基于PLC的锅炉监控系统的设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 39 页基于 PLC 的锅炉监控系统的设计摘 要本文介绍了以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以 PLC 为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用 PID 算法，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。本文分别就燃煤锅炉的控制系统工作原理，温度变送器的选型、PLC 配置、组态软件程序设计等几方面进行阐述。通过改造燃煤锅炉的控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。关键词：燃煤锅炉的控制系统，温度控制，串级控制，PLC，PID中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 39 页PLC-based boiler control systemDesignABSTRACTThis paper introduces the boiler is controlled object to the boiler outlet water main parameter to be controlled to within the furnace temperature was deputy accused of parameters to the furnace resistance wire voltage of the control parameters, PLC as controller, constitute the boiler temperature cascade level control system; using PID algorithm, using PLC ladder programming language programming, automatic control of the boiler temperature. This paper on the coal-fired boiler control system works, temperature transmitters selection, PLC configuration, the configuration software program design and other aspects to elaborate. Through the transformation of coal-fired boiler control system has fast response, good stability, high reliability, control accuracy and good features, the industrial control has practical significance.Key words:Coal-fired boilers control system，temperature control，cascade control PLC ，PID中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 39 页目录1 绪论 .11.1 课题背景及研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 项目研究内容 .22 锅炉控制系统总体设计 .42.1 燃煤锅炉的组成 .42.2 燃煤锅炉的工作过程 .42.3 系统功能分析 .52.4 控制方案的设计 .62.5 控制系统结构 .72.6 电路的保护 .83 PLC 控制系统的硬件设计 .103.1 可编程控制器基础 .103.1.1 PLC 概述 .103.1.2 PLC 的历史 .103.1.3 现今的 PLC.123.1.4 PLC 的设计标准 .133.2 可编程控制器的产生和应用 .153.2.1 可编程控制器的组成和工作原理 .153.2.2 可编程控制器的分类及特点 .173.3 组态软件的基础 .183.3.1 组态的定义 .183.3.2 组态王软件的特点 .183.3.3 组态王软件仿真的基本方法 .193.4 PLC 控制系统设计的基本原则和步骤 .193.4.1 PLC 控制系统设计的基本原则 .19中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 39 页3.4.