使用比擬方便，擴展性一般。PLC的工作原理由于PLC具有比計算機更強的與工業(yè)過程相連的接口，具有更適應與控制要求的編程語言，因此，PLC可以被視為是一種特殊的工業(yè)控制計算機[3]。但由于有特殊的接口器件及監(jiān)控軟件，其外形不像計算機，編程語言、工作原理與普通計算機相比也有一定的區(qū)別。另一方面它作為繼電器控制電路的替代物，由于其核心是計算機芯片，因而與繼電器控制邏輯的工作過程也有很大差異。普通計算機一般采用等待命令的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式。當按下鍵盤或I/O動作后，計算機轉入相應的子程序運行，無鍵按下或無I/O動作責那么繼續(xù)掃描；PLC那么采用循環(huán)掃描的方式，整個掃描過程分為輸入采樣、內部處理、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新4階段。PLC周而復始的循環(huán)執(zhí)行這4個階段，這種工作方式稱為掃描工作方式。PLC每重復一次這4個階段所用的時間稱為一個掃描周期〔或稱循環(huán)周期、工作周期〕。內部處理階段是運行PLC內部系統(tǒng)的管理程序，該程序是廠家在PLC出廠時就已經固化好了的，與用戶的控制程序無關，一般比擬固定，其運行時間與用戶程序運行時間相比要短的多。因此，為了理解上的方便，通常忽略內部處理階段，而認為PLC的工作過程為3個階段：輸入采樣階段、用戶執(zhí)行階段、輸入刷新階段。并近似的認為每重復一次這3個階段所用的時間為一個掃描周期。PLC的工作過程圖如圖2-1所示。(1)輸入采樣階段PLC以掃描工作方式，按順序將所有信號輸入到存放輸入狀態(tài)的輸入映像存放器中存儲，這一過程稱為采樣。在這個工作周期內，這個采樣結果的內容不會變，而且這個采樣結果將在PLC執(zhí)行程序時被執(zhí)行。圖2-1PLC的工作過程圖(2)程序執(zhí)行階段PLC按順序對程序進行掃描，即從上到下、從左到右的掃描每條指令，并分別從輸入映像存放器、內部元件存放器〔內部存放器、定時器、計數器等〕和輸出映像存放器中獲取所需的數據進行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結果寫入存放執(zhí)行結果的輸出映像存放器中進行保存。但這個結果在整個程序未執(zhí)行完畢之前不會送到輸出端口上。這就是說反映各輸出元件狀態(tài)的輸出元件映像存儲器中所儲存的內容才固定下來。這里要注意，當執(zhí)行控制程序時，如果程序要求某個輸出繼電器動作，此時這個動作要求并沒有直接實時的傳送到該繼電器，而只是將輸出映像存儲器中代表該繼電器的對應位置“1〞，在所有程序段都執(zhí)行完畢后，才將全部程序執(zhí)行后產生的輸出結果〔輸出映像存儲器的內容〕一次送到輸出鎖存器。PLC的這種工作方式同一般單純用硬件組成的控制電路或由控制計算機組成的控制電路是不同的。(3)輸出刷新階段在執(zhí)行完所有用戶程序后PLC將映像存放器中的內容送入到存放輸出狀態(tài)的輸出鎖存器中，再去驅動用戶設備，這就是輸出刷新。PLC重復執(zhí)行上述三個階段，每重復一次的時間即為一個掃描周期，用T表示。PLC在一個掃描周期中，輸入掃描和輸出刷新的時間一般為4ms左右，而程序執(zhí)行時間可因程序的長度不同而不同。PLC的一個掃描周期一般為40~100ms。PLC的掃描工作是重復進行的，因此，其輸出和輸入存儲器不斷被刷新〔I/O刷新〕。一個掃描周期內輸入刷新之前，假設外部輸入信號狀態(tài)沒有變化，那么此次的輸入刷新就沒有變化，經運算處理后，相應的輸出刷新和輸出控制信號也沒有變化，只是重新被刷新一次。假設在一個掃描周期內，輸入刷新之前，輸入的外部輸入信號狀態(tài)發(fā)生了變化，那么此次輸入刷新就有了變化，經運算處理后，其輸出刷新和輸出的控制信號也可能有變化。不管輸出控制信號有沒有變化，一個掃描周期內對所有輸出只刷新一次，即前一次和后一次的輸出狀態(tài)的變化，至少要經歷一個掃描周期的時間。PLC工作的主要特點是輸出信號集中批處理，執(zhí)行過程集中批處理，輸出控制也集中批處理。PLC的這種“串行工作方式〞，可以防止繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中觸點競爭和時序失配的問題，還可以增強系統(tǒng)抗干擾能力。由于干擾一般是脈沖式的、短時的，只要PLC不是正好工作在輸入刷新階段，就不會受到干擾的影響，因此，瞬間干擾所引起的誤動作就會大大減少，從而增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，這是PLC可靠性高的原因之一。但是這種工作方式又導致輸出對輸入在時間上的滯后，對于要求快速響應的控制系統(tǒng)，這也是PLC的缺點之一。還需要指出一點，在PLC中常采用一種被稱為“看門狗〞〔Watchdog〕的監(jiān)視定時器來監(jiān)視PLC的實際工作周期是否超出預定的時間，以防止PLC在執(zhí)行程序過程中進入死循環(huán)，或“跑飛〞〔PLC執(zhí)行非預定的程序〕而造成系統(tǒng)癱瘓。2.4可編程控制器實現控制的要點入出信息變換、可靠物理實現，可以說是PLC實現控制的兩個根本要點[1]。入出信息變換靠運行存儲于PLC內存中的程序實現。PLC程序既有生產廠家的系統(tǒng)程序(不可更改)，又有用戶自行開發(fā)的應用〔用戶〕程序。系統(tǒng)程序提供運行平臺，同時，還為PLC程序可靠運行及信號與信息轉換進行必要的公共處理。用戶程序由用戶按控制要求設計。什么樣的控制要求，就應有什么樣的用戶程序?？煽课锢韺崿F主要靠輸人〔INPUT〕及輸出〔OUTPUT〕電路。PLC的I/O電路，都是專門設計的。輸入電路要對輸入信號進行濾波，以去掉高頻干擾。而且與內部計算機電路在電上是隔離的，靠光耦元件建立聯(lián)系。輸出電路內外也是電隔離的，靠光耦元件或輸出繼電器建立聯(lián)系。輸出電路還要進行功率放大，以足以帶動一般的工業(yè)控制元器件，如電磁閥、接觸器等等。I/O電路是很多的，每一輸入點或輸出點都要有一個輸入或輸出電路。PLC有多I/O用點，一般也就有多少個I/O用電路。