12_第十二章 PLC可编程控制器的应用

1、 第一章船舶电气概述 第二章电气安装件及船体构件开孔补强 第三章船用电缆及其拉敷 第四章船舶电气设备的安装 第五章船舶电站的系泊试验 第六章船舶电气设备的系泊试验 第七章船舶报警系统的系泊试验 第八章甲板机械及各类辅机的系泊试验 第九章船舶辅助组合锅炉 第十章船舶冷藏与空调系统的系泊试验 第十一章船舶电气的航行试验 第十二章PLC可编程控制器的应用 第十二章PLC可编程控制器的应用 PLC产品的应用是随着工业自动化的需要发展起来的,主要用于对自 动化生产线的各种设备(如各种执行机构、智能化传感器和仪表等)进行控 制,直接面向生产现场。在上世纪60年代末,美国数字设备公司(DEC)在单 板机的基

2、础上加上适当的输入输出接口,研制出了可编程逻辑控制器,简称 PLC(Pro-grammable Logic Controller),又称可编程控制器PC(Programmable Controller)。 PLC的产生缘于汽车制造业,最初的研制动机是用来代替原来的继电 器组成的控制电路,设计一种新型的控制开关量的装置,提高生产线控制的 灵活 性。因此从一开始,逻辑控制就是PLC的强项,但随着其他技术的发展, 特别 是PLC处理器运算速度的不断提高,PLC的功能也不断提高,使得PLC 在自动化领域得到了广泛的应用。 由于船舶工业的自动化水平和船舶航行的可靠性要求极高,最早使用 继电器组成的控制回

3、路应用的元件很多,稳定性差,修改和调试十分困难。 而使用了PLC可编程逻辑控制器后,系统的运行寿命和响应性能得到很大 提高,并且具有改型容易、造价低、体积小、抗干扰强等优点,所以在船舶 主机、辅机和船舶电站等设备中很快得到了推广应用。 现在,世界上有很多大的工业公司都开发和生产出了自己的PLC产品, 比较著名的有美国的A-B公司、日本的欧姆龙公司、德国的西门子公司。 它们的工作原理基本相同,但每一公司的编程语言是不同的。我们将以德 国西门子公司的产品为例,对PLC在船舶中的一些应用与调试做一介绍。 第一节PLC可编程控制器硬件和软件及工作原理 一、PLC可编程控制器的硬件 PLC的硬件,随厂家

4、的不同、功能强弱的不同,差异很大。但 是其组成的基本原理大同小异,都是由单板机与接口电路组成 的。有的PLC将这两部分组成一体,其体积较小,功能相对较弱。 例如西门子的ST200系列产品。有的PLC分为几部分,这种产品 体积大、功能较强,例如西门子的S5100系列、欧姆龙的C200H 系列。 CPU是PLC的核心元件,负责实现用户程序的执行,也负责执行 进程的控制。随着技术的发展,CPU采用的芯片由原来的MS48、 MS8031等发展到现在的16位机芯片甚至32位机芯片,加快了处理速 度,还专门研制了位处理器作为协处理器。 接口电路主要由移位寄存器和外围接口组成。移位寄存器负责 把CPU和外围

5、电路连接起来。外围接口又可分为输入接口和输出接 口。输入接口将采集来的模拟量信号或开关量信号转换为数字信 号存入移位寄存器,交给CPU处理,输出接口把CPU处理好的数字信 号转换成模拟信号或开关信号输出。输出接口输出的开关信号有的 采用继电器,也有的采用半导体开关器件。 下面以西门子S5系列为例,介绍一下CPU模块和输入输出模块。 CPU是PLC的核心单元,其性能决定了PLC的整体性能,所以我们 以表12-1对S5100系列CPU主要性能做一比较。 从表中可以看出,不同的PLC模块其性能差别很大,使用PLC时 最主要考虑的是以下几个方面。 (一)输入输出点数 这是使用PLC开发者首先考虑的问题

