基于西门子S7200PLC的化学凝结水混床控制系统设计

1、中文摘要中文摘要 众所周知，电力工业是国民经济重要的基础工业，是国家经济发展战略 中的重要和先进产业。目前，我国的电力工业发展迅速，以火力发电为主，约 占全国电厂的70左右。由于水在火力发电厂的生产过程中，既担负着传递能 量的作用，同时又担负着冷却介质的作用，因此在发电过程中，水处理占有重 要的地位。所以，如何实现电厂水处理的监督与自动控制，提高火电厂的经济 效益和社会效益，成为当前火电厂急需解决的重要课题。 本文重点介绍了可编程控制器西门子 S7200 在电厂化学凝结水混床的控 制系统中的应用。分析了目前火电厂在化学凝结水混床的控制系统中的一些现 状，改造后的控制方案采用上位机监视和下位机控

2、制的联合控制方式，下位机 采用了德国西门子公司的西门子 S7200，并就西门子 S7200 的特点、应用 领域、 、发展方向、工作原理以及如何梯形图的设计在本文中都一一进行了介绍； 上位机采用的是紫金桥监控组态软件，在文中介绍了它与下位机（可编程控制 器）是如何进行 I/O 连接与通信的，以及上位机的模拟量动态监控画面。 关键词：化学凝结水混床控制系统 可编程控制器 紫金桥监控组态软件 ABSTRACT Its well to known, electric power is important basic industry,and it is important and advanced i

3、ndustry in development strategy of national economy.Now,electric power industry of China grows rapidly, thermal plant account for 70 percent national power plant. Because water plays an important role of transferring the energy and cooling medium in the process of generating electricity, water treat

4、ment is very important. The problem of how to supervise and automatic control the water treatment process effectively and thus enhance its economic and social benefit has become important and urgent subject to resolve for thermal plants. This article introduced with emphasis programmable controller

5、Simens S7-200 mixes the bed in the Tieling power plant chemistry condensing water in the control system application. Analyzes the present thermoelectric power station to mix the bed in chemistry condensing water in control system some present situations, for example control method backwardness, the

6、control signal could not gather promptly as well as control the personnel not to be able to monitor and so on the aspects to conduct the research and the transformation promptly. After the transformation control plan used on the position machine surveillance and the lower position machine control un

7、ion control mode, the lower position machine has used Germany Siemenss Simens S7- 200, and on the Simens S7-200 characteristic, the application domain, the development direction, how the principle of work as well as the trapezoidal chart design all 11 has carried on the introduction in this paper; O

8、n the position machine uses is the purple golden bridge monitoring configuration software, introduced in the article how it (programmable controller) does carry on I/with the lower position machineO connection and correspondence, as well as on position machine dynamic monitoring picture. This articl

9、e introduced the condensing water mixes the bed control system is west of family household S7-200 is a core, realizes the Tieling power plant chemistry condensing water to mix the bed the movement and passes on the fat. Key word: Chemistry condensing water mixes the bed control system programmable c

10、ontroller Purple golden bridge monitoring configuration software 目目 录录 中文摘要. 俄 文. 第一章 引言.1 1.1 课题的背景及选题意义.1 1.2 化学水顺序控制的发展现状.1 1.3 本设计的主要内容.2 第二章 化学水顺序控制系统简介.3 2.1 火电厂化学水处理工艺简介.3 2.2 化学水处理系统的构成.4 2.3 化学水处理的计算机监控系统的组成.5 第三章 控制设备及软件原理.8 3.1 PLC 原理及使用.8 3.1.1 PLC 概述.9 3.1.2 PLC 的应用场合及功能.10 3.1.3 PLC 的基

11、本结构各组成部分.11 3.1.4 PLC 的软件编程方法.12 3.2 监控软件的构成及功能.13 3.2.1 监控软件的用途及种类.13 3.2.2 紫金桥软件的功能及基本使用方法.14 第四章 参数检测方法及原理.15 41 检测方法.15 42 流量的测量.18 43 导电度的测量.18 第五章 化学水计算机监控系统设计.19 51 化学水凝结水混床的作用及工艺构成.19 52 化学水凝结水混床的控制步序.19 53 监控软件设计.20 531 监控软件设计要求.21 54 程序 T 形图.23 结 论.31 致 谢.32 参考文献：.33 附 录.34 第一章第一章 绪论绪论 1.1

