基于PLC的加热反应炉电气控制系统的设计

1基于 PLC 的加热反应炉电气控制系统的设计摘 要：加热反应炉是工业生产中的重要设备，为了安全生产避免事故的发生，应用 PLC 对它进行实时监控是非常必要的。本设计实现 PLC 对加热反应炉的可视化控制，该控制技术可以对真空炉的温度、真空度和水开关状态等参数进行检测，并根据操作前的设定值，进行升温和保温控制，实现加热反应炉内水位变化实时曲线和历史曲线的显示输出，当设备状态异常或各参数越限时立即报警。这不仅能进行安全生产，还可以提高经济效益减少不必要的人力物力的投入。该控制系统以可编程控制器为核心，通过专用数据线和上位机通信，利用组态软件对整个系统进行实时监控，模拟实验调试结果表明，PLC 和 MCGS 的结合有利于 PLC 控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。关键词：加热反应炉;PLC;MCGS;监控2Design of Heating Reactor Electrical Control System Based on PLCAbstract：Heating reactor furnaces are important equipment in factory. In order to avoid the happening of the production safety accidents, the application of the real-time monitoring PLC is very necessary . The visual control of heating reactor is realized in this paper by using common configuration software programmable logic controller. The furnace control technology for temperature, vacuum, water switch status testing. And according to the settings before the operation, to control the heating and insulation. The heating the reactor to achieve real-time water level changes within the historical curve and the curve shows the output. It can also alarm with equipment state abnormal or various parameters on the limit. This not only for safety, but also increase economic efficiency to reduce unnecessary investment in human and material resources. The control system uses programmable logic controller as the core. Programmable logic controller through the dedicated data lines and the host computer communication. Using the configuration software for real-time monitoring of the entire system.The simulation experiment debugging results show that, the combination of PLC and MCGS is conducive to the PLC design, testing, and has a good value.Key words: Heating reactor; PLC; MCGS; technology monitor3目 录摘要1关键词11 前言21.1 研究加热反应炉的目的和意义21.2 加热反应炉国内外研究现状21.3 加热反应炉研究的内容22 PLC 与 MCGS 组态软件简介32.1 PLC 的定义32.2 PLC 的特点32.3 PLC 的通信联网32.4 PLC 的应用领域 52.5 MCGS 组态软件简介6 2.5.1 MCGS 组态软件新增特性62.5.2 组态软件特点73 加热反应炉简介83.1 加热反应炉的输入输出设备表93.2 加热反应炉原理图94 控制系统的设计104.1 加热反应炉对电气控制系统的要求104.1.1 进料控制104.1.2 加热反应控制104.1.3 泄放控制104.2 系统设计方案104.2.1 根据系统对象选型104.2.2 根据控制对象选型114.3 对象和范围的确定1244.3.1 PLC 容量的选择与确定134.3.2 PLC 外设的选择与确定134.3.3 PLC 的生产厂家的确定134.4 系统硬件图设计134.5 控制系统的软件设计174.6 温度的 PID 控制205 控制画面的创建225.1 工程的建立225.2 变量的定义235.3 控制画面的设计与制作225.4 动画连接245.5 控制程序的编写255.6 数据显示画面的设计与制作286 系统抗干扰措施296.1 电磁干扰的类型及其影响296.2 电磁干扰主要来源306.2.1 来自空间的辐射干扰306.2.2 来自系统外引线的干扰306.2.3 来自 PLC 系统内部的干扰 306.3 加热反应炉控制系统的抗干扰措施 307 结论32参考文献 32致谢33附录3451 前言1.1 研究加热反应炉的目的和意义加热反应炉是工业生产中常用的重要设备，过去仅依靠人工经验进行操作，往往存在送料、温度、压力等条件变化时不能实施有效控制的问题，产品质量不稳定甚至出现次品，造成原料浪费，给企业带来经济损失。可编程序控制器 PLC 以其可靠性高、功能强、控制灵活等特点，已成为目前工业现场环境的首选控制装置。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，还能完成少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便。使用自动控制系统能有效的提高生产的安全性，大大降低了事故的发生率，并能提高生产效率，使原材料的使用率达到最大。1.2 加热反应炉国内外研究现状国际上对加热炉的优化控制开始于 70 年代，我国从 80 年代才开始对这方面进行研究。