畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于PLC的液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（全套圖紙）.pdf

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目題目： 基于 PLC 的液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院院 系系： 專專 業(yè)業(yè)： 班班 級(jí)級(jí)： 姓姓 名名： 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師： XX 學(xué)院教務(wù)處學(xué)院教務(wù)處 二一五年二一五年 三三 月月 XXX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他 個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的 個(gè)人和集體，均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 年 月 日 XXX 學(xué)院關(guān)于畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解 XXX 學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)士學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留、送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱，學(xué)?？梢怨颊撐?的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印或其他復(fù)制手段保存論文。 指導(dǎo)教師簽名： 論文作者簽名： 年 月 日 年 月 日 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 I 頁(yè) I 基于 PLC 的液體混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 可編程序控制器（PLC）是一種新型的通用的自動(dòng)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼 電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，是功能加強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、使用 方便以及體積小、重量輕、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)。PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓寬到了 各個(gè)領(lǐng)域，PLC 的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照 邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散 量的數(shù)據(jù)采集。在傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC 最基本最廣泛的用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控 制，順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。 如注塑機(jī)，印刷機(jī)，訂書機(jī)，組合智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC 在國(guó)內(nèi) 外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵，石油，化工，電力，建材，機(jī)械制造，汽車，輕紡，交通 運(yùn)輸，環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用廣泛。 全套圖圖紙，加全套圖圖紙，加 153893706 本文以三種液體的混合灌裝控制為例，將三種液體按一定比例混合，在電動(dòng) 機(jī)攪拌后要達(dá)到控制要求才能將混合的液體輸出容器，并形成循環(huán)狀態(tài)。液體混 合系 統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)考慮到其動(dòng)作的連續(xù)性以及各個(gè)被控設(shè)備動(dòng)作之間的相互關(guān) 聯(lián)性，針對(duì)不同的工作狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制輸出，從而實(shí)現(xiàn)液體混合系統(tǒng) 從第一種液體加入到混合完成輸出的這樣一個(gè)周期控制工作的程序?qū)崿F(xiàn)。設(shè)計(jì)以 液體混 合控制系統(tǒng)為中心，從控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)組成、軟件選用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁(yè) II 過(guò)程（包括設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)要求、梯形圖設(shè)計(jì)、外部連接通信等）， 旨在對(duì)其中的設(shè)計(jì)及制作過(guò)程做簡(jiǎn)單的介紹和說(shuō)明。 關(guān)鍵詞 PLC 控制 液體混合 說(shuō)明 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 IV 頁(yè) IV The design of liquid mixing control system based on PLC ABSTRACT With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non- linear, strong- coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control proces s, pendulum can effectively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow- up and track, therefore.This paper studies a control method of double invert ed pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverted pendulum is established. Themake a control design to double inverted pendulum on the mathematical m odel, and determine the system performance index weightmatrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the si mulation of the system is made by . After several test matrix value the results are n ot satisfactory response, then we optimize matrix by using Genetic Algorithm. Sim ulation results show: The system response can meet the design requirements effecti vely after Genetic Algorithm optimization. Small twisted paper broken machine for meat. the system state feedback control matrix. Keywords PLC cylinder pneumatic Fout degrees of freedom XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 V 頁(yè) V 目錄 第一章 緒論 . 