但由于它們都是由高度集成化的電路組成的，所以，所占體積并不大。輸入電路時刻監(jiān)視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。每一輸入點都有一個對應的存儲其信息的暫存器。輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點。輸出鎖存器與輸出點也是一一對應的，這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際就是PLC處理器I/O口的存放器。它們與計算機內存交換信息通過計算機總線，并主要由運行系統(tǒng)程序實現。把輸人暫存器的信息讀到PLC的內存中，稱輸入刷新。PLC內存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應位〔bit〕稱之為輸入繼電器，或稱軟接點。這些位置成1，表示接點通，置成0為接點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入狀態(tài)。輸出鎖存器與PLC內存中的輸出映射區(qū)也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內存位〔bit〕與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈。靠運行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)映射到輸出鎖存器，這個映射也稱輸出刷新。輸出刷新主要也是靠運行系統(tǒng)程序實現的。這樣，用戶所要編的程序只是，內存中輸入映射區(qū)到輸出映射區(qū)的變換，特別是怎么按輸入的時序變換成輸出的時序。這是一個數據及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的，而且也是較為容易的。可編程控制器根本特點從討論PLC的工作原理知，PLC的輸入與輸出在物理上是彼此隔開的，其間的聯(lián)系是靠運行存儲于它的內存中的程序實現。它的出入相關，不是靠物理過程，不是用線路；而是靠信息過程，用軟邏輯聯(lián)系。它的工作根底是用好信息。信息不同于物質與能量，有自身的規(guī)律。信息便于處理，便于傳遞，便于存儲，信息還可重用等等。正是由于信息的這些特點，決定了PLC的根本特點[4]。下面介紹PLC的四個特點。(1)功能豐富PLC的功能非常豐富。這主要與它具有豐富的處理信息的指令系統(tǒng)及存儲信息的內部器件有關。它的指令多達幾十條、幾百條，可進行各式各樣的邏輯問題的處理，還可進行各種類型數據的運算。凡普通計算機能做到的，它也都可作到。它的數據存儲區(qū)還可用以存儲大量數據，幾百、幾千、幾萬字的信息都可以存，而且，掉電后還不喪失。PLC還有豐富的外部設備，可建立友好的人機界面，以進行信息交換?？伤腿氤绦颍腿霐祿?，可讀出程序，讀出數據。而且讀、寫時可在圖文并茂的畫面上進行。數據讀出后，可轉儲，可打印，數據送入可鍵入，可以讀卡入等等。PLC還具有通訊接口，可與計算機鏈接或聯(lián)網，與計算機交換信息。自身也可聯(lián)網，以形成單機所不能有的更大的、地域更廣的控制系統(tǒng)。PLC還有強大的自檢功能，可進行自診斷，其結果可自動記錄。這為它的維修增加了透明度，提供了方便。(2)使用方便用PLC實現對系統(tǒng)的控制是非常方便的。首先PLC控制邏輯的建立是程序，用程序代替硬件接線。編程序比接線，更改程序比更改接線，當然要方便得多。其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成為種種小型化的模塊。而且，這些模塊是配套的，已實現了系列化與規(guī)格化。種種控制系統(tǒng)所需的模塊，PLC廠家多有現貨供給，市場上即可購得。所以，硬件系統(tǒng)配置與建造也非常方便。正因如此，用可編程序控制器才有這個“可〞字。對軟件講，它的程序可編，也不難編。對硬件講，它的配置可變，而且也易于變。具體地講，PLC有五個方面的方便：①配置方便：可接控制系統(tǒng)的需要確定要使用哪家的PLC，那種類型的，用什么模塊，要多少模塊，確定后，到市場上定貨購置即可。②安裝方便：PLC硬件安裝簡單，組裝容易。外部接線有接線器，接線簡單，而且一次接好后，更換模塊時，把接線器安裝到新模塊上即可，都不必再接線。內部什么線都不要接，只要作些必要的DIP開關設定或軟件設定，以及編制好用戶程序就可工作。③編程方便：PLC內部雖然沒有什么實際的繼電器、時間繼電器、計數器，但它通過程序〔軟件〕與系統(tǒng)內存，這些器件卻實實在在地存在著。PLC的指令系統(tǒng)也非常豐富，可毫不困難地實現種種開關量，以及模擬量的控制。PLC還有存儲數據的內存區(qū)，可存儲控制過程的所有要保存的信息?？傊?，由于PLC功能之強，發(fā)揮其在控制系統(tǒng)的作用，所受的限制已不是PLC本身，而是人們的想象力，或與其配套的其它硬件設施了。PLC的外設很豐富，編程器種類很多，用起來都較方便，還有數據監(jiān)控器，可監(jiān)控PLC的工作。使用PLC的軟件也很多，不僅可用類似于繼電電路設計的梯形圖語言，有的還可用BASIC語言、C語言，以至于自然語言。這些也為PLC編程提供了方便。④維修方便：首先PLC工作可靠，出現故障的情況不多，這大大減輕了維修的工作量。其次即使PLC出現故障，維修也很方便。這是因為PLC都設有很多故障提示信號，如PLC支持內存保持數據的電池電壓缺乏，相應的就有電壓低信號指示。而且，PLC本身還可作故障情況記錄。所以，PLC出了故障，很易診斷。同時，診斷出故障后排故也很簡單。⑤改用方便：PLC用于某設備，假設這個設備不再使用了，其所用的PLC還可給別的設備使用，只要改編一下程序，就可辦到。(3)工作可靠用PLC實現對系統(tǒng)的控制是非常可靠的。這是因為PLC在硬件與軟件兩個方面都采取了很多措施，確保它能可靠工作。事實上，如果PLC工作不可靠，就無法在工業(yè)環(huán)境下運用，也就不成其為PLC了。①在硬件方面：PLC的輸入輸出電路與內部CPU是電隔離，其信息靠光耦器件或電磁器件傳遞。而且，CPU板還有抗電磁干擾的屏蔽措施。故可確保PLC程序的運行不受外界的電與磁干擾，能正常地工作。