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 .193.4.3 PLC 程序设计的一般步骤 .203.4.2 PLC 控制系统设计的一般步骤 .193.4.3 PLC 程序设计的一般步骤 .203.5 PLC 的选型和硬件配置 .223.5.1 PLC 型号的选择 .223.5.2 温度传感器 .223.6 系统整体设计方案与电气接线图 .223.7 PLC 控制器的设计 .233.8 控制系统数学模型的建立 .234 PLC 控制系统的软件设计 .254.1 PLC 程序设计常用方法 .254.2 编程软件 FPWIN-GR 概述 .254.3 梯形图 .254.4 文本显示图 .30参考文献 .32致谢 .33中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 39 页1 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义燃煤锅炉的应用领域相当广泛，燃煤锅炉的性能优劣决定了产品的质量好坏。目前燃煤锅炉的控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既提高设备的自动化程度又提高设备的控制精度。PLC 的快速发展发生在上世纪 80 年代至 90 年代中期。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。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。燃煤锅炉是机电一体化的产品，具有运行安全可靠，供热稳定，自动化程度高的优点，是理想的节能环保的供暖设备。加上目前人们的环保意识的提高，电热锅炉越来越受人们的重视，在工业生产和民用生活用水中应用越来越普及。燃煤锅炉目前主要用于供暖和提供生活用水。主要是控制水的温度，保证恒温供水。PID 控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID 控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期 ts、比例系数 Kp、积分系数 Ki、微分系数 Kd。因而,PID 参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID 在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID 算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在 PID 算法中，针对 P、I、D 三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。1.2 国内外研究现状自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统的发展迅速，并在智能化，自适应、参数整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要有以下特点：中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 39 页（1）适应于大惯性、大滞后等复杂的温度控制体统的控制。（2）能适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。（3）能适用于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。（4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应范围广泛。（5）温度控制器普遍具有参数整定功能。借助于计算机软件技术，温度控制器具有对控制参数及特性进行自整定的功能。有的还具有自学习功能。（6）温度控制系统既有控制精度高、抗干扰能力强、鲁棒性好的特点。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方向发展。随温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体水平处于 20 世纪 80 年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求越来越高，因此，高精度、智能化、人性化的温度控制系统是国内外必然发展的趋势。1.3 项目研究内容以锅炉为被控对象，以锅炉出口水温为主被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热炉电阻丝电压为控制参数，以 PLC 为控制器，构成锅炉温度串级控制系统；采用 PID 算法，运用 PLC 梯形图编程语言进行编程，实现锅炉温度的自动控制。