PLC的卧式车床电气控制系统-课程设计

PLCPLC的卧式车床电气控制系统的卧式车床电气控制系统 课程设计课程设计 一 课题设计任务书 一 本课题设计研究的基本内容 车床是机床中应用最广泛的一种 它可以用于切削各种工件的外圆 内孔 端面及螺纹 车床在 加工工件时 随着工件材料和材质的不同 应选择合适的主轴转速及进给速度 但目前中小型车 床多采用不变速的异步电动机拖动 它的变速是靠齿轮箱的有级调速来实现的 所以它的控制电 路比较简单 为满足加工的需要 主轴的旋转运动有时需要正转或反转 这个要求一般是通过改 变主轴电动机的转向或采用离合器来实现的 进给运动多半是把主轴运动分出一部分动力 通过 挂轮箱传给进给箱来实现刀具的进给 有的为了提高效率 刀架的快速运动由一台进给电动机单 独拖动 车床一般都设有交流电动机拖动的冷却泵 来实现刀具切削时冷却 有的还专设一台润 滑泵对系统进行润滑 二 本课题设计的目的 通过这次课题设计来了解PLC在日常生活中的实际应用 培养我们独立分析和解决问题的能力 并进一步掌握PLC的使用方法 三 设计要求 1 主要控制电器为三台电机 主电动机 冷却泵电机 快速移动电机 三台电机都要有短路保护措施 主电动机和冷却泵电机采用热继电器进行过载保护 主电动机要采用降压起动方式起动 主电动机要求能够正反转控制 并且有点动调整控制和长动控制 采用反接制动 主回路负载的电流大小能够监控 但要防止启动电流对电流表产生冲击 机床要有照明设施 四 编写设计报告说明 内容包括 设计过程和有关说明 基于PLC的控制系统电路图 PLC控制程序 梯形图和指令表 最好写出程序流程图 电器元器件的选择和有关计算 电气设备明细表 参考资料 参考书及参考手册 二 计划书 综合课题设计进度计划表 实践时间 实践科目 实践进度 实践地点 第10周 课题设计 收集相关资料 寝室 第11周 课题设计 收集相关资料 寝室 第12周 课题设计 整理收集的资料 寝室 第13周 课题设计 资料输入与修改 寝室 第14周 课题设计 调试和整理程序 PLC实验室 第15周 第16周 课题设计 进行总结和打印报告 寝室 前言 通过三年的学习 让我们在学校学到了很多的东西 我们需要用所学的知识作一个总结 检验我 们这几年在学校的学习情况 对自己和老师还有家长都有一个交代 在所学的课程中 我选中了 对PLC的卧式车床电气控制系统这个题目 首先是因为我们PLC在现代工业中的应用 PLC是以自动控制技术 微计算机技术 和通信技术为基础发展起来的新一代工业控制装置 随 着微处理器技术的发展 PLC得到了迅速的发展 也在社会各领域的生产训得到了越来越多的应 用 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 为什么应用如此的广泛 是因为PLC是微机技术与传统的继 电接触控制技术相结合的产物 它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂 可靠性低 功耗高 通用性和灵活性差的缺点 充分利用了微处理器的优点 又照顾到现场电气操作维修 人员的技能与习惯 特别是PLC的程序编制 不需要专门的计算机编程语言知识 而是采用了一 套以继电器梯形图为基础的简单指令形式 使用户程序编制形象 直观 方便易学 调试与查错也 都很方便 用户在购到所需的PLC后 只需按说明书的提示 做少量的接线和简易的用户程序编 制工作 就可灵活方便地将PLC应用于生产实践 PLC卧式车床电气控制系统作为我的PLC课题设计 通过对卧式车床电气控制系统的设计能够让 我加深PLC的学习内容 并能进一步扩展我认识其它相关的学科 为创新设计打下基础 面对我 们从来没有看到过的东西 给我们的课题设计带来困难 这样在课程设计时我根本无从下手 因 此也导致了我对机械设计缺乏学习兴趣 并且课题设计延迟了时间 但是最终还是给与了解决 在这次课题设计中 我了解了较多有关车床方面的知识 特别的电气方面的知识 对以后从事这 方面的工作打下了坚实的基础 对我自己来说有很重要的意义 598PLC的卧式车床电气控制系统 目录 一 西门子PLC简介 6 二 其他PLC简介 7 三 编程软件和仿真软件简介 8 四 指令系统 14 五 PLC 的应用领域 17 六 举例说明西门子PLC的应用 21 七 PLC的国际国内发展趋势和研究现状 31 八 总结 33 九 参考资料 33 一 西门子PLC简介 德国西门子 SIEMENS 公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛 在冶金 化工 印 刷生产线等领域都有应用 西门子 SIEMENS 公司的PLC产品包括LOGO S7 200 S7 300 S7 400 工业网络 HMI人机界面 工业软件等 西门子S7系列PLC体积小 速度快 标准化 具有网络通信能力 功能更强 可靠性更高 S7系列P LC产品可分为微型PLC 如S7 200 小规模性能要求的PLC 如S7 300 和中 高性能要求的PLC 如S7 400 等 1 SIMATIC S7 200 PLC S7 200 PLC是超小型化的PLC 它适用于各行各业 各种场合中的自动检测 监测及控制等 S7 200 PLC的强大功能使其无论单机运行 或连成网络都能实现复杂的控制功能 S7 200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用 2 SIMATIC S7 300 PLC S7 300是模块化小型PLC系统 