②在軟件方面：PLC的工作方式為掃描加中斷，這既可保證它能有序地工作，防止繼電控制系統(tǒng)常出現的“冒險競爭〞，其控制結果總是確定的；而且又能應急處理急于處理的控制，保證了PLC對應急情況的及時響應，使PLC能可靠地工作。PLC還有很多防止及檢測故障的指令，以產生各重要模塊工作正常與否的提示信號?？赏ㄟ^編制相應的用戶程序，對PLC的工作狀況，以及PLC所控制的系統(tǒng)進行監(jiān)控，以確保其可靠工作。(4)經濟合算高新技術的使用必將帶來巨大的社會效益與經濟效益，這是科技是第一生產力的表達，也是高新技術生命力之所在。PLC也是如此。盡管使用PLC首次投資要大些，但從全面及長遠看，使用PLC還是經濟的。使用PLC的投資雖大，但它的體積小、所占空間小，輔助設施的投入少；使用時省電，運行費少；工作可靠，停工損失少；維修簡單，維修費少；還可再次使用以及能帶來附加價值等等，從中可得更大的回報。所以，在多數情況下，它的效益是可觀的。PLC的主要技術指標及抗干擾分析(1)存儲器容量存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數等，其容量是由用戶程序存儲器組成的。程序存儲器容量大小決定了用戶所能編寫程序的最大長度，一般中小型的PLC的存儲器容量在16KB以下，大型的PLC可到達2MB左右。(2)輸入/輸出〔I/O〕點數輸入/輸出點數是指根據工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對應PLC的輸入/輸出端的個數。I/O點數越多，說明需要控制的器件和設備就越多。(3)掃描時間掃描時間是指CPU內部根據用戶程序，按邏輯順序，從開始到結束掃描一次所需的時間。PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行指令所用的時間。(4)指令種類和數量指令的種類和數量決定了用戶編制程序的方式和PLC的處理能力和控制能力。(5)內部存放器的種類的數量內部存放器主要包括定時器、計數器、中間繼電器、數據存放器和特殊存放器等。它們主要用來完成計時、技術、中間數據存儲、數據存儲還有其他一些功能。種類和數量越多，PLC的功能就越強大。(6)擴展能力PLC擴展能力是指PLC是否具有I/O擴展、聯(lián)網等一些功能。(7)智能模塊的種類的數量智能模塊是指能完成模擬量控制、遠程控制以及通信等功能的模塊。智能模塊種類和數量越多說明PLC功能越強大。(8)編程工具可以使用編程器或者使用專用的編程軟件。一般編程只能使用助記符語言，而用編程軟件那么可使用梯形圖和助記符等語言來進行編程。干擾源及干擾一般分類影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源與一般影響工業(yè)控制設備的干擾源一樣，大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源[5]。干擾類型通常按干擾產生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中：按噪聲產生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質不同，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。共模干擾和差模干擾是一種比擬常用的分類方法。PLC控制系統(tǒng)中電磁干擾的主要來源(1)來自空間的輻射干干擾空間的輻射電磁場〔EMI〕主要是由電力網絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電播送、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。假設PLC系統(tǒng)置于所射頻場內，就回收到輻射干擾，其影響主要通過兩條路徑：一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾；而是對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。輻射干擾與現場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。(2)來自系統(tǒng)外引線的干擾主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳導干擾。這種干擾在我國工業(yè)現場較嚴重。(3)來自電源的干擾實踐證明，因電源引入的干擾造成PLC控制系統(tǒng)故障的情況很多，PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電路。尤其是電網內部的變化，入開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。PLC電源通常采用隔離電源，但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，由于分布參數特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。(4)來自信號線引入的干擾與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入，此干擾主要有兩種途徑：=1\*GB3①通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被無視。=2\*GB3②信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng)，還將導致信號間互相干擾，引起共地系統(tǒng)總線回流，造成邏輯數據變化、誤動和死機。PLC控制系統(tǒng)因信號引入干擾造成I/O模件損壞數相當嚴重，由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。(5)來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾接地是提高電子設備電磁兼容性〔EMC〕的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有會出現感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。