毕业设计（论文）-VD炉PLC控制系统设计.doc

第 i 页 共 64 页 vd 炉 plc 控制系统设计 摘 要 目前，真空脱气（vd）处理工艺作为炉外精炼的一种，在冶金工业中得到 广泛使用。其原理是利用对真空室进行抽真空，在真空状态下对钢水进行脱气， 降低钢水中的h、n。在大型现代化冶金生产中，vd 钢包处理已成为现代 二次冶金的基本手段。该处理工艺系统控制的实现包括下位机控制程序的实现 和上位机监控系统的实现两个部分。本课题主要研究的是真空脱气系统下位机 （plc）自动控制系统的设计，具体包括系统的总体设计，电气设备组成设计， plc 控制电路、输入模块、输出模块的设计，程序的编写，以及与上位机的通 信。下位机程序编制主要完成数据采集、转换、传递任务以及实现各种工艺控 制、连锁保护等控制回路功能。最后，与上位机进行通讯。 关键词：plc,vd,控制 第 ii 页 共 64 页 the design of programmable logic controller control system in vacuum furnace abstract at present，the vacuum degassing (vd) process craft，as one kind of the stove outside fining，obtains the widespread use in the metallurgical industry. its principle is using the vacuum chamber takes out the vacuum，degassing to the molten steel under the vacuum state, reduce the hydric and nitrogen of molten steel. in the large-scale modernized metallurgy production, vd ladle processing has become the essential method of modern two metallurgy. this process craft system realization including lower position machine control programme realization and on position machine supervisory system realization two parts. this topic main research is the design of vacuum degasification system lower position machine (plc) the automatic control system , specifically includes the system general design, the electrical equipment composition design, the plc control circuit, the input module, the output module design, compile the program, as well as with on position machine communicate. the lower position machine programming mainly completes the data acquisition, the transformation, the transmission duty as well as realizes each control loop functions and so on craft control, chain-like protection. finally，carries on the communication with on position machine. keywords: programmable logic controller，vacuum degassing，control 第 iii 页 共 64 页 目录 1 绪论.1 1.1 课题背景与研究意义 .1 1.2 国内外发展现状与应用情况 .2 1.3 plc 技术概况3 1.4 本文所作的工作 .4 2 vd 炉系统概况 5 2.1 电气设备组成 .5 2.2 电气系统分析 .5 2.2.1 低压电源 .5 2.2.2 液压传动 .5 2.2.3 盖车传动 .6 2.2.4 plc 控制6 2.3 vd 抽真空系统原理.7 2.3.1 vd 处理工艺操作.7 2.3.2 抽真空原理 .7 2.3.3 节约蒸汽和缩短抽气时间的实现 .8 2.4 vd 生产过程中的注意事项.9 3 可编程控制器（plc）基本原理介绍.10 3.1 可编程控制器的产生与发展 10 3.1.1 可编程序控制器的产生.10 3.1.2 可编程控制器的发展与展望 11 第 iv 页 共 64 页 3.2 可编程控制器的定义 13 3.3 可编程控制器的特点 14 3.4 plc 的工作原理.15 3.5 plc 的组成.17 3.6 可编程控制器的应用 20 3.7 plc 的编程语言.21 4 vd 炉 plc 控制系统的设计 .23 4.1 plc 控制系统设计的原则及步骤.23 4.1.1 可编程控制器控制系统设计的基本原则 23 4.1.2 可编程控制器设计的基本步骤 23 4.2 vd 炉 plc 控制思路26 4.2.1 人机界面 26 4.2.2 工作方式 26 4.3 下位机 plc 的选择 27 4.4 plc 控制软件设计.30 4.4.1 下位机软件开发平台的确定 30 4.4.2 plc 输入输出分配.31 4.4.3 系统流程图设计 36 4.4.4 程序设计 38 4.5 程序调试 39 5 可编程控制器的数据通信41 5.1 简述 plc 的通信 41 5.2 s7-300 与 wincc 之间通信的实现 42 总结43 第 v 页 共 64 页 致谢44 参考文献45 附录47 第 1 页 共 64 页 1 绪论 1.1 课题背景与研究意义 炉外精炼处理技术在炼钢生产中，是提高产品质量、扩大品种、提高生产 率和实现连铸直轧的重要手段，也是进一步提高钢的清洁度和降低钢中杂质含 量的有效措施。