西门子6ES7216-2BD23-0XB8支持验货

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PLC系统原理

1、概念部分

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的、数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

取代继电器接触器系统

2.结构

PLC作为一种工业控制装置，其组成主要由中央处理单元CPU、存储器、输入输出（I/O）单元、电源、外部接口和各种功能模块组成。

3、工作原理

PLC一般采用循环扫描的工作方式。PLC上电后，执行系统程序规定的任务、周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段，依次为：公共处理→执行用户程序→扫描周期计算→输入输出刷新→外设端口服务。完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶段，周而复始地进行扫描。

4、PLC监控技术

所谓PLC监控技术，就是利用PLC及其功能模块将工业现场中被监控对象的实际运行状态（如运行、停止、报警等）和物理参量（如温度、压力、**、液位等）进行采集，并将物理参量转换为标准的电压或电流信号，然后将这些表示状态的开关量以及代表实际物理参量的模拟量输入控制器，在用户程序中将这些信号处理以后，通过现场通讯总线传送到上位机中，并且在上位机中以数字、图形、指示灯或曲线的方式显示出来。如果出现异常情况，则及时用声光报警，提醒有关工作人员注意，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。如果需要对被监控对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量和状态量的变化情况进行分析判断，然后在输出装置中输出相应的电信号并且推动执行装置（如调节阀、电动机等）动作从而完成相应的控制任务。

5、PLC监控系统的结构

PLC监控系统近年来有了较大的发展。从整个发展过程来看，硬件结构从集中式向分布式发展。集中式结构是指由单一的PLC单元完成控制系统的所有功能以及对被控对象实施统一控制的一种系统结构。而分布式结构是相对于集中式结构而言的一种新型PLC控制系统，由于采用了现场总线技术，所以更适用于控制对象多而复杂的大型系统，现在它已成为计算机监控系统的主流结构。

5.1 集中式结构

集中式结构比较简单，通常在下位机中采用一个PLC单元将过程数据或状态进行采集和处理，当CPU本体中的I/O点数不够用时，采用该系列PLC的扩展模块进行扩展，系统中的CPU本体及其所有扩展模块紧凑连接，并且都放在一个控制柜内，但扩展能力随PLC的不同有异，扩展能力有限。

5.2 分布式结构

虽然不同的PLC分布式监控系统存在着许多差异，但其核心结构基本上是一致的，它们都是分布式控制系统（DCS：Distributed Control System）的范畴。PLC分布式系统一般由系统网络、CPU本体、现场I/O控制站、操作员站和工程师站等部分组成。在PLC分布式系统中，各现场I/O控制站都是相对独立的，这些完成特定功能的I/O站点称为“节点”。

目前除了少数系统因监控对象少，位置又相对集中，采用集中式结构外，许多PLC监控系统为适应现代化规模较大的监控对象，都采用分布式结构。特别是当监控对象数目较多，位置相对分散，距离主控室较远时，分布式系统就更能体现出其较高的性价比和优越性。

5.3主流PLC

施奈德（法国）Quantum 140系列PLC 

西门子（Siemens）公司：（德国）

S7-200系列： S7-300系列： S7-400系列：

罗克韦尔(Rockwell)公司/AB(Allen-Bradley): （美国）

ControLogix系列(1756):LOGIX5555/LOGIX5561等

三菱（MITSUBISH）公司： （日本）

FX1N、FX1S、FX2N、FX0N-3A、Q系列

欧姆龙（OMRON）公司：（日本）

CMP1A、CMP2A、C200H、CS1系列

此外还有：通用(GE)、LG、台达、光洋、横河、松下、ABB等PLC。

5.4王家岭选煤厂分布式系统

施奈德（法国）Quantum 140系列PLC      DCS

CUP: 140CPU65160  140系列的I/O模块（包括的模块类型）

多种通讯协议    电机综保并入系统

AB1756系列     西门子S-300系列

5.5下位机编程部分：

编程软件：Unity pro XL  V4.0

编程步骤：

1.硬件组态      （组态CPU、电源、机架、通讯模块、子站等）

2.配置通讯      （新建连接、CPU通讯口配置）

3.建立变量表

4.编写梯形图程序

5.与SIM连接测试

6.在线仿真程序

5.6上位机编程部分：

编程软件：iFix  V4.5

上位机的功能介绍：

1.简单直观的工艺流程 （动态性）

2.监视、控制         （设备运行状态、模拟量）

3.数据报表           （工艺分析、打印报表）

4.历史趋势、实时趋势 （直观地观测数据变化）

5.报警查询            (事故或故障查询)

6.用户管理               (管理员、操作员)