假設系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產生的地環(huán)流就可能在地線上產生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序喪失或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。(6)來自PLC系統(tǒng)內部的干擾主要由系統(tǒng)內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。這都屬于PLC制造廠對系統(tǒng)內部進行電磁兼容設計的內容，比擬復雜，作為應用部門是無法改變，可不必過多考慮，但要選擇具有較多應用實績或經過考驗的系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)工程應用的抗干擾設計為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內外電磁干擾，必須從設計階段開始便采取三個方面抑制措施：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點就是抑制電磁干擾的根本原那么[6]。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個系統(tǒng)工程，要求制造單位設計生產出具有較強抗干擾能力的產品，且有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，并結合具有情況進行綜合設計，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。進行具體工程的抗干擾設計時，應主要以下兩個方面。(1)設備選型在選擇設備時，首先要選擇有較高抗干擾能力的產品，其包括了電磁兼容性〔EMC〕，尤其是抗外部干擾能力，如采用浮地技術、隔離性能好的PLC系統(tǒng)；其次還應了解生產廠給出的抗干擾指標，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場強度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作；另外是靠考查其在類似工作中的應用實績。在選擇國外進口產品要注意：我國是采用220V高內阻電網制式，而歐美地區(qū)是110V低內阻電網。由于我國電網內阻大，零點電位漂移大，地電位變化大，工業(yè)企業(yè)現場的電磁干擾至少要比歐美地區(qū)高4倍以上，對系統(tǒng)抗干擾性能要求更高，在國外能正常工作的PLC產品在國內工業(yè)就不一定能可靠運行，這就要在采用國外產品時，按我國的標準〔GB/T13926〕合理選擇。(2)綜合抗干擾設計主要考慮來自系統(tǒng)外部的幾種如果抑制措施。主要內容包括：對PLC系統(tǒng)及外引線進行屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離、濾波，特別是原理動力電纜，分層布置，以防通過外引線引入傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統(tǒng)的平安可靠性。主要抗干擾措施(1)采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網引入的干擾(2)硬件濾涉及軟件抗干擾措施(3)正確選擇接地點，完善接地系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，對有些干擾情況還需做具體分析，采取對癥下藥的方法，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。工業(yè)現場電磁環(huán)境復雜，有時只采用硬件措施不能完全消除干擾的影響，必須用軟件措施加以配合。2.6西門子S7-300可編程控制器簡述SIMATICS7系列PLC是德國西門子公司在S5系列PLC根底上于1995年陸續(xù)推出的性能價格比擬高的PLC系統(tǒng)[7]。其中，微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴展2～7個模塊，最大I/O點數為64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATICS7-300系列；中高檔性能的有S7-400系列。SIMATICS7系列PLC都采用了模塊化、無排風扇結構且具有易于用戶掌握等特點，使得S7系列PLC成為各種從小規(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應用的首選產品。SIMATICS7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護，其主要功能如下：(1)高速的指令處理，～0.6us的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內開辟了全新的應用領域。(2)人機界面(HMI)，方便的人機界面效勞已經集成在S7-300操作系統(tǒng)內，因此人機對話的編程要求大大減少。(3)診斷功能，CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件。(4)口令保護，多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經允許的復制和修改。2.7SIMATICS7-300系列PLC系統(tǒng)根本構成S7-300系列PLC與其它可編程控制器一樣，都采用循環(huán)掃描工作方式。S7-300系列PLC有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8種不同的中央處理單元可供選擇。它們的主要性能指標如表2-1所示。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有現場總線擴展功能。