（测试计量技术及仪器专业论文）s7226+plc在转塔式高速智能数片机中的应用.pdf

浙江大学硕七 学位论文 摘要 随着药品生产 g m p ( g o o d m a n u f a c t u r i n g p r a c t i c s ) 标准的推广， 用于包装片 ( 丸) 剂， 胶囊类药品的全自 动包装生产线的制药设备也越来越多， 其中国 产设 备占了不小的市场份额，取得了相当大的成功但国产此类生产线中， 有一台关键 设备计数瓶装机在很大程度上拖了整条生产线技术水平的后腿: 一是计数误 差较大， 二是装瓶速度较低 ， 跟不上线上其它设备的速度， 从而在很大程度上限 制了国产设备的发展。基于上述认识，并积极搜集了国外先进同类产品的信息， 本文提出了以 可编程逻辑控制器 ( p l c ) 为 主控单 元， 触 摸屏( 即 人 机界 面 h m i ) 为操作面板的转塔式全自 动高速智能数片机设计方案。 本文从数片机的工作原理和整体结构出发， 详细分析了以p l c为主控单元 的主控系统硬件构成，硬件选择，以及电气连接。本系统采用转塔式输送结构， 转塔主轴电机由变频器连到p l c ，通过改变p l c模拟量输出口的电流量，轻松 实现装瓶速度在允许范围无级可调。 转塔上共有1 0 个计数装药口，通过相对应 的 1 0个光电传感器来启动计数头的计数工作，由计数系统里的主控单元 mc u 负责关闭进药口。 在主控单元p l c的选择上， 本文采用了s i e m e n s 公司s 7 - 2 0 0 系列中的c p u 2 2 6 ( a c / d c / r e l a y ) 。人机界面我们选用s i e m e n s 的t p 1 7 0 a , 这款触摸屏是基于mi c r o s o ft wi n d o w s c e嵌入式操作系统， 能实时共享更改并监 控s 7 - 2 2 6 的内部资源， ，与 p l c下位机共同 组成现场实时控制系统。 在系统硬件构成的基础上， 本文论述了系统软件设计过程。 其中p l c主控程 序的编写和p l c与mc u的通讯是重点是也是难点。在p l c主控程序中还要涉 及到异常情况发生的检测， 错误的排除以及废瓶的处理， 本文将对此作详细讲解。 由于整个系统涉及到光机电等各方面的知识，多人参与了设计与开发，因此 本文在对系统作总体分析的同时，重点论述了本人所参与过的工作。 关键词:数片机;p l c ; h mi ; mc l 1 ;光电计数系统:通讯. 浙 江 大学 硕 士学 位 论 文 ab s t r a c t wi th击e r a p i d . s p r e a d . 伽 g mp ( g o o d ma n u f a c t u r i n g p r a c t ic 幻 s t a n d a r d o f l e e c h d o m p r o d u c ti o n , p h a r m a c y m e c h n i c a l e q u i p m e n t s u s e d i n a u t o m a t ic p a c k in g p r o d u c t l in e f o r l e e c h d o m s u c h a s p i l l ,c a p s u l e h a v e a p p e a r e d in . th e w o r l d , ou r n a t io n a l s o h a v e g o t g r e a t s u c c e s s in th e s e e q u i m e n t s , q u i te a f e w o f w h i c h w e r e m a d e i n c h i n a bo w e v e r , a k e y d e v ic e d r a g g e d h a c k t h o s e p r o d u c t li n e e q u ip m e n t s m a d e in c h h r a :t b e f i r s t q u e s t i o n is , li s t th e e r r o r o f c o u n t is r a t h e r b i g ; t h e s e c o n d q u e s t i o n i s t h a t t h e b o t t le - f il l e d r a t e i s q u i t e lo w,w h ic h c a n n o t k e e p u p w i t h o t h e r d e v i c e s 乡 r a t e i n p r o d u c t li n eh o n c e , t h e d e v e l o p m e n t i n t h i s fi e : d h a v e b e e n r e s t r i c t e d in o u r c o u n tr y .b a s e d o n t h e t h o u g h t s a b o v e , w e t o o k g r e a t p a r t i n c o l le c t i n g a ll k in d s o f in f o r ma t i o n o f r e l a t e d d e v ic e s .i n t h e e n d ,we p u t f o r w a r d a d e s i g n s c h e me :u s e p r o g ra mma b l e l o gi c c o n t r o l ( p l c) a s k e y c o n t r o l u n i t : u s e h u ma n ma c h in e i n t e r fa c e a s m a n i p u l a ti o n p a n e l .