毕业设计（论文）-XA6132卧式铣床的数控化改造.doc

第 0 页 共 29 页 毕 业 设 计（论 文） xa6132 卧式铣床的数控化改造 姓 名 系 部 专 业 机 班 级 0 班 学 号 26 指导老师 2020 1212 年 5 5 月 第 1 页 共 29 页 摘要摘要 随着现代化生产工艺及流程的提高，对于生产机械的电气拖动及电气控制的要 求越来越高，也越来越复杂了，普通的控制设备已经不适应现代化大规模，高科技 含量生产工艺的控制要求。由于此现代化的生产工艺及生产过程频繁翻新。就要求 控制设备可随生产工艺及流程的变化而改变其控制功能进而适应于生产设备的电气 拖动及电气控制要求。也就是说现代化的电气控制设备要对生产机械实现一种柔性 控制。 为了适应上述控制要求，人们在电气自动控制系统中引入了 plc 可编程序控制 器对生产机械实现柔性控制，而达到对于现代化生产工艺及电气拖动的自动控制要 求。 现在社会经济飞速的发展，人们的生活水平也日益提高，各种住宅小区、商用 建筑、写字楼像雨后春笋般拔地而起。建筑业的繁荣昌盛，带动了砌块生产业的飞 速发展与技术革新。传统的砌块上在全自然的环境中生产出来的，加工周期长，成 功率不高。现在各个建材生产厂商专门研制出了一种砌块养护窑自动控制系统，用 来加快砌块的出厂周期，以便提高生产效率与经济效益。 砌块养护自动控制系统是通过可编程序控制器来完成的，可以采用多种不同的 控制技术来进行设计。砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有 两种。一种是传统的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光 加温。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护，用户可以根据砌块的工艺要求指 定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进行。 砌块养护自动控制系统的控制核心是采用 s7-200 型 plc，外加输入输出模块构 成自动控制系统。通过本次设计，可以更加了解砌块的生产过程，更好的掌握可编 程序控制器的设计和在实际工作中的使用。该控制系统是以 plc 为控制核心，以 pid 控制技术和脉冲调制控制技术为依据的智能炉窑控制系统。通过采用这两种不 同的控制技术，使得砌块养护在实际的生产过程中，有效的提高了产品的质量和产 品的生产周期。plc 作为新的控制思想，新的控制实现方法，新的编程技巧将层出 不穷，我们相信，在自动控制领域 plc 的应用前景将是十分广阔的。 关键词关键词 养护窑 s7-200plc 脉宽调制 pid 调制 第 2 页 共 29 页 目 录 摘要1 第一章 可编程序控制器概述.4 1.1 可编程序控制器介绍.4 1.2 可编程序控制器的特点4 1.3 可编程序控制器的分类6 1.4 可编程序控制器的基本组成.7 1.5 plc 与工业控制计算机的比较9 1.6 可编程序控制器的应用9 第二章 西门子 s7-200 型可编程序控制器10 2.1 西门子 s7-200 系列 plc.10 2.1.1 西门子 s7-200 系列 plc 介绍.10 2.1.2 西门子 s7-200 系列 plc 结构.11 2.2 西门子 s7-200 系列 plc 的性能11 2.2.1 s7-200 系列 plc 的中央处理单元11 2.2.2 s7-200 系列 plc 中央处理单元的特点13 2.3 西门子 s7-200 系列 plc 的扩展模块.14 2.3.1 数字量扩展模块.14 2.3.2 模拟量扩展模块.15 2.4 西门子 s7-200 系列 plc 的通讯16 第三章 s7-200 型 plc 用于模拟量控制系统17 3.1 模拟量控制系统17 3.1.1 关于模拟量控制系统.17 3.1.2 关于砌块养护自动控制系统.18 3.2 比例微积分控制技术应用18 3.2.1 pid 控制技术的特点18 3.2.2 窑温的 pid 控制系统.19 3.2.3 程序设计.21 致谢27 参考文献28 第 3 页 共 29 页 第一章第一章 可编程序控制器概述可编程序控制器概述 1.11.1 可编程序控制器介绍可编程序控制器介绍 可编程序控制器的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代。20 世纪 60 年代末，由于 市场的需要，工业生产开始从大批量、少品种的生产方式转变为小批量、多品种的 生产方式。 1969年美国dec公司研制出第一台pdp-14可编程序控制器，用在gm公司生产线上 获得成功，立即引起了开发热潮。其后日本、德国等相继加入，1971年，日本从美 国引进了这项新的技术，很快研制成了日本第一台dcs-8可编程序控制器。 1973年， 德国也研制出他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始 工业应用。可编程序控制器迅速发展起来。但这一时期主要用于顺序控制，虽然也 采用了计算机的设计思路，但实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器， 简称 plc(programmable logic controller)。 进入20世纪80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程序控制 器才有了突飞猛进的发展。其功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称为 可编程序控制器，简称 pc(programmable controller)。但由于pc容易和个人计算 机(personal computer)混淆，故人们仍习惯地用plc作为可编程序控制器的缩写。 可编程序控制器是一种数字运算、数字操作的电子系统，专为工业环境下应用 而设计的。