基于plc温度控制系统设计

基于plc温度控制系统设计内容摘要：

沈阳理工大学学士学位论文 5 2 PLC 和 HMI 基础 可编程控制器基础 可编程逻辑控制器是一种 工业控制计算机，简称 PLC（ Programmable Logic Controller），它使用了可编程序的记忆以存储指令，用来执行诸如逻辑、顺序、计时、计数和演算等功能，并通过数字或模拟的输入和输出，以控制各种机械或生产过程。 可编程控制器的产生和应用 20 世纪 60 年代 ，计算机技术开始应用于工业领域，由于价格高、输入电路不匹配、编程难度大以及难于适应恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。 1968 年，美国通用汽车公司（ GM）为了适应生产工艺不断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引发了开发热潮。 1969 年美国数字设备公司（ DEC）根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。 从此这项技术迅速发展起来。 随着 PLC 功能的不断完善，性价比的不断提高， PLC 的应用面也越来越广。 目前，PLC 在国内外已经广泛应用于 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。 PLC 的应用范围通常可分为开关逻辑控制、运动 控制、过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制、通信和联网等 [5]。 可编程控制器的 组成和工作原理 PLC 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在逻辑结构上基本相同。 无论是整体式还是模块式，从硬件结构看， PLC 都是由 CPU、存储器、 I/O 接口单元及扩展接口和扩展部件、外设接口及外设和电源等部分组成，各部分之间通过系统总线连接。 PLC 的基本结构如图 21 所示： 沈阳理工大学学士学位论文 6 图 21 PLC 基本结构图 CPU（中央处理器） CPU 是 PLC 的核心，由运算器、控制器、寄存器、系统 总线， 外围芯片、总线接口及有关电路构成。 它的功能是接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，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，是 PLC 不可缺少的组成单元。 主要功能包括以下几 个方面。 （ 1）接收从编程器或者计算机输入的程序和数据，并送入用户程序存储器 存 储。 （ 2）监视电源、 PLC 内部各个单元电路的工作状态。 （ 3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。 （ 4）在 PLC 进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析、执行该指令。 （ 5）采集由现场输入装置送来的数据，并存入指定的寄存器中。 （ 6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态或数据寄存器的内容。 （ 7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。 （ 8）响应中断和各种外围设 备（如编程器、打印机等）的任务处理请求。 I/O 接口 PLC 是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，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 能力 的限制 ，即受最大的底板或机架槽数限制。 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 入 接 口 中 央 处 理 单 元CPU 输 出 接 口 电源 存储单元 沈阳理工大学学士学位论文 7 输出点反映输出锁存器状态。 PLC 的对外功能主要是通过各种 I/O 接口模块于外界联系来实现的。 输入模块和输出模块是 PLC 与现场 I/O 装置或设备之间的连接部件，起着 PLC 与外部设备之间的传递信息的作用。 I/O 模块分为开关量输入、开关量输出、模拟量输入和模拟量输出等模块。 存储器 存储器（内存）主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。 一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。 系统程序存储器 用于存储整个系统的监控程序，一般采用只读存储器（ ROM） ，具有掉 电不丢失信息的特性。 用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或者控制功能设计的控制程序，早期一般采用随机读写存储器（ RAM），需 要后备电池在掉电后保存程序。 目前则倾向于采用电可擦除的只读存储器（ EEPROM）或闪存 (Flash Memory)，免去了后备电池的麻烦。 电源模块 PLC 中的电源，是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。 电源可分直流和交流两种类型，交流输入 220VAC 或 110VAC， 直流输入通常是 24V。 智能模块 除了上述通用的 I/O 模块外， PLC 还提供了各种各样的特殊 I/O 模块，如 热电阻、热电偶、温度控制、中断控制、 位置控制、以太网、远程 I/O 控制、打印机等专用型或智能型的 I/O 模块，用以满足各种特殊功能的控制要求。 I/O 模块的类型、品种与规格越多，系统的灵活性越好， 模块的 I/O 容量越大，系统的适应性就越强。 编程设备 常见的编程设备有简易手持编程器、智能图形编程器和基于 PC 的专用编程软件。 编程设备用于输入和编辑用户程序，对系统作些设定，监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况。 编程设备在 PLC 的应用系统设计与调试、监控运行和检查维护中是不可缺少的部件，但不直接参与现场的控制。 PLC 本质上就是一台微型计算机，其工作原理与普通计算机类似，具有计算机的许多特点。 但其工作方式却与计算机有着较大的不同，具有一定的特殊性。 PLC 采用循环扫描的工作方式。 工作时逐条顺序扫描用 户程序，如果一个线圈接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，需 等扫描到该触点时才会动作 [6]。 沈阳理工大学学士学位论文 8 可编程控制器的分类及特点 根据 PLC 的结构形式，可将 PLC 分为整体式和模块式两类。 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。 