电热锅炉供热系统的PLC控制程序设计毕业论文

xxxxxxx机电工程系机电工程系毕业设计论文毕业设计论文题题 目目 电热锅炉供热系统的电热锅炉供热系统的 PLC 控制程序设计控制程序设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间09 届机电一体化毕业设计（论文）第 2 页绪论绪论 现在生产线控制的主流品种是以继电器、接触器为主的控制装置。继电器、接触器是一些电磁开关。由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。通过继电器接触器等其它控制元件的线路连接，可以实现一定的控制逻辑，从而实现设备的各种操作控制。人们将由导线连接决定器件间的逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。随着工业自动化的程度的不断提高，使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器，成千上万根导线连接的密如蛛网。只要有一个电器，一根导线出现故障，系统就不能工作，这就大大降低了这种接线逻辑的可靠性。其次是这样的系统维修机改造很不容易，特别是技术改造，当试图改造工作设备的工作过程以改善设备各功能时，人们宁愿重新生产一套控制设备都不愿将继电器控制柜中的线路重接。而 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采用了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。同时 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减小了控制设备的外部接线，是控制系统设计及建造的周期大大缩短了。同时维护也变得容易起来。更重要的是同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。本文以 PLC 技术在锅炉多功能供热系统为例，来阐明 PLC 在工业控制中发挥的巨大作用关键词：锅炉多功能供热；PLC；09 届机电一体化毕业设计（论文）第 3 页 目目 录录1 绪论 .21.1 PLC 的基本概念.51.2 PLC 的诞生.51.3 PLC 的特点.62 PLC 的介绍.72.1 PLC 的流派.72.2 PLC 的结构和工作原理.83 PLC 的应用领域.113.1 开关量的逻辑控制.113.2 模拟量控制.11.3.3 运动控制.123.4 过程控制.123.5 数据控制.124 PLC 的基本结构.124.1 中央处理单元.134.2 存储器.134.3 I/O 模块.144.4 电源.154.5 底板或机架.164.6 PLC 系统的基本设备.165 PLC 的基本工作原理.1609 届机电一体化毕业设计（论文）第 4 页5.1 扫描技术.165.2 PLC 与继电器控制与系统微机区别.185.3 基本指令系统特点.185.4 编程语言的形式.19 5.5 PLC 控制系统的设计基本原则.205.6 PLC 程序的内容和质量评价指标 .215.7 PLC 程序的调试方法及步骤.225.8 PLC 的造型方法.235.9 经济性考虑.276 基于 PLC 的电热锅炉供热控制系统设计.286.1 电热锅炉供热控制系统设计要求.296.2 电热锅炉供热控制系统设计方案.306.3 电热锅炉供热控制系统设计的程序部分的介绍.34致 谢.37参 考 文 献 .3809 届机电一体化毕业设计（论文）第 5 页 1.11.1 PLCPLC 的基本概念的基本概念PLC 即可编程控制器（ Programmable logic Controller） ，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（ International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”可编程控制器 作为一种数字运算操作的电子系统， 它专为工业控制应用而设计制造。早期的可编程控制器称作 可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller） ，简称 PLC。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。1.2 PLC 的诞生的诞生1969 年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。 1.2.1PLC 的发展第一代：从第一台可编程控制器诞生到 70 年代初期。其特点是：CPU 由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器； 第二代：70 年代初期到 70 年代末期。其特点是：CPU 采用微处理器，存储器采用 EPROM ；第三代：70 年代末期到 80 年代中期。其特点是：CPU 采用 8 位和 16 位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用 EPROM、EAROM、CMOSRAM 等 ；09 届机电一体化毕业设计（论文）第 6 页第四代：80 年代中期到 90 年代中期。PC 全面使用 8 位、16 位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到 1us/步 ；第五代：90 年代中期至今。PC 使用 16 位和 32 位的微处理器芯片，有的已使用RISC 芯片。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。1.31.3 PLCPLC 的特点的特点1.3.1 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 。1.3.2 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。1.3.3 使用方便具体地讲，PLC 有五个方面的方便：1、配置方便：可接控制系统的需要确定要使用哪家的PLC，那种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，到市场上定货购买即可。2、安装方便： PLC 硬件安装简单，组装容易。外部接线有接线器，接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，都不必再接线。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 7 页3、编程方便： PLC 内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，这些器件却实实在在地存在着。4、维修方便：这是因为：1）PLC 工作可靠，出现故障的情况不多，这大大减轻了维修的工作量。5、改用方便： PLC 用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC 还可给别的设备使用，只要改编一下程序，就可办到。1.3.4 工作可靠(1) 在硬件方面： PLC 的输入输出电路与内部 CPU 是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。