基于PLC的多电机群控及监测系统的设计

1、 毕 业 论 文题 目： 基于PLC的多台电机群控及监测系统的设计 院 系： 电气信息学院 专 业： 电气工程及其自动化 班级： 0802 学 号： 4 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2012年6月9日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日湖南工程学院毕 业 设 计（论 文）任 务

2、 书 设计（论文）题目： 基于PLC的多台电机群控及监测系统的设计 姓名 院别 电气系 专业 电气工程及其自动化 班级 0802 学号 4 指导老师 教研室主任 一、基本任务及要求：1、基本要求：设计研制一套基于PLC的控制多台电机并对其状态和参数进行监控、测试的系统。该系统可应用于工矿企业共用一台启动器对多台电机进行起、停控制；用西门子TD200对其运行状态进行监控并测试、显示运行参数。2、本毕业设计课题主要完成以下设计内容：（1）西门子S7-200PLC的编程方法； （2）多台电机进行控制的系统硬件及软件的设计； （3）用TD200对其运行状态监控并显示； （4）撰写毕业设计说明书。 二、

3、进度安排及完成时间：1. 2月27日3月17日：查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告； 2. 3月18日3月31日：毕业实习、撰写实习报告； 3. 4月01日5月30日：毕业设计； 4. 4月中旬：毕业设计中期抽查 5. 6月1日6月9日：撰写毕业设计说明书（论文）; 6. 6月10日6月12日：毕业设计答辩; 7. 6月10日6月12日：修改、装订毕业设计说明书（论文），并将电子文档上传FTP。 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题研究的背景11.2 研究总体方案11.3 电机起动方式及选择21.4 相关技术背景简介31.4.1电机群控技术31.4.2 PLC技术3

4、1.5论文的研究内容4第2章 电子式软起动器技术52.1 电子软起动器概况52.2 电子式软启动器的启动方式52.3 软启动器选择6第3章 可编程控制器的分析与应用83.1 可编程控制器的应用与发展83.2 PLC的工作原理及功能特点93.3 PLC的规模与编程方式的确定123.4 SIEMENS S7-200 PLC143.4.1西门子S7-200PLC的功能概述143.4.2西门子S7-200 PLC的工作模式153.4.3 S7-200PLC网络的通信协议15第4章 多电机控制系统的分析与设计184.1 控制方案的研究184.2 系统硬件组成194.2.1电机控制主电路194.2.2控制

5、电路224.3 系统软件的编程244.3.1 PLC的编程方法介绍244.3.2顺序控制设计法的本质254.3.3程序的设计264.3.4 PLC的端子接线图27第5章 监测系统的设计295.1 系统组成及主要功能295.1.1 系统组成295.1.2 系统功能305.2 变送器305.2.1线制315.2.2抗干扰措施315.3 监测系统的具体设计325.3.1人机界面的选择325.3.2 PLC扩展模块的选择335.3.3 文本显示向导34结束语38参考文献39致 谢40附 录41附录141附录242基于PLC的多电机群控及监测系统的设计摘 要：本论文在分析了PLC的编程方法、电机的启动方

6、式的基础上结合实际应用情况选用西门子S7-200PLC为核心控制器，设计出了一种基于一台电子软启动器的多电机群控技术，实现对多台电机的起停控制，并用TD200显示电机的运行状态。本文通过查阅大量的相关文献，阐述了PLC和电机群控技术的发展概况及基于PLC的电机控制系统的发展现状，讨论了此课题的研究意义。在分析研究电机的各种启动方式的优缺点的基础上，结合实际应用情况，选用电子软启动器作为煤矿风机的主启动器，对四台电机进行群控，采用西门子S7-200PLC为主要控制器，完成了对多电机控制的硬件和软件的设计。用变送器对多电机的运行参数进行采集，并由TD200文本显示器进行电机运行状态的监测。关键词：

7、 PLC；群控；电机控制；变送器；文本显示器Design of multiple motor group controlling and monitoring system based on PLCAbstract: Based on the analysis of the PLC programming method, the starting way of the motor, choosing Siemens S7-200 PLC as the core controller, this paper designs a kind of group control technology b

8、ased on a electronic soft starter motor, realizing the control of the start and stop of the multiple motor, and displayed the running state of the electric machine by TD200. By searching a lot of relevant literatures, the paper expounds the development of PLC and motor group controlling technology a