我国现有工业锅炉中，很多设备自动化程度不高，热效率在 40左右，随着企业的经济增长模式向依靠技术进步转变，对生产自动化的要求越来越迫切，改变锅炉运行中传统手动、半自动操作方式，实现自动化控制和管理，提高热效率，保障安全运行已经势在必行。在钢铁领域，以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型、炉温优化设定以及燃烧控制，近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉炉温控制中。我国的加热炉相当一部分还处于基地式仪表控制，表盘显示的水平，软件操作不宜为普通工人所掌握。为改变这种落后状况，有效途径之一就是进行加热炉监测和控制系统的技术改造。加热炉的工作目标是在最短的时间内采取最经济的方式把颅内的钢坯加热到所要求的状态。可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成自动热处理线的趋势 1。1.3 加热反应炉研究的内容本课题主要研究通过可编程控制器对加热反应炉工作过程的控制，通过使用MCGS 组态软件，并结合现场的通用 I / O 设备（传感器和板卡） ，对加热反应炉进行进料和排料、进气和排气、加热等自动控制，主要分为三个阶段送料控制，加热反应控制和泄放控制，进行数据实时显示报表输出和历史数据的记录和报表输出，并对反应炉内水位变化进行实时曲线显示输出和历史曲线显示输出。2 PLC 与 MCGS 组态软件简介2.1 PLC 的定义 PLC 即可编程控制器 （Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础6的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee） 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 ：PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器 ，定义是: 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 .PLC 是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC2。2.2 PLC 的特点2.2.1 可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2.2.2 配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。2.2.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。2.2.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造7PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。2.2.5 体积小，重量轻，能耗低以超小型 PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.3 PLC 的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器 的观点说法。PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。本系统选用西门子 S7-200 系列 PLC，中央处理单元为 CPU 224XP，集成了 2 个RS-485 通讯口，为方便监控系统扩展和升级，组合了 1 个模拟量输入模块 EM231，以及 1 个模拟量输出模块 EM232，可控制 4 路模拟量输入和 2 路模拟量输出。本系统组态软件选用 MCGS，它能支持西门子 PPI 通信协议，可以直接和 S7-200 进行通信，读取 PLC 224XP 的数据，设计满足监控要求的主画面，建立宇实时数据库的连接，实现数据和流程的可视化，将各参数的采集数据进行实时显示 3。2.4 PLC 的应用领域PLC 的主要应用范围通常可分为以下几种；2.4.1 中小型单机电气控制系统这是 PLC 应用最广泛的领域，例如塑料机械、印刷机械、订书机械、组合机床、磨床、电镀流水线及电梯控制等。这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，所以这也是最适合 PLC 使用的领域。在这里 PLC 用来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制，多机群控等。2.4.2 制造业自动化制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。其电器自动控制系统中的开关量占绝大多数，有些场合，数十台、上百台单机控制设备组合在一起形成大规模的生产流水线，如汽车制造和装配生产线等等，由于 PLC 性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大中型控制系统中也占绝对主导地位。2.4.3 运动控制8为适应高精度的位置控制，现在的 PLC 制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。这一方面体现在功能强大的主机可以完成多路高速计数器的脉冲采集和大量的数据处理的功能；另一方面还提供了专门的单轴或多轴的控制步进电动机和伺服电动机的位置控制模块，这些智能化的模块可以实现任何对位置控制的任务要求。现在工业自动化领域基于 PLC 的运动控制系统和其他的控制手段相比，功能更强、装置体积更小、价格更低、速度更快、操作更方便。2.4.4 流程工业自动化流程工业是工业类型中重要分支，如电力，石油、化工、造纸等，其特点是对物流进行连续加工。过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防爆要求。从 20 世纪 90 年代以后，PLC 具有了控制大量的过程菜蔬的能力，对多路参数进行 PID 调节也变得非常容易和方便。和传统的分布式控制系统 DCS 相比，其价格方面也具有了较大的优势，再加上在人机界面和联网通信性能方面的完善和提高，PLC 控制系统在过程控制系统领域也占据了相当大的市场分量。随着现场总线技术在工业自动化领域的普及，虽然大中型的单独的基于 PLC 的控制系统在逐步减少，但实际上许多带有各种现场总线通信接口的主站和分布式的智能化从站也都由 PLC 来实现，更何况在中小型的控制系统和单机控制系统中，仍然是以 PLC 作为主控制器。可以预计，在未来的相当长的时期里，PLC 仍然将快速发展，继续担当工业自动化应用领域中的主角 4。