lf钢包炉和vd（vacuum degassing）真空脱气炉是炉外精炼 处理常用的两种方法，而vd炉外精炼是炼钢工艺路线的重要中间环节，是现 代化短流程生产线的主要工序，vd炉外精炼可以提高钢液纯净度、改善成品 内在性能，是开发纯净钢和超纯净钢，生产双高产品的必须设施，对协调转炉 炼钢和连铸机操作有举足轻重的作用。努力提高钢液精炼比是冶金工业又一个 重要的经济技术指标。 目前，我国工业炉大多数的管理水平、运行水平和自动化水平不高，尤其 以前建成投入使用的工业炉更是如此，热效率也经常达不到制造厂家的设计指 标。其中比较突出的原因是管理不完善，设备落后，既没有必要的自动检测和 控制仪表，也缺乏应有的技术力量，其运行水平主要取决于司炉人员的技术水 平、生产经验和工作的责任心。我国是一个能源大国，多数工业企业的能源利 用率较低，能耗高，浪费大。工业炉是冶金、化工、机械等行业的主要设备， 也是能源消耗大户。如何提高它的热效率，降低能耗，是当前技术改造和节能 工作中的重要课题。 从现在生产情况看，工业炉使用车间多处于机械化或半自动化状态，车间 的生产环境差且劳动强度大。随着科技发展，人们对生产过程自动化水平的要 求也越来越高，这就迫切需要开发出高水平的工业生产自动化控制系统。使人 们从繁重的体力劳动中解放出来。我们需要结合实际 第 2 页 共 64 页 工业炉设备的特性，将现有的网络通信技术与先进控制策略应用于控制系 统中去，设计出适合于多种加热工艺的性能优异的控制系统。 本课题的实施，不仅是对控制理论应用的一种拓展，而且对于实现如真空 脱气处理设备这样的复杂工业过程的综合自动化控制也有着重要意义。 1.2 国内外发展现状与应用情况 我国早在1996年钢产量就超过1亿吨，成为世界第一产钢大国，但是，优 质精炼钢的比例却很低，而发达国家大型钢铁联合企业的炉外精炼处理能力与 钢产量基本相当或略大，所以，炉外精炼在我国还是非常有前景的。近年来， 随着国民经济的发展，纯净钢的需求越来越大，各企业纷纷对老设备进行技术 改造，对钢水进行rh(0b)、lf-vd、asea-skf等精炼处理，尤其是vd精炼，因 投资少，精炼效果好而成为众多钢厂首选的精炼方式。日本、欧美等一些先进 的钢铁生产国家，炉外精炼比超过90%，其中真空精炼比超过50%，有些钢厂已 达到100%。 回顾20世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史，可以预言：在21世纪， 炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序，将会得到进一步地发展，新世纪炉外精 炼技术的发展趋势表现为: （1）真空精炼技术将会更普遍地应用，进一步提高钢水真空精炼的比例。 随着钢材纯净度的日益提高，要求真空处理的钢种逐渐增多，真空精炼技术的 应用将更加普遍。最近，日本新改建的面向21世纪的炼钢厂已明确提出：全部 钢水100%进行真空处理的发展目标。因此，21世纪真空冶金和真空精炼技术将 会进一步发展。 （2）炉外处理设备将实现“多功能化”，在一台钢水精炼设备中将渣洗 精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来，实现多功 能精炼,以满足超纯净钢生产的社会需求。 第 3 页 共 64 页 （3）炉外精炼工艺进一步实现高效化和高速化。目前，转炉和连铸工艺 的发展均以高速化为目标，采用高速吹炼和高拉速工艺，提高设备的生产效率， 加快生产节奏，缩短生产周期。在此条件下，精炼往往成为炼钢生产流程中的 “瓶颈”。特别是lf工艺，受升温速度的限制，生产节奏已很难适应高效转炉 或高速连铸的要求。因此，如何进一步提高炉外处理设备的加热功率和精炼速 度，缩短精炼周期，将是21世纪炉外处理工艺发展的重要课题。 （4）在线配备快速分析设施。21世纪对钢材成分的控制将更加严格，炉 外精炼作为最终钢水成分控制的工序，为缩短精炼周期，需在线配备快速分析 设备,实现数据联网，减少等待时间。 （5）实现炉外精炼工艺的智能化控制。主要内容包括：准确预报钢水精 炼的终点成分与温度，选择最佳的精炼工艺并利用计算机控制精炼过程中吹氧、 搅拌、加料、合金调整与钢水加热和温度控制等操作。 1.3 plc 技术概况 对于由继电器控制装置构成的自动控制系统，每一次设计或改进都直接导 致继电器控制装置的重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更 新周期的缩短。因此，可编程控制器这一新的控制装置应运而生，并取代了继 电器控制装置。 可编程控制器(plc)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继 电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、 使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面 得到普通应用，越来越多的工厂设备采用plc、变频器、人机界面等自动化器 件来控制，使设备自动化程度越来越高。 