9、nd the present situation of motor control system based on PLC, discusses this research significance of the topic. After analysis the merits and defects of all kinds of motors starting mode，combined with the practical situation, we choose the electronic soft starters the main starter of mine ventilat

10、or , adopt Siemens S7-200PLC as the main controller, and complete hardware and software design of the multi motor control . Using the transmitters for collecting running parameters of the multi motor , and monitoring the running state of the motor by TD200 text display。Key words: PLC, group control,

11、 motor control, transmitter, text display第1章 绪 论 近年来，随着工业的发展和对各种机械性能、产品质量要求的逐步提高，单单针对一台电机的控制在许多场合己经不能满足实际生产的要求，在生产过程中，一个生产线经常要用多台电动机，这些电动机可能是分工协作完成一个设备的生产，也可能是分别完成各自的工作，相互之间没有任何联系，这就需要人们去控制多台电机，使其协调运行，这样多电机控制问题就产生了。1.1 课题研究的背景 迄今为止，多电机群控的设计经验大多主张每台变频器1和电机都拥有专门属于自己的控制器，但是这样的设计就会提高系统的成本和复杂度降低系统的性能和可靠性

12、2。变频器虽然具有很好的电机启动和调速性能，但是价格昂贵。某煤矿是一个小型煤炭开采基地，采用四台75kw的主风机分别完成将外面的自然风吹进矿井和把矿井的空气抽出。要求风机启动后不停息运行，除非遇到特殊情况，否则不停机。一旦风机有故障，整个矿场都得停工，所以这要求风机的启动要经济，运行可靠性高，并能够实时监测电机的运行参数。 正是基于以上背景，本文才提出一种基于PLC的多电机群控及监测系统的设计方案，通过一台电子软启动器来实现多台电机的启、停控制。该方案具有经济性能高，实用性强等特点。1.2 研究总体方案 本次设计分为四大部分来完成： 第一部分是完成用一台电机启动器，对多台电机进行起动控制的原理

13、图的设计。分主电路设计和控制电路设计两个部分。达到能够实现启动器在一个时间段内只用于起动一台电机，即电机起动之间形成互锁。而且要设计出保护电机安全运行和控制灵活的功能。 第二部分是PLC控制程序的设计。包括PLC的选择和熟悉所选PLC的相关编程方法，能够实现电机从起动完成状态转换到工作状态的自动控制功能。画出控制的顺序流程图和PLC控制电气原理图以及端子接线图，最后编出梯形图。 第三部分是元器件的选择。除了第二部分中提到的PLC选型，还有电机，启动器，交流接触器，中间继电器，变送器等在本次设计中要用到的电器元件的选择。 第四部分为电机运行状态的监测系统的设计。通过变送器采集电机的运行状态信号，

14、对异步电机的温度、电流、电压、震动系数进行监测，实时了解电机的运行情况，以保证矿井通风系统的可靠性。要求能够快速将电机运行时的以上参数进行监视，以便电工进行研究和控制。1.3 电机起动方式及选择 全压起动是最好的起动方式之一，它是将电动机的定子绕组直接接入额定电压起动，因此也称为直接起动。全压起动具有起动转矩大、起动时间短、起动设备简单、操作方便易于维护、投资省和设备故障率低等优点。所以，只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲击力矩，起动引起的压降不超过允许值，就应该选择全压起动的方式。全压起动的缺点是起动电流大，鼠笼式异步电动机的起动电流一般为额定电流的58倍，如果电动机的功率较大，电动机的起

15、动电流将会引起配电系统的电压显著下降，影响接在同一条供电线路上的其他电气设备的正常工作，或者在某种情况下规范不允许采用全压起动时，可采用降压起动。降压起动的方法较多传统的降压起动方式有：电阻降压起动、Y形降压起动、延边降压起动、电抗器降压起动及自耦降压起动等。高压电动机的降压起动传统设计首先考虑用电抗器降压起动，如不满足要求时考虑自耦降压起动。低压鼠笼式异步电动机降压起动，一般选Y降压起动，在达不到起动要求时，再选择延边降压起动、自耦降压起动或电阻降压起动。如果降压起动不满足起动转矩的要求时，再选用绕线式异步电动机的起动方式。现在设计中多采用软起动器降压起动3，对调术要求高的场所也有采用变频器