-w e n a m e d t h i s d e v ic e a s r o t ar y a n d a u t o m a ti c h ig h s p e e d c o u n t in g - ma c 扮r e , in t h is p a g e r ,w c b e g in w it h t h e w o rk i n g p r i n s i p le a n d s y s te m i n t e g e r s t r u c t u r e .de t a i l e d e x p l a n a t io n a r e g iv e n i s h a r d w a r e c h o i c e ,h a r d wa r e c o n f g u r a t i o n . r o t a r y t r a n s p o r t a t io n s t r u c t u r e i s a d o p t e d i n t h i s s y s t e m.t h e r e a r e t e n c o u n ti n g a n d b o t t l e - fi l le d n o z z l e s , w h i c h a r e s t a r e d u p勿 r e s p e c ti v e p h o t o e l e c tr i c s e n s o r s a n d c l o s e d d o wn b y mc u in c o u n t e r s y s t e n t . we c h o o s e s 7 - 2 2 6 ( a c /d c ,ir e l a y ) w h i c h i s t h e p r o d u c t o f s i e me n s c o m p a n y a s s y s t e m k e y c o n t ro l u n i t ,a n d u s e t p 1 7 0 a a l s o ma d e b y s i e me n s a s h u ma n ma c h in e in t e r fa c e .t p 1 7 0 a is b a s e d o n m i c r o s o ft wi n d o w s c e e m b e d d e d o p e r a t in g s y s te m , w h ic h c a r r e a l t i m e s h a r e a n d c h a r g e th e s y s te m r e s o u r c e o f s 7 = 2 2 6 s y s t e m s o ft w a r e d e s i g n in t r o d u c t i o n i s f o l l o w e d in th e p a g e r .ma in c o n t r o l p r o g ra m s o f p t .c a n d t h e c o m mu n ic a t io n s b e t w e e n p l c a n d mc ua r e 也己 e m 户a s e s a n d d i f f ic u li t ie s .t h e in s p e c t o f a b n o rmi t y i n s t a n c e , t h e e l i m i n a t i o n o f mi s t a k e s a n d ti re d i s p o s a l o f i m p r o p e r b o u t 二a r e c o n c e - n e d i n p r o j e c t w h i c h a r e a i l d i s c u s s e d i n d e t a il i n t h e p a g e r . k e y w o r d s : c o u n t i n g - m a c h i n e ; p l c ; h mt ;m c u ;即s t e m o f p h o t o e le c t r i c c o u n t e r ; co mmu n i c a t i o n . 1 1 浙江大学硕_1 : 学位论义 第一章绪 论 夸 1 . 1 医药机械行业的现状和趋势 我国从8 2 年开始实施g mp规范，以后国家医药总局、卫生部于8 5 年、8 s 年、 9 2 年先后5 次以 书面形式， 即g m p 单行本发行， 要求全国 药厂在规定的时 间里，实施技术改造，达g mp 标准。可以讲g mp 规范是药厂遵循的一个原则。 g m p的 核心是保证药品 生产全过程在质控之下， 把药品生产质量事故机率降到 最低点0 位。 