中药自动化配药设备控制系统设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321毕 业 设 计题目：中药自动化配药设备控制系统设计姓 名： 学 号： 学 院： 机电学院 专 业： 机械工程及自动化 指 导 教 师： 陈瑞阳 协助指导教师： 2012年 5月 20日摘 要（摘要应当高度概括毕业设计课题的主要内容，解决问题的方案、特点和观点，以及取得的主要成果和结论，应能够反映整篇毕业设计（论文）的精华。中文摘要在300字以内，并翻译成相应的英文摘要，英文摘要在250个词以内为宜。）（关键词与摘要正文之间空一行）关键词：XXXXX XXXXXX XXXXXXX（针对毕业设计的内容，每篇论文应选用3-5个关键词。每个关键词的字数应在10个汉字以内。）Abstract（Key Words与Abstract正文之间空一行）Key word： Water cycle Sensor Programmable logic contrllor Closed-loop control目 录摘 要IAbstractII引 言（宋体小三加粗居中段前段后1行）11 XXXXXXXXX（宋体小三加粗段前段后1行）21.1 XXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）21.1.1 XXXXXXXXX（宋体小四加粗段前段后0.5行）21.2 XXXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）21.3 XXXXXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）31.4 XXXXXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）32 XXXXXXXXX（宋体小三加粗段前段后1行）42.1 XXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）42.1.1 XXXXXXXXX（宋体小四加粗段前段后0.5行）42.1.2 XXXXXXXXXXXXXX（宋体小四加粗段前段后0.5行）42.2 XXXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）42.3 XXXXXXXXXX（宋体四号加粗段前段后0.5行）4结 论10致 谢11注 释12参考文献13附 录15III北京联合大学 毕业设计引 言1.课题研究的背景和意义：我国中医药文化源远流长，中药以其全天然、副作用小等优点深受大家的喜欢和重视。传统的中药房呈现在人们的面前的是一幅非常陈旧的画面：占大半个药房的庞大药柜、古朴的微型杆秤、药剂师忙碌的身影 。这种沿用传统的配药方式在当今高效率的社会越来越突显示不足：存药、抓药容易出错，秤称的方式剂量不准确，费时费力，放在抽屉里的中药很容易虫蛀、霉变而失去药性，同时病人取药回家后，还需要长时间的开水煎熬。这些缺点使得传统的中药逐渐为服用方便快捷的西药所取代。许多人也许在想：要是能将中药的诸多优点和西药的取药、服用快捷方便结合起来就好了。这便是该设计这台中药智能配药系统的初衷。70年代末曾风行全国的所谓“电子配药机”，到80年代中期基本在中药房消失了。原因是对“电子配药机”所用的原始生药实现定量和输送都极为困难，而且由于科技含量低，上层药都加料人员与下层操作人员无法进行信息沟通，机器经常出现“空放”现象。某集团近期推出了一种新型的中药自动配药系统，其核心思想是把单位中药的浓缩侵膏颗粒进行小袋封装，存放在分层的药柜中；取药机构根据处方抓取小袋中药，最后集中成整贴中药。这种配药方式虽然简便易行，基本实现中药配药的自动化，但是也存在一些缺陷。其一就是包装机定量封装的小袋中药不能实现精确定量，所造成的误差对于高效的浓缩中药颗粒来说，很可能是不允许的。其二就是成药中药组合的重量有限，无法满足对中药用量十分讲究的中医学理论的要求。为适应中药现代化的要求，配合国家正在大力发展和推广的中药配方颗粒以及市场对中药房现代化的需要，设计一套集管理、控制于一体的现代化的中药智能配方系统迫在眉睫。2.应用说明机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛，尤其是在危险场合，在严重威胁人们安全和健康的环境下，采用机械手代替人，具有十分重要的意义。应用PLC控制机械手实现各种规定的工序动作，可以简化控制线路，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。节省成本，提高劳动生产率。各种类型机械手是自动化生产中必不可少的重要设备。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：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。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，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设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：在控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。随着全球经济一体化进程的加快, 市场竞争导致其价格有进一步下调的空间, 为各行业上广泛采用此种控制系统提供了有利条件。3.本次设计的任务和目的本课题研究的对象是关于中药自动化配药设备控制系统的设计。这套系统是根据中医院配药流程，应用可编程控制器和人机接口设备，实现对中医院对配药流程的自动化控制。在本次课题研究中，首先需要进行市场调研，获取相关方面的信息，其次要根据获取的信息确定工艺流程并制定出控制方案。在确定项目的控制方案后，根据实际要求，绘制电气控制原理图，组态PLC硬件系统，编写PLC控制程序以及设计HMI上位监控系统，完成整个配药控制系统的设计。另外，通过对此课题的学习研究，还可以培养自己独立解决实际问题的能力，为以后的学习打下基础。1 中药自动化配药设备控制系统本设计是利用PLC控制系统对中药自动化取药机械手进行控制。如图1.1一台中药传送的取药机械手的动作示意图，其作用是将中药按照给定要求配制，并且从点传递到点。取药机械手的升降和左右移行作分别由两个具有双线圈的两位电磁阀驱动气缸来完成，其中上升与下降对应电磁阀的线圈分别为YV1与YV2，左行、右行对应电磁阀的线圈分别为YV3与YV4。一旦电磁阀线圈通电，就一直保持现有的动作，直到相对的另一线圈通电为止。取药机械手的夹紧、松开的动作由只有一个线圈的两位电磁阀驱动的气缸完成，线圈(YV5)断电夹住中药，线圈(YV5)通电，松开中药，以防止停电时的中药跌落。