16、1启动。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。所谓软起动就是电动机在启动过程

17、中，电压平稳增加，频率不变，起动电流可根据电网情况在标称电流25倍内调节。通过对比各种起动方式的起动电流，我们可以得知，软起动特性是较优越的起动方式，电流趋于恒定，没有高峰电流出现，对电网冲击小，相对噪声小。目前，国外流行的软起动装置大多数有较齐全的功能。施耐德公司提供的ATS46系列软起动器，是目前较理想的电动机起、停装置，特别是对大中型异步电机的保护更为完善。软起动的工作原理，实质就死在电源与电机之间加了三队并联的六只晶闸管桥，通过电子控制线路调整，改变加到晶闸管上的触发脉冲角，使加到电动机上电压平稳增加，频率不改变。其晶闸管的触发脉冲角，是通过微处理器对加速积分参数和电流极限参数控制或改

18、变两个参数共同控制，同时完成了转矩估算，热过载保护，超温保护记忆4。对于多台电机集中控制的现场使用软起动器，不仅对电网、对电机等都有使用价值，而且在价格方面也有适用价值。电子式软起动器可以满足煤矿使用的要求，所以在工程使用中，当电动机在直接启动不能满足要求时，首先考虑的应是电子式软起动器，也为今后的智能控制集成化打下了良好的基础5。1.4 相关技术背景简介 本次设计涉及的相关技术有电机群控技术、PLC控制技术与电机监测技术。1.4.1电机群控技术 近半个世纪以来，对多电机系统群控技术与方法的研究丰富多样,其中，为了提高多电机系统自动化水平和工作效率 ，一些群控研究成果被成功应用于诸如电梯系统、

19、低压电动机、油田电机、堆场电机、制粉长生产线电机等；还有一些针对多电机系统的节能开展研究。包括用于水泵群控和异步电动机的启停控制等。而有些群控研究主要针对多电机系统的同步控制,以提高系统的控制精度与稳定性。此外，多电机系统协调群控技术在工业发展中具有很重要的前景6。 目前多电机群控系统的典型控制策略有：基于耦合与解耦控制的多电机系统群控、基于现场总线或远程网络控制的多电机系统群控、基于优化控制的多电机系统群控、基于智能控制的多电机系统群控。多电机系统群控不是简单的起停问题。还涉及到优化、监控、远程控制、节能等一系列关键技术问题面向未来多样化的需求和应用，多电机系统群控技术的发展在多电机系统高智

20、能化优化群控技术、多电机系统节能优化群控技术、基于物联网的多电机系统群控技术、多电机系统的网络化和远程化群控技术7几个方面值得重点关注。1.4.2 PLC技术 PLC英文全名为Programable Controller，即可编程控制器7,8，包括逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等程序。它用一串指令形式存放在存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备与生产过程进行控制。一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些I/O模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通信模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编

21、程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其他的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC一直保持了最初设计的原则，那就是简单之上的原则。1968年，通用汽车公司确立了第一个可编程逻辑控制器的标准，目的在于替代既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生，当时称为可编程控制器，英文称为Programmable Controller，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继

22、电器，因此，采用采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术发展的大门。在很短时间内，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造等多个行业。PLC通常根据CPU所带的IO点数的规模分为微型PLC、小型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。PLC的技术不断发展取得了很大的成就，PLC控制系统9应用的越来越广泛。过去，PLC使用与离散过程控制，如开关、顺序运动执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。1.5论文的研究内容 本论文主要讨论了一种基于PLC的多电机控制及监测系统的设计方

23、案，能够实现基于一台电子软起动器的多电机起停控制和运行状态监控，提高系统的可靠性和安全性，全文共分为六个部分。第1部分为绪论。简单介绍了课题研究的背景以及电机启动方式的选择和相关技术的介绍。第2部分介绍了电子软起动器的原理、分类、启动方式以及软起动器的选择等内容。第3部分介绍了可编程控制器的有关知识，包括它的原理、功能特点、结构以及选型、发展状况等相关知识，最后还详细介绍了本系统所要采用的SIEMENS S7200 PLC的有关内容。第4部分是控制系统的设计内容。根据煤矿多电机控制的工作要求设计出基于同一台起动器的多电机控制方案。设计出主电路和控制电路。第5部分是电机监测系统的设计与调试，是监