可编程逻辑控制器（PLC)是集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的新型自动控制装置。其性能优越，已被广泛的应用于工业控制的各个领域，并已经成为工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）之一。PLC 技术在温度监控系统上的应用从整体上分析和研究了控制系统的硬件配置、电路图的设计、程序设计，控制对象数学模型的建立、控制算法的选择和参数的整定、人机界面的设计等。论文通过对松下公司的 FP 系列 PLC 控制器，温度传感器将检测到的实际炉温转化为电压信号，经过模拟量输入模块转换成数字信号送到 PLC 中进行 PID调节，PID 控制器输出转化为 0-10mA 的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 39 页改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率。对于监控画面，利用亚控公司的组态软件组态王。串 级 系 统 是 由 调 节 器 串 联 起 来 工 作 ， 其 中 一 个 调 节 器 的 输 出 作 为 另 一 个调 节 器 的 给 定 值 的 系 统 。 整 个 系 统 包 括 两 个 控 制 回 路 ， 主 回 路 和 副 回 路 。 副 回 路 由副 变 量 检 测 变 送 、 副 调 节 器 、 调 节 阀 和 副 过 程 构 成 ； 主 回 路 由 主 变 量 检 测 变 送 、 主调 节 器 、 副 调 节 器 、 调 节 阀 、 副 过 程 和 主 过 程 构 成 。 一 次 扰 动 ： 作 用 在 主 被 控 过 程上 的 ， 而 不 包 括 在 副 回 路 范 围 内 的 扰 动 。 二 次 扰 动 ： 作 用 在 副 被 控 过 程 上 的 ， 即 包括 在 副 回 路 范 围 内 的 扰 动 。 在 串 级 控 制 系 统 中 ， 由 于 引 入 了 一 个 副 回 路 ， 不 仅 能 及早 克 服 进 入 副 回 路 的 扰 动 ， 而 且 又 能 改 善 过 程 特 性 。 副 调 节 器 具 有 “粗 调 ”的 作用 ， 主 调 节 器 具 有 “细 调 ”的 作 用 ， 从 而 使 其 控 制 品 质 得 到 进 一 步 提 高 。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 39 页2 锅炉控制系统总体设计2.1 燃煤锅炉的组成锅炉按燃烧种类分，大致有燃油锅炉、燃煤锅炉和燃气锅炉。所有这些锅炉，虽然燃料及其供给方式 不同，但其结构大同小异。本系统所用的锅炉是以煤为燃料，它有以下几部分构成：1、炉膛：是使燃料充分燃烧并放出热能的设备。煤由煤斗落在转动链条炉蓖上，进入炉内燃烧。燃烧所需要的空气由炉排下面的风箱送入，燃尽的残渣被炉蓖带到除灰口，落入灰斗中。得到加热的高温烟气依次经过各个受热面，将热量传递给水后，经过烟囱排至大气。2省煤器：燃煤锅炉炉膛排除的烟气具有较高的温度，利用其热量可以加热进入汽包的冷水，一般省煤器由蛇形管组成。3空气预热器：继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的空气的换热器。热空气可以强化炉内燃烧过程，提高锅炉燃烧的经济性，提高锅炉热效率。4引风设备：包括引风机、烟囱、烟道几部分，将锅炉中的烟气连续排出，保持炉膛的负压燃烧正常。5鼓风设备：由鼓风机、送风机、风道、风箱组成，供应燃料燃烧所需要的空气。6给水设备：由给水泵和给水管组成。给水泵用来克服给水管路和省煤器的流动阻力和锅炉的压力，把水送入汽包中。7水处理设备：用来清除水中杂质和降低给水硬度，防止锅炉受热面上结水垢或腐蚀锅炉，从而提高锅炉的经济性和安全性。8燃料供给设备：由运煤设备、原煤仓和储煤斗等设备组成，保证锅炉所需燃料的供应。9除灰除尘设备：分别为收集锅炉灰渣并运往存狄场地及除去烟气中灰粒的设备，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 39 页以减少对周围环境的污染。2.2 燃煤锅炉的工作过程锅炉最基本的组成是汽锅和炉子两大部分。燃料在炉膛进行燃烧，将其化学能转化为热能，高温的燃烧产物一烟气通过汽锅受热面将热能传递给汽锅内温度较低的水，水被加热进而沸腾汽化，生成蒸汽。以某高校锅炉房的锅炉为例，其工作概括起来应包括三个同时进行的过程：1燃料的燃烧过程：燃料煤加到煤斗中，借助于自重下落在炉排面上，炉排靠电动机通过变速齿轮减速后由链条来带动，将燃料煤带入炉内。新煤入炉，经预热阶段后开始着火，挥发物燃烧，同时焦炭也逐渐燃烧。燃料一面燃烧，一面向后移动。燃烧所需要的空气是由送风机送入炉体的风仓，向上通过炉排到达燃烧燃料层。风量和燃料量要成比例，进行充分燃烧，形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗。燃烧过程进行得完善与否，是锅炉正常工作的根本条件。要使燃料量、空气量和负荷蒸汽量有一一对应的关系，这就是根据所需要的负荷蒸汽量来控制燃料量和送风量，同时还要通过引风设备控制炉膛负压。该过程的特点是时间常数和滞后时问都比较大，而且随着媒质、煤种及风量的改变，这两个参数将有很大的变化。2烟气向水(汽)等的传热过程：燃料燃烧所放出的热量使得炉内温度很高，高温烟气与布置在炉膛四周墙面上的水管进行强烈的辐射传热。烟气将热量传递给管内的水后，由于引风机和烟囱的引力作用而向炉膛上方流动。沿途降低温度的烟气最后进入尾部烟道，经省煤器和空气预热器进行热交换，以较低的温度排出锅炉。3水的汽化过程：对于蒸汽炉来说，经过处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工作介质是处于饱和状态下的汽水混合物，它们位于烟气温度较低的对流管束中。由于受热较少，汽水混合物的容重较大；而处于烟气温度较高区的水冷壁和对流管束受热多，其相应工质的容重小：这样，容重大的工质向下流入下锅筒，而容重较小的工质则向上流入上锅筒，形成水的自然循环。由于上锅筒内的汽水分离设备和锅筒本身空间内的重力分离作用，使汽水混合物得以分离。2.3 系统功能分析中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 39 页本文针对燃煤锅炉的控制，设计一套锅炉控制系统，根据锅炉控制的发展趋势，本系统具有如下功能：1控制系统系统具有将所有变频器安装在变频控制柜内。通过可编程控制器对锅炉系统中的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵和补水泵进行就地控制。2监测功能系统通过安装在锅炉现场的各类传感器，可检测室外温度、室内温度、出水温度、回水温度、管网压力等参数，并可以将这些数据通过变送器传送到可编程控制器处理。3安全报警功能锅炉控制系统中，为了保证锅炉的安全运行，需要对锅炉的各个电机的运行情况进行监测，若循环泵出现故障，循环泵故障指示灯亮，并启动备用循环泵，以保证锅炉的安全运行。若鼓风机出现故障，鼓风机故障指示灯亮，系统按顺序停止引风机、炉排、循环泵。引风机出现故障，报警指示灯亮，系统按顺序停止鼓风机、炉排、循环泵。炉排出现故障，报警指示灯亮，系统按顺序停止鼓风机、引风机、循环泵。4单动联动模式本系统工作在单动联动两种工作模式下。单动和联动模式下均可实现就地控制和参数设定，但单动模式下，需人工根据气候、负荷的变化设定鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵、补水泵等电机的转速，相当于“开环控制” ；联动模式下，操作人员只需根据室内温度和室外温度的变化设定锅炉的出水温度和炉膛负压等参数，系统自动地调节电机的转速，减少了人工干预，提高了自动化水平。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 39 页2.4 控制方案的设计针对供暖锅炉的控制发展状况，本系统对锅炉房的鼓风机、引风机、炉排电机、循环泵、补水泵等设备采用变频器控制技术。每台鼓风机、引风机、炉排电机配备一台变频器。两台循环泵配备一台变频器， ，共两台循环泵，其中一台备用，当一台循环泵运行时，另一台循环泵停止，即两台循环泵不能同时运行。补水泵为两台，其中一台备用，两台补水泵配备一台变频器。所有的变频器俊安装在变频控制柜内，置于变频控制室，操作变频控制的面板，可以实现就地控制。本系统采用松下公司的 FP0 系列的 PLC，PLC 主要负责数据采集、控制运算和控制输出，可以接受开关接点等数字信号，还可以直接接收标准的过程量，如 4-20mA 电流、0-10V 电压、热电偶、热电阻等模拟信号。通过输入输出模块控制控制柜内的所有断路器、接触器和继电器等开关设备，以实现就地控制。系统采用分级分层模式，只要系统一上电，如果 PLC 控制系统出现故障，可以直接在变频控制室内通过控制面板进行启停控制，通过设定变频器控制面板可进行参数设定，以充分保证系统的可用性。系统结构框图如下：温度信息采集 压力信息采集数据处理 数据处理P L C 控 制 系 统故障检测 变频器故障报警 电机中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 39 页图 2.1 系统结构框图2.5 控制系统结构本系统属于热水锅炉供暖系统，主要通过热水循环给用户供暖，一般分为燃烧控制系统、循环泵控制系统和补水泵控制系统。本系统采用集中控制方式，分为 2 层 :控制部分：该部分以松下 FP 系列可编程控制器为核心， PLC 通过模拟给定信号分别对鼓风机、引风机、 、炉排、循环泵和补水泵等进行启停控制和电机的转速设定，一旦电机启动完毕，可随时根据监测到的数值改变电机的转速，以适应系统的需求。