（电气工程专业论文）蓝资“凝石”生产线的计算机控制系统设计.pdf

东北大学工程硕士学位论文 摘要 蓝资“凝石”生产线计算机控制系统的设计 摘要 随着工业自动化水平的迅速提高及计算机在工业领域的广泛应用，人们对工 业自动化的要求越来越高。种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的工业控制系统已无法满足用户的各种需求。 本文是从工程应用的角度出发，侧重于介绍计算机控制系统的应用技术。全 文可以分为两大部分。第一部分主要介绍了可编程控制系统的设计，第二部分主 要介绍了监控系统的设计。 在第一部分当中，通过对本工程的部分施工图设计的介绍( 包括电机控制原 理图，输入输出模块接线图，可编程控制柜布置图等) ，以及所应用类型的可编程 控制器的特点、系统配置的介绍，详细地阐述了可编程控制器的硬件设计过程； 在这一部分当中，还通过对本工程的程序控制系统的功能，以及部分控制模块的 源程序的介绍，详细地阐述了可编程控制器的软件设计过程。 在第二部分当中，通过对本工程监控软件的特点、功能、构成的介绍，详细 地阐述了如何使用组态软件设计用户程序。 关键词计算机控制系统设计可编程控制器监控系统 n 东北大学工程硕士学位论文a b s t r a c t a d e s i g nf o rt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o f t h el a n d s n i c e s “n i n g s h i ”p r o d u c tl i n e a b s t r a c t w i t ht h eg r e a ti m p r o v e m e n to ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o n sl e v e la n dt h e e x t e n s i v ea p p f i c a f i o no ft h ec o m p n t c ri nt h ei n d u s t r i a lf i e l d s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e i n d u s t r i a la u t o m a t i o ni sr e q u e s t o dh i g h e ra n dh i g h e r m o r ea n dm o r ed e s i g n a t i o na n d c o n t r o ld e v i c e sa l ea p p l i e di nt h ei n d u s t r i a lf i e i d , t h u st h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e mc a n ts a t i s f yt h eu s e r s m u l t i f a r i o u sr e q u e s t s t h i st h e s i ss t a r t sf r o mt h eo n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n de m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo i l i n t r o d u c i n gt h ea p p l i e dt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h ew h o l et h e s i si s c o m p o s e do ft w op a r t s ：t h ef i s tp a r ti n t r o d u c e st h es y s t e md e s i g no ft h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r , t h es e c o n dp a r ti n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ew a t c h i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 1 nt h ef i r s tp a r t , t h ed e s i g no ft h ep a r t i a ld r a w i n gf o rt h ee n g i n e e r i n g ( i n c l u d i n gt h e d r a w i n go fe l e c t r i c i t yc o n t r o lp r i n c i p l e ，i om o d u l ed i a g r a m ，t h el a yd r a w i n go f p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e re t c ) i si n t r o d u c e d a n dt h ec h a r a c t e ro ft h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r , s y s t e mc o n