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大块清除机启停控制 iv 中文摘要 大块清除是火力发电厂中的一个重要环节，近年来，我国对电力的需求不 断增长，作为主要电源的燃煤发电厂逐年增加。因此，许多与燃煤有关的区域 性和全球性的煤利用率问题和环境问题越来越突出，为了高效、低污染燃烧煤， 火电厂中采用大块清除机的启停控制。 大块清除机启停控制主要是以plc可编程控制器和监控软件为主,实现大块 清除系统的自动化控制。程序中较多的采用定时器与计数器相结合，主要由十 个通电延时定时器（t37t46）控制五个电动机的启停，以实现大块清除机在 各个时间段的启停控制（逆启顺停） 。为了方便电厂运行人员对输煤系统中大块 清除机的准确监控，在程序中加入了实时时间显示与累计时间显示，时间显示 运用了计数器、读取时钟指令、字节传送指令以及整数到字节转换指令，以确 保发电机组的安全、经济运行。为了使该程序更具有实际意义，采用plc与紫 金桥监控软件相结合，运用紫金桥软件实现大块清除的远程监控，把生产现场 的信息实时地传送到控制室，并且通过局域网和internet，可以在任何地方访问 实时和历史生产数据，及时了解、评价生产情况和操作水平。 随着燃煤火力发电厂的逐年增加，大块清除系统越来越重要，而自动化、 智能化的管理更是发展趋势。本设计较好的完成了大块清除系统的启停控制与 监视，准确的清除大块煤，方便了运行人员的监视与操作。 关键词：plc，监控软件，大块清除机，火电厂 沈阳工程学院 plc 课程设计 v 目 录 中文摘要中文摘要i i 目目 录录iiii 1 1 引言引言- - 1 1 - - 2 2 可编程序控制器可编程序控制器- - 1 1 - - 2.1 可编程序控制器（plc）概.- 1 - 2.1.1 可编程序控制器（plc）的基本概念.- 1 - 2.1.2 可编程控制器的发展过程及趋势- 2 - 2.1.3 可编程序控制器的分类- 3 - 2.1.3.1 按 i/o 点数分类- 3 - 2.1.3.2 按结构形式分类 - 3 - 2.1.3.3 按实现的功能分类- 3 - 2.2 可编程序控制器（plc）结构.- 3 - 2.2.1 中央处理器- 4 - 2.2.2 plc 的存储器 .- 4 - 2.2.3 输入接口- 5 - 2.2.4 输出接口- 5 - 2.2.5 电源模块- 6 - 2.2.6 编程器- 6 - 2.2.7 扩展接口- 7 - 2.2.8 通信接口- 7 - 2.2.9 智能 i/0 接口- 7 - 2.2.10 智能单元.- 7 - 2.3 可编程序控制器（plc）的控制原理.- 7 - 2.3.1 可编程控制器实现控制的过程- 7 - 2.3.2 可编程控制器实现控制的方式- 9 - 2.4 可编程控制器基本特点 - 9 - 2. 4.1 抗干扰能力强，可靠性高.- 9 - 2.4.2 控制系统结构简单，通用性强.- 10 - 2.4.3 编程方面，易于使用.- 10 - 2.4.4 功能完善.- 10 - 2.4.5 设计、施工、调试地周期短.- 10 - 2.4.6 体积小，维护操作方便.- 11 - 2.5 可编程序控制器（plc）工作原理- 11 - 2.6 可编程序控制器（plc）的编程方法- 11 - 2.6.1 可编程控制器的编程语言.- 11 - 2.6.2 可编程控制器的编程原则.- 12 - 2.6.3 可编程控制器的编程方法.- 13 - 2.6.3.1 梯形图的概念- 13 - 大块清除机启停控制 vi 2.6.3.2 画梯形图的规则- 13 - 2.7 plc 的应用场合及功能 - 13 - 2.7.1 数字量逻辑控制- 13 - 2.7.2 运动控制- 13 - 2.7.3 闭环过程控制- 13 - 2.7.4 数据处理- 14 - 2.7.5 通信联网- 14 - 2.8 s7-200 系列可编程序控制器性能简介 - 14 - 2.9 控制系统设计与调试的主要步骤.- 15 - 3 3 生产工艺及控制要求生产工艺及控制要求- - 1616 - - 3.1 工艺要求.- 16 - 3.2 大块清除机的发展与起源.- 16 - 3.3 大块清除机的简述.- 17 - 3.4 大块清除机的工艺流程图.- 18 - 3.5 大块清除机启停控制示意图- 19 - 4 4i/0i/0 地址分配地址分配 - - 2020 - - 5 5 plcplc 系统选型系统选型 - - 2020 - - 6 6 系统硬件图系统硬件图- - 2121 - - 6.1 系统硬件接线图.- 21 - 6.2 系统一次电路图.- 22 - 7 7 程序清单程序清单- - 2323 - - 8 8 程序说明（按网络说明）程序说明（按网络说明）- - 2727 - - 9 9 语句表语句表- - 3030 - - 1010 课题实用性分析课题实用性分析- - 3232 - - 10.1 课题实用性分析- 32 - 10.2 待解决问题 - 33 - 总结总结- - 3434 - - 致谢致谢- - 3535 - - 参考文献参考文献- - 3636 - - 沈阳工程学院 plc 课程设计 vii 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 1 - 1 引言 根据近期世界能源状况的调查资料显示，地球上的能量资源估计为 109000 亿 t 标煤 当量，而由于开采成本及技术有限，全球近期可利用的能源储备只有 10600 亿 t 标煤当量， 其中的 70%为煤，16%为石油和天然气，4%为金属铀。 我国拥有丰富的煤炭资源，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在今后相当长的 时间内，煤炭的利用将在我国能源结构中占据十分重要的位置。因此，煤炭的开发及利 用成为我们不可忽视的重要问题。 为了高效、低污染燃烧煤，电厂中采用大块清除机启停控制，由 plc 控制实现。 plc 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，不仅能完成各种各样的控制功能 外，还能与其他计算机通信联网。 