目前全国药厂约有6 0 0 0 余家左右，分布很广，大部分药厂集中在东北、山 东、上海、江浙、广东、深圳、贵州、四川等地区，南方沿海地区多于内地。就 技术力量、 企业管理资金等因素， 也是南方沿海地区药厂大于内地药厂。 现在是 全国药厂g mp改造的高峰， 有技术、 有资金的企业， 早在1 0 年前就g mp改造 完毕。现在留下来的大多数药厂约 9 0 %左右，不是在技术上有问题，就是在资 金上有困难。 总而言之， 现在不管你企业有什么问题与困难， 国家已明文规定在 限定时1h里达标g mp 否则自动退台， 药厂关门。目前全国药厂达g m p标准还 不到 1 0 %，也就是讲还有 9 0 %的药厂要在近几年内一定要创造条件符合 g m p 标准。 当前，制药设备质量令人担忧。比如洗灌封联动机里安瓶破碎，玻屑满池。 有资料表明，1 支安瓶折断时， 被吸入的 大于0 .5 微米以 上的 微粒可达2 万粒以 上， 按目 前的破损率计算， 如何清除这些微粒并不是个小问 题。 何况， 国内外都 有报道，安瓶 ( 西林瓶、 输液瓶) 经超声波洗涤后， 表皮疏松易碎，受药液长期 浸泡， 容易脱落微粒。 而这些现象很难用肉 眼检查， 因为眼睛所能看到的微粒至 少在5 0 微米以上，而人体微血管细的只有几微米，许多末被检测到的微粒会堵 塞血管， 造成血栓; 再如用于固体口 服制剂的粉碎、 制粒、 混合、 压片、 包衣等 设备很多还不是3 1 6 钢， 这些设备的焊接粗糙， 焊缝光洁度差， 通过与物料的摩 擦， 磨屑就会混入药物中: 至于带有传动装置的设备，由于密封不严， 造成机械 磨损和润滑油渗漏而污染药物的现象也不为少数。 总之， 由于设备材质结构不当， 所造成的药品生产差错和污染， 已到了不容忽视的地步。 如果与国外制药设备相 比， 差跟更为明显。国外普遍使用的在位清洗 ( c i p ) 、 在位灭菌 ( s i p ) ,电抛光 浙江大学硕土学位论文 等技术，我们的产品很少应用。 产生这些问 题， 有生产技术、 材料供应、 市场价格、 社会配套等多方面的原 因，但一个不可忽视的重要原因是，很多制药设备厂并不了解 g mp ，尽管他们 在产品说明上并没有忘记标上” 符合g mp 的广告语， 而g m p 对制药设备意味着 什么，如何才能符合 g m p等基本要求并不清楚;客观上由于体制原因，有关 g m p 的宣贯、 培训等活动没有向制药设备行业延伸， 造成他们在认识上的滞后。 因此，必须尽快在制药设备行业推行g mp ，使他们从思想上理解g mp的内涵、 真谛，从实践上提高制药设备的产品质量。 目 前，我国g mp认证工作仅限于药品生产企业。至于与药品生产密切相关 的其它产品， 如制药设备， 尚 不属g m p 认证之列。 面对制药设备质量参差不齐， 鱼龙混杂的现象，如何优胜劣汰， 跟上g mp 发展需要，我们必须加强对制药设 备的产品标准化、 规范化工作， 促进制药设备行业的技术进步。 最近，国 家经贸 委通知其所属的制药机械技术中心站和制药机械检测中心共同组建的 m药机械 g m p 评审委员会” ，开展对制药机械产品的设计、结构、 标准、 性能、 检测等方 面进行技术评审试点工作。由长期从事医药生产、 设计、科研、教学、管理等方 面的资深人员组成” 制药机械g m p评审委员会 ，采用第三方技术服务方式，已 开始对制药设备开展g mp 评审。 从国际g m p 动态看，今后制药专用设备、阻挡设施、自 动化、 微机处理将 作为新的内容进入 g m p ，日 本已 率先搞了“ 医疗器械 g m p 。因此就产生了把 制药设备g m p内容具体化的 议题， 这样会更有易操作性，也正是此次行业搞设 备g m p 的本意。随着g m p 意识的增强，制药厂商对设备选型更趋谨慎， 功能 全的先于功能单一的， 有创新的先于老产品， 外观简洁的先于不包装的， 他们认 为价格并不代表产品性能及质量的 优劣， 价格始终是最后考虑的， 性能不好( 耗 能、 污染等 ) 其 损失 是长时间的， 可能 远大 于对设备的 投资。怎 样的设备 才算贯 彻了g mp ， 仅靠现行g m p 还无法准确评判， 在此按照规范初步把设备g mp 定 义为: 具 有满足药物( 药品 ) 生产所需的工艺功能和卫生、 安全等配套功能， 设备 结构及其所用材料， 不窝藏、 滞留物料、 不对加工的物质形成污染、 也不对生产 以 外的环境产生污染或影响， 且易于操作、 维修、 清洗的设备。 这仅仅是归纳不 是定论， 有了 这个初步的定义就可以促进设计，把g m p要领渗透到产品的制造 浙江大学硕 士 学位论文 中去。 ; 1 . 2 本文方案的立论根据及设计任务 1 . 2 . 1 立论根据 . 国内药品生产g mp 标准的推广， 药厂g mp 认证的实施， 要求医药机械 行业的设备进行技术改造和更新。 . 全自 动包装生产线设备中，国 产设备占了不小的市场份额， 但有一台关 键设备数片机在很大程度上拖了整条生产线技术水平的后腿， 一是计数误差 较大， 而且不能有效处理不合格药品检测等问题。 二是装瓶速度较低 ， 跟不上线 上其它设备的速度，从而在很大程度上限制了国产设备的发展。 . 目 前国内用的数片机大半是变频筛动式单头或者是双头数片机，采用转 塔式输送结构， 而且装瓶速度可以在一个较宽范围内无级可调的， 还比较少， 而 国外已经用得比较广泛。 . 目 前制药机械设备存在的一个普遍问题是，人机界面不够完善， 操作人 员不能很好地通过人机界面来了解设备的运行状况。 夸 1 . 2 . 