毕业论文-基于TIA Portal的飞剪速度控制系统设计.docx

本科毕业设计题目：基于TIA Portal的飞剪速度控制系统设计学 院:信息科学与工程学院专 业: 自动化学 号: 学生姓名: 指导教师: 日 期: 二一六年五月摘 要飞剪机是冶金领域重要的生产设备之一。它在热连轧机、棒线材生产线等生产过程中都有应用，对生产线的连续无故障运行，轧制成品的成材率、定尺率有较大的影响。所以，飞剪机的电气控制显得尤为重要。自动化控制水平越高的飞剪系统，在生产过程中就越能获得更好的效果，更合理的利用能源资源，其获得的经济效益就越大。本文重点研究了在西门子S7-300PLC及TIA Portal软件环境下，启停式飞剪机的自动控制系统实现方法。通过检测飞剪剪刃的实际位置和目标位置的偏差，系统给出相应的速度控制指令。偏差为零时，速度输出也为零，保证飞剪的精确定位。文中主要对飞剪机的速度、定位控制方案进行了设计，完成了PLC的硬件组态、现场I/O口的配置，软件的编写。硬件组态、软件编写、人机界面设计都是在TIA Portal平台上实现的。在系统设计、调试完成后，取得的结果不错。理论应用到实际问题中需要好的实现工具。PLC对工控的重要性不必说。TIA Portal是近几年西门子开发出的全集成自动化软件。它使得完成工程项目更加高效有序。飞剪机速度控制系统的设计很能体现出它的优势。 关键词： 启停式飞剪； 定位； TIA Portal； PLCAbstractFlying shear machine is one of the important production equipment in metallurgy field.It has application in the heat even mill, wire rod production line in the production process, continuous trouble free operation of the production line, rolling product yield, length ratio has great influence.Therefore, the electrical control of flying shear is particularly important.The higher the level of automatic control system, the more the better effect can be obtained in the process of production, and the more reasonable utilization of energy resources, the greater the economic benefits.This paper focuses on the realization method of automatic control system of start and stop flying shear machine under the environment of SIEMENS S7-300PLC and TIA Portal software.By detecting the deviation of the actual position and the target position of the flying shear blade, the corresponding speed control command is given.When the deviation is zero, the output of the speed is zero, which ensures the accurate positioning of the flying shear.In this paper, the speed of flying shear machine, positioning control program was designed to complete the hardware configuration of the PLC, the configuration of the site I/O port, the preparation of the software.Hardware configuration, software programming, and human computer interface design are implemented on the TIA Portal platform.After the system design and debugging is completed, the results obtained are good.The theory is applied to practical