6、。一般选用的PLC所允许 的输入输出点数要大于或等于控制电路所需的开关量。例如后面要 介绍35 000吨1#油轮组合控制屏的CPU要控制11组泵的切换,每组有 两台泵,每台泵4个输入点6个输出点加上一些其他公共信号。输入 输出点数总共要120点以上,它选择的是256点输入输出,CPU102可以 满足要求。 (二)编程语句数 这是CPU选择的决定性条件,一般要求实际编程语句数小于 CPU允许数。以35 000吨油轮组合屏为例,每组泵用语句200条,11 组泵需2 000多条语句,经压缩为1 998句完成,所以选用了CPU102。 (三)运行速度 一般场合的使用问题不大,但是在需要及时处理的场合就

7、必须 考虑。 (四)计数器和定时器的数量 同前几个条件一样,计数器和定时器的使用数量要小于CPU的允 许数量。以35 000吨油轮为例,使用定时器数量30个,CPU102允许的 定时器数量32个可以满足条件。 以上是选择CPU的几个重要条件,大家使用时可以参照设备手册 操作说明。 输入输出模块的种类很多,大致可分为数字量输入输出模块、 模拟量输入输出模块。 另外还有一些功能模块如比较模块、计时器模块、仿真器模 块、计数器模块、诊断模块等,其中模拟量输入输出模块和功能模 块由于造价较高,并不是经常能够看到。如要学习这两种模块可参 照PLC的使用手册,这里就不一一介绍。下面介绍数字量输入输出 模块

8、。 开关量输入模块品种很多,以输入电压的不同可分为直流和交 流。直流包括5 V、24 V、2460 V等,交流包括24 V、110 V、220 V等。从输入电路和总线是否隔离来区分,有采用光电隔离的,有 采用非隔离的。从点数上分有4点、8点等。 选用原则是根据实际需要,尽量统一型号规格,如果CPU与输入输 出模块采用同一电源,可不选用光电隔离模块。这样就节省了开支、 降低了成本。至于4输入,还是8输入可根据实际选用。但带有中断功 能时,必须选用4输入模块。 数字输出模块品种也相当多,从输出采用的电路可分为继电器 输出、晶闸管输出等。从输出电路是否和总线有隔离的角度,又可 分为光电隔离模块和无隔

9、离模块,可参照输入模块选取方法。 总线模块是连接CPU与输入输出模块的桥梁,所有输入输出模 块均是安装在总线模块上。除有些数字量输入输出模块(如S5系列 中的6ES54518MAII、6ES5 4908MAII、6ES5 4828MAII、 6ES5 4908MAII)外,几乎所有的外部接线全部是安装在总线模块 上。这样连线便于更换模块。总线模块根据安装的实际情况,单 排的可应用S5345模块,多排的可应用S5316模块连接。为了方便 PLC元件在工作时对散热器降温的要求,尽量采取水平安装。采用 垂直安装时空气只能在模块的顶边和底边流动,散热条件不好,设 备允许使用的环境温度也会相应降低。 P

10、LC的多数部件都安装在标准导轨上,首先将电源模块安装在导 轨的最左边,中央处理单元靠在电源模块的右边。接下来安装总线 单元,将总线单元夹子中的扁平线拉出,与其左侧的CPU插座相连 接,再将总线单元的扁平线与其本身的插座连接。这里强调一点, 带有中断功能的总线模块必须靠紧CPU模块安装。多排安装的要 将产生发热的CPU安装在最下一排,模块序号是自左向右顺序排 列,然后将每一排总线模块用带插头的电缆连接,由带有CPU一排 的“OUT”插座和第一扩展排的“IN”插座相连。第一扩展排的“ OUT”插座和第二扩展排的“IN”插座相连,以此类推。至于各种模 块的安装和固定,由于每个公司的产品安装和固定的方

11、式不大相同,这 里不再 一一阐述,如需要可参考有关资料。 二、PLC可编程控制器的软件 PLC的编程语言是随时间的发展在不断升级的。梯形图是PLC 控制器最具采用的编程语言,也是最容易掌握的语言。它与电器工 程师经常使用的电路图极为相似,因而最容易被电器工程师们接受。 在继电器控制回路中,经常看到这些元件,如常开触点、常闭触 点和继电器动作线圈,类似的在梯形图中也有这三种元件。 这三种逻辑元件在梯形图中标号如下: 常开触点 首先来看一下基本梯形图编程的举例。 梯形图中每一个接点的上方都有一个标注,其中I表示为输入 端口、M或F表示中间继电器、Q表示输出继电器、T表示计时器、 C表示计数器。 图

