基于PLC的水闸自动化监控系统.doc

毕业设计 论文 说明书 1 摘 要 随着社会生产规模的扩大 生产水平的提高 科学管理水资源越来越显示 其重要性和必要性 水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信息化的 重要组成部分 论文主要解决通过下游闸门对上游液位的控制 以满足取水口对闸门水位 的要求 基于对工控网络的理解 为实现闸门的远程监控 论文构建了 3 层网 络控制系统 现场控制层 在过程监控层 远程监控层 本文选用了的西门子 公司的 S7 300 型 PLC 作为闸门控制系统的主站 选择了远程 I 0 站 ET200M 作 为子站 选用组态王为系统组态软件 将现场总线技术和工业以太网运用到监 控系统中 实现了闸门的自动控制 关键词 水闸 现场总线技术 PLC 组态王 工业以太网 毕业设计 论文 说明书 2 Abscract Along with the social product scale expansion the production level enhancement the scientific management water resources more and more demonstrate its importance and the necessity Water intake automated control system is important component of currently vigorously promoting China s water information The thesis mainly directs at the method controlling the upper level through manipulating the tail strobe for the satisfaction of the demand of water intake for level before strobe Understanding of Industrial control networks for the destination of remote supervisory control three layered network control system is suspended the field control layer the supervisory layer the remote monitoring control layer The choice of the S7 300 type of Siemens Plc control system as the main gate stands has selected long distance I O stands ET200M to take the sub station Selects the King View for the system configuration software Utilizes the fieldbus technology and the industry ethernet to the supervisory system Achieved Water intake automatic Keywords Water intake Fieldbus PLC King View Industry Ethernet 目 录 毕业设计 论文 说明书 3 摘 要 1 ABSCRACT 2 1 绪论 5 1 1 水闸自动化监控系统的意义 5 1 2 控制系统功能 5 1 3 论文完成的主要工作 6 2 闸门控制系统 7 2 1 现场总线控制系统 FCS 7 2 1 1 现场总线控制系统概述 7 2 1 2 现场总线控制系统的组成 7 2 1 3 现场总线技术的主要特点 8 2 1 4 现场总线通信协议 8 2 1 5 现场总线 PROFIBUS 的协议结构和类型 10 2 1 6 现场总线网络中的总线存取控制 11 3 PLC 控制系统的设计 14 3 1 PLC 概述 14 3 2 PLC 的组成 14 3 2 1 PLC 的组成框图 14 3 2 2 中央处理器 CPU 16 3 2 3 存储器 16 3 2 4 输入 输出接口 18 3 2 5 其他部件 18 3 3 PLC 的工作原理 19 3 3 1 PLC 的循环扫描工作方式 19 3 4 系统设计方法 21 毕业设计 论文 说明书 4 3 5 本课题 PLC 控制系统的硬件设计 23 3 5 1 CPU 模块 23 3 5 2 电源模块 PS 24 3 5 3 数字信号模块 DI DO 24 3 5 4 模拟信号模块 24 3 5 5 通讯处理器 CP 24 3 5 6 远程 I O 模块的选择 24 3 6 PLC 编程 25 3 6 1 编程软件的选用 25 3 6 2 STL 和 LAD 编程语言 26 3 6 3 闸门控制系统的部分程序 27 4 监控系统软件的组态 32 4 1 组态软件概述 32 4 2 组态软件的特点 32 4 3 组态软件的性能要求 33 4 4 组态软件的系统构成 33 4 4 1 以使用软件的工作阶段划分 33 4 4 2 按照成员构成划分 34 4 5 本课题组态软件的设计 35 4 5 1 组态软件的选择 35 4 5 2 组态王 软件的分析 35 4 5 3 