1、第9章 PLC控制系统设计1 19.1PLC简介9.1.1可编程序控制器的由来 当前用于工业控制的计算机可分可编程序控制器(PLC)、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调节器、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。第9章 PLC控制系统设计2 29.1.2可编程序控制器的特点 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
2、作量小，维修方便7.体积小，能耗低第9章 PLC控制系统设计3 39.1.3可编程序控制器的应用领域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 第9章 PLC控制系统设计4 49.1.4可编程序控制器的发展趋势 1.向高性能、高速度、大容量发展 2.大力发展微型可编程序控制器3.大力开发智能型I/O模块和分布式I/O子系统 4.基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器 5.可编程序控制器编程语言的标准化6.可编程序控制器通信的易用化和“傻瓜化”7.可编程序控制器的软件化与PC化 8.组态软件引发的上位计算机编程革命第9章 PLC控制系统设计5 59.2PLC的
3、硬件结构9.2.1PLC的基本结构1.CPU模块2.IO模块3.编程装置4.电源第9章 PLC控制系统设计6 69.2.2可编程序控制器的物理结构 1.整体式可编程序控制器 整体式PLC又叫做单元式或箱体式PLC，它的体积小、价格低。小型可编程序控制器一般采用整体式结构。2.模块式可编程序控制器大、中型可编程序控制器(如S7300和S7400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。第9章 PLC控制系统设计7 79.2.3CPU模块1.CPU芯片CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。CPU的主要功能包括：(1)将各种输入
4、信号取入存储器；(2)执行指令；(3)把结果送到输出端；(4)响应各种外部设备的请求。第9章 PLC控制系统设计8 8CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理器：(1)通用微处理器，如Intel公司的8086、80186到Pentium系列芯片；(2)单片微处理器(单片机)，如Intel公司的MCS-96系列单片机；(3)位片式微处理器，如AMD 2900系列位片式微处理器。第9章 PLC控制系统设计9 92.存储器ROM存放系统程序和用户已调好的程序；RAM存储用户正调试的程序；EEPROM存放用户程序和需长期保存的重要数据。第9章 PLC控制系统设计
5、10 109.2.4I/O模块1.输入模块输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为1020 ms(信号上升沿)和2050 ms(信号下降沿)，输入电流为数毫安。第9章 PLC控制系统设计11 112.输出模块 输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0.52 A，负载电源由外部现场提供。第9章 PLC控制系统设计12 129.3可编程序控制器的工作原理 9.3.1用触点和线圈实现逻辑运算 在数字量控制系统中
6、，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示 0 状态。第9章 PLC控制系统设计13 13用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如图9-1中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数式表示为第9章 PLC控制系统设计14 14图9-1继电器控制电路 第9章 PLC控制系统设计15 159.3.2可编程序控制器的工作方式 1.工作方式可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式
7、。在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作方式。第9章 PLC控制系统设计16 162.用方式开关改变工作方式 CPU模块上的方式开关在STOP位置时，将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM(terminal，终端)位置时，电源通电后CPU自动进入STOP方式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN方式。第9章 PLC控制系统设计17 173.用STEP7-MicroWIN 32编程软件改变工作方式 在用编程软件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之