problems. The importance of PLC to industrial control is not necessary to say. Portal TIA is a fully integrated automation software developed by SIEMENS in recent years. It makes the completion of the project more efficient and orderly. The design of the speed control system of the flying shear can show its advantage.Key words： Start stop flying shear； location； TIA Portal； PLC第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 计算机、电子信息技术的迅猛发展极大地促进了工业自动化技术的更新。工业检测仪表、电气传动装备和自动化系统技术装备都取得了重大进步和革新，从而引发了传统产业的技术进步。自动化程度的普及极大程度上推进了钢铁行业的向前发展。最近几年来，控制技术在轧钢生产线上的应用对提高我国的钢铁加工水平起了举足轻重的作用。随着现代科学技术的迅速发展，钢铁加工业棒材精轧生产系统正朝着大型化、复杂化、系统化和自动化的方向迅速发展。这些发展都对轧钢控制系统的安全可靠性提出了更高、更严格的要求。轧钢生产中有不同类型的输出产品，按照其样式各不相同分为板材、线材以及管材等。其中这些产品在高速生产加工过程中，需要对其头尾进行精加工处理，因此在这一环节上采用了剪切工艺。利用剪切工艺剪切掉产品不平整的部分，剪切工艺的精确度直接影响到生产线的工作效率。飞剪是剪切工艺的核心。它是一种用于横向剪切运动着的带钢的机械设备。飞剪能否可靠而精确的运行是轧制生产能否拥有良好控制品质的关键因素，同时也直接影响着板材的成品质量。因此，充分利用现代科技发展的成果，深入地分析与研究飞剪控制系统，对提高飞剪的剪切精度，增强产品市场竞争力具有重要的理论意义与应用价值。1.2 飞剪控制国内外现状 在轧制生产线中飞剪机的类型有：摆动式飞剪、曲柄式飞剪、回转式飞剪和曲柄回转复合式飞剪等。摆动式飞剪剪切力大，但剪切精度低，适用于轧件断面大、轧制速度低的场合。回转式飞剪剪切力比曲柄式飞剪小，剪切速度更高，适用于小断面、高速度的场合。曲柄式飞剪剪切力小于摆动式飞剪，大于回转式剪。其剪切精度高于摆动式飞剪，适用于轧制速度稍高、断面较大的场合。回转曲柄复合式综合了曲柄式和回转式的优点。低速轧制时用曲柄剪，高速轧制时用回转剪，用于产品范围很宽的成品分段剪切。飞剪的剪切控制方式有：离合器制动式和启停式两种。启停式：每剪切一次电机都要启动和停止，剪切精度高，工作可靠。离合器制动方式：传动电机连续运转，飞剪的启动和停止靠离合器的断开和接通进行控制。离合器制动方式电机可以小一些，但剪切精度差，离合器频繁地接通和断开，噪声大、易损坏、维护困难。为了保证剪机工作稳定可靠，国内生产线多采用启停式的控制方式。 目前国内已有不少的自动化研究所和设备工程公司，相继开发出自主技术的飞剪机控制系统。被用户广泛认可的有北京钢铁设计研究总院研究设计的启停式飞剪，电控设计采用GE9030 系列PLC，利用GE9030 PLC 的高速计数模块与轴定位控制模块，通过对模块参数的合理设置以及程序上的配置，理论剪切速度值可达23ms 左右，其实际剪切使用速度可达18ms，剪切精度已达到国外引进启停式飞剪水平。 国外一些著名的大企业，如西门子公司开发专用的工艺板T400，可以使用在master driver 或者dc master 系统中，作为一个选件板安装在电子箱内，通过背板总线与传动装置控制板通信，组成控制系统，它支持CFC 编程。除了支持客户自行编程，西门子还提供标准的剪切工艺软件包SPW450 飞剪控制软件。设计人员可根据现场实际需要进行参数设置，实现所需要的剪切功能。目前多家钢铁研究设计总院，通常还是通过使用可编程序控制器(PLC)及其特殊功能模块。如使用高速计数模块解决脉冲计数问题、使用轴、定位功能模块实现快速定位功能等。这充分利用了PLC 的逻辑运算、数值处理、高速计数、中断及沿触发等功能，使整个系统控制方便灵活、外围设备减少并能大大缩短现场的安装和调试周期。1.3 本文的研究内容本课题主要研究了启停式飞剪自动控制系统的原理及其实现方案，其中包括：1) 飞剪电控系统的总体设计；2) 飞剪速度控制原理设计及位置控制研究；3) 飞剪的直流调速；4) 飞剪电控系统的硬件设计；5) TIA Portal 环境下的硬件组态和软件设计。第2章 飞剪的传动系统2.1 飞剪电机速度控制飞剪机用的是直流电机作为传动装置。长期以来，需要调速的场合多以直流电机驱动，直流电动机调速技术在工业生产中得到了广泛的应用。