24、控界面设计的相关内容。包括变送器的介绍、人机界面的选型、编程软件的组态和系统界面设计等。第6部分结束语，总结本论文所做的主要工作，并提出本次设计的不足。第2章 电子式软起动器技术 电子式软启动器可以限制启动期间的压降，没有冲击转矩和电流，力矩匀速平滑上升，保护传动机械、设备和人员，节省能源。启动电流可视负载轻重调整。这种软启动器体积小，一台开关柜能放多台这种启动器，节省工程造价，且故障率与维修费较低。可以满足煤矿井下防爆的要求，所以，这种启动器应是实际应用中首选的产品。2.1 电子软起动器概况 目前电子式软启动器的生产厂家很多，有进口的也有国产的，原理基本相同。这种软启动器是微机控制的机电一体

25、化产品，具有高新技术组成的控制系统。一般都是采用大功率晶闸管作为主回路的开关元件，通过单片机控制它的导通角进行智能化控制，它既能保证电动机在负载要求的启动特性下平滑启动，又能降低对电网的冲击。除各启动方式外，还有一些可选功能，如软停车、泵控制、预置慢速、智能制动、准确停车、低速制动等，同时，还能实现直接计算机通信控制，为自动化智能控制打下良好的基础。因此，称它为智能电动机控制器更为贴切。2.2 电子式软启动器的启动方式 (1) 斜坡电压启动（软启动）。顾名思义是电压由小到大呈斜坡线性上升 ，它是将传统的降压启动从有级变成了无级。启动时，电压迅速上升到初始转矩相对应的电压，然后依设定的启动时间逐

26、渐上升，直至达到电网额定电压，主要用于重载启动。 (2) 限流启动。顾名思义是限制电动机的高启动电流，启动电流及启动时间均可在一定范围内预先调定。当必须限制最大启动电流时，可使用此方式。 (3) 可选择的加突跳启动。该功能为电动机启动瞬间提供一个大提升转矩以克服负载的静摩擦。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，应用时要特别注意。 (4) 全压启动。这种软启动方式的作用就像一个固态接触器，充当无触点开关来用。这种方式会引起电流冲击。 (5) 双斜坡启动。这种方式在负载变化的情况下是很有用的。双斜坡启动允许用户从两个相互独立的软启动斜坡做出选择，分别设定启动时间和启动转矩。 (6) 矩形转

27、矩启动方式。这种软启动器结构紧凑，保护方式齐全，可以满足煤矿对设备保护的要求。在控制方式上采用目前国际上流行的控制策略模糊控制技术，其控制转矩，可以很好的满足负载的重载启动要求10。所以本文中所用的启动器采用矩形转矩启动方式。2.3 软启动器选择通过以上叙述可知，在工程设计和工程改造中，要想改善工艺提高自动化水平，降低成本提高企业效益，对电动机的启动就必须首先采用最先进的启动设备电子式软启动器。在选用软启动器时应主要考虑以下问题： (1) 选择生产厂家。国内生产电子式软启动器的厂家很多，产品五花八门，但多数为地面使用的低电压软启动器。目前在市场上有影响力的基本上都是国外产品，如施耐德的TE、罗

28、克韦尔的AB、ABB、西门子的产品等。 (2) 选型。应根据负载性质的不同来选择不同类型的启动器。如果负载是离心泵，则需利用泵控制功能，减少启动和停止时液流冲击所产生的系统水锤现象的发生，所以必须选用带泵控制功能的软启动器，如另带欠载保护和防相位颠倒保护的则更好。负载是通风机的话，可利用软启动功能，减少磨损和机械冲击，并可利用停机时制动转矩功能。负载是搅拌机，可利用双斜坡启动和预置低速运行，避免机械损坏。负载是输送设备，则利用软启动和预置低速功能，实现平滑开停，软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击，避免产品移位和液体溢出。若有计算机联网要求，可选带通信接口的软启动器，以便对软启动器