本设计采用 plc 与监控软件相结合，实现大块清除机的启停控制，模拟实际系统， 较好的完成其基本功能，并带有实时时间显示及累计时间显示，但所设计的内容较为广 泛，故如有欠缺，敬请读者批评指正。 2 可编程序控制器 2.1 可编程序控制器（plc）概述 2.1.1 可编程序控制器（plc）的基本概念 目前，对可编程控制器（programmable logic controller，简称 plc）的定义主要有两 种：一是美国电气制造协会（nema）于 1980 年对可编程序控制器下的定义：“可编程 控制器是一种数字式电子装置，它使用了可编程序的存储器来存储程序指令，能完成逻 辑运算，计数，定时和算术运算等功能，用以控制各种机械和生产过程。 ”二是国际电工 委员会（iec）对可编程序控制器下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子 系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式 的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易 于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ”从上述定义可以看出， plc 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能 大块清除机启停控制 - 2 - 外，还有与其他计算机通信联网的功能。其外形如图 2.1.1 所示。 图 2.1.1 plc 模块外形图 2.1.2 可编程控制器的发展过程及趋势 进入 20 世纪 80 年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的快速发展， 以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化 plc 得到了迅猛发展，使 plc 在各个方面都有了 新的突破 plc 在我国的研制、生产和应用也获得迅猛发展，尤其在应用方面更为突出。 目前，我国不少科研单位和工厂也在积极研制和生产 plc。 plc 在技术方面总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高 性能方向发展。具体表现在以下几个方面： 1. 产品规模向大、小两个方向发展 所谓大，即大容量、高速度。所谓小，即由 plc 的整体结构向小型模块化结构发展。 2. plc 编程语言的标准化 国际电工协会（iec）制订了可编程逻辑控制器标准（iec1131） ，其中第 3 部分 （iec1131-3）是 plc 的语言标准。标准中共有五种编程语言，它们是顺序功能图 （sfc） 、梯形图和、功能块图、指令表和结构文本。 3. 智能型 i/o 模块的发展 智能型 i/o 模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们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功能，有的模块甚至可以自成系统，单独 工作。 4. 组态软件与 plc 的软件化 利用组态软件可以方便地进行工业控制流程的实时和动态监控，完成各种复杂的控 制功能，并且同时提高系统可靠性，节约控制系统的设计时间。 5. plc 与现场总线相结合 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 3 - 现场总线是指安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的 数字式、串行、多点通信的数据总线。它与 plc 可以组成廉价的 dcs 系统（分布式控制 系统 ） 。 6. 基于个人计算机的编程软件取代编程器 随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件进行编程。 编程软件可以对 plc 控制系统的硬件结构和参数进行设置 。此外，编程软件在屏幕上可 直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图等，并可以实现不同编程语言 的相互转换。 由于工业生产对自动化控制系统需求的多样性，plc 的发展趋势有两个： 一是朝着小型、简单、价格低廉方向发展。 二是朝着大型、高速、多功能方向发展。 2.1.3 可编程序控制器的分类 plc 的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面差异较大，因此 plc 的分类标准也不统一，但仍可按其 i/o 点数、结构形式、实现功能进行大致的分类。 2.1.3.1 按 i/o 点数分类 plc 按 i/o 的总点数分类可分为：小型机，i/o 总点数小于 256 点；中型机，i/o 总 点数在 2572048 点之间；大型机，i/o 总点数超过 2048 点。 2.1.3.2 按结构形式分类 plc 按硬件的结构形式可分为整体式 plc 和组合式 plc。 整体式 plc 的 cpu、存储器、i/o 接口安装在同一机体内，其结构紧凑、体积小、 价格低、但灵活性较差。 组合式 plc 在硬件上具有较高的灵活性，其模块可以像拼积木一样进行组合，构成 不同控制规模和功能的 plc，因此有被称为积木式 plc。 2.1.3.3 按实现的功能分类 plc 所能实现的功能的不同，可将 plc 分为低档、中档和高档三类。 低档机具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能和一定的算术 运算、数据传输、比较、通信、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机则在中档机 的基础之上加强了带符号数的运算、矩阵运算以及函数、表格、crt 显示、打印等功能。 