还可以按 I/O 点数分类，根据 PLC的 I/O 点数的多少 ，可将 PLC 分为小型、中型、大型和超大型四类 : • I／ O 点数在 256 以下为小型 PLC； • I／ O 点数在 256～ 1024 为中型 PLC； • I／ O 点数大于 1024 为大型 PLC； • I／ O 点数在 4000 以上为超大型 PLC 可编程控制器有可靠性高、编程简单易学、功能强、安装简单、维修 方便、采用模块化结构、接口模块丰富、系统设计与调试周期短等特点 [7]。 人机界面基础 随着社会的进步，工业自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作最大透明化已经成为一种需要。 人机界面（ HMI Human Machine Interface）以其美观易懂、操作人性化等显著特点，正好满足这种需求而得到广泛的应用。 人机 界面的定义 人机界面是指 连接可编程 控制器（ PLC）、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏显示，通过输入单元（如触摸屏、键盘、鼠标等）写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器信息交互的数字设备 ,由硬件和软件两部分组成。 人机界面产品的组成及工作原理 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存 贮单元等，其中处理器的性能决定了 HMI 产品的性能高低，是HMI 的核心单元。 根据 HMI 的产品等级不同，处理器可分别选用 8 位、 16 位、 32 位的处理器。 HMI 软件分为两部分 ， 即运行于 HMI 硬件中的系统软件和运行于 PC 机Windows 操作系统下的画面组态软件（如组态王等）。 用户必须先使用组态软件制作 “工程文件 ”，再通过 PC 机和 HMI 产品的串行通讯口，把编制好的 “工程文件 ”下载到 HMI的处理器中运行。 沈阳理工大学学士学位论文 9 人机界面产品的特点 (1) 系统运行过程清晰化 控制过程可以动态地显示在 HMI 设备上。 例如：炉子加 热通断可以通过指示灯亮灭来显示，炉子的温度大小可以用棒图来指示等等，使整个控制系统变得形象易懂 ，也更加清晰。 (2) 系统操作简单化 操作员可以通过 监控界面 来控制过程。 可 从 监控界面上启动和停止系统、设定温度上下限、设置 PID 参数等。 (3) 显示报警 控制过程达到临界状态或系统运行错误时会自动触发报警，例如，当 加热功率超出上下限时自动触发报警。 (4) 数据归档 HMI 系统可以记录过程变量值和报警信息并归档。 例如：通过归档数据，您可以查看过去一段时间的系统运行情况，过程变量等。 沈阳理工大学学士学位论文 10 3 PLC 控制系统硬件设计 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 弄懂 PLC 的基本工作原理和指令系统后 ,就可以把 PLC 应用到实际的工程项目中。 无论是用 PLC 组成集散控制系统，还是独立控制系统， PLC 控制部分的设计都可以参考图 所示的步骤。 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 (生产设备或生产过程 )的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。 而在实际设计过程中，设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为 4 点。 设计原则 (1)完整性原 则。 最大限度的满足工业生产过程或机械设备的控制要求。 (2)可靠性原则。 确保计算机控制系统的可靠性。 (3)经济型原则。 力求控制系统简单、实用、合理。 (4)发展性原则。 适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在 I/O 接口、通信能力等方面留有余地。 评估控制任务 根据系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几个方面给以考虑。 (1) 控制规模 一个控制系统的控制规模可用该系统的 I/O 设备总数来衡量。 当控制规模较大时 ,特别是开关量控制的 I/O 设备较多时，最适合采用 PLC 控制。 (2) 工艺复杂程度 当工艺要求较复杂时 ,采用 PLC 控制具有更大的优越性。 (3) 可靠性要求 目前 ,当 I/O 点数在 20 甚至更少时，就趋向于选择 PLC 控制了。 (4) 数据处理速度 若数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用 PLC 控制将非常适宜 [9]。 沈阳理工大学学士学位论文 11 图 PLC 控制系统设计步骤 PLC 控制系统设计的 一般步骤 PLC 控制系统设计包 括硬件设计和软件设计。 所谓硬件设计，是指 PLC 外部设备的设计，而软件设计即 PLC 应用程序的设计。 整个系统的设计分以下 5 步进行。 熟悉被控对象 深入了解被控系统是设计控制系统的基础。 设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并于相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计中出现的问题。 这一阶段必须对被控对象所有功能全面的了解，对对象的各种动作及动作时评估 控制任务 PLC机型的选择 硬件连线 程序设计 联机调试 PLC安装 连接 程序检查、调试 控制流程的设计 程序备份 修改软、硬件 投入使用 是否满足要求 沈阳理工大学学士学位论文 12 序、动作条件、必要的互锁与保护。 电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系。 PLC 与其他设备的关系， PLC 之间是否通信联网。 系统 的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。 硬件选择 具体包括如下。 (1) 系统 I/O 设备的选择。 输入设备包括 按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等。 输出设备包括继电器、 接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等。 (2) 选择 PLC。 PLC 选择包括对 PLC 的机型、容量、 I/O 模 块、电源等的选择。 (3) PLC 的 I/O 端口分配。 在进行 I/O 通道分配时应给出 I/O 通道分配表，表中应包含 I/O 编号、设备代号、名称及功能等。 (4) 绘制 PLC 外围硬件线路 图。 画出系统其它部分的电 气线路图，包括主电路和未进入 PLC 的控制电路等。 由 PLC 的 I/O 连接图和 PLC 外围电气线路图组成系统的电气原理图。 到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 (5)计数。