29、进行远程控制和监视，选择软启动器还要考虑负载是标准负载还是重载负载。要注意选择能够满足煤矿防爆要求的产品。 (2) 选规格。根据电动机的标称功率、电流及负载性质选择启动器。一般软启动器容量稍大于电动机工作电流即可，同时适当考虑散热因素。另外，还要考虑是否保护功能完备，如过电流保护过压保护、单相接地保护、上下口断相保护、三相不平衡保护、相位颠倒保护等。冷却方式分机械风冷与自然风冷两种。机械风冷带有冷却风机，有的是通电常转的，有的靠温度控制器来控制其运转，机柜内安装软启动器时要十分注意散热空间。煤矿使用的电子式软启动器一般采用自然风冷方式。电子式软启动器一般不带短路保护，通过过载保护来完成短路保护

30、，由于可控硅具有有限大的浪涌电流能力，且过流反应能力在微秒级，在实际应用中，在故障点的电流还没有形成短路电流时，可迅速的关断主功率单元。软启动器至电动机的接线要特别注意，大部分是3根出线，但部分产品也有6根出线的。软启动器可安装在有功率因素补偿器的系统中，但电容器必须位于软启动器的电源进线一侧，以避免电容器放电损坏软启动器的晶闸管，另须在电源和电容之间接入电感线圈。软启动器大多带正常运行和故障信号辅助触点，供工程设计选用。煤矿使用的电子式软启动器不允许长期在额定负载工况下运行，可以用旁路接触器，在启动完毕后把它短接。切除后要注意电动机运行回路是否还有过载热保护功能。因为本文中的启动器只需在起动

31、的时候工作，起动完毕所有电机转换到工作状态后启动器相当于被闲置了，不再工作，直到电机需要再次起动时才会投入使用。所以对启动器的要求不必这么严格。在实际应用过程中，若工艺条件许可，一台软启动器可用于多台电动机的启动，能够大大节省投资费用。软启动器按其中最大电动机容量进行选择10。 ATS48软起动器是目前施耐德主流推广的软起动器系列。产品性能稳定可靠，且具有独有的转矩控制方式、全面完善的保护功能、丰富的通讯功能、齐全的各项认证、可内三角连接、丰富的I/O端子等功能和特点，在工矿、污水处理、建筑市政、石油化工、航海等许多行业具有广泛的应用。目前该产品全球市场占有率位居前列。基于电压等级不同，ATS

32、48软起动器分为Q系列（交流230-400V）和Y系列（交流690V）两个子系列本次设计针对的控制对象是4台75KW的风机电机，额定电压为380V，额定电流约为140A，所以本次设计中使用的启动器选择施耐德ATS48C17Q。第3章 可编程控制器的分析与应用3.1 可编程控制器的应用与发展可编程序控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，称可编程逻辑控制器，简称PLC随着技术的发展，这种装置的功能己经大大超过了逻辑控制的范围，不仅具有逻辑控制功能，而且还能实现数据运算、数据传输

33、和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备，因此，今天这种装置称作可编程序控制器，简称PC，但是为了避免与个人计算机(Personal computer)的简称PC混淆，所以仍将可编程序控制器简称为PLC。1987年，国际电工委员会(IEC)颁布了新的PLC标准及其标准定义：“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指令，并通过数字模式或模拟模式的输入、输出，控制各种类型的机械或生产过程。而有关外围设备，都应按照易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。PL

34、C就是使用一系列指令构成的程序来操作、控制相关工业控制机械，使其形成一个完整的工业控制系统，以完成各种各样的控制功能2。 (1) PLC的发展现状和应用随着微电子技术、计算机技术和数字通信技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最先进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能指标上得以丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大地扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。PLC以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出优点在自动化控制领域应用广泛。另外，PLC的制造成本不断下降，而其功能却不断增强。目前在先进工业国家中PLC已成为工

35、业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业企业，诸如钢铁、冶金、采矿、水泥、石油、化工、轻工、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保、交通、建筑等各行各业。特别是轻工行业中，生产门类多、加工方式多变、产品更新换代快，PLC广泛应用在组合机床自动化生产线、专用机床、塑料机械、包装机械、电梯等电气设备中。PLC已跃居现代工业自动化三大支柱的主导地位。PLC广泛的应用在以下领域： 逻辑控制领域； 运动控制领域； 过程控制领域； 数据处理领域； 多级控制领域。 (2) PLC的发展趋势 目前，PLC技术发展的总趋势是统一软件架构平台、过程化11、系列化、通用化和高性能化，主要表现在以下方面： 在系统构

