毕业设计102用工控机和PLC设计喷油泵实验台监控系统 亓晓彬-霍尔速度传感器

第一章 绪论 1 摘 要 我们用工控机和 PLC设计了新的实验台监控系统。喷油泵实验台是柴油机燃油喷射系统中的控制和供给单元。可定时定量的为发动机提供所需的高压燃油。在油泵生产、制造及使用维修部门中为保证油泵定时定量的特性，需要在实验台上对油泵进行校验与调整。喷油泵实验台可以模拟发送机在各种工况下的转速，为油泵提供标准供油压力，可对油泵进行供油定时、各分泵供油量、及供油均匀性等参数的测试。实验台动力部分采用变频器无级调速系统，可对油泵转速、喷油次数、试验油温进行控制与显示。 关键词： 工 控机、 PLC、油泵实验台、变频器 ABSTRACT What is the accusing of machine of our recruitment PLC has designed the new laboratory bench monitoring system.It is control that the diesel engine fuel sprays among the systems and supply unit to gush out the laboratory bench of the oil pump .But offering the high-pressure fuel needed for engine at regular time and quantity.Produce , make and use in order to guarantee the characteristic at regular time and quantity of the oil pump while maintaining the department in the oil pump .Need to carry on the check-up and adjustment to the oil pump on the laboratory bench.Gushing out the laboratory bench of the oil pump can imitate the rotational speed of the transmitter under various kinds of operating modes. Offer standard for oil pressure for oil pump , can is it support oil timing , one pump person who supports oil , and support oil homogeneity test of parameter to go on to oil pump. The part of power of the laboratory bench adopts the stepless speed regulation of the frequency converter systematically. Can gush out oil number of times , test oil to be warm to is it control and show to go on , to oil pump rotational speed. Key words: Indusrial control machine, PLC, Laboratory bench of the oil pump, Frequence converter.第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 设计目的 通过研究对汽车油泵实验台的设计与开发，使学生掌握产品设计的一半步骤，遵循的规律和应注意的问题，系统总结前面学过的知识，为毕业后的工作打下良好的基础。 概述 1.2 设计任务 1.2.1 概述 我们知道，柴油机是燃油喷射系统中的控制和供该单元，特可定时定量的为发动机提供所需的高压燃油。在油泵使用生产制造和维修部门中，为保证油泵定时定量的供油特性，就须在实验台上对油泵进行校验与调整。 喷油泵实验台模拟发送机在各种情况下的转速，为油泵提供标准的供 油压力。实验台动力部分采用变频无级调速系统，控制部分可对油泵的转速，喷油次数实验油温，进行控制及显示。但由于油泵在不同工况下转速不同，使用中需多次进行转速的调整。但愿实验台中采用单片机控制，故障率高，抗干扰能力差。因此我们采用工控机和 PLC 开发了新的实验台监控系统，提高了进度和可靠性。 1.2.2 系统的工作原理 喷油泵实验台主要由变频器、电动机、刻度盘、万向联轴器等部件组成。主传动采用工作台与电机座一体化结构，变频器直接驱动电动机，电动机带动刻度盘直接运转，再通 无间隙弹片万向联轴节驱动喷油泵工 作。各部分的功能如下： 1.变频器 变频器采用施奈德电气公司的变频器，功率为 7.5KW，电压为 380V。三相交流电源由输出端 L1、 L2、 L3 接入，输出端 T1、T2、 T3 接电动机，外部调速电位器接变频器 13、 15、 17 三个端子，注意电位器中心抽头接 13 号端子， 15、 17 端提供基准电压。