组态王软件在火电厂配煤控制中的应用

组态王软件在火电厂配煤控制中的应用工控机小论文本次设计的题目是：组态王软件在火电厂配煤控制系统中的应用摘要火力发电厂中随着机组的不断增大，系统的复杂程度也在不断的增加，所以为了保证机组安全稳定的运行，对电厂自动化控制水平的要求也就越来越高。输煤系统运行情况直接影响整个电厂机组运行的好坏，这因为输煤系统故障且不能及时排除常常导致机组降负荷运转，所以，输配煤系统运行的稳定与否直接影响到机组的运行。输煤系统从煤场上煤至煤仓配煤的工作环境十分恶劣，因此，提高输煤系统的自动化水平以降低故障，就保证了机组的正常运转。所以，我的设计题目就选择了组态王软件在火电厂配煤控制中的应用。组态王软件（King View）具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且具有在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态王(King View)软件也为试验者提供了可视化监控画面，通过与PLC的连接就可实现监控画面与现场设备的连接，达到让操作人员通过监控画面就可民以实时操作现场设备，并对现场各设备的运行状态进行实时监控。火电厂煤场装车、卸车、配煤的工作量很大，迫切需要提高其自动化程度。选用西门子公司S7系列PLC为控制系统的核心，设计出配煤车控制系统。利用该方法可以提高控制系统的灵活性及通用性，克服手动操作时由于人的主现误差而造成的煤浪费现象，提高配煤质量，具有较高的实用价值。关键词 King View，配煤，监控系统，火电厂AbstractWith the power plant units increasing, the complexity of the system are constantly increasing, so in order to ensure safe and stable operation unit, on the level of plant automation and control requirements also increasing.Operation of coal handling system will directly affect the power plant unit operation is good or bad, this is due to coal handling system failures and can not be ruled out in time often leads to lower unit operating load, so the stability of transmission and distribution system operation of coal will directly affect the operation unit . Coal from the coal field coal handling system to the coal bunker blending work environment is very poor, therefore, to improve the automation of coal handling system to reduce the failure to assure the normal operation of the unit. So, I chose a design in the Power Plant Configuration software blending control system.King View has a strong adaptability, openness, and easy expansion, the economy, the development cycle and short. Usually such a system can be divided into control layer, control layer, the management structure of three levels. Under which control layer connection control layer, on the connection management, which not only achieve real-time monitoring and control of the scene, and has finished in the automatic control system transmit, the important role of configuration development. In particular, consider three issues: the screen, data, animation. Requirements through the monitoring system and its function analysis, using the king of the monitoring system configuration design. Configuration software provided for testing a visual monitor screen, the connection with the PLC can monitor the screen and on-site equipment to achieve the connection, to allow the operator through the monitor screen can operate in real time on-site public facilities, and on-site The real-time equipment condition monitoring.The work volume for coal loading, unloading and distribution in coal yard of thermal power plants is very great, which needs to increase the automation degree. Using S7 serious PLC as the kernel