36、成规模上向大小两个方向发展，发展小型(超小型)化、专用化、模块化、低成本、高性能PLC，以真正替代最小的继电器控制系统；发展大容量、高速度（超高速)、多功能、高性价比的PLC，己满足现代企业中那些大规模、复杂系统自动化的需要。 功能不断增强，各种应用模块不断推出，大力加强过程控制和数据信息处理功能，提高组网和通信能力，开发多种高性能模块，以使各种规模的自动控制系统功能更强大、更可靠、组成和维护更灵活方便，使PLC的应用范围更加广泛。 产品更加规范化、标准化。PLC生产厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，并使PLC基本部件，如输入输出模块

37、、联网通信模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具方面的技术规格规范化、标准化，使不同的产品问能够相互的兼容、易于组网，以方便用户，扩大产品的应用领域。3.2 PLC的工作原理及功能特点为了介绍PLC的工作原理12我们在本节首先介绍PLC的基本结构，然后介绍PLC的工作原理，最后简单介绍一下PLC的主要功能和特点。 (1) PLC的基本结构可编程控制器的基本结构框图如图3.1所示。可编程序控制器主要有CPU模块、输入模块、输出模块、编程装置和电源组成13。 (2) PLC工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个

38、扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图3.2所示。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入IO映像区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，IO映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。图3.1 PLC的基本结构图3.2 PLC的扫描周期 (3) PLC的主要功能和特点PLC的主要功能有：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制

39、、数据控制(PLC具有数据处理能力)、远程IO功能、通信和联网；另外，有些PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，诸如定位控制模块，CRT模块等等。可编程控制器(PLC)的主要特点如下： 高可靠性； 丰富的IO接口模块： 采用模块化结构；编程简单易学；安装简单，维修方便。 (4) PLC的控制系统使用PLC可以构成多种形式的控制系统，下面介绍几种常用的PLC控制系统14,15。常用的有单机控制系统、集中控制系统、分散控制系统四种。单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。该控制系统使用一台PLC控制一个对象，控制系统要求的IO点数和存储器容量比较小，没有PLC的通信问题，采样条件

40、和执行机构比较集中，控制系统的构成简单明了。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确，I0点数、存储器容量等参数的裕量适中即可。集中控制系统用一台功能强大的PLC监视、控制多个设备，形成中央集中式的计算机控制系统。其中，各个设备之间的联络、连锁关系、运行顺序等统一由中央PLC来完成，如图3.3所示。图3.3 集中控制系统显然，集中控制系统比单机控制系统经济得多。但是当某一个控制对象的控制程序需要改变时，必须停止运行中央PLC，其他的控制对象也必须停止运行。当各控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时，需要大量的电缆线，造成系统成本的增加。为了适应控制系统的改变，采用

41、集中控制系统时，必须注意选择IO点数和存储器容量时要留有足够的裕量，以便满足增加控制对象的要求。分散控制系统的构成如图3.4所示，每一个控制对象设置一台PLC，各台PLC之间可通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通信。图3.4 分散控制系统分散控制系统常用于多台机械生产线的控制，各生产线之间有数据连接。由于各控制对象都由自己的PLC进行控制，当某一台PLC停止运行时，不需要停运其他的PLC。随着PLC性能的不断提高，由PLC担当底层控制任务，通过网络连接，PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。与集中控制系统相比，分散控制系统的可靠

42、性大为加强。具有相同IO点数时，虽然分散控制系统中多用了一台或几台PLC，导致价格偏高，但从维护、试运转或增设控制对象等方而看，其灵活性要大得多，总的成本核算是合理的。(5) 可编程控制器的选型世界上约有200多个PLC生产厂家，如美国AB公司、GE公司、德国SIEMENS公司、法国施耐德公司、日本欧姆龙公司、三菱电机公司以及国内浙大中控等。它们满足用户各方面的需求，但在外形、结构、功能、网络通信和编程方法等方面各有不同，对于不同的工业控制需求，应当选择合适的PLC16。可编程控制器的选型原则：PLC选型的关键主要是能满足基本控制功能和容量，并考虑维护的方便性、备件的通用性、系统可扩展性以及能