能满足中等性能要求的应用 各种单独的模块之间可进行广泛组合 构成不同要求的系统 与S7 200 PLC比较 S7 300 PLC采用模块化结构 具备高速 0 6 0 1 s 的指令运算速度 用浮点数运算比较有效地实现了更 为复杂的算术运算 一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值 方便的 人机界面服务已经集成在S7 300操作系统内 人机对话的编程要求大大减少 SIMATIC人机界面 HMI 从S7 300中取得数据 S7 300按用户指定的刷新速度传送这些数据 S7 300操作系统自动地处理数据的传送 CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常 记录错误和特殊系统事件 例如 超时 模块更换 等等 多级口令保护可以使用户高度 有效地 保护其技术机密 防止未经允许的复制和修改 S7 300 PLC设有操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出 当钥匙拔出时 就不能改 变操作方式 这样就可防止非法删除或改写用户程序 具备强大的通信功能 S7 300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能 这使得组态非常容易 简单 S7 300 PLC具有多种不同的通信接口 并通过多种通信处理器来连接AS I总线接口和工业以太网总线系统 串行通信处理器用来连接点到点的通信系统 多点接口 MPI 集成在CPU中 用于同时连接编程器 PC机 人机界面系统及其他SIMATIC S7 M7 C7等自动化控制系统 3 SIMATIC S7 400 PLC S7 400 PLC是用于中 高档性能范围的可编程序控制器 S7 400 PLC采用模块化无风扇的设计 可靠耐用 同时可以选用多种级别 功能逐步升级 的CPU 并配 有多种通用功能的模板 这使用户能根据需要组合成不同的专用系统 当控制系统规模扩大或升 级时 只要适当地增加一些模板 便能使系统升级和充分满足需要 4 工业通讯网络 通讯网络是自动化系统的支柱 西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级 的一致性通讯 SIMATIC NET 是全部网络系列产品的总称 他们能在工厂的不同部门 在不同的自动化站以及通过不同 的级交换数据 有标准的接口并且相互之间完全兼容 5 人机界面 HMI 硬件 HMI硬件配合PLC使用 为用户提供数据 图形和事件显示 主要有文本操作面板TD200 可显示 中文 OP3 OP7 OP17等 图形 文本操作面板OP27 OP37等 触摸屏操作面板TP7 TP27 37 T P170A B等 SIMATIC面板型PC670等 个人计算机 PC 也可以作为HMI硬件使用 HMI硬件需要 经过软件 如ProTool 组态才能配合PLC使用 6 SIMATIC S7工业软件 西门子的工业软件分为三个不同的种类 1 编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程 组态 模拟和维护等控制所需的工具 STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7 300 400 C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具 STEP 7 Micro WIN是在Windows平台上运行的S7 200系列PLC的编程 在线仿真软件 2 基于PC的控制软件 基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器 PLC 运行用户的程序 运 行在安装了Windows NT4 0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机 WinAC提供两种PLC 一种是软件PLC 在 用户计算机上作为视窗任务运行 另一种是插槽PLC 在用户计算机上安装一个PC卡 它具有硬 件PLC的全部功能 WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容 其编程采用统一的SIMATIC编程工具 如STEP 7 编制的程序既可运行在WinAC上 也可运行在S7系列处理器上 3 人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面 HMI 或SCADA系统 支持大范围的平台 人机 界面软件有两种 一种是应用于机器级的ProTool 另一种是应用于监控级的WinCC ProTool适用于大部分HMI硬件的组态 从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态 ProTool lite用于文本显示的组态 如 OP3 OP7 OP17 TD17等 ProTool Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品 ProTool Pro不只是组态软件 其运行版也用 于Windows平台的监控系统 WinCC是一个真正开放的 面向监控与数据采集的SCADA Supervisory Control and Data Acquisition 软件 可在任何标准PC上运行 WinCC操作简单 系统可靠性高 