1 1.1 課題的研究背景和歷史意義 . 3 1.2 選題的目的和意義 . 4 第二章 液體混合控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 5 2.1 PLC 簡(jiǎn)介 . 6 2.1.1 PLC 的定義 . 8 2.1.2 PLC 的用途 . 9 2.2 PLC 的組成 . 11 2.2.1 中央處理單元 . 13 2.2.2 存儲(chǔ)器 . 14 2.2.3 輸入輸出單元 . 16 2.2.4 通訊接口 . 17 2.2.5 智能接口模塊 . 18 2.2.6 編程裝置 . 19 2.2.7 電源 . 19 第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 20 3.1 硬件設(shè)計(jì) . 20 3.2 混合裝置的基本組成 . 20 3.3 液體混合裝置電氣原理圖的繪制 . 21 3.4 PLCI/O 點(diǎn)分配及外部硬件接線圖 . 22 3.5 液體混合系統(tǒng)運(yùn)行流程圖 . 22 結(jié)論 . 23 致謝 . 24 參考文獻(xiàn) . 25 1 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 第一章 緒論 1.1 課題的研究背景和歷史意義 機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi) 品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械 工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很 大的和直接的影響。 機(jī)械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不 能直接完成的工作，而且完成得更快、更好?，F(xiàn)代機(jī)械工程創(chuàng)造出越來(lái)越精巧和越 來(lái)越復(fù)雜的機(jī)械和機(jī)械裝置，使過(guò)去的許多幻想成為現(xiàn)實(shí)。 人類現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠(yuǎn)窺百億光年，近察細(xì)胞和分 子。新興的電子計(jì)算機(jī)硬、軟件科學(xué)使人類開(kāi)始有了加強(qiáng)，并部分代替人腦的科技 手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來(lái)年代它還 將不斷地創(chuàng)造出人們無(wú)法想象的奇跡。 人類智慧的增長(zhǎng)并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復(fù) 雜的工作，從而更促進(jìn)手的功能。手的實(shí)踐反過(guò)來(lái)又促進(jìn)人腦的智慧。在人類的整 個(gè)進(jìn)化過(guò)程中，以及在每個(gè)人的成長(zhǎng)過(guò)程中，腦與手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化的。 人工智能與機(jī)械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅在于人工 智能的硬件還需要利用機(jī)械制造出來(lái)。過(guò)去，各種機(jī)械離不開(kāi)人的操作和控制，其 反應(yīng)速度和操作精度受到進(jìn)化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智能將會(huì)消除了 這個(gè)限制。計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械工程之間的互相促進(jìn)，平行前進(jìn)，將使機(jī)械工程在更 高的層次上開(kāi)始新的一輪大發(fā)展。 為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，適應(yīng)產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的要求， 產(chǎn)品生 產(chǎn)正在向縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量等方向發(fā)展。在 煉油、化工、制 藥等行業(yè)中，多種液體混合是必不可少的工序，而且也是 其生產(chǎn)過(guò)程中十分重要的 組成部分。但由于這些行業(yè)中多是易燃易爆、有 毒有腐蝕性的介質(zhì)，以致現(xiàn)場(chǎng)工作 環(huán)境十分惡劣，不適合人工現(xiàn)場(chǎng)操作。 另外，生產(chǎn)要求該系統(tǒng)要具有混合精確、控 制可靠等特點(diǎn)，這也是人工操 作和半自動(dòng)化控制所難以實(shí)現(xiàn)的。所有為了幫助相關(guān) 行業(yè)，特別是其中的 中小型企業(yè)實(shí)現(xiàn)多種液體混合的自動(dòng)控制，從而達(dá)到液體混合 的目的，液 體混合自動(dòng)配料勢(shì)必就是擺在我們眼前的一大課題，借助實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟 2 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 悉 工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應(yīng)用，了解不同公司的可編程控制器的型號(hào)和原理，熟 悉其編程方式，而多種液體混合裝置的控制更常見(jiàn)于工業(yè)生產(chǎn)中，適合大 中型飲料 生產(chǎn)廠家，尤其見(jiàn)于化學(xué)化工業(yè)中，便于學(xué)以致用。 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)給大規(guī)模工業(yè)自 動(dòng)化帶來(lái)了曙光。1968 年，美國(guó)最大的 汽車制造商通用汽車公司（GM）提出了公 開(kāi)招標(biāo)方案，設(shè)想將功能完備、 靈活、通用的計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器便于使用的特點(diǎn) 相結(jié)合，把計(jì)算機(jī)的編 程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向過(guò)程、面向問(wèn)題的 “自然語(yǔ)言” 編程，生產(chǎn)一種新型的工業(yè)通用控制器，使人們不必花費(fèi)大量的精力 進(jìn)行 計(jì)算機(jī)編程，也能像繼電器那樣方便的使用。這個(gè)方案首先得到了美國(guó)數(shù) 字 設(shè)備（DEC）公司的積極響應(yīng)，并中標(biāo)。