8、间建立起通信连接，并将方式开关设置在RUN或TERM位置。允许用编程软件改变CPU的工作方式，方法为在软件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。第9章 PLC控制系统设计18 184.在程序中改变工作方式 在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。第9章 PLC控制系统设计19 199.3.3可编程序控制器的工作原理 可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式，如图9-2所示。第9章 PLC控
9、制系统设计2020图9-2PLC的扫描工作方式 第9章 PLC控制系统设计21 211.读取输入在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节(8位)为单位来读写输入/输出(IO)映像寄存器。第9章 PLC控制系统设计22222.执行用户程序 可编程序控制器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工作方式的程序执行阶段，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，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。第9章 PLC控制系统设
10、计23233.智能模块通信和通信信息处理 在智能模块通信处理阶段，CPU模块检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。第9章 PLC控制系统设计24244.CPU自诊断检查自诊断检查包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、IO模块状态以及IO扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。第9章 PLC控制系统设计25255.修改输出 CPU执行完用户程序后，将输出映像寄存器的01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
11、，对应的输出映像寄存器为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“断电”，对应的输出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，停止工作。第9章 PLC控制系统设计26266.中断程序的处理如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。第9章 PLC控制系统设计27277.立即IO处理 在程序执行过程中使用立即IO指令可以直接存取IO点。用立即IO指令读输入点的值时，相应
12、的输入映像寄存器的值未被更新。用立即IO指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。第9章 PLC控制系统设计28289.4S7200系列可编程序 控制器性能简介 9.4.1CPU模块 S7200有5种CPU模块：CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器；CPU222有扩展功能；CPU224是具有较强控制功能的控制器；CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。第9章 PLC控制系统设计29299.4.2数字量扩展模块 用户选用具有不同IO点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加IO点数也很方便。用户可选用8点、16点和3
13、2点的数字量输入输出模块。除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块。连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。数字量扩展模块如表9-1所示。第9章 PLC控制系统设计3030第9章 PLC控制系统设计31 319.4.3模拟量输入输出扩展模块在工业控制中，某些输入量(如压力、温度、流量、转速等)是模拟量，某些执行机构(如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准的电流或电压(如420 mA、15 V、010 V)，可编程序控制器用AD转换器将它们转换成数字量