12、12-1(1)中一段程序表达的意思为当输入模块0.0点闭合的,中 间继电器0.1点是闭合的,输入模块0.1点是断开时输出模块的0.0闭 合,为逻辑与串联电路。 图12-1(2)中一段程序表达的意思为当输入模块0.3点闭合,或者 输入模块0.4点闭合的,或者输入模块0.5点闭合时输出模块的0.1点闭 合,为或并联电路。 LDI0.0 AND M0.1 ANI I0.1 OUT Q0.0 (1)与逻辑相当于电路中的串联 LDI0.3 OR I0.4 OR I0.5 OUT Q0.1 (2)或逻辑相当于电路中的并联 LDI0.3 OR I0.4 ORI I0.5 ANI F0.2 OUT Q0.1

13、(3)与或非逻辑混合电路中的串并联 (4)用定时器取代线圈 图12-1基本梯形图及编程 (5)用计数器取代线圈 由于梯形图是最早的编程语言,只能编写十分简单的程序,很 多稍复杂的程序就不能用梯形图来编制。现在一般用专门的编程 语言,如西门子S5系列使用的编程语言是STEP5,欧姆龙C200H系 列使用的LSS(IBM XTAT编程软件),语言功能十分强大,基本能满 足编程需要。 高级编程语言一般使用结构化编程。结构化编程是把一个复杂 的编程任务分解成相对简单的模块即子程序,每一模块完成一部分 编程任务。这些小的程序块完成后再把它们组织到一起成为一个 完整的程序。这种编程给编制和调试带来很大方便

14、。这些小的程 序块一般有组织块(OBX)、程序块(PBX)、顺序块(SBX)、功能块 (FBX)数据块等。而这些块又是由“与”、“或”、“非”、 “计数器”、“计时器”等组成。 PLC的数据处理是由CPU来完成的,如图12-2所示。CPU一般 包含RAM、ROM、ALU和处理器几个部分。RAM包括程序存储 器、过程I/O映像(输出映像PIQ、输入映像PII)、计时器、计数器、 标志。ROM是操作系统。ALU是运算器,它是由累加器1、2和位累 加器RLO组成。另外还有存储子模板、串口与CPU相连。存储子 模板可将控制程序存储起来,当CPU程序存储器出现问题时可以调 用。串口是连接编程器、操作面板

15、或局域网的插口。另外CPU和 I/O模板之间是通过I/O总线进行信息交换的,总线单元的每个槽都 设置了移位寄存器,数据就是通过这些移位器进行传输的。 图12-2PLC的数据处理框图 在PLC开机后,先进行数据扫描即输入模板的数据进入输入映 像区、输出映像区的数据传输到输出模板。接下来进行程序扫 描,程序扫描在通常情况下是循环的,控制语句从程序存储器中一 句一句的调出并被执行。过程输入映像中的信息、标志、现行时 间值、计数值被用于执行中的控制语句,而运算的结果被写入输 出映像PIQ中。PIQ中的数据被传送到输出模块,同时PII输入映像 中写入由输出模块送来的新的数据。在循环扫描过程中,在控制 程

16、序执行之前要先触发一个扫描时间触发器。它的作用是监视触 发器本身在监视时间内是否运行。 如果没有启动,PLC自动进入“STOP”状态,输出禁止。监视时间 是指输入信号的改变到相应的输出信号改变之间的时间,它包括了输 入模块的延时、程序扫描延时、数据循环延时、系统处理时间、编 程接口限制时间。监视时间不同型号的PLC是不一样的,有的较新 的机型监视时间可以改变,但一般的监视时间都比较短,几百毫秒。 知道了PLC的工作过程还要了解程序是如何写入PLC的。 程序装载有两种方法,一是使用编程器PG如西门子S5605U、 欧姆龙C200HPRO327-E等,二是使用编程软件如西门子STEP5、 欧姆龙X