43、满足特殊功能要求等。3.3 PLC的规模与编程方式的确定(1) 规模在PLC选型之前首先确定系统IO点数和存储器容量。基本步骤是先根据工艺控制条件对I0点数作出一个准确的统计，在这个统计数据的基础上再增加1030的余量来确定总点数。优点是：可以弥补统计过程中遗漏的点数；保证系统投入运行后，个别点有故障时，能够替换；预备将来可能增加的点数需求。按IO点数对照表3.1可以确定PLC的规模。PLC的存储器用于存储用户程序和数据，一般有内置式和外插式两类，存储器容量选择可以对照表3.1来确定，或按如下方法进行估算：存储器容量(指令字)=数字量IO点数*l0+模拟量IO点数*25+特殊量IO点数*100

44、表3.1 PLC按规模分类类型I/O点数存储器容量（KB）超小型PLC64以下12小型PLC6412824中型PLC128512416大型PLC51281921664超大型PLC8192以上64128(2) 编程方式PLC一般可以通过三种方式进行编程。一种是厂家提供的普通手持式编程器编程，一般只能用厂家规定的语句表中的语句进行编程。手持式编程器体积小，便于携带，价格较低，适于系统容量小，工作量小的场合，但效率低。另一种是厂家专用图形编程器编程，这类编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的技术人员短期内就可应用自如，但价格较高。第三种是在普通计算机上运行专用的编程软件来编程，支持的语言多，操作非常

45、方便，这种方式现在己被广泛采用，但有的软件需额外购买，价格不菲。 编程语言多种多样，有的看似相同却不通用。由PLC厂家提供的编程软件一般都要求包括工业控制5种标准编程语言(IECll313)中一种或几种编程语言，如SIEMENS公司的step7编程软件就可以使用梯形图、功能图和语句表等多种编程语言；Mondicon公司的Modsoft编程软件只能使用梯形图编程，而Conczpt编程软件可以使用5种编程语言。(3) 网络通信功能的确定各厂家制定的通信协议各不相同，国际上也无统一标准，所以在通信功能的选择上受到了一定的限制。一般选择影响面大、有发展前景、功能完备、较成熟的通信协议。在实际中也应考虑

46、所选取的产品是否带有支持其他厂家通讯协议的网络设备。(4) 考虑是否需要专用模块如果工业控制要求PLC在进行逻辑控制的同时还要完成模拟量输入输出、PID调节、网络通信等专门功能时，就需要考虑所选择的PLC是否支持这些专用模块。另外，选用这些专用模块在软件选择上也应同时配套，通过系统组态实现相应的复杂控制功能，便于用户编程。(5) 冗余问题与工作环境PLC冗余主要是基于系统的稳定性、安全性和软硬件在线维护方便的考虑。冗余有硬冗余和软冗余两种方式。冗余系统成本远高于不冗余系统，因此只有工业控制过程有充分必要时才予以考虑。PLC工作的硬性指标。诸如温度、湿度、噪声、信号屏蔽、工作电压等。所以一定要选

47、择适应实际工作环境的产品。当PLC在特殊的、恶劣的环境下工作时，这方面的考虑显得尤其重要。(6) 售后服务与技术支持选择技术实力强的制造厂家和信誉好的代理商。优先选择有连续性，产品升级向下兼容和满足将来新增功能要求的系统，尽量考虑选择比较新型的PLC，备件易采购，当某一种型号PLC被淘汰后，生产厂家能够保证有足够备件，代理商和制造厂家都有好的售后服务与技术支持网络和服务承诺。综合以上选型原则进行考虑，我们选择西门子公司的S7-200系列PLC。3.4 SIEMENS S7-200 PLC西门子S7-20017,18,19PLC系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动

48、化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用。3.4.1西门子S7-200PLC的功能概述S7-200PLC系统20,21是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的功能扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制相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、汽车、机器人等等。如冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。S7-20022,23系列除了具有PLC的基本控制功能以外，还有以下三个方面特点：(1)功能强大的指令集；(2)丰富强大的