2 设计任务 基于上述认识， 并积极搜集了国外先进同类产品的信息， 本文提出了以可编 程逻辑控制器( p l c ) 为主控单元，触摸屏( 即 人机界面h m i ) 为 操作面板的 转塔式 全自 动高速智能数片机设计方案。该机将数字技术，微机工控技术，网 络技术， 现代传感技术等高科技手段有机结合，融为一体，实现了整机全自 动，智能化， 高速度， 高可靠性。 该设计方案可以实现药片 ( 丸) 等固体药物的计数工作， 并 把它装到空药瓶中去。 1 应具有转台输送结构，且转台高度在一定范围内可调，以 方便适应不同高度 的药瓶。 2 . 应具有精密光电 计数器，实现药片，丸及胶囊的高速， 精确计数，并能一定 程度上识别废料。 3 . 计数窗口污染报警功能。 4 .不合格瓶自 动排除功能。 5 定时加料功能，时间可调。 浙江大学硕 f : 学位论文 b 转盘式理片结构，保证合格药品高速通过计数器到达容器中口 7 理片转盘堵转自动排除功能及报警功能。 8 转台入口空瓶自 动对应识别功能。 9 .工作状态暂停及恢复功能。 1 0 . 应采用变频及p l c控制技术，触摸屏式友好人机界面，轻松实现装瓶速度 在允许范围内无级可调。 上述设计要点，有些是靠机械设计就能完成:有些需要添加硬件才能实现; 而有些只需要加上相应软件模块; 但有些需要多方面的配合。 由于机械设计内容 不在本文所讨论范围，因此本文重点放在硬件和软件的实现上。 1 . 2 . 3 技术参数要求 使用a c 2 2 0 v / 5 o h z 三线制 最高计数速度:t o o 瓶/ 分钟 ( t o o 粒/ 瓶) ，2 0 0 瓶/ 分钟 ( 5 0 粒/ 瓶) . 药瓶尺寸:直径:2 9 - 8 0 m m 高度:4 0 - 1 5 0 m m . 药品尺寸:最大直径:1 5 m m 最小直径:3 m m . 最大允许计数误差:千分之三瓶 外行尺寸 ( 约) :长x 宽x 高= 2 5 0 0 x l 5 o o x l 5 0 0 m m ; 1 . 2 . 4 任务分配 . 机械传动机构设计 . 光电 计数系统设计 . 以p l c为主控单元的硬件设计，电 气连接，软件设计 整台仪器涉及到光机电各方面的知识，比较复杂，本文重点介绍后面两个方面。 夸 1 . 3 系统整体设计及工作原理 图1 , 1 是转塔式自 动高速智能数片机整体结构框图。 图中标注的是数片机工 作时主要器件的大概位置。 工作转台上十个计数头与其下方的十个位置探测器一 一对应，也就是说可以有十个药瓶进入转台进行自 动装药工作。 药瓶进出方向和 转台旋转方向如图所示。 在正常工作情况下 ， 药瓶从左侧平项输送链以一定的速 浙江大学硕 1 : 学位论文 度进入到进瓶星轮 ( 进出瓶星轮和主轴转台的旋转速度是相同的) 。进瓶星轮处 装有一个光电传感器， 用于检测有无空瓶到来， 如果有空瓶通过， 经过进瓶星轮 的分瓶， 进入主转台; 如果进瓶星轮处的传感器没有收到信号， 将不会启动后续 的计数头装药工作，因此该处传感器的正常工作很重要。也就是说，星瓶轮处的 图1 . 1系统结构示意图 1 -1 0 个位置探测器 2 一进瓶星轮，出瓶星轮 3 一平项输送链 4 -废瓶通道 5 一进瓶星轮处传感器 b 一出 瓶j r . 轮处传感器 7 -旋转主轴 8 -触摸屏 ( h m i ) 9 -通道挡板 1 0 一接近开关 1 1 一行程开关 1 2 -1 0 个进药理片轮和光电计数器系统 传感器检测到有空瓶以及位置探测器检测到相应位置有空瓶， 满足了以 上这两个 条件， p l c才会立即 控制相应的光电计数系统使之开始工作( 启动上面相对应的 进药理片轮和瓶口的电磁阀) ，计数完后， 光电计数系统立即发命令关闭相应的 进药理片轮和瓶口的电 磁阀， 并停止本身的计数。 最后药瓶通过出 瓶星轮输送出 去。 如此循环， 药瓶从左侧进入， 右侧输出。 如果有不合格的瓶，则打开废瓶通 浙江大学硕_ 一 学位论文 道挡板， 通过废瓶通道传送出去。 在整个药瓶输送过程中， 系统依靠安装在进出 瓶星轮处传感器以及 i o 个位置探测器来获得药瓶的精确位置信息，从而完成相 应的控制。出口星轮处传感器还有一个很大的作用用于确定废瓶何时到达出口 处， 何时去打开通道挡板， 这给废瓶处理子程序上的设计带了极大的方便。 图中 的接近开关， 行程开关用于转台的升降。 系统工作的启动与停止，转台高度的调整，各工作参数的设定 ( 每分钟装瓶 数，每瓶装药量等)都是通过h m i 与p l c的4 8 5 串口通信以及p l c与光电计 数系统 mc u的通讯来完成。如每瓶装药量这个参数，通过人工在 h mi 上设定 相应值，由h mi 通过 p p i 协议把值传给 p l c , p l c收到后通过串口中断又把该 值发给mc u计数系统。具体的硬件与软件实现可看后面章节。 浙江大学硕 l. 学位论文 第二章 p l c 的工作原理与特点 可编 程 逻辑控 制器p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ) 是 本系统设 计的 核 心， 是系统运转的主控单元， p l c 的正确选择与使用直接关系到系统的功能和性 能， 本章介绍p l c 的工作原理和特点， 以及本系统选用的s i e m e n s 公司的s 7 - 2 2 6 p l c 的性能。 2 . t p l c 的定义 可编程序控制器 ( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员， 是为 工业控制应用而设计制造的。 