西门子模块6GK7243-1EX01-0XE0支持验货
1引言
可编程控制器是以微处理器技术为基础，综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点，与机器人技术、CAD/CAM并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是上世纪60年代发展起来的被国外称为“先进国家三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置，是近年来发展极为迅速，运用面极广的工业控制装置，现已广泛运用于自动化的各个领域。
2可编程序逻辑控制器(PLC)
PLC 英文名Programming Logic Controller即可编程序逻辑控制器，是早于汽车制造行业应用并发展起来的一项技术，用于代替继电器完成机器和设备的自动控制，它的大的特点是可编程，即根据控制逻辑和控制要求的变化可重新编制程序，而不用象继电器线路一样需要重新更换原器件和重新接线。PLC已集成了许多计算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模块如位置控制、速度控制、过程控制等，并具有了与计算机系统的集成和连网的能力，PLC自发明以来在工业自动化、交通控制、电力运输、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。
3PLC发展历史
自1969年世界上台可编程控制器在美国DEC公司诞生以来，PLC走过了30余年的发展历程。回顾其发展历程，可将PLC技术分为3个阶段:
(1) 传统PLC阶段。它是PLC的初阶段，也是现代PLC的基础。其结构如图1所示，工作原理 如图2所示。
如图2所表示的一样，PLC的工作原理是:读取输入接点的状态→执行程序→根据程序的执行结果刷新输出接点的状态→再读取输入接点的状态→读取输入接点的状态,如此循环执行。
由PLC的工作原理可以看出:从输入端的信号状态发生变化到输出端的信号变化，中间需要执行程序(用户程序、系统程序)，程序的执行需要时间，这个时间是不可预测的，在某些应用场合这是不允许的，如位置控制、速度控制、需要高速响应的控制，这就使得PLC在这些场合不能使用或需配置昂贵的专用模块。从图1可知，PLC系统的核心是微处理器(CPU)，为防止系统程序跑飞，产生误动作，必须采取一系列硬件和软件的措施去克服这一问题，由于PLC使用的是梯形图语言，系统本身必须带有功能强大的编译器，这样就使得PLC构成的系统具有较高的价格。程序跑飞、编制的程序出现死循环等依然是存在的隐患问题。
(2) OPEN PLC阶段。OPEN PLC又称PC BASE PLC、SOFT PLC，是近几年提出的一种概念，它是基于开放式PC平台和开放式开发软件的PLC，它能方便的与其他软件集成及网络集成。其组成结构如图3所示。
OPENPLC只是在它的开发环境方面提出了一个新的概念，即开放性、标准化，它的运行原理方面与传统PLC相比具有实时多任务运行机制，但仍然是基于程序执行这样的基础。它并没有从根本上解决传统PLC存在的问题，在其实现的系统中依然存在。
(3) 现场集成阶段。也就是HARDPLC阶段，它是一个全新的代名词，也是一个PLC的新发展动向。它采用现代可编程逻辑器件CPLD/FPGA(ComplexProgrammable Logic Devices & Field Programming GateArray)作为硬件平台，采用EDA(Electronics DesignAutomation)开发工具配与硬件描述语言HDL(Hardware DebbbbbbionLanguage)做为开发软件平台，象传统PLC一样它同样是可编程的。其组成结构图如图4所示。
HARDPLC则抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，而编程改变的也只是其芯片内部的硬件连接，而不需运行软件程序，自然没有程序跑飞、开机复位及自带语言编译器等问题，其完成的功能与传统PLC相同，而系统的造价仅是传统PLC系统的十分之一，甚至更少。在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，可用于jingque控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图像处理、高速机械等。它从根本上解决了传统PLC存在的不足，代表了传统PLC的终发展方向。
4 PLC的发展趋势
随着微处理器技术、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展，可编程序控制器也得到了迅速发展，其功能已远远超出了其定义所指的范围，其概念也日趋模糊，现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面:
(1) 用高性能器件，尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如，德国FESTO公司的IPC(IndustrialPC)由一系列符合工业标准的模块组成，它与微机兼容且具有PLC的功能。
(2) 丰富I/O模块，使PLC在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面得到改善和tigao。
(3)强化网络功能，以实现信息管理自动化。例如IPC型控制器具备多种现场总线接口。如FESTO总线、Profibus、AS-I、CAN等，以及各种网络连接模块，如Novell等，从而使PLC与PLC、PLC与PC、PLC与现场设备之间建立通讯联网。
(4)多种编程语言并存，互补不足。IPC型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外，还可以用IEC1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及C、Basic等计算机语言进行编程。
(5) 硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuits)和表面安装技术(SMT，Surface-MoutTechnology)在PLC硬件设计上的运用，使得PLC产品硬件元件数量更少，集成度更高，体积更小，其可靠性更高。为了tigao系统的可靠性，PLC产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择CPU单元、通信单元、电源单元或I/O单元甚至整个系统的冗余配置，使得整个PLC系统的可靠性得以加强。
5可编程控制器现场集成技术研究的意义
现行的可编程控制器均是由专门的生产厂商设计生产的，用户选用他们提供的专用控制器时，可能只用到它的部分功能，会造成一定的资源浪费，专用控制器价格高，不经济。而使用现代可编程逻辑器件来实现具有如下优点:
(1) 用户可以根据需要设计控制器的功能，不会造成太大的资源浪费;不用带自身专用的编译器，从而大大降低了系统的价格。
(2)用户逻辑和接口部分可以做在同一个器件内，让接口和用户逻辑更紧密地结合;用FPGA/CPLD芯片组成的系统，很自然地避开CPU的程序跑飞、死循环、复位不可靠等缺点，无需采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。
(3)FPGA作为控制器的核心，其灵活的现场可更改性、可再配置能力，对系统的各种改进非常方便，在不更改硬件电路的基础上可以tigao系统的性能，也就是完成硬件的在系统升级;在线编程是FPGA/CPLD突出的特点，它无需改变芯片外部I/O口的连接线，可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对FPGA/CPLD器件编程，这就打破了使用一般数字器件和PLC先设计后装配的惯例，而可以先装配后编程，用在实际系统后还可以反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术的新一页。还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、Internet进行在线编程。这些功能在远控或军事领域上有特殊的用途。
(4)FPGA的性能价格比很高，用它实现的控制器的价格，几乎只是和它具有相同输入/输出端子市售可编程控制器价格的十分之一;其逻辑实现是并行工作的，其速度远远大于PLC，这在实时系统中是非常有优势的。
(5)它抛弃了传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的，信号的路径是可知的，信号传输的时间是可预测的，可用于jingque控制的需要，如位置控制、速度控制、信号处理、图象处理、高速机械等。
从以上优点我们可以看出，基于FPGA/CPLD的HARDPLC能更经济、更稳定、更方便地适应用户的需求，其实时性、灵活性远远优于传统的可编程控制器(PLC)。可编程控制器的现场集成技术应用非常广阔，具有很强的工程实用价值。
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。合理选择PLC，对于tigaoPLC在控制系统中的应用起着重要作用。
1 机型的选择
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的优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它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
对于一个大型企业系统，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tigao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联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。
2 输入/输出的选择
PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多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它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
2.1 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
2.2 开关量输入／输出
通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）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；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。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。
2.3 模拟量输入／输出
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liuliang、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～＋10V、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。
2.4 特殊功能输人／输出
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从耗时的任务处理中解脱出来。
2.5 智能式输入／输出
当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出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tigaoPLC的处理速度并节省存储器的容量。
智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII／BASIC处理器、RS—232C／422接口模块等。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
3PLC存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM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jingque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
4 软件选择
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产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。
5 支撑技术条件的考虑
选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：
(1) 编程手段
便携式简易编程器主要用于小型PLC，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器；
CRT编程器适用于大中型PLC，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本；
由于IBM-PC已得到普及推广，IBM-PC及其兼容机编程软件包是PLC很好的编程工具。目前，PLC厂商都在致力于开发适用自己机型的IBM-PC及其兼容机编程软件包，并获得了成功。