f i g u r a t i o ni si n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nt h ed e s i g n i n gp r o c e s so f t h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ri sg i v e n i nt h i sp a r t ，t h ef u n c t i o no ft h ep r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r , a n dt h ep r o g r a mo fs e v e r a lc o n t r o lm o d u l e sa r cp r e s e n t e d w ei m p l e m e n t e d t h es o f td e s i g np r o c e s so ft h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e rp a r t l y i nt h es e c o n dp a r t ，t h ec h a r a c t e r , t h ec o n s t i t u t i o na n dt h ep r i m a r yf u n c t i o no ft h e w a t c h i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ea r en a r r a t e d ，e m p h a t i c a l l ya n a l y s i n gh o wt ou s et h e g r o u p w a r et od e s i g nt h eu s e r sp r o g r a m k e yw o r d sd e s i g no fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , s y s t e mo f w a t c h i n ga n d c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砀。咏 日期：固矿形、。t ) 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字目期： 东北大学工程硕士学位论文第一章；i 言 第一章引言 1 1 项目概况 1 1 1 项目背景 “凝石”技术由蓝资公司原创人2 0 0 2 年底申请国家发明专利，2 0 0 3 年初“凝 石”技术被列为国家8 6 3 科技攻关项目，它采用全新的科学理念，工艺简单、方 便。截然不同于传统水泥的生产工艺。2 0 0 4 年初“凝石”技术通过了河北省科委 组织的技术鉴定。“凝石”技术是蓝资科技有限公司创新性技术。 “凝石”技术就是以工业废渣为原料，采用简单的处理工艺，生产商附加值 的产品，不仅可以用作为传统水泥的替代品，更重要的是，在资源可持续性开采 方面，具有传统水泥无法替代的绝对优势。由通化市东昌区积极支持，蓝资科技 有限公司和通化钢铁有限公司共同合股建成蓝资科技有限公司并提出该项目的建 设，并委托我院进行整体设计其中包括“凝石”生产线计算机控制系统设计。 1 1 2 工艺流程 该生产系统阴体、阳体两种主要原料均采用管磨机开路、千法一次粉磨出半 成品的粉磨系统，然后再经过问歇式气力均化系统合成产品，经包装和散装出厂 销售。 “凝石”材料生产工艺流程( 简化图) 如图1 1 所示： 匣卜囹兰 封闭皮 图1 1 “凝石”生产线工艺流程图( 简化图) f i g 1 1 “n i n g s h i ”p r o d u c t1 i n ef l o wc h a r t ( p r e d i g e s tc h a r t ) 。1 生产线上采用p l c 集中控制方式，进行设各的起停、联锁控制，配合微机显 示画面，监视生产线上的所有设施。 电气设备控制方式有中央控制室集中控制和机旁控制两种方式。集中控制又 分为手动和自动控制两种方式。电气设备按工艺流程分成多个顺序组，每个顺序 组起动前发起动预警信号，然后每个顺序组按预定起动顺序起动，当电机运行中 发生故障时，顺序组中电机按预定顺序联锁停车，并发出故障报警信号且能记录 报警历史数据。中控室操作站能显示运行工况和报警信息并能打印报表，操作人 员通过c r t 监视运行工况。 1 一主要研究内容 本论文辘是基于计算机控制系统技术的应用，详细阐述了蓝资凝石生产线计 算机控制系统设计的具体实施方案，并结合可编程控制器搜术及监控组态软件的 应用技术，总结了计算机控制系统设计详细过程、思路及经验。 主要研究内容； 第一章简要的介绍了本项目的背景、工艺流程及计算机控锖i 系统的功能要 求，并就本论文的内容结构进行了简要的说明。 第二章介绍了可编程控制器系统的设计过程、q u a n t u m 系列可编程控制器的 特点、编程软件c o n c e p t 2 6 的功能和系统配置及用户的稳序控制系统的设计与实 现。 第三章介绍了组态软件的特点、流行的组态软件、组态软件的构成、组态 软件i f i x 3 5 的主要功能以及用组态软件i f i x 3 5 设计的用户程守。 软件i f i x 3 5 的主要功能以及用组态软件i f i x 3 5 设计的用户程序。 