基于PLC的高炉上料自动监控系统设计（带仿真）

1、第一章引言11.1 课题研究的背景11.2 高炉上料国内外发展状况1高炉介绍1上料系统介绍21.3 PLC技术的介绍21.3.1 PLC的现状及发展21.3.2 PLC软件的强化31.4 课题的提出41.5 课题研究的意义、价值、可行性4 课题研究的主要内容5小结5第二章高炉上料自动监控系统的硬件设计7系统的总体设计72.1.1 各种控制系统的特点72.1.2 控制方案的选择72.1.3 PLC控制与微机控制的比较优势82.1.4 PLC控制与继电器控制的比较优势102.1.5 系统的总体结构图12 系统的主电路设计132.3系统的控制电路设计132.3.1 PLC的选型设计132.3.2 P

2、LC的I/O编址152.3.3 PLC的输入/输出接线图17元件明细表19小结20第三章高炉上料自动监控系统的程序设计213.1 软件开发平台和编程语言的选择213.1.1 PLC软件系统及常用编程语言213.1.2 软件开发平台22高炉上料自动监控系统流程图的设计233.3 高炉上料自动监控系统的梯形图的设计263.4 小结29第四章高炉上料自动监控系统的组态监控304.1 组态软件简介304.2 组态监控系统的设计314.2.1 MCGS工程建立314.2.2 建立动画图形窗口32动画的连接324.2.4 运行策略组态334.3 脚本程序的编写334.3 小结34第五章高炉上料自动监控系统

3、的仿真355.1 硬件设置355.2 生成ASCII文本文件355.3 下载程序355.4 系统仿真365.5 小结39第六章结束语40参考文献42致谢43第一章 引言高炉上料装置是生产中的重要环节，提高其自动化水平，可以大大减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时通过原料的精确配比，又可提升产品的品质和质量。本文简要介绍了PLC系统在高炉上料自动监控中的应用。该系统用PLC完成所有的过程控制、数据采集、自动调节、事故处理及报警等工作。工控机负责监控和人机对话，PLC和工控机通过动态数据交换，实现点对点通讯，控制和控制分开，可靠性高。该系统于2008年1月在建源钢铁公司450m³高炉正式

4、投入使用以来，运行良好，稳定可靠，以低成本、完善的功能赢得了高炉操作人员的好平。1.2 高炉上料国内外发展状况高炉介绍高炉：用于冶炼液态铁水的主要设备，其横断面为圆形的炼铁竖炉，用钢铁作炉壳，里面砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分，护喉之上设置装料设备；炉缸上部沿圆周均匀设风口，热风通过热风围管、支管和弯头、直吹管，由风口鼓入炉内；风口平面之下有出渣口和出铁口。近代巨型高炉由于渣量少，不设出渣口。高炉的主要组成部分。高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳，炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还

5、承受炉顶载荷；炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形；炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力；炉腰：高炉直径最大的部位；炉腹：高炉熔化后造渣的主要区段，呈倒锥台形，为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角；炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形；炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到14004600的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命，目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散

6、热能力；炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的；炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用；炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件5。上料系统介绍包括皮带输送机、多个料仓和电子秤及向上开启的熔炉，各电子秤的出料口排列在所述皮带输送机的上方，料仓和电子秤的出料口上装有震动给料器，其特点是：还包括一料罐，具有一活动底板，该底板上表面形成有向边缘延伸的斜面并与一中柱固连；一输送轨道，两端分别位于所述皮带输送机前端

7、上方和所述熔炉的上方；一提升装置，在所述输送轨道上移动，其升降端与所述中柱连接；在所述皮带输送机的前端下方还设有一转盘，带动料罐旋转。高炉自动上料系统是高炉冶炼系统中一个重要组成部分，对高炉冶炼的各项指标有着极大的影响。一个良好的系统必须保证其工作的可靠性和准确性。因为高炉生产的特殊性，这一系统必须在长时间高强度工作的情况下保证其可靠性，确保高炉正常生产，同时又必须对各种入炉物料进行准确计量，按规定的装料制度进行顺序装料。由于工厂的特殊工作环境，这一自动上料系统还必须易学好用，易于维修，适合于工厂的实际情况2。1.3 PLC技术的介绍1.3.1 PLC的现状及发展国际电工委员会（IEC）对PL