2.5 MCGS 组态软件简介组态软件，又称监控组态软件，译自英文 SCADA,即 Supervision,Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的 HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写 HMI 应用，9开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对 I/O 设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。2.5.1 MCGS 组态软件新增特性（1） 产品特点方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD 等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板；提供在 Internet 上通过 IE 浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过 PDA 掌上终端在 Internet 实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、 CDMA 网络与控制设备或其它远程力控节点通讯，支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。（2）全新的高性能实时、历史数据库力控 6.0 组态软件重新设计了数据库内核部分。除了采用旋转门算法对历史数据进行压缩外，重新优化设计了磁盘存贮算法以实现对长年形成的海量历史数据的快速查询。支持的数据类型除原有的浮点型、布尔型、字符串型外，新增了对二进制型数据的支持。单台服务器容量可达 100,000 点，吞吐量支持每秒写入/查询 20,000 个数据点。历史数据库可在线备份。支持多服务器处理。当数据库构成双机冗余系统时增加了从站操作功能，即处于备用状态的从站可作为普通操作员站使用。（3）新增数据库快速访问接口 DBIDBI 是一套全新设计开发的实时数据库访问接口。它除了兼容原有接口 DbCom的所有接口功能外，还增加了获取数据库结构信息的接口，并增加了动态控制变化数据集功能。由于 DBI 口采用了快速数据访问机制，数据访问吞吐量可达到 20000 次/10秒，可以适合过程仿真、优化控制、专家诊断等多种行业应用。（4）进程管理新增的进程管理器可按照配置安全启动、停止各个程序进程，支持进程异常自动处理功能。可远程监测各进程状态，远程启、停进程，远程上传、下载工程应用或更新程序组件。（5）报警、事件处理强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能。（6）功能强大的、开放的过程可视化监控平台全面提升的 HMI（7）灵活的报表生成器（8）对标准组件和图库进行了大量更新与扩充 52.5.2 组态软件特点随着工业自动化水平的迅速提高，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软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点： （1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； （2）封装性（易学易用） ，通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术） ，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； （3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的 I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具11有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制 6。3 加热反应炉简介加热反应炉作为一种热能动力设备，在国民经济的领域具有广泛应用。以继电接触器为主的老一代控制系统已不能满足现代锅炉越来越高，越来越复杂的要求，这一领域的计算机化已势在必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的 PLC又是使其计算机化的简便和可靠途径。在系统中，硬件上采用技术比较的成熟的可编程逻辑控制器，开发了采用 PLC 的开关量和模拟量输入模块，实现对模拟量采集；方法上运用到的是过程控制中常用的前馈与串级控制方法，保证了系统的稳定性和安全性。系统所运用到的界面是由 MCGS 软件做的。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关。在科学研究和生产实践的诸多领域中, 温度控制占有着极为重要的地位, 特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，具有举足轻重的作用。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。例如冶金、机械、食品、化工等各类工业生产中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等；燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程复杂多变，具有不确定性，因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。故以 PLC 为基础的生产过程的计算机控制，使的企业总的自动化水平大大提高。3.1 加热反应炉的输入输出设备表表 1 加热反应炉的输入输出设备表Table 1 Heating reactor input and output devices table3.2 加热反 应炉原理图输入设备 输出设备启动按钮 加热接触器停止按钮 排气阀上液面感应器 进料阀下液面感应器 氮气阀压力感应器 泄放阀温度感应器12图 1 加热反应炉原理图 Fig 1 Heating reactor principle diagram加热反应炉整体由四个阀：排气阀、进料阀、氮气阀、泄放阀，四个传感器：压力传感器、温度传感器、上液面传感器、下液面传感器，锅炉，加热器及加热接触器等组成。4 控制系统的设计4.1 加热反应炉对电气控制系统的要求在工艺过程上，加热反应炉对电控系统有如下要求：4.1.1 进料控制加热反应炉开始工作时，首先检测下液面 SK1，炉温 SK2，炉内压力 SK4 是否都小于给定值，即是否都为逻辑 0，若为 0，则开启排气阀 KV1 和进料阀 KV2。