of control system, the control system for coal distribution truck is designed. This method can improve the flexibility and availability of the control system Andover come the subjective error in the process of manual operation increase.Key words King View，coal blending，supervisory system， power plant目 录摘 要IAbstractII1 引 言11.1课题背景及选题意义11.2运煤自动化的发展情况11.3本文设计的主要内容22 组态王（King View）软件简介42.1 功能简介42.2 结构简介42.3 工程管理器53 可编程控制器(PLC)简介73.1 PLC的概述及应用73.1.1 PLC的产生73.1.2 PLC的基本概念83.1.3 PLC的特点83.1.4 PLC的应用与发展93.2 PLC的基本结构及工作原理103.2.1 PLC的基本结构103.2.2 PLC的工作原理133.2.3 PLC的软件编程方法153.2.4 PLC的编程原则和方法163.2.5 PLC在配煤系统中的应用163.2.6 SIEMENS SIMATIC S7-200 PLC简介174 火电厂配煤控制系统设计184.1设计任务184.2控制系统主程序框图184.3控制梯形图程序设计204.4配煤系统梯形图205 配煤控制系统监控画面215.1配煤系统监控画面设计215.2报警监控画面22结 论25致 谢26参考文献27附录A1.128III1 引 言1.1课题背景及选题意义本次设计的题目是：组态王软件在火电厂配煤控制系统中的应用。在电厂配煤系统是输煤系统中的一个子系统，但在整个输煤系统却占有非常重要的作用，由此部分将来煤分配到机组的各个煤仓，保证机组的各个煤仓的煤量都符合系统的要求。而输煤系统是火力发电厂中较为庞大的一个公用系统。随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，输煤系统的规模也大幅度上升，对其控制方式、运行水平的要求也越来越高。输煤程控系统主要是以PLC 主，实现输煤系统的自动化控制。与强电集中控制相比，该系统在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC 不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量控制及智能控制；能实现远程通讯、联网及上位机监控等。可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。对地域分布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统。组态王（King View）软件为使用者提供了可视化监控画面，有利于使用者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。随着火电厂机组容量的不断增大，系统变得越来越庞大和复杂，对自动化控制水平的要求也越来越高。在火电厂的很多系统中由于控制对象数量较多，且又需要启动和停止，并要求在各种运行方式之间进行切换，这就需要把整个系统集中于监控画面，实时监视系统的运行情况。同时，还减少了现场人员的操作，防止因不协调而产生的操作事故，保证机组的安全运行。采用组态软件与可编程控制器相组合对系统进行监视并控制现场设备将成为以后的趋势。这次我的设计任务是：利用组态王（King View）软件对配煤系统进行模拟监视与控制。主要是通过可编程序控制器（PLC）对煤斗的来对原煤仓进行配煤，直到原煤仓配满为止，系统自动停止。所以说通过可编程序控制器（PLC）可实现配煤系统的自动化。现在国内火电厂运煤自动化系统一般采用可编程序控制器作为系统的控制装置。在火电厂运煤系统的卸煤，上煤，储煤和配煤四个子系统中，上煤和配煤系统的被控设备台数较多，分布区域较大，且各设备之间的连锁要求较高，通常选择一台中，大型可编程序作为控制系统的主机，对上煤和配煤系统进行中的斗轮堆取料机由于其工作独立较强，通常采用大，中型PLC对卸煤机，翻车机，斗轮堆取料机分别进行单独控制。1.2运煤自动化的发展情况随着可编程序控制器应用范围的不断扩大，从20世纪80年代初开始，国内火电厂开始使用可编程序控制器对其配煤系统进行控制。当时，多数电厂使用检测元件，执行器和电动机作为第一级，可编程控制器作为控制装置组成二级控制系统对运煤系统进行控制。该系统在功能上主要以处理开关量为主。80年代中后期，许多大型火力发电厂对运煤控制系统进行了技术改造，使用了高性能可编程序控制器，高速数据通信网络和过程控制计算机，组成三级分布式控制系统完成运煤系统的控制。控制系统在功能上增加了对模拟量的处理，规模上从整体式发展到模块式，且形成了网络。90年代，配煤控制系统除了采用性能高，网络功能强的可编程控制器外，还采用了速度更快，容量更大的计算机，在过程控制计算机上面使用生产控制计算机，组成了四级控制系统。生产控制计算机主要承担生产管理功能和适应优化数模需要。与国内配煤控制相比，国外在配煤自动化方面应用了许多新技术。在系统机构方面，除应用四级计算机控制系统外，还应用泄漏电缆（一种类似于同轴电缆，但屏蔽层开孔作为发射和接收天线）代替普通无线控制，从而获得抗干扰强，信号稳定的无线控制信号，对大型移动机械进行控制。在单元控制系统方面主要采用节能控制技术。在大型原料场，由于电动机数量多，如何节能成为一个突出的问题。对于胶带运输机群，传统的启动方式是按逆流方式，自下游依次向上游启动。系统启动后不管有无要运输的物料胶带运输机都在转动，这种等待和空转对能源是一种巨大的浪费。新的控制方法主要体现在以下三方面。(1) 在胶带运输机启动时跟踪所要输送的原料，自上游依次向下游启动，以减少下游胶带运输机空转和等待时间。系统停止时可采用全系统一起停止，或保持一定时间差自上游开始顺序停止。(2) 对胶带运输机的电动机台数进行控负荷的大小确定工作电动机的台数。(3) 对胶带运输机的停止和再启动进行自动控制。在胶带运输机和落料槽等设备上设置传感器以检查有无原料，当上游胶带运输机无负荷时，要求的输送量已达到时，胶带运输机就停止工作。上述节能控制可节省10的能源。