8、C标准的定义是：“可编程控制器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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。自

9、1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程控制器PDP-14，用它取代传统的继电器控制系统在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上使用，取得成功以来，这种新型的工业控制装置以简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列有点，很快成功的应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。经过上世界七十年代日本、西德、法国等西欧国家对其进一步开发和研制，此项技术得到不断发展与提高。数字、信息化二十一世纪，PLC技术应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。中国工控网市场研究部在2003年底发展到2004年初做了一个中国PLC的市场调查，下图1.1是在本次调查最终用户

10、反馈的关于产品结构的结果。工控网根据业内的划分习惯和运用领域的不同将PLC划分为4个范围，主要是根据IO点数1。图1.1 2003年中国按产品规格划分的PLC市场Fig1.1 In 2003, according to the product specification of PLC market大型：不少于1，024个IO点这一类OLC主要用于冶金，自动化生产线和电厂。所有的大型PLC都是由系统集成商完成的，这一类的系统的附加值比较高。目前有超过8，000个点的巨型PLC系统在电厂运用，由于在钢铁行业的大幅度增长，大型PLC增幅巨大.中型：256-1，203点这一类PLC主要也是用作控制系统

11、，运用于冶金，电力，造纸，化工，加工/组装生产流水线，包装流水线等领域。这一类的系统主要也是由系统集成商来完成，也有个别用户会由自己来完成项目。小型:64-255点主要用于设备控制，也有用作小型系统控制器的。微型：少于64点这一类PLC主要用于单台设备的监控，在纺织机械，数控机床，塑料加工机械，小型包装机械上运用广泛。由于PLC能够为自动化控制设备提供安全可靠和比较完善的解决方案，因此长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。但PLC也必须依靠采用其他新技术来应对市场份额逐渐缩小所带来的冲击，特别是IPC（工控机）所带来的冲击。1.

12、3.2 PLC软件的强化在全球IPC领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生了巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势不会发展下去。随着Soft PLC（软PLC）控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有Soft PLC组态软件和基于IPC过程控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统PLC供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统PLC的技术发展与提高方便做出更加开放的姿态。对于控制软件来讲，这是PLC控制器的核心，PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现的非常积极。此外，开放

13、式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC融入更加开放的工业控制行业2。1.4 课题的提出在我国，PLC自动控制主要应用于钢铁工业和化工工业等大型工业生产。而在早期PLC没有出现时，我国的钢铁生产主要是平炉生产技术。由于平炉技术的燃料耗损大、冶炼时间长、基建投资和生产费用高，慢慢的在钢铁生产中失去主导作用，被PLC取代。1.5 课题研究的意义、价值、可行性PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、适用性强、系统的设计，建造工作量小、维护方便、容易改造等优点，以及产品的规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。因此，采用PLC控制符合要求。符合研究的意义及

14、价值、技术可行性。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护。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

15、，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。 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。 PLC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

16、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。 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。 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

17、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。课题研究的主要内容设计一个高炉上料自动控制系统，能够实现手动和自动两种方式控制，并且使用组态软件进行组态监控。指标要求：1. 在手动控制方式下，按下相应的控制按钮，可以实现配料、小车上行、小车下行控制；2. 在自动控制方式下，动作顺序是：小车在下限位置开秤斗闸门导料满时关秤斗闸门开铁矿皮带，开焦炭皮带，小车上行；3. 在自动控制方式下，开铁矿皮带开铁矿料斗5秒后关铁矿料斗再过5秒后关铁矿皮带；4. 在自动控制方式下，开焦炭皮带开焦炭料斗5秒后关焦炭料斗再过5秒后关焦炭皮带；5.