与STEP 7功能集成 可直接进入PLC的硬件故障系统 节省项目开发时间 它的设计适合于广泛的应用 可以连接到已存在的自动化环境中 有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力 其最 新的WinCC5 0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程 二 其它PLC简介 1 三菱PLC简介 世界上PLC产品可按地域分成三大流派 一个流派是美国产品 一个流派是欧洲产品 一个流派 是日本产品 美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的 因此美国和欧洲的PL C产品有明显的差异性 而日本的PLC技术是由美国引进的 对美国的PLC产品有一定的继承性 但日本的主推产品定位在小型PLC上 美国和欧洲以大中型PLC而闻名 而日本则以小型PLC著 称 日本的小型PLC最具特色 在小型机领域中颇具盛名 某些用欧美的中型机或大型机才能实现的 控制 日本的小型机就可以解决 在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机 所以格 外受用户欢迎 日本有许多PLC制造商 如三菱 欧姆龙 松下 富士 日立 东芝等 在世界小型 PLC市场上 日本产品约占有70 的份额 三菱公司的PLC是较早进入中国市场的产品 其小型机F1 F2系列是F系列的升级产品 早期在我 国的销量不小 使得许多大专院校讲解PLC编程的教材都以三菱公司的PLC为例 国内的一些PL C生产厂家为了迅速获得用户 其PLC编程语言的指令集都与三菱公司的PLC兼容 三菱PLC以其 高性能 低价格应和了中国工控行业的需要 在国内得到了广泛的应用 三菱PLC598 PLC的卧式车床电气控制系统 产品系列十分丰富 可以广泛的满足不同用户的需要 三菱电机公司的PLC产品主要有以下几个 系列 FX1S系列 三菱PLC是一种集成型小型单元式PLC 且具有完整的性能和通讯功能等扩展性 如 果考虑安装空间和成本是一种理想的选择 FX1N系列 是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC 具有扩展输入输出 模拟量控制和通讯 链接功能等扩展性 是一款广泛应用于一般的顺序控制PLC FX2N系列 是三菱PLC是FX家族中最先进的系列 具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的 特殊功能模块等特点 为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力 FX3U 是三菱电机公司新近推出的新型第三代PLC 可能称得上是小型至尊产品 基本性能大幅 提升 晶体管输出型的基本单元内置了3轴独立最高100kHz的定位功能 并且增加了新的定位指 令 从而使得定位控制功能更加强大 使用更为方便 FX1NC FX2NC FX3UC三菱PLC 在保持了原有强大功能的基础上实现了极为可观的规模缩小I O型接线接口降 低了接线成本 并大大节省了时间 Q系列三菱PLC 三菱电机公司推出的大型PLC CPU类型有基本型CPU 高性能型CPU 过程控 制CPU 运动控制CPU 冗余CPU等 可以满足各种复杂的控制需求 为了更好地满足国内用户对三菱PLC Q系列产品高性能 低成本的要求 三菱电机自动化推出了经济型QUTE SET型PLC 即一款以自带64点高密度混合单元的5槽Q00JCOU SET 另一款自带2块16点开关量输入及2块16点开关量输出的8槽Q00JCPU S8 SET 其性能指标与Q00J完全兼容 也完全支持GX Developer等软件 故具有极佳的性价比 A系列三菱PLC 使用三菱专用顺控芯片 MSP 速度 指令可媲美大型PLC A2ASCPU支持32个PID回路 而QnASCPU的回路数目无限制 可随内存容量的大小而改变 程序 容量由8K步至124K步 如使用存储器卡 QnASCPU则内存量可扩充到2M字节 有多种特殊模块 可选择 包括网络 定位控制 高速计数 温度控制等模块 2 FATEK FBS 系列PLC 简介 永宏FATEK FBS 系列PLC 是一种外型小巧却具媲美中大型PLC 功能的新一代微型PLC 其通讯端口最多5 个 最大I O 为数字量输入 Digital Input 简称DI 256 点 数字量输出 Digital Output 简称DO 256 点 数值输入 Numeric Input 简称NI 64 个字符 数值输出 Numeric Output 简称NO 64 个字符 FBS 主机有MA 经济型 MC 高功能型 及MN 高速 NC 型 等三大类 点数由10 点 60 点共计17 种机型 扩展机 模块则有DI DO 14 种机型 NI NO 12 种机型 通讯外围则有RS232 RS485 USB Ethernet 等界面共14 种基板及模 块 3 KDN K3系列PLC简介 KDN K3系列小型一体化可编程控制器是用于工厂自动化领域中机器控制和小规模过程控制的先进PL C产品 与市场众多的同类产品相比它是后来者 但却跨越了PLC发展的初级阶段 将多种先进技 术和高级功能集成到逻辑控制器中 因此广泛适用于以下控制应用 包装机械 纺织机械 建材机 械 食品机械 塑料机械 数控机床 印刷机械 中央空调 环保设备以及单一过程控制装置 三 编程软件和仿真软件简介 1 编程软件 