它采用可编程的存储器，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、模拟式的输入和输出，控制 各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都是按易于与工业 控制系 统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计的。 总之，可编程序控制器是一台计算机，是专为工业环境应用而设计制造的计算 机。它具有丰富的i/0接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程序控制器产品并不 是针对某一具体工业应用设计的，在实际应用时，其硬件需要根据实际需要选用配 置，其软件则需要根据控制要求进行设计。可编程序控制器问世以来，经过30年的 不断发展，现已发展到第四代产品。 第 4 页 共 29 页 1.21.2 可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点 plc之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点，它 能较好地解决工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便和经济等问题， 其主要特点如下： 1. 可靠性高、抗干扰能力强 plc是专为工业控制而设计的，可靠性好、抗干扰 能力强是其最重要的特点之一。plc的平均故障问隔时间可达几十万小时。 一般由程序控制的数字电子设备所产生的故障有两种：一种是软故障，由于外 界恶劣环境，如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等引起的未损坏系统 硬件的暂时性故障；另一种是由多种因素而导致元器件损坏引起的故障，称为硬故 障。 plc的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。一些高档plc 可采 用双cpu模块并行工作，即使有一个cpu模块出现故障，系统也能正常工作，同时可 修复或更换故障cpu模块。除此之外，plc采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰 措施： (1) 硬件方面的抗干扰措施 隔离是抗干扰的主要手段之一。在微处理器与i/o电路之间，采用光电隔离措施， 可有效地抑制外部干扰源对plc的影响，同时还可以防止外部高电压进入cpu模块。 滤波是抗干扰的又一主要措施。对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，可消 除或抑制高频干扰。用良好的导电、导磁材料屏蔽cpu等主要部件可减弱空间电磁干 扰。此外，对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。 (2) 软件方面的抗干扰措施 设置故障检测与诊断程序。plc在每一次循环扫描过程的内部处理期间，检测系 统硬件是否正常，锂电池电压是否过低，外部环境是否正常，如断电、欠电压等。 当软故障条件出现时，立即把现状态重要信息存入指定存储器，软硬件配合封 锁存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。这样， 一旦外界环境恢复正常，便可回到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。 由于采取了以上抗干扰措施，plc的可靠性、抗干扰能力大大提高，可以承受幅 值为1000v、上升时间为1ns、脉冲宽度为1的干扰脉冲。 2. 编程简单、使用方便 这是plc的又一重要特点。考虑到企业中一般电气技术 人员和技术工人的读图习惯和应用微机的实际水平，目前大多数的plc采用继电器控 制形式的梯形图编程方式，这是一种面向生产、面向用户的编程方式，与常用的微 机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。通过阅读plc的使用手册或短期培训， 电气技术人员可以很快地熟悉梯形图语言，并用来编制一般的用户程序。配套的简 易编程器的操作和使用也很简单，这也是旧近年来获得迅速普及和推广的原因之一。 第 5 页 共 29 页 3. 设计、安装容易，维护工作量少 由于plc已实现了产品的系列化、标准化和 通用化，用plc组成控制系统，在设计、安装、调试和维修等方面，表现出了明显的 优越性。 设计部门能在规格繁多、品种齐全的plc系列产品中，选出高性能价格比 的产品。plc用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、 计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。plc的用户程序大部分可 以在实验室进行模拟调试，用模拟试验开关代替输入信号，其输出状态可通过plc上 的发光二极管指示得知，模拟调试好后再将plc控制系统安装到生产现场，进行联机 调试，既安全，又快捷方便。这就大大缩短了应用设计和调试周期，特别是在老厂 控制系统的技术改造中更能发挥优点。在用户维修方面，由于plc本身的故障率极低， 维修工作量很小；并且plc有完善的自诊断和显示功能，即当plc或外部的输入装置 和执行机构发生故障时，可以根据plc上的发光二极管或在线编程器上提供的信息， 迅速地查明原因，如果是plc本身的故障，可以用更换模块的方法迅速排除，因此维 修极为方便。 4. 功能完善、功用性强 现代plc不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等 功能，而且还具有a/d和d/a转换、数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开 关量进行控制，又可对模拟量进行控制；既可以控制单台设备，又可控制一条生产 线或全部生产工艺过程。plc还具有通信联网功能，可与相同或不同类型的plc 联网， 并可与上位机通信构成分布式控制系统。由于plc产品的系列化和模块化，plc配备 有品种齐全的多种硬件装置供用户选用，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。 5. 