人机界面的设计 37 5 自控系统的网络通讯 39 5 1 自控系统的网络通讯模型 39 5 2 主从站通讯方式 39 5 2 1 设备级现场总线 Profbus DP 39 5 1 2 PROFIBUS DP 的基本特征 39 毕业设计 论文 说明书 5 5 2 3 PROFIBUS DP 的特点 40 5 2 4 PROFIBUS DP 的协议结构 41 5 2 4 PROFIBUS DP 在系统中的应用 41 5 3 以太网技术 42 5 3 1 以太网的重要概念 43 5 3 2 以太网协议 44 5 3 3 IP 地址与以太网地址 45 5 3 4 工业以太网的研究现状 47 5 3 5 工业以太网在系统中的应用 48 6 总结 50 致谢 51 参考文献 52 毕业设计 论文 说明书 6 1 绪论 1 1 水闸自动化监控系统的意义 随着国民经济及科学技术的进一步发展 科学管理水资源越来越显示其重 要性和必要性 尤其是在我国水资源并不充裕的情况下 水资源必然成为国民 经济发展及人民生活水平提高的制约因素 要解决好新世纪水的问题 就必须 调整治水思路 转变治水方针 从工程水利向数字水利转变 从传统水利向现 代水利 可持续发展水利转变 进一步发挥水利工程效益 提高供水设备的准 确性和可靠性 己成为当前的迫切任务 随着自动控制 通信及计算机技术的不断发展 把遥测遥控 通信及计算 机技术应用于闸门及水位等参量的自动测量 计算 控制和调节 来实现水资 源的合理输送 节制和分配 就是水闸监控系统的主要内容和目标 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势 也是我国产业优化升级和实 现工业化 现代化的关键环节 要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置 水利是国民经济和社会发展的基础设施 必须适度超前发展 水利的现代化 离不开水利信息化的支撑 水闸自动化监控系统是当前我国大力推进的水利信 息化的重要组成部分 1 2 控制系统功能 1 控制功能 通过该网络可实现现地自动控制 现地手动控制以及远程自动控制共二种 控制模式 2 显示功能 以数字 文本 曲线 表格等形式 实时监控闸门运行状态 监视内容 应包括 闸门开度 闸门状态 如手动 自动状态 运行 停止状态 远方 现地状态 上升 下降 停止等状 设备状态 如启闭机状态 行程开关 状 报警信息 如报警类型 报警时间 操作过程中文提示 3 报表管理功能 自动生成各类报表 可定时打印或召唤打印 4 故障记录与语音报警 毕业设计 论文 说明书 7 故障发生时 语音报警 同时详细记录故障信息可供查询 5 远方自动与远方手动操作功能 对于掌握密码锁的操作员 在远程控制层能对各闸门进行远方操作 远方 操作分为远方手动操作和远方给定值操作 自动 6 历史数据记录与查询 能根据 时间 门号 等关键词查询历史操作记录 7 监测功能 通过显示屏可进行闸门开度指示 状态指示 故障信息指示 操作信息显 示 设定参数显示等 8 通信联网功能 通过 Profibus dp 组成下层总线网 通过以太网组成远程监控网络 9 自诊断功能 包括 PLC 故障诊断 可检测到模块 故障信息在屏上显示出来 传感 器故障自诊断 如传感器测量值与实际可能开度比较 传感器测量速度与闸门 实际可能速度比较 左右传感器测量值的差值与闸门实际可能偏差值比较 闸 门状态与传感器测量值关系是否合理的判断等 1 3 论文完成的主要工作 本文的目的是要在分布式网络环境下 构建一个安全的远程监控系统 现 场控制级通过 PROFIBUS 总线把 PLC 的远程 I O 模块与 PLC 上位机相连 过程 监控层是系统的集中管理部分 主要完成对现场控制状态的监测与控制 包括 工程师站及操作站 采用 PLC 作为 1 类主站 操作站由 PC S7 300 组成 工程 师站由 PC 组态王 6 51 主要用于组态和维护 论文完成的主要工作 基于 PROF 工 BUS 现场总线控制的控制系统方案的研究 PLC 硬件的选择 PLC 控制程序的编制 监控软件的特点与上位机的组态实现 PROFIBUS 现场总线网络的实现 毕业设计 论文 说明书 8 2 闸门控制系统 2 1 现场总线控制系统 FCS S 2 1 1 现场总线控制系统概述 现场总线控制系统是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络 它是依 靠具有检测 控制 通信能力的微处理芯片和数字化仪表 设备 在现场实现彻 底分散控制 并以这些现场分散的测量 控制设备单个点作为网络节点 将这 些点以总线形式连接起来 形成一个现场总线控制系统 它是属于最底层的网 络系统 是网络集成式全分布控制系统 它将原来集散型的 DCS 系统现场控制 机的功能 全部分散在各个网络节点处 为此 可以将原来封闭 专用的系统 变成开放 标准的系统 使得不同制造商的产品可以互联 大大简化系统结构 降低成本 更好地满足了实时性要求 提高了系统运行的可靠性 2 1 2 现场总线控制系统的组成 现场总线控制系统由测量系统 控制系统 管理系统三个部分组成 而通 信部分的硬 软件是它最有特色的部分 1 测量系统 其特点为多变量高性能的测量 使测量仪表具有计算能力等更多功能 由 于采用数字信号 具有高分辨率 准确性高 抗干扰 抗畸变能力强 同时还 具有仪表设备的状态信息 可以对处理过程进行调整 2 控制系统 