编程软件STEP7 MICRO WIN32的基本功能是协助用户完成PLC 应用程序的开发 同时具有设置PLC参数 加密和运行监视等功能 STEP7 Micro WIN32编程软件在离线条件下 可以实现程序的输入 编辑 编译等功能 编程软件在联机工作方式 PLC与编程PC连接 可实现上 下载 通讯测试及实时监控等功能 STEP7 Micro WIN32窗口组件及功能 STEP7 Micro WIN32窗口的首行主菜单包括有文件 编辑 检视 PLC 调试 工具 视窗帮助等 主菜单 下方两行为工具条快捷按钮 其他为窗口信息显示区 如图1 2 1所示 窗口信息显示区分别为程序数据显示区 浏览条 指令树和输出视窗显示区 当在检视菜单子目 录项的工具栏中选中浏览栏和指令树时可在窗口左侧垂直地依次显示出浏览条和指令树窗口 选 中工具栏的输出视窗时 可在窗口的下方横向显示输出视窗框 非选中时为隐藏方式 输出视窗 下方为状态条 提示STEP7 Micro WIN32的状态信息 指令系统 浏览条 显示常用编程按钮群组 View 视图 显示程序块 符号表 状态图 数据块 系统块 交叉参考及通讯按钮 Tools 工具 显示指令向导 TD200向导 位置控制向导 EM253控制面板和扩展调制解调器向导的按钮 指令树 提供所有项目对象和当前程序编辑器 LAD FBD或STL 的所有指令的树型视图 您可以在项目 分支里对所打开项目的所有包含对象进行操作 利用指令分支输入编程指令 状态图 允许您将程序输入 输出或变量置入图表中 监视其状态 可以建立多个状态图 以便分组查看 不同的变量 输出窗口 在您编译程序或指令库时提供消息 当输出窗口列出程序错误时 可双击错误讯息 会自动在程 序编辑器窗口中显示相应的程序网络 状态栏 提供您在Steep7 Micro WIN32中操作时的操作状态信息 程序编辑器 包含用于该项目的编辑器 LAD FBN或STL 的局部变量表和程序视图 如果需要 您可以拖动 分割条以扩充程序视图 并覆盖局部变量表 单击程序编辑器窗口底部的标签 可以在主程序 子程序和中断服务程序之间移动 局部变量表 包含对局部变量所作的定义赋值 即子程序和中断服务程序使用的变量 菜单栏 提供常用命令或工具的快捷按钮 如图1 2 2所示 您可以定制每个工具条的内容 图1 2 2 工具栏 图1 2 3 标准工具栏 正排序 上载局部编译全编译Undo 撤消 下载逆排序 选项 图1 2 4 常用工具栏 图1 2 5调试工具 图1 2 6 LAD指令工具 允许您使用鼠标或键盘执行操作各种命令和工具 您可以定制 工具 菜单 在该菜单中增加自己 的内容和外观 1 主菜单及子目录的状态信息 1 文件 File 文件的操作有新建 打开 关闭 保存 另存 导入 导出 上 下载 页面设置 打印及预览等 2 编辑 Edit 编辑菜单提供程序的撤消 剪切 复制 粘贴 全选 插入 删除 查找 替换等子目录 用于程序 的修改操作 3 检视 View 检视菜单的功能有6项 可以用来选择在程序数据显示窗口区显示不同的程序编辑器 如语句表 STL 梯形图 添加段 删除段 切换符号信息表 切换段注释 书签功能 切换程序注释 运行 停止程序监控 状态图连续监控 状态图单次监控 强制全部写入解除强制 解除全部强制 线段操作 触点线圈指令盒 LAD 功能图 FBD 可以进行数据块 符号表的设定 对系统块的配置 交叉引用 通讯参数进行设置 工具栏区可以选择浏览栏 指令树及输出视窗的显示与否 缩放图像项可对程序区显示的百分比等内容进行设定 对程序块的属性进行设定 4 PLC 可编程控制器 PLC菜单用以建立与PLC联机时的相关操作 如用软件改变PLC的工作模式 对用户程序进行编 辑 清除PLC程序及电源启动重置 显示PLC信息及PLC类型设置等 5 调试 Debug 调试菜单用于联机形式的动态调试 有单次扫描 多次扫描 程序状态等选项 选 子菜单 与检 视菜单的缩放功能一致 6 工具 Tools 工具菜单提供复杂指令向导 PID NETR NETW HSC指令 和TD200设置向导 以及TP070 PLC的卧式车床电气控制系统 触摸屏 的设置 7 视窗 Windows 视窗菜单可以选择窗口区的显示内容及显示形式 梯形图 语句表及各种表格 8 帮助 help 帮助菜单可以提供S7 200的指令系统及编程软件的所有信息 并提供在线帮助和网上查询 访问 下载等功能 2 工具条 工具条提供简便的鼠标操作 将最常用的STEP7 Micro WIN32操作以按钮的形式设定到工具条 可以用 检视 View 菜单中的 工具 Toolbars 选项来显示或隐藏4种工具条 标准 Standard 调试 Debug 公用 common 和指令 Instructions 工具条 3 引导条 引导条为编程提供按钮控制的快速窗口切换功能 该条可用 检视 View 菜单中的 引导条 Navi gation Bar 选项来选择是否打开 引导条含程序块 Program Block 符号表 Symbol Table 状态图表 Status Chart 数据块 Data Block 系统块 System Block 交叉索引 Cross Reference 和通信 Communication 等图标按钮 单击任何一个按钮 则主窗口切换成次按钮对 应的窗口 引导条中的所有操作都可用 指令树 Instruc tionTree 窗口或 检视 View 菜单来完成 4 指令树 指令树是编程指令的树状列表 可用 检视 View 菜单中 指令树 Instruction Tree 