体积小，能耗低 以西门子中小型s7-300 plc为例，314cpu模块可以扩展为 512点开关量，64路模拟量，其外形尺寸为 8omm125mm130mm 重量仅0.53千克， 消耗功率为8w。由于体积小，plc很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理 想控制设备。 6. 性能价格比高 plc系统的基本特点是：可靠、方便、通用、价廉。 1.31.3 可编程序控制器的分类可编程序控制器的分类 可编程序控制器发展很快，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的 plc。从组成结构形式上可以将这些 plc 分为两类：一类是一体化整体式结构 plc，另一类是标准模板式结构的 plc。其特点是电源、中央处理器(cpu)、i/o 接 口都集成在一个机壳内。它们的电源模块、cpu模块、开关量i/o模块、模拟量i/o模 块等在结构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固 定的机架或导轨上，构成一个完整的plc应用系统。 第 6 页 共 29 页 1. 根据结构形状分类 按结构形状分类，plc 可分为整体或机架模块式两种。 整体式结构的plc是将中央处理机，电源部件。输入和输出部件集中配置在一起， 结构紧凑，体积小，重量轻，价格低，小型plc常采用这种结构，适用于工业生产中 的单机控制。 机架模块式plc是将各部分单独的模块分开，如中央处理机模块、电源模块、输 入模块输出模块等。使用时可将这些模块分别插入机架底板的插座上，配置灵活、 方便、便于扩展。可根据生产实际的控制要求配置各种不同的模块，构成不同的控 制系统，一般大、中型plc采用这种结构。 2. 根据 i/o 点数和功能分类 按plc的i/o点数，存储容量和功能来分。大体可以分为：大、中、小三个等级。 小型plc的i/o点数在120点以下，用户程序存储器容量为 2k 字节以下，具有逻辑运 算、定时、计数等功能，它适合开关量的场合，可用它实现条件控制、定时、计数 控制，顺序控制等。也有些小型plc增加了模拟量处理，算术运算功能其应用更广。 中型plc的i/o点数在l20512点之间，用户程序存储器容量达到 2-8k字节，具 有逻辑运算、算术运算、数据传递、数据通信、模拟量输入输出等功能，可完成即 有开关量又比模拟量较为复杂的控制。 大型plc的i/o点数在512点以上，用户程序存储器容量达到 8k字节或 8k字节以 上。具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视、记录、打印等功能。能进行中断 控制、智能控制、远程控制。在用于大规模的过程控制中，可构成分布式控制系统。 超大型plc i/o 点数在896点以上，内存容量在 13kb 以上。 大型和超大型 plc 除具有中、小型 plc 的功能外，还增强了编程终端的处理 能力和通信能力，适用于多级自动控制和大型分散控制系统。 1.41.4 可编程序控制器的基本组成可编程序控制器的基本组成 可编程序控制器构成的基本控制系统结构简图如图 1.1所示。其中可编程序控 制器的基本组成为电源、中央处理器(cpu)、存储器和i/0模板。 3 图 1.1 plc 控制系统结构图 第 7 页 共 29 页 fig. 1.1 plc control system structural diagram 下面分别对中央处理器(cpu)、存储器和 i/o 模板作简单介绍。 1. 中央处理器 (cpu) 是可编程序控制器的神经中枢，是系统的运算、控制中 心。它按照系统程序所赋予的功能，可完成以下任务： (1) 接收并存储用户程序和数据。 (2) 用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据。 (3) 诊断电源、plc内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。 (4) 完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务。 (5) 更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制、数据通信等 功能。 2. 存储器 存储器是一种记忆部件。它用来存储数据或程序，主要包括随机存 取存储器(ram)和 eprom。ram中的用户程序可以用 eprom写入器写入到 eprom 芯片 中。写入了用户程序的 eprom 又可以通过外部接口与主机连接，然后让主机按 eprom 中的程序运行。eprom 是可擦写可编程的只读存储器，如果存储的内容不需 要时，可以用紫外线擦出器擦除，重新写入新的程序。 由于plc的软件由系统软件和应用软件构成，因此 plc的存储器可分为系统程序 存储器和用户程序存储器。把存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类 型的plc其存储容量各不相同，但根据其工作原理，其存储空间一般包括以下三个区 域。 (1) 系统程序存储区 在系统程序存储区中，存放着相当于计算机操作系统的系 统程序。它包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序 等。由制造商将其固化在eprom中，用户不能直接存取。 (2) 系统 ram 存储区 系统ram存储区包括i/o映像区以及各类软设备(如各种逻 辑线圈、数据存储器、计时器、累加器、变址寄存器等)存储区。 (3) 用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序，不同类型 第 8 页 共 29 页 的plc，其存储容量各不相同。有些plc的存储容量可以根据用户的需要加以改变。 3. i/o 输入/输出 (i/o) 模块 它是cpu与现场i/o设备或其它外部设备的桥 梁。plc提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的i/o模块和各种用途的功能模块 供用户选用。 