17、TAT等。使用编程器时要注意,有的编程器只能在线使用, 因 为它的电源是由可编程控制器提供的。由于编程器有体积小、 携 带方便的特点,所以在现场施工和修改时被经常采用。但在设计 时 比较多的是使用编程软件。由于PLC的生产厂家很多,所以使用 的 编程器和编程软件也不相同,这里就不一一介绍了。 第二节PLC可编程控制器的应用 一、可编程控制器基本应用 最初,PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步, 它的应用领域不断扩大。如今,PLC不仅用于开关量控制,还用于模 拟量及数字量的控制,可采集与存储数据,还可对控制系统进行监控, 同时能联网、通信,实现大范围、跨地域的控制与管理。PLC已

18、日 益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。 (一)用于开关量控制 PLC控制开关量的能力是很强的,所控制的输入/输出点数,少的 十几点、几十点,多的可到几百、几千,甚至几万点。由于它能联网, 点数几乎不受限制,不管多少点都能控制。所控制的逻辑问题可以 是多种多样的:组合的、时序的;即时的、延时的;不需计数的、需要 计数的;固定顺序的、随机工作的等等,都可进行。 PLC的硬件结构是可变的,软件程序是可编的,用于控制时非常 灵活。必要时,可编写多套,或多组程序,依需要调用。它很适应于工 业现场多工况、多状态变换的需要。 用PLC进行开关量控制实例是很多的,冶金、机械、轻工、化 工、纺织等等,几乎

19、所有工业行业都需要用到它。目前,PLC首用的 目标也是别的控制器无法与其比拟的,就是它能方便并可靠地用于 开关量的控制。 (二)用于模拟量控制 模拟量,如电流、电压、温度、压力等,它的大小是连续变化 的。工业生产,特别是连续型生产过程,常要对这些物理量进行控制。 作为一种工业控制电子装置,PLC若不能对这些量进行控制,那 是一大不足。为此,各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。目前, 不仅大型、中型机可以进行模拟量控制,就是小型机,也能进行这 样的控制。 PLC进行模拟量控制,要配置有模拟量与数字量相互转换的 A/D、D/A单元。它也是I/O单元,不过是特殊的I/O单元。 A/D单元是把外电路

20、的模拟量转换成数字量,然后送入PLC。 D/A单元是把 PLC的数字量转换成模拟量,再送给外电路。 作为一种特殊的I/O单元,它仍具有I/O电路抗干扰、内外路隔离, 与输入输出继电器(或内部继电器,它也是PLC工作内存的一个区,可 读写)交换信息特点。 这里的A/D中的A,多为电流或电压,也有为温度。D/A中的A,多 为电压或电流。电压、电流变化范围多为05 V,010 V,420 mA,有 的还可处理正负值的。这里的D,小型机多为8位二进制数,中、大型 多为12位二进制数。 A/D、D/A有单路,也有多路。多路占的输入输出继电器多。有 了A/D、D/A单元,余下的处理都是数字量,这对有信息处

21、理能力的 PLC并不难。中、大型PLC处理能力更强,不仅可进行数字的加、 减、乘、除,还可开方、插值,还可进行浮点运算。 有的还有PID指令,可对偏差制量进行比例、微分、积分运算,进 而产生相应的输出,计算机能算的它几乎都能算。这样,用PLC实现模 拟量控制是完全可能的。 PLC进行模拟量控制,还有A/D、D/A组合在一起的单元,并可用 PID或模糊控制算法实现控制,可得到很高的控制质量。 用PLC进行模拟量控制的好处是,在进行模拟量控制的同时,开 关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的,或控制的实现 不如PLC方便。当然,若纯为模拟量的系统,用PLC可能在性能价格比 上不如用调节器,这