上位机编程步骤：

1.配置通讯系统：MBE、SIM

2.组态画面

3.建立数据库

4.动画设置

5.编写脚本：VBA

6.动态模拟

5.7 PID 技术

比例：作用在于按比例反应系统的偏差、加快系统的响应速度，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差，比例作用大,可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分：在系统控制中，积分调节规律主要作用在于消除稳态误差，**无差度；只要有误差，积分调节就进行，直至误差消失。

微分：调节作用主要是反映系统偏差信号的变化率，针对大惯性过程引入的，它能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，可以改善系统的动态性能。

1　前言

　　可编程序控制器用于液压传动系统和相应的顺序逻辑控制系统，取代原有的继电器逻辑控制已相当普遍。程序编制方法大多数以梯形图为依据的指令语句方式。在工步数未几、逻辑关系不太复杂的情况下，编程并不难，然而假如工步数多，输进、输出逻辑关系比较复杂，如何根据受控设备的动作程序和工艺要求，一次设计出满足控制要求、线路简单、运行可靠的顺序逻辑控制梯形图，这对设计经验不很丰富的设计者来说并非轻易，原因是顺序逻辑控制系统每一程序的输出状态不仅与该步的即时输进状态有关，而且与该步的历史输进状态有关，输进、输出关系千变万化，难于把握。
　　再者目前国内使用的PLC中小型多以日本产品为主，大型以欧美产品为多，机型各种各样，没有明确一致的标准，编程元件的种类、数目、编程语言等各方面都不相同，互不兼容，这给控制系统的设计、编程、调试及运行维护带来困难，希看能开发出一种设计方法严密、规则性强、通用性强、能适应各种PLC且使用、维护方便灵活、系统构成简单、可靠的编程软件，为此我们作了一些初步的探讨。

2　设计思想与方法

　　顺序逻辑控制法中系统的一个工作周期被分为顺序相连的若干步，在各步内，各输出量的通/断状态不变，并规定：只是由于电气信号的改变，才引起受控设备工步的改变，即当PLC输出量的状态变化时，系统从原工步进进新的工步。设计中不是用PLC的输进X直接控制输出Y，而是用PLC输进的转换主令信号X往控制代表工步状态的辅助继电器M，用利用M往控制Y。不管系统多么复杂和千变万化，对M的控制要求都是一样的。因此用X控制M的梯形图设计方法是通用的，并且轻易把握，系统的特殊性体现在输出电路上，固然不同系统的M与Y的逻辑关系各不相同，但是由于工步是根据PLC的输出状态来划分的，M与Y之间的逻辑关系变得非常简单。

　　(1)工步状态表构成

　　梯形图自动天生逻辑的全过程都在一张PLC顺序逻辑控制系统输进、输出工步状态表内进行。如机械手受控设备工步状态表的结构见表1。表中的符号“+”表示输出继电器得电导通状态，“-”表示失电状态，辅助继电器纵向连续直线代表连续导通状态，转换主令是受控设备从该步向下一工步转换的电气控制信号，表中规定受控设备处于原位时也作一个工步状态处理，共有9个工步。

表1

    (2)辅助继电器M设置及导通逻辑式

    　　辅助继电器设置规则：
　　①确定辅助继电器数目，工步数为n，则辅助继电器数目m=n/2，若求得的值为小数，则取大于它的小整数；
　　②每个工步只有一个辅助继电器动作，变化小、元件少、线路简单、可靠性高。
　　③每个辅助继电器在一个周期中只导通一次，失电一次，并且所有辅助继电器同方向动作，连续导通m步，不同的辅助继电器其导通位置不同，先顺序逐个导通m个工步，然后逐个失电(见表1)，1工步受转换主令1SB、1SQ、3SQ激励，M1导通，6工步受转换主令6SQ激励，M1失电，以下顺序类推。
　　依据上述规则，可得出辅助继电器导通逻辑式：
　　当工步号i=1时：

(1)

    　　当工步号i≤m-1　AND　n(工步数)为偶数时：

(2)

    　　当工步号i=m　AND　n为偶数时：

(3)

    　　当n为奇数时，i＜m-1，Mi导通逻辑同式(1)、式(2)；若i=m-1，则Mi导通逻辑同式(3)；
　　若i=m，则：
　　Mi=(i工步转换主令与逻辑+Miv)Mi-1  (4)

    　　如表1所示，则有：

    　　(3)输出继电器导通逻辑公式

    　　推导输出继电器导通逻辑式的充分必要条件是受控输出继电器输出状态逻辑式的“与—或”逻辑组合必须覆盖该继电器的所有导通程序步，但不覆盖其任一失电程序步。Y是用M来控制，一个工作周期中，输出继电器导通状态有如上几种情况：
　　①单步导通；
　　②连续导通k步；
　　③上述两种情况的逻辑组合。
　　周期的前半部分，输出继电器通、失电都由某个辅助继电器M的导通控制；在周期后半部分，Y的通、失电都是由M的失电控制。n与m的含义同前；i表示某个输出继电器开始通电时的步号；j表示第j个输出继电器，如Yij表示在i工步开始导通的第j个输出继电器Y；k表示第j个输出继电器连续导通的工步数。