一般plc均配置i/o电平转换及电气隔离。输入电平转换是用来将输入端不同电 压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号；输出电平转换是用来将微 处理器控制的低电平信号转换为控制设备所需的电压或电流信号；电气隔离是在微 处理器与i/o回路之间采用的防干扰措施。 i/o模块既可以与cpu放置在一起，又可远程放置。一般i/o模块具有i/o状态显 示和接线端子排。另外，有些plc还具有一些其它功能的i/0模块，如串/并行变换、 数据传递、a/d或d/a转换及其它功能控制等。 4. 电源 电源部件将交流电源转换成供plc的中央处理器，存储器等电子工作所 需要的直流电源。使plc能正常工作，plc内部电路使用的电源是整机的能源供给中 心，它的好坏直接影响plc的功能和可靠性。 1.51.5 plcplc 与工业控制计算机的比较与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制 设备。硬 件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，而软件资源丰富，特别是有实 时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对 象的控制占有优势。但是，使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有 较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。 plc 最初是针对工业顺序控制应用而发展来的，硬件结构专用性强，通用性差， 很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发。但是，plc 使用了工厂 技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学、易懂、便于推广应用。 从可靠性方面看，plc 是专为工业现场应用而设计的，结构上采用整体密封或 插件组合 型，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工业控制计算机 虽然也能够在恶劣的工业环境下可靠运行，但毕竟是由通用计算机发展而来，在整 体结构上要完全适应现场生 产环境，还要做工作。另一方面，plc 用户程序是在 plc 监控程序的基础上运行的，软件方 面的抗干扰措施，在监控程序里已经考虑得 很周全，而工业控制计算机用户程序则必须考虑 抗干扰问题，一般的编程人员很难 考虑周全，这也是工业控制计算机应用系统比 plc 应用系统可靠性低的原因。 尽管现代 plc 在模拟量信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高， 但在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制计算机则更 能发挥其专长。 第 9 页 共 29 页 1.61.6 可编程序控制器的应用可编程序控制器的应用 目前，plc在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、 汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。随着plc性能价格比的不断 提高，其应用范围将不断扩大。其应用范围大致可归纳为如下几类： 1. 开关量的逻辑控制 这是plc最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电 器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、可用于单机控制、多机群控、自动化生产 线的控制等。 2. 位置控制 大多数的plc制造商，目前都提供拖动步进电动机或伺服电动机的 单轴或多轴位置控制模块。这一功能可广泛用于各种机械设备。 3. 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。plc通过模拟量i/o模块，实现模拟量与数字量之间的a/d、d/a转换，并对模拟 量进行pid闭环控制。现代的大、中型plc一般都有pid闭环控制模型。这一功能可用 pid子程序来实现，也可用专用的智能pid模块实现。 4. 数据处理 现代的plc具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作 等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。这些数据可通过通信接口传送到其它 智能装置进行处理。 5. 通信联网 plc的通信包括plc相互之间、plc与上位计算机、plc和其它智能 设备间的通信。plc系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相 连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制 系统，满足工厂自动化系统发展的需要。各 plc 系统或远程 i/o 模块按功能各自 放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。 6. 在计算机集成制造系统(cims)中的应用近年来，计算机集成制造系统广泛应 用于生产过程中。一般的cims可划分为六级子系统：第1级为现场级，包括各种设备， 如传感器和各种电力、电子、液压和气动执行机构生产工艺参数的检测；第2级为设 备控制级，它接收各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制； 第3级为过程控制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理。以上3级属 于生产控制级，也称为 eic 综合控制系统。由此向上的4、5、6级分别为在线作业 管理、计划和业务管理及长期经营规划管理，通称为管理信息系统 (mis)。 