西门子模块6ES7322-1FF01-0AA0性能参数
随着电子技术的发展，可编程序控制器（PLC）已经由原来简单的逻辑量控制，逐步具有了计算机控制系统的功能。在现代工业控制中，PLC占有了很重要的地位，它可以和计算机一起组成控制功能完善的控制系统。在许多行业的工业控制系统中，温度控制都是要解决的问题之一。如塑料挤出机大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制，存在控制精度低、超调量大等缺点，很难生产出高质量的塑料制品。在一些热处理行业都存在类似的问题。为此，设计了较为通用的温度控制系统，具体系统参数或部分器件可根据各行业的要求不同来进行调整。系统采用罗克韦尔SLC500系列PLC，通过PLC串口通信与计算机相连接，界面友好、运行稳定。
1系统构成
基于PLC的温度控制系统一般有两种设计方案，一种是PLC扩展专用热电阻或热电偶温度模块构成；另一种是PLC扩展通用A/D转换模块来构成。
1.1扩展热电阻/热电偶模块
在SLC500控制器扩展模块中，有集温度采集和数据处理于一身的专用智能温度模块——热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）。在此模块中温度模拟量产生对应的16位A/D数字值，其对热电阻变送的温度信号的分辨率约为1/8度，控制器在数值处理中可以直接使用模块的转换值，无需在硬件级电路上作其他处理。热电阻温度模块的使用十分方便，只需要将热电阻接到模块的接线端子上，不需要任何外部变送器或外围电路，温度信号由热电阻采集，变换为电信号后，直接送人温度模块中。热电偶/毫伏输入模块（1746-NT4）的功能与热电阻/电阻信号输入模块（1746-NR4）类似。系统如图1所示。
图1 扩展温度模块的温控系统
1.2扩展通用A/D模块
在PLC温度控制系统中，可以用通用模拟量输入输出混合模块构成温度采集和处理系统。通用A/D转换模块不具有温度数据处理功能，温度传感器采集到的温度信号要经过外围电路的转换、放大、滤波、冷端补偿和线性化处理后，才能被A/D转换器识别并转换为相应的数字信号。SLC500系列PLC常用的模拟量输入输出混合模块有——2路差分输入/2路电压输出模块（1746-NIO4V），其A/D转换为16位。由A/D转换模块构建的温控系统不但需要外加外围电路，其软件和硬件的设计也比较复杂。系统如图2所示。
图2 通用A/D转换模块温控系统
2输入输出控制
比较而言用温度模块1746-NR4构建的PLC温控系统具有较好的控制效果。SLC500控制器的输入通道中一个热电阻模块多可以接4个温度热电阻温度传感器。输出通道为模拟量输出模块（1746NIO4V），其输出信号是电压信号，可以通过电压调整器控制电源的开度（即一周期内的导通比率），从而控制电源的输出功率。
在被控对象要求较高的控温精度时，SLC500控制器可以采用PLC自身具有的PID指令进行PID控制算法的研究。SLC500系列PLC的PID指令使用下列算法：
输出＝Kc[（E）＋1/Ti∫（E）dt＋Td•D（PV）/Dt] ＋bias
程序设计时，输入PID指令后，要输入控制块，过程变量和控制变量的地址。对于SLC500PID指令，过程变量（PV）和控制变量（CV）两者的量度范围为0到16383。在使用工程单位输入时，必须把用户的模拟量范围整定在0-16383数字量度范围之内，为了实现这个目的，需要在PID指令之前使用数值整定指令（SCP指令）进行整定。整定原理如图3。
图3 数值整定原理
整定了PID指令的模拟量I/O范围，用户就能输入适用的小和大的工程单位。过程变量，偏差，设定点和死区将在PID数据监视屏上以工程单位显示。图4为PID指令的设置界面，表1为PID指令各参数的说明。
图4 PID模块在线参数设定与标志位
表1 PID模块参数说明
一般温控系统的控制算法可以采用分段式PID控制，即在系统工作的大多数时间内，为PID控制，其参数由10%电源开度下的温度飞升曲线测得。在温度响应曲线的由初态向设定点的上升段过程中，大致采用三段控制。置电源为满开度，以大的功输出克服热惯性；转入PID控制；接近设定点时置电源开度为0，提供一个保温阶段，以适应温度的滞后温升。基于以上要求，PID指令各参数可设置如表2所示。
表2 PID模块参数设定
温控系统中热电阻模拟量输入模块的电压信号范围一般是0～4124，SCP指令把它整定为0～16383的工程单位，将其值放入PV（过程变量）的内存地址N7∶38中，把控制输出值放入N7∶39当中。后用MOV指令把N7∶39中的过程变量传递到1746NIO4V模拟量输出模块中。控制效果如下：（1）SP－PV≥50时，输出值为大值32767，使电压调节器开度大，即给加热器大电压供电，使被测对象温度快速上升。（2）SP－PV＞－30和SP－PV＜50时，输出为PID控制输出，此范围为PID参数调节的范围。（3）SP－PV＜－30时，输出值为小值0，电压调节器开度为零，即停止加热。
3显示扩展
PLC控制系统显示界面比较单调，一般是通过观察控制柜上的指示灯或PLC的LED灯来了解控制器状态，但对于温控系统这样的显示是不够的，需要采用数码管显示或PC显示。
采用数码管显示时，可以选用ZLG7289A芯片，它与控制器采用3线串行接口，只需要占用SLC500的3个输出点，可以驱动8个LED数码显示管，同过级联可以扩展数码显示管的数量，实现多段实时温度显示。SLC500与ZLG7289A的连接如图5所示。
图5 ZLG7289A与SLC500及显示器的接口
图5中CS为片选输入端，此脚为低电平时，可向芯片发送指令；CLK是时钟输入端；DATA是串行数据输入端，串行数据在时钟CLK的上升沿有效。8个段驱动信号SEG接每个显示器的段，8个位驱动信号DIG0～DIG7分别接显示器的共阴极公共地。
SLC500有RS232通信口，可以通过专用电缆与PC机相连。通过Rsview32软件的组态，PC机可以动态显示PLC传送的温度采集数据，还可以通过联网对多台PLC进行网络监控。
4PLC与PC通信设计
4.1 PLC数据包的信息格式
SLC500与上位机进行数据交换是以二进制字节数据进行，它包含四种主要命：读命令，代码：01H；响应读命令，代码：41H；写命令，代码：08H；响应写命令，代码：48H。故PLC数据包的信息格式如图6所示：
图6 PLC数据包的信息格式
DST：一个字节，信息接收方的节点号或文件号；
SRC：一个字节，信息发出方的节点号；
CMD：一个字节，命令类型如01H，41H，08H或48H；
STS：一个字节，通信状态，表示通信有无错误或错误类型，0为无错误；
TNS：二个字节，信息包的业务批号，可作为本信息的识别编号；
Addata：地址/字节数/数据，具体内容由不同的命令类型决定。
PLC与PC机的数据通信采用自由端口通信模式，参数设置成为波特率9600bps，每个字符8位数据，无奇偶校验。采用主从式通信协议，PC机为主机，只有PC机有权主动发送报文，PLC则采用报文接受数据。用RSLogix500软件对SLC500的串口进行如下设置：
1）set the module for full duplex BSC（DF1 full duplex）
2）set the module for bbbbbded response