該公司于 1969 年研制出了第一 臺(tái)符合招 標(biāo)要求的工業(yè)控制器，命名為可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（有 的稱為 PC）,并在 GM 公司的汽車自動(dòng)裝配線上實(shí)驗(yàn)獲得了成功。 PLC 一經(jīng)出現(xiàn)，由于它的自動(dòng)化程 度高、可靠性好、設(shè)計(jì)周期短、使 用和維護(hù)簡(jiǎn)便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外工程技術(shù) 人員和工業(yè)界廠商的極大 關(guān)注，生產(chǎn) PLC 的廠家云起。隨著大規(guī)模集成電路和微 處理器在 PLC 中的應(yīng)用，使 PLC 的功能不斷得到增強(qiáng)，產(chǎn)品得到飛速發(fā)展。 采用 基于 PLC 的控制系統(tǒng)來(lái)取代原來(lái)由單片機(jī)、 繼電器等構(gòu)成的控制 系統(tǒng)，采用模塊 化結(jié)構(gòu)，具有良好的課移植性和可維護(hù)性。對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)和管理自動(dòng)水平有很大 的幫助，同時(shí)又提高了生產(chǎn)線的效率、使用壽命 和質(zhì)量，減少了企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的波 動(dòng)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景，用 PLC 進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金、機(jī)械、 紡織、輕工、化工、鐵路等 行業(yè)幾乎都需要到它，如燈光照明、機(jī)床電控、食品加 工、印刷機(jī)械、電 梯、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、液體混合自動(dòng)配料系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等方面的 邏輯控制， 都廣泛應(yīng)用 PLC 來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制。 本次設(shè)計(jì)是將 PLC 用于多種 液體混合灌裝設(shè)置的控制，對(duì)學(xué)習(xí)和實(shí)用是很好 的結(jié)合。 本設(shè)計(jì)的主要研究范圍及要求達(dá)到的技術(shù)參數(shù)有： 1） 使液體混合機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)安全、高效的灌裝； 2） 滿足灌裝的各種技術(shù)要求； 3） 具體內(nèi)容包括多種液體混合控制方案的設(shè)計(jì)、軟硬件電路的設(shè)計(jì)、 常見(jiàn) 故障分析等等。 本課題應(yīng)解決的主要問(wèn)題是如何使 PLC 在灌裝中實(shí)現(xiàn)控制功能， 在相 關(guān)的研究文獻(xiàn)報(bào)道中用 PLC 對(duì)灌裝機(jī)進(jìn)行控制的研究尚不多見(jiàn)，以致人們難 3 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 以根據(jù)它的具體情況正確選用參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制,也就難以滿足提高質(zhì)量和效率、降 低成本的要求，本設(shè)計(jì)就是基于以上問(wèn)題進(jìn)行的一些探討。 1.2 選題的目的和意義 借助實(shí)驗(yàn)室設(shè)備熟悉工業(yè)生產(chǎn)中 PLC 的應(yīng)用，進(jìn)一步了解所學(xué)可編程控制器的 型號(hào)和原理，熟悉其編程方式。而多種液體混合裝置的控制更常見(jiàn)于工業(yè)生產(chǎn)中， 尤其見(jiàn)于化學(xué)化工業(yè)中，便于學(xué)有所用。 用 PLC 進(jìn)行開(kāi)關(guān)量控制的實(shí)例很多，在冶金、機(jī)械、紡織、輕工、化工、鐵路 等行業(yè)幾乎都需用到它，如機(jī)床電控、食品加工、印刷機(jī)械、電梯、自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)、 生產(chǎn)流水線等方面的邏輯控制，都廣泛應(yīng)用 PLC 來(lái)取代傳統(tǒng)的繼電器控制。本次設(shè) 計(jì)是將 PLC 用于多種液體混合物裝置的控制，對(duì)學(xué)習(xí)與實(shí)用是很好的結(jié)合。 第二章 液體混合控制系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 PLC 簡(jiǎn)介 PLC 即可編程控制器（Programmable Logic Controller），是指以計(jì)算機(jī)技 術(shù) 為 基 礎(chǔ) 的 新 型 工 業(yè) 控 制 裝 置 。 在1987年 國(guó) 際 電 工 委 （InternationalElectrical Committee 頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定 義;PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制 器，定義是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采 用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)， 計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的 機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 是可編程邏輯控制電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語(yǔ)言， 在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說(shuō)有半導(dǎo)體的地方就有 PLC。 2.1.1 PLC 的定義 PLC 的發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯件進(jìn)行 順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。 在傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC 最基本最廣泛的用于 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制順序控制，既可用于 單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)，印刷機(jī)，訂書機(jī)， 智能窗簾，磨床，包裝等。目前，PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵，石油，化工，電 4 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 力，建材，機(jī)械制造，汽車，輕紡，交通運(yùn)輸，環(huán)及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用廣 泛。 