基于plc的工业控制系统设计——自动药片装瓶控制

基于plc的工业控制系统设计——自动药片装瓶控制内容摘要：

本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。 系统程序 系统程序主要包括三部分。 第一部分为系统管理程序，他控制 PLC 的运行。 第二部分为用户指令解释程序，将 PLC 的编程语言变为机器语言指令，再由 CPU 执行。 第三部分为标准程序模块与系统调用程序，包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。 （ 1）、系统管理程序 系统管理程序是系统程序中最重要的部分，用以控制 PLC 的运作。 其作用有三，一是进行运行 管理，控制 PLC 何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等时间上的分配管理；二是存储空间管理，即生成用户环境，规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数、存储地址化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户很方便的直接使用的元件。 三是系统自检程序，包括系统出错检验，用户程序语法检验、句法检验、警戒时钟运行等。 （ 2）、用户指令解释程序 用户指令解释程序是联系高级语言和机器码的桥梁。 PLC 可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂的梯形图变成机器易懂的机器语言，这就是解释程序的任务。 解释程 序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，再由 CPU执行这些指令。 （ 3）、标准程序模块与系统调用程序 标准程序模块与系统调用程序由许多独立的程序块组成，各块程序有不同的功能，有的完成输入、输出处理，有的完成特殊运算等。 PLC 的各种具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了 PLC 性能的强弱。 整个系统监控程序是一个整体，它质量的好坏很大程度上影响 PLC 的性能。 因为通过改进系统监控程序就可在不增加任何硬设备的条件下改善 PLC 的性能。 用户程序 用户程序即应用程序，是 PLC 的使 用者针对具体控制对象编制的应用程序。 根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变 PLC 的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”。 程序既可有编程器方便的送入 PLC 内部的存储器中，也能通过他方便的读出、检查与修改。 PLC 编程语言有多种，它是用 PLC 的编程语言或某种 PLC 指令的助记符编制而成的。 编程语言可以是语句表、梯形图或状态流程图（功能图）。 各个元件的助记符随 PLC 型号的不同而略有不同。 （ 1）、梯形图（ LAD） 梯形图是一种类似于继电器控制线路图的一种语言。 这种语言继承传统继电器控制系统中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，使得程序直观易读，具有形象实用的特点，因此应用最广泛。 如图 12 所示。 PLC 梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”。 把左边的母线假设为电源“火线”，而把右边的母线假想为电源“零线”。 如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。 要强调的是，引入“能流”概念，仅仅是为了和继电接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。 项目 物理继电器 PLC 继电器 无锡科技职业学院毕业论文 10 线圈 常开触点 常闭触点 图 12 （ 2）、 语句表（ STL）编程 语句表是一种类似于计算机汇编语言的助记符语言，他是 PLC 最基础的编程语言。 由不同的指令所构成的语句组成的，其中的指令则由操作码和操作数组成，其中操作码指出了指令的功能，操作数指出了指令所用的元件或数据。 以 S7— 300 为例。 例如：图 13 图 13 （ 3）、状态流程图（功能图）编程 状态流程图（ SFC）编程是一种较新的方法，他是用“功能图”来表达一个顺序控制过程，是一种图形化的编程方法。 用方框表示整个控制过程中一个个“状态”，或称“功能”或称“步”，用线段表示方框间的关系及方框间状态转换的条件。 第三章中有示例。 PLC 的程序结构 设计一个好的用户程序，就要设计一个合适的用户程序结构，正确地使用用户程序语言才能编写出满足工程需要的程序。 主要包括：用户程序、数据块和参数块。 （ 1）、用户程序 用户程序 是程序中的必须项。 用户程序在存储器空间中称为组织块，他处于最高层次，可以管理其他快，他是用各种语言编写的用户程序。 不同机型的 CPU，其程序空间容量也不同。 用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序三大部分，不同编程设备对各程序块的安排方法也不同。 （ 2）、数据块 数据块为可选部分，他主要存放控制程序所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进位、二进位制或十六进制数；字母、数字和字符型。 （ 3）、参数块 参数块也是可选部分，他存放的 是 CPU 组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上来进行 CPU 组态，则系统默认值进行自动配置。 无锡科技职业学院毕业论文 11 PLC 的工作原理 PLC 是一种工业控制用的计算机，它的外形不像个人计算机，工作方式也与计算机差别很大。 编程语言甚至工作原理都与个人计算机有所不同。 PLC 的扫描工作过程 PLC 的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式和通信方式等，最主要的方式是周期扫描方式。 周期扫描方式大致可以分为 7 个过程，如图 14 所示。 启动处理 共同处理 通信服务 外设服务 输入刷新 程序执行 输出刷新 扫描周期 图 14 PLC 的工作过程 （ 1）、启动处理过程 PLC 启动后，要进行笫一次启动的初始化处理。 CPU 进行的初始化工作包括清除内部继电器区、复位所有的计时器和检查 I/O 单元的连接等。 该过程所占用的时间为 T0。 （ 2）、共同处理过程 在启动处理过程通过以后，要进到共同处理过程。 共同处理的主要任务是复位监视计时器、检查 I/O 总线是否正常、检查扫描周期是否过长和检查程序存储器是否有异常等，如果有异常，则根据错误情况发出报警，输出或者停止 PLC 的运行。 该过程所占用的时间为 T1。 （ 3）、通信服务过程 当 PLC 和微机构成通信网络或由 PLC 构成分散系统时，需要有通信服务过程，该过程 占用时间为 T2。 （ 4）、外设服务过程 当 PLC 接有外部设备时，如编程器、打印机等，则需要进行外设服务过程。 该过程所占用的时间为 T3。 （ 5）、输入信号刷新过程 输入信号刷新过程为输入处理过程。 输入处理过程将 PLC 全部输入端的通 /断状态读进输入映像寄存器。 