18、 在自动控制方式下，小车上行至上限位置开小盅10秒后关小盅，开布料器；6. 在自动控制方式下，开布料器10秒后开大盅再过10秒后关大盅再过5秒后关布料器小车下行至下限位置。本节主要对高炉上料系统和PLC做简单的介绍，并阐明了在现代工业控制中PLC控制要比继电器控制占有更大的优势，并且继电器控制正失去主导作用。并提出了本文研究的主要内容：设计高炉上料自动控制系统，能够实现自动和手动选择控制。PLC是以继电器控制为基础，以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和现代通讯技术，专门为工业应用环境而设计的功能强大的新型通用控制器。虽然PLC的生产厂家众多，产品层出不穷，但是它们都具有相似的结构

19、和相同的工作原理，使用方法也大同小异。PLC具有编程简单、配置灵活、易于扩展、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，发展非常迅猛，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等行业得到了广泛的应用。近年来，为了保证电气控制设备的高技术性能和系统的高可靠性，几乎所有的电气控制设备公司均采用了PLC作为其电气控制设备的控制器。PLC是在继电器控制的基础上产生的，不仅具有继电器控制的所有功能，而且具有许多继电器控制没有的功能，所有的功能都是通过软件编程实现的。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable

20、Logic Controller（PLC）。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。第二章高炉上料自动监控系统的硬件设计2.1 系统的总体设计2.1.1 各种控制系统的特点PLC系统的主要特点是：工作可靠，运行速度快；积木式结构

21、，组合灵活；良好的兼容性；程序编制及生成简单、丰富；网络功能强。PLC系统能很好地完成工业实时顺序控制、条件控制、计数控制、步进控制等功能；能够完成模/数（A/D）数/模（D/A）转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。DCS具有以下主要特点：功能全；采用网络通讯技术；完备的开放系统；可靠性高；具有综合性和专业性；实现了人机对话技术；系统扩展灵活；管理能力强。FCS主要有以下特点：FCS系统的核心是总线协议，即总线标准，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的

22、总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。FCS系统的基础是数字智能现场装置，系统结构具有高度的分散性；通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互相操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。因此，系统安全性高，扩展灵活，可大大降低安装成本3。 控制方案的选择随着微电子技术尤其是个人计算机技术的飞速发展，PLC和DCS的性能都有了较大的改进，PLC大大提高了数据处理能力和监控功能，DCS系统向开放性发展，操作站采用工控机，操作系统采用通用的Windows NT或Windows2000操作平台，PC机丰富的

23、软件资源得以应用，因而大大降低了系统的繁琐程度和价格，提高了系统的性价比。PLC和DCS在抢占市场的过程中，两者相互借鉴、渗透、融合，极大地增加了用户在设计和使用中的选择性。同时，由于各种控制系统生产制造厂较多，产品更新换代快，也给系统选择带来了一定的困难。而走向实用化的FCS，也正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。下面依据PLC、 DCS和FCS的不同特点，针对化工新项目建设和老项目改造，对控制系统的设计选型和应用总结以下原则进行选择17。按过程控制系统的控制规模及复杂程度：不同的化工生产过程，过程控制系统规模与复杂程度不同，通常在过程控制系统规模较大、复杂程度较高时优先选

24、择DCS。因为该系统是根据过程控制系统的特点发展而来，它对大量的模拟量数据信息能较好地进行处理、分析、运算，能完成各种复杂的、繁琐的调节控制计算，因此能完成规模大、复杂程度高的过程控制系统的工作。1994年在我厂的合成氨扩建和第二套尿素工程设计中，根据此项原则，过程控制系统选用了美国罗斯蒙特公司的RS3 DCS系统，取得了较好效果。RS3系统和其他DCS系统一样，包括以下几个部分：控制单元、操作单元、I/O单元、数据总线。按投资规模和项目经济效率合理选择：在一些小型化工项目中，特别是一些中小型改造项目，投资较少，规模较小的仪控系统应优先选择价格相对低廉、性价比较高的PLC系统。如在2003年，

25、我厂新上一套化工废水处理系统，根据此项原则选用了西门子公司生产的S7-200系列PLC系统，也取得了较好效果4。PLC控制与微机控制的比较优势工控机与PLC的区别并不在于长得什么样子，也不在于使用的工作环境，而在于它们的功能。它就发展来说，它们来自不同的途径，PLC来源以继电器为特征的电气逻辑控制，工控机来源于计算机。早期PLC只能用于进行逻辑运算，现在功能越来越强大了，但总体来说，还是适合于进行以顺序控制为主的自动化工程中，如流程工业。工控机作为控制设备，主用于以过程控制为主的自动化工程，如化工工业。工控机作为上位机人界面，认为只相当一台PC，与控制功能没什么关关系。 在工业生产过程中，大量

