兩種液體混合方案設(shè)計書

1、天津機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)課題（設(shè)計、論文）兩種液體混合的設(shè)計系別電氣工程系專業(yè)電氣自動化班級電氣 09-1姓名王磊指導(dǎo)教師王紅雷2012年 7月 1日摘要多種液體自動混合是工業(yè)中經(jīng)常遇到的一個工藝流程。它一般要求多種液體在不同時刻向容器中注入不同的量。液體向容器中注入的量可以采用液體傳感器SL1、SL2、 SL3，進(jìn)行控制。即當(dāng)某種液體向容器中注入，到達(dá)SL3時停止注入該液體。關(guān)閉 YV1，然后注入另一種液體。到達(dá)液位SL1 時停止。上述過程的控制如果采用傳統(tǒng)的手動控制液體流量的話，肯定是會產(chǎn)生誤差的，其誤差會導(dǎo)致整個混合的報廢。這在工業(yè)生產(chǎn)中肯定是不能允許的。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，可編程序

2、控制器得到了迅速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。它不僅以良好的性能特點滿足了工業(yè)生產(chǎn)控制的廣泛需要，而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)融為一體，使得其功能日趨完善化。伴隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。此外，應(yīng)用PLC技術(shù)實現(xiàn)各種規(guī)定的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高生產(chǎn)率。在工業(yè)生產(chǎn)中多種液體混合是工業(yè)中常通到的一個工藝流程，在此，將對兩種液體的混合實際案例行分析，以充分的說明了 PLC控制技術(shù)的重要性，以及多處優(yōu)點。關(guān)鍵詞： 可編程序控制器，液體混合，PLC，發(fā)展趨勢，液位傳感器目錄摘要 I一

3、 PLC簡介 3二 PLC控制器的特點 4三 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域 5四 PLC應(yīng)用中需要注意的問題 6五 PLC控制器的發(fā)展趨勢 10六可編程序控制器的工作原理 12七 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計 15 結(jié)論18參考文獻(xiàn) 231PLC簡介可編程序控制器 ( 又稱可編程控制器) 是以自動控制技術(shù)、微計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，目前已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。由于早期的可編程序控制器只能進(jìn)行計數(shù)、定時以及對開關(guān)量的邏輯控制，因此，它被稱為可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC。后來，可編程序控制器采用微處理器作為其控制核心

4、，它的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范疇，于是人們又將其稱為Programmable Controller，簡稱PC 。但個人計算機(Personal Computer)也常簡稱PC，所以為了避免混淆，可編程序控制器仍被稱為PLC。1987 年，國際電工委員會(IEC) 在可編程序控制器國際標(biāo)準(zhǔn)草案第三稿中，對可編程序控制器定義如下：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出控制各種機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工

5、業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。自從 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制出了世界上第一臺PLC，并在美國GM公司的汽車自動裝配生產(chǎn)線上獲得試用成功以來，由于PLC 優(yōu)越的性能，其技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。 1971 年，日本引進(jìn)了這項技術(shù)并開始生產(chǎn)PLC。1973 年，原西德和法國也研制出自己的PLC。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，到20 世紀(jì)80 年代中期， PLC 的處理速度和可靠性大大提高，不僅增加了多種特殊功能，而且體積進(jìn)一步縮小，成本大幅度下降。到20 世紀(jì) 90 年代中期之后， PLC 幾乎完全計算機化，其速度更快，功能更強，PLC 的各種智能化模塊不斷被開發(fā)出