隨著應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，PLC 技術(shù)及其產(chǎn)品仍在繼續(xù)發(fā)展，主要朝著以下的 方面發(fā)展，微型化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性； 2）智能模塊化； 3）編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化；網(wǎng)絡(luò)通信功能標(biāo)準(zhǔn)化。 根據(jù)上述控制特點(diǎn)，采用小型 PLC 即可滿足功能要求。由于西門子 S7-2 系列屬 于小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中型 PLC 的水平，而價(jià)格卻和小型 PLC 的一樣。特 別是 S7-2000PU22*系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面可供選擇，所以 系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)?？捎锰菪螆D、語(yǔ)句表和功 能圖三種語(yǔ)言來(lái)編程。且指令功能強(qiáng)，易于掌握、操作方便。近年來(lái)，S7-200PLC 已在工業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200 CPU22*系列 PLC 共有五種 CPU 模 塊其各自的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 3.2。，由于存在模擬量輸入輸出，需要增加模擬量輸入輸 出模塊，在西門子 S7-200 系列 PLC 中有專門的模擬量 I/O 擴(kuò)展模塊。 2.1.2 PLC 的用途 目前，PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制 造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸 納為如下幾類。 1、開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控 制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如 注塑。 2、模擬量控制 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速 度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和 數(shù)字量（Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3、運(yùn)動(dòng)控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于 5 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用 16 路的運(yùn)動(dòng)控制模塊。 如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家 的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、智能窗簾、機(jī)器人、電梯等場(chǎng) 合。 4、過(guò)程控制 過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng) 中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功 能模塊。PID 處理一般是運(yùn)行 16 路的 PID 子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、 鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 5、數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù) 據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信號(hào) 與設(shè)定的壓力信號(hào)經(jīng)過(guò) PID 運(yùn)算后，通過(guò)控制變頻器的輸出頻率來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng);自動(dòng)檢 測(cè)水池水位信號(hào)與設(shè)定的水位低限比較，輸出水位低報(bào)警信號(hào)或直接停機(jī)。觸摸屏 顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實(shí)際供水壓力和設(shè)定供水壓力 和泵的工作狀態(tài)等信息;可以通過(guò)觸摸屏在線修改設(shè)定供水壓力和控制水泵的運(yùn)行。 該系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是強(qiáng)電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水， 且可以做到無(wú)人值守。 2.2 PLC 的組成 PLC 的硬件主要由中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、通信接 口、擴(kuò)展接口電源等部分組成。其中，CPU 是 PLC 的核心，輸入單元與輸出單元是連 接現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出設(shè)備與 CPU 之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計(jì)算機(jī) 等外設(shè)連接。 對(duì)于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)，其組成框圖如圖 1 所示；對(duì)于模 塊式 PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過(guò)總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?，?6 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 組成框圖如圖所示。 無(wú)論是哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC， 都可根據(jù)用戶需要進(jìn)行配置與組合。 盡管整體式與模塊式 PLC 的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的，下 面對(duì) PLC 主要組成各部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 2.2.1 中央處理單元（CPU） 同一般的微機(jī)一樣，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 隨機(jī)型不同而不 同， 常用有三類： 通用微處理器 （如 Z80、 8086、 80286 等） 、 單片微處理器 （如 8031、 8096 等）和位片式微處理器(如 AMD29W 等) 。小型 PLC 大多采用 8 位通用微處理器 和單片微處理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微處理器或單片微處理器；大型 PLC 大多采用高速位片式微處理器。 