它的软件是系统的重要组成部分 控制系统的软件有组态软件 维护软件 仿真软件 设备软件和监控软件等 首先选择开发组态软件 控制操作人机接 口软件 MM1 通过组态软件 完成功能块之间的连接 选定功能块参数 进行 网络组态 在网络运行过程中对系统实时采集数据 进行数据处理 计算 优 化控制及逻辑控制报警 监视 显示 报表等 3 管理系统 可以提供设备自身及过程的诊断信息 管理信息 设备运行状态信息 包 括智能仪表 厂商提供的设备制造信息 毕业设计 论文 说明书 9 2 1 3 现场总线技术的主要特点 1 数字化的信号传输 无论是现场底层传感器 执行器 控制器之间的信号传输 还是与上层工 作站及高速网之间的信息交换 全部使用数字信号 实现了高速 双向 多变 量 多站点之间的通信 2 开放式 互操作性 互换性 可集成性 现场总线技术及标准是全开放式的 从总线标准 产品检验到信息发布都 是公开的 面向所有制造商和用户 通信网络可以和其他系统网络或高速网络 相连接 用户可共享网络资源 此外 现场总线特别强调互操作性 互换性 因此设备具有很好的可集成性 3 可靠性高 可维护性好 基于现场总线的自动化系统采用总线方式替代一对一的 I 0 连线 对于大 规模 I 0 系统来说减少了接线点造成的不可靠因素 同时 系统具有现场设备 的在线故障诊断 报警 记录功能 及可完成现场设备的远程参数设定 修改 某参数的工作 增强了系统的可维护性 4 降低系统成本 现场总线的应用将大大降低自动化系统投资 仅系统布线 安装 维护费 用 可比传统的自动化系统 DCS 减少 66 另外 还可以减少厂房面积 节省 投资 2 1 4 现场总线通信协议 目前世界上流行的各种现场总线产品的协议 均是根据国际标准化组织 ISO 的开放系统互联 OSI Open System Interconnection 协议来制订的 OSI 是为计算机相互联网而制定的七层参考模型 有下而上分别为 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 毕业设计 论文 说明书 10 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路 层 物理层 应用层 总线接口子层 数据链路层 物理层 用户层 功能块 设备描述 传送快 通信栈 物理层 用户 接口 隐去第3层至 第7层 数据链路层 物理层 应用层接口 应用底层接口 隐去第3层至 第6层 数据链路层 物理层 现场总线协议FF模型Profibus DP 1 2 4 3 5 6 7 图 2 1 现场总线的通信协议 现场总线的通信与计算机网络通信不同 现场总线中的通信信息量小 信息传输任务相对简单 但实时性 可靠性要求较高 因此各种现场总线在不 同程度上对 OSI 的七层通信模型进行了简化 尽量减少中间环节 提高数据的 流通速度 以满足数据传输的实时性 现场总线只是通信协议中的一个子集 一般采用 OSI 模型中的物理层 数据链路层和应用层 根据需要增加了一个用 户层 用来定义功能块 FB 和设备描述 DDL 其中 DDL 好比设备的驱动程序 为 不同产品之间的互操作提供了基础 其各层功能定义如下 第一层 物理层 Physical Layer 定义了网络信道上的信号与连接方式 传输介质 传输速率 每条线路连接仪表的数量 最大传输距离 电源等 当 处于数据发送状态时 该层接受数据链路层 DLL 下发的数据 并将以某种电 气信号进行编码并发送 当处于数据接受状态时 将相应的电气信号编码为二 进制数 并送到链路层 第二层 数据链路层 Data Link Layer 定义了一系列服务于应用层的功 能和向下与物理层的接口 使用物理层的服务 提供了介质存取控制功能 信 息传输的差错检验 DLL 提供原语服务和相关事件 与原语服务相关的参数格 式 以及这些服务及事件之间的相关关系 DLL 为用户提供了可靠且透明的数 据传送服务 数据链路层是现场总线的核心 所有连接到同一物理通道上的应 毕业设计 论文 说明书 11 用进程实际上都是通过链路层的实时管理来协调的 为了突出实时性 现场总 线没有采用以往 IEEE802 4 标淮中所定义的分布式物理通道管理 而是采用了 集中式管理方式 在这种方式下 物理通道被有效地利用起来 并可有效地减 少或避免实时通信的延迟 第三层 应用层 Fieldbus Application Layer 为用户提供了一系列的 服务 拥有简化或实现分布式控制系统中应用进程之间的通信 同时为分布式 现场总线控制系统提供了应用接口的操作标准 实现了系统的开放性 应用层 与其他层的网络管理机构一起对网络数据流动 网络设备及网络服务进行管理 第四层 用户层 User Layer 是专门针对工业自动化领域现场装置的控 制和具体应用而设计的 它定义了现场设备数据库间互相存取的统一规则 用 户凭标准功能块可组态成系统 实现用户的应用程序 这是使现场总线标准超 过一项通信标准而成为一项系统标准的关键 也是使现场总线控制系统开放与 可互操作性的关键 此外 现场总线基金会系统结构还为每个设备定义了一个网络管理代理 可提供组态管理 性能管理和差错管理的功能 系统管理负责完成设备地址分 配 功能块执行调度 时钟同步和标记定位等功能 2 1 5 现场总线 PROFIBUS 的协议结构和类型 用户接口层 第7层 应用层 第3 6层 第2层 数据链路 层 第1层 物理层 DP设备行规 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映像 