数据采集与变送部分：这一部分是控制系统的最底层。主要完成现场数据的采集、预处理和变送等工作。这些数据主要包括锅炉的出水温度、回水温度、室内温度、室外温度、管网压力等。变送器将采集的温度、压力等物理量转换成标准电压或电流信号并传送给可编程控制器进行数据处理。控制任务：锅炉的基本组成是“锅”和“炉”两大部分。燃料在“炉”中燃烧放热，高温烟气携带的热量为“锅”的受热面吸收，以产生一定压力和温度的蒸汽。作为锅炉的燃烧设备“炉” ，其任务是针对不同燃料的燃烧特性，为其完全燃烧创造良好的条件，以求燃料将其热量最大限度地释放出来。锅炉的燃烧控制直接关系着是否对环境造成污染、是否节能及能否给企业带来效益。所以，锅炉的燃烧控制自动化多年来倍受重视。锅炉燃烧过程自动控制的主要任务是：1、保证经济燃烧为了得到最经济的燃烧工况，就要保证当室内外温度、出回水温度改变时，控制系统能随时改变电机的转速，避免电动机一直处于最大转速下运行，以控制燃烧系统，实现经济效益的最优化。2、连锁控制在锅炉控制中，为保证锅炉安全运行，在某一机构发生故障时，要有即时报警和相关保护并触发与之关联的设备实现自动连锁。锅炉运行要求的连锁动作大体有以下几项：中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 39 页（1）鼓风电机要求当引风电机停止、炉排电机停止、管网压力超出上限时，鼓风电机自动停止。启动时，只有引风机运行起来后才开鼓风机。（2）引风电机要求当循环泵启动之后才启动引风机。（3）炉排电机要求当鼓风电机或引风电机发生故障时，炉排电机立即停止运行。在正常启停时，当鼓风和引风开起来后再开炉排电机，停机时先停炉排电机。（4）补水水泵要求管网压力超出上限时，补水泵自动停止。2.6 电路的保护本设计采用断路器、熔断器和热继电器实现对主电路和电动机的保护。断路器能自动的进行欠电压、失电压和短路保护，当电路发生欠电压短路的时候，断路器能够自动的断开线路，保护设备的安全；热继电器主要实现电动机的过载保护，当电动机过载的时候，热继电器动作，通过辅助触点断开控制线路，实现对电机的保护；熔断器主要完成短路和过电流保护，当电路中电路超过一定值的时候能够迅速的分断电路中的电器设备，以保护电器设备不被损坏。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 39 页3 PLC 控制系统的硬件设计3.1 可编程控制器基础3.1.1 PLC 概述可编程控制器是 60 年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller） ，目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出 PLC 概念的是美国通用汽车公司。PLC 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 39 页价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。70 年代中期以后，PLC 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的 PLC 已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID 调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机，具有许多明显的特点。可靠性高，抗干扰能力强；编程直观、简单；适应性好；功能完善，接口功能强3.1.2 PLC 的历史1968 年，Richard E. Morley 创造出了新一代工业控制装置可编程逻辑控制器(PLC),现在，PLC 已经被广泛应用于工业领域，包括机械制造也、运输系统、化学过程设备、等许多其他领域。初期可编程控制器只是用一种类似于语言的软件逻辑于代替继电器硬件逻辑，并且使开发时间由 6 个月缩短到 6 天。虽然计算机控制技术已经产生，但是 PLC 控制因为它的高性能、成本低、并且对恶劣的环境有很强的适应能力而在工业控制的广泛应用中保持优势。而且，尽管硬件的价格在逐渐下跌，据估计，根据 Frost 和 Sullivan 对 PLC 市场的调查研究表明，每年销售硬件的价格要比销售 PLC 的价格（一千五百万）至少多出八十亿美元。PLC 的创造者 Richard E. Morley 十分肯定的认为目前 PLC 市场是一个价值五十亿的工业中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 39 页虽然 PLC 广泛应用于工业控制中，PLC 控制系统的程序依然和语法有关。和软件过程一样，PLC 的软件设计也以同样的方式会遇到软件错误或危机。