目前，小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，而中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 系統(tǒng)，甚至有 些 PLC 中多達(dá) 8 個(gè) CPU。對(duì)于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個(gè)為字處理器，一般采用 8 位或 7 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 16 位處理器；另一個(gè)為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。字處理器為 主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時(shí)器，監(jiān)視掃描時(shí)間，處理字節(jié) 指令以及對(duì)系統(tǒng)總線和位處理器進(jìn)行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理 位操作指令和實(shí)現(xiàn) PLC 編程語(yǔ)言向機(jī)器語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用,提高了 PLC 的 速度，使 PLC 更好地滿足實(shí)時(shí)控制要求。 在 PLC 中 CPU 按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮 PLC 有條不紊地進(jìn)行工作，歸納起 來(lái)主要有以下幾個(gè)方面： 1）接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。 2）診斷電源、PLC 內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等。 3）通過(guò)輸入接口接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映象寄有器或數(shù)據(jù)寄存器 中。 4）從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)解釋后執(zhí)行。 5）根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映象寄存器的內(nèi)容，通過(guò)輸 出單元實(shí)現(xiàn)輸出控制。有些 PLC 還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 2.2.2 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，另一種是只讀存儲(chǔ) 器 ROM、PROM 、EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶 程序及工作數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序是由 PLC 的制造廠家編寫的，和 PLC 的硬件組成有關(guān)，完成系統(tǒng)診斷、 命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運(yùn)算、通信及各種參數(shù)設(shè)定等功能，提供 PLC 運(yùn)行的平臺(tái)。系統(tǒng)程序關(guān)系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用過(guò)程中不會(huì)變動(dòng)，所以 是由制造廠家直接固化在只讀存儲(chǔ)器 ROM、PROM 或 EPROM 中，用戶不能訪問(wèn)和修改。 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)， 與 PLC 進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。它是開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、維護(hù) PLC 不可缺少的工具。編程裝置可以 是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。專用編程器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存 儲(chǔ)器接插口等部件組成。專用編程器有簡(jiǎn)易編程器和智能編程器兩類。 8 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 簡(jiǎn)易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形 圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡(jiǎn)易編程器體積小、價(jià)格便宜，它可以直接插 在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡(jiǎn)易 編程器帶有存儲(chǔ)盒，可用來(lái)儲(chǔ)存用戶程序，如三菱的 FX-20P-E 簡(jiǎn)易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺(tái)專用便攜式計(jì)算機(jī)，如三菱的 GP-80FX-E 智能型編程器。它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪?圖程序，使用更加直觀、方便，但價(jià)格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器 帶有磁盤驅(qū)動(dòng)器，提供錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口。 用戶程序是隨 PLC 的控制對(duì)象而定的，由用戶根據(jù)對(duì)象生產(chǎn)工藝的控制要求而 編制的應(yīng)用程序。 為了便于讀出、 檢查和修改， 用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中， 用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時(shí)不會(huì)丟失信息。為了防止干擾對(duì) RAM 中程序 的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過(guò)運(yùn)行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲(chǔ)器 EPROM 中?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲(chǔ)器。 工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在 RAM 中， 以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、 輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等邏輯器件的存儲(chǔ)區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程 序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時(shí)用后備電池維持 其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時(shí)可保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無(wú)直接聯(lián)系， 所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊(cè) 中所列存儲(chǔ)器的形式及容量是指用戶程序存儲(chǔ)器。