程序 DDLM FMS设备行规 应用层接口 ALT PA设备行规 基本功能 扩展功能 DP用户接口 直接数据链路映 像程序 DDLM 应用层 现场总线报文 规范 FMS 数据链路层 现场总线数据链路 FDL 数据链路层 现场总线数据链路 FDL IEC接口 物理层 PS485 LWL 物理层 RS485 LWL IEC115B 2 未使用 毕业设计 论文 说明书 12 图 2 2 PROFIBUS 的协议结构 从图可以看出 PROFIBUS 协议采用了 ISO OSI 模型中的第 1 层 第 2 层以 及必要时还采用了第 7 层 第 1 层和第 2 层的导线和传输协议依据美国标准 EIARS485 国际标准 IEC870 5 1 和欧洲标难 EN60870 5 1 总线存取程序 数 据传输和管理服务基于 DIN19241 5 标准的第 1 到第 3 部分和 IEC955 6 标准 管理功能 FMA7 采用 ISODIS7498 4 管理框架 的概念 从用户的角度看 PROFIBUS 提供了三种通信协议类型 DP FMS 和 PA 2 1 6 现场总线网络中的总线存取控制 PROFIBUS 的总线存取控制满足了现场总线技术的两个主要应用领域的重要 需求 这两个领域就是自动化制造工业和自动化过程工业 一方面 同一级的 可编程序控制器或 PC 之间的通信必须使每一个总线站 节点 在确定的时间范 围内能获得足够的机会来处理它自己的通信任务 另一方面 复杂的 PLC 或 PC 与简单的分散的过程 I 0 外围设备之间的数据交换必须是快速而又尽可能地实 现很少的协议开销 为此 PROFIBUS 使用混合的总线存取控制机制来实现上述目标 它包括用 于主动节点 主站 间通信的分散的令牌传递机制和用于主动站 主站 与被动站 从站 间通信的集中的主一从机制 当一个主动节点 总线站 获得了令牌 它就接手主站功能并在总线上与其 他从站和主站节点进行通信 在总线上的报文交换是用节点编址的方法来组织 的 每个 PROFIBUS 节点有一个地址 而且此地址在整个总线上必须是唯一的 在一个总线内 最大可使用的站地址范围是在 0 到 126 之间 这就是说 一个 总线系统最多可以有 127 个节点 总线站 这种总线存取方式允许有如下的系统配置 1 纯主 主系统 令牌传递机制 2 纯主 从系统 主一从机制 3 两种程序的组合 毕业设计 论文 说明书 13 PLCPCPLC 传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器 从站 从站设备 主站 主站设备 主设备之间的逻辑循环 图 2 3 总线存取协议 2 2 本课题闸门控制系统方案的确定 本文的目的是要在分布式网络环境下 构建一个安全的远程监控系统 现 场控制级通过 PROFIBUS 总线把 PLC 的远程 I 0 模块与 PLC 上位机相连 过程 监控层是系统的集中管理部分 主要完成对现场控制状态的监测与控制 包括 工程师站及操作站 采用 PLC 作为 1 类主站 操作站由 PC S7 300 组成 工程 师站由 PC 组态王 6 51 主要用于组态和维护 为了达到上述功能 本课题设计的基于 PROFIBUS DP 现场总线控制的闸门 监控系统的结构设计图如图 毕业设计 论文 说明书 14 河道管理处 监控站控制器工程师站 远程 I O 模块远程 I O 模块远程 I O 模块 以太网 Profibus 现场总线 图 2 4 控制系统结构设计图 毕业设计 论文 说明书 15 3 PLC 控制系统的设计 3 1 PLC 概述 PLC 是可编程序控制器 Programmable Controller 的简称 PLC 是一种数字运算的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可 编程的存储器 用来在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 模拟式的输入和输出 控制各种类型的机 械或生产过程 PLC 及其有关设备 都是按易与工业控制器系统联成一体 易 于扩充功能的原则设计 PLC 是一种以微处理技术为基础 将控制处理规则存储于存储器中 应用 于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制 机电运动控制或过程控 制等工业控制领域的新型工业控制装置 PLC 采用面向控制过程 面向现场问题的 自然语言 进行编程 具有十 分灵活的控制方式 伴随着大规模集成电路的迅速发展 微处理器技术和通讯 技术的迅速提高 PLC 技术的发展正逐步成为工业生产自动化三大支柱 PLC 技 术 机器人技术和 CAD CAM 技术 之一 在当前和未来的工业控制中起到重 要作用 今后的 PLC 将主要朝着超小型 专用化 低价格 高速多功能和分布式自 动化网络方向发展 其特点如下 1 抗干扰能力强 可靠性高 2 采用模块化组合结构 3 软件功能强 4 灵活性和通用性强 5 编程语言简单易学 6 使用维护方便 3 2 PLC 的组成 3 2 1 PLC 的组成框图 PLC 是以微处理器为核心的工业用计算机系统 其硬件组成与计算机有类 似之处 根据结构形式的不同 PLC 可分为整体式和组合式两类 毕业设计 论文 说明书 16 1 整体式 PLC 整体式 PLC 是将中央处理单元 CPU 存储器 输入单元 输出单元 电 源 通信端口 I O 