2 东北大学工程硕士荦位论文 第二章可编程控制器系统设计 第二章可编程控制器系统设计 2 1q u a n t u m 系列可编程控制器 2 1 1q u a n t u m 系列控制器的特点 q u a n t u m 系统是具有数字处理能力的专用计算机系统。q u a n t u m 系统具有模块 化、可扩展的体系结构，用于工业和制造过程实时控制。它包括q u a n t u m 系列u 、 i 0 模块( 以及采用远程的t 0 的8 0 0 系列) 、i o 接口、通信模板、电源和底板。 下图为典型的q u a n t u m 系统的组成框图如图2 。1 所示 图2 1 典型的q u a n t t m 系统的组成框图 f i g 2 1t y p i c a lq u a n t u ms y s t e mf r a m ec h a r t 2 1 2q u a n t u m 系列的电源 q u a n t u m 系列有独立电源，、可累加电源和冗余电源。可累加电源采用负载共 享技术，即两个4 a 电源模块可用于8 a 负载的系统供电。本地、远程、分布式背 板都可实现电源冗余。所谓电源冗余，即1 2 5 v 直流电源模块和l l s v “2 3 0 v 交流电 源模块同时给负载供电，交流电来自电网电源；赢流电来自蓄电池。 2 1 3q u a n t u m 系列i 0 模块 3 东北大学工程硕士学位论文第二章可编程控制器系统设计 背板有2 、3 、4 、6 、1 0 、1 6 槽，所有模块具有热更换功能( 带电插拔) ；任何 模块可在任意槽位，软件编址与槽位无关；使用电子模块i d ，用户配置必须与模 块一致。i 0 面板指示模块的工作状态：出错、保险断、i 0 点指示。 2 1 4o u a n t u m 系列i 0 扩展 ( 1 ) 本地i 0 ( l i o ) 本地i 0 和c p u 模块、电源模块安装在一个底板上，一个底板最多有1 4 个i 0 模块，可扩展6 4 字入和6 4 字出。 ( 2 ) 远程i 0 ( s 9 0 8r 1 0 ) 远程i 0 扩展允许热备系统无扰切换；速度1 。5 4 4 m ；i 0 编址3 1 个子站；6 4 字入和6 4 字出：使用线性的同轴电缆配置可达4 5 k m ( 加中继器) ；使用光缆达 1 3 k i n ；可设计成单缆双缆拓扑结构。 ( 3 ) 分布式i o ( d i o ) 分布式i 0 通过m o d b u sp l u s 增强系统的灵活性；3 个d i o 控制器接口可扩展 1 8 9 个子站，每子站3 0 字输入和3 2 字输出。双绞线通信距离1 5 k m ( 2 n 中继器) ： 光缆通信距离1 2 k m ；可设计成单缆双缆结构：m b + 速率1 m ；d i o 与r i o 混合使用 可达2 2 0 个分站。 图2 2 三种连接方式( l i o 、r i o 、d i o ) f i g 2 2 t y p i c a lq u a n t u ms y s t e mf r a m e c h a r t 4 查些苎鲎兰墨塑主量堡垒查 苎至主! 苎壁塑墨墨垫堡盐 2 1 5q u a n t u m 系列工业控制网络 m o d i c o nt s x q u a n t u m 自动化系统可以组成如下工业控制网络：m o d b u s ：m o d b u s p l u s ；t c p i pm o d b u s ；e t h e r n e t 删s ：i n t e r b u s s ；l o n w o r k s ：p r o f i b u s ：s e r c o s ： m o d c o n n e c t ；第三方伙伴网络。 图2 3 为q u a n t u m 系列工业控制网络示意图。 图2 3q u a n t u m 系列工业控制网络 f i g 2 3q u a n t u ms y s t e mi n d u s t r yc o n t r o ln e t w o r k 2 2 可编程控制器系统设计过程 2 2 1 可编程控制器系统设计的基本原则 2 2 1 1 控制系统设计原则 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象( 生产设备或生产过程) 的工艺 要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计p l c 控制系统时，应遵循以下 基本原则： ( 1 ) 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场迸行调查研 究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电 5 东北大学工程硕士学位论文 第二章可蝙程控制器系统设计 气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。 ( 2 ) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方 便。 ( 3 ) 保证控制系统的安全、可靠。 ( 4 ) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择p l c 容量时，应适当留有裕量。 