现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。可编程控制 器(plc)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。 第 4 页 共 64 页 （1）可靠性高，抗干扰能力强： plc生产厂家在硬件和软件上采取了一 系列抗干扰措施，使它可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。目前各生 产厂家的plc，其平均无故障时间大大超过iec规定的10万小时，同时，有些 plc还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。 （2）适应性强，应用灵活：由于plc产品均成系列化生产，品种齐全，多 数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。 （3）编程方便，易于使用：plc的编程梯形图语言与顺控流程图语言。 （4）控制系统设计、安装、调试方便：设计人员只要有plc就可进行控制 系统设计，并可在实验室进行模拟调试。 （5）维修方便，工作量小：plc有完善的自诊断、历史资料存储及监视功 能，plc对其内部工作状态、通信状态、异常状态和i/o点的状态均有显示。工 作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理。 （6）功能完善：除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外， 配合特殊功能块，还可以实现点位控制、pid运算、过程控制、数字控制等功 能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。 由于具有以上特点，使得plc的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、 有控制要求，就会有plc的应用。 1.4 本文所作的工作 本文主要进行 vd 炉 plc 控制系统的设计，采用西门子的 s7-300 对 30t-vd 精炼炉进行控制，该系统应实现下述目标： （1）统计 vd 炉生产工艺监控点数，详细列写模拟量及开关量点数，参数 变化范围； （2）列出所采用的仪器、设备清单，包括设备型号、台件数、生产厂家； （3）针对监控参数，画出程序流程图，编写监控程序； （4）正确调试通信及监控程序，完成系统调试。 第 5 页 共 64 页 2 vd 炉系统概况 2.1 电气设备组成 依照本课题的设计，vd-30t 精炼炉电气设备组成如下：低压电源柜，盖 车传动柜，plc 柜，主操作台和计算机操作台，这些均放在主控室；液压传动 箱置于液压站内；炉前操作台置炉子前便于操作处。机械配套的电气设备及元 器件，如电流，流体信号的检测仪表及传感器变送器等，随其所服务的机械设 备或流体管道安装，或置车间内便于操作的地方。 2.2 电气系统分析 2.2.1 低压电源 低压电源供精炼炉全部设备的动力电源和操作控制电源。由一面低压电源 柜 a1 组成。来自车间配电的容量为 100a 的 3n380v 动力电源送到本柜空气 开关 q1 的上口，通过信号灯 h1 可观察电源是否来电。人工推合总电源空气开 关 q1,电压表 pv1 显示电源电压，表明低压电源已送电。在电源柜中推合控制 电源空气开关 q2，ka12,101102 吸合，用作控制电源送电指示及其它连锁 保护。控制电源送电后，主台上的信号灯 h8 点亮。本柜中装有一个 200va/220v 的隔离变送器 t1,其输出为 plc 提供220v 供电。装有两 个220v/24v 8a 的空气开关电源 vc12，vc1 为 plc 的输入信号转换小型 继电器，电器测量用的电量变换器提供-24v 电源；vc2 为开关量输出模块所带 的电磁阀提供-24v 电源。 第 6 页 共 64 页 2.2.2 液压传动 液压传动所控制的设备为罐盖升降。电控由一面液压传动箱 a4 和炉前操 作台 a7 组成。动力电源来自低压电源柜。控制操作可在炉前台和站内的转动 箱上两地进行，又转换开关 sa4 切换。当 sa4 置“站内操作”位置时，可在站 内的操作箱上通过操作 sa13 旋钮对 1#泵、2#泵和加热器启动和停止。当 sa4 置“炉前台操作”位置时，通过在炉前台上操作 sb16 按钮控制 1#泵、 2#泵和加热器启动和停止。液压站的液位低、温度低、滤油器堵塞信号有信号 灯 h2、4、6 在炉前台上作故障显示。液位低时油泵不能启动，油温低时人工 启动加热，油温高时自动停止加热。 2.2.3 盖车传动 盖车由两台 5.5kw 的交流电机传动。电控有一面柜 a2。有一台三菱变频调 速器 bp 供电，速度可以调节。 盖车的运行通过人工在炉前台 a7 上操作，由 plc 控制。首先 sb26 带灯按 钮给变频器送电，然后通过旋钮 sb28 旋钮使盖车高速开进、开出或停止。进 入途中经减速限位开关 s42 或退出途中经 s45 时由高速自动转为低速，或者说 当盖车处在进减速限位 s42 和退减速限位 s45 之间时为高速运转。若一直按住 sb31 或 sb32， 包车低速开进或开出，放开旋钮停止。不用包车时，sb27 按钮 使变频器断电。 2.2.4 plc 控制 plc 控制有一面柜 a3，其中主要装有一套西门子 s7-300 型可编程序控制 器。