6、來。為了推動PLC 的應(yīng)用，一些廠家還推出了PLC的計算機輔助編程軟件?，F(xiàn)在， PLC 不僅能進(jìn)行邏輯控制，還在模擬量的閉環(huán)控制、數(shù)字量的智能控制、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、通信聯(lián)網(wǎng)及集散控制等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如今大中型，甚至小型 PLC都配有 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換及算術(shù)運算功能，有的還具有 PID 功能。這些功能使 PLC 的應(yīng)用具有了硬件基礎(chǔ)。另外， PLC 還具有較強的通信功能，可與計算機或其他智能裝置進(jìn)行通信和聯(lián)網(wǎng)，從而方便地實現(xiàn)集散控制。目前，世界上一些著名電器生產(chǎn)廠家?guī)缀醵荚谏a(chǎn)PLC，產(chǎn)品功能日趨完善，換代周期越來越短。為了進(jìn)一步擴大PLC 在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，適應(yīng)大、中、

7、小型企業(yè)的不同需要，PLC 產(chǎn)品大致向兩個方向發(fā)展：小型PLC 向體積縮小，功能增強，速度加快，價格低廉的方向發(fā)展，使之能更加廣泛地取代繼電器控制，更便于實現(xiàn)機電一體化；大、中型PLC 向高可靠性、高速度、多功能、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，將PLC 系統(tǒng)的控制功能和信息管理功能融為一體，使之能對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動控制。我國從 20 世紀(jì) 70 年代中期開始研制和開發(fā)國產(chǎn)PLC，許多企業(yè)在PLC 的應(yīng)用方面進(jìn)行了積極的探索，取得了成功的經(jīng)驗和良好的效益。隨著PLC 產(chǎn)品性能價格比的不斷提高，中小企業(yè)普及應(yīng)用PLC的投資已經(jīng)完全可以承受?？梢灶A(yù)見， PLC技術(shù)的推廣應(yīng)用會使我國的工業(yè)自動化水

8、平產(chǎn)生極大的飛躍。2 PLC 控制器的特點1. 靈活性和通用性強繼電器控制系統(tǒng)的控制電路要使用大量的控制電器，需要人工布線、焊接組裝來完成的連接。如果工藝要求稍有變化，控制電路必須隨著做相應(yīng)的變動，耗時且費力。由于PLC 是利用存儲在機內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的，因此，在PLC控制的系統(tǒng)中，當(dāng)控制功能改變時只需要修改程序，外部接線改動及少，甚至可不必改動。一臺PLC 可以通過改變程序而應(yīng)用于不同的控制系統(tǒng)中，其靈活性和通用性是繼電器控制電路無法比擬的。2. 抗干擾能力強、可靠性高2.1 硬件方面的抗干擾措施1. 對電源變壓器、 CPU、編程器等主要部件，均采用嚴(yán)格措施進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。2

9、.對供電系統(tǒng)及輸入電路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各部分之間的相互影響。3. 對 PLC內(nèi)部所需的 +5 V 電源采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以消除由于交流電網(wǎng)的波動引起的過電壓、欠電壓的影響。4.采用光電隔離措施，有效地隔離了內(nèi)部與外部電路間的直接電聯(lián)系，以減少故障和誤動作。5. 采用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC，一旦某一模塊有故障，可以迅速更換模塊，從而盡可能縮短系統(tǒng)的故障停機時間。2.2 軟件方面的抗干擾措施1.PLC 通過監(jiān)控程序定時地對電源及強干擾信號等進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到故障時，立即轉(zhuǎn)入故障處理程序，保存當(dāng)前狀態(tài)，禁止對程序的任何操作，以防存儲信息被破壞。

10、待故障排除后，立即恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行程序。2.PLC 設(shè)置了監(jiān)視定時器，如果程序每次循環(huán)的執(zhí)行時間超過了規(guī)定值，表明程序已進(jìn)入死循環(huán)，則立即報警。3. 加強對程序的檢查和校驗，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警，并停止程序的執(zhí)行。4. 利用后備電池對用戶程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，確保停電時信息不丟失。由于采取了以上措施， PLC的抗干擾能力和可靠性得到了提高。2.3 編程語言簡單易學(xué)2.4PLC 與外部設(shè)備的連接簡單，使用方便2.5PLC 具有完善的功能和較強的擴展能力3 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等