机械手的工作臂都设有上、下限位和左、右限位的位置开关SQ1、SQ2和SQ3、SQ4，夹持装置不带限位开关，它是通过一定的延时来表示其夹持动作的完成。机械手在最上面、最左边且除松开的电磁线圈(YV5)通电外其它线圈全部断电的状态为机械手的原位。1.1 总体设计方案1在考察了当前市场前景、现有的研究状况的情况下，设计了一套中药智能配方系统的解决方案。方案分为软件和硬件两个方面。软件方面主要实现了对整个机器的控制界面和后台数据库。硬件方面主要实现了PLC对抓取药及行走装置进行控制。2设计了PLC对行走取药各电机和机械手的控制程序。通过运行PLC控制程序实现从生成量杯、机械手根据药方到储药柜中逐味取药、机械手将装满药的量杯送回封包机封装、最后出成品给患者的全过程。 3.设计了上位控制面板和下位PLC的通信程序，实现了将上位控制机中的药方信息提取、转换并实时输送到下位PLC中。图1 总体方案设计框图利用西门子S7-300PLC完成系统整体的逻辑控制功能，通过接收限位开关，重力传感器和控制面板的输入信号来编程并控制取药电机、开关机械夹、取药机械手、条形阅读器以及各个控制指示灯的运行。HMI由组态软件WinCC，对现场设备运行状况进行模拟的实时监控。1.2 中药自动化配药设备的结构1.2.1 中药自动化配药设备的动作要求取药机械手的取药及放开动作均由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。通过识别条形码，正确的选择所需要的药物。另外，通过取药机械手上的压力传感器，获得所需抓取药物的量。根据通过控制伺服电机，控制整个中药自动化配药设备的行走。其中，上升下降和左移右移分别由双线圈两位电磁阀控制。例如，当下降电磁阀通电时，取药机械手下降；当下降电磁阀断电时，取药机械手下降停止。只有当上升电磁阀通电时，取药机械手才上升；当上升电磁阀断电时，取药机械手上升停止。同样，左移右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。取药机械手的放松夹紧由一个单线圈两位置电磁阀(称为夹紧电磁阀)控制。当该线圈通电时，取药机械手夹紧，该线圈断电时，取药机械手放松。首先，控制系统控制伺服电机，要求其行走至条形代码前，通过客户要求的药物，自动识别条形代码，以确定伺服电机行走圈数，正确走位。走到配药柜前，机械手拉开配药柜。具体动作流程为：下降电磁阀通电，机械手下降。下降到手把处时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通右移电磁阀，取药机械手右移。右移到柜打开要求位时，右移电磁阀断电，右移停止。接下来上升电磁阀通电，抓取机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止。同时接通左移电磁阀，取药机械手左移回位。左移到原始位置要求位时，左移电磁阀断电，左移停止。抓取药物时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通抓取电磁阀，机械手抓取。抓取后，上升电磁阀通电，抓取机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。此时光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止，此时抓取电磁阀断电，抓取机械手打开，抓取药物放于设备装备的配药量杯中。如此反复，抓取配制要求药物。当取药机械手到位并准备下降时，为了确保安全，必须在取药柜设置允许下降高度。也就是说，若药柜中无药物或者药物不足时，机械手应自动停止继续下降。图1-1抓取动作过程图抓取完成药物后，行走电机行走至封包机封装。封装完成后，抓取打包后的药物，送给客户手中。具体动作流程为：下降电磁阀通电，机械手下降。下降到打包药物处，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通抓取电磁阀，机械手抓取。抓取后，上升电磁阀通电，抓取机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止；行走电机伺服控制，行走至客户处，客户拿药物时，抓取电磁阀断电，抓取机械手打开。完成全部过程。1.3 中药自动化配药设备的组成中药自动化配药设备主要由伺服行走小车、手臂回转装置、手臂上升系统、抓取装置、取药器皿等部件组成（如图1-2）。1-伺服行走小车 2-手臂回转装置 3-手臂升降汽缸 4-抓取汽缸 5-软管 6-缓冲器7-指状手指 8-取药器皿图1-2 中药自动配药装置结构图1.4 自动控制系统的基本组成及操作方式1.4.1 自动控制系统的基本组成尽管控制系统由不同的元件组成，系统的功能也不一样，但它们都是采用了反馈原理。相同的工作原理决定了它们必然具有相同的结构。一般来说，一个闭环控制系统可由以下基本元件组成：1.测量元件：对系统输出量进行测量的元件；2.比较元件：对系统输出量与输入量进行加减运算，给出偏差信号，起信号的综合作用；3.放大元件：对微弱的偏差信号进行放大，输出足够功率和要求的物理量；4.执行机构：根据放大后的偏差信号，对被控对象执行控制，使被控制量趋于希望值；5.被控对象：自动控制系统所控制的机器、设备或生产过程；6.校正装置：用于改善系统性能的元件。一个典型的自控制系统的基本组成，如图1-4所示，图中，用方块表示系统的基本元件和被控对象；用箭头表示信号的传输方向，这是由元件的物理特性所决定的；“-”号表示输入信号与反馈信号相减，即负反馈。图1-3 典型的自动控制系统方框图信号从输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通路；系统输出量经由测量装置反馈到输入端的传输通路称为主反馈通路；前向通路与主反馈通路一起构成主回路。此外，还有局部反馈通路以及由它组成的内回路。只有一个反馈通路的系统称为单回路系统，有两个以上反馈通路的系统，称为回路系统。通常，控制系统有两种外作用，即有用信号和扰动，系统的有用输入信号决定系统被控制量变化规律；而扰动是系统所不希望的外作用，它破坏有用信号对系统输出量的控制。在实际系统中，扰动通常是不可避免的，它可以用于系统中的任何部位。电源电压的波动，环境温度的变化，飞行中气流的扰动以及负载的变化等，都是现实中存在的扰动。通常我们所说的系统输入信号，一般是指有用信号。1.4.2 操作方式手动操作方式：用单个按钮的点动接通或切断各负载的模式；回原位方式：按“回原位”使机械手自动复归原位的模式。自动操作方式包括单步工作方式和单周期工作方式。单步工作方式：每次按启动按钮，机械手前进一个工序。单周期工作方式：在原点位置上，每次按启动按钮时，机械手进行一次循环的自动运行并在原位停止。连续运行工作方式：在原点位置上，只要按启动按钮时，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。若按停止按钮，则继续动作至原位后停止。