早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻 辑控制。 随着技术的发展， 这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围， 因 此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称 p c 。但是为了避免与个人计算机 ( p e r s o n a l c o m p u t e r ) 的 简称混淆， 所以 将可 编 程序控制 器简称p l c . 1 9 8 7 年， 国际电 工委员 会 ( i e c ) 颁布了 新的p l c 标准及其标准定义: 可编 程序控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专为在工业环境应用而设计的。 它 采用一类可编程的存储器，用于其内 部存储程序，执行逻辑运算， 顺序控制，定 时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/ 输出控制各 种类型的 机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关外部设备， 都按易于与工业 控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计 算机。它具有丰富的输入/ 输出接口，并且具有较强的jr动能力。但可编程控制 器产品并不针对某一具体工业应用， 在实际应用时， 其硬件需根据实际需要进行 选用配置， 其软件需根据控制要求进行设计编制。 2 . 2 p l c 的结构 p l c的型号， 规格繁多，图2 . 1 仅示出了它的基本结构框图。 它主要由中央 处理单元 c p u，存储器，输入，输出等部分组成。图中，各部分之间均采用总 线连接。 1 . 中央处理单元c p u c p u是p l c的核心，由大规模或超大规模的集成电路微处理器芯片构成。 浙江大学硕士学位论文 常用的c p u有: . 通用微处理器，如z 8 0 ; . 单片机，如mc s - 5 1 系列单片机; . 位片式微处理器，如a md - 2 4 0 0 系列; c p u的主要作用是: . 接收从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中; . 用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入相应的数据寄存器中; . 执行用户程序，从程序存储器中逐条取出用户程序，经过解释程序解释后逐 条执行， 完成程序规定的逻辑和算术运算， 产生相应的控制信号去控制输出电路， 实现程序规定的各种操作; . 通过故障自 诊断程序，诊断p l c的各种运行错误。 2 .存储器 p l c的存储器用来存放程序和数据。程序分系统程序和用户程序。 1 )系统程序存储区 该存储器存放系统程序 ( 系统软件) 。系统程序是p l c研制者所编的程序， 它是决定p l c性能的关键。系统程序包括监控程序，解释程序，故障自 诊断程 序， 标准子程序库及其他各种管理程序等。 系统程序由制造厂家提供， 一般都固 化在r o m或e p r o m中， 用户不能直接存取。 系统程序用来管理， 协调p l c各 部分的工作，翻译， 解释用户程序， 进行故障诊断等。 一 一一 一 一 一 一 一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一 一 一 一 一一一 一 一 一 一 一 一一 一 一 ， 本体部分 广11.11 图 2 . 1 p l c的基本结构框图 浙江大学硕 1 : 学位论文 2 ) 用户程序存储器 该存储器存放用户程序( 应用软件) 。 用户程序是用户为解决实际问题并根据 p l c的指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经c p u存放入用户程序存 储器。为便于程序的调试， 修改， 扩充和完善，该存储器一般使用r a m，或者 e e p r o m, f l as ho 3 ) 变量 数据)存储器 变量存储器存放p l c的内部逻辑变量， 如内部继电 器， 1 / 0寄存器， 定时器 / 计数器中逻辑变量的现行值等。 上述的存储系统，可以 把用户程序存储器和变量存储器统称为应用存储器。 如图 2 .2 所示。 系统存储区 痈用存储区 图2 . 2 p l c存储系统简单 块图 3 .输入输出接口 ( 1 / 0) 输入输出接口是 c p u与工业现场装置之间的连接部件，是 p l c的重要组成 部分。 与微机的1 / 0接口工作于弱电不同， p l c的1 1 0接口是按强电要求设计的， 即其输入接口可以接收强电信号， 其输出接口 可以直接和强电设备相连接。 对于小型p l c ， 厂家通常将u o部分就装在p l c的本体部分， 而对于中， 大 型p l c 。 各厂家通常都将1 / 0部分做成可供选择， 扩充的模块组件， 用户可根据 自己的需要选择不同功能，同点数 ( 1 点相当于微机i / o口的1 位)的1 / 0组件 来组成自己的控制系统。 为便于检查， 每个 1 / 0点都接有指示灯，某点接通时，相应的指示等发光指 示。用户可以方便的检查各点的通断状态。 