11、各個行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：3.1 開關(guān)量邏輯控制取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。3.2 工業(yè)過程控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量）， PLC 采用相應(yīng)的A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。3.3 運動控制PLC 可以用于圓周運動或直線

12、運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅(qū)動步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。3.4 數(shù)據(jù)處理PLC 具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、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。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。3.5 通信及聯(lián)網(wǎng)PLC 通信含 PLC 間的通信及PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。4 PLC 應(yīng)用中需要注意的問題PLC 是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設(shè)備，一般不需要采取什么措施，就

13、可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而，盡管有如上所述的可靠性較高，抗干擾能力較強，但當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當(dāng)，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設(shè)備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求設(shè)計、安裝和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應(yīng)注意以下問題：4.1 工作環(huán)境溫度PLC 要求環(huán)境溫度在055oC，安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。濕度為了保證 PLC的絕緣性

14、能，空氣的相對濕度應(yīng)小于85%（無凝露）。震動應(yīng)使 PLC 遠(yuǎn)離強烈的震動源，防止振動頻率為1055Hz 的頻繁或連續(xù)振動。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動時，必須采取減震措施，如采用減震膠等?？諝獗苊庥懈g和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。電源PLC 對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般PLC 都有直流24V 輸出提供給輸入端，當(dāng)輸入端使用外接直流電源時，應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋

15、波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。4.2. 控制系統(tǒng)中干擾及其來源現(xiàn)場電磁干擾是 PLC 控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標(biāo)先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。干擾源及一般分類影響 PLC 控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場，對設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓疊加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直

16、接影響測控信號，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng) I/O 模件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流，亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑1. 強電干擾PLC 系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。2.柜內(nèi)干擾控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混

17、亂的布線都容易對PLC 造成一定程度的干擾。3.來自信號線引入的干擾與 PLC 控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)干擾，這是很嚴(yán)重的。由信號引入干擾會引起I/O 信號工作異常和測量精度大大降低，嚴(yán)重時將引起元器件損傷。4.來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性（ EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴(yán)重的干擾

18、信號，使 PLC系統(tǒng)將無法正常工作。5. 來自 PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。6.變頻器干擾（ 1）是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；（ 2）是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。4.3 主要抗干擾措施電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1： 1 的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。正確選擇接地點

19、，完善接地系統(tǒng)良好的接地是保證 PLC 可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是 PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。PLC 控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等。接地系統(tǒng)混亂對 PLC 系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端 A、B 都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，當(dāng)發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時，地線電流將更大。此外，屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層

20、內(nèi)又會出現(xiàn)感應(yīng)電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。 PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響 PLC 的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯，造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導(dǎo)致測量精度下降，引起對信號測控的嚴(yán)重失真和誤動作。安全地或電源接地將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導(dǎo)入地下，不會對人造成傷害。系統(tǒng)接地PLC 控制器為了與所控的各個設(shè)備同電位而接地，叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于 4，一般需將 PLC

21、 設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負(fù)端接在一起，作為控制系統(tǒng)地信號與屏蔽接地一般要求信號線必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的場合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。信號源接地時，屏蔽層應(yīng)在信號側(cè)接地；不接地時，應(yīng)在PLC 側(cè)接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應(yīng)牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時，各屏蔽層應(yīng)相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當(dāng)?shù)慕拥靥巻吸c接點。對變頻器干擾的抑制加隔離變壓器，主要是針對來自電源的傳導(dǎo)干擾，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。使用濾波器，濾波器具有較強的抗干擾能力，還具

22、有防止將設(shè)備本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。使用輸出電抗器，在變頻器到電動機之間增加交流電抗器主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產(chǎn)生電磁輻射，影響其它設(shè)備正常工作。5 PLC 控制器的發(fā)展趨勢工業(yè)控制計算機 ( 簡稱工控機 ) 是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，目前已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，工控機是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的最佳配套產(chǎn)品，而工業(yè)可編程序控制器(PLC)則在工控領(lǐng)域中占有主要的地位。PLC 具有通用性強、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。 PLC的定義有許多種。國際電工委員會（IEC）對 PLC的定義是：可編程