Morley 在演讲中着重强调了这个方面。如果房子建造的像软件过程一样，那么仅仅一只啄木鸟就可以摧毁文明。特别的，PLC 程序要解决的实际问题是消除软件错误和减少老式梯形逻辑语言的花费。尽管 PLC的硬件成本在继续下降，但是在工业控制上减少梯形逻辑的扫描时间仍然是一个问题，以至于可以用到低耗时的 PLC。一般来说，和其他领域相比生产 PLC 的周期要短很多。例如，在实践中，VISI 设计是一种有效的计算机辅助设计。PLC 不需要使用目前的以软件设计为基础软件工程方法论，因为 PLC 程序要求对软件和硬件搜都要考虑到。因此，软件设计越来越成为花费动力。在许多的工业设计工程中，多数人力分配给了控制系统设计和安装，并且他们被要求对 PLC 进行程序测试和错误排除。再者，PLC 控制系统不适合设计对适应性和重构有越来越多要求的生产系统。一个更深入的问题是在大规模的工程中软件越来越复杂，促使要有一个系统化的设计方法论。主题的客观性是为 PLC 自动控制系统建立一个系统化的软件设计方法论。这个设计方法论包括以状态转换模型为基础的精确的描述，这个转台转换模型是自动控制系统的抽象系统。方法论还包括一个逐步的设计过程，并且要设置一个设计规则，这样才能为一个成功的设计提供导向和方法。这项研究的真正目的是找到一个减少控制软件发展过程的不稳定性的方法，也就是说，减少程序和调试时间以及他们的变化，以增强自动控制系统的适应性，并且通过调整软件使得软件可以再度使用。这样的目的是为了克服目前程序策略的不足之处，而目前的程序策略是以个人软件开发者的经验为基础的。3.1.3 现今的 PLC从结构上分，PLC 分为固定式和模块式两种。固定式 PLC 包括 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC 包括 CPU模块、I/O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 39 页在使用者看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。中央处理器(CPU)是 PLC 控制器的大脑。通常 CPU 本身就是一个微控制器。起先是8 位微控制器例如 8051,现在发展为 16 位和 32 位微控制器。你会发现大部分由日本制造商制造的 PLC 中是日立和 Fujicu 的微控制器,西门子的微控制器多应用在欧洲的 PLC中,摩托罗拉生产的微控制器则独占美国市场。CPU 同样关注通信, PLC 控制器,操作程序的执行,监督记忆设置的输入和输出等部分的关联性 5。PLC 使用系统存储器（现在大部分采用闪存技术了）用于过程控制系统。除了这个操作系统之外，它还包括一个由梯形图翻译成而进制形式的用户程序。快擦型存储器（FLASH memory）的内容只有在改变用户程序的时候可以被改变。PLC 控制器比快擦型存储器使用得更早，EPROM 存储器比快擦型存储器也更早，快擦型存储器必须用紫外线（UV，Ultra-Violet Ray）灯擦除，并在编程器上进行编程。由于快擦型存储器技术的应用，使得这个过程大大缩短了。在应用程序开发中，通过一个串行电缆可以对程序存储器进行重新编程。用户存储器被分成具有特殊功能的块。一部分存储器用来存储输入和输出状态。一个输入的实际状态存储状态存储在专用存储器位上，为“1”或者“0” 。每一个输入和输出在存储器中都有一个相应的位。另外一部分存储器用来存储用户程序中的变量的内容。例如，定时器值，或者记数器值存放在存储器的这个部分。PLC 控制器可以通过计算机（通常方式）重新编程，但是也可以通过人工编程器 9控制台）编程。实际上，这意味着，如果你有编程所需要的软件，早期 PLC 控制器可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是工厂自己对 PLC 控制器进行重新编程的理想设备。这对于工业企业来说是非常重要的。一旦系统修改结束，将正确的程序重新读入 PLC 控制器也是非常重要的。定期检查 PLC 中的程序是否改变是非常好的事情。这有助于避免车间发生危险情况（一些汽车制造商已经建立了通信网络，可以定期检查 PLC 中的程序，以保证运行的程序都是正确的） 。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 39 页几乎所有用于为 PLC 控制器编程的程序都拥有各种不同的选项，例如系统输入/输出（I/O 线）的强制开关，程序实时跟踪以及图表验证。图表验证对于理解、定义失败和故障非常必要。程序员可以添加标记，书日和输出设备名称，以及对于查找错误或者对于系统维护很有用的注释。添加注释和标记可以使技术人员（不仅仅是开发人员）很快理解梯形图。注释和标记甚至还可以准确地引用零件号，如果需要更换零件的话。这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。