eic 综合控制系统是一种先进的工业过程自动化系统，它包括3个方面的内容： 电气控制，以电动机控制为主，包括各种逻辑联锁和顺序控制；仪表控制，实现以 pid为代表的各种回路控制功能，包括各种工业过程参数的检测和处理；计算机系统， 实现各种模型的计算、参数的设定、过程的显示和各种操作运行管理。 plc就是实 现 eic 综合控制系统的整机设备，由此可见，plc在现代工业中的地位是十分重要 第 10 页 共 29 页 的。 第二章第二章 西门子西门子 s7-200s7-200 型可编程序控制器型可编程序控制器 2.12.1 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 2.1.12.1.1 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 介绍介绍 德国西门子（siemens）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛， 在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（siemens）公司的 plc 产品包 括 logo，s7-200，s7-300，s7-400，工业网络，hmi 人机界面，工业软件等。 西门子 s7 系列 plc 体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强， 可靠性更高。s7 系列 plc 产品可分为微型 plc(如 s7-200)，小规模性能要求的 plc(如 s7-300)和中、高性能要求的 plc(如 s7-400)等产品。 西门子 s7-200 系列plc适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自 动化。s7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂 控制功能。因此s7-200 系列具有极高的性能/价格比。 s7-200 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 s7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代 继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检 测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设 施、环境保护设备等等。例如：冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央 空调、电梯控制、运动系统。 2.1.22.1.2 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 结构结构 s7-200 系列产品结构特点 第 11 页 共 29 页 simatic 的最新获奖的牢固紧凑的塑料外壳 易于接线，操作员控制及显示元件带前面罩保护 通过安装孔或标准din 导轨可以垂直或水平地安装在机柜上 端子排作为固定的接线配件 s7-200 系列产品质量、安全、特性 国际标准：simatic cpu 22x系列符合vde，ul，csa和fm 标准和船籍社船用电器 认证。在生产过程中使用的质量保证体系已取得iso9001认证。 数据安全性在内部eeprom 储存用户原程序和预设值。另外，在一个较长时间段， 所有中间数据可以通过一个超级电容器保持，如果选配电池模块可以确保 停电后中间数据能保存200天。 2.22.2 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 的性能的性能 2.2.12.2.1 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 的中央处理单元的中央处理单元 siemens simatic s7-200 系列plc可提供4个不同的基本型号的8种 cpu 提供选 择。 cpu 221 本机集成6输入/4输出共10个数字量i/o点。无i/o扩展能力。6k字节程 序和数据存储空间。4个独立的30khz 高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出。 1个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。非常 适合于小点数控制的微型控制器。 cpu 222 本机集成8输入/6输出共14个数字量i/o点。可连接2个扩展模块，最大 扩展至78路数字量i/o点或10路模拟量i/o点。6k字节程序和数据存储空间。4个独立 的30khz 高速计数器，2路独立的20khz 高速脉冲输出，具有pid控制器。1个rs485 通讯/编程口，具有ppi 通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展 能力的、适应性更广泛的全功能控制器。 cpu 224 本机集成14输入/10输出共24个数字量i/o点。可连接7个扩展模块，最 大扩展至168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点。16k字节程序和数据存储空间。6个 独立的30khz 高速计数器，2路独立的20khz 高速脉冲输出，具有pid控制器。1个 rs485 通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi 通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端 子排可以很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 cpu 224xp 本机集成14输入/10输出共24个数字量i/o点，2输入/1输出共3个模 拟量i/o点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168 路数字量i/o点或38路模拟量i/o 点。