14、。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在AD转换后用二进制补码表示。模拟量输入输出扩展模块如表9-2所示。第9章 PLC控制系统设计3232第9章 PLC控制系统设计33339.4.4STEP7-MicroWIN编程软件简介 STEP7-MicroWIN是专门为S7200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU通过PCPPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。通过PCPPI电缆，可以在Windows下实现多主站通信方式。第9章 PLC控制系统设计34349.4.5电源的选择 S7
15、200的CPU单元有一个内部电源，它为CPU模块、扩展模块和DC 24 V(PLC向外提供的电源)进行供电，应根据下述的原则来确定电源的配置。每一个CPU模块都有一个DC 24 V传感器电源，它为本机的输入点或扩展模块的继电器线圈提供电源，如果要求的负载电流大于该电源的额定值，应增加一个DC 24 V电源为扩展模块供电。第9章 PLC控制系统设计35359.5可编程序控制器程序设计基础9.5.1可编程序控制器的编程语言与程序结构 1.可编程序控制器编程语言的国际标准 标准中有两种图形语言梯形图(LD)和功能块图(FBD)，还有两种文字语言指令表(STL)和结构文本(ST)，可以认为顺序功能图(
16、SFC)是一种结构块控制程序流程图。PLC的编程语言如图9-3所示。第9章 PLC控制系统设计3636图9-3PLC的编程语言 第9章 PLC控制系统设计37372.SIMATIC指令集与IEC 1131-3指令集 供S7200使用的STEP 7-MicroWIN 32编程软件提供两种指令集：SIMATIC指令集与IEC 1131-3指令集。前者由西门子公司提供，它的某些指令不是IEC 1131-3中的标准指令。通常SIMATIC指令的执行时间短，可使用梯形图、功能块图和语句表语言，而IEC 1131-3指令集只提供前两种语言。第9章 PLC控制系统设计38383.可编程序控制器的程序结构1)
17、主程序主程序是程序的主体，每一个项目都必须并且只能有一个主程序。在主程序中可以调用子程序和中断程序。第9章 PLC控制系统设计39392)子程序 子程序是一个可选的指令的集合，仅在被其它程序调用时执行。使用子程序可以简化程序代码和减少扫描时间。设计得好的子程序容易移植到别的项目中去。第9章 PLC控制系统设计40403)中断程序 中断程序是指令的一个可选集合，它不是被主程序调用的，其在中断事件发生时由可编程序控制器的操作系统调用。中断程序用来处理预先规定的中断事件，因为不能预知何时会出现中断事件，所以不允许中断程序改写可能在其他程序中使用的存储器。第9章 PLC控制系统设计41 419.5.2
18、存储器的数据类型与寻址方式 1.数据在存储器中存取的方式 1)位、字节、字和双字 二进制数的1位(bit)只有0和1两种不同的取值，可用来表示开关量(或称数字量)的两种不同的状态，如触点的断开和接通，线圈的通电和断电等。第9章 PLC控制系统设计42422)数据的存取方式位存储单元的地址由字节地址和位地址组成，如I3.2，其中的区域标识符“I”表示输入(Input)，字节地址为3，位地址为2。这种存取方式称为“字节.位”寻址方式。第9章 PLC控制系统设计43432.不同存储区的寻址1)输入映像寄存器(I)寻址2)输出映像寄存器(Q)寻址3)变量存储器(V)寻址4)位存储器(M)区寻址5)特殊
19、存储器(SM)标志位寻址6)局部存储器(L)区寻址7)定时器存储器(T)区寻址 8)计数器存储器(C)区寻址 第9章 PLC控制系统设计44449)顺序控制继电器(SCR)寻址 10)模拟量输入(AI)寻址 11)模拟量输出(AQ)寻址 12)累加器(AC)寻址 13)高速计数器(HC)寻址 14)常数的表示方法与范围 第9章 PLC控制系统设计45459.5.3位逻辑指令1.触点指令 1)标准触点指令 2)OLD(Or Load)指令 3)ALD(And Load)指令 4)立即触点 第9章 PLC控制系统设计46462.输出指令 1)输出 2)立即输出 3)置位与复位 4)立即置位与立即复
20、位 第9章 PLC控制系统设计47473.其他指令 1)取反(NOT)2)跳变触点 3)空操作指令 第9章 PLC控制系统设计48489.5.4定时器与计数器指令 定时器、计数器的当前值、设定值均为16位有符号整数(INT)，允许的最大值为32 767。1.定时器指令1)通电延时定时器指令 2)断电延时定时器指令 3)保持型通电延时定时器 第9章 PLC控制系统设计49492.计数器指令 1)加计数器指令CTU2)减计数器指令CTD 3)加减计数器指令CTUD第9章 PLC控制系统设计5050第9章 PLC控制系统设计51 519.6S7200PLC在啤酒稀释中的应用9.6.1系统功能本系统具