22、也是应当看到的。 (三)用于数字量控制 实际的物理量,除了开关量、模拟量,还有数字量,如机床部件的 位移,常以数字量表示。数字量的控制,有效的办法是NC,即数字控制 技术,这是上个世纪50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术, 当今已很普及,并也很完善。目前,先进国家的金属切削机床,数控 化的比率已超过40%80%,有的甚至更高。 PLC也是基于计算机的技术,并日益完善。故它也完全可以用于 数字量控制。PLC可接收计数脉冲,频率可高达几千赫兹到几十千赫 兹,可用多种方式、多路接收脉冲,有的PLC还有脉冲输出功能,脉 冲频率也可达几十千赫兹。有了这两种功能,加上PLC有数据处理 及运算能力,若再

23、配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装 置(如环形分配器、功放、步进电机),则完全可以依NC的原理实 现种种控制。 高、中档的PLC,还开发有NC单元,或运动单元,可实现点位控 制。运动单元还可实现曲线插补,控制曲线运动。所以,若PLC配置 了这种单元,则完全可以用NC的办法,进行数字量的控制。新开发 的NC技术的编程语言,为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。 (四)用于数据采集 随着PLC技术的发展,其数据存储区越来越大。如OMRON公司 的PLC,前期产品C60P的DM区仅64个字,而后来的C60H达到1 000个 字;到了CQMI可多达6 000个字。这样庞大的数据存储区,可以

24、存储 大量数据。 数据采集可以用计数器累计记录采集到的脉冲数,并定时地转 存到DM区中去。数据采集也可用A/D单元,当模拟量转换成数字量 后,再定时地转存到DM区中去。 PLC还可配置上小型打印机,定期把DM区的数据打出来。PLC 也可用计算机通信,由计算机把DM区的数据读出,并由计算机再对 这些数据做处理,这时PLC即成为计算机的数据终端。 电业部门曾这么使用PLC,用以实时记录用户用电情况,以实现 不同用电时间、不同计价的收费办法,鼓励用户在用电低谷时多用 电,达到合理用电与节约用电的目的。 (五)用于进行监控 PLC自检信号和内部器件很多,多数使用者未充分发挥其作用。 其实,完全可利用它

25、进行PLC自身工作的监控,或对控制对象进行监 控。 这里介绍一种用PLC定时器做看门狗,对控制对象工作情况进行 监控的思路。如用PLC控制某运动部件动作,看施加控制后动作进行 了没有,可用看门狗办法实现监控。具体做法是在施加控制的同时, 令看门狗定时器计时。 若在规定的时间内动作完成,即定时器未超过警戒值的情况下, 已收到动作完成信号,则说明控制对象工作正常,无需报警。若超时, 说明不正常,可做相应处理。如果控制对象的各重要控制环节,都用 这样一些看门狗“看”着,那系统的工作将了如指掌,出现了问题,卡在 什么环节上也很好查找。 还有其他一些监控工作可做。对一个复杂的控制系统,特别是 自动控制系

26、统,监控能自诊断是非常必要的。它可减少系统的故障, 出了故障也好查找,可提高累计平均无故障运行时间,降低故障修 复时间,提高系统的可靠性。 (六)用于联网、通信 PLC联网、通信能力很强,不断有新的联网的结构推出。PLC可 与个人计算机相连接进行通信,可用计算机参与编程及对PLC进行控 制的管理,使PLC用起来更方便。 为了充分发挥计算机的作用,可实行一台计算机控制与管理多台 PLC,多的可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通信,交 换信息,以实现多地对PLC控制系统的监控。 PLC与PLC也可通信。可一对一PLC通信,可几个PLC通信,可多 到几十、几百个通信。PLC与智能仪表、智

27、能执行装置(如变频器) 也可联网通信,交换数据,相互操作。可连接成远程控制系统,系统 范围可大到10公里或更大。可组成局部网,不仅PLC,而且高档计 算机、各种智能装置也都可进网。可用总线网,也可用环形网。 网还可套网。网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算 机、智能装置组织在一个网中。网间的结点可直接或间接地通 信、交换信息。 联网、通信,正适应了当今计算机集成制造系统(CIMS)及智能 化工厂发展的需要。它可使工业控制从点(Point)到线(Line)再到面 (Aero),使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成 一个整体,进而可创造更高的效益。这个无限美好的前景,已越来