12、 选题选题背景背景 随着大型火电机组建设规模的不断扩大，机组的参数与容量不断提高，电 厂化学水处理也正发生着深刻的变化。电厂化学水系统作为重要的辅助车间和 辅助系统，特别是大型火电厂利供热电厂的化水处理车间处理量大，工艺复杂， 水质要求高，其运营的好坏直接关系到电厂的安全运行及可靠性。但是，由于 电厂化学水系统对于整个电厂而言是一个相对独立的系统，与其他主体专业相 关性不是很强，同时，电厂化学水系统因为监视控制点比较分散，难以纳入传 统 DCS 控制技术进行系统化改造，致使化学专业自动化水平、信息集成化水平 相对落后，已经不能满足现代化电力生产的需要。在全厂自动化水平大幅提高 的同时，提高化水

13、系统的控制水平以满足生产需求已是当务之急。本次设计课 题就是针对铁岭电厂化学凝结水混床程序控制系统在自动控制方面的进一步改 造。 凝结水精处理是对水汽系统中的凝结水进行除盐和除浊处理，以保证凝结 水水质合格，防止水汽系统产生腐蚀、结盐和结垢。发电厂一单元、二单元的 凝结水精处理程序控制因为原来设计、调试和现场实际情况等多种原因使用的 是远手操，自动化水平低，因此我们对一单元程控部分进行了更新和改造。系 统采用了 MODICON 的可编程逻辑控制器（简称 PLC）并增加工控机和 CRT,实现 了实时监视设备状况,并对主要参数进行历史记录，程控系统预留了在 OPC 等协 议下与辅控网系统通讯的功能

14、。改造后凝结水处理系统能够实现程序控制、CRT 手动操作、就地操作等功能，从而减少了运行人员的工作量,提高设备自动化水 平。本文以此为例介绍 PLC 自动控制技术在凝结水精处理系统中的应用。 可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子 系统，它采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制等 操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。它还具有与其它计算机通信联网的功能。电厂化学水系统比较独立，所 以采用可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC）控制电 厂化学水系统是必然趋势。 1

15、.2 控制系统概况控制系统概况 发电厂一单元凝结水精处理程控系统采用了 Modicon 公司 Quantum 系列程 序控制设备及配套的 Modicon Concept2.6 软件编程，使用 CPU 双机冗余配置。 上位机使用的是台湾 ADLink 工控机并使用 iFIX 工控软件进行组态。凝结水处 理设备可由键盘、鼠标在计算机上通过 PLC 系统实现自动、成组和远操方式。 控制工艺要求：每台机 2 台高速混床，不设备用，全部投入运行，每 2 台机公 用 1 套再生设备，再生间内存 1 套树脂，作为 2 台机的备用树脂。该套程控系 统主要功能包括四部分：（1）2 台高速混床的运行以及机组凝结水

16、旁路门的监 视；（2）高速混床和再生间阳再生器之间的树脂输送；（3）树脂在再生间的 再生操作；（4）高速混床的投运和停运。 1.3 设计主要内容设计主要内容 本次设计采用上位机与下位机联合控制的方式。整套系统具有如下功能： 采用 PLC 实现如凝结水处理的预处理、一级和二级除盐设备各工艺过程的顺序 控制。上位监控站实现：工艺流程图、趋势图显示； 系统自动、半自动、成组、 单步及跳步控制操作； 成组参数、报警画面显示； 各类报表显示和打印； 操 作指导显示等。 该改造项目拟采用下述方案实现。控制设备采用可编程序控制器，程控系 统分为四套，生活消防水系统,净水室补给水处理系统,净水室凝结水系统，汽

17、 水化验站系统。净水室补给水处理系统,净水室凝结水系统可编程序控制器采用 双 CPU 配置，放在净水室，生活消防水系统采用单 CPU,控制柜放在就地，其可 通过通信电缆与净水室监控系统相连。汽水化验站系统采用单 CPU,控制柜放在 就地，其监控计算机设在#1/2 机汽水化验室，通过通信电缆与#3/4 机汽水化验 站及净水室监控系统相连。操作员站选用研华工控机，配备三星 19 寸液晶显示 器和惠普激光打印机。软件开发平台选用 INTOUCH 无限点组态软件。执行数据 采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自动软件。它是当今世界 公认的优秀组态软件。数据通信系统采用工业以太网，便于扩展。