2 2 1 2 控制系统设计的基本内容 p l c 控制系统是由p l c 与用户输入、输出设备连接而成的，因此，p l c 控制系 统设计的基本内容应包括： ( 1 ) 选择用户输入设备( 按钮、操作开关、限位开关、传感器等) 、输出设备( 继 电器、接触器、信号灯等执行元件) 以及由输出设备驱动的控制对象( 电动机、电 磁阀等) 。 ( 2 ) p l c 的选择。p l c 是p l c 控制系统的核心部件，正确选择p l c 对于保证整 个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择p l c ，应包括机型的选择、 容量的选择、i 0 模块的选择、电源模块的选择等。 ( 3 ) 分配i o 点，绘制i o 连接图。 ( 4 ) 设计控制程序。包括设计梯形图、语句表( 即程序清单) 和控制系统流程 图。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作安全、可靠的关键。 因此，控制程序的设计必须经过反复调试、修改，壹到满足要求为止。 ( 5 ) 必要时还霈要设计控制台( 框) 。 ( 6 ) 编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表等。 传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置圈及电器安装图。也包括p l c 的 i o 连接图。 此外，在p l c 控制系统中的电气图中还应包括程序图( 梯形图) ，可便于用户 在发展生产或改进工艺时修改程序，并有利于用户维修分析和排除故簿。 2 2 1 3 控制系统设计的一般步骤 ( 1 ) 根据生产的工艺过程分柝控制要求。如需要完成的动作( 动作顺序、动作 条件、必需的保护和联锁等) 、操作方式( 手动、自动，连续、单周期、单步等) 。 ( 2 ) 根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定p l c 的i o 点 数。 6 。 东北大学工程硕士学位论文 第二章可蝙程控制器系统设计 ( 3 ) 选择p l c 系统。 ( 4 ) 分配p l c 的i 0 点，设计i o 连接图。 ( 5 ) 进行p l c 程序设计，同时可进行控制台( 柜) 的设计和现场施工。 在设计继电器控制系统时，必须在控制线路( 接线程序) 设计完成后，才能进 行控制台( 柜) 的设计和现场施工。可见，采用p l c 控制，可以使整个工程的周期 缩短。 2 2 1 4 程序设计的步骤 ( 1 ) 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作 的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。 ( 2 ) 设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计 好梯形圈，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 ( 3 ) 根据梯彤图编制程序清单。 ( 4 ) 用编程器将程序输入到p l c 的用户存储器中，弗检查输入的程序是否正 确。 ( 5 ) 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 ( 6 ) 待控制台( 柜) 及现场施工完成后，就可以进行联机调试。若未满足要求， 再重新修改程序或检查接线，直到满足要求为止。 ( 7 ) 编写技术文件。 ( 8 ) 交付使用。 2 2 2 可编程控制器标准模块的选择 随着p l c 的推广普及，p l c 产品的种类和数量越来越多，而且功能也e t 趋完善。 近年来，从美国、日本、德国等国引进的p l c 产品，已有几个系列，几十种型号。 p l c 的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不 同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择p l c ，对于提高p l c 控制系统的技术经 济指标起着重要作用。p l c 的选择应包括机型的选择、容量的选择、i o 模块的选 择、电源模块的选择等几个方面。 2 2 2 1 机型的选择 机型的选择基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方 便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几个方面： 7 东北大学工程硕士学位论文 第二章可编程控制器系统设计 ( 1 ) 结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好( 维修量较小) 的场合，选用整体式结 构p l c ，其他情况则选用模块式结构p l c 。 ( 2 ) 功能、规模相当 对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的低档机就能满足 要求。 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的工程项目，可选用带a d ，d a 转换、加减运算、数据传送功能的低档机。 对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现p i d 运算、 闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中 尚档机主要用于大规模过程控制、全p l c 的分布式控制系统以及接个工厂的自动 化等。 ( 3 ) 机型统一 一个大型企业、应尽量做到机型统一。因为同一机型的p l c ，其模块可互换， 便于备品、备件的采购和管理：其功能及编程的方法统一，有利于技术力薰的培训、 技术水平的提高和功能的开发：其外部设备通用。资源可共享，配以上位计算机后， 可把控制各独立系统的多台p l c 联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中 管理。 ( 4 ) 是否在线编程 p l c 的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重 新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。 p l c 的编程分为离线编程和在线编程两种。 离线编程的p l c 的特点是主机和编程器凝用一个c p u ，在编程器上有一个“编 程运行”选择开关或按键，选择编程状态时，c p u 将失去对现场的控制，只为编 程器服务，这时所谓的“离线”编程。程序编好后，如选择运行状态，c p u 则去执 行程序而失去对现场的控制。这时，c p u 对编程指令将不作出响应。由于此类p l c 的编程器和主机共用一个c p u ，因此节省了大量的硬件和软件，编程器的价格也比 较便宜。中、小型p l c 多采用离线编程。 在线编程的p l c 的特点是主机和编程器各有一个c p u ，编程器的c p u 可以随时 处理由键盘输入的各种编程指令。主机的c p u 则是完成对现场的控制，并在一个 8 。 东北大学工程硕士学位论文 第二章可鳊程控制器系统设计 扫描周期的末尾和编程器通信，编程器把编好或改好的程序发送给主机，在下一 个扫描周期主机将按照新送入的程序控制现场，这就是所谓的“在线”编程。此 类p l c ，由于增j j , - r 硬件和软件，所以价格高，但应用领域较宽。大型p l c 多采用 在线编程。 是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设 备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的p l c ，反之，可考虑选用在线编程的 p l c 。 2 2 2 2 容纛的选择 p l c 的容量包括用户存储器的存储容量( 字数) 和i o 点数两方面的含义。 p l c 容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的余量以作备用。 通常，一条逻辑指令占存储器一个字，计时、计数、移位以及算术运算、数 据传送等指令占存储器两个字。 在选择存储容量时，一般可按实际需要的2 5 蜡虑裕量。 i o 点数也应留有适当裕量。但是，目前p l c 的i 0 点的价格还较高，平均每 点为1 0 0 1 2 0 元人民币。如果备用的i o 点的数量太多，就会使成本增加，因此， 通常i o 点数可按实际需要的1 0 9 6 1 5 考虑裕量。 2 2 2 3 指令系统的选择 由于可编程控制器应用的广泛性，各种机型所具备的指令系统也就不完全相 同。从工程应用角度看，有些场合仅需要逻辑运算，有些场合需要复杂的算术运 算。而且一些特殊场合还需要专用指令功能。从可编程序控制器本身来看，各个 厂家的指令差异较大，但从整体上来说，指令系统都是蕊囱工程技术人员的语言， 其差异主要袭现在指令的表达方式和指令的完整性上。有些厂家在控制指令方面 开发得较全，有些厂家在数字运算指令方殛开发得较全，而大多数厂家在逻辑指 令方面都开发得较完善。在选择机型时，从指令系统方面注意下述内容： ( 1 ) 指令系统的总语句数。这一点反映整个指令所包括的全部功能。 ( 2 ) 指令系统的种类。主要应包括逻辑指令、运算指令和控制指令，具体的 需求则与实际要完成的控制功能有关。 ( 3 ) 指令系统的表达方式。包括梯形图、控制流程图、语句表、顺控图、高 级语言等多种表达方式。 9 东北大学工程硕士学位论文 第二章可缟程控制器系统设计 ( 4 ) 应用软件的程序结构。程序结构有模块化的程序结构和子程序式的程序 结构，前一种有利于应用软件编写和调试，但处理速度慢；后种响应速度快， 但不利于编写和现场调试。 ( 5 ) 软件开发手段。在考虑指令系统这一性能时，还要考虑到软件的开发手 段。有的厂家在此基础上还开发了专用软件，可利用通用的微型机作为开发手段， 这样就更加方便了用户的需要。 2 2 2 4i 0 模块的选择 不同的i o 模块，由于其电路和性能的不同，直接影响p l c 的应用范围和价 格，应根据实际情况合理选择。 ( 1 ) 输入模块的选择 输入模块的作用是接收现场的输入信号，并将输入的高电平信号转换为p l c 内部的低电平信号。输入模块的种类，按电压分类有点流5 v 、1 2 v 、2 4 v 、4 8 v 、 6 0 v ，交流l l s v 、2 2 0 v 。按电路形式不同分为汇点输入式和分隔输入式两种。 ( 2 ) 选择输入模块时应注意： 电压的选择。应根据现场设备与模块之间的距离来考虑。一般5 v 、1 2 v 、 2 4 v 属低电压，其传输距离不宜太远。如5 v 模块最远不得超过l o m ，距离较远的设 备应选用较高电压的模块。 同时接通的点数。高密度的输入模块( 3 2 点，6 4 点) 同时接通的点数取决于 输入电压和环境温度，一般来讲，同时接通豹点数不要超过输入点数的6 0 。 门槛电平。 