直流电动机能够提供启动时所需要的高启动转矩，也易于实现宽范围的转速调节，而且调节平滑，动态响应快，效率比较高，控制方式灵活简便等优点。虽然它在超高速和危险等特殊环境里的应用受到一些限制，有被交流电机取代的趋势，但是在一般电气传动领域一直发挥着重要作用。2.1.1 直流电动机调速系统概述直流电动机的转速表达式为 （2.1）电动机电枢端电压电动机电枢回路电流总电阻电动机的电势常数电动机励磁磁通由上式可以看到，直流电动机调速可通过以下三种方法实现：一是弱磁升速，即保持和不变，通过减小来升高，是一种小范围无级调速方式；二是变电阻调速，即保持和不变，通过调节来调节，是一种大范围有级调速方式；三是调压调速，即保持和不变，通过调节来调节，是一种大范围无级调速方式。励磁控制法来控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差；对于要求大范围平滑调速的直流电气传动系统来说，调压调速方式最好，并且现代工业企业的低压供电系统多数采用交流供电，通过可控变流装置即可提供可调的直流电压，所以直流调压调速方法应用最广泛，是直流调速系统的主导调速方法。调压调速需要专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种:旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器和脉宽调制变换器。 上面的三种方法都有各自的优缺点。在这里介绍一下直流脉宽调制变换器来调压调速。全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。这里只介绍不可逆PWM变换器-直流电动机系统。直流电动机电枢两端的平均电压为，其中是电枢平均电压，是恒定电压，是占空比。通过控制占空比就能控制电枢平均电压，从而达到控制直流电机速度的目的。2.1.2 直流电机转速控制的要求和调速指标在一般意义上，对调速系统转速控制要求大致有以下三个方面。1) 调速：在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速。2）稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下(如负载变化、电源电压波动等)，不允许有较大的转速波动，以确保产品质量。3）加速和减速：频繁起、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率；不易经受剧烈变化的机械则要求起、制动尽量平稳。能否满足以上几个方面的要求反映了调速性能的好坏，可以用调速性能指标来定量衡量。对于前两点的要求，是系统在稳态运行时的性能要求。对于第3）点的要求则是系统在动态调节过程中的要求。所以可以定义稳态性能指标及动态性能指标两大类指标，以此作为设计系统时的依据和用户选用系统时的要求。调速系统稳态性能指标1）调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速围 用字母表示 （2.2）其中和一般都指电机额定负载时的转速，对于少数轻载的机械，也可以用实际负载时的转速。 2）静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比，称为静差率，即（2.3）显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化的情况下转速的稳定度，并且调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提高时才有实际意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满足静差率要求下的转速可调范围。系统的静差率应该是最低速的静差率，即 （2.4） 最低转速为（2.5）将（2.5）带入（2.2）得（2.6）调速系统动态性能指标1）上升时间在典型阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间。2） 超调量输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比，即（2.7）3） 调节时间响应曲线到达并不再超出允许误差带所需要的最短时间。2.2 直流电机数学模型图2.1 他励直流电机在额定励磁下的等效电路他励直流电机在额定励磁下的等效电路如上图，其中电枢回路总电阻和电感包含电力电子变换器内阻、电枢电阻和电感及可能在主回路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图。