23、控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。從結(jié)構(gòu)上， PLC 分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括 CPU板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。5.1 我國

24、工業(yè)控制計算機的發(fā)展20 世紀(jì) 40 年代末 50 年代初，我國的流程工業(yè)規(guī)模很小，設(shè)備陳舊，必要的調(diào)節(jié)主要靠最簡單的測量儀表由人工操作運行。50 年代末 60 年代初，我國研制生產(chǎn)的傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器等，基本上能顯示過程狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)節(jié)意圖，最終命令執(zhí)行器完成對工藝流程的調(diào)節(jié)要求。70 年代初，我國自行研制的工控機開始應(yīng)用于工業(yè)過程控制，它部分地取代了原來控制室內(nèi)的儀表。但由于受當(dāng)時電子器件性能的限制，工控機本身的可靠性遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，工控機帶來的控制集中引起“危險”集中。70 年代末，分散型控制系統(tǒng)(DCS)進(jìn)入工控領(lǐng)域，解決了“危險”集中的問題，還解決了一些復(fù)雜的控制。DCS可建立

25、通信網(wǎng)絡(luò)，為大工廠生產(chǎn)帶來許多方便，但其價格一直居高不下。80 年代初，適應(yīng)性較強的總線型工控機 (STD)應(yīng)運而生， STD 總線技術(shù)的推廣和應(yīng)用，使工控機的功能更加強化。5.2 工業(yè) PLC 控制器 (PLC)發(fā)展趨勢 PLC作為工控機的一員，在主要工業(yè)國家中成為自動化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約 150 家，生產(chǎn) 300 多個品種。 2000 年銷售額約為86 億美元，占工控機市場份額的50%，PLC將在工控機市場中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢頭。PLC在 60 年代末引入我國時，只用作離散量的控制，

26、其功能只是將操作接到離散量輸出的接觸器等，最早只能完成以繼電器梯形邏輯的操作。新一代的PLC 具有 PID 調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC 也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：微型、小型PLC 功能明顯增強 很多有名的PLC 廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的 FXOS14點(8 個 24VDC輸入， 6 個繼電器輸出 ) ，其尺寸僅為58mm×89mm，僅大于信用卡幾個毫M，而功能卻有所增強，使 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域擴大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其

27、它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門。集成化發(fā)展趨勢增強由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC 向集成化方向發(fā)展， PLC 與 PC 集成、PLC與 DCS集成、 PLC與 PID 集成等，并強化了通訊能力和網(wǎng)絡(luò)化，尤其是以PC為基的控制產(chǎn)品增長率最快。PLC 與PC 集成，即將計算機、PLC 及操作人員的人機接口結(jié)合在一起，使PLC 能利用計算機豐富的軟件資源，而計算機能和PLC 的模塊交互存取數(shù)據(jù)。以PC機為基的控制容易編程和維護(hù)用戶的利益，開放的體系結(jié)構(gòu)提供靈活性，最終降低成本和提高生產(chǎn)率。向開放性轉(zhuǎn)變 我國的 PLC 生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)

28、展，小型 PLC 曾存在嚴(yán)重的缺點，主要是 PLC 的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而不是開放的，絕大多數(shù)的 PLC 是專用總線、專用通信網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公司的組態(tài)、尋址、語文結(jié)構(gòu)不一致，使各種 PLC 互不兼容。國際電工協(xié)會 (IEC) 在 1992 年頒布了 IEC1131-3可編程序控制器的編程軟件標(biāo)準(zhǔn)，為各 PLC廠家編程的標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路?，F(xiàn)在開發(fā)以 PC為基、在 WINDOWS平臺下，符合 IEC1131-3 國際標(biāo)準(zhǔn)的新一代開放體系結(jié)構(gòu)的 PLC正在規(guī)劃中。小型 PLC已批量生產(chǎn)；中型 PLC 已有產(chǎn)品；大型 PLC已開始研制。國內(nèi) PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約 30