18、该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。 控制功能分散意味着系统实时响应快和系统危险分散。操作管理集中便于集中 管理。方案配置还具有冗余特性。 首先要做的工作是收集相关的论文材料并翻译，这项工作可以上网或去学 校的图书馆进行查询，还可以咨询自己的导师。其次是要学习编程软件，之后 对整个控制系统的设计形成自己的想法，为后来的设计打下基础。 整体来说这是一个比较庞大的控制系统。共有 11 个控制站，其中有 PLC 控 制站有 4 台。数据通信系统采用的是工业以太网，这样便于扩展。我负责的是 其中的凝结水部分。凝结水系统由凝结水处理和体外再生两部分组成。而我做 的是凝结水混

19、床运行和传脂的控制程序。 第二章第二章 PLCPLC 控制系统简介控制系统简介 2.1 PLC 概述 2.1.12.1.1 PLCPLC 的定义的定义 可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种数字运算操作的 电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 2.1.22.1.2 PLCPLC 的特点的特点 （1）可靠性高,抗干扰能力强 ：PLC 的 MTBF 一般在 4000050000h 以

20、上， 西门子、ABB、松下等微小型 PLC 可达 10 万 h 以上，而且均有完善的自诊断功 能，判断故障迅速，便于维护。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均 无鼓掌时间达到数十万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 （2）模块化组合灵活：可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来 完成不同的任务组合。I/O 从 88192 点，有多种机型、多种功能模板可灵活 组合，结构形式也是多样的。 （3）功能强：PLC 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定 时、计数等顺序控制功能。基本型式再

21、加上模拟 I/O、基本算术运算、通信能 力等。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终 端机制、智能 I/O、PID 调节、过程监视、网络通信能力、远程 I/O、多处理器 和高速数据处理能力。PLC 可以通过通信联网，可以实现分散控制，集中管理。 （4）编程方便：PLC 适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺 序功能表图(SFC)编程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综 合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。 （5）适应工业环境：PLC 的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等 恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作,这是 PLC

22、 产品市场生存价值。 (6)安装、维修简单：与计算机系统相比， PLC 安装不需要特殊机房和严 格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运 行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换， 使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间， 使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。 一些 PLC 外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散 热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF 高频) 电磁干扰、防火等。 （7）运行速度快：随着微处理器的应用，使 PLC

23、 的运行速度增快，使它更 符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。 2.1.32.1.3 PLCPLC 的应用与发展的应用与发展 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可 归纳为如下几类。 （1）开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流 水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流 水线等。 （ 2）模拟量控制 在工业生产过程中，有

24、许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和 速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量 （Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产 配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 （3）运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直 接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动 控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上 各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机 器人、电梯等

25、场合。 （4）过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计 算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般 闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小 型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制 在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 （5）数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传 送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处 理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一

26、定的控制操作，也 可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用 于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造 纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 （6）通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机 控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通 信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非 常方便。 2.1.4 PLC 的国内外现状及发展状况 （1）PLC 的国内外现状 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司（D

27、EC）研制的。 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小 规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、 数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方 便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器 电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元 件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产 物。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，

28、计算机技术 已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型 体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定 了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家 中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高 性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家 日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从 控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞 生了各种各样的特殊功能单

29、元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控 制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应 用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械 制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。 最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备 及产品中不断扩大了 PLC 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控 制器。上海东屋电气有限公司生产的 CF 系列、杭州机床电器厂生产的 DKK 及 D 系列、大连组合机床研究所生产的 S 系列、苏州

30、电子计算机厂生产的 YZ 系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡 华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 PLC 生产厂家。 可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC 在我国将有更广阔的应用天地。 （2）PLC 未来展望 21 世纪，PLC 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地 应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智 能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展； 从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的

31、需求；从市场上看，各国各 自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌 垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看， 可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器 技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统 DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程 控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业 以外的众多领域发挥越来越大的作用。 2.2 PLC 的基本结构及工作原理 2.2.1PLC 的基本结构 可编程控制器实质上是一种