而且， CPU 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰，能正常地工作。2、软件方面： PLC 的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电控制系统常出现的 冒险竞争，其控制结果总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了 PLC 对应急情况的及时响应，使 PLC 能可靠地工作。 2 PLC 介介绍绍2.1 PLC 的流派的流派2.1.1美国流派据不完全统计，现在世界上生产 PLC 及其网络的厂家有 200 多家，生产大约有400 多个品种的 PLC 产品。其中美国是 PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。2.1.2日本流派日本有 6070 家 PLC 厂商，也生产 200 多个品种的 PLC 产品；日本的小型 PLC最具特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有许多 PLC 制造商，如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等，在世界小型 PLC 市场上，日本产品约占有 70的份额。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 8 页2.1.3欧洲流派德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG 公司、法国的 TE 公司是欧洲著名的 PLC 制造商。德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。在中、大型 PLC 产品领域与美国的 A-B 公司齐名。西门子 PLC 主要产品是 S5、S7 系列。S7 系列是在 S5 系列 PLC基础上近年推出的新产品，其性能价格比高，其中 S7-200 系列属于微型 PLC、S7-300系列属于于中小型 PLC、S7-400 系列属于于中高性能的大型 PLC。2.22.2 PLCPLC 的结构和工作原理的结构和工作原理2.2.1 PLC 的基本结构的基本结构PLC 实际上是一种工业控制计算机。它的硬件结构与一般微机相似，主要由主机、I/O 扩展机、外围设备三部分组成，如图 2-3 所示。1主机主机主机由 CPU（微处理器） 、存储器、输入输出单元、电源等部分组成。CPU 是 PLC 的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按特定格式输入的指令，并按照指令完成预定的控制任务。另外，它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统测试与诊断功能。图图 2-3 PLC 结构示意图结构示意图09 届机电一体化毕业设计（论文）第 9 页PLC 的存储器有两种：系统程序存储器和用户程序存储器。输入输出（IO）单元是 PLC 与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件，输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号，并将这些信号转换成 CPU 能接收和处理的数字信号。输出单元接收经过 CPU 处理过的输出数字信号，并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量 I/O 单元、数字量 I/O 单元两大类。电源单元的作用是把外部电源（220V 的交流电源）转换成内部工作电压。PLC 还有各种外设接口电路，用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成 PLC 的控制网络。PLC 通过 PC/PPI 电缆或使用 MPI 卡通过 RS-485 接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。2I/O 扩展机扩展机每种 PLC 都有与主机相配的扩展模块，用来扩展输入、输出点数，以便根据控制要求灵活组合系统。PLC 扩展模块内不设 CPU，仅对 I/O 通道进行扩展，不能脱离主机独立实现系统的控制要求。3外部设备外部设备外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM 写入器、图形监控系统等。其中编程器是 PLC 必不可少的重要外围设备，由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成，主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视 PLC 的工作状态。2.2.2 PLC 的工作原理的工作原理1PLC 的等效电路09 届机电一体化毕业设计（论文）第 10 页PLC 的工作酷似一个继电器系统，其等效电路可分为三部分：输入部分、内部控制电路和输出部分，如图 2-4 所示。图图 2-42-4 PLCPLC 的等效电路的等效电路输入部分-这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。输入端子外接行程开关、按钮等的触头，内连输入继电器线圈。输入继电器由外部信号通过输入端子驱动，可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。内部控制电路-由用户根据控制要求编制的程序所组成，其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理，判断哪些信号需要输出，并将得到的结果输出给负载。输出部分-这部分的作用是驱动外部负载，所以输出端子是 PLC 向外部负载输出信号的端子，其内连输出继电器（Q）的一对常开触点。输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外，还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。2PLC 的周期工作方式PLC 是通过一种周期工作方式来完成控制的，每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。输入采样阶段-PLC 以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，而且将在 PLC 执行程序时被使用。程序执行阶段-PLC 按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存器中获得所需的数据进行运算、处09 届机电一体化毕业设计（论文）第 11 页理，再将程序执行的结果写入输出状态寄存器中保存。但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。输出刷新阶段-在所有用户程序执行完毕后，PLC 将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中，通过一定的方式输出，驱动外部负载。