液面上升到设定位置时，使 SK3 闭合，并关闭排气阀和进料阀，延时 20S 后，开启氮气阀 KV3 使炉内压力上升，当压力上升到给定值时（SK4=1） ，关闭氮气阀，进料过程结束。4.1.2 加热反应控制当炉温低于给定值时（SK2=0） ，接通加热反应炉电源接触器 KM1；当炉温高于给定值时（SK2=1 ）,切断加热电源，维持 10 min，在此时间内炉温实现通断控制，即13保持 SK2=1。4.1.3 泄放控制打开排气阀 KV1，使炉内压力降到起始值(SK4=0)，并打开排放阀 KV4，当炉内液面下降到下液面时（SK1=0）,关闭 KV4 和 KV1，系统恢复到初始状态，进入下一个循环。4.2 系统设计方案首先，选择机型。目前 PLC 产品种类繁多，同一个公司生产出来的 PLC 也常常推出系列产品，这需要用户去选择最适合自己要求的产品。正确选择产品中，首要的是选定机型。只有选好机型，我们才能成功的做出产品，其选择方法有一下两种。4.2.1 根据系统类型选择机型从选机型的角度看，控制系统可以分成单体控制小系统、慢过程大系统和快速控制大系统。这些系统在 PLC 的选择上是有区别的。（1）单体控制的小系统：这种系统一般使用一台 PLC 就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能。这种系统对 PLC 间的通信问题要求不高，甚至没有要求。但有时功能要求全面，容量要求变化大，有些还要与设备系统的其他机器连接。对这类系统的选择要注意下面三种情况。一是设备集中，设备的功率较小。这时需选用局部式结构、低电压高密度输入输出模块。二是设备分散，设备的功率较大。这时需选用离散式结构、高电压、低密度输入输出模块。三是专门要求的设备。这时输入输出容量不是关键参数，更重要的是控制速度功能，选用速计数功能模块。 （2）慢过程大系统：对运行速度要求不高，但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求不高，如大型连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和共有系统、供风系统等。对这一类型对象，一般不选用大型机，因为它编程调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。一般都采用多台中小型和低速网相连接。由于现在生产的控制器多为插件式模板结构，它的价格是随输入输出模板数和智能模板数的多少决定的，同一种机型输入输出点数少，则价格便宜，反之则贵。所以一般使用网络相连后就不必要选用大机型。这样选用每一台中小型 PLC 控制一台单体设备，功能简单，程序14好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面小，且容易查找。（3）快速控制大系统：随着 PLC 在工业领域应用中的不断扩大，在中小型的快速系统中，PLC 不仅能完成逻辑控制和主令控制，并已逐步进入了设备控制级，如高速线材、中低速热连轧等速度控制系统。在这样的系统中，即使使用输入输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型 PLC 也难以满足控制要求。如多台 PLC，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。对信息交换的速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，也可以采用 PLC 的输出端口与另一台PLC 的输入端口硬件互联， ，通过输出输入直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。当然传送的信息不能太多，否则输入输出点占用太多。4.2.2 根据控制对象选择机型 对控制对象要求进行估计，这对确定机型十分重要。根据控制对象要求的输入输出点数的多少，可以估计出 PLC 的规模。根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC 的性能。根据控制对象的操作规则，可以估计出控制程序所占内存的容量。有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。（1）对输入/输出点数的估计：为了正确地估计输入 /输出点数,需要了解下列问题。对开关量输入，按参数等级分类统计；对开关量输出，按输出功率要求及其他参数分类统计；对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。（2）对 PLC 性能要求的估计：为了正确地估计 PLC 性能要求，需要了解下列问题。是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。机房离现场的最远距离为多少？现场对控制器响应速度有何要求。在此基础上，选择控制器时尚需注意两个问题。其一是 PLC 可带 I/O 点数。有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，有时也称为扫描容量，需格外注意。其二是 PLC 通信距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程 I/O 板在内达到的距离。但是如果 PLC 装有远程 I/O 模块时，由于远程 I/O 模块的响应速度慢，会使 PLC 的15响应速度大大下降。（3） 对所需内存容量的估计：用户程序所需要的内存与下列因素有关。逻辑量输入输出点数的估计；模拟量输入输出点数的估计；内存利用率的估计；程序编制者的编制水平的估计。程序中各条指令最后都是以机器语言形式存放在内存中。控制系统中输入输出点数和存放系统用户机器语言所占用的内存字节之比为内存利用率。内存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资，缩短周期时间，提高系统的响应时间。4.3 对象和范围的确定PLC 一般适合应用于环境差、而对安全性、可靠性要求比较高，系统工艺复杂，输入/ 输出以开关量为主的自动化控制系统或者装置中。当前的 PLC 不仅能对开关量能有效地进行控制，而且对模拟量的处理能力也非常强，可以完成复杂的自动控制任务。在确定控制对象和控制范围之后，就要开始 PLC 的选型。PLC 的选择主要包括PLC 容量的选择与确定、PLC 外设的选择与确定、 PLC 生产厂家的选择与确定 3 个方面。