32、工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更 强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编 程控制器起与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它有中央处理单元（ CPU ）、存储器（ ROM/RAM ）、输入 / 输出单元（ I/O 单元）、编程器、 电源等主要部件组成。如图 2.1 所示. 图 2.1 PLC 硬件组成 （1）中央处理器 (CPU) 与一般计算机一样， CPU 是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的 功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有： a.接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程 序的内容和存储地址。 b.检查、校

33、验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误 立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程 序的执行。 c.接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要改数 据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。 d.执行用户程序。当可编程控制器进入运行状态， CPU 根据用户程序存 放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作， 并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。 e.故障诊断。诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误 的类型，通过显示器显示相应信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。不 同型

34、号可编程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031、 8051、 8086、80826 等，也有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片（如 西门子公司的 S7-200 系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片），CPU 芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号能力与速度， CPU 位数越高， 系统处理的信息量越大，运算速度也越快。随着 CPU 芯片技术的不断发展，可 编程控制器所用的 CPU 芯片也越来越高档。 （2）存储器 可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作 数据存储器等三种。 a.系统程序存储器 存储器用来存放由可编程控制器生产厂

35、家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使可编程控制器具有基本的智能。能够完成可编程 控制器设计者规定的各项工作。系统程序质量好坏，很大程度上决定了 PLC 的 性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程 控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；第二部分为用户指令解 释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器编程语言变为机器语言指令， 再由 CPU 执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序，它包括 许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的 子程序，可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分

36、程序的 多少决定了可编程控制器性能的强弱。 b.用户程序存储器 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放 用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。 用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM（有用锂电 池进行掉电保护），EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修 改或增删。目前较先进的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户 程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。 c.工作数据存储器 工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的 ON/OFF 状态、 数值数据等。在工作数

37、据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。元件映像寄存 器用来存储开关量/输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变 参数值及 A/D 转换得到的数字量和数学运算的结果等。在可编程控制器断电 时能保持数据的存储器区称数据保持区。 用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和 内部器件的多少，是反映 PLC 性能的重要指标之一。 （3）输入/输出接口 输入/输出接口是 PLC 与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类 型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、 光电开

38、关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电 机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、 调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 （4）电源 小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。电源一方面可为 CPU 板， I/O 板及扩展单元提供工作电源（ 5VDC ），另一方面可为外部输 入元件提供 24VDC （ 200mA ）。 （5）扩展接口 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连 , 使 PLC 的配置更加灵活。 （6）通信接口 为了实现“人机”或“机机”之间的对话， PLC 配有多种通信接口。 PLC 通

39、过这些通信接口可以与监视器，打印机，其他的 PLC 或计算机相连。 当 PLC 与打印机相连时，可将过程信息，系统参数等输出打印；当与监视器 (CRT) 相连时，可将过程图象显示出来；当与其他 PLC 相连时，可以组成多 机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级 控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。 （7）智能 I/O 接口 为了满足更加复杂的控制功能的需要， PLC 配有多种智能 I/O 接口。例 如，满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进行计数和处理的高 速计数模板等。这类智能模板都有其自身的处理器系统。 （8）编程器 作用是供用户进行程序的编制

40、，编辑，调试和监视。编程器有简易型和智 能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语 言助记符（指令表）后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显 示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器。它可以联机，也可以脱机编程， 具有 LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话 . 也 可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的编程软件包，若要直接与可 编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。 3.2.23.2.2 PLCPLC 的工作原理的工作原理 可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工 作原理基础上的，即是通过执行反

41、映控制要求的用户程序来实现的。但是 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以 程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。 由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入 / 输出的响 应是有滞后的。如图 2.2 所示 图 2.2 用 PLC 实现控制功能的接线示意图 概括而言， PLC 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一 次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 CPU 从第一条指令开始，按顺 序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮 扫描。 PLC 就是这样周而复始地重复上述循

42、环扫描的。执行用户程序时，需 要各种现场信息，这些现场信息已接到 PLC 的输入端口。 PLC 采集现场信 息即采集输入信号有两种方式：第一种，采样输入方式。一般在扫描周期的开 始或结束将所有输入信号（输入元件的通 / 断状态）采集并存放到输入映像寄 存器（ PII ）中。执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而 不直接到输入端或输入模块去取用。第二种，立即输入方式。随着程序的执行 需要那一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输 入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时 才变化。同样，PLC 对外部的输出控制也有集中输出和立即输