PLC 重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC 的一个扫描周期一般为 40100ms 之间。2.2.3 PLC 的分类的分类1按结构形式分：整体式：将电源、CPU、I/O 部件都集中在一个机箱内。模块式：将 PLC 各部分分成若干个单独的模块。2按 I/O 点数分：小型 PLC：I/O 点数在 256 点以下，其中小于 64 为超小型或微型 PLC。中型 PLC：I/O 点数在 2562048 点之间。大型 PLC：I/O 点数在 2048 点以上，其中超过 8192 点为超大型 PLC。3按功能分：低档机：具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。中档机：比低档机多了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送比较等功能。高档机：比中档机多了矩阵运算等特殊功能函数运算、通信联网等功能。3 3 PLCPLC 的应用领域的应用领域目前，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。3.1. 开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制09 届机电一体化毕业设计（论文）第 12 页这是 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。3.2 模拟量控制模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，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。3.3 运动控制运动控制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、电梯等场合。3.4 过程控制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应用。3.5 数据处理数据处理现代 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。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 13 页4 4 PLCPLC 的基本结构的基本结构PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC 包括CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU 模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。4.14.1 中央处理单元中央处理单元(CPU)(CPU) 4.1.1 CPU 的构成CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。4.1.2 CPU 的工作机制CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套PLC 至少有一个 CPU，它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O 映象区，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑产生相应的控制信号或 将算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或09 届机电一体化毕业设计（论文）第 14 页输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置， 去指挥有关的控制电路。 如此循环运行，直到停止运行。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。4.24.2 存储器存储器 具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、 ROM 组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为 35 年。4.34.3 I/OI/O 模块模块PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC 系统，输出模块相反。4.3.1 输入接口光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。4.3.2 发光二级管在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。4.3.3 光电三级管09 届机电一体化毕业设计（论文）第 15 页在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。4.3.4 输出接口PLC 的继电器三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载4.3.5 输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号 1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。4.3.6 输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC 内部所能接受的数字信号。4.3.7 常用的 I/O 分类：开关量输入/出（DI/O）：按电压水平分，有 220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量输入/出（AI/O）：按信号类型分，有电流型（ 4-20mA,0-20mA） 、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有 12bit,14bit,16bit 等。除了上述通用 IO 外，还有特殊 IO 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。4.44.4 电源电源09 届机电一体化毕业设计（论文）第 16 页PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 。同时，有的还为输入电路提供 24V 的工作电源。在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在 +10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC 直接连接到交流电网上去 。电源输入类型有：交流电源（ 220VAC 或110VAC） ，直流电源（常用的为 24VDC） 。4.5 底板或机架底板或机架大多数模块式 PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使 CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。