2.2 可编程序控制器（plc）结构 plc 的结构：可编程控制器是以中央处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装 大块清除机启停控制 - 4 - 置，它实际上就是一个工业专用的计算机，其功能与计算机的功能十分相似，不过 plc 与工业过程中各个环节进行连接的接口功能非强大，还具有十分接近工业控制的编程语 言。 它的结构包括了：中央处理器（cpu） 、存储器、输入输出接口、电源等。 按钮 信号灯 快关步进电机 传感器电磁阀 触点继电器 脉冲线圈 图 2.1 plc 模块的结构图 2.2.1 中央处理器 中央处理器（cpu）是 plc 核心部件，整个系统的工作就是在 cpu 的统一指挥和协 调下进行工作的。具体来说，cpu 需要完成以下的几个功能： (1)接收并存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。 (2)用扫描的方式通过 i/o 部件接收现场的状态或信息，并存入输入映像存储器中。 (3)plc 在运行过程中执行用户程序，完成各种数据的处理、传送、等工作，然后输 出。 (4)响应各种外围器件的请求。 2.2.2 plc 的存储器 plc 的存储器包括两部分，一部分是系统存储器，另一部分是用户存储器。 系统存储器又包括程序存储区和工作状态区两部分。系统程序存储器用来存储生产 厂家编写的系统程序，程序被固化在 rom 中，用户不能更改。系统程序的好坏，在很大 程度上决定了 plc 的性能。系统程序包括：主管控制 plc 运行的系统管理程序、用户程 序指令解释程序、标准的程序模块调用程序等。内部程序存储区是为 plc 提供一些空间， 以便在运算当中存放少量数据。用户程序又分为程序区和数据区。程序区用来存储用户 外 设 接 口 中央处理器 程序存储器 i/o 扩展 接口 输入接口 输出接口 用户程序系统程序 电 源 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 5 - 内 部 电 路 负载 所编写的程序。数据区用来存放与用户程序相关的数据。存储器是构成的各种内部元件， 也称“软元件” 。 2.2.3 输入接口 输入接口：输入接口是 plc 与生产现场控制对象之间的连接部件，用来采集和收集 两种类型的信号。一类是开关量，如：按钮、接近开关、光电开关、选择开关。继电器 线圈等；另一类是模拟量，如：热电偶、位置传感器等。输入接口均带有光电耦合电路， 其目的是把 plc 和外部电路隔离起来，以提高 plc 的抗干扰能力。 典型的输入电路如图 1.2 所示。 r 5v cr1 r2 图 2.2 直流输入通路 图 2.3 交流输入通路 滤波 内 部 电 路 大块清除机启停控制 - 6 - 滤波 内 部 电 路 内 部 电 路 负载 2.2.4 输出接口 输出接口：输出接口是用来连接控制对象的，比如：继电器线圈、电磁阀、步进电 机等。对 plc 来说，通常希望能够直接驱动被控制对象，因此在 plc 的输出接口上通常 采用一些大功率的元器件。例如，机械触点继电器、交流开关、大功率晶体三极管等等。 典型的输出电路如图所示。 图 2.4 晶体管输出电路 i led r 图25 继电器输出电路图 2.2.5 电源模块 电源模块：plc 所用的电源通常有直流 12v、24v、48v，以及交流 110v 和 220v， 使用时可以根据要求进行选择。plc 的电源一般都采用开关电源，即使在电压范围波动 幅度较大时，仍然能够实现稳定的输出，从而保证 plc 的正常工作。电源输出一般是 5v 和 24v。而 24v 输出较 5v 输出又更为常用。 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 7 - 2.2.6 编程器 编程器：主要用来完成用户程序的输入编制、调试、监视等。现在一般都是采用计 算机软件进行编制、调试等工作。 2.2.7 扩展接口 扩展接口用于扩展单元与基本单元相连，使 plc 的配置更加灵活。 2.2.8 通信接口 通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，plc 配有多种通信接口。 plc 通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的 plc 或计算机相连。 2.2.9 智能 i/0 接口 为了满足更加复杂的控制功能的需要，plc 配有多种智能 i/o 接口。编程工具供用户 进行程序的编制、编辑、调试和监视，最常用的是编程器。 2.2.10 智能单元 各种 plc 都有一些智能单元，它们一般都有自己的 cpu，具有自己的系统软件，能 独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机联机，通过通讯方式接受主机的管 理。常用的智能单元有 a/d 单元、d/a 单元、高速记数单元、定位单元等。 2.3 可编程序控制器（plc）的控制原理 plc 是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置， 但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于 plc 内存 中的程序，进行入出信息变换实现控制。 plc 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普遍计算机进行入出信息变换， 多只考虑信息本身，信息的入出，只要人机界面好就可以了。而 plc 则还要考虑信息入 出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便 于安装，抗干扰等问题。 2.3.1 可编程控制器实现控制的过程 简单地说，plc 实现控制的一般过程如图 2.6 所示： 大块清除机启停控制 - 8 - 图 2.6 plc 控制系统设计框图 图26 plc 控制过程 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 9 - 输入刷新-再运行用户程序-再输出刷新-再输入刷新-再运行用户程序-再输出 刷新永不停止地循环反复地进行着。 