    　　当i=0时：
　　若k＜m，则yij=　 　　(5)
　　若k=m，则yij=　　　 　　(6)
　　若k＞m，则yij=+Mk-m　　　　(7)
　　当i≠0　AND　i＜m时：
　　若i+k≤m，则yij=　　　(8)
　　若i+k＞m，则yij=Mi·Mi+k-m　　　(9)
　　当i=m时：
　　若i+k-m＝m，则yij=Mm　　　 　(10)
　　其他情况　则yij=Mm·Mk　　　　(11)
　　当i＞m时：

     (12)

    　　根据上述逻辑公式，得到yj各导通程序段的逻辑式，然后依照充分必要条件，求出覆盖yj全部导通段程序步的逻辑组合，即可得到yj的导通逻辑，如表1所示，求得：

    　　(4)时间继电器导通逻辑式
　　顺序逻辑控制系统在某些情况下需要以预先规定好的时间为条件，对受控设备顺序地进行控制，要用定时器作延时，用延时结束时，常开接点闭合信号作下一工步的转换主令。当定时器的延时信号发出后，其线圈何时失电无特殊要求，为了使其控制尽可能简单，拟定定时器与某个相对应的辅助继电器同步得电或失电。

    3　PLC梯形图自动天生CAD系统

    　　梯形图自动天生逻辑的全过程是以PLC顺序逻辑控制系统输进、输出状态表为依据，用上述分析的数学模型，自动天生梯形图，整个程序用C语言编制，设计中首先要输进受控设备的工步状态表，为了便于扩充，适用不同工况，数据选用链表结构。其结构如下：

    struct plcx{　/*转换主令链*/
　　char x〔5〕；　/*每步主令*/
　　struct plcx *xnext；
　　}；
struct plcy{　/*输出继电器链*/
　　char y〔5〕；　/*输出继电器*/
　　struct plcy *ynext；
　　}；
struct plcy {　/*定时器链*/
　　char t〔5〕；　/*时间继电器*/
　　float tb；　/*时间常数*/
　　int tn；　/*断开时间继电器步序号*/
　　struct plct *tnext；
　　}；
struct plcc；　/*计数器链*/
　　char c〔5〕；　/*计数器*/
　　int cb；　/*计数常数*/
　　int crnl；　/*1-初始复位，0-初始不复位*/
　　struct plccb *blist；　/*计数逻辑链*/
　　struct plccr *rlist；　/*复位逻辑链*/
　　}；
struct plccb{　/*计数逻辑链*/
　　char cb〔5〕；　/*计数逻辑*/
　　struct plccb *bnext；
　　}；
struct plccr{　/*复位逻辑链*/
　　char cr 〔5〕；　/*复位逻辑*/
　　struct plccr *rnext；
　　}；
struct PLC{
　　struct plcx *xlist；　/*主令链*/
　　struct plcy *ylist；　/*输出链*/
　　struct plct *tlist；　/*时间链*/
　　}；
struct PLC P_num〔MAX〕 　/*PLC结构数组*/
struct Plcc c_num〔MAX〕　/*计数器结构数组*/
　　程序流程如图1所示。

图1　总体流程图

    4　模拟试验

    　以双动薄板拉伸液压机为对象进行模拟试验，根据受控对象工艺要求拟定工步状态表如表2所示。

表2

　　输出继电器Y的导通逻辑式为：

y3=M3·+·M3；y7=M1·；
　　y4=M4·；　　　　　　　　y8=·M5；
　　y5=·M3；y9=M1·。
　　定时器导通逻辑式为：
　　T1=M5；　T2=·M6。
　　自动天生梯形图如图2所示。

图2　PLC梯形图

5　总结

　　上述PLC顺序逻辑控制梯形图自动天生CAD系统中，根据受控设备工步状态表，以辅助继电器作记忆单元，按确定的规则，推导出辅助继电器M和输出继电器Y导通逻辑式，作数学模型，在计算机中自动天生梯形图，输出继电器逻辑式正确性充分必要条件是本设计法可靠的主要保证，以此为依据，设计规律性强，规则严密，轻易把握，适用性好。本程序用C语言编制，工步数目前可达256步，原则上可达任意多步。各类设备，凡属顺序逻辑控制范畴的都可使用本程序进行设计。本设计方法经过实例验证，完全满足设计要求。现我们正在进行开发自动天生梯形图文件，可随时编辑修改，根据用户使用PLC型号自动天生指令语句程序，向下装载到PLC上，仿真运行。