29、多家，國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率不超過 10%，主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計算機廠、蘇州機床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自動化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機械工業(yè)自動化所和江蘇嘉華實業(yè)有限公司等。國內(nèi)產(chǎn)品在價格上占有明顯的優(yōu)勢。隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、人機界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競爭激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。 PLC 也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與 DCS、 PID 調(diào)節(jié)器、工業(yè) PC等技術(shù)相結(jié)合，使之不再是一種簡單的控制設(shè)備，而且必將隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。 PLC 在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的

30、將來，是無法取代的。6 可編程序控制器的工作原理6.1 掃描周期與工作過程PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，它可以看成是一種由系統(tǒng)軟件支持的掃描設(shè)備，不論用戶程序運行與否，都周而復(fù)始地進(jìn)行循環(huán)掃描，并執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù)。每一個循環(huán)所經(jīng)歷的時間稱為一個掃描周期，每個掃描周期又分為五個工作階段，每個工作階段完成不同的任務(wù)。工作過程如圖a 所示。初掃描周期始公 共 處 理執(zhí) 圖行程a序PLC 循環(huán)掃描I/O過刷程新外 設(shè) 端 口 服 務(wù)計算處理化公共處理階段在每次掃描開始之前，CPU都要進(jìn)行監(jiān)視定時器復(fù)位、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢掃描周期查等操作。如果有異常情況，除了故障顯示燈亮以外，CPU還判斷并顯

31、示故障的性質(zhì)；如果屬于一般性故障，則只報警不停機，等待處理；如果屬于嚴(yán)重故障，則停止 PLC 的運行。公共處理階段所用的時間一般是固定的，不同機型的PLC 有所差異。執(zhí)行程序階段在執(zhí)行程序階段， CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行。CPU從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀取各繼電器當(dāng)前的狀態(tài)，根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運算，運算結(jié)果再寫入元件映像寄存器中的掃描時間不是固定的，其原因主要取決于用戶程序中所用語句的條數(shù)及每條指令的執(zhí)行時間。因此，執(zhí)行用戶程序的掃描時間是影響掃描周期時間長短的主要因素，而且，在不同時段執(zhí)行用戶程序的掃描時間也不盡相同。掃描周期計算處理階段若預(yù)先設(shè)定掃描周期為固定值

32、( 可由用戶設(shè)定 ) ，則進(jìn)入等待狀態(tài)，直至達(dá)到該設(shè)定值時掃描再往下進(jìn)行。若設(shè)定掃描周期為不定( 即取決于用戶程序的長短等) ，則要進(jìn)行掃描周期的計算。掃描周期計算處理所用的時間很短。PLC 在正常工作的情況下，掃描周期T 為T = ( 運算速度×程序步數(shù) )+ I/O刷新時間 + 故障診斷時間由于 I/O刷新時間和故障診斷時間相對用戶程序執(zhí)行時間要小得多，因此掃描時間主要由用戶程序的長短和CPU的運算速度決定。一般掃描時間達(dá)每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對于一般的工業(yè)設(shè)備控制通常沒什么影響。但對控制時間要求較嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)，則應(yīng)考慮PLC 的運算速度；并且應(yīng)精確計算響應(yīng)時間

33、，精心編排程序，合理安排指令的順序；盡可能減少掃描周期造成的響應(yīng)延時等不良影響。由于PLC是采用循環(huán)掃描的工作方式，因此它的輸入/ 輸出響應(yīng)速度受掃描周期的影響較大。刷新階段在 I/O 刷新階段， CPU與輸入 / 輸出電路直接打交道。從輸入電路中讀取各輸入點的狀態(tài)，并寫入輸入映像寄存器中，也就是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容。自此輸入映像寄存器就與外界隔離，無論輸入點的狀態(tài)怎樣變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變，直到下一個掃描周期的 I/O 刷新階段才會寫進(jìn)新內(nèi)容。另外， CPU還將所有輸出繼電器元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到相應(yīng)的輸出鎖存電路中，再經(jīng)輸出電路的隔離和功率放大部分傳送到PLC 的輸出