1 ) 输入接口 输入接口 的功能是采集现场各种开 关接点的 状态信号， 并将其转换成标准的 逻辑电平，送给c p u处理。 一般的输入信号多为开关量信号， 各种开关量输入接口的基本结构大同小异， 常有直流和交流开关量输入接口电路两种。 图2 3是一种直流开关量的输入接口 浙江大学硕士 学位论文 电路，图中所示为8 个输入点接t: 电路， 0 - 7 为8 个输入接线端子， c o m为输 入公共端，2 4 v直流电 源p l c内部专供输入接口 用的电 源， k o - k 7 为现场外接 的开关。内部电路中，发光二极管l e d为输入状态指示灯;r为限流电阻，它 为l e d和光电 祸合器件提供合适的工作电流。 以0 输入点为例说明输入电路的工作原理。 图2 .3直流开关量输入接口电路 当开关k o 合上时， 2 4 v电源经r , l e d o , v o , k o 形成回路，l e d o 发光， 指示该路接通，同时光电 祸合器的v o 发光， v t o 受光电 饱和导通， x 0 输出高 电平。k o未合上时，电路不通，l e d o 不亮，光电祸合器不导通，x 0 = 0 ，无信 号输入到c p u . 电路中光电祸合器件的作用有三: . 实现现场与p l c主机的电气隔离， 以提高抗干扰性， 因为该器件的发光二极 管v o 与光电 三极管v t o 之间是靠光线藕合传递信息的， 在电气上彼此绝缘， 一 些干扰电信号不易串入: 浙江大学a m 士学位论文 . 避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机; . 电平变换， 现场开关信号可能有各种电平， 光电祸合器将它们变成p l c主机 要求的标准逻辑电平，如图所示，当 k o未合上时， v t o 不导通，x o点为零电 平;当k o 合上时，v t o 饱和导通，忽略v t o的饱和压降，x o 点为近似 5 v的 高电平，它与外电路的输入电平无关。 交流开关量输入接口电路与直流开关量输入接口电路的主要区别是:前者要 由现场提供交流电源， 输入的交流信号经整流后得到直流， 再去驰动光电祸合器。 2 )输出接口 为适应不同的负载， 输出接口 有多种方式。 常用的有晶体管输出方式， 晶17 管输出方式和继电器输出方式。 晶体管输出方式用于直流负载; 双向晶闸管输出 方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。 图2 .4 所示电路是继电器输出接口电路。 当p l c通过输出寄存器在输出点输 出0电平时，继电器k a得电，其常开触点闭合，负载得电。一般输出可带2 a 的负载。 plc 图2 .4继电器输出 接口电 路 为了实现现场负载p l c主机的电气隔离， 提高抗干扰性，晶体管输出和晶闸 管输出方式要采用光电隔离; 继电器输出方式因继电器本身有电气隔离作用， 故 接口电路中没有设计光电藕合器。 浙江大学硕 1 = 学位论文 一些p l c还具有模拟输出接口，用于需要模拟信号驱动的负载。 4 . 编程器 编程器是 p l c中一种主要的外部设备，它是开发，维护 p l c控制系统的必 备设备 。编程器用于程序的编制，编辑，调试，检查和监视，还可以通过其键 盘去调试与显示p l c的一些内部状态和系统参数。 它通过通信端口与c p u联系， 完成人机对话连接。 现在的p l c一般都是通过在p c机上安装编程专用软件， 通 过p c 机与p l c的通讯来完成程序的 烧写， 在线调试。 夸 2 . 3 p l c 的工作原理 最初研制生产的 p l c 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装 置，但这两者的运行方式是不相同的: ( 1 )继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线 圈通电或断电， 该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭触点) 在继电器控制线路的哪个位 置上都会立即同时动作。 ( 2 ) p l c的c p u则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个 输出 线圈或逻辑线圈被接通或断开， 该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭 触点 ) 不会立即动作，必须等扫描到该触点时刁会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异， 考虑到继电器控制装置 各类触点的动作时间一般在 l o o m 。以上， 而p l c扫描用户程序的时间一般均小 于 l o o m s ，因 此， p l c采用了 一种不同 于一般微型计算机的 运行方式一扫描技 术。这样在对于 1 / o响应要求不高的场合，p l c与继电器控制装置的处理结果 上就没有什么区别了。 1 . 扫描技术 当p l c投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程 序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行 期间，p l c的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图2 . 5 所示。 .