在人工智能的应用方面，一是对原料堆积和混料进行智能控制，另一方面对运输机械进行智能控制。胶带运输机动作顺序是根据机械装置和作业条件，胶带运输相互关系，运送量等因素，常由一定规则来支配的。1.3本文设计的主要内容本文设计主要内容：组态王软件在火电厂配煤控制中的应用。在文中是三个原煤仓为例，通过犁煤器来为原煤仓配煤。设计的中心思想是，当煤仓的煤位下降达到一定的限定值时，即煤仓中煤量允许的最低值时，将返回一个信号给控制系统。运行人员将知道煤仓的运行状况，同时系统将按程序设计对煤仓进行配煤。煤从煤场经运煤皮带输往机组场房，再经犁煤器完成对原煤仓配煤工作。本文中，当某个煤仓煤位达到低限时，系统自动启动该煤仓所对应的犁煤器对煤仓进行配煤，当煤仓中煤量符合要求时，切换到顺序配煤方式，对机组各煤仓按顺序进行配煤。现代化的电厂对运行做出迅速的反应，运行设备的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC 正是电厂自动化控制最好的应用器件。SIEMENS 公司生产的 S7-200 型 PLC 所具有的特点很适合电厂的生产运行及监控，所以在配煤控制系统的改造中可以大量的应用。在软件的使用上采用 King View，用 PLC编制控制程序与上位机的监控程序构成体外再生过程的计算机控制系统。2 组态王（King View）软件简介2.1 功能简介组态王（King View）的基本功能是数据通讯、数据管理、数据交互。具体的说，数据通讯就是1、从现场获取数据并将它们加工成可利用形式的基本功能；2、把需要控制的信号通过计算机直接发送到现场的执行机构，这样就建立了控制软件所需的双向连接。数据管理就是根据用户的需要，对数据进行更深层次的加工，如量程变换、报警、统计、分析等。数据交互就是根据不同用户的需求，把数据以不同的形式提交给用户以实现交互，如操作工需要监控，管理人员需要数据报表、工艺工程师要对数据进行分析等，组态王为不同的用户提供了多种交互手段。 组态王（King View）在工程实践中经过了长期的考验，现已广泛应用于石油、化工、半导体、汽车、电力、机械、冶金、交通、楼宇自动化、食品、医药、环保等多个行业和领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监视、远程监视、远程诊断、企业管理、资源计划等系统。2.2 结构简介从功能上分，组态王（King View）可以分成组态和运行两个部分，从结构层次上分，组态王（King View）包含 IO 驱动、实时数据库、人机界面三个层次。 组态王各组成部分的功能简介如下： 工程管理器：工程管理器是整个系统的管理器，用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工程等。 实时数据库 (DB)：实时数据库是组态王系统的数据处理核心，它一方面管理系统的数据处理，如实时数据的处理、历史数据存贮、报警处理、统计数据管理等，另一方面它还要为组态王的其它组件提供数据服务，如 View、IO 驱动程序、网络通讯组件等提供各种服务。因此实时数据库是组态王系统的中枢部分、而且是组态王分布式系统的服务器。 通信程序组件：通信程序采用以太网 (TCP/IP)、电话拨号、串口等多种通讯介质进行数据通讯，它是连接客户端 (View) 和服务器 (实时数据库) 的桥梁，是构成组态王（King View）分布式系统的重要组成部分。 I/O驱动程序：I/O 驱动程序是组态王（King View）与现场 IO 通讯的中介，它把不同的 IO 设备虚拟成逻辑设备，用户不必关心设备与计算机通讯的具体协议，它负责把数据从现场设备采集到实时数据库、并把控制指令下达到实际的物理设备。组态王系统提供了大量的常用 IO 驱动，包括常见 PLC、板卡、智能仪表、DCS 等多种 IO 设备。 HMI 开发系统 (Draw)：开发系统是一个集成开发环境，可以进行系统的配置、组态 (包括画面组态、数据库组态、IO驱动组态)，用户可以根据自己的需要和工程的实际情况来建立自己的应用系统。 HMI 运行系统 (View)：运行系统是用户开发出来的应用系统的结果显示，可以与最终用户 (如现场操作人员等) 进行交互，提供流程图显示、历史/实时趋势显示、历史/实时报警显示、报表等多种数据表现方式。 Web 服务器 (Web Server)：Web 服务器是为用户提供Web服务的程序，用户可以通过IE等标准浏览器来访问组态王的数据，从远程查看工业现场数据，及时了解工厂生产情况。2.3 工程管理器 利用工程管理器用户可以集中管理本机上的所有工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，工程的备份、恢复，切换到开发或运行环境等。工程管理器界面简洁友好，易学易用。界面从上到下大致分为三个部分，如下图2.1所示：图2.1工程管理器文件(F)/增加新工程(A) 该菜单命令为新建一个组态王工程。工程定义时可以指定工程名称、存储路径、以及简短描述。新建工程时在指定的路径下自动创建组态王应用工程的系统子目录并生成各种系统文件。文件(F)/删除工程(D) 从工程管理器中删除当前选中的工程。注意：此删除操作仅仅将应用工程的名称从工程管理器列表中删除，实际工程目录及目录下的文件并不会被删除，如果使用搜索命令在工程所在的目录中搜索，还可以继续找到该工程。如果确实要删除文件，请删除工程后进入Windows的资源管理器手动删除文件。 文件(F)/备份(B) 在实际应用中为了防止意外事件造成损失，或需要把一个做好的工程拷贝到另外的机器上，可以把工程的组态文件压缩成一个文件。压缩时，只压缩组态文件，存贮的历史数据等数据将不会压缩。压缩完成后，在指定的备份目录下形成一个备份文件(扩展名为“.PCK”)。 文件(F)/恢复(V) 把备份文件中的应用工程内容经解压缩处理后，恢复到指定的目录。恢复时，需要像工程定义一样指定工程的名称、路径和说明。 文件(F)/搜索工程(F) 该菜单命令搜索用户指定目录下的所有组态王工程，将其工程名称、工程所在路径、说明等信息加入到工程管理器中。搜索出的工程包括指定目录和其子目录下的所有工程。如果应用程序管理器已经存在该工程，则不会把该工程再加到列表中。 文件(F)/进入组态(C) 把当前选中的工程设置为当前工程，进入到组态开发环境。 文件(F)/进入运行(R) 把当前选中的工程设置为当前工程，本机直接进入到运行状态。 文件(F)/退出(X) 把当前选中工程保存为当前工程后退出工程管理器。 