43、出两种方式。集 中输出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把 执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器（ PIQ ）中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使 输出设备部件动作。立即输出方式是在执行用户程序时将该输出结果立即向输 出端口或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的 内容也更新。PLC 对输入输出信号的传送还有其他方式。如有的 PLC 采用输 入，输出刷新指令。在需要的地方设置这类指令，可对此电源 ON 的全部或部 分输入点信号读入上电一次，以刷新输入映像寄存器内容；或将此时的输出结 果立即向

44、输出端口或输出模块输出。又如有的 PLC 上有输入、输出的禁止功 能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、 输出信号也不输出。 PLC 工作的全过程可用图 2.3 所示的运行框图来表示。 图 2.3 可编程控制器运行框图 可编程控制器整个运行可分为三部分： 第一部分是上电处理。可编程控制器上电后对 PLC 系统进行一次初始化工 作，包括硬件初始化， I/O 模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他 初始化处理等。 第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。 先完成输入处理，其次完成与其他外设通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器 更新。当 C

45、PU 处于 STOP 方式时，转入执行自诊断检查。当 CPU 处于 RUN 方 式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正常，如 CPU、电池电压、程序存储器、I/O 、通信等是否异 常或出错，如检查出异常时， CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通，在特殊 寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时， CPU 被强制为 STOP 方式，所 有的扫描停止。PLC 运行正常时，扫描周期的长短与 CPU 的运算速度有关，与 I/O 点的情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关

46、。通常用 PLC 执行 1K 指令所需时间来说明其扫描速度 (一般 110ms/K)。值得注意的是，不 同指令其执行是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用 的扫描时间将会不同。若用于高速系统要缩短扫描周期时，可从软硬件上考虑。 2.2.3 可编程控制器的编程原则 （1）PLC 编程元件的触点在编程过程中可以无限次使用，每个继电器的线圈在 梯形图中只能出现一次，它的触点可以使用无数次。 （2）梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右 边，且不能直接与左边母线相连。 （3）编制梯形图时，应尽量做到 “ 上重下轻、左重右轻 ” 。 （4）两个或两个以上的线圈

47、可以并联，但不可以串联。 （5）程序以 END 指令结束，程序的执行是从第一个地址到 END 指令结束，在 调试的时候，可以利用这个特点将程 序分成若干个块，进行分块调试，直至程 序全部调试成功。 第三章 控制设备及软件原理 31PLC 原理及使用 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展 到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可以分为几类，例如可 编程序控制器、基于 PC 总线的工业控制计算机、基于单片机的测控装置、用 于模拟量闭环控制的可编程序调节器、集散控制系统（DCS）和现场总线控制 系统（FCS）等。 现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产

48、出小批量、多品种、 多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线 的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器（Programmable Logic Controller, PLC）正是顺应这一要求出现的，它是微处理器为基础的通用 工业控制装置。 PLC 的工作原理：PLC 有两种工作模式，即 RUN 模式与 STOP 模式。 在 RUN 模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。 在 STOP 模式，CPU 不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程 序，设置 PLC 的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到 PLC。 PLC 通电后，需要

49、对硬件和软件作一些初始化的工作。为了使 PLC 的输出 及时地响应各种不同的任务，如图 3.1，这种周而复始的循环工作模式称为扫描 工作模式。 RUN 状态 STOP 状态 图 3.1 PLC 工作原理图 读取输入 执行用户程序 处理通信请求 自诊断检查 改写输出 改写输出 自诊断检查 处理通信请求 读取输入 1、读取输入 在 PLC 的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态， 它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。在读取输入阶段， PLC 把所有外部数字量输入电路的 1/0 状态读入输入过程映像寄存器。 外部电 路闭合时，输入为“1”状态，断开时，为“0”状态。

50、 2、执行用户程序 PLC 的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在 RUN 工作模式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU 从第一条指令开始，逐条 顺序地执行用户程序。在执行指令时，从 I/O 映像寄存器或别的位元件的映像 寄存器读出其 0/1 状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果 写入到相应的映像寄存器中，因此，各映像寄存器（只读的输入过程映像寄存 器除外）的内容随着程序的执行而变化。 3、通信处理 在通信请示处理阶段，CPU 处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例 如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传给通信请求 方。 4、CPU