有了上述过程，用 plc 实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电 路监控得到的输入信息存入 plc 的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变 换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产 生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映 输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。 当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就失去控制的意义。 为此，plc 的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是 plc 实现控制的基础。事实 上，它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零 点零几微秒。而且这个速度还在不断提高中。 图 1.6 所示的过程是简化的过程，实际的 plc 工作过程还要复杂些。除了 i/o 刷新 及运行用户程序，还要做些公共处理工作。 公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。 监控循环时间的目的是避免“死循环“，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是 用“看门狗“（watching dog） 。只要循环超时，它可报警，或作相应处理. 外设服务是让 plc 可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据。 通讯处理是实现 plc 与 plc，或 plc 与计算机，或 plc 与其它工业控制装置或智 能部件间信息交换的。这也是增强 plc 控制能力的需要。也就是说，实际的 plc 工作过 程总是：公共处理-i/o 刷新-运行用户程序-再公共处理-反复不停地重复着。 2.3.2 可编程控制器实现控制的方式 用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。 此外，计算机用于控制还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响 应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序） 。待处理完 中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理， 将不被理睬。显然，中断方式与扫描方式是不同的。 在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如 果同时来了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现 照顾不到之处。所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。 但是，plc 在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即大量控制都用扫描方 式，个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所 有的控制都能照顾到，个别应急的也能进行处理。 大块清除机启停控制 - 10 - 2.4 可编程控制器基本特点 2. 4.1 抗干扰能力强，可靠性高 微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机 械振动，温度和湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而 plc 在电子线路、 机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用 大规模与超大规模集成电路，i/o 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上 对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏幕、滤波、接地 等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施；所有这些使 plc 具有 较高的抗干扰能力。plc 的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比 拟的。 继电接触器控制系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备 连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损害，受命短，系统可靠性差。而 plc 采用微电 子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线 被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 2.4.2 控制系统结构简单，通用性强 plc 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 在 plc 构成的控制系统中，只需在 plc 的端子上接入相应的输入/输出信号线即可，不需 要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路，当控制要求改变，需 要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个 plc 装置用于不 同的控制对象，只是输入/输出组件和应用软件的不同。 