4.6 PLC 系统的其它设备系统的其它设备4.6.1 编程设备：编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。编程器分为两种，一种是手持编程器，方便。我们实验室使用的就是手持编程器。二种是通过 PLC 的 RS232 口。与计算机相连。然后敲击键盘。通过GX-DEVELOPER 软件向 PLC 内部输入程序。4.6.2 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。4.6.3 PLC 的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数09 届机电一体化毕业设计（论文）第 17 页PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。 PLC 的通信现在主要采用通过 485 的数据通讯、 cclink 或工业以太网进行联网。5 5 PLCPLC 的基本工作原理的基本工作原理5.1 扫描技术扫描技术PLC 采用“顺序扫描，不断循环 ”的工作方式当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 5.1.1 输入采样阶段在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 5.1.2 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 5.1.3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间， CPU 按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。 扫描周期的长短由三条决定。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 18 页1、CPU 执行指令的速度2、指令本身占有的时间3、指令条数由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入 /输出滞后的现象，即输入 /输出响应延迟。5.25.2 PLCPLC 与继电器控制系统、微机区别与继电器控制系统、微机区别5.2.1 PLC 与继电器控制系统区别前者工作方式是 “串行”，后者工作方式是 “并行”。前者用“软件”，后者用“硬件”。5.2.2 PLC 与微机区别前者工作方式是 “循环扫描”。后者工作方式是 “待命或中断 ”PLC 编程方式：PLC 最突出的优点采用 “软继电器”代替“硬继电器”。用“软件编程逻辑”代替“硬件布线逻辑 ”。PLC 编程语言有梯形图、布尔助记符语言，等等。尤其前两者为常用。5.35.3 基本指令系统特点基本指令系统特点PLC 的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。其编程语言都具有以下特点：5.3.1 图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统的软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。5.3.2 明确的变量常数：09 届机电一体化毕业设计（论文）第 19 页图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400，T120 等。PLC 中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。5.3.3 简化的程序结构：PLC 的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。5.3.4 简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。5.3.5 强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC 的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用PLC 和编程器上的按键、显示和内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。5.45.4 编程语言的形式编程语言的形式最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程，因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。5.4.1 编程指令：指令是 PLC 被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本质上讲，指令只是一些二进制代码，这点 PLC 与普通的计算机是完全相同的。同时PLC 也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC 指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 20 页5.4.2 指令系统：一个 PLC 所具有的指令的全体称为该 PLC 的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着 PLC 的功能和性能。一般讲，功能强、性能好的PLC，其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清PLC的指令系统5.4.3 程序：PLC 指令的有序集合， PLC 运行它，可进行相应的工作，当然，这里的程序是指 PLC 的用户程序。用户程序一般由用户设计， PLC 的厂家或代销商不提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。5.4.4 梯形图：梯形图是通过连线把 PLC 指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC 指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（ LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD 指令） ，以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。5.55.5 PLCPLC 控制系统的设计基本原则控制系统的设计基本原则任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则：5.5.1 最大限度地满足被控对象的控制要求充分发挥 PLC 的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 21 页5.5.2 保证 PLC 控制系统安全可靠保证 PLC 控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 PLC 程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等） ，也能正常工作。