它由主机架和一个扩展机架组成，五个数字输入模块，三个模拟输入模块， 和三个数字输出模块分装在主机架和扩展机架上。plc 的控制主要包括：真空 泵系统，罐盖车控制，冷却水的压力，温度信号的采集和传送，氩气压力及流 量信号的采集和传送等。 第 7 页 共 64 页 2.3 vd 抽真空系统原理 2.3.1 vd 处理工艺操作 vd 精炼法，是将电炉的初炼钢液置于密封罐内抽真空，同时钢包底部吹 氩搅拌的一种钢液真空处理方法。在电炉中经过熔化、初步吹炼，再置于真空 罐内通过底吹氩搅拌加速脱气过程，以获得纯净的钢液。vd 精炼的用途主要 是提高钢水的纯净度，降低钢中气体含量，使钢材质量得到进一步的提高。同 时利用钢渣界面反应进行脱硫处理。在大型现代化冶金生产中，vd 钢包处理 已成为现代二次冶金的基本手段。 真空系统是vd炉的关键设备,它将真空罐从常压最低可抽到67pa左右,并使 系统在真空条件下保持10min以上,以保证真空脱气的要求。目前较新的vd设备 是与连铸机相配套从德国德马克公司引进的炉外设备。它的真空系统采用蒸气 喷射泵作为主要的抽真空设备,抽真空能力强,降压迅速,从而很好的满足vd炉 进行脱气处理的要求。 当将装有钢水的钢包放入密闭的真空室，并且抽真空时,脱气过程便开始 了。这是因为真空对钢液的影响随钢液静压力增加而降低。在深度1.4m = 100pa时,则真空的影响不太大。为使钢液各处气体全部逸出,钢水应当搅拌。 为了实现搅拌,必须在钢水处理过程中从透气砖将惰性气体如氩气通入钢包中。 真空室可获得最低压力大约为67pa,通过吹氩搅拌可使钢水充分与低压接触。 如果只是为了去掉钢水中的气体, 那么低压下脱气过程只需15min。在vd处理 过程中有溢渣现象。为了防止钢液从钢包向真空室溢出,要求钢包内钢液面应 低于钢包上沿大约为1.0m , 钢包衬采用碱性耐火材料。 2.3.2 抽真空原理 本系统有八台喷射器 ec、e4a、e4b、e5a、e5b、eb1、eb2、eb3 和五 第 8 页 共 64 页 台冷凝器 1 冷、2 冷、辅 2 冷、3 冷、辅 3 冷，组成了集启动泵、辅泵和主泵 三条工作路线系统。在不同的工作阶段,切换到不同的工作路线,这样就可达到 最高的工作效率。 真空泵不同的组合对应不同的抽气能力和所对应的真空度范围见表2.1。 表2.1 真空泵组合表 泵 档 位 启动 泵 ec 五级 主泵 5a 五级 辅泵 5b 四级 主泵 4a 四级 辅泵 4b 三级 泵 b3 二级 泵 b2 一级 泵 b1 对应范围 五级 100k32 kpa 四级 32k8kp a 三级 8k2.2k pa 二级 2.2k48 0pa 一级 480pa6 7pa 抽真空的过程,就是从五级工作状态逐渐切换到一级,当达到67pa真空度时,保 持一段时间,让钢水充分脱气,达到钢种的要求。 2.3.3 节约蒸汽和缩短抽气时间的实现 为节约蒸汽和缩短抽气时间,采用了预抽和少抽的措施。当真空泵工作在预 抽五级时,主截止阀关闭,所抽取的是管道及冷凝器里的空气,因此在截止阀打开 后,所需要抽走的气体就减少了,故能更快地达到真空度。少抽废气就是在vd炉 两次真空处理之间,不破除管道内的真空度。上一次处理完成之后,只破除罐坑 里的真空,让管道和冷凝器里保持一定的真空度,这样减少了约60%的废气量,从 而减少了蒸汽耗量和缩短了抽真空时间。程序实施完成后,抽一次真空仅用了 6min ,比以前抽一次真空时间为9min大为缩短。吨钢蒸汽耗量也由原来的97kg 第 9 页 共 64 页 下降到71kg ,效果非常明显。 2.4 vd 生产过程中的注意事项 (1)每炉 vd 结束后，要检查大罐盖下表面中心部位绝热层情况，若脱落严 重，要及时向有关部门汇报，不进 vd。 (2)抽真空时，ar 气的流量不得超过 400nl/min,压力不超过 0.5mpa（表压） 。特别是当钢水满时，以免钢水粘住小炉盖和钢包上沿，致使罐盖提升不起或 拉掉钢包内的砖头。 (3)在 20kpa40kpa 时，要密切注意溢渣情况，发现溢渣要及时破空，同 时可适当调大 ar 气流量压渣。 (4)在高真空保持阶段（67pa）,可适当调大 ar 气流量，扩大钢液裸露面 以加速脱气。同时密切注意罐底温度变化是否异常。 (5)若发现热井水箱水位经常出现报警，在抽真空状态下，水位大于 100% 五秒内不能下降到 100%以下时，要立即破真空，等各级蒸汽阀关闭后，马上停 浊环水，防止水位太高压破热水箱。 (6)每炉 vd 结束，罐盖车开出后，要及时检查钢包耳轴与罐内钢包支撑座 之间是否有钢水粘住，若有马上指挥行车试吊钢包，必要时要对冷钢进行处理， 处理好后才可吊包。 (7)抽真空过程中，必须保证冷却水供水正常,如果设备水压力低，察看计 算机水包压力值，如果压力大于 1.0 公斤，马上通知水泵房更换或者加开水泵， 保证水包压力大于 1.6 公斤；如果水包压力低于 0.7 公斤，迅速停止抽真空， 停止方式与正常结束相同。 第 10 页 共 64 页 3 可编程控制器（plc）基本原理介绍 3.1 可编程控制器的产生与发展 可编程控制器（programmable controller）,简称 pc。在它发展的初期主 要应用于开关量的逻辑控制，因此也称为可编程逻辑控制器（programmable logic controller），简称 plc。可编程序控制器随着微电子技术和计算机技 术的发展而迅速发展，现代可编程序控制器实际上是以位处理器为基础的、高 度集成化的新型工业控制装置，使计算机技术与自动控制技术相结合的产物， 它的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，因此可编程序控制器简称为 pc 是合适的。 