2.4.3 编程方面，易于使用 plc 是面向用户的设备，plc 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯， plc 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图 相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具 有一定的电工和工艺知识的人员都可以在段时间学会。 2.4.4 功能完善 plc 的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和 模拟量的输入输出。在 plc 内部具有许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以 及移位继电器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延世、锁存、 比较。跳转和强 i/o 等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制 功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生成功能。此外，它还可以和其 他微机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 11 - 阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此 plc 具有极强地适 应性，能够很好地满足各种类型控制的需要。 2.4.5 设计、施工、调试地周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电器原理图，然后 画出继电器屏地布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用 plc 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量 （输入/输出点数、内存大小）等选用组装，因为 plc 是通过程序完成控制任务的。采用 了方便用户的工业编程语言，且都具有强制和仿真的功能，故程序的设计、修改和调试 都很方便，这样可大大缩短设计和投入。 2.4.6 体积小，维护操作方便 plc 体积小质量轻，便于安装。plc 的输入/输出系统能够直观地反映现场信号地变 化状态，还能通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态，通信状 态、i/o 点状态、异常状态和电源状态等，对此均有醒目的指示，非常有利于运行和维护 人员对系统进行监视。 2.5 可编程序控制器（plc）工作原理 plc 的工作过程是周期循环的扫描工作过程。当 plc 开始运行时，cpu 根据系统程 序的规定，完成各项输入点的状态采集或者输入数据采集，用户程序的执行各输出点更 新。 plc 的工作分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图所 示： 输入采样 程序执行输出刷新 图 2.7 plc 工作阶段 输 入 端 子 输 入 状 态 寄 存 器 程 序 执 行 输 出 状 态 寄 存 器 输 出 锁 存 器 输 出 端 子 输 入 锁 存 器 大块清除机启停控制 - 12 - 输入采样阶段，plc 首先对所有的输入端子进行扫描，然后存入相应的映像存储器， 然后进入程序的执行阶段，plc 从映像存储器中读出输入的状态或数据，按照用户的程 序进行处理，处理完后的数据再输出到输出状态寄存器，对其进行刷新后的寄存器会将 状态输出锁存器中，以一定的方式输出，用来驱动外部的负载。 2.6 可编程序控制器（plc）的编程方法 2.6.1 可编程控制器的编程语言 plc 的编程语言的表达方式有： （1）顺序功能图 （2）梯形图 （3）功能块图 （4）指令表 （5）结构文本 1） 顺序功能图 这是一种位于其他编程语言这上的图形语言，用来编制顺序控制程序。顺序功能图 提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言编程。步、转换和动 作是顺序功能图中的三种主要元件。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以 很容易地画出梯形图程序。 2） 梯形图 梯形图是使用是最多的 plc 图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似， 具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于数字 量逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能 块组成。触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关、按钮和内部条件等。线圈通常代表 逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等。功能块用来 表示定时器、计时器或者数字运算等附加指令。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形 图，并将它下载到 plc。 3） 功能块图 这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程 语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量， 右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号 自左向右流动。 4） 语句表 s7 系列 plc 将指令表称为语句表。plc 的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的 助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。 5） 结构文本 结构文本是为 iec61131-3 标准创建的一种专用的高级编程语言。