34、端，驅(qū)動外部執(zhí)行元件動作。I/O刷新階段的時間長短取決于I/O 點數(shù)的多少。外設(shè)端口服務(wù)階段這個階段里， PLC 檢查是否有對編程器或計算機等的通信請求，若有，則進(jìn)行相應(yīng)處理。例如，接收由編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有對計算機的通信請求，則也在這段時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。完成上述各階段的處理后，又返回公共處理階段，周而復(fù)始地進(jìn)行掃描。PLC 信號的傳遞過程如圖b 所示。0000100002用輸01001元用PLC 執(zhí)行用戶程序的過程中，輸入映像寄存器的狀態(tài)是不變的，而元件映像寄戶輸輸入讀寫件輸輸輸戶讀映讀映出輸入入出出輸

35、存器的內(nèi)容則隨程序的執(zhí)像行在改變。前一步的計算像結(jié)果寄隨即作為下一步的計算條入端電寄寄存電端出設(shè)子路寫路子設(shè)件，這一點與輸入映像寄存器完全不同。另外，程序的執(zhí)行是由上而下進(jìn)行的，所備存01001存器備器器01002以各梯級中的繼電器線圈不可能同時改變狀態(tài)，執(zhí)行用戶程序的結(jié)果要保持到下一I/O 刷新執(zhí)行用戶程序I/O 刷新個掃描周期的用戶程序執(zhí)行階段。環(huán)掃描工作方式也為PLC 提供了一條死循環(huán)自診斷功能。在PLC 內(nèi)部設(shè)置了一個監(jiān)視定時器 (WDT)，其定時時間可設(shè)置為大于用戶程序的掃描時間，在每個掃描周期的公共處理階段將監(jiān)視定時器復(fù)位。正常情況下，監(jiān)視定時器不會動作。如果由于 CPU內(nèi)部故障使

36、程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)，那么掃描周期將超過監(jiān)視定時器的定時時間。這時監(jiān)視定時器 (WDT)動作使 PLC運行停止，以提示用戶排查故障。PLC的主要性能指標(biāo)1. 存儲容量系統(tǒng)程序存放在系統(tǒng)程序存儲器中。這里說的存儲容量指的是用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器的容量決定了 PLC 可以容納用戶程序的長短，一般以字為單位來計算。中、小型 PLC 的存儲容量一般在 8 K 字以下；大型 PLC的存儲容量可達(dá)到 256 K 字 2 M 字；也有的 PLC用存放用戶程序的指令條數(shù)來表示容量。2. 輸入 / 輸出 (I/O) 點數(shù)I/O 點數(shù)指 PLC面板上的輸入、輸出端子的個數(shù)。 I/O 點數(shù)越多，外部可接

37、的輸入器件和輸出器件就越多，控制規(guī)模就越大。因此， I/O 點數(shù)是衡量 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。3.掃描速度掃描速度是指PLC 執(zhí)行程序的速度。一般以掃描1 K 字所用的時間來衡量掃描速度。 PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所用的時間，用戶可以通過比較各種 PLC 執(zhí)行相同的操作所用的時間，來衡量掃描速度的快慢。4.編程指令的種類和條數(shù)這也是衡量 PLC 能力強弱的主要指標(biāo)。編程指令種類及條數(shù)越多，其功能就越強，即處理能力、控制能力越強。5.內(nèi)部器件的種類和數(shù)量內(nèi)部器件包括各種繼電器、計數(shù)器 / 定時器、數(shù)據(jù)存儲器等。其種類越多，數(shù)量越大，存儲各種信息的能力和控制能力就越強。6.擴展能力