假定主电路电流连续，动态电压方程为（2.8）忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为（2.9）式中 包括电动机空载转矩在内的负载转矩； 电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为（2.10）（2.11）代入式（2.8）和（2.9）整理后的（2.12）（2.13）在零初始条件下，取等式两侧的拉普拉斯变换，得到电压与电流的传递函数为（2.14）电流与电动势间的传递函数(2.15)有上式可以得出额定励磁下直流电动机的动态图及其变换。 图2.2 额定励磁下直流电动机的动态图及其变换图综上所述，直流电动机是一个二阶线性环节。二阶线性环节有自己的特性，所以在设计控制器时更有针对性。第3章 飞剪的位置和速度控制原理3.1 飞剪的运动过程 为了能很好的控制飞剪，我们首先要知道它的运动过程。 图3.1 飞剪运动过程 图3.2 飞剪机的剪刃在最高点处时称为上死点，即停车位置；剪刃在最低位置时称为下死点，即剪切位置，如图3.1所示。飞剪的运动过程分为加速、匀速、减速三个阶段，如下所述。1）加速区：剪刃在A点时为飞剪机原始停车位置，也就是启动的开始点。从A到B是加速区，飞剪以恒定的加速度加速运动，到B点时速度达到剪切的要求。2）匀速区：剪刃运动到B点时，剪刃进入匀速运行阶段，准备剪切。C点是下死点，剪刃到C点时剪切钢材。之后，飞剪匀速一段距离到D点。B点经过C点再到D点，飞剪匀速。为了保证剪切时有一点拉力和避免堆钢，要求飞剪速度稍大于钢材速度1.021.03倍。3）减速区：剪刃到D点时飞剪以恒定的减加速度开始减速。飞剪一直减速到A点停止，为下一次剪切做准备。3.2 飞剪启动与停止算法飞剪主要应用在切头、切尾和定尺剪切这两个方面。下面分别介绍飞剪的这两种应用的计算方法。3.2.1 飞剪的切头计算图3.3 飞剪切头、切尾钢材从上游以速度V向飞剪机匀速运行。当钢材运行到热金属检测器HMD处时，HMD接通，脉冲计数器开始计数。钢材继续向前运行。当计数值增加到设定值时，钢材正好在STAR处，此时启动飞剪。钢材和飞剪都在运行。钢材头部经过C点并向前走过CH长（即为L2）的距离后，飞剪运动到C点剪切钢材。计算如下。说明：CH钢材切头长度CT钢材切尾长度V钢材匀速运行速度Vm飞剪匀速运行速度a飞剪加速度S1飞剪加速运行的路程t1飞剪加速运行的时间S2飞剪匀速运行的路程t2飞剪匀速运行的时间T钢材从START过C点再向前走CH（L2）的时间对于飞剪，从开始启动到剪切这一过程加速（3.1）（3.2）（3.3）匀速（3.4）对钢材，从START过C点再向前走CH（3.5）其中，（3.6）（3.7）（3.8）所以（3.9）从图3.3可知，L1是可测的，它是HMD到飞剪轴的距离。V已知，Vm=KV（K=1.021.03，是一个常数）。S1、S2、a都是可以预先设定的。等式（3.9）中只有S和CH未知。综上可知，切头CH只和S有关。S大小由计数脉冲的设定值决定。换就话说，控制HMD和START之间的计数脉冲设定值可以控制切头长度CH，即飞剪启动的时间是关键点。所以，根据厂家对切头的要求，我们根据式（3.9）确定S的值，进而得出脉冲计数设定值。3.2.2 飞剪的定尺计算由于启停式飞剪是在钢材高速运动过程中进行剪切的，而且在运行过程可以在线改变剪切的长度。同时为了保证剪切的质量和精度，从机械角度上要求飞剪剪切时的瞬时速度应与行走中的钢材速度同步。因此若改变定尺剪切长度或钢材行走速度，必须改变飞剪剪刃的启动点和加速区速度基准，才能实现不同长度、不同速度下的定尺。这样就必须研究飞剪剪切的启动点、加速区和减速区的速度基准值都与哪些因素有关系，关系又是怎样。所以建立飞剪的三个数学模型：飞剪启动点的计算、飞剪加速时速度基准值算法、飞剪减速时速度基准值算法。1） 飞剪启动点的计算图3.4 飞剪定尺剪切从上图可知，剪切的启动点与钢材的剪切长度L、钢材己通过的长度X、钢材的运行速度V、飞剪加速方式等均有关系。说明：L钢材剪切长度X钢材当前通过的长度Y0剪刃圆周运动轨迹的周长Y飞剪剪刃当前的位置（从剪切点C开始计算）V钢材的运行速度t1飞剪剪刃从停止点A起动加速到点B所用时间，在这一过程中走过的路程为S1，加速度为at2从点B到剪切点C所用时间，在这一过程中走过的路程为S2t钢材从剪刃起动到被剪断所用时间于是有如下关系（3.10）（3.11）（3.12）（3.13）得出（3.14）由飞剪和钢材运动关系得（3.15）将式（3.11）、（3.12）、（3.14）带入式（3.15）中得（3.16）当钢材通过剪切点C的长度X和剪刃的位置S1满足时，剪刃开始加速启动。由上述公式可知飞剪剪刃启动点的计算是从上一张钢材被剪断开始。在飞剪启动之前，公式的唯一变量是钢材走过的长度X。而在正常剪切时钢材运行的速度固定不变，剪切长度不变，因此启动点仅仅是的一次函数关系。2） 飞剪加速时速度基准值算法V0飞剪当前速度给定t0飞剪启动后从当前位置运行到B点用的时间钢材的剩余长度（3.16）剪刃的最终速度（3.17）（3.18）由上面三个等式得出（3.19）又有，所以剪刃在加速度区的速度基准值为（3.20）由推导出的加速区飞剪速度基准值计算公式知，在加速区内，V0的给定计算中涉及了两个变量，即钢材走过的长度X和飞剪剪刃当前位置Y。