的选项来选择是否打开 并提供编程时所用到的所有快捷命令和PLC指令 5 输出窗口 输出窗口是用来显示程序编译的结果信息 如各程序块 主程序 子程序的数量及子程序号 中断 程序的数量及中断程序号 及各块的大小 编译结果有无错误 错误编码和位量等 此外 从引导 条中点击系统块和通信按钮 可对PLC运行的许多参数进行设置 如设置通信的波特率 调整PL C断电后机内电源数据保存的存储器范围 设置输入滤波参数设置机器的操作密码等 2 仿真软件 S7 PLCSIM软件的功能 1 模拟PLC的寄存器 可以模拟512个计时器 T0 T511 可以模拟131072位 二进制 M寄存器 可以模拟131072位I O寄存器 可以模拟4095个数据块 2048个功能块 FBs 和功能 FCs 本地数据堆栈64K字节 66 个系统功能块 SFB0 SFB65 128个系统功能 SFC0 SFB127 123个组织块 OB0 OB122 2 对硬件进行诊断 对于CPU 还可以显示其操作方式 如图1示 SF system fault 表示系统报警 DP distributed peripherals or remote I O 表示总线或远程模块报警 DC power supply 表示CPU有直流24伏供给 RUN 表示系统在运行状态 STOP表示系统在停止状态 图1 CPU的操作方式 3 对变量进行监控 用菜单命令Insert input variable监控输入变量 Insert output variable监控输出变量 Insert memory variable监控内部变量 Insert timer variable监控定时器变量 Insert counter variable监控计数器变量 图2表示上述变量表 这些变量可以用二进制 十进制 十六进制来访问 但是必须注意输出变量QB一般不强制修改 图2 所有变量 4 对程序进行调试 设置 删除断点 利用 设置 删除断点 可以确定程序执行到何处停止 断点处的指令不执行 断点激活 利用 断 点激活 可以激活所有的断点 不仅包括已经设置的 也包括那些要设置的 利用 下一条指令 可以单步执行程序 如果遇到 块调用 用 下一条指令 就跳到块后的第一条指令 S7 PLCSIM软件的实现方法及模拟程序 本文通过具体例子来说明S7 PLCSIM软件的仿真功能 以压印机主机调速为例子 工艺要求为 按下启动按钮I4 0 主机启动Q1 2 0 主机自动升速到700转 分 并保持不变 按下启动按钮I4 1 主机停止运行 使用S7 PLCSIM软件调试程序的步骤如下 1 首先用STEP7软件对系统进行硬件组态 然后再用STEP7软件编程 允许结构化你的程序 也就 是说可以将程序分解为单个的 自成体系的程序 最后通过系统组织块OB1编写程序 程序如图3 示 图3 编写程序 2 再用STEP7软件SIMITIC 管理器菜单OPTION中选择Simulating Modules为ON状态 表示选择仿真调试 如图4示 图4 选择仿真调试 3 在S7 PLCSIM软件中新建PLC文档 选择菜单命令PLC Power on 打开仿真PLC的电源 选择仿真PLC的工作方式为STOP状态 选择菜单命令EXECUTE Scan mode Scan continous表示连续扫描方式 4 用STEP7软件SIMITIC 管理器菜单命令PLC Download 把程序下载到中仿真PLC中 5 在S7 PLCSIM软件中模拟实际操作 选择仿真PLC的工作方式为RUN状态 按下启动按钮I4 1 主机开 始运行 自动升速 速度值送到MW20 可以监视STEP7软件中梯形图程序的运行情况 选择菜单命 令Debug monitor来监视 图5模拟实际升速过程 图5 模拟实际升速过程 6 当在S7 PLCSIM软件中模拟实际操作 如果检测到程序出错 会调用相应错误组织块 S7 PLCSIM软件支持对硬件中断组织块OB40 OB47的仿真 支持对时钟中断组织块OB10 OB17的仿真 支持对扫描周期大于最大允许循环时间的中断组织块OB80的仿真 7 保存生成的PLC文档 以便下次仿真时直接调用的设置 四 指令系统 1 装逻辑取 载 及线圈驱动指令 1 LD load 常开触点逻辑运算的开始 LDN load not 常闭触点逻辑运算的开始 对操作数的状态取反 OUT 线圈驱动 赋值指令 对同一元件只能使用一次 2 指令格式 PLC的卧式车床电气控制系统 2 触点串联指令A And AN And not 1 定义 A And 串联连接常开触点 AN And not 串联连接常闭触点 2 指令格式 3 触点并联指令 4 逻辑环节 电路块 的串联指令ALD 5 逻辑环节 电路块 的并联指令OLD 6 定时器 定时器的指令格式 LAD STL 说明 TON T PT TON 通电延时定时器 TONR 记忆型通电延时定时器 TOF 断电延时型定时器 IN是使能输入端 指令盒上方输入定时器的编号 T 范围为T0 T255 PT是预置值输入端 最大预置值为32767 PT的数据类型 INT PT操作数有 IW QW MW SMW T C VW SW AC 常数 TONR T PT 1 定时精度和定时范围 定时器的工作原理是 使能输入有效后 当前值PT对PLC内部的时基脉冲增1计数 当计数值大于 或等于定时器的预置值后 状态位置1 其中 最小计时单位为时基脉冲的宽度 又为定时精度 从定时器输入有效 到状态位输出有效 经过的时间为定时时间 即 定时时间 预置值 时基 当 前值寄存器为16bit 