38、大部分 PLC可以用 I/O 擴展單元進(jìn)行 I/O 點數(shù)的擴展；有的 PLC可以使用各種功能模塊進(jìn)行功能擴展等。7.智能單元的數(shù)量PLC 不僅能完成開關(guān)量的邏輯控制，而且利用智能單元可完成模擬量控制、位置和速度控制以及通信聯(lián)網(wǎng)等功能。智能單元種類的多少和功能的強弱是衡量 PLC 產(chǎn)品水平高低的一個重要指標(biāo)，各個生產(chǎn)廠家都非常重視智能單元的開發(fā)。近年來智能單元的種類日益增多，功能也越來越強。8.支持軟件為了便于對PLC 的編程和監(jiān)控，各PLC生產(chǎn)廠家相繼開發(fā)出各類計算機支持的編程和監(jiān)控軟件。性能優(yōu)越的PLC 支持軟件可方便地實現(xiàn)用戶軟件的編制和修改，同時也可以對 PLC的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控。

39、7 PLC 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計7.1 初始狀此時各閥門關(guān)閉，容器是空的。YV1=YV2=YV3=OFFSL1=SL2=SL3=OFFMOFF7.2 起動操作按下起動按鈕，開始下列操作：1 YV1=ON, 液體 A 流入容器；當(dāng)液面到達(dá)SI3 時， Yell=OFF，YV2ON；2 液體 B 流入，液面達(dá)到 SL1 時， YV2=OFF， M ON，開始攪拌；3 混合液體攪拌均勻后（設(shè)時間為 l0s ）， M OFF，YV3ON，放出混合液體；4 當(dāng)液體下降到名 SL2 時， SL2 從 ON變?yōu)?OFF，再過 20s 后容器放空，關(guān)閉YV3， YV3=OFF，完成一個操作周期；5 只要沒按停止

40、按鈕，則自動進(jìn)入下一操作周期。按一下停止按鈕，則在當(dāng)前混合操作周期結(jié)束后，才停止操作，使系統(tǒng)停止于初始狀態(tài)。7.3 系統(tǒng)設(shè)計按照控制要求，輸入點有5 個，即一個啟動按鈕、一個停止按鈕和三個液面指示傳感信號。輸出點共4 個，即 3 個電磁閥 YV1、 YV2和 YV3，一臺電動機M。因該系統(tǒng)所需程序容量不大，故仍選用小型機控制?，F(xiàn)以 CPM1A機為例，實現(xiàn)上述控制。 I/O 分配見表 1。I/O 連梯形圖I/O 分配見表輸入（ INPUT ）輸出（ OUTPUT ）接圖SB1 啟動00000電磁閥 YV101000SB2 停止00001電磁閥 YV201001SL1 傳感器00002電磁閥 YV

41、301002SL2 傳感器00003電動機 M01003SL3 傳感器00004控制系統(tǒng)程序1、 LD000007、LD000042、 OR010008、AND-NOT010033、 ORTIM0009、OUT010014、 AND-NOT0000410、 LD000025、 AND-NOT0000211、AND-NOT010026、 OUT0100012、 OUT0100313、TIM00117、 OUT01002#010018、 AND-NOT0000314、LDTIM00119、 TIM00215、OR01002#020016、AND-NOTTIM00220、END程序說明按鈕SB1（ 00000）、 SB2（ 00001），四個液位傳感器SL1（ 00002）、 SL2（00003）、 SL3（00004）按下啟動按鈕 SB1（00000）電磁閥 YV1得電，常開觸點01000 閉合形成自鎖；當(dāng) A 液體到達(dá) SL3時 YV1就 OFF YV2就 ONSL3（00004）動作，電磁閥YV2(01001)得電動作當(dāng)液體 B 流入，液面達(dá)到SL1 時， YV2（01001）就 OFF，M（01003