虽然在建立加速区速度基准值数学模型时，假设的是剪刃从静止状态以恒定加速度a加速到同步速度V。在速度基准值计算过程中，始终把钢材和剪刃的当前位置考虑进去，即考虑到了钢材与剪刃实际位移与理想位移之间的位置偏差。在速度控制算法中叠加进了位置信号，它不仅仅是一个简单的速度控制算法，实际上是一个对钢材速度、钢材与剪刃位置双重跟踪的算法。3) 飞剪减速时速度基准值算法剪刃在加速区加速到与钢材同步速度，并保持同步速度直至剪切完成，在匀速区钢材与剪刃通过的距离始终相等。离开剪切点后，剪刃由匀速速度减速到零，并停止在初始位置A。剪刃从剪切点C运动到停止位置A走过的路程为Z，所用时间为t3，减速区的加速度为a1，剪刃在减速区内任一位置的速度基准值为V1。（3.21）剪刃速度由V减速到0有（3.22）（3.23）由上式可推出剪刃在减速区任意位置速度基准值V1为（3.24） 减速区速度基准值计算公式中，V1是在速度控制的基础上叠加剪刃位置偏差。3.3 飞剪控制系统本节主要论述飞剪的控制系统的设计，包括理论计算和控制方法。3.3.1 飞剪定位过程理论分析图3.5 定位过程设位置偏差为S，位置的初始偏差为S0；电机的最大速度为Vm；受最大允许动态转矩限制的最大允许加速度和最大允许减速度都为am。从图中可看出，为了尽快的消除位置偏差，电机以最大加速度am启动。于是有如下关系。加速阶段（3.25）位置偏差（3.26）达到Vm的时间（3.27）此时的位置偏差为（3.28）电机在t2出以最大加速度减速（3.29）（3.30）（3.31）于是可得减速过程的位置偏差为（3.32）3.3.2 飞剪控制系统飞剪系统最重要的就是位置和速度的控制。飞剪在不同的位置区间段都有对应的速度。飞剪控制系统由位置环、速度环组成，如图3.6。飞剪系统的控制器设计是工作的核心。利用PID控制算法来设计控制器。飞剪系统其实是一个计算机闭环控制系统。典型的计算机控制系统如图3.7所示。下面对PID在计算机控制中的利用做简单介绍，飞剪控制就是这种方法的应用。图3.6 飞剪控制系统框图 图3.7 计算机控制系统基本框图PID控制器（亦称为PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。其特点是原理简单、易于实现、适用面广等。我们不是简单地将模拟PID 算法数字化而是利用计算机的逻辑判断和运算功能，使PID 控制更加灵活，以满足各种生产过程的要求。PID控制原理如图3.8。图3.8 PID控制原理PID 由比例环节（P）、积分环节（I）、微分环节（D）组成。比例环节数学模型（3.33）当增大系统中的比例系数Kp时，则系统可以快速反应并且调节，能使系统反应时间最短。但是随着Kp的慢慢增加到一定临界值时，会造成系统越来越不稳定，超调增大，并且继续增大的时候，系统输出会发散。如果一个系统只存在有比例控制，则该系统会存在静态误差。积分环节数学模型（3.34）系统在进入稳态以后，为了消除系统的稳态误差，因为引入了积分环节。积分环节能消除静差。不过积分作用需要一定的时间才会明显，所以对于系统响应来说，积分调节是有滞后性的。微分环节数学模型（3.35） 微分对偏差的任何变化都产生控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化。偏差变化越快，控制量就越大，反馈校正量就越大。故微分作用的加入将有助于减少超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分作用可以加快系统的动作速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 PID控制器输出和输入的关系（3.36）传递函数为（3.37）为了便于计算机实现PID算法，我们必须将式（3.36）改写为离散（采样）式，则可以将积分运算利用部分和代替，微分运算用差分方程表示。（3.38）（3.39） 其中，T为采样周期，k（k=0、1、2.）为采样周期的序号,e(k-1)和e（k）分别为第k-1和第k个采样周期时的偏差。于是可得式（3.36）对应的差分方程（3.40） 上式为位置型算法，其中u（k）为第k个采样时刻的控制量。如果采样周期T与被控对象时间常数比较相对较小，那么这种近似是合理的，并与连续控制的效果接近。根据式（3.40）我们不难得到第k-1个采样周期时刻的控制量u（k-1），即（3.41） 将式（3.40）减去式（3.41）得第个k采样时刻控制量的增量（3.42）上式为增量型算法。第k个采样时刻实际控制量为（3.43）为了编程方便，将式（3.42）改写为（3.44）其中， 增量型仅仅是算法设计上的改进，它并没有改变位置型算法的本质。即它仍然反映执行机构的位置开度。如果我们希望输出控制量的增量，则必须采用具有保持位置功能的执行机构。例如：采用步进电机作为执行机构，可以将输出变换成驱动脉冲，驱动步进电机从历史位置正转或反转若干的角度，这相当于式（3.43）的功能。