1、 2、 11 三端子接启动（正反转）停止开关，当 1、 11 端或 2、11 端接通后，通过旋转电位器，可以控制变频器的输出，电动机作相应的运转。另外，也可以通过 RS-485 通讯接口来控制电机第一章 绪论 2 的运转。 为了提高变频器的可靠性，变频器增加了许 多保护：瞬间停电保护；欠压保护；过压保护；过载保护。 2.转速的设定检测 转速设定：喷油泵实验台采用的是变频器无级调速系统，采用西门子 S7-200PLC 控制，速度给定直接由键盘设定，经软件变换后，由 A0 模块输出 0-10V 的电压给变频器输入端，从而控制变频器的输出。 转速测试及显示：速度传感器采用霍尔元件，将磁钢放在主轴刻度盘上，利用 S7-200 的高速计数功能和中断功能，计算出 1秒中的脉冲个数，再乘以 60，就是转速。经过软件转换后送 LED或计算机 CRT 显示。 3.喷油量的设定与显示 油泵试验台的油量计算 系统由两部分组成，一部分是电气控制部分，另一部分是机械部分，包括通断油机构、断油盘、量筒、喷油器等部件。试验台工作时，按下油量计数按钮后，通断油机构中的上电磁铁通电，将断油盘拉出，试验油开始流入量筒，当喷油次数等于预置时，上电磁铁断电，下电磁铁通电，将断油盘推回，阻止喷油进入量筒，此时量筒中的油量即是预定喷油次数的喷油总量。 喷油次数是通过对霍尔元件传来的转速脉冲信号计数而得到的。因为每转动一周，每个缸喷油一次，霍尔元件发出一个脉冲信号，因此，喷油次数 =传感器脉冲数。将记录的喷油次数送计算机显示。 4 实验油 温的设定控制机显示 由于不同地区环境温度不同，必然对油泵校验带来误差，因此实验台对实验油温有一定要求，一般应保持在 38-42 度之间。实验台对油温的控制是通过对油温加热器的通电控制来完成的。加热器通断可根据与之温度的上下限与实测油温的比较来决定的。 油温检测电路有油温传感器（热敏电阻）和温度 /频率转换电路组成。 T/F 电路用来将温度信号转换为频率信号，人后送给 PLC高速计数器，用终端方式对频率计数，把温度模拟量变为 PLC 能处理的数字量。并送计算机显示。 5.油泵实验台控制键盘如下： （ 1）温度预置：温度升，温度 降，上限 40 度，下限 36 度； （ 2）温度控制键：按下该键有控制作用，温度大于 40 度，第一章 绪论 3 开风扇 K1，小于 36 度开加热器 K2;再按下温控键，控制作用失效。只显示正常温度。 （ 3）正转键：按下该键 K3 动作，控制变频器正转。 （ 4）反转键：按下该键 K4 动作，控制变频器反转。 （ 5）停止键：按下该键 K5 动作，控制变频器停止。 （ 6）油泵开键：按下该键 K6 动作，控制油泵转。 （ 7）油泵停建：按下该键 K6 动作，控制油泵停。 1.3 硬件电路构成 喷油泵实验台 PLC 控制部分硬件框图主要有以下部分组成： 1.3.1. S7-200 PLC 主机 PLC 选用 S7-200 的 224 型，它为 24 点，其中，输入为 14点，输出为 10 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点， 13K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30KHZ 高速计数器， 2 路独立的 20KHZ 高速计数脉冲输出，具有 PID 控制器。 1 个 RS-485 通讯变程口，具有 PPI通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。 I/O 端子排很容易的整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器， S7-200 的强大功能使其无论在独立运行中，还是想连成网络界能实现复杂控 制功能，因此 S7-200 具有极高的性能价格比。 1.3.2 模拟量扩展模块 模拟量扩展模块提供了输入 /输出的功能，我们选用 3 块EM231 和 1 块 EM235 模块，有点如下： （ 1） 最佳适应性，可用于复杂控制场合。 （ 2） 直接与传感器和执行其相连 12 为的分辨率和多种输入 /输出范围能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连，如该模块可直接 PT100 热电阻相连。 （ 3）灵活性 当实际应用变化时， PLC 可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。 EM235 模块有 4 路模诺两输出，其中压力、齿杆行程作为输入，而输出 0-10V 的电压用来控制变频器。 第一章 绪论 4 1.4 软件设计 上位机用 MCGS 编程和显示，下位机用西门子 S7-200 梯形图语言编程，该系统软件主要包括：上危机显示控制编程、上下位机的连接通讯部分、河虾危机的梯形图编程，其中下位机的编程有包括转速控制、转速显示、温度控制、温度显示、正反转控制、油泵起停控制、计数控制等部分组成。采用模块化设计，系统开机后首先进行初始化。 编程软件采用西门子的 STEP7-Mcro/WIN32 V3.1 主要特点是：在 Windows 平台上运行的 SIMATIC S7-200 软件简单易学 、能够解决复杂的自动化人物、可以快速进入节省编程时间、机遇Windows 软件。 