3.1.1 可编程序控制器的产生 1968 年美国通用汽车公司（gm），根据市场形势的发展，对生产提出了 “多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。但汽车生产流水线的自 动控制系统基本上是由继电器控制装置构成的，汽车的每一次改型都直接导致 生产流水线中的继电器控制装置的重新设计和安装。显然，这种继电器式的控 制装置已无法满足这种小批量、多品种、经常改型的生产需要。有没有一种能 方便的改变控制方案的新型工业控制装置呢？gm 公司用它应当达到的十项功能 指标，描述了这种设想的全新工业控制装置，它们是： 1编程简单方便，可在现场修改程序; 2维修方便，最好是插件式（模块化）结构； 3可靠性高于继电器控制装置； 4体积小于继电器控制装置； 5可将数据直接送入管理计算机； 6成本可与继电器控制装置竞争； 第 11 页 共 64 页 7输入可以是交流 115v； 8输出为交流 115v，2a 以上，能直接驱动电磁阀、接触器等； 9扩展时，原有系统只要做很小的改动； 10用户程序存储器容量至少能扩展到 4kb。 gm 公司公开向社会招标。 1969 年美国数字化设备公司（dec），按 gm 公司的功能要求，研制出了这 种新型工业控制装置这就是世界上第一台 plc，型号为 pdp-14。它在 gm 公司底特律的一条汽车自动生产线上首次运行，取得成功。此后，这项新技术 获得了迅速发展。1971 年日本从美国引进了这项技术。1973-1974 年联邦德国 和法国（欧洲）也独立研制出自己的 plc。我国从 1974 年开始研制，1977 年 开始工业应用。 3.1.2 可编程控制器的发展与展望 可编程序控制器从 1968 年产生以来，随着微电子技术、计算机技术、自 动控制技、通信技术的发展而迅猛发展。产品已经历了 4 代换代，其发展过程 大致为： 1第一代 plc（1969-1972 年） 特点是：大多用一位机开发，用磁芯存储器存储；功能简单，主要是逻辑 运算、定时、计数；机种单一，没有形成系列。 典型产品有：美国 modicon 公司的 084；美国 dec 公司的 pdp-14/l；美国 allen-bradley 公司的 pdq-；日本富士电机公司的 usc-4000；日本立石电机 公司的 scy-022；日本北辰电机公司的 hosc-20；日本横河电机公司的 yodics。 2第二代 plc（1973-1975 年） 特点是：元件上采用了 8 位微处理器和半导体存储器（eprom）；功能上 增加了数字运算、传送、比较及模拟量控制等；产品初步形成系列。 第 12 页 共 64 页 典型产品有：美国 modicon 公司的 184、284、384；美国 g 公司的 logistrot； 德国 siemens 公司的 simatic s3 系列；日本富士电机公司的 sc 系列等。 3第三代 plc（1976-1983 年） 特点是：20 世纪 70 年代后期超大规模集成电络和高性能微处理器的出现 及引入 plc，使 plc 的功能及处理速度大大增加，如增加了浮点数运算、平方、 三角函数、相关数、查表、列表、脉宽调制变换等功能，增加了远程 i/o、一 些特殊功能模块和通信、子诊断等功能。 典型产品有：美国 gould 公司的 m84、484、584、684、884；德国 siemens 公司的 simatics5 系列；美国 ti 公司的 pm550、ti510、520、530； 日本三菱公司的 melplac-50、550；日本富士电机公司的 micreex 等。 4第四代 plc（1984-现在） 特点是：进入 20 世纪 80 年代中、后期以来，超大规模集成电路迅速发展， 微处理器价格大幅度下跌，plc 中 16 位、32 位片式高性能微处理器全面使用。 而且一台 plc 中配置多个 cpu，进行多通道处理。plc 软、硬件功能发生了巨 大变化，生产了各种内含 cpu 的智能模板，编程语言非常丰富，plc 已发展成 为一种具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名 符其实的“多功能控制器”。值得指出的是，尽管 plc 功能越来越强，担仍然 保留了先前简单与易于使用的特点。 典型产品有：德国 siemens 的 simatic s7 系列；美国 allen-bradley 公 司的 plc-5 系列；美国 gould 公司的 a5900 及 modular systems research 公 司的 iac 系列等。从上述 plc 的发展过程可以看出，plc 的发展与新元件、新 技术、新理念的发展与引用是不可分的，也值得今后 plc 及其它新产品开发作 为借鉴。 当前 plc 及 plc 网络已成为工厂首选的工业控制装置并已广泛应用于各领 第 13 页 共 64 页 域，基于 plc 的集散控制系统（dcs），以 plc 作为基础控制设备的计算机集 成制造系统（cims）到处可见。plc 及其网络已被公认为实现现代工业自动化 三大支柱之一（plc，机器人，cad/cam）。当然，为了适应大中小型企业的不 同需要，进一步扩大其应用范围，plc 正朝着一下方向发展： 1低档 plc 向小型、简易、廉价方向发展，使之能更加广泛的取代继 电器控制，siemens 公司开发的 logo 通用逻辑控制器就是一例，它可提供 6 输 入/4 输出，具有逻辑运算、计时、计数、加减运算等各种功能。 2中、高档 plc 向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控 制微机的部分功能，对大规模、复杂系统进行综合自动控制。