最大计数值为32767 由此可推算不同分辨时的定时器的设定时间范围 CPU 22X系列PLC的256个定时器分属TON TOF 和TONR工作方式 以及3种时基标准 如表4 4所示 可见时基越大 定时时间越长 但精度越差 表4 4 定时器的类型 工作方式 时基 ms 最大定时范围 s 定时器号 TONR 1 32 767 T0 T64 10 327 67 T1 T4 T65 T68 100 3276 7 T5 T31 T69 T95 TON TOF 1 32 767 T32 T96 10 327 67 T33 T36 T97 T100 100 3276 7 T37 T63 T101 T255 2 1ms 10ms 100ms定时器的刷新方式不同 1ms定时器每隔1ms刷新一次与扫描周期和程序处理无关即采用中断刷新方式 因此当扫描周期 较长时 在一个周期内可能被多次刷新 其当前值在一个扫描周期内不一定保持一致 10ms 定时器则由系统在每个扫描周期开始自动刷新 由于每个扫描周期内只刷新一次 故而每次程序 处理期间 其当前值为常数 100ms定时器则在该定时器指令执行时刷新 下一条执行的指令 即可使用刷新后的结果 非常 符合正常的思路 使用方便可靠 但应当注意 如果该定时器的指令不是每个周期都执行 定时 器就不能及时刷新 可能导致出错 例题1 起动保持停止电路 起保停电路 起保停电路最主要的特点的具有 记忆 功能 按下启动按钮 I0 0的常开触点接通 如果这时未按 停止按钮 I0 1的常闭触点接通 Q0 0的线圈 通电 它的常开触点同时接通 放开启动按钮 I0 0 的常开触点断开 能流 经Q0 0的常开触点和I0 1的常闭触点流过Q0 0的线圈 Q0 0仍为ON 这 就是所谓的 自锁 或 自保持 功能 按下停止按钮 I0 1的常闭触点断开 使Q0 0的线圈断电 其 常开触点断开 以后即使放开停止按钮 I0 1的常闭触点恢复接通状态 Q0 0的线圈仍然 断电 梯形图与时序分析见下图 例题2 图4 48中I0 0的常开触点接通后 T37的IN输入端为1状态 T37开始定时 2S后定时时间到 T37的常 开触点接通 使Q0 0变为ON 同时T38开始计时 3s后T38的定时时间到 它的常闭触点断开 使T 37的IN输入端变为0状态 T37的常开触点断开 Q0 0变为OFF 同时使T38的IN输入端变为0状态 其常闭触点接通 T37又开始定时 以后Q0 0的线圈将这样周期性地 通电 和 断电 直到I0 0 变为OFF Q0 0线圈 通电 时间等于T38的设定值 断电 时间等于T37的设定值 五 PLC的应用领域 PLC的应用领域目前 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 使用情况大致可归纳为如下几类 3 1开关量的逻辑控制这是PLC最基本 最广泛的应用领域 它取代传统的继电器电路 实现逻辑 控制 顺序控制 既可用于单台设备的控制 也可用于多机群控及自动化流水线 如注塑机 印刷 机 订书机械 组合机床 磨床 包装生产线 电镀流水线等 3 2模拟量控制在工业生产过程当中 有许多连续变化的量 如温度 压力 流量 液位和速度等 都是模拟量 为了使可编程控制器处理模拟量 必须实现模拟量 Analog 和数字量 Digital 之间 的A D转换及D A转换 PLC厂家都生产配套的A D和D A转换模块 使可编程控制器用于模拟量 控制 3 3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制 从控制机构配置来说 早期直接用于开关 量I O模块连接位置传感器和执行机构 现在一般使用专用的运动控制模块 如可驱动步进电机 或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块 世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能 广泛用于各种机械 机床 机器人 电梯等场合 3 4过程控制过程控制是指对温度 压力 流量等模拟量的闭环控制 作为工业控制计算机 PLC 能编制各种各样的控制算法程序 完成闭环控制 PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调 节方法 大中型PLC都有PID模块 目前许多小型PLC也具有此功能模块 PID处理一般是运行专 用的PID子程序 过程控制在冶金 化工 热处理 锅炉控制等场合有非常广泛的应用 3 5数据处理现代PLC具有数学运算 含矩阵运算 函数运算 逻辑运算 数据传送 数据转换 排 序 查表 位操作等功能 可以完成数据的采集 分析及处理 这些数据可以与存储在存储器中的 参考值比较 完成一定的控制操作 也可以利用通信功能传送到别的智能装置 或将它们打印制 表 数据处理一般用于大型控制系统 如无人控制的柔性制造系统 也可用于过程控制系统 如造 纸 冶金 食品工业中的一些大型控制系统 3 6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信 随着计算机控制的发展 工厂自动化网络发展得很快 各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能 纷纷推出各自的网络系 统 新近生产的PLC都具有通信接口 通信非常方便 现用电力系统来说明PLC的应用 众所周知变电站是电力系统中不可缺少的重要环节 由于它担负着电能转换和电能重新分配的 