51、自诊断测试 自诊断测试包括定期检查 CPU 模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将 监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 5、改写输出 CPU 执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的 0/1 状态传送到输出模 块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄 存器为 1 状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应 的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图 中输出点的线圈是“断电”，对应的输出过程映像寄存器中存放的二进制数为 0，将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断 开，外部负载断电，停止工

52、作。 311 PLC 概述 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用 而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输 出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按 易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC 有以下 几个特点： 1、编程方法简单易学 2、功能强、性能价格比高 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 4、可靠性高，抗干扰能力强 5、系统的设计、安装、调试工作量少 6、维修工作量少，维修方便 7、体积小，能耗低 PLC

53、的应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之 一。PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC 在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。 在发达的工业国家，PLC 已经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能 价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面： 1、数字量逻辑控制 2、运动控制 3、闭环过程控制 4、数据处理 5、通信联网 3.1.2 PLC 的应用场合及功能 1数字量逻辑控制 可编程序控制器具有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑指令，可以实现触点和电 路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑

54、控制。数 字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及 各行各业，甚至深入到家庭。 2运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、 速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3 轴和多轴位置控制，使运动控 制与顺序控制功能有机地结合在一起。可编程序控制器的运动控制功能广泛地 用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等 场合。 3闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。可编 程序控制器通过模拟量 I/O 模块，实现模拟量(Analog)和数字量（Digital）之间 的 A/D 转换

55、和 D/A 转换，并对模拟量实行闭环 PID（比例积分微分）控制。 PLC 的模拟量 PID 闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、 热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4数据处理 现代的可编程序控制器具有数字运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运 算、字逻辑运算以及求反、循环、移位、浮点数运算等） 、数据传送、转换、排 序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般 用于大 型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、 冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 5通信联网 可编程序控制器的通信包括主机与远程

56、I/O 之间的通信、多台可编程序控 制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器、 数控装置）之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成 “集中管理、分散控制”的分布式控制系统。 3.1.3 PLC 的基本结构各组成部分 1中央处理器（CPU） 与一般计算机一样，CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系统程序赋予的功 能指挥 PLC 有条不紊地进行工作。 2存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放 由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它 使 PLC 具有基本的智能，能够完成

57、PLC 设计者规定的各项工作。用户存储器 包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存 储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的各种用户程 序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM（有掉 点保护） 、EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。 用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用的 ON/OFF 状态，数值数 据等，它构成 PLC 的各种内部器件，也称“软元件” 。 3输入、输出接口 输入、输出接口是 PLC 与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种 类型的输入信号：一类是由按钮

58、、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开 关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号；另一类是由电位器、测速 发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。输出信号用来连接被控对象中 各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量） 、调速装置（模 拟量）等。 4 电源 小型整体式 PLC 内部有一个开关稳压电源。此电源一方面可为 CPU 板、 I/O 板及扩展单元提供工作电源（5V DC） ，另一方面可为外部输入元件提供 （24V DC）电源。 5 扩展接口 扩展接口用于扩展单元与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活。 6 通信接口 为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC 配

59、有多种通信接口。 PLC 通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的 PLC 或计算机相连。 7智能 I/O 接口 为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC 配有多种智能 I/O 接口。编程 工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，最常用的是编程器。 8智能单元 各种 PLC 都有一些智能单元，它们一般都有自己的 CPU，具有自己的系统 软件，能独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机联机，通过通讯 方式接受主机的管理。常用的智能单元有 A/D 单元、D/A 单元、高速记数单元、 定位单元等。 PLC 还可配有盒式磁带机、EPROM 写入器、存储器卡等其他外部设备。 314 PL

60、C 的软件编程方法 与个人计算机相比，PLC 的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放 的。PLC 的编程语言的表达方式有： （1）顺序功能图 （2）梯形图 （3）功能块图 （4）指令表 （5）结构文本 1、顺序功能图 这是一种位于其他编程语言这上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺 序功能图提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言编 程。步、转换和动作是顺序功能图中的三种主要元件。可以用顺序功能图来描 述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图程序。 2、梯形图 梯形图是使用是最多的 PLC 图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电 路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易