22k字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100khz)，2个100khz 的 高速脉冲输出，2个rs485 通讯/编程口，具有ppi 通讯协议、mpi 通讯协议和自由 第 12 页 共 29 页 方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量i/o，位控特性，自整定pid功 能，线性斜坡脉冲指令，诊断led，数据记录及配方功能等。是具有模拟量i/o和强 大控制能力的新型cpu。 cpu 226 本机集成24输入/16输出共40个数字量i/o点。可连接7个扩展模块，最 大扩展至248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点。26k字节程序和数据存储空间。6个 独立的30khz 高速计数器，2路独立的20khz 高速脉冲输出，具有pid控制器。2个 rs485 通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端 子排可以很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点， 更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适 应于一些复杂的中小型控制系统。 cpu 221/222/224/224xp/226编程 step 7-micro/win32 v4.0 编程软件可以对所有的cpu221/222/224/224xp/226 功能进行编程。同时也可以使用step 7-micro/win16 v2.1 软件包，但是它只支持 对s7-21x同样具有的功能进行编程。 step 7-micro/dos 不能对cpu 221/222/224/224xp/226编程。如果使用pg/pc 的串口编程，则需要使用pc/ppi电缆。 如果使用step 7-micro/win32 v4.0 编程软件，则可以通过simatic cp 5511 或cp 5611 编程。在这种情况下，通讯速率可高达187.5kbit/s 。 可以利用pc/ppi 电缆和自由口通讯功能把 s7200 cpu连接到许多和rs-232 标准兼容的设备。有两种不同型号的 pc/ppi 电缆： 带有rs-232 口的隔离型pc/ppi 电缆，用5个dip开关设置波特率。 带有rs-232 口的非隔离型pc/ppi 电缆，用4个dip开关设置波特率。 2.2.22.2.2 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 中央处理单元的特点中央处理单元的特点 小型plc cpu 221，价格低廉，能满足多种集成功能的需要。cpu 222是s7-200 家族中低成本的单元。通过可连接的扩展模块，即可处理模拟量。cpu 224及cpu 224xp 具有更多的输入、输出点及更大的存储器。cpu 226 功能最强的单元，可完 全满足一些中小型复杂控制系统的要求。如表 2.1所示。 表2.1 中央处理单元表 类型电源电压输入电压输出电压输出电流 dc 输出 dc 输入 24v dc24v dc24v dc0.75a 晶体管 cpu 221 继电器输 出 dc 输入 85v-264v24v dc24v dc 24-230v ac 2a 继电器 第 13 页 共 29 页 dc 输出 24v dc24v dc24v dc0.75a 晶体管 cpu 222 cpu 224 cpu 224xp cpu 226 继电器输 出 85v-264v24v dc24v dc 24-230v ac 2a 继电器 四种 cpu 具有如下特点： 集成 24v 负载电源 可直接连接到传感器和变送器(执行器)，cpu 221，cpu 222 具有 180ma 输出，cpu224，cpu 224xp，cpu 226 分别输出 280，400ma。 可用作负 载电源。 不同的设备类型 cpu 221226 各 2 种类型 cpu，具有不同的电源电压和控制电 压。 本机数字量输入/输出点 cpu 221 具 6 个输入点和 4 个输出点，cpu 222 具 8 个 输入点和 6 个输出点，cpu 224 具有 14 个输入点和 10 个输出点，cpu224xp 具有 14 个输入点和 10 个输出点，cpu226 具有 24 个输入点和 16 个输出点。 本机模拟量输入/输出点 cpu 224xp 具有 2 个输入点，1 个输出点。 中断输入 允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。 高速计数器 cpu 221/2224 个高速计数器(30khz)，可编程并具有复位输入，2 个独立的输入端可以同时作 加、减计数，可连接两个相位差为 90的 a/b 相增量 编码器。cpu224/224xp/226 有 6 个高速计数器，具有与 cpu221/222 相同的功能。 cpu 222/224/224xp/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使 用仿真器对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 模拟电位器 cpu221/222 有 1 个，cpu224/224xp/226 有 2 个。 cpu221/222/224/224xp/226 还具有： 脉冲输出脉冲输出 2 路高频率脉冲输出，用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时钟实时时钟 例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 eepromeeprom 存储器模块存储器模块 可作为修改与拷贝程序的快速工具，并可以进行辅助软件归档 工作。 电池模块电池模块 用于长时间数据后备。用户数据(如标志位状态，数据块，定时器，计数 器)可通过内部的超级电容存贮大约为 5 天。选用电池模块能延长存贮时间到 200 天 (10 年寿命)。