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机 另外还有独立的 I O 扩展单元与主机配合使用 整体式 PLC 的结构紧凑 体积小 小型机常采 用这种结构 整体式 PLC 的基本组成如图所示 用 户 输 入 设 备 输 入 单 元 电源 中央处理器单元 CPU 输 出 单 元 用 户 输 出 设 备 外 设 接 口 存储器 系统程序存储器 用户程序存 储器 I O 扩 展 口 I O扩展单元 特殊功能单元 主机 编程器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 可编程终端PT 图 3 1 整体式 PLC 的组成示意图 2 组合式 PLC 组合式 PLC 是将 CPU 单元 输入单元 输出单元 智能 1 0 单元 通信单 元等分别做成相应的电路板或模块 模块之间通过底板上的总线相互联系 装 有 CPU 的单元称为 CPU 模块 其他单元称为扩展模块 中 大型机常采用组合 式结构 由于组合式的 PLC 系统配置灵活 有的小型机也采用这种结构 组合 式 PLC 的基本组成如图所示 毕业设计 论文 说明书 17 通信 单元 智能I O 单元 输出 单元 输入 单元 CPU 单元 编程 器 PLC或上 位计算机 控 制 系 统 现 场 过 程 系统总线 图 3 2 组合式 PLC 的组成示意图 3 2 2 中央处理器 CPU CPU 由控制电路 运算器 存储器和总线等组成 一般都集成在一块芯片 上 不同型号的 PLC 使用不同的 CPU 部件 制造厂家使用 CPU 部件的系统指令 编写系统程序 并固化到只读存储器 ROM 中 CPU 按系统程序赋予的功能 接 收编程器或计算机等编程工具输入的用户程序和数据 并存入随机存储器 RAM 中 CPU 按扫描方式工作 从规定的首地址存放的第一条用户程序开始 到用户程 序的最后一个地址 不停地周期性扫描 每扫描一次 就执行一次用户程序 各种 PLC 的中央处理单元也不相同 但在系统中的作用是一致的 目前中 型 PLC 为提高其自身的可靠性 常采用双中央处理单元系统 一个是主处理器 用来处理字节操作指令 控制系统总线 监视扫描时间 统一管理编程接口 另一个是从处理器 专门用来处理位操作指令 配合操作系统实现 PLC 编程语 言向机器语言转换 是加快 PLC 工作处理速度的关键 3 2 3 存储器 PLC 的存储器是用来存放系统程序 用户程序和工作数据的 存放应用软 件的存储器称为用户程序存储器 存放系统程序的存储器称为系统程序存储器 1 系统程序存储器 PLC 厂家根据 CPU 部件的指令系统编写的程序为系统程序 它固化在 ROM 和 EPROM 中 存储在 ROM 和 EPROM 中的内容 在断电情况下保持不变 毕业设计 论文 说明书 18 系统程序存储器存放内容包括系统工作程序 监控程序 模块化应用功能 子程序 命令解释程序 功能子程序的调用管理程序 系统诊断程序和系统参 数 以上内容都是事先存放在 ROM EPROM 芯片中 开机后便可运行其中程序 但这些内容用户无法直接存取 它和硬件一起决定了该 PLC 的各项性能 2 用户程序存储器 用户根据机器指令编写的程序称为用户程序 一般 PLC 产品说明书中所列 的存储器就是指用户存储器 不同 PLC 产品的存储容量各不相同 用户程序存 储器一般采用加备用电池供电的 RAM 存放在 RAM 中的内容在 PLC 断电时会消 失 所以目前一般采用锂电池在 PLC 断电时保存其内容 直到用户需要修改时 为止 用户程序存储器内容包括用户由编程器键盘输入的程序 各种暂存数据 和中间结果等 3 ROM 和 RAM 只读存储器 ROM ROM 中的内容一般是由 PLC 制造厂家写入的系统程序 并且永远驻留 所 以运行时 首先将检查的结果显示给操作人员 然后编译程序将用户键入的控 制程序转换成由微电脑指令组成的程序 并对用户程序进行语法检查 最后再 执行程序 监控程序相当于总控程序 根据用户的需要调用相应的内部程序 ROM 的容量与 PLC 的复杂程度有关 随机存储器 RAM RAM 是可读写存储器 读出时 RAM 中的内容不被破坏 而写入的信息就 会覆盖原来位置上的信息 用户程序是指选择编程工作方式时 用编程工具输 入的程序经过预处理后存放在 RAM 的低地址区 而逻辑变量则指在 RAM 的若干 个存储单元中用来存放的变量 即输入 输出继电器 内部铺助继电器 保持 继电器 定时器 位移继电器等 一般 PLC 还有一定数量的数据区供数值运算 A D D A 高速脉冲计数等功能使用 内部监控 管理程序也要使用部分存储 单元存放系统数据 由于不同型号 PLC 的存储容量是不相同的 所以在技术说 明书中 一般都会给出与用户编程和使用存储单元有关的指标 如输人 输出 继电器的数量 保持继电器的数量 内部辅助继电器的数量 定时器和计数器 毕业设计 论文 说明书 19 的数量 允许用户程序的最大长度等 这些指标都间接地反映了 RAM 的容量 RAM 通常和理电池配合使用 这样在断电时可起到对用户程序的保存作用 3 2 4 输入 输出接口 输入 输出接口起着 PLC 与外围设备之间传送信息的作用 1 输入接口 PLC 通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息输入幸机 通过用 户程序的运算和操作 将结果经输出接口输出给执行机构 一般情况下 现场 的输入信号可以是按钮开关 