6ES7214-1AD23-0XB8一级代理

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可编程控制器(PLC)作为继电控制盘的替代物，以极高的可靠性和应用方便等特点，成为当今用途为广泛的工业控制器。现在它的应用已突破了当初逻辑控制的场合，深入到过程控制、位置控制、网络通讯等工程领域。本文根据某工程的实际需要，以三菱PLC为模拟目标，提出了一种以单片机构建PLC系统的思想。

2 系统构成
系统框图见图1。

该系统CPU芯片使用了一种新型的51系列单片机即Cygnal公司的 C8051F040。其指令集与MSC_51指令集完全兼容，使用方便，且采用流水线结构，其周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。内部集成了64K Flash ROM、4352字RAM、64位数据I/O口以及几乎所有的模拟与数字外设如:ADC、DAC、SMBus、UART、CAN、SPI、PCA、电压比较器、温度传感器、可编程增益放大器等。开发工具采用标准的JTAG接口，以边界扫描方式对CPU进行非入侵式全速的在系统调试。其性能较之传统51单片机有了很大的提高。
CPU和外部I/O接口之间采用光电耦合器件，实行强电和弱电隔离，切断现场干扰。计算机通过RS232串口与PLC系统通信，将PLC程序指令传送到PLC。PLC将接收到的指令保存到非易失性RAM中。这样做即可以长期保存PLC程序，又可以方便地随时修改程序。

3 PLC程序的执行过程
常见PLC以扫描方式工作。每次扫描的工作过程分为三步。
(1) 输入处理 程序执行前，PLC将全部输入点的状态读到输入镜像寄存器。在程序执行过程中，PLC不再读取这些输入点的状态，直到下一个扫描周期的输入处理。
(2) 程序处理 PLC根据读入的外部输入状态和其它元件的状态执行用户程序。这时的输出指令只写到输出镜像寄存器，输出点的状态并没有发生变化。
(3) 输出处理 全部指令执行完毕，将输出寄存器的内容全部刷新到外部输出点。程序回到步工作过程。
本PLC系统的工作过程与此相同。输入处理和输出处理用单片机实现起来比较容易，无需赘述。系统的关键是用户程序的处理。下面以三菱FX系列PLC一个简单的例子来说明本PLC系统对用户程序的处理方法。梯形图和相应的指令表见图2。

0:LD X000 9: LD X010
1:AND X001 10:LD X011
2:AND X002 11:AND X012
3:LD X003 12:LD X013
4:OR X004 13:AND X014
5:ANB 14:ORB
6:OUT Y000 15:OR X015
7:OR X006 16:ANB
8:LD X010 17:OUT Y001
首先分析指令 AND X001，指令执行前有状态B，执行该指令时，将当前状态B 和X001的状态进行与运算，形成状态C，这是指令AND X002执行前状态。C是B的刷新值，它们实际上是一个变量。这个变量反映程序执行时当前的状态值。当遇到输出指令OUT Y000时，就把当前状态值传送给输出寄存器。把AND X001作为一单元块，可认为这个单元块有单输入单输出的结构。输入状态和单元块内元件的状态运算后得到输出状态。
再分析指令LD X003、OR X004，如果将这两条指令组合后看作上述单输入单输出结构的单元块，执行前的状态为D，把X003、X004元件并联后的状态作为单元块内元件的状态，和D与运算后得到状态G.。但细化一步执行LD X003这个子单元块时，当前状态D需保存，取X003的状态作为当前状态值E，和X004或运算后得到F。执行ANB时，把先保存的状态值D和状态值F与运算后得到新的当前状态值G。
这里执行LD与AND产生区别是在于:AND指令没有分支，而LD指令产生分支，程序执行前的状态值需要保存。同样，在遇到分支合并时，需要使用到先前保存的状态值 。根据梯形图的编写规则，状态值的保存和使用是一种先进后出的结构，所以可以使用进栈和出栈的方法来实现。指令的具体实现过程归纳如下:凡是遇到产生分支的指令，例如LD指令，需将当前状态值进栈保存，取当前操作元件的状态作为当前状态值;凡是遇到分支合并的指令,例如ORB、ANB指令，需将栈顶值出栈与当前状态值运算成为新的当前状态值。
在具体实现时，采用了另一种形式的栈。由于三菱FX系列PLC的LD连续使用不能超过八次，因此采用一个可以位寻址的片内RAM字节作为栈空间来存放当前状态值。如果使用栈空间的高位作为当前状态值，每次压栈就把该字节进行不带进位的循环右移，出栈时反之。在LD X000指令执行后，进栈状态A没有出栈，LD X010指令又进栈保存当前状态值，以前的压栈值A废之不用，即每条与母线相连的LD指令产生压栈值都不出栈。这样避免了因使用PUSH POP指令用一个字节的空间来保存一位的当前状态值造成的RAM利用效率低的问题。
LD X010后的指令执行过程如下:LD X010 把当前状态值H压栈，取X010的状态作为当前状态值I;LD X011把当前状态值I压栈，取X011的状态作为当前状态值J;AND X012 把当前状态值J和X012的状态与运算后得到当前状态值K;LD X013把当前状态值K压栈，取X013的状态作为当前状态值L;AND X014把当前状态值L和X014的状态与运算后得到当前状态值M;ORB 弹出压栈值K和当前状态值M或运算后得到新的当前状态值M;OR X015把当前状态值M和X015的状态或运算后得到当前状态值N;ANB弹出压栈值I和当前状态值N与运算后得到新的当前状态值O;OUT Y002 把当前状态值写到Y002的输出镜像寄存器。

