高炉检测控制系统设计(编辑修改稿)

高炉检测控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

、过程控制、数字控制等功能，为方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有上述特点，使得 PLC 的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有 PLC 的应用。 PLC 的分类、编程语言 PLC 的分类 PLC 的类型多，型号各异，各生产厂家的规格也各不相同，如果进行分类存在不少困 难，一般按以下原则考虑： 按结构形式的分类 按照硬件的结构形式， PLC 可分为： 1） 整体式 PLC：这种结构的 PLC 把电源、 CPU、输入 /输出不见等集中配置在一起，装在一个箱体内，通常成为主机。 整体式结构的 PLC 具有结构紧凑、体积小、重量轻、内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 价格较低等特点，但主机 I/O 点数固定，使用上不灵活。 小型的 PLC 通常使用这种结构，适用于比较简单的控制场合。 2） 模块式 PLC：也称为积木式结构，即把 PLC 的各组成部分以模块的形式分开，把这些模块插在底板上，组装在一个机架内。 这种结构的 PLC 配置灵活、装配方便、便于扩展，但结构复 杂，价格较高。 大型的 PLC 通常使用这种结构，适用于比较复杂的控制场合。 3） 叠装式 PLC：这是一种新的结构形式，它吸收了整体式和模块式 PLC 的优点，他们不用基板，仅用扁平电缆，紧密拼装后组成一个整体的长方体，输入，输出点数的配置也相当灵活。 按容量的分类 PLC 的容量主要是指其输入 /输出点数。 按容量大小，可将 PLC 分为： 小型 PLC： I/O 点数一般在 256 点以下； 中型 PLC： I/O 点数一般在 256～ 1024 之间； 大型 PLC： I/O 点数一般在 1024 以上。 按 PLC 功能上的强弱，可分为： 1） 低档机：具 有逻辑运算、计时、计数等功能，有的有一定的算术运算、数据处理和传送等功能，可实现逻辑、顺序、计时计数等控制功能。 2） 中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。 3） 高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号运算、矩阵运算等功能，使得 运算能力更强，还具有模拟量调节、强大的联网通信等功能，能进行智能 控制，远程控制、大规模控制，可构成分布式控制系统，实现工厂自动化管理。 当然，上述分类的标 准不是固定的，而是随 PLC 整体性能的提高在不断变化。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） PLC 的编程语言 为电子技术所有领域制定全球性标准的世界性组织 IEC（国际电工委员会）于 1994年 5 月公布了可编程控制器标准（ IEC1131），该标准鼓励不同种类的 PLC 制造商提供在外观和操作上相似的指令。 该标准的第三部分（ IEC13113）是 PLC 的编程语言标准，目前已有越来越多的 PLC 厂家提供符合 IEC13113 标准的产品。 IEC13113 标准中定义了 5 种 PLC 编程语言的表达方式： 1） 梯形图 LAD（ Ladder Diagram）； 2） 语句表 STL（ Statement List）； 3） 功能块图 FDB（ Function Block Diagram）； 4） 结构文本 ST（ Structured Text）； 5） 顺序功能图 SFC（ Sequential Chart） . PLC 有四种常见的编程语言，分别作如下简介： 梯形图 梯形图是是在传统的电器控制系统电路图的基础上演变而来的，在形式上类似于电器控制电路，由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。 梯形图具有形象、直观的特点，为广大电气工程技术人员所熟悉，特别是适用于开关量逻辑控制，是 PLC 的主要的编程语言。 梯形图编程的基本规则 梯形图的设计必须满足控 制要求，这是设计梯形图的基本要求。 此外，在绘制梯形图时，还要遵循以下几个基本原则： 1） 梯形图按“从上而下，从左到右”的顺序绘制。 与每个电器线圈相连的全部支路形成一个逻辑行，即第一层阶梯。 他们形成一组逻辑关系，控制一个动作。 每一逻辑行起于左母线，终于右母线。 继电器线圈与右母线连接，不能在继电器线圈与右母线之间内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 连接其他元素。 