帮助(H)/关于(A) 显示组态王工程管理器的版本号和版权信息。 帮助(H)/授权 组态王除了提供加密锁之外，还提供了软件授权方式。用户可根据本机信息从组态王获取一个临时的软件授权，以方便用户调试和测试，把您的本地标识、详细联系地址、软件用途等信息发给组态王的技术支持人员，我们将根据实际情况，决定是否给您授权。把我们给您的授权码输入进去，您就可以获得一个临时的授权。一旦您获得授权，您就可以在授权的时间里合法地使用软件。工程显示区： 工程显示区显示了当前系统中存在的工程，单击选中某工程可以设置为当前工程。可以通过双击对当前选中的工程的名称、路径、说明等进行编辑。3 可编程控制器( PLC )简介3.1 PLC的概述及应用PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，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。是工业控制的核心部分。PLC的基本组成：PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块。 f、通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。3.1.1 PLC的产生随着20世纪工业生产的迅速发展，工业产品更新换代的周期日趋缩短，新产品不断涌现，传统的继电器控制系统难以满足现代社会小批量、多品种、低成本、高质量生产方式的生产控制要求，因此，迫切需要一种新的更先进的自动控制装置来取代传统的继电器控制系统。20世纪60年代初，随着电子技术在自动控制领域中的应用，出现了半导体逻辑元件装置，利用半导体二极管、三极管和中小规模集成电路构成了逻辑式顺序控制器。但其控制规模较小(一般输入输出点数不超过64点)、程序编制不够灵活等缺点，限制了它的推广应用。随着计算机技术的发展，曾用小型计算机取代继电器控制系统，实现控制要求，但是由于计算机对使用环境要求较高，而且现场的输入输出信号与计算机本身不匹配，同时计算机程序的编制较复杂，使用者需要掌握一定的计算机专业知识，一般工程技术人员不易熟练运用，加上计算机成本高，因而一直没有得到广泛应用。1968年，美国最大的汽车制造商一通用汽车公司 (GM) 设想把计算机功能的完备性、灵活性、通用性好等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制造一种新型的工业控制装置。为此，伽公司提出了著名的 GM 10 条技术指标在社会上公开招标：(1) 编程简单，可在现场修改程序；(2) 维护方便，最好是插件式；(3) 可靠性高于继电器控制柜；(4) 体积小于继电器控制柜；(5) 可将数据直接送入管理计算机；(6) 在成本上可与继电器控制柜竞争；(7) 输入电压可以是交流115V；(8) 输出能力为交流ll5V/2A以上，能直接驱动电磁阀；(9) 在扩展时，原有系统只要很小变更；(10 用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。1969年美国数字设备公司 (DEC) 根据招标的要求，研制出了世界上第一台可编程控制器，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程逻辑控制器，简称 PLC，只是用它来取代继电器控制，仅具备逻辑控制、定时、计数等功能。随着电子技术和计算机技术的发展，20 世纪70 年代中期出现了微型计算机，微机技术被应用到PLC中，使得 PLC不仅具有逻辑控制的功能，而且还增加了运算、数据传送和处理等功能，成为具有计算机功能的工业控制装置。1980年美国电气制造商协会 （NEMA）正式将其命名为可编程控制（ProgrammableController，PC）可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的一种新型控制器。它是以微处理技术为核心，用于数字控制的工业专业计算机。它能实现逻辑控制，顺序操作，定时，计数，算数，运算，数据处理，联网通信，PID回路调节等控制。具有可靠性高，适应工业现场的高温，冲击和振动等恶劣环境的特点。3.1.2 PLC的基本概念随着微处理器计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。当前用于工业控制的计算机可以分为几类，例如可编程控制器基于PC总线的工业控制计算机基于单片机的测控装置用于模拟量闭环的可编程调节器集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。现代社会要求制造业对市场需求做出迅速的反应，生产出小批量多品种多规格低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 正顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 PLC 的应用面广功能强大使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。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在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。国际电工委员会 (IEC) 在1985年的 PLC 标准草案第 3 稿中，对PLC作了如下定义：可编程控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。从上述定义可以看出 PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。西门子公司的 S7-200 系列小型 PLC 为主要对象。S7-200 以其极高的性能价格比，在国内占有很大的市场份额。S7-200适用于各行各业的检测监测及控制的自动化，无论独立运行或连成网络，都能实现复杂的控制功能。另外，S7-200具有极高的可靠性丰富的指令集和内置集成功能强大的通信能力和丰富的扩展模块。3.1.3 PLC的特点(1) 可靠性高，抗干扰能力强：PLC 的 MTBF 一般在40000 50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型 PLC 可达10万小时以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数十万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。