输入采样阶段 在输入采样阶段，p l c以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将 它们存入1 / o映象区中的相应单 .元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和 浙江大学硕 l : 学位论文 图2 . 5扫描周期图 输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， 1 1 0映象区中 的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此， 如果输入是脉冲信号， 则该脉冲信 号的宽度必须大于一个扫描周期， 才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 . 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段， p l c总是按由 上而下的 顺序依次地扫描用户程序( 梯 形图 ) 。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图 左边的由 各触点构成的控 制线路， 并按先左后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 r a m 存储区中对应位的状 态; 或者刷新该输出线圈在1 1 0映象区中对应位的状态; 或者确定是否要执行该 梯形图所规定的特殊功能指令。 . 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后， p l c就进入输出刷新阶段。 在此期间， c p u按照 1 / 0映象区内对应的 状态和数据刷新所有的输出 锁存电路， 再经输出电 路驱动相 应的外设。这时才是p l c的真正输出。 为了提高工作的可靠性，及时接收外来的控制命令，p l c在每次扫描期间， 除完成上述三步操作外，通常还要进行故障自 诊断，完成通讯处理要求。因此， 整个扫描过程如图2 . 6 所示。 每次扫描开始，先执行一次自 诊断程序，对各输入输出点，存储器和c p u等进 行诊断， 诊断的方法通常是测试出各部分是否工作正常， 若不一致则认为有故障。 此时， p l c立即启动关机程序， 保留 现行工作状态并关断所有输出点， 然后停机。 诊断结束后， 如没发现故障， p l c将继续往下扫描， 检查是否有编程器等的 通信请求。 如果没有则进行相应的处理， 比如， 接受编程器发来的命令， 把要显 示的状态数据，出错信息送给编程器显示等。 浙江大学硕士学位论文 图2 .6 p l c扫描过程 处理完通信后， p l c继续扫描， 输入现场信息， 顺序执行用户程序， 输出 控 制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。 p l c就这样不断反复循环，实现对机器的连续控制，直到接收到停机命令， 或因停点，出现故障等才停止工作。 2 . p l c的i ! 0响应时间 为了 增强p l c的抗干扰能力， 提高其可靠性， p l c的每个开关量输入端都采 用光电隔离等技术。 为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制， p l c采用了不同于一 般微型 计算机的运行方式 ( 扫描技术)。 以上两个主要原因， 使得p l c得i / 0响应比一般微型计算机构成的工业控制 系统慢得多， 其响应时间至少等于一个扫描周期， 一般均大于一个扫描周期甚至 更长。 所谓i / 0响应时间指从p l c的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信 号的改变所需的时间。其最短的i / 0响应时间与最长的z / 0响应时间如图2 . 7 , 浙江大学硕士 学位论文 图2 . 8 所示: % l om - t 珍 输出易 ! 新 最短1 1 0啊a 时 n2 . 7最短1 / 0响应时间 协入艰 移用户搜序伙li钧t4 取新 物入采娜 用户枚序伙行翻4别新 最长1 1 0响应时 图2 s最长1 / 0 响应时间 2 . 4 p l c 的主要功能和特点 p l c 的主要功能有:逻辑控制;定时控制; 控制;数据控制 ( p l c具有数据处理能力) 计数控制: 步进( 顺序) 控制; p i d 通信和联网: 其它的， p l c还有许 多 特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如:定位控制模块， c r t模块。 p l c的主要特点如下: l ,高可靠性 . 所有的工 / 0接口电路均采用光电隔离， 使工业现场的外电路与p l c内部电路 之间电气上隔离。 . 各输入端均采用r - c滤波器， 其滤波时间常数一般为1 0 - 2 0 m s . . 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 . 良 好的自 诊断功能，一旦电源或其他软、 硬件发生异常情况， c p u立即采用 有效措施，以防止故障扩大。 . 大型p l c还可以 采用由 双c p u构成冗余系统或有三c p u构成表决系统， 使可 靠性更进一步提高。 浙江大学硕 卜 学位论文 2 、丰富的工 / 0接口 模块 p l c针对不同的工业现场信号， 如: 交流或直流; 开关量或模拟量;电压或 电流:脉冲或电位; 强电或弱电等。