为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。门槛电平越高，抗 干扰能力越强，传输踞离也就越远。 ( 2 ) 输出模块的选择 输出模块的作用是将p l c 的输出信号传递给外部负载，并将p l c 内部的低电 平信号转换为外部所需电平的输出信号。输出模块按输出方式不同分为继电器输 出、晶体管输出及双向可控硅输出三种。此外，输出电压和输出电流也各不相同。 选择输出模块时应注意： 输出方式的选择。继电器输出价格便宜，适用电压范围较宽，导通压降小。 但是它是原有触点元件，其动作速度较慢、寿命较短，因此适用于不频繁逯新的 负载。当驱动感性负载时其最大通断频率不得超过i h z 。 1 0 东北犬学工程硕士学位论文 第二章可编程控制嚣系统设计 对于频繁通断的低功率因数的电感负载，应采用无触点开关元件，即选用晶 体管输出( 直流输出) 或双向可控硅输出( 交流输出) 。 输出电流。输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。模块输出电 流的规格很多，应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。 同时接通的点数。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公拭端所 允许通过的电流值。例如一个2 2 0 v 2 a 的8 点输出模块，每个点当然可以通过2 a 的电流，但输出公共端允许通过的电流不可能是2 a x 8 - - - - 1 6 a ，通常要比这个值小 得多。因此在选择输出模块时还应考虑同时接通的点数。一般来讲，同时接通的 点数不要超过输出点数的6 0 。 2 2 2 5 电源模块的选择 电源模块的选择很简单，只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须 大于c p u 模块、i o 模块、专用模块等消耗电流的总和，并留有一定的裕量。在选 择电源模块时一般应考虑以下几点： ( 1 ) 电源模块的输入电压 电源模块可以包括各种各样盼输入电压，有2 2 0 v 交流、1 l o v 交流和2 4 v 直流 等。在实际应用中要根据具体情况选择，确定了输入电压后，也就确定了系统供 电电源的输出电压。 ( 2 ) 电源模块的输出功率 在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于c p u 模块、所有i o 模块、各 种智能模块等总的消耗功率之和，并且要留有3 0 左右韵裕量。当同一电源模块 既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路 压降必须小于0 2 5 v 。 ( 3 ) 扩展单元中的电源模块 在有的系统中，由于扩展单元中安装有智能模块及一些特殊模块，就要求在 扩展单元中安装相应的电源模块。这时相应的电源模块输出功率可按各自的供电 范围计算。 ( 4 ) 电源模块接线 选定了电源模块后，还要确定电源模块的接线端子和连线方式，以便正确进 行系统供电的设计。一般的电源模块的输入电压时通过接线端予与供电电压相连 的，而输出信号通过总线插座与可编程控制器c p u 的总线相连。 1 1 东北大学工程硕士学位论文 第二章可编程控制器系统设计 ( 5 ) 系统的接地 电源模块的接地线选择不小于1 0 m m 2 的铜导线，并与交流稳压器、u p s 不间断 电源、隔离变压器等及系统的接地之连线尽可能短；系统的地线也要和机壳相连。 2 2 2 6 使用环境条侔 在选择p l c 时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般要考虑 的有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。 2 2 3 可编程控制器系统类型 一般来说，由p l c 构成的单机控制系统可分为四种类型：单机控制系统、集 中控制系统、分布式控制系统和远程i o 控制系统。 2 2 3 1 单机控制系统 这种系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流水线，如注塑机、机床、 矿山皮带运输机、简单生产流水线等，其控制是用一台p l c 来实现被控对象的控 制的。典型的单机控制系统对p l c 的输入输出点数要求较少，对存储器的容量要 求较小，控制系统的构成简单明了。此种系统在选用p l c 时，不宜将功能和i o 点数、存储器容量选得过大，以免造成浪费。虽然这类系统一般不需要与其他控 制器或计算机进行通信，但设计者还应考虑将来是否有通信联网的需要，如果有 的话，则应选择具有通信功能的p l c ，以备以后系统功能的增加。 2 2 3 2 集中控制系统 这种系统的被控对象通常是由数台机器或数条流水线构成，该系统是用台 p l c 控制多台被控设备。每个被控对象与p l c 的指定i o 相连接。由于采用台 p l c 控制，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另设专门的通信线路。 该控制系统多用于控制对象所处的地理位薰比较接近，且相互之间豹动作有一定 联系的场合。如果各控制对性之阊的地理位置比较远，而且太多数的输入、输出 线都要引入控制器，这时需要的电缆线、施工量和系统成本增加，这种情况下， 建议使用远程i o 控制系统。