當(dāng) PLC 提供的用戶存儲(chǔ)器容量不 夠用，許多 PLC 還提供有存儲(chǔ)器擴(kuò)展功能。 2.2.3 輸入/輸出單元 輸入/輸出單元通常也稱 I/O 單元或 I/O 模塊，是 PLC 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之間的連 接部件。 PLC 通過(guò)輸入接口可以檢測(cè)被控對(duì)象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為 PLC 對(duì) 被控制對(duì)象進(jìn)行控制的依據(jù)；同時(shí) PLC 又通過(guò)輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對(duì)象， 以實(shí)現(xiàn)控制目的。 由于外部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備所需的信號(hào)電平是多種多樣的，而 PLC 內(nèi)部 CPU 的處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以 I/O 接口要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O 接口一般都具有 9 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。另外，I/O 接口上通常還有狀態(tài)指 示，工作狀況直觀，便于維護(hù)。 PLC 提供了多種操作電平和驅(qū)動(dòng)能力的 I/O 接口， 有各種各樣功能的 I/O 接口供 用戶選用。I/O 接口的主要類型有：數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸出、 模擬量輸入、模擬量輸出等。 常用的開(kāi)關(guān)量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流 輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖 3 所示。 2.2.4 通信接口 PLC 配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC 通過(guò)這些通 信接口可與監(jiān)視器、打印機(jī)、其它 PLC、計(jì)算機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。PLC 與打印機(jī)連接， 可將過(guò)程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過(guò)程圖像顯示出來(lái)； 與其它 PLC 連接， 可組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。 與計(jì)算機(jī)連接， 可組成多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。遠(yuǎn)程 I/O 系統(tǒng)也必須配備相 應(yīng)的通信接口模塊。 2.2.5 智能接口模塊 智能接口模塊是一獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它有自己的 CPU、系統(tǒng)程序、存儲(chǔ)器以及 與 PLC 系統(tǒng)總線相連的接口。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個(gè)模塊，通過(guò)總線與 PLC 相連， 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并在 PLC 的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。 PLC 的智能接口模塊種類很多，如：高速計(jì)數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模 塊、中斷控制模塊等。 2.2.6 編程裝置 編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控 PLC 內(nèi)部狀態(tài)和 參數(shù)，與 PLC 進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。它是開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、維護(hù) PLC 不可缺少的工具。編程裝 置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。專用編程 器是由 PLC 廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些 PLC 產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示 器和外存儲(chǔ)器接插口等部件組成。專用編程器有簡(jiǎn)易編程器和智能編程器兩類。 簡(jiǎn)易型編程器只能聯(lián)機(jī)編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形 圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡(jiǎn)易編程器體積小、價(jià)格便宜，它可以直接插 10 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 在 PLC 的編程插座上，或者用專用電纜與 PLC 相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡(jiǎn)易 編程器帶有存儲(chǔ)盒，可用來(lái)儲(chǔ)存用戶程序，如三菱的 FX-20P-E 簡(jiǎn)易編程器。 智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺(tái)專用便攜式計(jì)算機(jī)，如三菱的 GP-80FX-E 智能型編程器。它既可聯(lián)機(jī)編程，又可脫機(jī)編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪?圖程序，使用更加直觀、方便，但價(jià)格較高，操作也比較復(fù)雜。大多數(shù)智能編程器 帶有磁盤驅(qū)動(dòng)器，提供錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口。 專用編程器只能對(duì)指定廠家的幾種 PLC 進(jìn)行編程，使用范圍有限，價(jià)格較高。 同時(shí)，由于 PLC 產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，所以專用編程器的生命周期也十分有限。因此， 現(xiàn)在的趨勢(shì)是使用以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的編程裝置，用戶只要購(gòu)買 PLC 廠家提供的 編程軟件和相應(yīng)的硬件接口裝置。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的 PLC 程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。 