有相应的i / 0模块与工业现场的器件或设 备，如:按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈: 控制阀等直 接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人一 机对话的接口模块;为了组成 工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3 、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要， 除了单元式的小型p l c以外， 绝大多数p l c均 采用模块化结构。 p l c的各个部件， 包括c p u ,电源， 工 / 0等均采用模块化设计， 由 机架及电缆将各模块连接起来， 系统的规模和功能可根据用户的需要自 行组 a 4 、 编程简单易学 p l c的编程大多采用类似于继电器控制线路的 梯形图形式，对使用者来说， 不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5 、安装简单，维修方便 p l c小需要专门的机房， 可以在各种工业环境下直接运行。 使用时只需将现场的 各种设备与p l c相应的1 / 0端相连接， 即 可投入运行。 各种模块上均有运行和故 障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 2 . 5 s 7 - 2 2 6 p l c 介绍 s 7 - 2 2 6 p l o 里有三种输出 方式可以 选择， 继电 器输出 方式，晶 体管输出 方式， 晶闸管输出 方式。 在本系统里，我们选择的是继电器输出方式的p l c . 2 . 5 . 1 s 7 - 2 2 6 的性能 s 工 m a t i c s 7 - 2 0 0系列p l c适用于各行各业各种场合中的 检测， 监测， 及控 制的自 动化。 s 7 - 2 0 0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s 7 - 2 0 0系列具有极高的性能/ 价格比。 s 7 - 2 0 0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 浙江人学硕l ? 学位论文 2 、丰首趵i o 接翻模块 p l c 针对不丽瓣工业现场信号，如：交滤或誊滚；开关量或摸羧量；穗压或 电流：脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的i o 模块与工业现场的器件或设 备，魏：按镪；亏亍箨开关；潼透开关；镑憋器及交送器；嘏磁线嚣；控裁润等壹 接逑接。另外为了提高操作性能，它还有多种人一机对话的接口模块；为了组成 工、缒局部蠲络，它还有多种通讯联网的接潮模块，等等。 3 、采用模块化结构 为了邋应各种工业控制需要，除了单元式的小烈p l c 以外，绝大多数p l c 均 采用模块化结梅ep l c 的各个部件，包括e p u ，电源，i o 簿均采用摸块化设计， 由机架及电缆将各模块连接起来，系统的舰模和功能可根搬用户的需要自行组 合。 4 、编程简单易学 p k 懿缓程大多采溺类 菹于继电器控制线路稳梯形图形式，对使雳者来说， 不鬻要具备计算机的专门知识，因此很容舄被一般工程技术人员所理解和掌握。 5 、安装简单，维修方便 p l c 不需要专门的机房，可以在各羊申工业环境下壹接运行。使用时只需将现场的 各种设备与p l c 相应的i ，0 端相连接，即可投入遥行。各种模块上均有运行和故 障拯示装爨，便予用户了解运行l 生提积查找故障。 2 5s 7 2 2 6p l c 介绍 s 7 2 2 8p l o 罩甯三种输潞方式可阻选撵，继电器输出方式，晶体管输出方式， 晶阍管输出方式。在本系统旱，我们选撵的是继嘬器输出方式的p l c 。 2 5 1s 7 2 2 6 的性能 s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 适用于各行各业备种场合中的检测，监测，及控 制的鸯动化。s 7 2 0 0 系列鲍强大功能使英无论在独立运行中，或趋连成网络， 皆能实现簸杂控制功能。阑此s 7 2 0 0 系刑具有极高的性能价格比。s 7 2 0 0 系 列毫色表现在鞋下几个方甄： 极高的可靠性 辍事富静攒令集 浙江大学硕士学位论文 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 s 7 2 0 0 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。如： 冲压机床 磨床 电梯控制e i _ 】, g l j 机械 橡胶化工机械 中央空调运动系统 s 7 2 0 0 系歹j p l c 可提供4 个不同的基本型号的8 种c p u 供您使用。$ 7 - 2 2 1 ， s 7 2 2 2 ，s 7 2 2 4 ，s 7 2 2 6 每一种又分为d c d c d c ，a c d c r e l a y 。 图2 9 是我们选用的s 7 2 2 6 ( a c d c r e l a y ) 幽2 9s 7 - 2 2 6 外形瞄 本机集成2 4 输入1 6 输出共4 0 个数字量i o 点，