这种控制方式在系统出现故障或系统切换时，引起的冲击较小，对系统执行机构的磨损小。 第4章 基于TIA Portal和S7-300的飞剪实现飞剪系统是一个计算机控制系统。在本文中，它的可编程处理器用的是西门S7-300PLC。PLC是控制系统的“头脑”，接受给定信号和反馈产生误差，并利用误差经过控制算法发出控制信号使飞剪电机按照预定的方式运行。TIA Portal软件是PLC硬件组态、软件编程和程序仿真的平台。这一软件由西门子公司近几年才开发出来，它比以往PLC相关软件功能更强、界面更友好、实用性很好。本章先对TIA Portal和PLC做简单介绍，再具体说明在飞剪控制系统中的的应用。4.1 TIA Portal软件概述 TIA是Totally Integrated Automation的简称，即全集成自动化。Portal翻译为入口，开始的地方。TIA Portal意思就是全集成自动化的入口，又称为“博途”，是西门子重新定义自动化的概念、平台以及标准的自动化工具平台，TIA portal分为两部分：Step7 与 WinCC。这套体系，是一款注重用户体验的工业工程工具，其体系也在不断完善与扩充，未来会在一个平台上完成从过程控制到离散控制，从驱动到自动化以及HMI、SCADA等和工业控制相关的所有工具。到现在为止最高版本支持西门子最新的硬件 SIMATIC S7-1500系列PLC。4.2 西门子S7-300PLC的简单介绍4.2.1 PLC的产生和发展1969-70年代，作为PLC的萌芽时期， PLC主要是作为继电器控制装置的替代产品，执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。这一时期的PLC功能简单、容量小，可靠性较继电器控制装置有一定提高。70年代末期，随着微处理器技术、计算机技术的快速发展，在原有的逻辑运算、计时、计数等功能基础上，增加了算术运算、数据处理、传送、通讯、自诊断以及模拟量运算、PID等功能。PLC的功能大大增强。 随着大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展，高性能微处理器在PLC中大量使用，PLC在模拟量控制、数字运算、人机接口和网络等方面都得到大幅度提高。这一阶段的PLC逐渐进入过程控制领域，在某些方面取代了过程控制领域处于统治地位的DCS系统，奠定了在工业控制中不可动摇的地位。20世纪末期，集成电路技术和微处理器技术、计算机技术和网络通信技术的迅速发展继续迅猛发展，多处理器的使用，使得PLC开发出各种各样的智能模块，生产了各种人机界面单元、通信单元，实现PLC远程通信等，PLC技术得到更加广泛的使用。PLC经过多年的发展，在美国、欧洲、日本等工业发达国家已成重要产业。当前，在国际市场上PLC是最受欢迎的工业控制产品，用PLC设计自动化控制系统已成为世界潮流。PLC总的发展趋势是向微型化、智能化、网络化、开放性和软PLC反向发展。4.2.2 PLC的硬件组成和工作原理PLC主要由CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出（I/O）接口电路、电源、外部设备通信接口、输入/输出（I/O）扩展接口、编程器等部分组成。PLC硬件组成如图4.1所示。1） CPU：CPU是PLC的核心部分，很大程度上决定了PLC的整体性能，通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连接。2） 存储器：存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。存储器主要分为两种：一种是系统存储器，用于存放系统程序，用户不能更改，使用只读存储器EPROM；另一种是用户存储器，用于存储用户程序和工作数据。3） I/O接口电路：I/O模块是PLC与工业现场之间的连接部件，是数据进出PLC的通道。4） 电源：电源负责给PLC提供能源，PLC一般采用高质量、高稳定性、抗干扰能力强的直流开关稳压电源。5） 外部通信设备：通信接口主要为实现“人机”或“机机”对话，通信接口一般都带有通信处理器。6） I/O扩展接口：I/O扩展接口主要用于连接扩展单元。7） 编程器：编程器主要用于编程、调试、检查、修改程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统参数等。图4.1 PLC硬件组成PLC的系统工作采用“循环扫描”的工作方式。PLC在运行时，其内部要进行一系列操作，大致包括6个方面的内容，即初始化处理、系统自诊断、通信与外设服务（含中断服务）、采样输入信号、执行用户程序输出刷新。PLC工作流程如图4.2所示。图4.2 PLC 工作流程4.2.3 S7-300PLC概述S7-300PLC采用模块化结构，各种模块能以不同的方式组合在一起，模块式PLC由机架和模块组成。S7-