CPU以梯形圖LAD、功能塊FBD或語句表STL進行編程。表2-1S7-300CPU性能指標CPU312IFMCPU313CPU314CPU315CPU315-2DP存放程序和數據的RAM6KB/典型2KB語句12KB/典型4KB語句24KB/典型8KB語句48KB/典型16K語句48KB/典型16K語句每1K二進制語句執(zhí)行時間位存儲器10242048204820482048計數器3264646464定時器64128128128128數字量輸入/輸出〔主機〕144/16128/0512/01024/01024/0模擬量入/輸出〔最多〕323264128128通信口MPI接口MPI接口MPI接口MPI接口MPI接口實時時鐘——內置內置內置IMIM361SM321SM332IM360FM351SM331SM332PS307PGOP其他PLCCPU模塊圖2-2S7-300系統(tǒng)構成SIMATICS7-300的組成SIMATICS7-300系列PLC是模塊化結構設計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構成如圖2-2所示。它的主要組成局部有導軌〔RACK〕、電源模塊〔PS〕、中央處理單元模塊〔CPU〕、接口模塊〔IM〕、信號模塊〔SM〕、功能模塊〔FM〕等。它通過MPI網的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7PLC相連。.2S7-300的擴展能力S7-300是模塊化的組合結構，根據應用對象的不同，可選用不同型號和不同數量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機架〔導軌〕或多個機架上。與CPU312IFM和CPU313配套的模塊只能安裝在一個機架上。除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個機架上最多只能再安裝8個信號模塊或功能模塊。CPU314/315/315-2DP最多可擴展4個機架，IM360/IM361接口模塊將S7-300背板總線從一個機架連接到下一個機架。2.7.3S7-300模塊地址確實定根據機架上模塊的類型，地址可以為輸入〔I〕或輸出〔O〕。數字I/O模塊每個槽劃分為4B〔等于32個I/O點〕。模擬I/O模塊每個槽劃分為16B〔等于8個模擬量通道〕，每個模擬量輸入通道或輸出通道的地址總是一個字地址。表2-2為S7-300信號模板的起始地址。表2-2S7-300信號模板起始地址機架模塊起始地址槽位號12345678910110數字量模擬量PSCPUIM02564272828812304163202033624352283681數字量模擬量—IM32384364004041644432484485246456480604962數字量模擬量—IM64512685287254476560805768459288608926243數字量模擬量—IM96640100656104672108688112704116720120736124752對于數字量模塊，從0號機架的4號槽開始，每個槽位分配4B的地址，相當于32個I/O點。模擬量模塊以通道為單位，一個通道占一個字地址。S7-300為模擬量模塊保存了專用的地址區(qū)域，字節(jié)地址范圍為IB256-767?？梢杂醚b載指令和傳送指令訪問模擬量模塊。2.8S7—300式PLC的CPU簡介CPU模塊是PLC控制系統(tǒng)的核心，它控制著整個PLC控制系統(tǒng)有序地運行。PLC控制系統(tǒng)中，PLC程序的輸入和執(zhí)行、PLC之間或PLC與上位機之間的通信、接收現場設備的狀態(tài)和數據都離不開該模塊。CPU模塊還可以進行自我診斷，即當電源、存儲器、輸入/輸出端子、通信等出現故障時，它可以給出相應的指示或做出相應的動作。CPU上集成的高速計數器可計數速率為30kHz?？梢月?lián)接AB相正交編碼器作位置測量,也可以監(jiān)測生產線上各種快速信號。CPU上集成有高速脈沖輸出功能。既能以脈沖寬度可調〔PWM〕方式輸出,又能以高速脈沖串〔PTO〕方式輸出。輸出速率可達20kHz。此功能可以用于控制步進電機,或用于可控硅構成的加熱設備的溫度控制等。CPU模塊面板布置示意圖如圖2-3所示[8]。圖2-3CPU模塊面板布置示意圖(1)方式切換開關PLC的方式切換開關有兩種，一種是RUN/STOP開關，它只有RUN和STOP兩種方式。另一種是RUN/TERM/STOP鑰匙開關，它有RUN、TERM和STOP3種方式。SIMATICS7—300屬于前一種方式。如圖2-4所示。圖2-4RUN/STOP開關(2)狀態(tài)與故障顯示LED=1\*GB3①SF〔系統(tǒng)出錯/故障顯示，紅色〕：CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。=2\*GB3②BATF〔電池故障，紅色〕電池電壓低或沒有電池時亮。=3\*GB3③DC5V〔+5V電源指示，綠色〕：CPU和S7-300總線的5V電源正常時亮。=4\*GB3④FRCE〔強制，黃色〕：至少有一個I/O被強制時亮。=5\*GB3⑤RUN〔運行方式，綠色〕：CPU處于RUN狀態(tài)時亮；重新啟動時以2Hz的頻率閃亮；HOLD〔單步、斷電〕狀態(tài)時以的頻率閃亮。=6\*GB3⑥STOP〔停止方式，黃色〕：CPU處于STOP，HOLD狀態(tài)或重新啟動時常亮。請求存儲器復位時以的頻率閃亮，正在執(zhí)行存儲器復位時以2Hz的頻率閃亮。=7\*GB3⑦BUSF〔總線錯誤，紅色〕：PROFIBUS-DP接口硬件或軟件故障時亮，集成有DP接口的CPU才有此LED。集成有兩個DP接口的CPU有兩個對應的LED〔BUS1F和BUS2F〕。(3)存儲器存儲器是可編程控制器存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數據的單元。它包括只讀存儲器〔ROM〕和隨機存儲器〔RAM〕。根據存儲器的功能，PLC的存儲器可分為系統(tǒng)程序器和用戶程序存儲器。不同類型的PLC，其存儲容量各不相同，但根據工作原理，其存儲空間一般包括以下3個區(qū)域。