26、的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国通用汽车公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller(PC)。 个人计算机(简称PC)发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。 上世纪80年代至90年代中期是

27、PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统6。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 1PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块

28、、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 2CPU的构成 CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏

29、由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。3. I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。常用的I/O分类如下：开关量：按电

30、压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。4.电源模块 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或

31、110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。 5. 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 6. PLC系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作

32、员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。7. 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。PLC的通信现在主要采用通过多点接口(MPI)的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。8. PLC控制系统的

33、设计基本原则 最大限度的满足被控对象的控制要求。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。 保证控制系统安全可靠。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。 9. PLC软件系统及常用编程语言 PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制

34、器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。1610. 标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 PLC是按循环扫描事件，沿梯

35、形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用7。PLC控制与继电器控制的比较优势PLC在社会生产中应用广泛，其技术也在不断的进步，并且在各个领域所涉及到的内容都存在着很大的空间。简介： 在工业自动化领域，可编程控制器(PLC)作为自动控制以成为大多数自动化系统的设备基础，同时也给工业控制带来了前所未有的非凡变化。使用PLC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PLC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想

36、一、控制继电器存在的缺点今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。二、可编程序控制器的优势、特点及功能可编程控制器以体积小功能强大所著称

37、，它不但可以很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动控制。特别是现在，由于信息、网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。、顺序控制顺序控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。所谓的顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。由于它还具有编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、便于维护等优点，所以在实现单机控制、多机群控制、生产流程控制中可以完全取代传统的继电器接触器控

38、制系统。它主要是根据操作按扭、限位开关及其它现场给来的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作，从而达到了自动化生产线控制。比较典型应用在自动电梯的控制、管道上电磁伐的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动等。例如我分厂的原料混料系统就是利用了PLC的顺序控制功能。、闭环过程控制以往对于过程控制的模拟量均采用硬件电路构成的PID模拟调节器来实现开、闭环控制。而现在完全可以采用PLC控制系统，选用模拟量控制模块，其功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受元件影响，因而可靠性更高，容易实现复杂的控制和先进的控制方法，可以同时控制多个控制回路和多个控制参数。例如生产过程中的温度、流量、压

39、力、速度等。、运动位置控制 PLC可以支持数控机床的控制和管理，在机械加工行业，可编程控制器与计算机数控（CNC）集成在一起，用以完成机床的运动位置控制，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经处理与计算，发出相应的脉冲给驱动装置，通过步进电机或伺服电机，使机床按预定的轨道运动，以完成多轴伺服电机的自控。目前以用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削摸削等应用中。、生产过程的监控和管理 PLC可以通过通迅接口与显示终端和打印机等外设相连。显示器作为人机界面（HMI）是一种内含微处理芯片的智能化设备，它与PLC相结合可取代电控柜上众多的控制按钮、选择开关、信号指示灯，及生产流程模拟屏和电控

40、柜内大量的中间继电器和端子排。所有操作都可以在显示屏上的操作元件上进行。PLC可以方便、快捷地对生产过程中的数据进行采集、处理，并可对要显示的参数以二进制、十进制、十六进制、ASCII字符等方式进行显示。在显示画面上，通过图标的颜色变化反应现场设备的运行状态，如阀门的开与关，电机的启动与停止，位置开关的状态等。PID回路控制用数据、棒图等综合方法反映生产过程中量的变化，操作人员通过参数设定可进行参数调整，通过数据查询可查找任一时刻的数据记录，通过打印可保存相关的生产数据，为今后的生产管理和工艺参数的分析带来便利。、网络特性 PLC可以实现多台PLC之间或多台PLC与一台计算机之间的通讯联网要求

41、，从而组成多级分布式控制系统，构成工厂自动化网络。 (1) 通过通讯模块、上位机以及相应的软件来实现对控制系统的远距离监控。 (2) 通过调制解调器和公用电话网与远程客户端计算机相连，从而使管理者可通过电话线对控制系统进行远距离监控。结束语可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可用于所有的工业领域。当前国内外已经广泛的将可编程控制器成功地应用到机械、冶金、石油、化工、纺织、交通、电力、军事等各个领域，并取得了可观的技术济济效益。而且它还代表当今电气控制技术的世界先进水平，它已与数控技术、CADCAM技术、工业机器人技术并列为工业自动化技术的四大支柱8。2.1.5系统的总体结构图根据本设计的内