与梯形图相比，它能实 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 13 - 现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。 2.6.2 可编程控制器的编程原则 1. 编程原则 (1) plc 编程元件的触点在编程过程中可以无限次使用，每个继电器的线圈在梯形图 中只能出现一次，它的触点可以使用无数次。 (2)梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且 不能直接与左边母线相连。 (3)编制梯形图时，应尽量做到 “ 上重下轻、左重右轻 ” (4)两个或两个以上的线圈可以并联，但不可以串联。 (5)程序以 end 指令结束，程序的执行是从第一个地址到 end 指令结束，在调试 的时候，可以利用这个特点将程序分成若干个块，进行分块调试，直至程序全部调试成 功。 2.6.3 可编程控制器的编程方法 编程主要有三种方法：助记符语言（语句表达） 、流程图（类似门电路）以及梯形图 语言（类似继电器） 。下面就常用的梯形图语言加以介绍一下。 2.6.3.1 梯形图的概念 梯形图是由存储器数据区工作位的状态组合成的逻辑控制图；当工作位状态被读时， 称为输入节点；当工作位状态被写时，称为输出线圈；输入节点和输出线圈的符号用存 储器地址。 2.6.3.2 画梯形图的规则 (1) 由启始母线开始，用输入节点的与、或、非逻辑连接到输出线圈。 (2) 节点要画在水平母线上，不能画在垂直母线上。 (3) 输入节点在一个程序中可用无穷次，输出线圈在一个程序中只能用一次。 (4) 节点的串并连个数不能超过大约 8 个。 2.7 plc 的应用场合及功能 2.7.1 数字量逻辑控制 可编程序控制器具有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、 并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以 用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。 大块清除机启停控制 - 14 - 2.7.2 运动控制 可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和 加速度进行控制，可实现单轴、双轴、3 轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能 有机地结合在一起。可编程序控制器的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削 机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 2.7.3 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。可编程序控制 器通过模拟量 i/o 模块，实现模拟量(analog)和数字量（digital）之间的 a/d 转换和 d/a 转换，并对模拟量实行闭环 pid（比例积分微分）控制。plc 的模拟量 pid 闭环控 制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、 化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 2.7.4 数据处理 现代的可编程序控制器具有数字运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻 辑运算以及求反、循环、移位、浮点数运算等） 、数据传送、转换、排序和查表、位操作 等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用于大型控制系统，如无人 柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制 系统。 2.7.5 通信联网 可编程序控制器的通信包括主机与远程 i/o 之间的通信、多台可编程序控制器之间 的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的 通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的 分布式控制系统。 2.8 s7-200 系列可编程序控制器性能简介 德国西门子公司的 simatic s7200 系列属于小型可编程控制器，其结构紧凑，价 格低廉，适用于小型的自动化控制系统。可用于代替继电器的简单场合，也可以用于复 杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥 其作用。 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 15 - s7-200 的可靠性高，可用梯形图语句表（即指令表）和功能块图三种语言来编程。 它的指令丰富，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、pid 控制器、rs- 485 通信/编程接口、ppi 通信协议、mpi 通信协议和自由方式通信功能，i/o 端子排可以 很容易地拆卸。最大可扩展到 248 点数字量 i/o 或 35 路模拟量 i/o，最多有 26kb 程序和 数据存储空间。s7200 这种微型的 plc 的优势在于它的指令处理周期短，减小了循环 时间；它的高速计数器、高速中断器可以分别响应过程事件；它的模块结构可用于各种 性能的扩展，脉冲输出可控制步进电机和直流电机，丰富的指令集可以快速方便地解决 复杂的任务；另外，具有点对点接口（ppi） ，可连接编程设备，操作员界面和串行设备接 口，具有用户友好的 step7 编程软件和功能极强的编程器，方便了编程。 