=1\*GB3①系統(tǒng)程序存儲區(qū)在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中，存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。一般采用PROM或EPROM〔電可擦除只讀存儲器〕，它存放監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、功能子程序、功能子程序的調用管理程序和各種系統(tǒng)參數等，用戶不能訪問和修改這局部存儲器的內容。=2\*GB3②用戶程序存儲區(qū)存放用戶經編程設備輸入的應用程序。用戶程序存放在RAM中，為防止電源掉電后程序的喪失，通常需安裝鋰電池，用于電源掉電時對RAM中用戶程序存儲區(qū)供電。調試后不需修改的用戶程序存放在EPROM或EEPROM中，用戶程序存儲區(qū)容量是可編程控制器重要的性能指標。存儲區(qū)容量大，用戶程序的指令可較多，可在較復雜的控制過程中應用。=3\*GB3③數據存儲區(qū)PLC運行過程中需要隨機存取的一些數據，這些數據一般不需要長久保存，因此采用隨機存儲器RAM數據存儲區(qū)包括輸入，輸出數據映像區(qū)，定時器/計數器預置數、累加器、變址存放器和各種隨機參數等。(4)通信端口通信端口與編輯器、計算機或其他的外圍設備相連，以實現程序輸入、調試、監(jiān)視等功能。西門子S7—300提供的是通信端口采用RS—485傳送方式，RS—485采用半雙工的通信方式。通常情況下，發(fā)送驅動器之間的正電平在+2V～+6V之間，是邏輯“1〞，負電平在－2V～6V，是邏輯“0〞。另有一個信號地，在RS—485中還有一個“使能〞端?！笆鼓塄暥耸怯糜诳刂瓢l(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與相連。當“使能〞端起作用時，發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，它是有別于邏輯“1〞和“0〞的第3態(tài)。接收器也作與發(fā)送端相對的規(guī)定。當在接受端有大于+200mV的電平時，輸出正邏輯電平，小于－200mV時，輸出負邏輯電平。要與計算機相連需要經過專用的PC/PPI電纜。PPI通訊協(xié)議是西門子專為S7-200系列PLC開發(fā)的一個通訊協(xié)議?？赏ㄟ^普通的兩芯屏蔽雙絞電纜進行聯(lián)網。波特率為，和。S7-200系列CPU上集成的編程口同時就是PPI通訊聯(lián)網接口。利用PPI通訊協(xié)議進行通訊非常簡單方便，只用NETR和NETW兩條語句即可進行數據信號的傳遞，不需額外再配置模塊或軟件。PPI通訊網絡是一個令牌傳遞網，在不加中繼器的情況下，最多可以由31個S7-200系列PLC，TD200，OP/TP面板或上位機〔插MPI卡〕為站點，構成PPI網[2]。3．控制系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)工業(yè)流程整個攪拌系統(tǒng)由進料罐、混料罐、出料罐以及液位變送器、電機、泵、電磁閥組成。該系統(tǒng)需要1個攪拌電機，進料泵及出料泵總共4個，電磁閥5個。整個系統(tǒng)的工業(yè)流程如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)工業(yè)流程圖3.2液位變送器的選擇液位變送器的選擇首先要根據其輸出信號類型及大小來選擇，以保證其能與PLC模擬量輸入模塊相匹配，然后再根據設計需要選擇量程、工作電壓以及精度等性能適合的液位變送器[9]。在本系統(tǒng)中，需使用液位變送器采集混料罐、出料罐的液位，故根據系統(tǒng)的實際情況，選用一個測量范圍為3m及兩個測量范圍為的HP-31B液位變送器，并使用二線輸出使液位變送器輸出4-20mA的電流信號。性能指標如表3-1所示。表3-1HP-31B液位變送器性能指標傳感部件美國Sensors充油硅芯體測量范圍0-1、2、3、5、10、....200m過

載精

度0.5%FS工作溫度-20-85度工作電壓24VDC輸出信號4-20mA二線0-10mA三線輸出負載〔Uv-10〕/0.02

(歐姆)與介質接觸材料a.殼

體：不銹鋼1Cr18Ni9Tib.密封圈：丁腈橡膠或氟橡膠c.膜

片：不銹鋼316Ld.橡膠件：丁腈橡膠e.電

纜：聚乙烯導氣電纜儀表具有良好的長期穩(wěn)定性±0.2%FS\年儀表接線二線制不分正負三線制1.GND

2.+V

3.3電磁閥的介紹電磁閥是指氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥體。它大量應用在液機械，空調系統(tǒng)，組合機床，自動機床及自動生產線中，是工業(yè)自動化的一種重要元件。電磁鐵是利用電磁吸力使銜鐵產生直線運動的，而電磁閥是利用電磁吸力開關閥門對空氣、油或水等流體進行控制的器件。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來檔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油剛的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞竿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流就控制了機械運動。3.3.1電磁閥的分類及特點電磁閥有多種規(guī)格式樣，也有多種分類法。電磁閥從原理上主要分為三大類。(1)直動式電磁閥原理：通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門翻開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。(2)分布直動式電磁閥：原理：它是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門翻開。當入口與出口到達啟動壓差時，通電后，電磁力先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。