在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不改变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。 输入信号刷新过程占用时间为 T4。 T4和 PLC 所带的输入模块的种类和点数的多少有关。 （ 6）、程序执 行过程 程序执行过程用于执行用户程序，这个过程先从输入映像区读入输入端的信息，然后根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。 该过程执行用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他元件的映像寄存器中将有关元件的通 /断状态读出后，从程序的第 0 步开始顺序的运算，每次结果都写入对应的映像寄存器中。 因此，各元件的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化（输入元件除外）。 输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。 显然，程序执行的时间和 PLC 的速度、用户程序所用指令多少和指令种类有关。 该过程 占用的时间为 T5。 （ 7）、输出信号刷新过程 输出信号刷新过程为输出处理过程。 输出处理过程将输出映像寄存器的通 /断状态向输出锁存寄存器传送，成为 PLC 的实际输出。 PLC 内的外部输出触点对输出元件的动作有一个响无锡科技职业学院毕业论文 12 应时间，要一个延迟才能动作。 输出信号刷新过程占用的时间为 T6。 T6和 PLC所带的输出模块的种类和点数的多少有关。 可以看出， PLC 的扫描周期 T 和上述各个过程的关系为： T=T1+T2+T3+T4+T5+T6 扫描周期 T 在控制过程中是一个比较重要的技术指标。 一般来说 T 越大表明扫描一次所需要的时间就越长， 要求输入信号的宽度就应该越大，控制的周期就越长，控制的速度就要降低。 的技术原理 PLC 利用 到 30M 频带范围传输信号。 在发送时，利用 GMSK 或 OFDM 调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。 目前可达到的通信速率依具体设备不同在 ~45M之间。 PLC 设备分局端和调制解调器，局端负责与内部 PLC 调制解调器的通信和与外部网络的连接。 在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输 到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的 Inter。 PLC 内部运作方式 虽然 PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但 PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。 因此能大大减少控制器所需之硬件空间。 实际上 PLC 执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入 CPU 中并最后执行控制运作。 在整个的扫描过程包括三大步骤， “ 输入状态检查 ” 、 “ 程式执行 ” 、 “ 输出状态更新 ” 说明如下： 步骤一 “ 输入状态检查 ” ： PLC 首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（ 1 或 0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置 Xn。 步骤二 “ 程式执行 ” ：将阶梯图程式逐行取入 CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态， CPU直接自内存中查询取出。 输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。 步骤三 “ 输出状态更新 ” ：将步骤二中之输出状态更新至 PLC 输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为 PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为 PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间 若小于此反应时间，则有误读的可能性。 每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端 “ 程式结束再生 ”。 PLC 的中断和子程序调用过程 PLC 除了循环扫描工作方式 外，还有中断和子程序调用工作方式。 无锡科技职业学院毕业论文 13 第 2 章 S7300系列 PLC SIMATIC S7300 系列 PLC 是德国西门子（ Siemens）公司生产的具有高性能价格比的中型 PLC。 在工业企业中得到广泛的应用。 SIMATIC 系列 PLC有 S7400、 S7300 和 S7200 三种系列，分别为 S7 系列的大、中、小型 PLC 系统。 本章介绍 S7300 系列 PLC 系统的构成，编程用的元器件，寻址方式等。 S7300 系列 PLC 硬件系统基本构成 概述 SIMATIC S7300 是一种通用型的 PLC， 能适合自动化工程中的各种应用场合 ， 尤其是在生产制造工程中的应用。 模块化 ， 无风扇结构 ， 易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点 ， 使得 S7300 在各种工业领域中实施各种控制任务时 ， 成为一种既经济又切合实际的解决方案。 S7300系列 PLC 系统基本构成 S7300 系列 PLC 是模块化结构设计 ， 各单独模块之间可进行广泛组合和扩展。 其系统构成如图 21所示。 它的主要组成部分有导轨 (RACK)， 电源模块 (PS)， 中央处理单元模块 (CPU)，接口模块 (IM)， 信号模块 (SM)， 功能模块 (FM)和通信处理器模块（ CP） 等。 它通过 MPI 网的接口直接与编程器 PG， 操作员面板 OP和其它 S7 PLC 相连。 （ 1）、 导轨 (RACK) 用来安 装和固定 PLC 的各类模块。 电源模块、 CPU 及其他信号模块都可方便地安装在导轨上。 除 CPU 模块外，每个信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在 CPU 模块上并固定在导轨上，然后依次将各模块装入，通过背板总线将各模块从物理上和电气上连接起来即可。 （ 2）、 电源模块 (PS) 电源模块是构成 PLC 控制系统的重要组成部分，针对不同系列的 CPU，西门子有匹配的电源模块与之对应，用于对 PLC 内部电路和外部负载供电。 ① 、 PS 30X 系列电源模块 有多种 S7300 电源模块可为编程控制 器供电，也可以向需要 24V 直流的传感器 /执行器供电，比如 PS30 PS307。 PS 305 电源模块是直流供电， PS 307 是交流供电。 以 PS 307 电源模块为例作详细介绍。 PS 307 电源模块 (2A)具有以下显著特性：输出电流 2A；输出电压 24VDC，防短路和开路保护；连接 单相交流系统 (输入电压 120/230V AC， 50/60Hz)；可靠的隔离特性，符合 EN 60950 标准；可用作负载电源。 ② 、电源模块在非正常工作状态下的反应，可参考表 21。