行程开关 接触器的触点以及其他一些传感器输 出的开关量或模拟量 要通过数 模转换后才能输入 PLC 内 输入接 u 一般由 光电藕合电路和微电脑输入接口电路组成 2 输出接口 PLC 的输出信号是通过输出接口传送的 这些信号控制现场的执行部件完 成相应的动作 常见的现场执行部件有电磁阀 接触器 继电器 信号灯 功 率不大的电动机等 现场输出接口电路由接口电路和功率驱动电路组成 3 2 5 其他部件 1 电源部件 PLC 中一般有开关稳压电源为内部电路供电 开关电源的输入电压范围宽 体积小 重量轻 效率高 抗干扰性能好 有的 PLC 能向外部提供 24V 直流电 源 可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电 2 I O 扩展端口 当主机上的 I O 点数或类型不能满足用户需要时 主机可以通过 I O 扩展 端口连接 I O 扩展单元来增加 I O 点 没有 I O 扩展端口的 PLC 是不能进行 I O 点扩展的 另外 通过 I O 扩展端口还可以连接各种智能单元 扩展 PLC 的功能 3 外设端口 每台 PLC 都有外设端口 通过外设端口 PLC 可与外部设备相连接 如连 接编程器输入 修改用户程序或监控程序的运行 有的 PLC 可以通过外设端口 与其他 PLC 计算机或终端设备 PT 等链接进行通信 或连成各种网络等 还可 毕业设计 论文 说明书 20 用 EPROM 写入器 将调试好的用户程序写入 EPROM 以免被误改动 4 编程工具 编程工具的主要作用是用来编辑程序 调试和监控程序的执行 还可以在 线测试 PLC 内部状态和参数 与 PLC 进行人机对话等 编程工具可以是专用编 程器 也可以是配有专用编程软件包的通用计算机 5 智能单元 PLC 含有多种智能单元 智能单元本身是一个独立的计算机系统 它有自 己的 CPU 系统程序 存储器以及与外界相连的接口 对组合式 PLC 智能单元 是 PLC 系统的一个模块 它与 CPU 单元通过系统总线相连接 并在 CPU 单元的 协调管理下独立地进行工作 不参与循环扫描 目前己开发的常用智能单元有 A D 单元 D A 单元 高速计数单元 位置 控制单元 PID 控制单元 温度控制单元和各种通信单元等 3 3 PLC 的工作原理 PLC 采用循环扫描方式 在 PLC 中用户程序按先后顺序存放 CPU 从第一 条指令开始执行程序 直至遇到结束符后又返回第一条指令 如此周而复始不 断循环 这种工作方式是在系统软件控制下 扫描输入的状态 输入刷新 按 用户程序进行运算处理 然后向输出发出相应的控制信号 输出刷新 PLC 与继电器控制的重要区别之一就是工作方式不同 继电器是按 并行 方式 即同时执行的方式 工作的 只要形成电流通路 就可能有几个电器同时 动作 而 PLC 是以反复扫描的方式工作的 它循环地连续逐条执行程序 任一 时刻只能执行一条指令 这就是说 PLC 是以 串行 方式工作的 可以避免继电 器控制的触点竞争和时序失配等问题 3 3 1 PLC 的循环扫描工作方式 PLC 采用循环扫描的工作方式 可以看成是一种由系统软件支持的扫描设 备 不论用户程序运行与否 都周而复始地进行循环扫描 并执行系统程序规 定的任务 每一个循环所经历的时间称为一个扫描周期 每个扫描周期又分为 几个工作阶段 每个阶段完成不同的任务 PLC 的内部工作过程如图 3 3 所示 毕业设计 论文 说明书 21 这个过程可以分为四个阶段 1 公共处理阶段 这部分在每次循环开始都要被执行 包括复位系统定时器 检查程序存贮 器 检查 I O 总线 检查扫描时间等 如出现异常情况 则通过自诊断给出故 障信号 或自行进行相应的处理 这特有助于及时发现或提前预报系统的故障 提高系统的可靠性 2 执行外围设备命令阶段 当有简易编程器 图形编程器 打印机等外部设备与 PLC 相连时 则 PLC 在每次循环时 都将执行来自外部设备的命令 3 程序执行阶段 在这个阶段 CPU 将指令逐条调出并执行 即按程序对所有的数据 输入和 输出的状态 进行处理 包括逻辑 算术运算 再将结果送到输出状态寄存器 4 输入 输出更新阶段 PLC 的 CPU 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新 CPU 对各个输 入端进行扫描 并将输入端的状态送到输入状态寄存器中 同时 把输出状态 寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号 以驱动 被控设备 这种对输入 输出状态的集中处理过程 称为批处理 这是 PLC 工 作的重要特点 毕业设计 论文 说明书 22 电源加电 清除I O和内部继电器 复位所有计时器 检查I O单元的连接 复位监视计时器 检查硬件和 程序存储器 检查好了吗 执行来自外设的命令 复位监视计时器 执行程序指令 复位监视计时器 从输出端读数据或 对输出端写数据 异常或告警 设置出错标志并 点亮出错指示灯 加 电 后 初 始 处 理 共 同 处 理 执行 外设 命令 指 令 的 执 行 数据 输入 输出 扫 描 周 期 否 是 否 是 是 1 2 3 4 图 3 3 PLC 的内部工作过程 3 4 系统设计方法 任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象 生产设备或生产过程 的工 艺要求 以提高生产效率和产品质量 因此 