s7-200 在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料 机械、烟草机械、冲压机械、运输带、食品工业、真空装置、恒压供水、和化学系统中 各种泵和电磁阀的控制等。 s7-200 的外观形状如图 2.8 所示： 图 2.8 s7-200 的外观形状 2.9 控制系统设计与调试的主要步骤 1. 工艺分析 深入了解控制对象的工艺过程、工作特点、控制要求，并划分控制的各个阶段，归 纳各个阶段的特点，和各阶段之间的转换条件，画出控制流程图或功能流程图。 2. 选择合适的 plc 类型 在选择 plc 机型时，主要考虑下面几点： （1）功能的选择。 对于小型的 plc 主要考虑 i/o 扩展模块、a/d 与 d/a 模块以及 指令功能（如中断、pid 等） 。 （2）i/o 点数的确定。 统计被控制系统的开关量、模拟量的 i/o 点数，并考虑以后 大块清除机启停控制 - 16 - 的扩充（一般加上 10%20%的备用量） ，从而选择 plc 的 i/o 点数和输出规格。 （3）内存的估算。 用户程序所需的内存容量主要与系统的 i/o 点数、控制要求、程 序结构长短等因素有关。一般可按下式估算：存储容量=开关量输入点数10+开关量输 出点数8+模拟通道数100+定时器/计数器数量2+通信接口个数300+备用量。 3. 分配 i/o 点。 分配 plc 的输入/输出点，编写输入/输出分配表或画出输入/输出端子的接线图，接 着就可以进行 plc 程序设计，同时进行控制柜或操作台的设计和现场施工。 4. 程序设计。 对于较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出控制流程图或功能流程图，然后 设计出梯形图，再根据梯形图编写语句表程序清单，对程序进行模拟调试和修改，直到 满足控制要求为止。 5. 控制柜或操作台的设计和现场施工。 设计控制柜及操作台的电器布置图及安装接线图；设计控制系统各部分的电气互锁 图；根据图纸进行现场接线，并检查。 6. 应用系统整体调试。 如果控制系统由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控 制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后连接起来总调。 7. 编制技术文件。 技术文件应包括：可编程控制器的外部接线图等电气图纸，电器布置图，电器元件 明细表，顺序功能图，带注释的梯形图和说明。 3 生产工艺及控制要求 本程序生产工艺如下图 3 所示 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 17 - 翻板 大块位置开关 旁路位置开关 5 4 3 2 大块清除机 1 上级皮带 下级皮带 图 3 生产工艺图 3.1 工艺要求 （1）设计除大块机的启停控制，要求 5 个轴逆序启动/顺序停止。 （2）设计控制模版的控制电路。 （3）做监控画面。 （4）记录除大块机的实时运行时间和累计运行时间。 3.2 大块清除机的发展与起源 根据近期世界能源状况的调查资料显示，地球上的能量资源估计为 109000 亿 t 标煤 当量，而由于开采成本及技术有限，全球近期可利用的能源储备只有 10600 亿 t 标煤当量， 其中的 70%为煤，16%为石油和天然气，4%为金属铀。 按当今世界能源消耗量和增长趋势推算，原油的年消耗量约为 35 亿 t，今后 25 年中， 年消耗量将达到 50 亿 t，足以把全球现已经探明的可采石油储量耗尽；天然气资源的开 发较晚，尚可用 70 年左右；煤可用 250300 年。预计到 2010 年，天然气和原油的价格 将是煤的 8 倍以上。因此，从目前到本世纪中期，煤将是全世界最主要的提供电力的能 源。 我国拥有丰富的煤炭资源，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，在今后相当长的 时间内，煤炭的利用将在我国能源结构中占据十分重要的位置。因此，煤炭的开发及利 用成为我们不可忽视的重要问题。 大块清除机启停控制 - 18 - 而近年来，我国国民经济增长迅速，对电力的需求增长更快，作为主要电源的燃煤 发电厂逐年增加。我国电力工业煤炭的消耗量已经接近全国原煤产量的 56%。因此，许 多与燃煤有关的区域性和全球性的煤利用率问题和环境问题越来越突出，走电力增长与 环境协调发展的道路，是保证国民经济可持续发展和保护环境的最主要课题。 为了高效、低污染燃烧煤，电厂中采用大块清除机启停控制。由于电厂中要求原煤 的粒度不能过大，但实际使用的原煤中经常有较大粒度的煤块，所以原煤在进入原煤仓 以前必须破碎。为了提高碎煤机的破碎效率和节约能耗，在原煤破碎前，先要进行筛分， 符合要求粒度的煤，直接经输煤皮带送入原煤仓，较大粒度的煤块则进入碎煤机进行破 碎。 3.3 大块清除机的简述 本设备用于火电厂原煤的输送系统，安装于碎煤机之前。 大块清除机主要由电机、减速器、旁路机构、筛轴、机罩、堵煤报警器等组成。工 作时，电机通过减速器、传动链条驱动筛轴作同向转动，推动煤料在筛面上向前滚动。 物料在滚动过程中，小块物料落下，大块物料从筛面滚过，进入碎煤机。它可将原煤在 输送过程中按不同粒度要求自动进行大块清除，筛下物直接落入下级皮带运输机，筛上 物则进入碎煤机进行破碎，使碎煤机发挥最大的工作效率。 大块清除机的工作工程如下：燃煤从上部进煤口进入，由电动推杆带动挡板控制进 煤流向。若干个滚动轴(本课程设计以五个轴为例)依次呈阶梯倾斜式排列，每根轴分别 由一台电动机单独拖动。 当挡板位置处于过筛面时，1#5#滚动轴依次逆序启动运行，不同粒度的燃煤分别 流向大块出煤口或过筛面出口，小粒度燃煤由过筛面出煤口处落下；而大块燃煤由大块 出煤口处落下，进入下一级工序碎煤机进行破碎，在碎煤机室设 5 个滚轴筛，滚轴 筛用于分离大小煤块，大的煤块落到碎煤机，小的煤块落到滚筒给料机。滚轴筛有两个 位置，即经筛面位置及旁路位置，当在经筛面时，煤通过筛面，小块落下，大块到碎煤 机；当滚轴筛故障（堵煤故障、故障停机）或碎煤机故障，切到旁路，煤直接下到皮带。 这时如果另一条皮带具备启动条件，应连锁启动另一条皮带，同时停止故障的皮带。启 动顺序为先启动皮带，再启动碎煤机，然后启动大块清除机。 