CPU 通过 PC/PPI 电缆或通过插在 PG/PC 上的CP551 或 CP5611 与 PG/PC 连接，通过 PPI电缆可以在 Windows98下实现实现多站模式。 第二章 监控软件的设计 5 第二章 监控软件的开发 我们在原来实验台的基础上，主要利用工控机和 PLC 做了改进，设计了新的油泵控制系统，降低了故障率，提高了抗干扰能力。上位机用 MCGS 组态软件做人机对话界面。 2.1MCGS 系统介绍 MCGS（ Monitor and Control Generated System，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。 MCGS 的主要特性和功能如下： * 简单灵活的可视化操作界面。 MCGS 采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。 *实用性强、良好的并行处理功能。 MCGS 是真正的 32 位系统，充分利用了 32 位 Windows 操作平台的多任务。按优 *丰富生动的多媒体画面。 *开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。 *完善的安全机制。 MCGS 提供了良好的安全机制，为多个不同级别用户设定不同的操作权限。 *多样化的报警功能。 MCGS 提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型和灵活多样的报警处理函数，方便用户进行报警设置。 *实时数据库为用户分布组态提供极大方便。 MCGS 由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性 构件的公用数据区，是整个系统的核心。 *支持多种硬件设备，实现“设备无关”。 *方便控制复杂的运行流程。 MCGS 开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类 Basic 语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确的控制运行流程。 *良好的可维护性和可扩充性。 第二章 监控软件的设计 6 *用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。 *设立对象元件库，组态工作简单方便。 *实现对工控系统的分布式控制和 管理。 总之， MCGS 组态软件功能强大，操作简单，易学易用，普通工作人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。同时使用 MCGS 组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题，集中精力去解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。 2.2MCGS 的构成： MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分。 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据 库文件，称为组态结果数据库。 运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态环境而独立运行在监控计算机上。 2.3 工程的一般组建过程： 2.3.1 工程项目系统分析 首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。在此基础上，拟订组建工程的总体规划和设想，主要 包括系统应实现哪些功能，控制流程如何实现，需要什么样的用户窗口界面，实现何种动画效果以及如何实现在实时数据库中定义数据变量等环节，同时还要分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的。在此基础上，再建立工程，构造实时数据库。做好工程的整体规划，在项目的组态过程中能够尽量避免一些无谓的劳动，快速有效的完成工程项目。 第二章 监控软件的设计 7 2.3.2 设计用户操作菜单 在系统运行的过程中，为了便于画面的切换和变量的提取，通常用户要建 立自己的菜单，第一步是建立菜单的框架，第二步是对菜单进行功能组态。在组态过程中，用户可以根据实际的需要，随时对菜单的内容进行增加和删减，最终确定菜单。 2.3.3 制作动画监控画面 制作动画监控画面是组态软件的最终目的，一般的设计过程是先建立静态画面，所谓静态画面就是利用系统提供的绘图工具来画出效果图，也可以是一些图片。然后对一些图形或图片进行设计，如颜色的变化、形状大小的变化、位置的变化等。所有的动画效果均应和数据库变量一一对应，实现内外结合的效果。 2.3.4 编写控制流程程序 在动态画面制作过程中，除了一 些简单的动画是由图形语言定义外，大部分较复杂的动画效果和数据之间的连接，都是通过一些程序命令来实现的， MCGS 软件为用户提供了大量的系统内部命令。其语言的形式兼容于 VB、 VC 语言的格式。