在设计 PLC 控制系统时 应遵循 以下基本原则 1 PLC 的选择除了应满足技术指标的要求之外 特别应指出的是还应重 毕业设计 论文 说明书 23 点考虑该公司的产品的技术支持与售后服务的情况 应尽量选择主流机型 2 最大限度地满足被控对象的控制要求 设计前 应深入现场进行调查 研究 搜集资料 并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合 共同拟 定电气控制方案 协同解决设计中出现的各种问题 3 在满足控制要求的前提下 力求使控制系统简单 经济 使用及维修 方便 4 保证控制系统的安全 可靠 5 考虑到生产的发展和工艺的改进 在选择 PLC 容量时 应适当留有余 量 PLC 控制系统是由 PLC 与用户输入 输出设备连接而成的 用以完成预期 的控制目的与相应的控制要求 因此 PLC 控制系统设计的基本内容应包括 1 根据生产设备或生产过程的工艺要求 以及所提出的各项控制指标与 经济预算 首先进行系统的总体设计 2 根据控制要求基本确定数字 I 0 点和模拟量通道数 进行 I 0 点初步 分配 绘制 I 0 使用资源图 3 进行 PLC 系统配置设计 主要为 PLC 的选择 PLC 是 PLC 控制系统的 核心部件 正确选择 PLC 对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要 作用 选择 PLC 应包括机型的选择 容量的选择 I 0 模块的选择 电源模 块的选择等 4 选择用户输入设备 按钮 操作开关 限位开关 传感器等 输出设 备 继电器 接触器 信号灯等执行元件 以及由输出设备驱动的控制对象 电 动机 电磁阀等 5 设计控制程序 在深入了解与掌握控制要求与主要控制的基本方式以 及应完成的动作 自动工作循环的组成 必要的保护和联锁等方面情况之后 对较复杂的控制系统 可用状态流程图的形式全面地表达出来 必要时还可将 控制任务分成几个独立部分 这样可化繁为简 有利于编程和调试 程序设计 主要包括绘制控制系统流程图 设计梯形图 编制语句表程序清单 控制程序 是控制整个系统工作的条件 是保证系统正常 安全 可靠的关键 因此 控 毕业设计 论文 说明书 24 制系统的设计必须经过反复调试 修改 直到满足要求为止 3 5 本课题 PLC 控制系统的硬件设计 根据以上的 PLC 设计原则和本课题的实际要求 本课题选择了西门子公司 的 S7 300 型 PLC 它能满足中等性能要求的应用 属于模块式 PLC 可以组成 MPI PROFIBUS 和工业以太网 无排风扇结构 易于实现分布 易于用户掌握 等特点使得 S7 300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济 的解决方案 SIMATIC 的 S7 300 具有多种性能递增的 CPU 和丰富的且带有许多方便功能 的 I 0 扩展模块 使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块 当任务规模 扩大并且愈加复杂时 可随时使用附加模块对 PLC 进行扩展 运算速度快 一条基本指令的执行时间为 0 3 微秒 提供丰富的软器件 功能强大 具备强大的网络通信能力 能以 MPI PR OFIBUS PPI 工业以态网 等多种方式进行通信 可靠性和环境适应性强 模块上的现场信号与控制器之 间普遍采用光电隔离 模块带浪涌保护或熔断丝保护 PLC 可以通过各种软 硬件保护措施防止程序被非法改写 从而确保系统的安全 SIMATICS7 300 质量可靠 己通过 DIN UL 认证 CSA 认证 温度组 T4 等 多种国内国际标准认证 使用于高电磁兼容性和强抗振动 冲击性的工业环境 并能在范围从 0 到 600C 的温度环境下稳定工作 3 5 1 CPU 模块 选用 SIMATIC 的 S7 300 系列 CPU315 2DP 它是一种户外型 CPU 可以在 恶劣的环境下使用 其特点如下 1 I O 点数 1024 最大 2 存储容量 64KB 3 处理速度 0 3us 步 对二进制和浮点数运算具有较高的处理性能带 1 个 DP 口 可扩展性好 4 具有中 大规模的程序存储容量 如果需要可以使用 SIMATIC 功能工 具 PROFIBUS DP 主站 从站接口 5 可用于大规模的 I O 配置 毕业设计 论文 说明书 25 6 可用于建立分布式 I O 结构 7 CPU 运行时需要微存储器卡 存储卡采用 MMC FLASH 存储 数据保持 l0 年以上 且更换容易 数据不会丢失 3 5 2 电源模块 PS 采用 PS3075A 电源模板 用于 SIMATICS7 300 连接到 120 230VAC 或 24DC 电源上 3 5 3 数字信号模块 DI DO 通过 SIMATICS7 300 的数字输入 输出模块 可将数字传感器和执行元件 与 SIMATICS7 300 相连 数字 I 0 模块结构紧凑 组装方便 模块通过插入式 的前连接器进行接线 方便用户接线 可利用任何方式组合的模块使输入 输出 点数与任务相配合 可通过不同的数字执行元件和传感器使 S7 300 与过程相连 接 PLC 选用一个 16 点数字量输入模块 SM321 1BH02 这种模块适合于连接开 关 它将过程传输来的外部数字信号电平转换为 S7 300 电平 选用 2 个 16 点 数字量输出模块 SM322 1BHO1 这种模块适用于连接接触器 