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 第 14 页 共 29 页 2.32.3 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 的扩展模块的扩展模块 2.3.12.3.1 数字量扩展模块数字量扩展模块 数字量扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出 提供了途径。用户使用该模块有下列优势： 最佳适应性最佳适应性 用户可分别对plc 及任何扩展模块的混合体进行组态，以满足应用的实 际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供8、16和32个输入/输出点的模块供使 用。 灵活性灵活性 很容易地扩展i/o 点数。当用应范围扩大，需要更多输入/输出点数时，plc 可以增加扩展模块，即可以增加i/o 点数。 模块类型s7-200plc 系列目前总共可以提供3大类，共11种数字量输入输出扩展 模块。 输入扩展模块em 221 具有8点dc输入，光耦合隔离8点ac输入(120v230v)；16 点dc输入，光耦合隔离。 输出扩展模块em 222 有5种类型，包括：4点24v dc输出；4点继电器输出；8点 24v dc输出型，8点继电器输出型，8点ac 输出(120v230v)。 输入/输出扩展模块em 223 有6种类型，包括24v dc4入/4出，24v dc 4入/继电 器4出。24v dc 8入/8出，24v dc 8 入/继电器8出，24v dc 16入/16出，24v dc 16 入/继电器16出。 数字量扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，s7-200型plc的扩展模块种类 很多，固定方式与中央处理单元相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会 过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。 直接安装是安装固定螺孔方便于用螺钉将模块安装在墙上。模块装在cpu右边相 互之间用总线连接电缆连接。这种安装方式建议在剧烈振动的情况下使用。 在标准导轨上安装模块卡，装在紧挨中央处理单元右侧的导轨上，通过总线连 接电缆与中央处理单元互相连接。 2.3.22.3.2 模拟量扩展模块模拟量扩展模块 模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，优点如下： 最佳适应性 可适用于复杂的控制场合。 直接与传感器和执行器相连，12 位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外 加放大器而与传感器和执行器直接相连，如 em 235 模块可直接与 pt100 热电阻相 连。 第 15 页 共 29 页 灵活性 当实际应用变化时，plc可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用 户程序。 rtd和热电偶模块是为s7-200中的 cpu222、cpu224、cpu226/226xm 设计的。当 这些模块安装在稳定的湿度环境中时，将提供最优性能。例如，对于em231 热电偶 模块，具有特殊的冷端补偿电路，该电路测量模块连接器上的温度，并适当改变测 量值以补偿参考温度与模块温度之间的温度差。如果在em231 热电偶模块安装区域 的环境温度迅速地变化，则会产生额外的误差。要想达到最大的精度和重复性，西 门子建议s7-200 热电阻和热电偶模块应安装在稳定的环境温度中。 em 231 热电偶模块 em231 热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七 种热电偶类型。它允许s7-200 连接微小的模拟量信号，80mv 范围。用户必须用 dip开关来选择热电偶的类型，断线检查，测量单位，冷端补偿和开路故障方向。所 有连到模块上的热电偶必须是相同类型。组态dip开关位于模块的下部。为了使dip 开关设置起作用，用户需要给plc或用户的电源断电再通电。 在标准导轨上安装模块卡，装在紧挨中央处理单元右侧的导轨上，通过总线连 接电缆与中央处理单元互相连接。 表 2.2 模拟量扩展模块技术数据表 em 231em 232em 235 尺寸(whd) 重量 功 耗 点 数 71.28062 mm 183g 2w 4路模拟量输入 468062 mm 148g 2w 2路模拟量输出 71.28062 mm 186g 2w 4 路模拟量输入 2 路模拟量输出 功率损耗 +5v dc(从 i/o 总线) 从l+ l+电压范围 第 2 级或 dc 传感器供 电 20ma 60ma 20.4 28.8 20ma 70ma (带2路输出 20ma) 20.4 28.8 30ma 60ma (带输出20ma) 20.4 28.8 led 指示器24v dc 状态 亮=无故障 灭=无 24v dc 电源 24v dc 状态 亮=无故障 灭=无 24v dc 电源 24v dc 状态 亮=无故障 灭=无 24v dc 电源 2.42.4 西门子西门子 s7-200s7-200 系列系列 plcplc 的通讯的通讯 通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制 级一直到现场级的一致性通讯， “simatic net”是全部网络系列产品的总称，他们 能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接 第 16 页 共 29 页 口并且相互之间完全兼容。 内部集成的ppi 接口为 simatic s7-200 的用户提供了强大的通讯功能。ppi 接口物理特性为rs485，可在三种方式下工作： 一、ppi 方式 ppi 通讯协议是西门子专为 s7-200 系列plc 开发的一个通讯协议。可通过普 通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。