另外 MCGS 软件还为用户提供了编程用的功能构件（称之为脚本程序），这样就可以通过简单的编程语言来编写工程控制顺序。 2.3.5 完善菜单按钮功能 虽然用户在工程中建立了自己的操作菜单，但对于一些功能比较强大、和关联比较多的控制系统，有些还要通过制定一些按钮或文字来连接其它的变量和画面，按钮的作用既可以用来执行某些命令，还可以输 入数据给某些变量。当和外部的一些智能仪表、可编程控制器、工业总线单元、计算机 PCI 接口进行连接时，会大大增加其数据传输的简捷性。 2.3.6 编写程序调试工程 工程中的用户程序编写好后，要进行在线的调试。在进行现场的调试过程中，可以先借助于一些模拟的手段来进行初调， MCGS软件为用户提供了较好的模拟手段。调试的目的是对现场的数据进行模拟，检查动画效果和控制流程是否正确，从而达到和外部设备进行可靠的连接。 第二章 监控软件的设计 8 2.3.7 连接设备驱动程序 利用 MCGS 组态软件编写好的程序，最好要实现和外部设备的连接，在进行连通之前， 装入正确的驱动程序和定义通信协议是很重要的。有时不能与设备进行可靠的连接，往往就是通信协议的设置有问题而造成的。另外合理的指定内部变量和外部变量之间的隶属关系也很重要，此项工作在设备窗口中进行。 2.3.8 工程完工综合测试 经过上步的分布调试后，就可以对系统进行整体的连续调试了，一个好的工程必须要能经得起考验，验收合格后就可以进行交验。 2.4 喷油泵实验台自动测控系统的设计 2.4.1 变量的定义： 变量名 变量类型 注释 正转按钮 开关型 主轴电机正转控制信号， 1 有效 反转按钮 开关型 主轴电机反转控制 信号， 1 有效 停止按钮 开关型 主轴电机停止控制信号， 1 有效 提前角复位按钮 开关型 复位提前角， 1 有效 油泵开按钮 开关型 油泵电机启动控制信号， 1 有效 油泵关按钮 开关型 油泵电机停止控制信号， 1 有效 控温按钮 开关型 打开 PLC 的控温程序 计数按钮 开关型 打开 PLC 的计数程序 计数 数值型 记录喷油次数 计数设定 数值型 设定喷油次数 提前角 数值型 记录提前角度数 位移 数值型 记录位移 温度 数值型 记录温度 温度设定 数值型 设定温度 油压 数值型 记录油压 压力设 定 数值型 设定油压 转速 数值型 记录转速 转速设定 数值型 设定转速 2.4.2 显示画面的制作 第二章 监控软件的设计 9 （ 1）在“用户窗口”中右键单击“新建窗口”按钮，出现“窗口0”图标。 （ 2）单击“窗口属性”按钮，弹出“用户窗口属性设置”窗口在基本属性页的“窗口名称”栏内填入“喷油泵试验台自动测控系统”，“窗口位置”选“再打化显示”，其他不变。单击“确认”按钮关闭窗口。 （ 3）在“用户窗口”中，选中“喷油泵试验台自动测控系统”，单击右侧的“动画组态”按钮，进入动画组态窗口。在动画组态窗口中添加需要的按钮、标签、 显示框等，构建显示画面。 A、 输入文字“喷油泵试验台自动测控系统”： a 单击绘图工具箱中的“标签”按钮，挪动鼠标光标，此时成“十字”形。在窗口上部某位置按住鼠标左键并拖拽出一个一定大小的矩形（文本框），松开鼠标。 b 在文本框内光标闪烁位置输入“喷油泵试验台自动测控系统”，按回车建。 c.在窗口任意空白位置单击鼠标，结束文字输入。如果文字输错了或输入的文字的字形、字号、颜色、位置等不满意，可修改。 B 画按钮： 单击画图工具箱的“标准按钮”工具，在画面中划出一定大小的按钮。 a.调整其大小和位置。 b 鼠标双击该按钮，弹出“标准按钮构件属性设置”窗口，在“基本属性 ”页设置如下： “按钮标题”栏：输入按钮名称（正转、反转、停止、油泵开油泵停、控温、计数、复位） “标题颜色”栏：黑色 “标题字体”：黑体、五号、加粗。 “水平对齐”：中对齐 “垂直对齐”：中对齐 “按钮类型”：标准 3D 按钮 c 单击“确认”按钮。 d 其它按钮按此方法一一确定属性。 C 画“百分比填充构件”： a 单击工具箱中的“百分比填充构件”，挪动鼠标光标，在合适 位置按住鼠标左键并拖拽出一个一定大小的图形，松开鼠标。 b 在“基本属性”中设置边界类型、对齐方式、构件外观，然后单 击“确认”。 第二章 监控软件的设计 10 c 在“操作属性”中，选择对应数据对象的名称、大小范围及快速 键等。 2.4.3 连接编程 设备构件的调入 在本设计中，主要是 PLC 设备的通信连接。在进行 PLC 设备的通信连接时，要依托在“串口通信父设备”之下，将左边的“通用设备”文件夹打开，选中“串口通信父设备”并移入到右边的设备子集中，再打开“ PLC 设备”文件夹，选中西门子 S7 200PPI 的 PLC 设备，并将其移入右边的设备子集中。双击 设备窗口中的图标，系统进入设备组态窗口。在空白区内单击右键，调出“设备工具箱”，分别将“串口通信父设备”和“西门子 S7 200PPI”拖拉到设备组态窗口中，下一步就可以进行具体的设备组态了。 设备属性的设置 1串口通信父设备 做好设备连接后，就可以对其通信协议进行设置了。双击“串口通信父设备”，在基本属性通信协议定义如下：通信波特率为 6 9600，数据位位数为 3 8 位，停止位位数为 1 位，数据校验方式为 偶校验，串口端口号为 COM1，见图 2-1： 第二章 监控软件的设计 11 图 2-1 设备 0 属性设置 2西门子 S7 200PPIPLC 西门子 S7 200PPIPLC 的定义是进行设备连接的关键所在，在这 里要进行 PLC 相关通道的开通，并与 MCGS 组态软件中数据库变量进行链接。 （ 1）基本属性 在基本属性中，定义最小采样周期为 1ms，其他参数可以采用默认值。 （ 2）通道属性设置 在基本属性中，单击“设置设备内部属性”项，弹出“西门子 S7 200PPIPLC 设备通道属性”窗口，设置与 MCGS 组态软件相关的通道到设 备设置窗口中。在该窗口中，“增加通道”、“删除一个”、“全部 删除”、“索引拷贝”操作按钮用来进行通道的开通和删除。 图 2-2 设备 1 属性设置 设备与变量的连接 1单击工作台中的“设备窗口”选项卡，进入“设备窗口”页。 第二章 监控软件的设计 12 2单击右侧“设备组态”按钮或双击“设备窗口”图标，弹出设备组态窗口。双击西门子 S7 200PPIPLC，单击通道连接（通道连接就是将 PLC 中的通道参数与 MCGS 组态软件中数据库变量进行组合连接），将两组对应的变量进行左右对应即可生成。 将脚本程序添加的策略行 1回到组态环 境，进入循环策略组态窗口。 2单机工具栏“新增策略行”按钮。 3选中策略工具箱的“脚本程序”，光标变为手形。 4单机新增策略行末端的小方块，脚本程序被加到该策略。 5双击“脚本程序”策略行末端的方块，出现脚本程序编辑窗口。 6编辑脚本程序，并保存。 菜单组态 在建立了一个新工程文件后，为了便于操作可以编制一套合适的菜单。这些菜单项主要适用于不同画面和数据之间的调用。在主控窗口中，通过单击“菜单组态”按钮，或直接双击主控窗中的图标，便可弹出“菜单组态”窗口，用户可以在该窗口下完成菜单 的基本设置工作。 MCGS 菜单组态允许用户自由设置所需的每一个菜单命令，舌质的内容包括菜单命令的名称、对应的快捷键、菜单命令所执行的功能。 用户菜单的组态可以通过建立菜单项来完成，具体操作是用鼠标单击 MCGS 主菜单中的插入菜单项、分隔线、下拉菜单项。建立好的菜单还可以进行修改和属性更换，操作步骤是选中该菜单，在单击鼠标右键，实施上、下、左、右移动。另一种方法是双击该菜单，在菜单属性中重新定义。还可以定义菜单的操作和脚本程序。 组态的运行 组态运行画面如下： 第二章 监控软件的设计 13 图 2-3 控制系统界面 第三章 PLC 的控制设计 14 第三章 PLC 控制器的设计 下位机用西门子的 S7-200 224,用其专用的西门子梯形图语言进行编程。 3.1的概述 可变程序控制器（ Programmable Controller-PC 或 PLC）于1969 年在美国数字设备公司（ DEC）出现以来，经过 30 多年的发展，现在已经成为一种应用范围很广泛的新一代工业自动控制装置。 它应用大规模集成电路，微型机技术和通讯技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型、等各种规格的 PLC 系列产 品，已经和计算机辅助设计和制造及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。 3.2 可编程控制器的主要特点 ： 1. 变成方法简单易学。 梯形图是使用最多的可编程控制器的语言，其电路符号和表达方式继电器电路原理图相似，形象直观，易学易懂。 2功能强，性价比高。 一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现比较复杂的控制功能，与相同的继电器系统相比，有很高的性能价格比。 3硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强。 现有的可编程控制器已经标准化，系列化，模块化，配备有齐全的各 种硬件装置供用户选用；用户可以根据需要灵活方便的进行系统设置，组成不同规模和功能的系统，而且有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 4可靠性高，抗干扰能力强。 可编程控制器用软件代替了大量的中间继电器，时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的 1/10 1/100，因接触不良造成的故障可大为减少。采用了一系列的硬件和软件抗干扰措施，有很强的抗干扰能力，可以直接应用于有强烈干扰的工业生产现场。 5系统的设计，安装，调试工作量少。 用软件功能代 替了继电器控制系统中大量的中间继电器，时间第三章 PLC 的控制设计 15 继电器，计数器等元件，使控制器的设计，安装，接线工作量大大减少。 6维修工作量小，维修方便。 PLC 故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能，当 PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程控制器上的发光二极管提供的信息迅速的查明故障原因，用更换模块的方法可以迅速的排除故障。 7体积小，能耗低。 由于 PLC 可编程控制器的以上优点，根据喷油泵试验台系统的工作要求和工作地点实际情况，采用 PLC 来控制喷油泵试验台系统是比较好的方案。 