开发满足不同需 要的特殊功能模块，方便用户构建不同的控制系统。 3工厂综合自动化、消灭自动化孤岛、方便自动化系统集成是现代工 业生产的需要，增强 plc 的联网通信能力。包括 plc 与计算机之间，不同 plc 之间，plc 与现场总线之间通信能力的增强是 plc 近年来发展的一个重要方向。 4编程语言不断丰富。许多公司的 plc 编程语言除了原有的梯形图语 言、指令表语言、程序功能图之外，还推出多种高级语言编程，以适应更广泛 的需求，编程工具也在向小型化、通用化和多功能方向发展。 3.2 可编程控制器的定义 可编程控制器（programmable controller）缩写为 pc，为了和个人计算 机相区别，把可编程控制器缩写为 plc。 可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止，还未能对其下最后的定 义。 美国电器制造商协会 nema 在 1980 年给 plc 作了如下的定义： “plc 是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体以存储指令， 第 14 页 共 64 页 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。一部数字电子计算机若是用来执行 plc 之功能者，亦被视同为 plc,但不包括鼓式或机械式顺序控制器。 ” 国际电工委员会（iec）曾于 1982 年 11 月颁发了可编程控制器标准草案 第一稿，1985 年 1 月又颁发了第二稿，1987 年 2 月颁发了第三稿。草案中对 可编程控制器的定义是： “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。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序 控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输 入或输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关外围设备， 都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 定义强调了可编程控制器是：“数字运算操作的电子系统” ，即它也是一 种计算机。它是“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机。这种工业计 算机采用“面向用户的指令” ，因此编程方便。它能完成逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术操作，它还具有“数字量或模拟量的输入或输出控制”的能 力，并且非常容易与“工业控制系统联成一体” ，易于“扩充” 。 定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰 能力、广泛的适应能力和应用范围。这也是区别于一般微机控制系统的一个重 要特征。 应该强调的是，可编程控制器与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器在 “可编程”方面有质的区别。由于 plc 引入了微处理机及半导体存储器等新一 代电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活的修改，即用软件方式来实现 “可编程”的目的。 第 15 页 共 64 页 3.3 可编程控制器的特点 plc 虽可简单视为具有特殊体系结构的工业计算机，由于有更强的与工业 过程相联的特殊接口及特殊监控软件，有更适用于控制要求的编程语言，工作 原理与计算机也有一定差别，因此它不同于一般的工业计算机。它的主要特点： 1可靠性高、抗干扰能力强。 2通用性好，i/o 接口丰富。 3编程简单、使用方便。 4设计、安装容易，维修工作量小。 5体积小、能耗低。以西门子中型 plc s7-300 为例，cpu314 模块可以 扩展为 512 点开关量、64 路模拟量，其外形尺寸为 801251300,重 量仅为 0.53，消耗功率 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设备。 6联网方便、便于系统集成。 3.4 plc 的工作原理 plc 采用循环扫描的工作方式其扫描过程如图 3.1 所示。 这个工作过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序 输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。内部处理阶段， plc 检查 cpu 模块的硬件是否正常，复位监视定时器等。在通信操作服务阶段， plc 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等， 当 plc 处于停(stop)状态时，只进行内部处理和通信服务操作等内容。在 plc 处于运行(run)状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序 输出，一直循环扫描工作。 第 16 页 共 64 页 (1) 输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段，顺序读入所有输入端子的通断状态， 并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新。 接着进入程序执行阶段。