2） 在每一个逻辑行上，当几条支路并联时，串联触点多的应安排在上面。 3） 梯形图中的触点应画在水平支路上，不应该画在垂直支路上；不包含触点的支路应放在垂直方向，不应放在水平方向，这样，梯形图中的逻辑关 系清楚，可以方便编程。 4） 在梯形图中的一个触点上不应有双向电流通过。 5） 在梯形图中，如果两个逻辑行之间互有牵连，逻辑关系又不清晰，应将梯形图进行变化，以便编程。 6） 在梯形图中任一支路上的串联触点，并联触点及内部并联线圈的个数一般不受限制。 在中小型 PLC 中，由于堆栈层次一般为 8 层，因此连续进行并联支路串联操作、串联支路并联操作 的次数，一般应不超过 8 次。 语句表 PLC 的指令有叫做语句，若干条指令组成的程序叫做语句表程序，每条语句表示给CPU 一条指令，规定 CPU 如何操作。 PLC 的语句表是与微机的汇编语言中指令相似 的助记符表达式，它是由操作码和操作数两部分组成。 操作码：用助记符表示，它 表明 CPU 要完 成的某种操作功能。 操作码：包括 为执行某种操作所必须的信息。 PLC 语句表类似与计算机的汇编语言，但比它通俗易懂，配上 LED 指示器的简易编程器即可使用，因此也是应用很多的一种编程语言。 语句表比较适合于熟悉可编程控制器和逻辑程序设计的经验丰富的设计员，它可以实现某些不能用梯形图或功能块图实现的功能。 功能块图 功能块图是一种与逻辑控制 电路图结构类似的图形编程语言。 它 用类似“与门” 、“非门”的方框来表示逻辑运算关系， 方框的左边位逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 输入输出端的小圆圈表示“非”运算，方框由导线连接在一起，信号自左向右流动。 顺序功能图 顺序功能图又叫做状态转移图，它是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计 PLC 顺序的一种有力工具。 它提供了一种组织程序的图形方法，转换条件和动作构成了顺序功能图中的 3 种元素。 它是一种通用的技术语言 [8]。 PLC 的未来发展趋势 经过几十年的迅速发展， PLC 的功能越来越强大，应用范围越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，形成了能够满足这种需要 的 PLC 的应用系统。 向小型化、微型化和大型化、多功能化 方向发展 PLC 的主要应用领域是自动化，不同的企业对 自 动化的需求、规模及投资数额不相同，存在这不同层次的需求，因此， PLC 将朝两个方向发展：一个是向 小型化、微型化的方向发展，以适应小型企业技术改造的需求，提供性能价格比更高的小型 PLC 控制系统；而是向大型化、多功能化方向发展，为大、中型企业提供高水准的 PLC 控制系统。 其共同特点是，现代 PLC 的结构和功能不断改进， 产品更新换代周期越来越短，并不断向高性能、高速度，高性 格比方向发展。 过程控制不断增强 在 PLC 发展的的初期，它是 能完成开关量 的 逻辑控制。 随着 PLC 技术的发展，出现了模拟量 I/O 模块和专门用语模拟量闭环控制（过程控制）的 只能 PID 模块。 现代 PLC的模拟量控制功能日益强大，除了专门用于模拟量闭环控制的 PID 指令和只能 PID 模块外，一些 PLC 还具有模糊控制、自适应控制和参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。 在过程控制方面，已经很难分清 PLC 与工业控制计算机、分散控制系统之间的界限。 大力开发智能型 I/O 模块 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 智能 I/O 模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的 CPU 与 PLC 的主CPU 并行工作，占用 CPU 的时间很少，有利于提高 PLC 的扫描速度。 主要包括模拟量 I/O、高速计数输入、中断输入、运行控制、热电偶输入、条形码阅读器多路 BCD 码输入 /输出、模糊控制器、 PID 回路控制、通信等模块。 智能 I/O 模块本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力 和控制能力，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。 它们可以完成 PLC 的主 CPU 难以兼顾的功能，简化某些控制领域的系统设计和编程，提高 PLC 的适应性和可靠性。 