虽然集中控制系统比单机控制系统经济，但是当菜 一控制对象的控制程序需要改变或p l c 出现故障时，必须停止整个系统工作，这 时集中控制系统豹最大缺点。因此，对于大型的集中控制系统，可以采用冗余系 统克服上述缺点。采用此种系统时，必须注意将i o 点数和存储器容量选择大一 些，以便增加控制对象。 1 2 东北大学工程硕士学位论文第二章可缡程控制嚣系统设计 2 2 4 2 半自动运行方式 这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的菜些步骤需要人工干预才 能进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善，需要人工判断或某些设备不具 备自控条件，需要人工干预的场合。 2 2 4 3 手动运行方式 手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，丽是用于设备调试、系统调整 和特殊情况下的运行方式，它是自动运行方式的辅助方式。所谓特殊情况是指系 统在故障情况下运行，从这个意义上讲，手动方式又是自动运行方式或半自动运 行方式中的任意一种。 由于p l c 本身的可靠性很高，如果控制系统设计合理、可靠性设计措旌有效， 应用控制系统可以成为自动或半自动运行方式中的任意一种，调试用的程序亦可 进入p l c 。 与系统运行方式的设计相对应，还必须考虑停运方式的设计。p l c 的停运方式 有正常停运、暂时停运和紧急停运三种。正常停运由p l c 的程序执行，当系统的 运行步骤执行完毕且不需要重新启动执行程序时，或p l c 接牧到操作人员停运指 令后，p l c 按规定的停运步骤停止系统运行。暂时停运用于程序控制方式时暂停执 行当前程序，使所有输出都设置成o f f 状态，待暂停解除时将继续执行被暂停的 程序。另外也可用暂停开关直接切断负荷电源，同时将此信息传给p l c ，以停止执 行程序，或者把c p u 的r u n 切换成s t o p ，以实现系统的暂停运行。紧急停运方式 是在系统运行过程中设备出现异常情况或故障时，若不中断系统运行，将导致重 大事故或有可能损坏设备，此时必须使用紧急停运按钮使整个系统立即停运。它 是既没有联锁条件也没有延迟时间的停运方式，紧急停运时，所有设备都必须停 运，且程序控制被解除，控制内容复位到赈始状态。 2 2 5 施工设计 在确定控制控制系统的任务p l c 选型后，接着进行控制系统流程设计，画出 控制系统流程图，进一步说明各信息流程之间的关系，然后具体安排输入、输出 的配置，并对输入、输出编号。此后软硬件的设计工作就可同时进行。 软件的设计也就是程序的设计。由于p l c 所有的控制功能都是以程序的形式 来体现的，大量的工作时间将用在程序设计上。在程序设计的同时，可进行硬件 1 4 东北大学工程硕士学位论文第二章可编程控制器系统设计 2 2 3 3 分布式控制系统 这类系统的被控对象比较多，它们分布在一个较大区域内，相互之闽的距离 较远，而且备被控对象之闻要求经常地交换数据和信息。这种系统的控制由若干 各相互之间具有通信联网功能的p l c 构成，系统的上位机可以采用p l c ，也可以采 用计算机。 在分布式控制系统中，每一台p l c 控制一个被控对象，各控制器之间可以通 过信号传递进行内部联锁、响应或发令等，或由上位机通过数据总线进行通信。 分布式控制系统多用于多台机械生产线的控制，各生产线闻有数据连接。由于各 控制对象都有自己的p l c ，当某一台p l c 停运时，不需要停运其他的p l c 。当此系 统与集中控制系统具有相同的i o 点时，虽然多用了一台或几台p l c ，导致系统总 体价格偏高，但从维护、试运转或增设控制对象等方面看，其灵活性要大得多。 2 2 3 4 远程i 0 控制系统 远程i o 控制系统实际上是集中式控制系统的特殊情况。远程i o 系统就是 i o 模块不与p l c 放在一起，而是远距离地放在被控设备附近。 远程i 0 通道与p l c 之闻通过同轴电缆传递信息。由于不同厂家的不同型号 的p l c 所能驱动的同辘电缆长度不同，因此必须按照控栽系统的需要选用。有时 某种型号的p l c 虽能满足功能要求，但仅由于能驱动同轴电缆长度的限制而不得 不改用其他型号的p l c 。 远程i 0 控制系统适用于被控带4 对象远离集中控制室的场合。一个控制系统 需要设置多少个远程i o 通道，要视被控对象的分数程度和距离丽定，同对应受 所选p l c 能驱动i o 通道数的限制。 2 2 4 可编程控制器的运行方式 用p l c 构成的控制系统有三种运行方式，卸自动、半自动和手动方式。 2 2 4 1 自动运行方式 自动运行方式是控锚系统的主要运行方式。这种运行方式的主要特点是：在 系统工作过程中，系统按给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预， 如煤矿的主井提升设备的控制系统。系统韵启动可由p l c 本身的启动系统进行， 也可由p l c 发动启动预告，由操作人员确认并按下窟动响应按钮后，p l c 自动启动 系统。 1 3 东北大学工程硕士学位论文 第二章可墒程控制器系统设计 配备工作，如强电设备的安装，控制柜的制作，p l c 的安装，输入、输出线的连接 可以同时进行。对于单机单控系统，p l c 一般和强电系统一起安装在机旁控制柜中； 对于大中型系统，配置可包括操作控制台、监控模拟屏、p l c 主机柜、系统专用电 源这几部分。 2 2 6 总装调试 在施工设计完成以后，就要进入总装调试，对p l c 外部接线作仔细检查。