3.3 PLC 的 基本组成 1 CPU:CPU 是 PLC 的核心，其作用类似于人的大脑，它能够识别用户按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场 I/O 信号的状态，发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户的指令列的格式和语法错误，并具有系统电源、 I/O 系统、存储器及其它接口的测试与诊断功能， CPU 与其他部件之间的连接式通过总线进行的。 2 存储器：有系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统程序是由生产厂家预先编制的监控程序、模块化应用子程序、命令解释和功能子程序的调用管理程序及各种系统参数等。 用户程序包括由用户编制的梯形图，输入、输出状态，技术、定时器以及系统运行必要得初始值，其他参数等。 3 输入 /输出系统 PLC 的输入 /输出系统是过程状态与参数输入到 PLC 以及 PLC 实现控制时控制信号输出的通道，他提供了各种操作电平和驱动能力的输入 /输出接口模板，以实现被控过程与 PLC I/O 接口之间的电平转换，电器隔离穿 /并转换、 A/D 与 D/A 转换等功能，根据功能不同， I/O 通道可以分为： 模拟量输入通道（ AI） 模拟量输出通道（ AO） 开关量输入通道（ DI） 开关量输出通道 (DO) 脉冲量输入通道（ PI） PLC 的基本组成和结构如下图 第三章 PLC 的控制设计 16 3.4 可编程控制器的工作原理 1 工作过程 按照可编程控制器系统的构成原理，可编程控制器系统有传感器和执行器组成，可编程控制器通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序来实现控制任务，其操作员例如下图，操作过程分析如下 CPU 系统和用户内存 用户程序存储器 输入接口 输入输出寄存器 输出接口 I/O扩展接口 I/O扩展机 编程器 外设 I/O接口 电 源 第三章 PLC 的控制设计 17 PLC 将内部数据存储器分成若干个存储器区域，其中过程影响区域又 成为 I/O 映像寄存器区域。过程映像区域的输入映像寄存器区域 (PII)用来存放输入端点的状态，输出映像寄存器区（ PIQ）用来存放用户程序（ OB1）运行的结果。 PLC 输入模块的输入信号状态与传感器信号相对应，为传感信号经过隔离和滤波后的有效信号。开关两输入信号只能识别传感器的 0、 1 电平，不能识别开关的同段。 CPU 在每个扫描周期的开始扫描输入信号的信号状态，并将其状态送入到输入映像寄存器区域； CPU 根据用户程序中的程序指令来处理传感器信号，并将处理结果送到输出映像寄存器区域。 PLC 输出模块具有一定的负载驱动能 力，在而定负载异能，直接和负载相连，可以驱动相应的执行器。 2 技术性能指标 可编程控制器的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选也不同技术性能指标的 PLC。可编程控制器的技术性能指标主要有以下几个方面： 1)I/O 点数 2)存储容量 3)扫描速度 4)指令系统 5)可扩展型 6)通讯功能 3 编程器 他是编辑、调试和安装用户程序的必备设备，是 PLC 系统开发阶段所必需的开发工具，他一般通过标准通信接口或专用编程接口与 PLC 相连接。它可分为专用型和通用型两类：专用型编程器一般是 PLC 所配的专用小型编程器，采用指 令代码直接编程，采用数码管显示指令内容和运行结果；通用性编程器一般采用通用第三章 PLC 的控制设计 18 的台式个人计算机或便携式计算机，配以专用编程软件对 PLC 进行编程组态，程序调试和运行监视及设备测试等。 3.5 PLC 的硬件选型 3.5.1 输入输出点数的确定 系统的输入输出信号既有开关量又有模拟量，输入信号有按钮发出的开关信号，霍尔元件发出的脉冲信号，以及温度、压力，位移传感器发出的 4-20MA 模拟信号，输出信号除了控制各继电器信号，送上位机的显示信号外，还有控制变频器的 0-10V 模拟量信号。 输入点数 I： 1、测转速传感器 1 信号 输入 2、计数用传感器 1 脉冲输入 3、测提前角用传感器 1 信号输入 4、测提前角用传感器信号输入 5、温度控制按钮 6、计数按钮 7、温度设置按钮 8、计数设定按钮 9、转速设置按钮 10、设置升按钮 11、设置降按钮 12、主轴电机正转按钮 13、主轴电机反转按钮 14、主轴电机停止按钮 15、温度传感器信号输入 16、压力传感器信号输入 17、位移传感器信号输入 18、油泵电机开 19 油泵电机停 （共 19 个：开关量 12 个，模拟量 3 个，脉冲量 4 个） 输出点数 Q： 1、主电机正转继电器 K1 2、 主电机反转继电器 K2 3、油泵电机开接触点 K3 第三章 PLC 的控制设计 19 4、风扇开 K4 5、加热器开 K5 6、计数继电器开 K6 7、转速控制信号输出 （共 7 个：开关量 6 个，模拟量 1 个） 3.5.2PLC 的 CPU 选择 由于本人对德国西门子的 S7-200PLC 比较熟悉，并经过调查得知其产品质量高，故障率低，所以选用 S7-200 型 PLC。 