4.3.1 PLC 容量的选择与确定PLC 容量的选择，首先要对控制任务进行更加详细分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量 I/O 以及这些 I/O 点的性质。I/O 点的性质主要是指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是继电器、电磁阀，还是直流 24V的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点数可能大于实际点数。因此 PLC 的输出点一般是几个组成一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。这样就有可能造成输出点数的浪费，增加了生产成本。因此在设计中要尽量避免这种情况的出现。一般情况下，输出为继电器的 PLC 使用的最多，但是对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的 PLC。分析与了解了这么多之后，就可以确定PLC 的容量了，确定该使用多少点和 I/O 类型的 PLC。4.3.2 PLC 外设的选择与确定PLC 外设的选择也是在控制系统任务详细分析之后，根据实际的需要，选择与所使用的 PLC 相应的配套模块。164.3.3 PLC 生产厂家的选择与确定PLC 生产厂家的选择与确定主要考虑以下几个方面：（1）功能方面：所有的 PLC 一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务，比如，对 PLC 的通信能力的要求，对PLC 运算速度的要求，对 PLC 程序存储空间的要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个比较详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面：不同厂家的 PLC 产品价格相差会很大，有些功能类似、质量相当、容量相当的 PLC，其价格却相差 40%以上。使用 PLC 作控制系统的开发与应用，必须考虑到生产成本的问题，必须要考虑 PLC 的价格。（3）设计个人的实际情况：PLC 控制系统过程中的设计人员的个人喜好必然也会影响到 PLC 厂家的选择问题，比如设计人员一直以来对西门子 S7-200 系列产品比较熟悉，也做过相关的不少开发与应用，那么在相同的性能、相同的要求、相当的价格的情况下，就会首先考虑西门子 S7-200 系列 PLC。总上所述本系统选择西门子 S7-200 系列 PLC，中央处理单元为 CPU 224XP，该机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点，2 输入 /1 输出共 3 个模拟量 I/O 点，可连接 7 个扩展模块，最大扩展值至 168 路数字量 I/O 点或 38 路模拟量 I/O 点。20K 字节程序和数据存储空间，6 个独立的高速计数器（100KHz），2 个 100KHz 的高速脉冲输出，2 个 RS485 通讯 /编程口，具有 PPI 通讯协议、 MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量 I/O,位控特性，自整定 PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断 LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量 I/O 和强大控制能力的新型 CPU。4.4 系统硬件图设计PLC 控制系统的硬件设计主要有 PLC 及外围线路的设计、电气线路的设计等。在选定了 PLC 以及其扩展模块与分配好 I/O 地址后，硬件设计主要包括以下几个方面的内容。（1）电气控制系统原理图的设计电气控制原理图的设计包括主电路的设计和控制电路的设计。主电路一般是指强电中的主干电路设计。而控制电路主要是指 PLC 控制部分的设计，包括 PLC 的 I/O接线、自动部分接线、手动部分接线等。一般地，电气控制系统原理图中还应该标注器件代号，或者附上安装图、端子接线图等，以便控制柜的设计。17图 2 系统硬件构成示意图Fig 2 System hardware schemes（2）电气控制元、器件的选择电气控制元器件的选择主要是指根据控制系统的需要，合理地选择开关按钮、传感器、保护电气、接触器、指示灯和电磁阀等 PLC 的辅助外部元器件。合理地选择元、器件对整个控制系统的可靠性与实用性起到了很好的作用，由其是在工业设备的应用中，体现的更加鲜明。在完成了电器电路设计后，必须通过计算机辅助设计，将设计的详细原理用图形化的形式定量地表现出来，这就需要有硬件电路图的计算机辅助设计工具。常用于电器控制线路图设计的辅助工具有 AutoCAD、Visio、ECAD 等。系统硬件构成示意图上图 2 所示。其中 AutoCAD 与 ECAD 常用于中型电气线路的辅助设计，而 Visio 是微软开发的专门用于各个领域图形设计的软件，能很好地与 Word 等文字处理软件兼容，非常适合于中、小型电气控制原理图的设计，简单易学这为硬件电路图的设计提够了很大PLCS K 1S K 2S K 3S K 4S B 1S B 2K V 1K V 2K V 3K V 4K M 1H L 1H L 2C O MA CL2 4 VI 0 . 0I 0 . 1I 0 . 2I 0 . 5I 0 . 4I 0 . 3Q 0 . 0Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 62 2 0 V18的方便。图 3 PLC 结构示意图Fig 3 PLC structure schemesPLC 种类繁多，但其组成结构和基本原理基本相同。用 PLC 实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入/ 输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。PLC 专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入/ 输出接口电路等组成。PLC 的结构框图上图 3 所示。（1） 中央处理器（CPU）中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。与一般计算机一样，CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系统程序赋予的功能控制PLC 有条不紊地进行工作。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时，CPU 按循环扫描方式执行用户程序。