4 检查程序
接收到程序后，在程序执行之前，还需对程序的语法正确性进行检查。这里只介绍与程序状态值栈相关指令的语法检查。
首先]需要设置一个位标志EN_BUS和一计数器LD_N。ENBUS表示下一指令能够与PLC梯形图中的母线相连。计数器LD_N表示自与母线相连的指令之后由于LD指令引起的堆栈次数。检查程序之前，初始化如下:
EN _BUS=1
LD_N=1
检查程序时，如果遇到LD指令，程序流程如图3(a);如果为ORB或ANB指令，则LD_N=LD _N-1;如果为OUT等与零母线相连的输出指令，程序流程如图3(b)。
这些基本操作执行后，如果检测到LD _N大于8，说明连续LD指令太多，程序状态值栈空间溢出;如果LD _N等于0，说明ANB或ORB指令数多于与LD指令，数量不匹配。还有些指令例如程序标号P、循环范围终止符NEXT等必须与母线相连。如果这些指令出现在EN _BUS=0的情况下，说明该程序有错。

1 引言
工程公司主要生产液氯钢瓶、液氨贮罐及氮气包等各种三类容器。由于该类容器属于剧毒、高压类容器，其工作压力一般在(2.0~16.0)MPa，因此对热处理的要求也特别高。
公司原有热处理炉的炉膛长12m、宽3.6m、高4m，热处理炉共有14个加热点，即14个燃气喷嘴，左右两侧的下方各均匀地排列7个。另有4个温度检测点。在热处理过程中，工人要密切注视着热处理炉中温度的变化，根据热处理工艺要求及当前温度值的大小，经常调节进气量的大小以达到控制炉温高低的目的。由于热处理炉的容积较大，故热处理炉内各部分的温差也较大。在一次设备的热处理过程中，工人往往要进行数十次进气量的调整。这种控制方法不仅增大了工人的劳动强度，更重要的是热处理炉进气量调节的幅度是工人凭经验来进行控制的，加上温度变化的滞后性较大，常常会因为操作不当而引起炉内各处温差较大或温升速率偏离热处理工艺要求过多(一般要求温升速率为100℃/h)，使得被处理的设备可能会由于“严重网状”而产生裂纹;有时也可能会因为加热不足或过热等现象，使得被处理的设备表现出硬度不足、球化不完全或晶粒粗大、碳化物粗厚等疵病。
热处理质量一般需要通过专门的仪器才能得到鉴定，而要对出厂的每一个设备都做这样的鉴定是有一定困难的。所以热处理质量的好坏关系到设备使用的安全性能。为提高热处理过程中的自动化程度，改善热处理效果，保证产品质量，提出了对原有热处理炉进行改造，设计一个新型的热处理炉。