繁重任务 对电网的安全和经济运行起着重要的作用 但是 现存的许多老式变电站由于存在安 全性 可靠性不能适应电力系统实时控制等一系列缺点而无法满足电力系统现代化的各项要求 因此提出一种安全 可靠 能提高电力系统运行 管理水平的变电站综合自动化设计方案已成为 一项十分紧迫的任务 目前 已经实际运行的综合自动控制系统有 LAS系统 基于CAN LON网 的分散分布式变电站控制系统等 它们在实际应用中取得了较好的成效 但也存在着技术和经济 上的各种缺点 本文在研制智能型有载调压变压器监控系统的基础上 从变电站综合自动化发展 的大方向 即从集中控制型向分散 层 网络型发展 从专用设备向平台发展 从传统控制向综合智 能方向发展 出发 提出了一种新型的变电站综合自动控制系统结构设计方案 可应用于变电站 综合自动控制系统中 有着广泛的应用前景 变电站综合自动化包括的内容很多 它是将变电站的二次设备 控制信号 测量保护 自动装置及 远动装置等 利用计算机技术 现代通信技术经过功能组合和优化设计 对变电站执行自动监视 控制和协调的一种综合性的自动化系统 以下仅以变压器有载调压监控系统为例 说明PLC分级 递阶控制这种结构体系在变电站综合自动控制中是有效 可行的 2 PLC分极递阶控制系统的结构 可编程控制器 PLC 被称为现代工业控制的三大支柱 PLC 机器人和CAD CAM 之一 具有可靠 性高 易于控制 编程使用简单 性价比高 环境适应性强等特点 已被广泛地应用于控制领域 在变电站综合自动控制中也已有应用 但是PLC在数据 信息处理与图象显示等方面仍显不足 还无法与计算机相比 因而未能充分发挥其强大功能 一般只是用PLC对开关量进行控制 但近 年来随着PLC通信网络功能的不断增强 已可以方便的将PLC与计算机连接 利 PLC的卧式车床电气控制系统 用计算机运算速度快 信息处理方便 显示性能高的优点 将其作为上位机 行使管理功能 与PL C形成一个优势互补的分级递阶控制系统 这样 PLC就可以执行复杂的控制职能 从而可以对变 电站进行最优综合控制 分级递阶控制思想的实质是将一个大的控制系统按功能或结构进行层次分配 将全系统的监视 和控制功能划属于不同的级别去完成 各级完成分配给它的功能 并将有关信息传递到上一级 接受上一级管理 综合控制功能由最高一级决策执行 各级的工作相互协调 力求整个控制系统 达到最佳效果 分级递阶控制依据 层次越高 智能越高 控制精度越低 层次越低 智能越低 控制精度越高 的 拟人的原则进行设计 基于PLC的分级递阶控制系统共分为三级 组织级 监控 协调级和执行级 其系统结构框图如图1所示 1 组织级 Organization Level 这是整个系统的最高级 其智能程度最高 执行组织管理决策的智能 对下进行指导和监 控 该级对上通过人机接口与管理人员进行友善的人机对话 执行管理决策的职能 对下监视 指导协调级的所有行为 其智能程度最高 但精度不高 宜粗不宜细 以便进行宏观指导 该级还 可以根据实际生产过程和环境等信息 采用人 机结合的方式自动或半自动的提出合理的控制目标或指标 形成相应的命令或任务向低层下达 这部分通常由高功能的计算机来完成 2 监控 协调级 Coordination Level 该级主要根据组织级的命令协调下位PLC的运行 避免下位PLC发生冲突 并将下位PLC的 信息传输到上位计算机 监控 协调机既可以是工业控制计算机也可以是主PLC或PLC终端 可根 据控制要求进行选择 3 执行级 Executive Level 这是控制系统的最低级 执行现场控制功能 是自动控制系统中控制的关键级 该级智能 最低 但可靠性 控制精度和实时性要求最高 因而PLC正是最佳选择 同时 该级的PLC可通过 现场总线与上位的监控协调级连接进行实时的在线控制和协调 现场总线技术一般采用塌陷结 构 使用开放系统互连 OSI 参考模型的低层协议 因而结构简单 实时性强 上述结构 利用计算机运算速度快 信息处理功能强大的优势 使计算机集中管理各控制子系统 对现场信息进行综合处理 给出最优解决方案 同时 控制级计算机可以通过局域网与其它计 算机相连 既可以实现资源共享 又可以使不同系统在统一调度下 协调工作 减少资源浪费 下 位 PLC 或远程工作站分散后进行连网 这样 执行级各控制器件就可在现场实现分散控制 并 通过网络将信息传递到上位控制机 使上位机进行集中管理 即使下位PLC或远程工作站个别设 备出现故障 也不会导致整个系统的瘫痪 整体性能好 运行可靠 3 PLC分级递阶控制系统在变电站综合控制系统中的应用 当前 已有变电站将PLC引入控制系统中 但是仅仅利用PLC对开关量进行控制 如对有载调压 变压器分接开关的调节 并联补偿电容器的投切等 远没有充分发挥PLC的强大功能 3 1在变电站综合控制系统中PLC分级递阶控制系统的结构 利用本文上面提到的分级递阶控制结构 我们可以按照三级机构设计变电站综合控制系统 1 组织级的设计 组织级是本系统的最高级 承担着最优决策的功能 当前变电站综合控制大部分仍是按照传统的 九区控制方法 利用电压和无功功率双参数将变电站运行状态分为九个区 根据各个区所对应的 控制方案进行调节 但是 在该控制系统中 无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标 轴的固定边界 没有充分考虑无功调节与电压调节相互间的协调关系 根据 保证电压合格 无功 基本平衡 尽量减少调节次数 的变电站电压和无功综合调节的基本原则 无功调节边界应当是 一个受电压状态影响 