5.5.3 力求简单、经济、使用及维修方便一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。5.5.4 适应发展的需要由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、 I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。5.65.6 PLCPLC 程序的内容和质量评价指标程序的内容和质量评价指标5.6.1 PLC 程序的内容PLC 应用程序应最大限度地满足被控对象的控制要求，在构思程序主体的框架后，要以它为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序。经过不断他调整和完善。使程序能完成所要求的控制功能。另外， PLC 应用程序通常还应包括以下几个方面的内容：1、初始化程序 在 PLC 上电后，一般都要做一些初始化的操作。其作用是为启动作必要的准备，并避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容为：将某些数据区、计数器进行清零；使某些数据区恢复所需数据；对某些输出量置位或复位；显示某些初始状态等等。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 22 页2、检测、故障诊断、显示程序 应用程序一般都设有检测、故障诊断和显示程序等内容。这些内容可以在程序设计基本完成时再进行添加。它们也可以是相对独立的程序段。3、保护、连锁程序 各种应用程序中，保护和连锁是不可缺少的部分。它可以杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，保证系统的运行更安全、可靠。因此要认真考虑保护和连锁的问题。通常在PLC 外部也要设置连锁和保护措施。5.6.2 PLC 程序的质量对同一个控制要求，即使选用同一个机型的PLC，用不同设计方法所编写的程序，其结构也可能不同。尽管几种程序都可以实现同一控制功能，但是程序的质量却可能差别很大。程序的质量可以由以下几个方面来衡量：1、程序的正确性 应用程序的好坏，最根本的一条就是正确。所谓正确的程序必须能经得起系统运行实践的考验，离开这一条对程序所做的评价都是没有意义的。2、程序的可靠性好 好的应用程序可以保证系统在正常和非正常（短时掉电再复电、3、参数的易调整性好 PLC 控制的优越性之一就是灵活性好，容易通过修改程序或参数而改变系统的某些功能。4、程序要简练 编写的程序应尽可能简练，减少程序的语句，一般可以减少程序扫描时间，提高 PLC 对输入信号的响应速度。5、程序的可读性好 程序不仅仅给设计者自己看，系统的维护人员也要读。另外，为了有利于交流，也要求程序有一定的可读性。5.75.7 PLCPLC 程序的调试方法及步骤程序的调试方法及步骤PLC 程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两个调试过程，在此之前首先对PLC 外部接线作仔细检查，这一个环节很重要。外部接线一定要准确无误。也可以用事先编写好的试验程序对外部接线做扫描通电检查来查找接线故障。不过，为了安全考虑，最好将主电路断开。当确认接线无误后再连接主电路，将模拟调试好的09 届机电一体化毕业设计（论文）第 23 页程序送入用户存储器进行调试，直到各部分的功能都正常，并能协调一致地完成整体的控制功能为止。5.7.1 程序的模拟调试将设计好的程序写入 PLC 后，首先逐条仔细检查，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试，实际的输入信号可以用钮子开关和按钮来模拟，各输出量的通断状态用 PLC 上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC 实际的负载(如接触器、电磁阀等 )。可以根据功能表图，在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关触点的接通和断开。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合功能表图的规定，即在某一转换条件实现时，是否发生步的活动状态的正确变化，即该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。5.7.2 程序的现场调试完成上述的工作后，将 PLC 安装在控制现场进行联机总调试，在调试过程中将暴露出系统中可能存在的传感器、执行器和硬接线等方面的问题，以及PLC 的外部接线图和梯形图程序设计中的问题，应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到指标要求，则对相应硬件和软件部分作适当调整，通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全部调试通过后，经过一段时间的考验，系统就可以投入实际的运行了。5.8 PLC 的选型方法的选型方法在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC 和设计相应的控制系统。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 24 页5.8.1 输入输出（I/O）点数的估算I/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行 调整。5.8.2 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（ 16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。5.8.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1、运算功能简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC 的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 PLC 中还有模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。要显示数据时需要译码和编码等运算。2、控制功能09 届机电一体化毕业设计（论文）第 25 页控制功能包括 PID 控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID 控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、 ASC 码转换单元等。3、通信功能PLC 系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC 为主站，多台同型号 PLC 为从站，组成简易 PLC 网络；2）1 台 PLC 为主站，其他同型号 PLC 为从站，构成主从式 PLC 网络；3）PLC 网络通过特定网络接口连接到大型DCS 中作为 DCS 的子网；4）专用 PLC 网络（各厂商的专用 PLC 通信网络） 。