(2) 模块化组合灵活：可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合。I/O从88192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。 (3)功能强：PLC 应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能 I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。PLC可以通过通信联网，可以实现分散控制，集中管理。(4)编程方便：PLC适用针对工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)编程，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。 (5) 适应工业环境：PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。这是PLC产品的市场生存价值。 (6) 安装、维修简单：与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。 (7) 运行速度快：随着微处理器的应用，使PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。3.1.4 PLC的应用与发展目前，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。(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。(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、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) 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。(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。(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。(6) 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备之间的通信。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。3.2 PLC的基本结构及工作原理3.2.1 PLC的基本结构可编程控制器实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，故可编程控制器起与计算机的组成十分相似。从硬件结构看，它有中央处理单元、存储器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部件组成。如图3.1所示图3.1可编程控制器组成(1)中央处理器 (CPU) 与一般计算机一样，是可编程控制器(PLC)的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作，其主要任务有： 接收、存储由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和存储地址。 检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序的执行。 接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要改数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。 执行用户程序。当可编程控制器进入运行状态，CPU 根据用户程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。 故障诊断。诊断电源、可编程控制器内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。不同型号可编程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031、8051、8086、80826 等，也有采用厂家自行设计的专用CPU芯片（如西门子公司的S7-200系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片）， CPU 芯片的性能关系到可编程控制器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。随着CPU芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的CPU芯片也越来越高档。 (2) 存储器 可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。 系统程序存储器 系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使可编程控制器具有基本的智能。能够完成可编程控制器设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC 的性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由CPU 执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序，可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。 用户程序存储器 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程语言编写的各种用户程序。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（有锂电池进行掉电保护），EPROM 或 EEPROM 存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。