当挡板位置处于旁路时，燃煤全部从旁路出煤口落下。以上三种方式落下的燃煤将 进入下一级输煤皮带。 在过筛面进煤口处装有堵煤传感器，当发生堵煤时向 plc 控制系统发出报警信号， 使阶梯倾斜式滚动筛煤机停止运行。 plc 控制系统的软件是根据大块清除机启停控制的工艺流程，采用顺序逻辑控制而设 计。控制系统分为本柜控制和远方控制，两种控制方式分别用硬件和软件互锁。挡板电 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 19 - 动推杆电动机之正转/反转（旁路/过筛面）运行同样分别用硬件和软件互锁。 大块清除机采用 plc 控制系统，去掉了若干时间继电器和中间继电器，控制柜体积 大为减小，提高了控制系统的可靠性，调试和维修更加方便，在多家热电厂投入使用证 明，整个控制系统工作稳定可靠，运行效果好。 3.4 大块清除机的工艺流程图 大块清除机的工艺流程如图 3.4 所示 大块清除机启停控制 - 20 - 图 3.4 大块清除机的工艺流程 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 21 - 3.5 大块清除机启停控制示意图 图 3.5 模拟大块清除机启停控制图 大块清除机启停控制 - 22 - 4i/0 地址分配 本程序的 i/o 表如图 4 所示 序号 输入 端 i 输入端说明 输出 端 o 输出端说明 1i0.0启动按钮（短信号）q0.05 号电动机接触器 2i0.1停止按钮 短信号q0.14 号电动机接触器 3i0.2大块位置开关（长信号）q0.23 号电动机接触器 4i0.3旁路位置开关（长信号）q0.32 号电动机接触器 5i0.4大块限位开关（短信号q0.41 号电动机接触器 6i0.5旁路限位开关（短信号）q0.5 5 个电动机全部启动指示 灯 7i0.6清零q0.6 5 个电动机全部停止指示 灯 8q0.7大块位置指示灯 9q1.0旁路位置指示灯 图 4 i/o 表 5 plc 系统选型 本设计选用德国西门子公司的 simatic s7200 系列，它属于小型可编程控制器， 其结构紧凑，价格低廉，适用于小型的自动化控制系统。可用于代替继电器的简单场合， 也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中 也能充分发挥其作用。 s7-200 的可靠性高，可用梯形图语句表（即指令表）和功能块图三种语言来编程。 它的指令丰富，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、pid 控制器、rs- 485 通信/编程接口、ppi 通信协议、mpi 通信协议和自由方式通信功能，i/o 端子排可以 很容易地拆卸。最大可扩展到 248 点数字量 i/o 或 35 路模拟量 i/o，最多有 26kb 程序和 数据存储空间。s7200 这种微型的 plc 的优势在于它的指令处理周期短，减小了循环 时间；它的高速计数器、高速中断器可以分别响应过程事件；它的模块结构可用于各种 性能的扩展，脉冲输出可控制步进电机和直流电机，丰富的指令集可以快速方便地解决 复杂的任务；另外，具有点对点接口（ppi） ，可连接编程设备，操作员界面和串行设备接 口，具有用户友好的 step7 编程软件和功能极强的编程器，方便了编程。 s7-200 在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料 机械、烟草机械、冲压机械、运输带、食品工业、真空装置、恒压供水、和化学系统中 各种泵和电磁阀的控制等。 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 23 - 6 系统硬件图 6.1 系统硬件接线图 图 6.1 系统硬件接线图 大块清除机启停控制 - 24 - 6.2 系统一次电路图 图 6.2 大块清除机中五个滚轴电机一次电路接线图 图 6.3 大块清除机中挡板电机一次电路接线图 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 25 - 7 程序清单 大块清除机启停控制 - 28 - 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 29 - 大块清除机启停控制 - 30 - 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 31 - 8 程序说明（按网络说明） i0.0 为启动控制，当它按下时，时间计时器 t37、t38、t39、t40、t41 依次带电， m0.4、m0.3、m0.3、m0.3、m0.0 依次置 1，当 t41 带电时，q0.5 输出为 1，q0.5 为电 机全部启动指示灯，此时，灯亮。 大块清除机启停控制 - 32 - i0.1 为停止控制，当它按下时，时间计时器 t42、t43、t44、t45、t46 依次失电， m1.0、m1.1、m1.2、m1.3、m1.4 依次置 1，当 t46 带电时，q0.6 输出为 1，q0.56 为电 机全部停止指示灯，此时，灯亮。 沈阳工程学院 plc 课程设计 - 33 - q0.0、q0.1、q0.2、q0.3、q0.4 为五个电动机，由 m0.0、m0.1、m0.2、m0.3、m0.4、m1.0、m1.1、m1.2、m1.3、m1.4 的通断来控制，实 现了逆启顺停，i0.2 为大块位置开关，i0.3 为旁路位置开关，i0.3 为大块限位开关，i0.4 为旁路限位开关，q0.7 为大块位置指示灯，q1.0 为旁路位置指示灯。运用字传送指令与 整数到字节指令显示实时时间、累计时间。 大块清除机启停控制 - 34 - 9 语句表 ld i0.0 o m3.0 an i0.1 a q0.7 = m3.0 network 2 ld m3.0 o m0.4 = m0.4 ton t37, 600 network 3 ld t37 = m0.3 ton t38, 600 network 4 ld t38 = m0.2 ton t39, 600 network 5 ld t