与个人计算机日益紧密结合 个人计算机的价格便宜，有很强的数据运算、分析能力。 目前 ，个人计算机主要用做 PLC 的编程器、操作站或人 /机接口终端等。 可编程控制器的计算机化，大型可编程控制器具备个人计算机的功能，是另一个发展趋势。 这类 PLC 采用功能强大的微处理器和大容量的存储器，将逻辑控制、模拟量控制、数学运算和通信功能紧密的结合在 一起。 可编程控制器与个人计算机、工业控制计算机、分散控制系统在功 能和应用方面相互渗透，相互融合，使控制系统的性能价格比不断提高。 编程语言趋向标准化 与个人计算机相比，可编程控制器的硬件、软件的体系结构是封闭的，而不是开放的。 在硬件方面，各厂家的 CPU 模块和 I/O 模块互不通用，通信网络和通信协议往往也不是专用的。 各厂家的 PLC 编程语言和指令系统的功能和表达方式不一致，有的甚至有相当大的差异，因此各厂家的可编程控制器互不兼容。 为了解决这一问题， IEC（国际电工委员会）制定了可编程控制器标准 IEC1131，其中 IEC13113 中制定了编程语言的标准。 编程 语言趋向标准化。 通信与联网能力不断增强 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 可编程控制器的通信和联网功能可以使 PLC 与 PLC 之间， PLC 与个人计算机等其他智能设备之间进行数字信息交换，形成一个统一的整体，实现分散控制或集中控制。 现在，几乎所有的 PLC 产 品都有通信联网功能，通过双绞线、同轴光缆或光纤，信息可以传送到几十公里远的地方；通过 Modem 的互联网可以使 PLC 与世界上其他地方的计算机装置进行通信。 目前，有的 PLC 使用专用的通信协议进行通信，或使用较多厂商支持的通信协议和通信标准，如现场总线。 为了尽量减少用户在通信编程方面的负担， PLC 的通信功能日趋完善，是设备之间的通信能够自动周期性的进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时做一些硬件或软件上的初始化设置。 PLC 的工作原理 PLC 的工作方式与运行过程 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和工作周期。 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环扫描的。 执行用户程序时，需要各种现场信息，这些信息现场已接到 PLC 的输入端。 PLC 采集现场信息即采集输入信号有两种方式： 1） 集中采样输入方式。 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映像寄存器中去 用，而不直接到输入端或输入模块去取用。 2） 立即输入方式。 随程序的执行需要哪一个输入信号就直接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，到下内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 一次输入采样时变化。 PLC 的整个运行可分为三部分： 第一部分是上电处理。 机器上电 后对 PLC 系统进行一次初始化工作，包括硬件出初始化， I/O 模块配置检查，停电保持范围及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。 PLC 上点 处理完成以后进行扫描工 作 过程。 先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行始终、特殊寄存器更新。 当 CPU 处于 STOP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出错误代码。 当出现致命错误时， CPU 回强制为 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 的运算申诉度有关，与 I/O 点情况有关，与用户应用程序的长短及编程情况等均有关。 通常用 PLC 执行 1K 所需时间来说明其扫描速度（一般 1～ 10ms/K）。 值得注意的是，不同指令其执行时间是不同 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。 若用语告诉系统要缩短扫描周期 ，可从软件上考虑。 PLC 的工作过程 如果我们对远程 I/O 特殊模块和其他通信服务暂不考虑，这样扫描过程就只剩下 “ 输入采样 ” 、 “程序执行” 、“输出刷新” 三个阶段。 1）输入采样阶段。 PLC 在输入采 样阶段，首先扫描所有输入端子，并将整 个输入状态存入内存中各。