且在一定范围内服务于电压调节的模糊边界 因此 我们对传统的控制策 略也作了改进 引入了无功调节判据 提出了模糊边界的无功调节 基于电压与无功的相互影响 对电容器组的投切判据建立如下数学模 式中 U0为标准电压 Q0为每组电容器的容量 U为电压实时值 Q为实时功率值 1 2为权重系 数 根据上面推导出的数学模型 可以得到修正后的电压 无功双参数调节的模糊边界 如图2所示 我们利用计算机进行模糊推理 得到最优控制策略 形成控制规则表 将其传递到下级进行协调 控制 同时该级为操作人员提供了良好的人机界面 将电压 电流 有功 无功等信息以曲线图 柱状图等形式实时反映出来 并且在出现异常情况时可进行声光报警 使操作人员可以及时全面 的了解系统运行情况 并可对生产过程进行调节和控制 该级计算机装有专家知识库 在变电站 内出现故障时 可在专家系统的引导下 尽快解除故障 定时召唤打印功能和无人抄表功能可以 方便的使变电站综合控制实现无人职守 根据各变电站的实际运行情况和不同时段的电压 无功 波动情况 还可以通过控制级计算机设定电压整定值和灵敏度参数 而且根据控制要求还可以由 功能按钮直接对有载调压变压器的分接头和补偿电容进行控制 以进一步增加控制的灵活性 该级的计算机还可以通过Ethernet ARCNET等局域网进行联网 实现信息共享 对某一区域进行 综合控制 这样既可以从整体上进行控制 更有利于提高整个地区的供电质量 还可以减少资源 的浪费 2 监控 协调级的设计 该级的主要功能是完成组织级下达的命令 负责执行级PLC的协调工作 该级可由计算机或主PL C构成 随着PLC性能价格比的不断提高 一般变电站的监控 协调级都可由主PLC承担 在变电 站中 多变压器的同步调节主要由该级负责 同时它还负责执行级现场信息的传输 在整个分级 递阶控制中起着桥梁作用 在小型的变电站中 为了节省投资 也可以将组织级和监控 协调级集成在一个高性能的计算机 中 3 执行级的设计 执行级的智能程度最低 但控制精度和实时性要求最高 由于变电站电磁干扰严重 常规的控制 器件难以达到精确控制 因而可靠性高 实时性好 性能价格比高的PLC是最佳选择 由于PLC与 计算机联网 可以将最优控制结果下载到PLC 利用PLC实现各种最优控制 对于主要器件如主 变压器 可以采用PLC的冗余技术更进一步提高可靠性 所谓PLC冗余技术即正常运行时 一台P LC作为主PLC进行控制 其它的PLC作为备用 监视系统运行 当主PLC发生故障时 由PLC协调 器件指定另外一台PLC作为主PLC 控制系统运行 将有故障的PLC换下维修 由于PLC发生故障 的几率十分小 采用冗余技术后的故障率几乎为零 现在的PLC大多提供了现场总线技术 利用组态软件可以方便的将现场的多台PLC组成现场总线 局域网 现场总线采用开放式的标准总线结构 可以十分方便的将分散的智能化设备连接起来 有利于彻底的实现分布式控制 而且有利于各台PLC的协调动作 提高了系统的可靠性 3 2通信口的设计 C系列的C200H配有HOST LINK通信模块 对上可与计算机通信 进行组网连接 对下可通过RS 232 RS 485等实现近程或远程的通信 实现对生产线各个监控点的监控 本系统中链接的PLC不多 故可 采用 轮询 式的工作方式 依次对链接的PLC进行数据传输 上位机对来自现场的数据经特征识 别 分析判断后 针对不同的状态 再经过通信口给下级下达命令 操作人员还可经PLC终端对P LC的工作进行可视性监控 通过触摸屏开关下达命令 因此整个系统运行的正常与否和通信口 的设计关系极大 为保证通信畅通可靠 在编制程序时应注意以下几点 1 波特率的设定应与 HOST LINK 单元的 SW3 的设置保持一致 2 为保证传输可靠 对指令帧每一字符进行 异或 逻辑运算 形成通信指令检验的FCS码 3 对由HOST LINK单元返回的响应帧在判读其相应位为 00 后处理 若FCS校验错或响应帧相应位不为 00 显示错误信息 重新发送指令 基于PLC分级递阶控制的变电站综合自动控制系统既吸取了集散控制系统 信息集中 控制分散 的优势 又保留了PLC所固有的可靠性 灵活性及性能价格比高的优点 同时大大降低了传统集 散控制系统的成本 提高了系统性能 以最低成本来完成高技术的自动化 该控制系统各级之间既有分工又有联系 协调工作 同时按照现场实际控制需要 将执行级的PL C采用分散控制结构 将各个PLC分散后进行联网 一方面可将变电站的全部信息通过网络传至 组织级计算机以实现信息集中管理 另一方面可避免因个别设备出现故障而造成整个系统的瘫 痪 提高了可靠性 由于控制系统采用模块化结构形式 各变电站可依据自己的需要选择不同数量 不同规格的PLC 模块 整个系统采用分级分散的网络结构形式 使增加或去除某些单元不会影响整个系统的功能 同时 PLC可以实现在线编程 根据不同的需要对设定值进行整定 而不需要改变整个系统结构 因而大大提高了系统的灵活性 六 举例说明PLC的应用 下面以卧式车床电气控制系统在介绍PLC的应用 PLC的卧式车床电气控制系统 图1 车床电气控制主电路 图1是车床的主电路 配置三台电动机M1 M2 M3 主电动机M1由停止按钮SB 点动按钮SB1 正转按钮SB2 反转按钮SB3 热继电器常开触头FR1 速度继电器正转触头KS1 速度继电器反 转触头KS2 正转接触器主触头KM1 反转接触器主触头KM2 制动接触器主触头KM3等控制 冷却泵电动机M2由停止按钮SB4 起动按钮SB5 热继电器常开触头FR1 接触器主触头KM4等 控制 快移电动机M3由限位开关