小功率电机 电 机起动器和灯 它将 S7 300 的内部信号电平转换为控制过程所需要的外部信 号电平 3 5 4 模拟信号模块 S7 300 的模拟输入 输出模块用于连接不带附加放大器的模拟执行元件和 传感器 完成包含有模拟过程的较复杂的任务 具有强大的模拟技术 不同的 I 0 范围和高分辨率允许与众多不同的模拟传感器和执行元件相连 模拟量输入模块将扩展过程中的模拟信号转化为 S7 300 内部处理用的数 字信号 与它相连的外部设备有电压和电流传感器等 PLC 选用 l 个 8 通道模 拟量输入模块 SM311 7KF01 3 5 5 通讯处理器 CP 为了使 PLC 与局域网连接 可以选用 SIEMENS 公司的 CP343 1T CP 工业以 太网通讯处理器接口模块及其通讯程序 3 5 6 远程 I O 模块的选择 毕业设计 论文 说明书 26 本系统在设计过程中充分发挥 Profibus 现场总线的优点 选用独立的分 散 I 0 模块 将独立的 I 0 模块安装到现场设备上 通过 Profibus 现场总线 由 PLC 来实现对现场设备的控制 从而实现对整个闸门的控制 本系统选用了 Siemens 的远程 I 0 站 ET200M 作为闸门控制系统的了站 ET200M 是高密度配置的模块化 I 0 站 它的主要特点有 1 ET200M 分布式 I 0 站选用了高可靠的 I 0 信号接口模块 每个 ET200 分布式 I 0 站最多可配置 8 个 S7 300 系列的 I 0 信号接口模 块 2 ET200M 分布式 I 0 站所有模块均采用了光电隔离 ET200M 分布式 I 0 站的所有 I 0 信号均采用了光电隔离 并具有限流 限 压保护 具有很好的抗干扰性能 3 ET200M 分布式 I 0 站所有模块均具有自动故障检测和显示功能 ET200M 分布式 I 0 站的所有 I 0 信号模块均具有 LED 状态显示功能 可直 观地显示出模块工作是否正常 SM331 模拟量输入模块还具有信号开路 非正 常输入信号检测功能 4 ET200M 分布式 I 0 站的部分模块可以具有 HART 协议 由于 ET200M 分布式 I 0 站的 IM153 2 通讯接口模块或 SM 系列 I 0 信号接 口模块都安装在一个总线模板的机架上 具有 HART 协议的模块是经过 KEMA 认 证的 这意味着 它可与 HART 单元一起 用于易燃易爆的地区 5 ET200M 分布式 I 0 站选用了冗余设计的容错的通信接口模块 每个 ET200M 分布式 I 0 的背板总线上插有 2 个 IM153 2 通信接口模块 分别通过 2 条独立的 PROF 工 BUS DP 现场总线与 S7 300 进行实时通信 在系统运行过程 中 当其中某一个 1M153 2 通讯接口模块发生故障时 系统能自动的切换到另 一个 1M153 2 通讯接口模块 不会影响系统正常运行 3 6 PLC 编程 3 6 1 编程软件的选用 各大 PLC 制造厂商一般都针对自己生产的 PLC 系列推出了专用的 PLC 编程 软件 如三菱 PLC 编程软件 GX Developer 欧姆龙 PLC 编程软件 毕业设计 论文 说明书 27 CXProgrammer 以及西门子公司推出的专为 S7 系列 PLC 编程使用的 STEP7 等 等 这些软件大都具有丰富的编程功能 简洁的操作界面和强大的在线或离线 调试功能 一般提供多种编程语言 并且得到大量的扩展实用工具软件的支持 编程软件的性能 质量和友好程度 直接决定了 PLC 性能的发挥 PLC 程序设 计的效率高低 以及 PLC 程序的执行效率和可靠性 本课题选择 STEP7 作为控 制系统的 PLC 控制程序的编程软件 3 6 2 STL 和 LAD 编程语言 IEC1131 3 是为可编程控制器编程语言制定的国际标准 它定义了 PLC 编 程语言的语法 语义和显示方式 TEC 1131 3 标准包括以下 5 种编程语言 1 Ladder diagram LD 梯形图 2 Sequential Function Charts SFC 顺序功能 图表 3 Function Block Diagram FBD 功能块图 4 Structured Text ST 结 构化文本 5 Instruction List IL 指令表 以上 5 种 IEC1131 3 标准编程语言各自具有不同的适用对象和领域 其中 梯形图 LD 是基于电路图表示法的基础上 在程序中将电路图中的元素如常开 触点和常闭触点组合而成 因此梯形图 LD 适合于来自电气工业 熟悉继电器 控制和电路图的用户使用 顺序功能图表 SFC 是一种描述程序执行逻辑顺序的 编程语言 特别适合于复杂模式结构的程序例如状态机制的应用 功能块图 FBD 是用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表不控制逻辑 适用于来自电路工 程 熟悉布尔代数逻辑图的用户 结构化文本 ST 类似于高级语言 PASCAL 或 BASIC 当使用符号化编程时 ST 非常容易被计算机专业的用户所理解 ST 在 执行较为复杂的数学运算 算法和判断时很有优势 而且通常解决同样的问题 所花的篇幅较短 指令表 IL 类似于汇编语言 每条语句对应 CPC 处理程序中 的一步 比较适用于来自计算机领域 愿意用类似于机器码语言编程的用户 另外 使用指令表编程的程序在运行时间和存储空间要求上最优 综合考虑 IEC1131 3 各