特點：在零壓差或真空、高壓時亦能可動作，但功率較大，要求必須水平安裝。(3)先導式電磁閥：原理：通電時，電磁力把先導孔翻開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關閉件向上移動，閥門翻開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關閉件向下移動，關閉閥門。特點：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝〔需定制〕但必須滿足流體壓差條件。3.3.2電磁閥的選擇電磁閥選型首先應該依次遵循平安性，可靠性，適用性，經濟性四大原那么，其次是根據六個方面的現場工況〔即管道參數、流體參數、壓力參數、電氣參數、動作方式、特殊要求進行選擇〕。(1)適用性管路中的流體必須和選用的電磁閥系列型號中標定的介質一致；流體的溫度必須小于選用電磁閥的標定溫度；電磁閥允許液體粘度一般在20CST以下，大于20CST應注明；工作壓差，管路最高壓差在小于時應選用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直動式和分步直動式；最低工作壓差大于時可選用先導式〔壓差式〕電磁閥；最高工作壓差應小于電磁閥的最大標定壓力；一般電磁閥都是單向工作，因此要注意是否有反壓差，如有安裝止回閥；流體清潔度不高時應在電磁閥前安裝過濾器，一般電磁閥對介質要求清潔度要好；注意流量孔徑和接管口徑；電磁閥一般只有開關兩位控制；條件允許請安裝旁路管，便于維修；有水錘現象時要定制電磁閥的開閉時間調節(jié)；注意環(huán)境溫度對電磁閥的影響；電源電流和消耗功率應根據輸出容量選取，電源電壓一般允許±10%左右，必須注意交流起動時VA值較高。(2)可靠性電磁閥分為常閉和常開二種；一般選用常閉型，通電翻開，斷電關閉；但在開啟時間很長關閉時很短時要選用常開型了。(3)平安性電磁閥的最高標定公稱壓力一定要超過管路內的最高壓力，否那么使用壽命會縮短或產生其它意外情況；有腐蝕性液體的應選用全不銹鋼型，強腐蝕性流體宜選用塑料王〔SLF〕電磁閥；爆炸性環(huán)境必須選用相應的防爆產品。(4)經濟性有很多電磁閥可以通用，但在能滿足以上三點的根底上應選用最經濟的產品。二位二通電磁閥是指電磁閥有兩個位置〔開啟、關閉〕，兩個通道〔進油通道、出油通道〕。二位二通電磁閥由電磁線圈，鐵芯，球閥和彈簧等組成。在未通電時球閥處于開啟狀態(tài)，即電磁閥的進液口和出液口相通，那么為常開二位二通電磁閥；在未通電時球閥處于關閉狀態(tài)，即電磁閥的進液口和出液口關閉，那么為常閉二位二通電磁閥。在本系統(tǒng)中選擇DF2型二位二通〔常閉〕電磁閥。DF2型電磁閥是利用直流或交流電磁鐵操作的二位二通〔常閉〕電磁閥，它為導閥動作式常閉型電磁閥。當電磁閥通電時動鐵芯受電磁力作用被吸向上，從而翻開閥門，斷電時，閥即關閉。其適應性強，壓力損失小，口徑較大。由于采用膜片式結構，密封性能好。與同類產品相比，有耗電量小、體積小、使用范圍大等特點。DF2型電磁閥性能和尺寸如表3-2所示。表3-2DF2型電磁閥性能和尺寸工作介質水、油及其他液體工作壓力1~8Kg/cm2工作介質溫度0~60工作環(huán)境溫度0~60濕度<85%工作電壓直流24V交流220V安裝方式管式連接3.4接觸器及選用接觸器是利用電磁吸力及彈簧反作用力配合使觸頭閉合與斷開的一種電磁開關。是一種適用于頻繁地接通和斷開交直流主電路及大容量控制電路的電器。具有低電壓保護釋放功能，控制容量大，可以遠距離控制。其主要控制對象是電動機，同時也可以控制電焊機、電容器阻、照明等其他負載，是電力拖動自動控制線路中最廣泛使用的電器元件。但也存在噪聲大、壽命短等缺點。接觸器可以接通和斷開負荷電流，但不能切斷短路電流，因此，常與熔斷器、熱繼電器配合使用。接觸器的分類和結構(1)分類接觸器重分類的劃分有幾種，按其主觸頭控制的電流種類可分為交流接觸器和直流接觸器，機床上應用最多的是交流接觸器；按其主觸頭的數目可分為單極、二極、三極、四極和五極，直流接觸器通常為前兩種，交流接觸器通常為后三種[10]。(2)結構目前最常用的接觸器是電磁接觸器，它是由電磁機構、觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置和其他部件組成。=1\*GB3①交流接觸器電磁機構：它由線圈、動鐵心和靜鐵心組成。觸頭系統(tǒng)：它包括主觸頭和輔助觸頭。主觸頭有三對、四對或五對，構成常開觸頭，用于通斷主電路；輔助觸頭一般有常開和常閉各兩對，用在控制電路中起自鎖或互鎖作用。滅弧裝置：主觸頭電流在20A及其以上的接觸器都裝有滅弧裝置。其他部件：包括反作用彈簧、觸頭壓力彈簧、緩沖彈簧、傳動機構及外殼等。=2\*GB3②直流接觸器直流接觸器與交流接觸器在結構上根本相同。不同的而地方有：其鐵心由整塊軟剛制成，不存在發(fā)熱問題；其線圈用細的漆包線繞制成匝多且長而薄的圓筒形，與鐵心直接接觸，易于散熱；小功率直流接觸器的觸頭沒有主、輔之分。接觸器的工作原理及選用(1)工作原理當接觸器線圈通電后，在靜鐵心中產生電磁場，動鐵心受到電磁力的吸引與靜鐵心吸合，并帶動主觸頭閉合，使被控電路接通工作。假設此時加在線圈上的電壓顯著下降，由于電磁力的減小且小于彈簧的反力，動鐵心在這個反力的作用下，自動返回原位且使主觸頭也分斷，被控電路斷開停止工作，這也是欠電壓保護作用；當線圈斷電后，動鐵心在反力彈簧的作用下返回原位且使主觸頭也分斷，被控電路斷開停止工作。當電源再次通電時，由于接觸器的輔助常開觸頭已斷開，線圈中無電流通過，那么主觸頭也不會自動閉合，電路也不會自動接通，即實現了失電壓保護。(2)選用接觸器的選用主要考慮其類型、主觸頭的額定電壓和額定電流、輔助觸頭的數量與種類、線圈的電壓等級、操作頻率等[10]。=1\*GB3①根據負載的性質選用接觸器的類型。=2\*GB3②接觸器的額定電壓是指其主觸頭的額定電壓，選用時應大于或等于被控電路的工作電壓。=3\*GB3③接觸器的額定電流是指其主觸頭的額定電流，選用時應大于或等于被控電路的工作電流。對于電動機負載還應根據其運行方式做適當調整。=4\*GB3④接觸器線圈的額定電壓和頻率必須與所控電路的電壓和頻率一致。=5\*GB3⑤接觸器的觸頭數量和種類應滿足被控主電路和控制電路的需求。=6\*GB3⑥根據使用地點的周圍環(huán)境來選擇有關的系列和特殊的接觸器。