42、容要求，系统的总体结构图如图2.1所示。图2.1 系统结构图Fig. 2.1 System diagram 系统的主电路设计直流电主要应用于各种电子仪器,电解,电镀,直流电力拖动等方面。 交流电的优点主要表现在发电和配电方面：利用建立在电磁感应原理基础上的交流发电机可以很经济方便地把机械能（水流能、风能）、化学能（石油、天然气）等其他形式的能转化为电能；交流电源和交流变电站与同功率的直流电源和直流换流站相比，造价大为低廉；交流电可以方便地通过变压器升压和降压，这给配送电能带来极大的方便这是交流电与直流电相比所具有的独特优势因此课题选用交流拖动电机如图2.2所示为生产电机接线图， QS是一个带有

43、的闸刀开关，各个电机都有热继电器用于电动机的长期过载保护。图2.2 电机接线图Fig.2.2 Electrical wiring diagram2.3 系统的控制电路设计PLC是以继电器控制为基础，以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和现代通信技术，专门为工业应用环境而设计的功能强大的新型控制器，其实质是工业控制专用计算机。.1 PLC的选型设计S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比15。S7-200系列出色表现在以下几个

44、方面：极高的可靠性，极丰富的指令集，易于掌握，便捷的操作，丰富的内置集成功能，实时特性，强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供选择。 CPU单元设计：集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222

45、具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 不同的设备类型：CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 本机数字量输入/输出点：CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 本机模拟量输入/输出点：CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。 中断输入：允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 高速计数器：C

46、PU 221/222，4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90°的A/B相增量编码器。CPU 224/224XP/226，6个高速计数器（30KHz），具有CPU 221/222相同的功能。CPU 222/224/224XP/226，可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。 模拟电位器：CPU 221/222 1个，CPU 224/224XP/226 2个。脉冲输出：2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 实时时

47、钟：例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 EEPROM存储器模块（选件）可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。 电池模块：用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。 编程：CPU 221/222/224/224XP/226。可以利用PC/PPI 电缆和自由口通讯功能把 S7-200 CPU 连接到许多和RS-232标准兼容的设备。 有两种不同型号的 PC/PPI 电缆：带有RS-232口的隔离

48、型 PC/PPI 电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项。带有RS-232口的非隔离型 PC/PPI 电缆，用4个DIP开关设置波特率。有关非隔离型PC/PPI电缆的技术规范，请参阅S7-200 可编程控制器系统手册9。.2 PLC的I/O编址编址：就是对输入/输出模块上的I/O点进行编码，以便程序执行时可以唯一的识别每个I/O点。数字量I/O点的编址是以字长为单位，采用标志域（I或Q）、字节号和位号三部分的组成形式，在字节号和位号之间以点分隔，习惯上称做字节·位编址。每个I/O点就有了唯一的识别地址，地址的表示如表2.3所示。表2.3数字量I/O点的编址Tab.2.3Digi

49、tal quantity a I/O address输入量输出量CPU224有14个输入和10个输出，根据设计要求I/O地址分配如表2.4所示。表2.4数字量I/O点的分配Tab.2.4Digital quantity a I/O assignment输入点输入设备输出点输出设备自动手动转换开关秤斗闸门开启继电器小车上行开关秤斗闸门关闭继电器下限位置开关铁矿皮带开启继电器秤斗闸门开动合触点焦炭皮带开启继电器秤斗闸门关动合触点铁矿料斗开启继电器铁矿皮带开动合触点铁矿料斗关闭继电器铁矿皮带关动合触点铁矿皮带关闭继电器铁矿料斗开动合触点焦炭料斗开启继电器铁矿料斗关动合触点焦炭料斗关闭继电器焦炭皮带开

50、动合触点焦炭皮带关闭继电器当主机单元的I/O点数不能满足控制要求是，通过I/O扩展接口增加I/O模块来完成要求。S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表2.5所示。表2.5扩展单元型号及输入输出点数Tab.2.5Expansion unit model and input output points类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16由于CPU224的输入输出点数不够，所以选用EM223(16输入/16输出扩