响应的旧方法是这样的，开发系统的人必须保护这个程序，他旁边再没有人知道系统是怎样完成的。正确的、备有证明文件的梯形图使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。电源是为中央处理单元提供电源的。大部分 PLC 控制器的工作电压为 24VDC 或者220VAC。在有些 PLC 控制器上，你可以看见作为独立模块的电源。用户必须确定从 I/O模块取出多大电流来保证电源提供适当的电流。不同的模块使用不同的电流量。该电源一般不用于启动外部输入或输出。用户必须提供独立的电源来启动 PLC 控制器的输入和输出，因为这样可以保证 PLC 控制器的所谓“纯电源” 。使用纯电源意味着工业环境中的电源不会严重影响它。有些较小的 PLC 控制器从与 PLC 控制器集成在一起的小电源为它们的输入提供电压源。3.1.4 PLC 的设计标准一个系统化的设计 PLC 程序的方法可以克服传统程序生产控制系统的缺点，并且在一些工业应用总有很大的不同。自动控制系统是状态模型用公式语言或等价的语言描述的。公式描述对被控制的系统的行为提供一个精确的描述。可以通过分析估计看状态模型是否达到想要的目标。第二，为状态模型的描述提供结构描述，这个结构描述可以说明逻辑要求和如细节安全规则的限制。第三，好的控制系统设计是对自动控制代码生成有益的一种能够产生可执行的控制软件的能力，不同的逻辑控制器可以减少程序扫描时间和执行那个时间。特别的，这个主题与随后的部分的是有关的。在现代制造业中，系统是用过程和结果的革新来描述的，并且因此不得不改变系统性能以快速做出反应。因此，一个大的挑战是提供技术以限制自动控制系统对变化需要和新机会的反应，所以，设计和操作知识可以实时的被再次利用，在工业实践中提供了一个重要的竞争面。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 39 页研究表明，在自动化系统中，程序实现的方法已经与计算机资源应用的急速增长不能匹配。例如，可编程逻辑控制器（）程序仍然依靠一种方便的有逻辑梯形图的程序实现模式。结果，程序上的延迟和资源成了生产工业过程的主要绊脚石。在可编程逻辑控制器程序设计过程中，测试和调试可能会占用超过百分之五十的人力。在发展和传播“”已经形成标准IEC 60848, 1999; IEC-61131-3, 1993; IEC 61499, 1998; ISO 15745-1, 1999，但是，基本上这些标准都不能参与有效的程序和系统设计方面知识的革新。系统的方法通过使用原有的软件模块，有助于增加设计自动化的水平，同时也将提供一种可管理的大规模系统设计的方法。同样的，它也将改善软件的质量的可靠性，以及关系到系统的较高安全标准，尤其是这些对环境有危害影响的，比如：机场控制、公共铁路运输。软件工业被认为是系统性能的破坏者和系统复杂性的产生者。逐渐下降的硬件价格，破坏了对通过优化程序获得的软件性能的需要。其结果是，一方面造成了大量而低效率的程序代码，另一方面并没有获得高的硬件性能。其次，软件变得难以掌握其程度的复杂；在现代自动化系统中，软件设计和保持系统本质几乎变得不可能。尤其是，可编程逻辑控制器（）程序设计从二十五年前的两条主线，发展到现在的成千上万条。现在安全性增加了，例如，关于防火的新措施，以及现代自动化系统的柔韧性增加了程序设计过程的复杂性。因此，软件的使用周期花费是总共花费的一个固定不变的增长部分。百分之八十到九十的花费用于软件维护、调试、优化（改进） 、和扩展以满足不断变换的需求。目前，大部分设计研究的主要焦点都集中在机械和电子产品上。这种有目的性的研究产生了一个副产品，就是通过推广这中研究到系统工程设计领域，从而加固了我们对设计理论和技巧的基本理解。针对大规模和复杂系统的系统设计理论并没有成熟。尤其是，对如何简化一个繁冗而复杂的设计任务这一问题，仍然没有被科学的处理。而且，正在设计理论和代表计算机科学及运筹学研究的认识论结果之间构建一条桥梁，这样的具体应该是逻辑硬件电路设计。从逻辑学的角度来看，可编程逻辑控制器（PLC）的软件设计类似与集成电路的硬件设计。现代超大规模集成电路设计（Very Large Scale Integration-VLSI）是及其复杂的，一个集成电路一般有几百万个晶体管，而且产品开发周期大都三年左右。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 39 页设计过程一般都分成局部功能块设计和系统设计两个阶段。在局部功能块设计阶段，单个功能将被设计出来，并予以验证。在系统设计阶段，所有功能块都将被整合起来，整个系统行为特性和功能将会通过仿真形式加以测试。一般来说，所有部分都完全的验证是不可能的。因此，统计学可以作为可编程逻辑控制器（PLC）设计的一个例子，并有可能影响逻辑硬件设计。