为减轻 CPU 通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。4、编程功能离线编程方式： PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模式时， CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式： CPU 和编程器有各自的 CPU，主机 CPU 负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC 中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（ SFC） 、梯形图（ LD） 、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（ IL） 、结构文本（ ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（ IEC6113123） ，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic 等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能09 届机电一体化毕业设计（论文）第 26 页PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。6、处理速度PLC 采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则 PLC 将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、 CPU 处理速度、软件质量等有关。目前， PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC 的扫描时间不大于 0.5ms/K；大中型 PLC 的扫描时间不大于 0.2ms/K。5.8.4 机型的选择1、PLC 的类型PLC 按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型 PLC 的 I/O 点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型 PLC 提供多种 I/O 卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O 点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。2、输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 27 页可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。3、电源的选择PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果 PLC 本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。4、存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。5、冗余功能的选择1）控制单元的冗余重要的过程单元： CPU（包括存储器）及电源均应 1B1 冗余。在需要时也可选用 PLC 硬件与热备软件构成的热备冗余系统、 2 重化或 3 重化冗余容错系统等。1）I/O 接口单元的冗余控制回路的多点 I/O 卡应冗余配置。重要检测点的多点 I/O 卡可冗余配置。 3）根据需要对重要的 I/O 信号，可选用 2重化或 3 重化的 I/O 接口单元。5.95.9 经济性的考虑经济性的考虑09 届机电一体化毕业设计（论文）第 28 页选择 PLC 时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对 CPU 选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。6 基基于于 PLC 的的电电热热锅锅炉炉供供热热控控制制系系统统设设计计 09 届机电一体化毕业设计（论文）第 29 页6 6. .1 1 电电热热锅锅炉炉供供热热控控制制系系统统设设计计要要求求以教材课题为蓝本进行再设计，绘制出本系统PLC 控制柜面板，并根据面板达到如下要求：1. 点按启停按钮后系统启动电源指示灯亮，再次按下启停按钮后系统停止电源指示灯灭。2. 当循环泵旋转开关打到手动位时点按面板上的泵1 或泵 2 则相应的泵启动，若某泵发生缺相则立即停止并启动另外一台泵，同时报警。若同时缺相则全停并报警。泵运行时可按泵 1 停或泵 2 停停止对应的泵。3. 当循环泵旋转开关打到自动位时，循环泵启动一台泵并在3 个小时后切换到令一台泵，如此循环往复。若某泵发生缺相则立即停止并启动另外一台泵，同时报警。若同时缺相则全停并报警。4. 当循环泵旋转开关打到定时位时，点按一次定时按钮双泵同时运行半小时，连续点按的情况下运行时间等于点按次数乘以30 分钟。若某泵发生缺相则立即停止并启动另外一台泵，同时报警。若同时缺相则全停并报警。5. 当锅炉旋转开关打到手动位时，点按手选电热管的按钮启动相应的电热管。若缺相对应的电热管停并报警。6. 当锅炉旋转开关打到自动位时，根据出水温度或室外温度的选择情况采集温度数据，跟据数据启动电热管的数量，随温度的上升减少电热管的投入量，随温度的下降增加电热管的投入量，并每三个小时电热管切换一次，如此循环往复。若发生缺相则相应的电热管从循环中推出，并报警。7. 系统启动伊始补水泵便根据膨胀水箱的压力投入运行，压力低于下限时泵启动，高于上限泵停止。两泵三小时切换一次，若某泵发生缺相则立即停止并启动另外一台泵，同时报警。若同时缺相则全停并报警。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 30 页8. 有报警时对应的灯闪，警铃响。按下消铃按钮后警铃停，警灯停闪，警报消除时警灯灭。09 届机电一体化毕业设计（论文）第 31 页6.2 电电热热锅锅炉炉供供热热控控制制系系统统设设计计方方案案09 届机电一体化毕业设计（论文）第 32 页利用西门子 S7-200 设计该电热锅炉供热系统 PLC 控制电路及 PLC 控制程序，完成上述控制要求。根据课题要求选取 s7-200 的以下设备： CPU 224 AC/DC/Relay 扩展模块 EM 223 DC/Relay 模拟量扩展模块 EM 235 4AI/1AO P PL LC C 外外围围接接线线图图09 届机电一体化毕业设计（论文）第 33 页09 届机电一体化毕业设计（论文）第 34 页根据课题要求分配输入输出点如下：09 届机电一体化毕业设计（论文）第 35 页6 6. .3 3 电电热热锅锅炉炉供供热热控控制制系系统统设设计计的的程程序序部部分分的的介介绍绍本本程程序序用用到到的的知知识识点点有有 ：子程序编写及调用、中断程序、 PID 回路指令、循环移位指令、字节传送指令、字传送指令、实数传送指令、整数加法指令、整数转双整数指令、双整数转实数指令、实数除法指令、实数比较指令、计时器指令、计数器指令 6 6. .3 3. .1 1 程序共分为以下几个部分：0.主程序（O