2 控制系统的设计2.1 药物的智能跟踪、寻找通过控制伺服电机，控制中药自动化装置的准确行走。到达指定位置，从而完成抓取。2.2 条码技术2.2.1 条码技术的概述条码技术最早产生在风声鹤唳的二十世纪二十年代，诞生于Westinghouse的实验室里。一名叫John Kermode性格古怪的发明家“异想天开”地想对邮政单据实现自动分检，那时候对电子技术应用方面的每一个设想都使人感到非常新奇。他的想法是在信封上做条码标记，条码中的信息室收信人的地址，就像今天的邮政编码。为此Kermode发明了最早的条码标识，设计方案非常的简单（这种方法称为模块比较法），即一个“条”表示“1”，二个“条”表示数字“2”，以此类推。然后，他又发明了由基本的元件组成的条码识读设备：一个扫描器（能够发射光并接收反射光）、一个测定反射信号条和空地方法（即边缘定位线圈）、使用测定结果的方法（即译码器）。到1970年lterface Mechanisms公司开发“二维码”之后，才有了价格适于销售的二维矩阵条码的打印和识读设备。那时二维矩阵条码用于报社排版过程的自动化。二维矩阵条码印在纸带上，由今天的一维CCD扫描器扫描识读。CCD发出的光照在纸带上，每个光电池对准纸带的不同区域。每个光电池根据纸带上印刷条码与否输出不同图案，组合产生一个高密度信息图案。用这种方法可在相同大小的空间打印上一个单一得字符，作为早期Kermode码之中的一个单一的条。定时信息也包括在内，所以整个过程是合理的。条码技术是在计算机的应用实践中产生和发展起来的一种自动识别技术。它是为实现对信息的自动扫描而设计的，是一种实现快速、准确而可靠的采集数据的有效手段。条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的“瓶颈”问题，为现代物流及供应链管理提供了有效地技术支持。条码技术包括条码的编码技术、条码标识符号的设计、快速识别技术和计算机管理技术，是实现计算机管理和电子数据交换不可少的前端采集技术。条码标识简称条码，是一组黑白相间、粗细不同的条状符号组成，条码隐含着数字信息、字母信息、标志信息、符号信息，主要用以表示商品的名字、产地、价格、种类等，是全世界通用的商品代码的表示方法。条码是一组黑白相间的条纹，这种条纹由若干个黑白的“条”和白色的“空”的单元所组成，其中，黑色条对光的反射率底而白色的空对白色的反射率高，再加上条与空地宽度不同，就能使扫描光线产生不同的反射接收效果，在光电转换设备上转换不同的电脉冲，形成了可以传输的电子信息。由于光的运动速度极快，所以，可以准确无误地对运动中的商品条码予以识别。2.2.2 条码技术的特点在信息输入技术中，采用的自动识别技术种类很多，条码作为一种图形识别技术与其他技术相比有如下特点：简单：条码符号制作容易，扫描操作简单易行；信息采集速度快：普通计算机键盘录入速度是200字符/分钟，而利用条码扫描的录入信息的速度是键盘录入的20倍；采集信息量大：利用条码扫描，依次可以采集几十位字符的信息，而且可以通过选择不同码制的条码增加字符密度，使采集的信息量成倍增加；可靠性强：键盘录入数据，误码率为三百分之一，利用光学字符识别技术，误码率约为万分之一。而采用条码扫描录入方式，误码率仅为百万分之一，首读率可达98%以上；使用灵活：条码符号作为一种识别手段可以单独使用，也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联系起来实现整个系统的自动化管理。同时，在没有自动化识别设备时，也可以实现手工键盘输入；自由度大：识别装置与条码标签相对位置的自由度要比光学字符识别（OCR）大得多；设备结构简单、成本底：条码符号识别设备的结构简单，容易操作，无须专门训练。与其他自动化技术相比，推广应用条码技术所需费用较低。2.3 PLC 的概述2.3.1 PLC的基本概念可编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。2.3.2 模块式PLC的基本结构这里我们主要介绍的是西门子S7-300，S7-300属于模块式PLC。西门子的PLC以其极高的性价比，在国内占有很大的市场份额，在我国的各行各业得到了广泛的应用。S7-300模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装的机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其它PLC或其它设备通信。图2.1是PLC控制系统的示意图。CPU模块：CPU模块主要由微处理器和存储器组成，S7-300将CPU模块简称为CPU。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，模块中的存储器用来存储程序和数据。图2.1 PLC控制系统示意图信号模块：输入（Input）模块和输出（Output）模块一般简称为I/O模块，开关量输入/输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入/输出模块简称为AI模块和AO模块，在S7-300中统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。功能模块：为了增强PLC的功能，扩大应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。接口模块：CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架和扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。通信处理器：通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于点对点通信。电源模块：PLC一般使用AC 220V电源或DC 24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC 24V和背板总线上的DC 5V电压，供其他模块使用。编程设备：S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。2.3.3 PLC的特点编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。S7-300有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、安装、调试工作量少：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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。