3.2 可编程控制器的产生和应用1969年 美 国 数 字 设 备 公 司 成 功 研 制 世 界 第 一 台 可 编 程 序 控 制 器 PDP-14， 并 在GM 公 司 的 汽 车 自 动 装 配 线 上 首 次 使 用 并 获 得 成 功 。 1971年 日 本 从 美 国 引 进 这 项 技术 ， 很 快 研 制 出 第 一 台 可 编 程 序 控 制 器 DSC-18。 1973年 西 欧 国 家 也 研 制 出 他 们 的第 一 台 可 编 程 控 制 器 。 我 国 从 1974年 开 始 研 制 ， 1977年 开 始 工 业 推 广 应 用 。 进 入20世 纪 70年 代 ， 随 着 电 子 技 术 的 发 展 ， 尤 其 是 PLC 采 用 通 讯 微 处 理 器 之 后 ， 这 种控 制 器 功 能 得 到 更 进 一 步 增 强 。 进 入 20世 纪 80年 代 ， 随 着 大 规 模 和 超 大 规 模 集 成电 路 等 微 电 子 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 以 16位 和 少 数 32位 微 处 理 器 构 成 的 微 机 化 PLC，使 PLC 的 功 能 增 强 ， 工 作 速 度 快 ， 体 积 减 小 ， 可 靠 性 提 高 ， 成 本 下 降 ， 编 程 和 故 障检 测 更 为 灵 活 ， 方 便 。 目 前 ， PLC 在 国 内 外 已 广 泛 应 用 于 钢 铁 、 石 油 、 化 工 、 电 力 、建 材 、 机 械 制 造 、 汽 车 、 轻 纺 、 交 通 运 输 、 环 保 及 文 化 娱 乐 等 各 个 行 业 。3.2.1 可编程控制器的组成和工作原理可编程控制器的组成:PLC 包 括 CPU 模 块 、 I/O 模 块 、 内 存 、 电 源 模 块 、 底 板 或 机 架 。 1 CPUCPU 是 PLC 的 核 心 ， 它 按 PLC 的 系 统 程 序 赋 予 的 功 能 接 收 并 存 贮 用 户 程 序 和 数据 ， 用 扫 描 的 方 式 采 集 由 现 场 输 入 装 置 送 来 的 状 态 或 数 据 ， 并 存 入 规 定 的 寄 存 器 中 ，同 时 ， 诊 断 电 源 和 PLC 内 部 电 路 的 工 作 状 态 和 编 程 过 程 中 的 语 法 错 误 等 。 CPU 主要 由 运 算 器 、 控 制 器 、 寄 存 器 及 实 现 它 们 之 间 联 系 的 数 据 、 控 制 及 状 态 总 线 构 成 ，CPU 单 元 还 包 括 外 围 芯 片 、 总 线 接 口 及 有 关 电 路 。 内 存 主 要 用 于 存 储 程 序 及 数 据 ，是 PLC 不 可 缺 少 的 组 成 单 元 。 CPU 速 度 和 内 存 容 量 是 PLC 的 重 要 参 数 ， 它 们 决 定 着PLC 的 工 作 速 度 ， IO 数 量 及 软 件 容 量 等 ， 因 此 限 制 着 控 制 规 模 。2.I/O 模 块PLC 与 电 气 回 路 的 接 口 ， 是 通 过 输 入 输 出 部 分 （ I/O） 完 成 的 。 I/O 模 块 集 成中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 39 页了 PLC 的 I/O 电 路 ， 其 输 入 暂 存 器 反 映 输 入 信 号 状 态 ， 输 出 点 反 映 输 出 锁 存 器 状 态 。输 入 模 块 将 电 信 号 变 换 成 数 字 信 号 进 入 PLC 系 统 ， 输 出 模 块 相 反 。 I/O 分 为 开 关量 输 入 （ DI） ， 开 关 量 输 出 （ DO） ， 模 拟 量 输 入 （ AI） ， 模 拟 量 输 出 （ AO） 等 模 块 。常 用 的 I/O 分 类 如 下 ：开 关 量 ： 按 电 压 水 平 分 ， 有 220VAC、 110VAC、 24VDC， 按 隔 离 方 式 分 ， 有 继 电器 隔 离 和 晶 体 管 隔 离 。模 拟 量 ： 按 信 号 类 型 分 ， 有 电 流 型 （ 4-20mA,0-20mA） 、 电 压 型 （ 0-10V,0-5V,-10-10V） 等 ， 按 精 度 分 ， 有 12bit,14bit,16bit 等 。除 了 上 述 通 用 IO 外 ， 还 有 特 殊 IO 模 块 ， 如 热 电 阻 、 热 电 偶 、 脉 冲 等 模 块 。 按I/O 点 数 确 定 模 块 规 格 及 数 量 ， I/O 模 块 可 多 可 少 ， 但 其 最 大 数 受 CPU 所 能 管 理 的基 本 配 置 的 能 力 ， 即 受 最 大 的 底 板 或 机 架 槽 数 限 制 。3.编 程 器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和