S7-200 有 4 种 CPU 模块： （ 1） CPU221 CPU222 即集成了了 6 点数字量输入和 4 点数字量输出，共有 10个数字量 I/O 点，无扩展能力。 CPU221 有 6KB 程序和 数据存储空间， 4 个独立的 30KHZ 高速计数器， 2 路独立的 20KHZ 高速脉冲输出， 1 个 RS-485 通信编程口。 CPU221 具有 PPI（点对点通信）、 MPI（多点通信）和自由方式通信能力，非常适于小型数字量控制。 （ 2） CPU222 CPU222 机集成了 8 点输入 /6 点输出，共有 14 点数字量 I/O，可连接 2 个扩展模块，最大可扩展至 78 点数字量 I/O 或 10 路模拟量 I/O.CPU222 有 6KB 程序和数据存储空间、 4 个独立的 30KHZ高速计数器、 2 个独立的 20KHZ 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。他还配置了 1 个 RS-485 通 信编程口，具有 PPI、 MPI 和自由方式通信能力。 CPU222 型 PLC 是具有扩展能力、适用性更广泛的小型 PLC （ 3） CPU224 本机集成了 14 点输入 /10 点输出共有 24 点数字量 I/O。她了连接7 个扩展模块，最大扩展至 168 点数字量 I/O 或 35 路模拟量I/O.CPU 有 13KB 程序和数据存储空间、 6 个独立的 30KHZ 高速计数器、 2 路独立的 20KHZ 高速脉冲输出，遇有 PID 控制器。CPU224 配有 1 个 RS-485 通信编程口，具有 PPI 通信、 MPI 通信和自由方式通信能力，是具有较强控制能力的小型控制器 。 （ 4） CPU226 本机集成了 24 点输入 /16 点输出，共有 40 个数字量 I/O。可连接7 个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量I/O.CPU226 有 13KB 程序和数据存储空间， 6 个独立的 30KHZ高速计数器， 2 路独立的 20KHZ 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。第三章 PLC 的控制设计 20 CPU226 配有 2 个 RS-485 通信编程口，具有 PPI 通信、 MPI 通信和自由方式通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。 CPU22X 主要技术指标 根据已知的系统的 I/O 点数，以及所需的高速计数器功能、中断功能以及扩展功能，我们选择 CPU224。 系统需要 19 路数字量输入， 6 路数字量输出。而 CPU224 只有 14 路数字量输入， 10 路数字量输出。则需要进行数字量输入模块扩展。因系统还需要 3 路模拟量输入， 1 路模拟量输出，所以 PLC 需要选择模拟量输入输出模块。 3.5.3PLC 扩展模块的选择 1数字量扩展模块的选择： 数字量输入输出模块是为了解决本机集成的数字量输入输出点不能满足需要而使用的扩展模块。因只需要增加数字量输入模块，则我们选择的扩展模块是 EM221。 . EM221 数字量输入模块： EM221 数字量输入模块具有 8 点输入隔离。 EM221 技术指标 型号 EM221 数字量输入模块 总体特性 外形尺寸： 46mm 80mm 62mm 功耗： 2W 输入特性 本机输入点数： 8 点数字量输入 输入电压：最大 DC30V，标准 DC24V/4mA 隔离：光隔离， AC500V， 1min， 4 点 /组 输入延时：最大 3.2.5ms 电缆长度：不屏蔽 350m，屏蔽 500m 耗电 从 CPU 的 DC5V(I/O 总线 )耗电 30mA 接线端子 1M、 0.0、 0.1、 0.2、 0.3 为第一组， 1M 为第一组公共端 2M、 0.4、 0.5、 0.6、 0.7 为第二组， 2M 为第二组公共端 2模拟量扩展模块的选择 模拟量 I/O 扩展模块提供了模拟量输入和模拟量输出的扩展功能， S7-200 的模拟量扩展模块式有较大的适应性，可以直接与传感器相连，并有很大的灵活性，且安装方便。其模拟量扩展模块有： 第三章 PLC 的控制设计 21 （ 1）、 EM231 模拟量输入模块 EN231 具有 4 路模拟量输入，输入信号可以是电压，也可以使电流，其输入与 PLC 与有隔离。 （ 2） EM232 模拟量输入模块 EM232 具有 2 路模拟量输出，输出信号可以是电压，也可以使电流，其输入与 PLC 与有隔离。 （ 3） EM235 模拟量输入模块 EM235 具有 4 路 模拟量输入和一路模拟量输出。他的输入信号可以是不同量程的电压或电流。其电压、电流的量程由开关SW1-SW6 设定。 EM235 有意路模拟量输初，其输出可以是电压，也可以使电流。 