28、 越清楚地展现在我们这一代人的面前。 以上几点应用是着重从质上讲的。从量上讲,PLC有大、有小, 所以它的控制范围也可大、可小。小的只控制一个设备,甚至一个 部件,一个站点;大的可控制多台设备,一条生产线,以至于整个工厂。 可以说,工业控制的大小场合,都离不开PLC。 一般来说,工业生产过程可分为两种类型:连续型生产过程(如 化学工业)及非连续型,即离散型生产过程(如机械制造业)。前者生 产对象是连续的,分不出件的;后者为离散的,一件件的。由于PLC 有上述几个方面的应用,而且控制的规模又可大、可小,所以这两种 类型的生产过程都有其用武之地。 二、PLC在船舶中的应用 由于大多PLC可编程控制

29、器调试和故障排除方法相同,所以我们 仅以35 000吨油轮组合屏的泵切换为例,来了解PLC可编程控制器在 船舶中的应用。首先了解这套PLC所需完成的功能,其次了解它的硬 件配置。 35 000吨油轮组合屏必须完成以下功能。 (1)要控制12组泵的启动。每组泵两台,互为主用备用。当泵出 口压力降到切换值时,备用泵启动,两台泵同时工作。当泵出口压力 恢复正常时,故障泵停止运行,同时给出故障报警。 (2)主汇流排失电之后所有泵停止运行。当汇流排复电时,各泵 按一定时间顺序启动。 (3)要求有报警试验和报警复位。 (4)每台泵可自动和手动启动和停止。 (5)两套PLC互为备用。当一台PLC出现故障,另

30、一台PLC自动投 入并发出报警。 西门子SIMATIC S5100系列(CPU102、总线模块S5316、输 入模块6ES54218MA12、输出模块6ES54518MD11)硬件配置。 (一)安装要求 1.布线要求 电源是干扰进入PLC的主要途径。除在电源和接地设计中讲到 的注意事项外,在具体的安装施工时还要做到以下几点。 (1)PLC的主机电源线,应与其他动力线分开敷设,并保持一定距 离。为防止来自电源线的干扰,电源线应使用双绞线。 (2)输入/输出线应与动力线及其他控制线分开走,尽量不要在同 一线槽内布线。 (3)为防止由于干扰产生误动作,接地端子必须接地。接地导线必 须保持2 mm2以

31、上截面积。 (4)对于传递模拟量的信号线应使用屏蔽线,屏蔽线应一端接地。 (5)因PLC基本单元和扩展单元间传输的信号小,频率高,易受干 扰,它们之间的连接要采用厂家提供的专用连接线。 (6)所有电源线、输入输出配线必须使用压接端子或单芯线,若 多股线直接接在端子上容易引起打火。 (7)系统的动力线应足够粗,以防止大容量设备启动时引起的线 路压降。 2.环境要求 良好的工作环境是保证PLC控制系统工作正常、使用寿命延长 的重要因素。PLC对工作环境的要求,通常有以下几点。 (1)避免阳光直射,周围温度为0 55 。因此安装时,不要把 PLC安装在高温场所,应努力避开高温发热元件,保证PLC周围

32、有一 定的散热空间,并按操作手册的要求固定安装。 (2)避免相对温度急剧变化而凝结露水,相对湿度控制在10%90% RH以保证PLC的绝缘性能。 (3)避免腐蚀性气体、可燃性气体、盐分含量高的气体的侵蚀,以 保证PLC内部电路和触点的可靠性。 (4)避免铁粉、水、油、药品粉末污染。 (5)避免强烈震动和冲击。 (6)远离强干扰源,在有静电干扰、电场强度很强、有放射性的地 方等,应充分考虑屏蔽措施。 (二)调试步骤 不同厂家或不同型号的PLC,其调试方法不尽一致,应以手册为准, 下面是SIMATIC S5100PLC的调试方法。 1.将程序写入PLC可编程控制器 将PLC与微机连接,确认电池安装正常,连接PLC可编程控制器 CPU电源并确认工作正常。将电源开关选择“开”位置,方式开关选 择“STOP”位置,由微机中选择程序写入PLC。 2.将程序写入子存储模块 将PLC可编程控制器CPU断电,