这 时可用自行编写的试验检查程序对外围设备做扫描通电检查，这样查找故障既快 又准。硬件检查完毕后，将已初步调好的程序再送入p l c 的用户存储器，进行总 调试。可采用分段程序测试的方法，直到各部分的功能都正常，并能协调地贯通 成一个完整的整体控制为止。如不符合要求，则可对硬件和程序做调整，通常疑 需修改程序即可达到调整的目的。 全部调试好后，通常将程序固化在有长久记忆功能的只读存储器e p r o m 中， 即可交付用户。 2 3q u a n t u m 编程软件c o n c e p t 2 6 2 3 1 c o n c e p t 简介 c o n c e p t 是施耐德公司p l c 编程软件，符合i e c l l 3 1 3 编程语言标准并支持5 种i e c 标准语言：梯形图( l d ) 、顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本 ( s t ) 、指令表( i l ) ，还支持l l 9 8 4 梯形图语言。 每种语言针对特定的用途都有一定的特点。顺序功能图提供了总的结构并与 状态定位处理或机器控制应用相互协调。功能块图提供了一个有效的开发环境并 特别适用于过程控制应用。c o n c e p t 包含一个处理过程控制的功能块扩展库。梯形 图不仅对离散控制和互锁逻辑是极佳的，而且还具有把功能块图指令载入梯形图 内的能力。结构化文本是一种类似于b a s i c 或p a s c a l 的语言，对复杂算法及数据 处理是最好的解决办法。指令表为优化编码性能提供一个环境，与汇编码非常相 似。 c o n c e p t 为编程者提供生成派生功能块或d f b ( 导出功能块) 标准库的功能，并 可在c o n c e p t 应用程序中反复调用。这些d f b 可以被写入梯形图、功能模块图、 结构化文本或指令表中。标准应用编码的模块化和复用性使c o n c e p t 成为高效的 编程环境。如果一些特定算法或标准控制逻辑需要改变，例如电机器启动电路， 1 5 东北大学工程硕士学位论文 第二章可编程控制器系统设计 编程者只需要修改次，而无需考虑在其程序种要调用多少次。 对多数算法和应用需求而言，c o n c e p t 也支持基本功能块( e f b ) 的生成，或在 c 语言种生成e f b 。一旦生成并编译，与d f b 相似，e f b 可在c o n c e p t 应用程序中 调用多次。 c o n c e p t 还具有离线仿真功能，使它在同类产品中脱颖而出。目前的最高版本 是c o n c e p t 2 6 。 2 3 2c o n c e p t 结构和功熊 采用c o n c e p t 进行编程是以项目、p l c 配置、程序和区段分级完成的。 ( 1 ) 程序结构 程序由描述整个系统功能方式的一个或多个区段组成。在程序中规定了执行 区段的顺序，另外，还包含由正在使用的变量、常数、文字和直接地址。数据类 型可以使用变量、常数和字符。 程序执行顺序 首先执行l l 9 8 4 区段l l 9 8 4 区段的顺序可用p r o j e c t c o n f i g u r a t i o n c o n f i g u r e - * s e g m e n ts c h e d u l e r 来定义。紧接l l 9 8 4 区段的处理过程之后是处 理i e c 区段( f b d 、s f c 、l d 、i l 、s t ) ，它们的执行顺序可由对话p r o j e c t e x e c t u t i o n o r d e r 来设定。 变量 变量用于在区段中闻、区段之间以及在程序和p l c 之间进行数据交换，变量 用菜单命令p r o j e c t - - v a r i a b l ed e c l a r a t i o n s ( f 8 功能键) 进行说明。如果该功能 用于赋值至变量的地址，则被称之为定位变量；如果变量不赋值地址，则被称之 为非定位变量；如果变量赋值导出数据类型( d e r v e dd a t at y p e ) ，贝被称之为多 元素变量( m u l t i - e l e m e n tv a r i a b l e ) 。另外，还有常数和字符型变量。 常数 常数是非定位变量，它的值不能通过程序逻辑进行改变( 只读) 。 字符( 值) 字符( 1 i t e r a l ) 用于直接将值写入f f b s ( 功能和功能块) 的输入、转换条件等， 这些值不能被程序逻辑进行重写( 只读) 。在对话框c o n n e c te f b 中，该字符值可 以联机进行改变。 直接地址 1 6 东北大学工程硕士学位论文第二章可编程控制器系统设计 直接地址是p l c 的存储区域，它们位于s t a t er a m 并可赋值输入输出模块。 直接地址值可参考数据编辑器进行联机改变。 ( 2 ) 区段 程序是由一个或更多的区段组成。区段描述系统中某个技术单元( 例如电机) 的功能方式，区段可用i e c 编程语言f b d 和s f c 等进行编程。在一个区段之中， 只可采用一种编程语言。 在c o n c e p t 下，每个区段都有自己的文件窗口。但是，为了更便于观察，建 议将很大的区段划分成若干较小的区段，使用滚动条在区段中移动。 在区段中，值是通过连接、变量或直接地址进行交换的：在区段问，值是通 过变量或直接地址进行交换的。 对每个i e c 区段( f b d 、s f c 、l d