49、通信功能；(3)编程软件的易用性。3.4.2西门子S7-200 PLC的工作模式S7-200 PLC具有两种工作模式，分别是：运行(RUN)模式和停止(STOP)模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，S7-200CPU不执行用户程序，此时可设置CPU系统的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到S7-200CPU。其中用户程序用编程软件创建、编辑、编译、调试。CPU模块上的模式开关用于改变和转换S7-200PLC的工作模式。开关拨到RUN位置时，CPU运行，启动用户程序的运行：当开关拨到STOP位置时，CPU停止，用户程序的运行也相继停止；开

50、关拨到TERM位置时，不改变当前工作模式。 此外还可以通过STEP7-MicfWIN32编程软件控制S7-200CPU的运行和停止。S7-200CPU前面板上的LED显示着当前的工作模式。S7-200PLC通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号。初始化后，S7-200CPU按照循环扫描的方式，完成包括执行用户程序在内的各项不同的任务。S7-200CPU周而复始地分阶段执行一系列任务。任务执行一次称为一个扫描周期。在一个扫描周期内，CPU工作流程如图3.5。3.4.3 S7-200PLC网络的通信协议S7-200CPU支持多种的通信协议。包括通用协议

51、和公司专用协议。专用协议包括点到点(Point-to-Point)接口协议(即PPI)、多点(Multi-Point)接口协议(MPI)，Profibus协议、自由通信接口协议和USS协议24,25。PPI，MPI，Profibus协议在OSI七层模式通信结构的基础上，通过令牌环网实现，令牌环网遵守欧洲标准EN50170中的过程现场总线标准。这些协议都是异步、基于字符传输的协议，带有起始位、8位数据、偶校验和一个停止位。通信帧由特殊的起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据校验组成。如果使用相同的波特率，这些协议可以在一个网络中同时运行，而不相互影响。图3.5 S7-200 CPU的扫描过

52、程示意图(1) PPI协议 PPI通信协议是西门子专为S7-200系列PLC开发的通信协议，主要用与S7-200的编程、S7-200系列PLC之间的通信以及与HMI产品的通信，可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。PPI是一个主从协议。在这个协议中，S7-200一般作为从站，一般不主动发送信息，只有当主站有请求时才作出响应。如果将S7-200设置为PPI主站模式(可以由SMB30设置)，则这个S7-200 CPU在RUN模式下可以作为主站，可以利用网络读写指令(帆、NETW)来读写另一个S7200的数据。当然，当S7-200作为PPI主站时，仍可以作为其他主站的从站，响应其他主站的请求。PPI

53、通信协议是一个令牌传递协议，对于一个从站可以响应多个主站的请求，协议没有限制，但是在没有加中继器的情形下，网络中最多只能有32个主站(包括编程器、HMI等)。(2) MPI协议S7-200可以通过通信接口连接到MPI网上，主要应用于S7300400 CPU与S7-200通信的网络中。应用MPI协议组成的网络，通信支持的波特率为19.2KBs或187.5KBs。通过此协议，实现作为主站的S7-300400 CPU与S7-200的通信。在MPI网中，S7-200作为从站，从站之间相互不能通信，S7-300400作为主站，当然主站也可以是编程器或HMI产品。MPI协议可以是主主协议或主从协议，协议如

54、何操作有赖于通信设备的类型，如果是S7-300400 CPU之间通信，那就建立主主连接，因为所有的S7-300400 CPU在网站中都是主站。如果设备是一个主站与S7-200 CPU通信，那么，就建立主从连接，因为S7-200CPU是从站。（3）Profibus协议Profibus协议通常用于实现分布式IO设备(远程式IO)的高速通信，许多厂家生产类型众多的Profibus设备，这些设备包括从简单的输入或输出模块到电机控制器和可编程控制器，S7-200 CPU可以通过EM277 ProfibusDP扩展模块的方法连接至lJProfibusDP协议支持的网络中。协议支持的波特率为9600KBs到12MBs。Profibus网络通常有一个主站和几个IO从站。主站通过配置可以知道所连接的IO从站的型号和地址。主站初始化网络时核对网络上的从站设备与配置的从站是否匹配。运行时主站可以像操作自己的IO一样对从站进行操作，即不断地把数据写到从站或者读取从站的数据。当DP主站成功地配置一个从站时，它就拥有了该从站，如果在网络中有另外一个主站，它只能很有限制的访问属于主站的从站数据。（4）自由口通信(用户自定义协议)自由通信口(Freeport Mode)模式是S7-20