2.3.4 PLC的应用领域在发达的工业国家，PLC已经广泛应用在所有的工业部门，随着性能价格比的不断提高，其应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：用于开关量控制：PLC主要用于代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备和自动生产线，其应用领域已遍及各行各业。PLC控制开关量的能力是很强的。所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。 所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。 PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。 用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，PLC性能，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。 用于模拟量控制：模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。 作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。 PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的AD、DA单元。它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。 A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入PLC。D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。 作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。可读写）交换信息等等特点。 这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。D/A中的A，多为电压，或电流。电压、电流变化范围多为05V，010V，420mA。有的还可处理正负值的。 这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。 A/D、D/A有单路，也有多路。多路占的输入输出继电器多。 有了A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的PLC并不难。中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。有的还有PID指令，可对偏差量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。计算机能算的它几乎都能算。 这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。 PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。 用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。 当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。这也是应当看到的。用于运动控制：实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有运动控制。PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度、加速度进行控制，可以实现单双轴三轴和多轴联动的位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯等场合。运动控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。当今已很普及，并也很完善。目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过4080，有的甚至更高。 PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。故它也完全可以用于数字量控制。 PLC可接收计数脉冲，频率可高达几K到几十K赫兹。可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十K。有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。 高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。 新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。 用于数据采集：随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。如德维森公司的PLC，其数据存储区（DM区）可达到9999个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。 数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。 数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。 PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。 PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。 用于信号监控：PLC自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。 其实，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。 这里介绍一种用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控的思路。 如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。 若超时，说明不正常，可作相应处理。 如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗看着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。 还有其它一些监控工作可做。对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。 