51、展模块。表2.6扩展模块（EM223）I/O地址分配表.6distribution list of expansion modules (EM223) I/O address 输入点输入设备输出点输出设备上限位置开关小车上行继电器小车下行开关小盅开启继电器焦炭皮带关动合触点小盅关闭继电器焦炭料斗开动合触点布料器开启继电器焦炭料斗关动合触点大盅开启继电器小盅开动合触点大盅关闭继电器小盅关动合触点布料器关闭继电器大盅开动合触点小车下行继电器大盅关动合触点配料继电器布料器开动合触点布料器关动合触点.3 PLC的输入/输出接线图根据以上的I/O编址，I/O接线图所示。由于此设计有21个输入量和19个输

52、出量，应选用CPU224，并使用扩展模块EM223。考虑到SIEMENS公司的产品在中国的应用非常广泛，其功能比较全面和典型，具有一定的代表性，所以设计以西门子公司的S7系列入手，S7系列是该公司20世纪末推出的新型PLC。其中的S7-200为小型的PLC。但是许多功能却达到了原来大、中型PLC的水平，而价格确是小型PLC的价格。因此，S7-200一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200的第二代CPU22X系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程软件，控制系统的设计更简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。SIEMENS公司的CPU224具有14个输入和6个输出，可连接

53、7个I/O扩展和一个串行通讯口，还有6个高速计数器足以满足设计需要，考虑到以后的发展留有一定的余量。因此，决定选用SIEMENS公司的CPU224和扩展EM223作为本设计的主控制元件。图2.7主机I/O接线图.7 main engine I/O wiring diagram图2.8 扩展模块I/O接线图.8 Expansion module I/O wiring diagram2.4元件明细表根据的I/O接线图把各个元件分表排列，如下表2.9所示。表2.9 元件明细表.9 Part detailed list of specifications序号名称电气符号型号数量1小车上行按钮SB1LA

54、19-1112下限位置按钮SB2LA19-1113上限位置按钮SB3LA19-1114小车下行按钮SB4LA19-1116位置开关SQ0-17LXW518LA19系列控制按钮适用于交流50Hz或60Hz、额定工作电压380V或直流额定工作电压220V、额定工作电流不大于5A的控制电路中，带信号灯的按钮，其信号灯用于交、直流电压为6V的信号电路中，作各种灯光信号指示用。LA19系列控制按钮是由按钮元件与信号灯组合而成的一种组合电器。按钮有一对常开触头、一对常闭触头和一副接触桥。LA1911是带指示灯一般控制按钮。LXW5系列微动开关适用于交流50Hz、电压至380V，直流电压至220V的控制或辅

55、助电路中，作控制、信号、联锁和限位之用。开关的结构特点和动作原理： LXW5微动开关是一种瞬动型单断点电器元件，采用一只常闭触头、一只常开触头和一个支承在金属支架上公共跳跃式的弹性接触片为动触头。 开关在外力（撞块等）作用下，通过操作件使接触片压缩到超过死点时，即使常闭、常开触头瞬时换接，当外力减少至一定值（小于复位力）时，触头立即自动复位至原状。小结本章主要介绍了硬件电路的设计，根据设计的要求对CPU的选型，使用了西门子公司的S7200系列的CPU224型主机单元，并且使用EM223扩展模块。对CPU224的I/O编址，输入输出点的分配，画出了I/O接线图，对I/O接线图的元器件作了介绍。S

56、7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。PLC的指令都是针对元器件状态而言的，使用是可以将它们看成是由继电器、定时器、计数器等元件构成的组合体。内部设

57、置了编程使用的各种元器件，他们都是软器件，以程序实现各元件之间的连接。第三章 高炉上料自动监控系统的程序设计系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。3.1 软件开发平台和编程语言的选择PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言18。3.1.1 PLC软件系统及常用编程语言不同的商家的PLC有不同的编程语言，但就某个商家而言，PLC的编程语言也就那么几种。下面，以西门子PLC的编程语言为例，说明一下，各种编程语言的异同。 顺序功能图（SFCSEAUE