在程序执行时，输入映象寄存器与外界隔离，即使输 入信号发生变化，其映象寄存器的内容也不发生变化，只有在下一个扫描周期 的输入处理阶段才能被读入信息。 内部处理 通信操作 输入处理 程序执行 输出处理 运行 图 3.1 plc 扫描过程 (2) 程序执行 根据 plc 梯形图程序扫描原则，按先左后右先上后下的步序，逐句扫描， 执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转 地址。从用户程序涉及到输入输出状态时，plc 从输入映象寄存器中读出上一 阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前 第 17 页 共 64 页 状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中，对每 个器件而言，器件映象寄存器中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 (3) 程序处理 程序执行完以后，将输出映象寄存器，即器件映象寄存器中的 y 寄存器的 状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路， 使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。plc 的扫描既可按固定的顺 序进行，也可按用户程序所指定的可变顺序进行。循环扫描的工作方式是 plc 的一大特点，也可以说 plc 是“串行”工作的，这和传统的继电器控制系统 “并行”工作有质的区别。plc 的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点 竞争和时序失配的问题。由于 plc 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入 发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入 处理阶段才能改变。暂存在输出映象寄存器中的输出信号，等到一个循环周期 结束，cpu 集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部 输入输出状态的改变需要一个扫描周期。换言之，输入输出的状态保持一个扫 描周期。扫描周期是 plc 一个很重要的指标，小型 plc 的扫描周期一般为十几 毫秒到几十毫秒。plc 的扫描时间取决于扫描速度和用户程序长短。毫秒级的 扫描时间对于一般工业设备通常是可以接受的，plc 的响应滞后是允许的。但 是对某些 1/o 快速响应的设备， 则应采取相应的措施。如选用高速 cpu，提高 扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施减少 滞后时间。影响 uo 滞后的主要原因有：输入滤波器的惯性；输出继电器接点 的惯性；程序执行的时间；程序设计不当的附加影响等。 3.5 plc 的组成 plc 的各组成部分的主要功能和结构（结构如图 3.2 所示）： 1中央处理器 cpu 第 18 页 共 64 页 cpu 是 plc 的核心部件，使系统的运算、控制中心。他按照 plc 系统程序 所赋予的功能，完成以下任务： 接受并控制存储从编程器键入的用户程序和数据； 诊断电源，plc 内部电路工作状态和用户程序中的语法错误； 用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据； 读取用户程序、执行各种运算、处理中断； 输出运算结果； 与外部设备或计算机通信。 plc 采用大规模或超大规模的集成电路微处理芯片（如 z80a、8086、68000 等），单片机（如 mcs-48、51 等），位片式微处理器（如 amd-2900）等作为 cpu。为了进一步提高 plc 的可靠性，现代大型 plc 还采用 双 cpu 构成冗余系统。 存储器扩展cpu编程器 电源打印机 i/o接口通讯接口智能i/o扩展接口 打印机监视器其它pc 系统总线 图 3.2 可编程控制器的系统框图 第 19 页 共 64 页 2存储器 plc 的存储器也是像微型计算机一样用来存放系统软件和应用软件，plc 存储器可以分配为系统程序存储区、系统 ram 存储区和用户程序存储区。 系统程序存储区 存放的相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序 、管理程序 、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。 系统 ram 存储区 在 plc 应用过程中，经常在变化、存取的这些数据，存储在 ram 中，以适 应随机存取的需要，这就是系统 ram 存储区。 用户程序存储区 用户程序存储区存放的是用户根据被控对象的具体要求而编写的应用程序。 3输入/输出模块 输入/输出模块部件通常也称为 i/o 单元或 i/o 模块，plc 通过各种 i/o 接 口模块接收所需被控对象的各种信息，又将处理结果输送给外部被控对象，驱 动各种执行机构，实现对被控对象的控制。i/o 单元是 plc 与外部生产过程连 接的桥梁。 4电源 plc 配有开关式稳压电源，供 plc 内部电路使用。与普通电源相比，这种 电源稳定性好，抗干扰能力强。 以上是作为一台 plc 的最基本组成部分。 5扩展接口 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使 plc 的配置更加灵活。 