由于目前交流電路的使用場合比直流廣泛，交流電動機在工廠中使用的比重也大，所以交流接觸器的品種和規(guī)格更為繁多，常用的有CJ0、CJ10、CJ12和CJ20等系列交流接觸器。本設計中選用CJ10-20型交流接觸器。CJ0系列是專門為機床配套的產品，全系列分為10A、20A、40A和75A四個等級。CJ10系列是應用最廣泛的一個系列，它用于交流500V及其以下電壓等級。全系列有5A、10A、20A、40A、60A、100A、及150A七個等級。其中40A及其以下個等級的電磁機構是采用E形直動式，為了提高機械和電氣壽命，還采用迎擊式的結構方式。主、輔接點均采用橋式觸點，且由銜鐵直接帶動作直線運動。它的結構特征是：上部是主觸點和滅弧系統(tǒng)以及輔助觸點組件，下部是電磁機構。主觸點的滅弧裝置因電路等級而異，10A及其以下的采用半封閉式滅弧罩或相同間隔弧板，20A、40A的那么采用半封閉式窄縫陶土滅弧罩。當主觸點的額定電流在60A以上時，電磁機構采用E形拍合式，主、輔點為橋式觸點。這是一種平面布置式結構，電磁機構居右，主觸點及滅弧系統(tǒng)居左。銜鐵經轉軸借助杠桿與主觸點相連。當銜鐵作拍合動作時，經過杠桿的傳動使主觸點實現直線運動，與此同時，也帶動輔助觸點動作。與前述直動式相仿，也采用了迎擊式結構方式，主觸點的滅弧裝置仍采用陶土材料制成的半封閉式滅弧罩。CJ10系列交流接觸器的主觸點均做成三極的，輔助觸點那么做成二常開二常閉方式。這種接觸器為一般性負載的接觸器，它主要用于控制籠型電動機和運行中斷開。3.5中間繼電器中間繼電器一般用來控制各種電器的線圈使信號得到放大；將信號同時傳給幾個控制元件；當其他繼電器的觸頭數或觸頭容量不夠用時，可借助其來擴大它們的觸頭數或觸頭容量，起到信號的中繼作用。(1)結構與工作原理中間繼電器的結構和工作原理與接觸器的根本相同。其主要區(qū)別有：觸頭系統(tǒng)中沒有主、輔之分，且各觸頭所允許通過的電流大小是相等的，即額定電流為5A；對于額定電流小于5A的電器控制電路，可用其代替接觸器使用；其觸頭較多，有4對常開、4對常閉等形式。(2)選用選用中間繼電器主要考慮被控制電路的電壓等級、觸頭數量、種類和數量。其線圈電壓與所用電源電壓必須相同。本設計中繼電器的選擇JZ14—44Z型。JZ14型為交直兩用中間繼電器。適用于交流50HZ或60HZ、電壓380V以下，直流電壓220V及以下的控制電路中。JZ14型的具體參數如下：額定工作電壓：DC220V、110V、48V、24V、12V；AC380V、220V、127V、110V。接點形式：6常開2常閉；4常開4常閉；2常開6常閉；8常開。動作值：繼電器的吸合線圈應能在額定電壓的85-105％的范圍內可靠工作。動作時間：繼電器的吸合和釋放時間不大于0.05S。功率消耗：交流為10VA；直流為7.5W。3.6PLC選型選擇了西門子S7-300型PLC，該機型具有模塊豐富、結構緊湊、易于擴展、可靠性高等特點，下面分別介紹幾個模塊：(1)S7電源模塊：PS30710A額定輸出電流10A，輸出直流電壓24V，防開路和短路保護，有可靠的隔離。(2)CPU模板：CPU31424K字節(jié)RAM/8K語句，最大擴展512個DI/DO，64個AI/AO，帶擴展內存卡槽，鋰電池槽和MPI接口，24V電源供電，可同時與S7-300內部總線上的遠程站、編程器、PC機、操作面板或其他S7-300、S7-400、M7-300、M7-400PLC等可編程控制器中的4種站建立聯(lián)系。(3)AI模板：模擬量輸入SM331有4組8個輸入通道，可按通道組設定測量方法，選擇多種測量范圍，與CPU光電隔離。(4)DI模板：16路光隔邏輯輸入SM321(5)DO模板：16路光隔邏輯輸出SM3223.7系統(tǒng)主電路工作原理如圖3-2所示，L1、L2、L3為三相三線電源進線，經電源開關QS，熔斷器FU1分八條支路供給電機和電磁閥工作。其中電動機M1為A液體注入泵，YV1為A液體進料閥，M1和YV1用接觸器KM0控制，假設KM0線圈得電后其三對主觸點閉合，M1液壓泵和YV1進料閥運行將液體A注入混料灌。熱繼電器FR1對M1液壓泵進行過載保護。電動機M2為B液體注入泵，YV2為B液體進料閥，M2和YV2用接觸器KM1控制，熱繼電器FR2對M2液壓泵進行過載保護。其工作原理于M1相同。電動機M3為攪拌電機，用接觸器KM2控制，當兩種液體注入混料灌工作完成后，從PLC得到攪拌信號后，KM2線圈得電使M3開始攪拌，攪拌時間到后PLC發(fā)出信號，KM2線圈失電，M3停止攪拌。熱繼電器FR3對攪拌電機M3進行過載保護。電動機M4為混合液體出料泵3，M4用接觸器KM3控制，假設KM3線圈得電后其三對主觸點閉合，液壓泵3將混合液體注入出料灌1。熱繼電器FR4對M4液壓泵進行過載保護。電動機M5為混合液體出料泵4，M5用接觸器KM4控制，假設KM4線圈得電后其三對主觸點閉合，液壓泵2將混合液體注入出料灌2。熱繼電器FR5對M5液壓泵進行過載保護。YV3為放料閥，用接觸器KM5控制；YV4為電磁閥1，用接觸器KM6控制；YV5為電磁閥2，用接觸器KM7控制。圖3-2系統(tǒng)主電路圖圖3-3系統(tǒng)控制電路圖系統(tǒng)控制電路工作原理如圖3-3所示，中間繼電器KA0與接觸器KM0相接，用來控制控制原料A液體的注入；中間繼電器KA1與接觸器KM1相接，用來控制原料B液體的注入；中間繼電器KA2與接觸器KM2相接，兩種液體注入混料灌，工作完成后，用來控制攪拌電機；中間繼電器KA3與接觸器KM3相接，用來控制出料泵3；中間繼電器KA4與接觸器KM4相接，用來控制出料泵4；中間繼電器KA5與接觸器KM5相接，當攪拌結束后用來控制放料閥；中間繼電器KA6與接觸器KM6相接，KA7與接觸器KM7相接，在混料罐進料之前，為保證混料灌和出料罐沒有殘留液體，它們分別控制電磁閥1和電磁閥2。4．控制系統(tǒng)軟件設計4.1PLC編程軟件STEP7STEP7是SIMENS公司生產的SIMATIC可編程控制器的組態(tài)和編程的標準軟件包。包括工程管理器、符號編輯器、硬件組態(tài)、編程語言及診斷硬件等一系列的應用工具。下面對各種應用工具分別進行簡單的介紹[1]。(1)工程管理器適用與SIMENS的各個可編程控制系統(tǒng)，用來管理一個自動化工程中所有的數據。編輯各種數據的工具都由工程管理器啟動