用于联网、通讯：PLC通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（例如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来更方便。 为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。 PLC与PLC也可通讯。可一对一PLC通讯。可几个PLC通讯。可多到几十、几百。 PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。 可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或更大。 可组成局部网，不仅PLC，而且高档计算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网，也可用环形网。网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。 网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。 联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Point）、到线（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。 以上几点应用是着重从本质上讲的。从量上讲，PLC有大、有小。所以，它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站点；大的可控制多台设备，一条生产线，以至于整个工厂。可以说，工业控制的大小场合，都离不开PLC。 综上所述，PLC的发展始终是伴随着社会生产规模的扩大、生产水平的提高而前进的。PLC的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高；同时，PLC又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。当前科学技术继续在突飞猛进，向前发展，21世纪的今天，PLC必将达到更高的水平。2.3.5 PLC的工作原理2.3.5.1 逻辑运算在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，例如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以分别用逻辑代数中的1和0来表示这些状态，在波形图中，用高电平表示1状态，用低电平表示0状态。使用继电器电路或PLC梯形图都可以实现数字量的逻辑运算，图2.2是与运算的两种形式。 图2.2逻辑与运算2.3.5.2 PLC的循环处理过程CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的起动、刷新输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP7将用户程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能SFC和系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PLC采用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序中的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。以后进入周期性的循环运行。图2.3是扫描过程。结合图简要介绍下扫描过程：（1）操作系统启动循环时间监控。（2）CPU将输出过程映像区的数据写到输出模块。（3）CPU读输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。（4）CPU处理用户程序，执行用户程序中的指令。（5）在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务，例如下载和删除块，接收和发送全局数据等。（6）CPU返回第一阶段，重新启动循环时间监控。在启动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其他逻辑块（FB、SFB、FC、SFC）。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断事件出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块被执行完后，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。 图2.3扫描过程在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像区和输出过程映像区。PLC梯形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的过程映像区。在写输出模块阶段，CPU将输出过程映像区的状态传送到输出模块。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像位为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中的线圈“断电”，对应的输出过程映像位为0状态，在写输出模块阶段之后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。在读输入模块阶段，PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入过程映像区。外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位为1状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。外部输入触点电路断开时，对应的输入过程映像位为0状态，梯形图中对应的输入位的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了改变，输入过程映像位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入。2.3.5.3用户程序的执行过程PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令和块调用指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入过程映像区或别的存储区中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到对应的存储区中，因此，各编程元件的存储区（输入过程映像区除外）的内容随着程序的执行而变化。