19CPU 的主要任务是控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方式通过 I/O 接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断 PLC内部的工作故障和编程中的语法错误等；PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后，按指令规定的任务进行数据传输、逻辑或算数运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器中的内容、在经输出部分实现输出控制、指标打印和数据通信等功能。不同型号的 PLC 其 CPU 芯片是不同的，又采用通用 CPU 芯片的，有使用厂家自行设计的专用 CPU 芯片的。 CPU 芯片的性能关系到 PLC 处理控制信号的能力与速度CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。PLC 的功能 CPU 芯片技术的发展而提高和增强。现在大多数 PLC 都采用 32 位 CPU，所以，即使是小型的PLC，其性能也不一定比过去大中型的 PLC 差。（2）存储器PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能更改。它使 PLC 具有基本的功能，能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。用户存储器包括用户程序存储器和用户数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的 PLC 编程语言编写的应用程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是 RAM、EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可由用户任意更改。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF 状态和数值、数据等，用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指标之一。而 PLC 使用的存储器类型有三种：ROM（只读存储器）、RAM（随机存取存储器）和 EEPROM（可电擦出可编程的只读存储器） 。（3） 输入/输出单元PLC 的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入/输出接口单元包含两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入单元接受来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。外部接口电路将这些信号转换成 CPU 能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并结合其他元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口20电路将由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控设备的执行元件。（4） 电源部分PLC 一般使用 220V 的交流电源或 24V 直流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电路提供 5V、-12V/+12V 、24V 等直流电源，整体式的小型 PLC还提供一定容量的直流 24V 电源，供外部有源传感器使用。 PLC 所采用的看管电源输入电压范围宽、体积小、效率高、抗干扰能力强。电源不见的位置形式可有多种，对于整体式结构的 PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式 PLC，则多采用单独的电源模块。（5） 编程设备过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试。读写程序智能使用最不直观的语句表语言，屏幕显示也只有 23 行，各种信息用一些特定的代码表示，操作繁琐不便。现在 PLC 生产厂家不再提供编程器，取而代之的是给用户配置在 PC 上运行的基于 Windows 的编程软件。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能快图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换，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。程序可以保存和打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。更方便的是编程软件的实时调试功能非常强大，不仅能监视 PLC 运行过程中的各种参数和程序执行情况，还能惊醒智能化的故障诊断。4.5 控制系统的软件设计S7-200 的程序结构有两种，即线性结构和分块结构。在程序设计中叫线性程序和分块程序设计。（1） 线性程序设计线性程序设计就是把工程中需要的控制的任务按照工艺要求书写在主程序中。线性程序设计结构简单，分析起来一目了然。这种结构适用于编写一些规模较小、运行过程比较简单的控制程序。对于一些控制规模较大、运行过程比较复杂的控制程序，特别对于分支较多的控制程序，则不宜选用这种结构。（2） 分块程序设计分块结构的程序是根据工程的特点，把一个复杂的控制分成多个比较简单的，规模较小的控制任务。可以把这些控制任务分配给一个个子程序块。在子程序中编制具体任务的控制程序，最后由主程序调用的方式把整个控制程序统管起来。分块程序有21更大的灵活性，适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。由于具体任务的控制程序分配在各自的子程序中编制，而具体任务的控制程序相对来说都比较简单，用比较简单的线性程序就能够实现，因而可以使程序的编制相对容易。而且，如果觉得用一个线性程序编制具体任务的控制程序还有困难时，可以在编制具体任务控制程序时，再一次使用分块结构编程，因而使编程简单容易。令外，分块程序也给程序的调试带来方便。由于程序是分块的，调试程序也可以分块进行，等局部程序调制完之后，在总体合成，可以看出，分块结构便于调试。当工艺发生变化时，只需要修改变化部位的程序。分块结构的应用最广泛。在了解了 PLC 程序结构之后，就要具体地编制程序了。编制 PLC 控制程序的方法很多，有（1） 图解法编程图解法