s7-200 系列cpu 上集成的编程口同时就是ppi通 讯联网接口。利用ppi通讯协议进行通讯非常简单方便，只用netr 和netw 两条语句 即可进行数据信号的传递，不需额外再配置模块或软件。ppi通讯网络是一个令牌传 递网，在不加中继器的情况下，最多可以由31个s7-200 系列plc，td200，op/tp 面 板或上位机为站点，构成ppi网。 使用 ppi 协议编程电缆：step 7-micro/win 编程软件通过支持 ppi 协议的编程 电缆和 plc 进行通讯、上传、下载程序，是最简单、最为经济的通讯方式。主要有 三种方式： (1) pc/ppi 编程电缆：一台 plc 和 pc 直接连接。pc 端接口：rs232 串口。 (2) rs-232/ppi 多主站编程电缆：多台 plc 和 pc 直接连接，pc 端接口：rs232 串 口。 (3) usb/ppi 多主站编程电缆：多台 plc 和 pc 直接连接，pc 端接口：usb。 二、mpi 方式 s7-200 可以通过内置接口连接到mpi网络上，其波特率为 19.2kbit/s 和 187.5kbit/s 。它可与s7-300/s7-400cpu进行通讯。s7-200cpu在mpi网络中作为从 站，它们彼此间不能通讯。 三、自由通讯口方式 自由通讯口方式是s7-200plc的一个很有特色的功能。它使s7-200 plc可以与任 何通讯协议公开的其它设备、控制器进行通讯，即s7-200 plc 可以由用户自己定义 通讯协议(例如：ascii 协议)。波特率最高为 38.4kbit/s 。因此使可通讯的范围 大大增加，使控制系统配置更加灵活、方便。 任何具有串行接口的外设，例如：打印机或条形码阅读器，变频器，调制解调 器(modem)，上位pc机等。 s7-200 系列微型plc，用于两个cpu 间简单的数据交换。用户可通过编程来编 制通讯协议，用来交换数据(例如：ascii 码字符)，具有rs232 接口的设备也可用 pc/ppi 电缆连接起来进行自由通讯方式通讯。 四、profibus-dp 网络 在s7-200 系列的cpu中，cpu 222，cpu 224，cpu 224xp，cpu 226，都可以通 过增加em 277 profibus-dp 扩展模块的方法支持 profibus-dp 网络协议。最高传 输速率可达12mbit/s 。 第 17 页 共 29 页 第三章第三章 s7-200s7-200 型型 plcplc 用于模拟量控制系统用于模拟量控制系统 3.13.1 模拟量控制系统模拟量控制系统 3.1.13.1.1 关于模拟量控制系统关于模拟量控制系统 模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可 分为开环控制和闭环控制。开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制 信号，这种控制容易受外界干扰而偏离控制目标。对于控制要求比较高的场合，一 般都采用闭环控制方式。闭环控制是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的， 以求得设定值与反馈值的偏差最小。因而闭环控制也叫偏差控制。闭环控制根据期 设定值的不同，又可以分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设定值是由控制 系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值 的偏差最小为目的。随动系统的设定值是由被控对象给出的，控制器的作用就是使 控制目标不断向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。 模拟量控制系统设计中，应该注意干扰问题。解决干扰问题的办法有4个。其一 是接地问题，这里包括plc接地瑞的接地，要真接地不要假接地，这里所说的接地就 是接大地。其二是模拟信号线的屏蔽问题。屏蔽线的始端和终端都要接地，信号线 的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题。如果不匹 配，很容易在信号传送中引起干扰，使信息失真。其四是对信号进行滤波。 模拟量信号如电压值、电流值等，常常会因为现场瞬时干扰而产生较大波动， 产生误差。采用滤波可以有效地减小误差。这里所说的滤波，包括硬件滤波和软件 滤波。软件滤波主要是数字滤波。数字滤波的方法比较多，如常用的平均执法、中 值法等等。s7-200系列plc在系统设计中可以利用step7-micro/min32软件对模拟量 输入信增加滤波功能。如果需要数字滤波，可以设置滤波选项。 3.1.23.1.2 关于砌块养护自动控制系统关于砌块养护自动控制系统 砌块在生产过程中最后一道工序是养护。目前养护的方法有两种。一种是传统 的自然养护；自然养护只需要一个可供养护的露天场地，靠阳光加温。这种养护方 法 投资少，养护成本低。缺点是养护周期太长，受环境温度影响大，对产品质量要 求较高时，无法保证高质量与短生产周期。尤其在我国北方地区的冬季，温度低， 阳光少，风沙大，天气条件恶劣，不适用这种养护方法。但是在一些规模较小的砌 块加工场所还经常用到这种养护方法。另一种养护方法就是在养护窑中进行养护。 第 18 页 共 29 页 用户可以根据砌块的工艺要求指定养护规则，由手动或自动方法控制养护程序的进 行。养护窑养护过程是严格按照砌块的工艺要求实施控制的。它能保证产品质量， 保证生产进度，不受天气影响。 系统自动控制养护方式，可以借助于pid算法、脉宽调制控制法及模糊控制算法 和一些优化控制算法，是养护窑的养护温度被严格地控制在养护系统规则要求的范 围之内。 3.23.2 比例微积分控制技术应用比例微积分控制技术应用 3.2.13.2.1 pidpid 控制技术的特点控制技术的特点 在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简 称 pid 控制，又称 pid 调节。pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简 单、