6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。 第 20 页 共 64 页 plc 通过这些通信接口可以与监视器、打印机、其它的 plc 或计算机相连。 7编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程器简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要 将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后，才能输入。它一般由简易键盘 和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器有称为图形编辑器，它可 以联机、也可以脱机编程，具有 lcd 或 crt 图形显示功能，可以直接输入梯形 图和通过屏幕对话。 也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的软件包，若要直接与 可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。 8plc 的外部设备 plc 的外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、eprom 写入器、高分 辨率大屏幕彩色显示器等。 3.6 可编程控制器的应用 可编程控制器是集微机技术、自动化技术、通讯技术于一体的通用工业控 制装置。随着微处理技术的发展，可编程控制器也得到了迅速发展，其技术和 产品日趋完善。它不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通 信技术和信息处理技术融为一体，使其功能更加完备。 可编程控制器在国内外己广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、 电力、轻纺等各行各业。目前，典型的 plc 功能有下面几点。 顺序控制:这是可编程控制器最广泛应用的领域，取代了传统的继电器顺 序控制，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机、组合机床、磨床、装配 生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。 过程控制:在工业生产过程中，又许多连续变化的量，如温度、压力、流 第 21 页 共 64 页 量、液位、速度、电流和电压等，称为模拟量。可编程控制器有 am 和 d/a 转 换模块，这样，可编程控制器可以作模拟量控制用于过程控制。 数据处理:一般可编程控制器都设有四则运算指令，可以很方便地对生产 过程中的数据进行处理。用 plc 可以构成监控系统，进行数据采集和处理、监 控生产过程。较高档次的可编程控制器都有位置控制模块，用于控制步进电机 或伺服电机，实现对各种机械的位置控制。 通信联网和显示打印:某些控制系统需要多台 plc 连接起来使用或者由一 台计算机与多台 plc 组成分布式控制系统。可编程控制器的通信模块可以满足 这些通信联网要求。可编程控制器还可以连接显示终端和打印机等外围设备， 从而实现显示和打印功能。 可编程控制器的更新很快:可编程控制器的技术发展特点为高速度、大容 量、系列化、模块化、多品种。可编程控制器的编程语言、编程工具多样化， 通信联网能力越来越强。可编程控制器的联网和通信分为两类:一类是可编程 控制器之间的联网通信，各制造厂商都有自己的专用联网手段;另一类是可编 程控制器之间联网通信，一般可编程控制器都有通信模块用于与计算机通信。 在网络中要有通用的通信标准，否则在一个网络中不能连接许多厂商的产品。 3.7 plc 的编程语言 plc 提供了完整的编程语言，以适应 plc 在工业环境中的使用。利用编程 语言，按照不同的控制要求编制不同的控制程序，这相当于设计和改变继电器 控制的硬接线线路，也就是所谓的“可编程序”。程序既可由编程器方便的送 入到 plc 内部的存储器中，也能方便的读出、检查与修改。 由于 plc 是专为工业控制需要而设计的，因而对于使用者来说，编程时完 全可以不考虑微处理器内部的复杂结构，不必使用各种计算机使用的语言，而 把 plc 内部看做是由许多“软继电器”等逻辑部件组成，利用 plc 提供的编程 第 22 页 共 64 页 语言来编制控制程序。 plc 提供的编程语言通常有三种：梯形图、指令表和功能图。 梯形图（lad）表达式是在继电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形 图基础上演变而来的，它与继电器控制系统原理图相呼应。plc 的梯形图与继 电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一 定区别。plc 的梯形图使用的是内部继电器、定时/计数器等，都是由软件实现 的。其主要特点是使用方便、修改灵活，这是传统的继电器控制系统梯形图的 硬件接线所无法比拟的。 指令表（stl）语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最 基础的编程语言。所谓指令表编程，使用一个或几个容易记忆的字符来代表可 编程控制器的某种操作功能。 顺序功能流程图（sfc）编程是一种较新的编程方法。它的作用是用功能 图来表达一个顺序控制过程。目前国际电工协会也正在实施发展这种新的编程 标准。 第 23 页 共 64 页 4 vd 炉 plc 控制系统的设计 4.1 plc 控制系统设计的原则及步骤 plc控制系统设计的内容一般有： 分析控制对象，明确