循环时间是指操作系统执行一次如图2.3所示的循环操作所需的时间，包括执行OB1中的程序段和中断该循环的系统操作的时间，也称扫描循环时间或扫描周期。循环时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。2.4 S7-300简介 S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力，有350多条指令，其编程软件STEP7功能强大，可以使用多种编程语言。S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，各个模块都安装在导轨上，用螺栓锁紧即可。2.4.1 数字量输入模块数字量输入模块用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器，例如二线式光电开关和接近开关等。数字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。输入电路中一般设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数毫安。图2.4是直流输入模块的内部电路和外部接线图。 图2.4数字量输入模块当图3.4中的外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管点亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经背板总线接口传送给CPU模块。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，应考虑优先选用DC 24V的输入模块。交流输入方式适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。数字量模块的输入/输出电缆的最大长度为1000米（屏蔽电缆）或600米（非屏蔽电缆）。2.4.2 数字量输出模块SM 322数字量输出模块将S7-300的内部电平信号转化为控制过程所需的外部信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应晶体管、驱动交流负载的双向晶闸管或固态继电器，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流典型值为0.52A，负载电源由外部现场提供。图2.5是继电器输出电路，某一输出点为1状态时，梯形图中的线圈“通电”，通过背板总线接口和光耦合器，使模块中对应的微型硬件继电器线圈通电，其常开触点闭合，使外部的负载工作。输出点为0状态时，梯形图中的线圈“断电”，输出模块中的微型继电器的线圈也断电，其常开触点断开。图2.5数字量输出模块继电器输出模块的负载电压范围宽，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作缓慢，寿命有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。故态继电器型输出模块只能用于交流负载，晶体管型、场效应管型输出模块只能用于直流负载，它们可靠性高，响应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。在选择数字量输出模块时，应注意负载电压的种类和大小、工作频率和负载的类型（电阻性、电感性负载、机械负载或白炽等）。除了每一点的输出电流外，还应注意每一组的最大输出电流。2.4.3 数字量输入/输出模块SM323是S7-300的数字量输入/输出模块，它由两种型号可供选择。一种是8点的输入和8点输出的模块，输入点和输出点均只有一个公共端。另外一种有16点输入（8点一组）和16点输出（8点一组）。输入、输出的额定电压均为DC24V，输入电流为7mA,最大输出电流为0.5A，每组总输出电流为4A。输入电路和输出电路通过光耦合器与背板总线相连，输出电路为晶体管型，有电子保护功能。2.4.4 模拟量输入模块模拟量变送器：生产过程中有大量的连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制。有的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分（例如气体中的含氧量）和频率等。有的是强电电量，例如发电机组的电流、电压、有功功率和无功功率、功率因素等。变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准的直流电流或直流电压信号，例如DC010V和420mA。SM331模拟量输入模块的基本结构：模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。SM331也可以直接连接不带附加放大器的温度传感器（热电偶或热电阻），这样可以省去温度变送器，不但节约了硬件成本，控制系统的结构也更加紧凑。塑料机壳面板上的红色LED用与显示故障和错误，前门的后面是前连接器，前面板上有标签区。模块安装在DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接，输入通道的地址有模块所在的位置决定。一块SM331模块中的各个通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程。有多种分辨率可供选择（915位加符号位，与模块无关），分辨率不同转换时间也不同。图2.6模拟量输入模块由图2.6可知，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离器件、内部电源和逻辑电路组成。8个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道。模拟量输入模块各输入通道的A/D转换和转换结果的存储与传送是顺序进行的，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。各个通道的转换结果被保存到各自的存储器，直到被下一次的转换值覆盖。可以用装入指令“L PIW”来访问转换的结果。有的SM331模块具有中断功能，通过中断将诊断信息传送给CPU模块。 模拟量输入模块测量范围的设置：模拟量输入模块的输入信号种类用安装在模块侧面的量程卡（或称为量程模块）来设置。量程卡安装在模拟量输入模块的侧面，每两个通道为一组，共用一个量程卡，量程卡插入输入模块后，如果量程卡上的标记C与输入模块上的标记相对，则量程卡被设置在C位置。模块出厂时，量程卡预设在B位置。以模拟量输入模块6ES7 331-7KF02-0AB0为例，量程卡的B位置包括4种电压输入；C位置包括5种电流输入；D位置的测量范围只有420mA其余的21种温度传感器电阻测量或电压测量的范围均应选择位置A