基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能強(qiáng)大。它既可以編制、修改 PLC 的梯形圖 程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行、打印文件、系統(tǒng)仿真等。配上相應(yīng)的軟件還可實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)采集和分析等許多功能。 2.2.7 電源 PLC 配有開(kāi)關(guān)電源， 以供內(nèi)部電路使用。 與普通電源相比， PLC 電源的穩(wěn)定性好、 抗干擾能力強(qiáng)。對(duì)電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值 15% 的范圍內(nèi)波動(dòng)。許多 PLC 還向外提供直流 24V 穩(wěn)壓電源，用于對(duì)外部傳感器 供電。 第三章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如圖 2-3 所示為三種液體混合的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。SL1、SL2、SL3、SL4 為液面 傳感器，液面淹沒(méi)時(shí)接通，三種液體（液體 A、液體 B、液體 C）的流入和混合液體 D 流出分別由電磁閥 YV1、YV2、YV3、YV4 控制，M 為攪勻電動(dòng)機(jī)。 11 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 要求如下： 1.初始狀態(tài)：當(dāng)裝置投入運(yùn)行時(shí)，容器內(nèi)為放空狀態(tài)。 2.起動(dòng)操作：按下啟動(dòng)按鈕 SB1，裝置開(kāi)始按規(guī)定工作，液體 A 閥門打開(kāi)，液體 A 流入容器。 當(dāng)液面到達(dá) SL2 時(shí)， 關(guān)閉液體 A 閥門， 打開(kāi) B 閥門。 當(dāng)液面到達(dá) SL3 時(shí)， 關(guān)閉液體 B 閥門，打開(kāi) C 閥門。當(dāng)液面到達(dá) SL4 時(shí)，關(guān)閉液體 C 閥門， 攪拌電動(dòng) 機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。攪拌電動(dòng)機(jī)工作 1min 后，停止攪動(dòng)，混合液體閥門打開(kāi)，開(kāi)始放出混 合液體。當(dāng)液面下降到 SL1 時(shí)，SL1 由接通變?yōu)閿嚅_(kāi)，經(jīng)過(guò) 20s 后，容器放空，混合 液體閥門 YV4 關(guān)閉，接著開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)操作。3. 停止操作：按下停止按鈕后， 要處理完當(dāng)前循環(huán)周期剩余工作后，系統(tǒng)停止在初始狀態(tài)。 12 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 3.1 硬件設(shè)計(jì) 任何一種電氣控制系統(tǒng)都是為了實(shí)現(xiàn)被控制對(duì)象（生產(chǎn)設(shè)備或者生產(chǎn)過(guò)程）的 工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循一 下基本原則： （1）PLC 的選擇除了應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)的要求之外，特別應(yīng)住處的是還應(yīng)重點(diǎn)考慮 該公司產(chǎn)品的技術(shù)支持和售后服務(wù)的情況，一般應(yīng)選擇在國(guó)內(nèi)，特別是在所設(shè)計(jì)系 統(tǒng)本地有著較為方便的技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)或者較有實(shí)力的代理機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品，同時(shí)應(yīng)盡量 選擇主流機(jī)型。 （2） 最大限度地滿足被控制對(duì)象的控制要求。 設(shè)計(jì)前， 應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究， 搜集資料，并與機(jī)械部分的設(shè)計(jì)人員和實(shí)際操作人員密切配合，共同擬定電氣控制 方案，協(xié)同解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。 （3）在滿足實(shí)際控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及維修方 便，并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)成本。 （4）保證控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠。正確的進(jìn)行程序調(diào)試，充分考慮環(huán)境條 件，選擇可靠性高的 PLC，定期對(duì) PLC 進(jìn)行維護(hù)和檢查。 （5）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇 PLC 容量時(shí)，應(yīng)盡量留有裕量。當(dāng) 然，對(duì)于不同的用戶，要求的側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同，設(shè)計(jì)的原則也應(yīng)有所區(qū)別，如果 以提高產(chǎn)品質(zhì)量和安全為目標(biāo)，則應(yīng)將系統(tǒng)可靠性放在設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，甚至考慮采用 冗余控制系統(tǒng)；如果要求系統(tǒng)改善信息管理，則應(yīng)將系統(tǒng)通信能力與總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 加以強(qiáng)化。 S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 兩代產(chǎn)品， 根據(jù)所學(xué) S7 系列可編程控制器 及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)將選用 CPU22X 型 PLC。 CPU22X 系列 PLC 的特點(diǎn)：CPU22X 主機(jī)的輸入點(diǎn)位 DC24V 雙向光藕輸入電路，輸 出有繼電器盒 DC（MOS 型）兩種類型（CPU21X 系列輸入點(diǎn)位 DC24V 單向光藕輸入電 路，輸出有繼電器和 DC、AC 三種類型）。并且，具有 30kHz 高速計(jì)數(shù)器，20kHz 高 速脈沖輸出，RS-485 通信/編程口，PPI、MPI 通信協(xié)議和自由口通信能力。CPU222 及以上 CPU 還具有 PID 控制和擴(kuò)展能力，內(nèi)部資源及指令系統(tǒng)更加豐富，功能更加 強(qiáng)大。 13 XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) CPU22X 型 PLC 有 CPU221、CPU222、CPU224 和 CPU226 四種不同型號(hào)的 CPU 基 本單元供用戶選用。 CPU221 集成 6 輸入/4 輸