目前较先进的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。 工作数据存储器 工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的 ON/OFF 状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量 / 输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及 A/D 转换得到的数字量和数学运算的结果等。在可编程控制器断电时能保持数据的存储器区称数据保持区。 用户程序存储器和用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映 PLC 性能的重要指标之一。 (3) 输入 / 输出接口 输入 / 输出接口是 PLC 与外界连接的接口。 输入接口用来接收和采集两种不同类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。 (4) 电源 小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。电源一方面可为CPU板，I/O 板及扩展单元提供工作电源（5VDC），另一方面可为外部输入元件提供24VDC（200mA）。 (5) 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活。 (6) 通信接口 为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过这些通信接口可以与监视器，打印机，其他的 PLC或计算机相连。当PLC与打印机相连时，可将过程信息，系统参数等输出打印；当与监视器 (CRT) 相连时，可将过程图象显示出来；当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合系统。 (7) 智能 I/O 接口 为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC 配有多种智能 I/O 接口。例如，满足位置调节需要的位置闭环控制模板，对高速脉冲进行计数和处理的高速计数模板等。这类智能模板都有其自身的处理器系统。(8) 编程器 它的作用是供用户进行程序的编制，编辑，调试和监视。 编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符（指令表）后才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管或其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器。它可以联机，也可以脱机编程，具有LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以利用微机作为编程器，这时微机应配有相应的编程软件包，若要直接与可编程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。 3.2.2 PLC的工作原理可编程控制器是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即是通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，便成为时间上的串行。由于运算速度极高，各电器的动作似乎是同时完成的，但实际输入 / 输出的响应是有滞后的。如图3.2所示。 图3.2用 PLC 实现控制功能的接线示意图 概括而言，PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。执行用户程序时，需要各种现场信息，这些现场信息已接到PLC 的输入端口。PLC采集现场信息即采集输入信号有两种方式：第一种，采样输入方式。一般在扫描周期的开始或结束将所有输入信号（输入元件的通 / 断状态）采集并存放到输入映像寄存器（PII）中。执行用户程序所需输入状态均在输入映像寄存器中取用，而不直接到输入端或输入模块去取用。第二种，立即输入方式。随着程序的执行需要那一个输入信号就直接从输入端或输入模块取用这个输入状态，如“立即输入指令”就是这样，此时输入映像寄存器的内容不变，到下一次集中采样输入时才变化。 同样， PLC对外部的输出控制也有集中输出和立即输出两种方式。 集中输出方式在执行用户程序时不是得到一个输出结果就向外输出一个，而是把执行用户程序所得的所有输出结果，先后全部存放在输出映像寄存器（PIQ）中，执行完用户程序后所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出，使输出设备部件动作。立即输出方式是在执行用户程序时将该输出结果立即向输出端口或输出模块输出，如“立即输出指令”就是这样，此时输出映像寄存器的内容也更新。 PLC 对输入输出信号的传送还有其他方式。如有的PLC采用输入，输出刷新指令。在需要的地方设置这类指令，可对此电源ON的全部或部分输入点信号读入带电一次，以刷新输入映像寄存器内容；或将此时的输出结果立即向输出端口或输出模块输出。又如有的 PLC上有输入、输出的禁止功能，实际上是关闭了输入、输出传送服务，这意味着此时的输入信号不读入、输出信号也不输出。 PLC工作的全过程可用图 3.3 所示的运行框图来表示。 图 3.3可编程控制器运行框图 可编程控制器整个运行可分为三部分： 第一部分是带电处理。可编程控制器上电后对 PLC 系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化，I/O 模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。可编程控制器上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当 CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU 处于RUN 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。