3）set detect for automatic
4）disable duplicate packet detect
5）set the baud rate for 9600.
4.2PC机程序
PC机采用VB编程，主要有监控界面、当前温度显示、动态温度曲线显示、温度数据库管理、参数设置以及与PLC通信等方面的设计。通信参数设置程序如下：
With MSComm 1 // 通信参数设置
CommPort＝1 // 通信口COM1
Settings＝“9600，年n，8，1”// 波特率9600 bps，无奇偶校验，8位数据，1位停止
bbbbbLen＝2 //一次读取2个字节
bbbbbMode＝comLnputModeBinary // 二进制数据格式
PortOpen＝Ture // 打开通信端口
End With
PC机采用中断方式接受SLC500传来的实时温度。即串口收到数据，VB通信控件会触发OnComm事件，在OnComm事件程序中接受数据并处理。一个温度数据为16位两个字节，SLC500传送温度数据时，按报文传送格式高低字节正好VB程序要对接收的数据进行处理，并按照SLC500温度采集的精度（1/8度）转换成温度值用于显示。
5结束语
本系统设计使用了PLC的热电阻温度采集模块，在上位机的控制下，对工业现场的温度进行实时的采集和监控。本文作者的创新点是，采用了罗克韦尔的SLC500控制器来实现整个系统的设计，并编程实现了SLC500控制器与计算机串口的实时通信。由于PLC可以适应环境恶劣的工业现场，故其使用范围十分的广泛。
随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。合理选择PLC，对于**PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
一、机型的选择
我国市场上流行的有如下几家PLC产品：
1．施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；
2．罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、ControlLogix等产品；
3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；
4．GE公司的产品；
5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列产品。
PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择可靠、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则好选用模块式结构的PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。
表1 PLC的功能及应用场合
应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的**和功能的开发；由于其外部设备通用，资源可以共享，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。
二、I/O的选择
PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。
PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
（一）确定I/O点数
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。
表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数
（二）开关量I/O
开关量I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除错误信号的抖动电路等。大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。
（三）模拟量I/O
模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量**、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混合信号。
（四）特殊功能I/O
在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。
（五）智能式I/O
当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可**PLC的处理速度并节省存储器的容量。
综上，表3归纳了选择I/O模块的一般规则。
表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则
三、存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力低于6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数**计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4给出了存储器容量的估算方法。
表4 控制目的估算存储器容量的方法
四、编程器和外部设备的选择
在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格便宜的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。
五、实例
（一）利用三菱PLC实现对印刷机的**控制
印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，采用双机通讯。上位机采用三菱高性能的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485,通讯，通讯方便，可靠。选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行可靠，维护方便，操作简便直观，大大**了胶印机的档次。
（二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用
在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到安全性、可靠性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作可靠，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，取得了显著的效果。
六、结束语
随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统。
作者：未知 点击：201次 [打印] [关闭] [返回顶部]
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