2 热处理炉控制系统的设计
2.1 系统结构框图
热处理炉控制系统结构如图1所示。为实现对热处理炉进气量的均匀控制，将原来1个点上只有1个喷嘴改成1个点上有3个喷嘴，这样热处理炉由原来的14个喷嘴增加至42个喷嘴。但总的进气量基本保持不变。热处理炉控制系统在工作中视炉内温度的高低来决定打开几个喷嘴。另外，为准确反映炉内温度，温度检测点也由原来的左右各2个变成左右各4个，再加顶部4个，总共有12个温度检测点。系统选用日本三菱公司的FX2N-128MR作为数据采集、逻辑控制及实现PID调节的主控单元;选用上海嘉松机器有限公司生产的ZCZG高温电磁阀作为进气控制的执行元件。

图1 热处理炉控制系统结构图

2.2 系统工作原理
系统人机对话功能模块由BCD码拨盘、显示模块和声光报警等部分组成。BCD码拨盘用来完成给定温度的设定和温度检测点的选择等功能;通过BCD码拨盘的切换可显示炉内任一个温度检测点的温度;系统的控制信号是根据传感器所检测到的温度与给定温度进行PID运算后直接驱动可控硅对ZCZG高温电磁阀进行控制;电磁阀通电后，阀中的连杆被提升，之后转轴开始转动并作用于导阀从而打开主阀，断电后，在衔铁自重及返回弹簧作用下关上导阀，靠压差关闭主阀;当系统检测到温升速率大于给定温升速率或恒温时温度偏离允许的范围，系统都会为发出声光报警。
2.3 PID调节算法及系统主要参数设定
在由数字PID调节算法来实现控制的系统中，过程控制对象需要的是控制对象的值，而不是其增量。目前常用的PID调节算法有位置式算法和增量式算法两种。位置式算法每次输出均与整个过去的状态有关，计算式中要用到过去误差的累计值，因此容易产生较大的积累误差。而增量式PID算法只需要计算其增量，计算误差或精度不足对控制量的影响相对较小。故系统数据运算时采用增量式算法，而输出控制采用位置式算法。其运算式为:

PID调节算法中参数的选择是关系到PID调节性能好坏的关键所在。若简单地用试凑法来整定PID的调节参数，需要进行多次的模拟或现场试验才能得到所需参数。若先将调节器选为纯比例调节器，并使之形成闭环，再根据经验数据，使系统对阶跃输入响应达到临界振荡状态，这时的比例系数记为Kr，临界振荡的周期记为Tr。根据齐格勒－尼柯尔斯(Ziegle-Nichols)提供的经验公式，可求得不同类型调节器的参数。考虑到控制对象的特点，经过试验，后确定比例常数Kp=4.5、积分常数Ti=8.0、微分常数Td=2.8。
系统的采样周期T也是PID调节算法中的重要参数:从物理意义上讲采样周期的大小取决于被控参数的变化速率和被控过程对控制量的响应快慢。从理论上讲采样周期越短越好，但若采样周期过短，则有可能将高频噪声当作有用信号引入系统，至使系统发生不必要的升阶。系统实际选取的采样周期T=18s。

3 可控热处理炉控制系统的调试
首先，在PLC的输入X0－X77加开关量，看PLC上X0－X77相应的灯是否亮。再通过三菱编程软件FXGP_WIN_C强制输出Y0－Y77，看PLC上Y0－Y77相应的灯是否亮。由此鉴定PLC本身的性能好坏。
接着，可用电阻箱来模拟温度检测模块输出的变化情况。把电阻箱打到1000Ω档，相当于热处理炉刚开始加温，于是PLC送出打开全部喷嘴进气的命令;把电阻箱打到2000Ω档，相当于热处理炉已达到给定的高工作温度，PLC送出关闭全部喷嘴进气的命令;若使电阻箱的阻值在1250～2000Ω之间变化，PLC根据当前数据及PID运算的结果，发出关闭部分燃气喷嘴进气的命令，以保证热处理炉中的温度符合热处理工艺的要求。

4 结束语
新型热处理炉投入使用后，工人只需在设备进行热处理前通过BCD码拨盘输入欲保温的温度值、恒温的时间和允许的温升速率，系统就能自动地完成整个热处理过程。这不仅大大降低了工人的劳动强度，更重要的是它能使设备的热处理效果更符合热处理工艺的要求，提高了产品质量的可靠性。