21、有以下功能：(1)混合酒浓度配比控制。(2)缓冲罐液位的检测与控制。(3)平衡罐液位检测与控制。(4)运行参数的监视。第9章 PLC控制系统设计52529.6.2系统结构啤酒稀释水处理计算机监控系统由可编程控制器PLC(S7226)以及工业控制计算机组成，系统结构如图9-4所示。第9章 PLC控制系统设计5353图9-4计算机监控系统结构 第9章 PLC控制系统设计54549.6.3系统原理1.混合酒浓度配比系统根据原酒(高浓度啤酒)浓度B1、配制浓度B2、原酒流量V1计算出所期望的水流量V2*，经分析 (9-1)第9章 PLC控制系统设计5555图9-5配比系统结构图 第9章 PLC控制系统
22、设计56562.平衡罐的液位检测与控制平衡罐的液位是通过装在罐底部的压力传感器P3来反映的，当传感器输出值为420 mA时，对应的平衡罐液位是01.5 m。第9章 PLC控制系统设计57573.缓冲罐液位检测与控制缓冲罐的液位是通过装在罐上、下部的压力传感器P1、P2的压力(P1、P2)来检测的。P1、P2输出420 mA的电流，对应的压力为00.2 MPa，则缓冲罐液位n为(9-2)第9章 PLC控制系统设计58589.6.4系统主要画面在IPC上开发了一套监控软件，主要由以下四个画面组成：配比系统、工艺流程、历史曲线及历史数据查询、PID参数设定等。下面分别叙述各画面的功能。第9章 PLC
23、控制系统设计59591.配比系统画面该画面具有以下功能：(1)原酒浓度、配制浓度的设定，以及配比系数的计算。(2)原酒浓度、配制浓度、配比系数、原酒流量、水流量、总流量、原酒量、水量、总量、缓冲罐压力、缓冲罐液位、平衡罐液位、PH值、残氧以及开机时间等参数的显示。(3)瞬时浓度的实时曲线显示。(4)PLC配比泵自动/手动切换控制。(5)真空泵、回流泵、原水泵、出水泵的启动/停止操作等。第9章 PLC控制系统设计60602.工艺流程画面在配比系统画面的下方点击“工艺流程”即进入工艺流程画面，此画面以立体图形方式显示啤酒稀释系统的工艺流程图，在工艺流程图上实时显示平衡罐温度、换热器温度等参数。第9
24、章 PLC控制系统设计61 613.历史曲线及历史数据查询画面在配比系统下方点击“历史曲线查询”即进入此画面，在该画面的下方显示瞬时浓度和平均浓度的历史曲线，一屏显示一个小时；可用屏幕下方的“左移1小时”、“左移8分钟”、“右移1小时”、“右移8分钟”改变时间轴；分别拖动红色光标和绿色光标可查询瞬时浓度和平均浓度，并分别在屏幕的左右边显示其数值，拖动时，图标动态显示历史时间。第9章 PLC控制系统设计62624.PID参数设定画面该画面具有一定的访问权限，在配比系统画面下方登录并输入用户名和密码后方可进入该画面。在该画面下，可对配比系统的PID参数即比例系数、积分时间、微分时间进行设定及显示。
25、第9章 PLC控制系统设计63639.6.5系统操作1.PLC控制配比系统(1)将控制柜面板上的配比选择开关旋转至PLC位置，同时将配比变频器启动旋钮打到启动位置。(2)PLC控制配比系统又分自动控制和手动控制两种，其操作选择在上位机的配比系统画面上完成。第9章 PLC控制系统设计64642.仪表控制配比系统 将控制柜面板上的配比选择开关旋转至仪表位置，同时将配比启动旋钮打到“启动”位置。此时，常规仪表将根据酒流量的大小自动调节水流量，计算机系统仅起监视作用。第9章 PLC控制系统设计65653.真空泵、回流泵、原水泵、出水泵的操作选择若选择手动按钮控制，需将切换旋转开关打到“手动”位置，即可
26、通过按钮控制四台泵的启动或停止。第9章 PLC控制系统设计66669.6.6参数可调整PID程序设计S7200 PLC的PID回路指令(包含比例、积分、微分回路)是用来进行PID运算的，该指令有两个操作数：TABLE和LOOP。其中，TABLE是回路表的起始地址，由此地址开始依次存放PID控制器的各个参数；LOOP是回路号，可以是0到7的整数，即一个程序最多可以有8条PID指令。回路表中的参数用来控制和监视PID运算。这些参数均为实数，如表9-4所示。第9章 PLC控制系统设计6767第9章 PLC控制系统设计6868系统上电执行主程序，首先进行初始化，在第一个扫描周期装入给定值、采样时间(这
27、里PID回路表的起始地址为VD100)，并开中断。为了让PID运算以预想的采样频率工作，用定时中断服务程序执行PID指令。中断程序通过调用子程序13装入比例系数、积分时间和微分时间，然后执行PID指令，得到PID输出，并将其通过模拟量输出通道AQW0输出。第9章 PLC控制系统设计6969常规PID程序分别见主程序main和定时中断0服务程序INT_0。第9章 PLC控制系统设计7070第9章 PLC控制系统设计71 71S7200 PLC实现的参数可调整PID程序设计如下：第9章 PLC控制系统设计7272第9章 PLC控制系统设计7373第9章 PLC控制系统设计7474第9章 PLC控制系统设计7575