EM235 技术指标 型号 EM235 模拟量混合模块 总体特性 外形尺寸： 71.2mm 80mm 62mm 功率： 3W 输入特性 本机输入： 4 路模拟量输入 电源电压：标准 DC24V/4Ma 输入类型： 0-50Mv、 0-100Mv、 0-500Mv、 0-1v、0-5v、 0-10v、 0-20ma 25mv、 50mv、 100mv、 250mv、 500mv、 1v、 2.5v、 5v、 10v 分辨率： 12bit 转换速度： 250 微秒 隔离：有 输出特性 本机输出： 1 路模拟量输出 电源电压：标准 DC24V/4ma 输出类型： 10V、 0-20ma 分辨率： 12bit 转换速度： 100 微秒（电压输出）， 2 微秒（电流输出） 隔离：有 耗电 从 CPU DC5V(I/O 总线 )耗电 10ma 接线端子 M 为 DC24V 电源负极端， L+为电源正极端 M0、 V0、 I0 位模拟量输出端 电压输出时，“ V0”为电压正端，“ M0”为电压负端 电流输出时 ，“ I0”为电流的进入端，“ M0”为电第三章 PLC 的控制设计 22 流的留出端 RA、 A+、 A-;RB、 B+、 B-;RC、 C+、 C-;RD、 D+、D-分别为第 1-4 路模拟量输入端 电压输入时，“ +”为电压正端，“ -”为电压负端 电流输入时，须将“ R”与“ +”短接后作为电流的进入端，“ -”为电流输出端 因需要 3 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，所以我们选择的扩展模块是 EM235。 3.6 PLC 的软件设计 3.6.1 S7-200 的程序设计方法 ： 编制 PLC 控制程序的方法很多，主要的有以下几种典型的编程方法： 1、 图解法编程 图解法是靠画图进行 PLC 程序设计。常见的主要由提醒突发、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 2。经验法编程 经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是设计前线选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，有的也可能是来自其他资料的典型程序。要想使自己有更多的经验，就需要日积月累，善于总结。 3。计算机辅助设计编程 计算机辅助设计是通过 PLC 编程软件在计算机上 进行程序设计、离 线 或 在 线 编 程 、 离 线 方 针 和 在 线 调 整 等 等 。 S7-200的 ”STEP7-Micro/WIN32”3.0 版本编程软件是基于 Windows 平台的应用软件。它支持 Windows95、 Windows98 和 WindowsNT 使用环境，使用环境，使 S7-200PLC 编程专用软件。使用这些编程软件可以十分方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用这些编程软件可以十分方便的在计算机上进行程序的存取、加密以及完成 EXE 运行文件。 我们采用梯形图法进行 PLC 程序设计。最后在 S7-200PLC编程专用软件“ STEP7-Micro/WIN32” 3.2 版本编程软件上进行输入编程，调试。 第三章 PLC 的控制设计 23 3.6.2 程序实现以下功能 1实现对燃油温度的检测计算 2实现对盆油泵压力的检测计算 3实现对盆油泵齿杆行程位移的检测计算 4实现对主轴转速的检测计算 5实现对喷油泵喷油次数的检测计算 6实现对喷油提前角的检测计算 7实现对主轴转速的控制 8实现对主轴电机正、反转停止的控制 9实现对油泵开停的控制 10实现对燃油温度的控制 11实现对温度、转速、计数的预置值设定 程序实现说明： 1.模拟量检测：（以温度检测 为例） 温度检测值 AIW0 送温度存储单元 VW0， VW0 中的数值减去 6553，再除以 131 存入 VW2， VW2 中的内容即为温度的实际值。其中： 6553 为 4 毫安信号所对应的数值； 131 位每度对应的数值；压力检测和检测同理。 2. 转速控制： 因为转速要求为 04000 转，则求出每转的对应数值为 8，由速度预设值乘以每转对应的数值即得设置转速对应的数值。此数值送入 AQW0 变为 010V 模拟量输出控制变频调速。 3 转速检测： 利用高速计数器 HSC0 功能及定时中断功能，高速计数器工作后每 250 毫秒产生一次定时中断读 一次高速计数器得值 HC0，然后乘以 240 即得每分钟的转速。 4 计数检测 : 利用高速计数器 HSC3 功能及中断功能，其 HSC3 的预设值设置等于计数预设值。当计数完毕后产生高速计数器中断，此时HC3 的值即为计数值。 5 提前角的检测： 利用高速计数器 HSC4、 HSC5，设置 HSC4 预设值 5，则其计 5 次数产生一次中断，此时读出高速计数器的数值 HC5，用 5减去 HC5 的值得 5 转的转数差值，此值除以 5 转后的每转的转数差值，再乘以 360 度即得提前角的度数。 第三章 PLC 的控制设计 24 6.预设值程序（以转速为例）： 因为要求每按一下增减按钮转速 增减 50 转。则利用增减计数器 C4 功能，其 C4 每增减一次 ,则 C4 的值乘以 50， 得其预设值送入转速预设单元 VW10 中。 7.变量分配表： PLC 的变量分配表 输入 地址号 信号名称 注释 I0.0 转速传感器输入 HSC0 专用脉冲输入 I0.1 计数传感器输入 HSC3 专用脉