1 引言
随着中央提出大力发展清洁能源的建设并为激励农村和边远山区的进一步发展，国家对小水电事业给予越来越多的关注。我国的小型水电站在近20年得到了极为迅速的发展，其中以万千瓦以下的小型水电站居多。对这些小型水电站的监控保护和自动控制也显得尤为重要。本文主要讲述了三菱FX2N系列PLC在水电站有功调节中的应用。

水电站的有功调节通常是通过调速器实现的，但当水轮机组并入电网运行时，对于单台发电机来说转速反馈几乎不起作用。近年来，随着自动发电控制(AGC)的需要，有功功率在控制系统中的调节品质已成为当前电力系统自动化领域的突出问题。

2 系统组成
本系统中控制的两台水轮发电机型号为SFW2500-10/1730、6.3kV/286A。本系统采用分层分布式布局，配置如图1所示。主要由2个机组监控屏、发电机保护屏、公用监控屏、主编线路保护屏和电量屏构成。通讯采用高速以太网与上级调度、操作员工作站进行通讯。其中公用监控屏由可编程控制器(由三菱FX2N-80MR和2个FX0N-16EX扩展模块组成)、自动准同期装置、触摸屏、电力测控仪和逆变电源组成，在公用监控屏中实现对发电机的有功调节。

图1 系统配置图

3 控制要求
在电力系统中，频率与电压是电能的2个主要质量指标，电力系统中的频率变化的主要原因是由于有功功率不平衡引起的。系统的负荷经常发生变化，要保持系统的频率为额定值，就必须使发送的功率不断跟随着负荷的变动，时刻保持整个系统有功功率的平衡。否则，系统的频率就会大起大落，保证不了电能的质量，甚至会造成事故与损失。

当负荷吸取的有功功率下降时，频率增高;当负荷吸取的有功功率增高时，频率降低，即负荷调节效应。由于负荷调节效应的存在，当电力系统中因功率平衡破坏而引起频率变化时，负荷功率随之的变化引起补偿作用。如系统中因有功功率缺额而引起频率下降时，相应的负荷功率也随之减小，能补偿一些有功功率缺额，有可能使系统稳定在一个较低的频率上运行。如果没有负荷调节效应，当出现有功功率缺额系统频率下降时，功率缺额无法得到补偿，就不会达到新的有功功率平衡，频率会一直下降，直到系统瓦解为止。
频率和有功功率自动调节的方法主要有:
(1) 利用机组调速器的调节特性进行调频;
(2) 根据频率瞬时偏差，按比例分配负荷，构成虚有差调节频率和负荷的方法;
(3) 按频率积分偏差调节频率，满足“等微增率”原则分配负荷;
(4) 按给定负荷曲线调节有功功率(本文所介绍的是按给定负荷曲线调节有功功率)。
电站的调节系统应该使总功率等于负荷曲线给定的功率。而机组之间则按“等微增率”原则经济分配负荷。如果系统频率偏差不超过调频电站所能补偿的范围，则调功电站的调节系统对频率偏差不应作出任何响应。如果系统运行工况发生了变化，出现了较大的频率偏差则调频电站无力完全补偿偏差值，那么调功电站的自动调节装置应该作用于各台机组的调速器，使之改变各台机组的有功出力来帮助恢复系统频率。

图2 功率与频率关系曲线

图2示出功率与频率的关系曲线。在死区±Δfmax范围内，频率偏差信号Δf不起作用，此时电站的实际功率 与给定的总功率PG之间的偏差ΔP产生调节作用。

PG为电站负荷曲线给定装置取得的，使由各台机组有功功率测量元件测到的有功信号相加后得到的。当时，两台机组的调节作用只受有功偏差ΔP的影响，而与频率偏差Δf无关，此时调节特性方程为:

4 系统的硬件设计
图3示出系统硬件框图。根据系统的控制要求配置硬件如下:

图3 系统硬件简图

·控制器:三菱FX2N-80MR和两个FX0N-16EX扩展模块组成;
·人机界面:触摸屏;
·其它设备:2个DC24V继电器、功率表以及其它的辅助器件。

5 系统软件设计
本系统确保整个系统频率的稳定和电网的稳定供电。控制流程图如图4所示。

图4 系统流程图

部分梯形图如图5所示:当系统需要进行有功调节时，系统的软件或是手动发出信号开始调节，此时采集1个实时有功数据此数据与设定值(即目标功率值)进行比较并进行数据处理算出需要调节的时间，然后发出信号使调节继电器动所开始调节。如未达到则有可能是系统内部有故障。为了避免使程序进入死循环，则调节四次仍未能达到要求就自动中止程序)。如图4所示，当M10接到触发信号后瞬时接通使D300采到的瞬时有功功率数据与D301(设定值)进行比较。当D300 >D301时输出信号M300使PLC的Y001输出并使调节继电器动作进行调节。

图5 部分程序梯形图

6 结束语
本文所设计的系统操作简单、自动化程度高、应用广泛。减小了小型水电站工人的劳动强度，增加了整个系统的稳定性。经过一段时间的认真测试证明该系统已经完全符合小型水电厂的有功调节的要求。

1 引言

笔者公司有几台80年代生产的仿型车床，因限于当时的条件其电气部分全部采用了继电—接触器控制，电路复杂故障率高且不宜维修，不仅耽误了生产还浪费了人力，经过仔细的考虑研究决定对电气部分进行改造。

2 产品选型

由于PLC在工业领域的推广，当前市场上品牌众多，既包括一些进口的品牌，也有国产品牌。但它们在功能上大同小异，价格差异却很大。所以在选择PLC时主要结合控制系统输入/输出(I/O)点的需求以及性价比等多方面因素来考虑。通过综合比较以后，选用了三菱公司的FX2N系列小型PLC。FX2N系列是集小型化、高速度、高性能等众多特点于一身的次超小型PLC。考虑到工艺和设备的改动，或I/O点的损坏、故障等，终选择了FX2N-64MR PLC，I/O(输入/输出)点见附表。

3 仿型车床的原理及程序设计

该种车床配置有两个刀架(仿型刀架和下切刀架)，其中下切刀架负责切槽，仿型刀架依靠样件切出工件。
仿型刀架工作流程如图1所示:

图1 仿型刀架工作流程图

下切刀架工作流程如图2所示:

图2 下切刀架工作流程图在该系统中分两种工作方式:
(1) 手动
用于机床的调试和对刀，动作反映为仿型刀架的单独引刀、快进、工进下切刀架的单独快进、工进等动作;
(2) 自动循环
用于工件的加工，其中又分为三种自动循环:
·单独仿型;
·先仿型后下切;
·先下切后仿型。
因手动动作都是单一的动作比较简单，在这里就不详细介绍了，重点介绍一下自动循环。由于自动循环动作为顺序控制，所以在程序编写上大量采用了FX系列PLC的SFC，SFC程序是根据机械工作流程设计的顺序控制程序，所以，梯形图非常直观易懂，工序间的互锁和双向输出等的处理由PLC自动进行，因此，用各工序的简单顺序控制设计可以进行机械控制，这样就极度简化了PLC的内部梯形图。
举例说明SFC图如图3所示:

图3 顺序控制功能图

自动循环的程序流程如图4所示:

图4 自动循环程序框图

4 实际应用中的注意事项

(1) 因为PLC的内部输出为继电器，负载都是直流感性负载(继电器线圈)为了减少火花放电对接点损害，所以，在负载两端并联续流二极管(当PLC接点打开时，感性负载线圈储存的能量通过二极管续流放出，以发热方式消耗)，再通过外部继电器触点去驱动电磁阀，这样可以大大延长PLC内部继电器触点的使用寿命，如图5所示:

图5 继电器的正确使用接线

(2) 不正确的接地和电气控制柜布线的不合理，都会导致PLC受电器噪声干扰而不能正常工作。为避免此类故障的发生，要求系统应正确良好的接地。低电压信号线和高电压动力线应尽可能的独立布线，放置在各自的线槽中，并尽可能的减少电线的长度，将干扰降到低。

5 结束语

机床改造一年多来维修率下降了90%以上，只零星维修过外围的按钮和行程开关，充分证明了可编程序控制器PLC在仿型车床控制系统中的成功应用，大大减轻了机床维修人员的劳动强度，节省了人力物力。有效保证了机床的安全可靠高效运行，产生了显著的经济效益。