(2) 进行程序文本处理
简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑；
程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用；
图形和文本的处理。
(3) 程序储存方式
对于技术资料档案和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或EEPROM存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。
(4) 通信软件包
对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用PLC的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。
6 PLC的环境适应性
由于PLC通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。
一般PLC及其外部电路（包括I/O模块、辅助电源等）都能在表5所列的环境条件下可靠工作。
表5 PLC的工作环境
7 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控制系统
1引言
莱钢轧钢厂中小型车间加热炉为步进炉，用来对连铸坯进行加热。使用燃料为高炉和焦炉混合煤气，钢坯需要经五段加热区加热到适当温度后出炉。加热炉燃烧介质各参数的稳定运行非常重要，它直接影响到烧坯的质量,并涉及着安全生产等重大问题。在生产过程中对加热炉炉压和温度的稳定有严格的要求，比如燃气的liuliang和温度等等。要想实现这些参数的稳定，并且达到较好地配比有不同的方法可以实现。炉区仪控的热工检测控制量共573点，其中模拟量输入98点，模拟量输出24点，开关量输入261点，开关量输出190点。调节回路16套，分别对加热炉的煤气、空气的liuliang、压力，炉内温度，换热器的保护等进行控制。
随着微电子技术的发展，PLC产品在其功能和性能指标上都大大地丰富和完善，我们就应用PLC的一些特殊功能模块和一些普通的I/O模块对加热炉的各个参数进行自动控制，包括前面提到的各种参数、以及通过PLC和变频器的通讯实现对变频器输出频率的控制。
2 系统构成
本系统上选用一台上位机MASTER VIEW,一台监控站OperateStation520配以ABB ADVANT BUILD软件包，PLC部分选用ABB MASTERPIECE200/1，它具有成本低、运行可靠、功能较强的特点。本系统大致可以分为三个部分;
(1) 仪控系统以及PID调节部分;
(2) 双交叉限幅燃烧系统;
(3) PLC和变频器的通讯部分。
系统构成框图如图1所示。
图1 系统配置图
3仪控系统组成及控制功能
现仪控系统16套自动调节回路中，均采用PID调节，操作方式分为自动、手动方式，执行机构有14套电动方式、2套液动方式。操作站实行对炉子的状态监控、意外事件报警等功能。
3.1 仪控系统的检测
入炉煤气、空气的liuliang检测由管路孔板检测差压，经差压变送器转换成标准信号(4~20mA)进PLC。入炉煤气、空气的压力从管路出压口取煤气压力与大气压力比较所得差压信号，经差压变送器转换成标准信号进PLC。炉子的炉温(S型)、换热器处温度(K型)由热电偶检测进PLC。所有信号经PLC分别计算转换后，参与控制，并可在操作站显示。
3.2 加热炉压力控制
为保证助燃空气与煤气压力保持稳定、使炉内燃烧顺利进行，煤气和空气的压力必须进行控制。加热炉炉内压力过高，过低都不恰当，过高会使炉门喷火并损伤炉子设备，过低会使加热炉吸入冷空气，影响加热炉燃烧质量及效果，炉内压力的控制也很重要。
(1) 助燃空气压力控制
助燃空气压力的大小，是保证喷嘴正常工作的重要条件。助燃空气压力调节是PID调节。如果设定值与反馈值存在偏差，PID调节开始进行，尽可能在短时间内使偏差小。当反馈值大于设定值，经PID运算后向阀门输出控制信号，使阀门关小，于是压力下降，当反馈值小于设定值，经PID运算向阀门输出信号，使阀门开大，压力升高。
(2) 煤气压力控制
煤气压力控制阀主要起安全保护作用，煤气和空气若是出现低压，将会出现事故。在煤气和空气主管道上，分别装有两个低压开关，在换热器前后也各装有一个。任意一个低压开关动作，将会使煤气主关断阀都会自动关闭，停炉，保护加热炉。
(3) 加热炉炉内压力控制
炉内压力一般要求保持微正压控制。炉压滞后大，时间常数小，采用前馈—负反馈调节。系统调节方块图如图2所示。
图2 系统调节方块图
3.3 换热器保护
常温的煤气、空气通过换热器后以300-4000C进入炉内燃烧。换热器的温度不能过高，也不能过低。过高损坏设备，过低会使煤气结露，生成弱酸腐蚀换热器。
3.4 PlD调节
PID调节部分共16路,包括预热段、加热上段、加热下段、均热上段、均热下段煤气、空气的温度、liuliang等参数的控制。PID控制主要通过PID控制单元，该单元主要有以下特性:
(1) l00ms高速采样周期，实现了高速PID控制;
(2) 输入信号的抗干扰
滤波器衰减输入噪音，控制输入意外干扰，使PID控制成为有效的快速响应系统;
(3) 多种输出规格可供选择;
(4) 八组数据设置;
八个数值(如设定点(SP)和报警设置值)可以预置在八个数据组中;
(5) 可以用数据设定器输入和显示当前值;
(6) 可以用PLC程序输入和检索数据。
我们通过PLC的程序实现加热炉的双交叉限幅燃烧系统控制，从而实现了加热炉的稳定运行。
PID控制可以分为本地控制和远程控制两种模式，远程控制即通过PLC实现的控制，又有自动和手动两种方式，自动控制即由PLC进行全自动控制，不需要进行人工干预。手动控制即在上位机上给定一个阀位输出值，通过PLC对阀位进行控制。在正常情况下都是在远程控制模式下的自动状态进行，并且每个PID控制回路的SV值、PV值、OUT值都可以在上位机上用棒图显示出来，非常直观。
在上位机上可以很方便地修改各燃烧介质温度、压力以及每个控制回路的PID参数，如设定值(SV)、“P”值、“I”值、“D”值，并且操作界面非常友好，操作方便。
4 双交叉限幅燃烧系统
加热炉所用空气、煤气liuliang波动频繁，煤气的热值等因素也会影响燃烧效果。对这些不利因素，所用燃烧控制系统由温度控制和liuliang控制组成，在控制系统中设计了高、低选择器、系统运算单元和一些平衡换算单元，并辅有liuliang的温压补偿，加热区上下段的主副控制。
4.1 温压补偿
在气体liuliang控制中,由于气体所处的温度、压力不同，需进行温压补偿。在本加热炉燃烧控制中，空气liuliang温压补偿设为K1计算公式如下:
按式(1)计算出的数值K1放在AOC149中，各空气liuliang变送器测的实际数值乘以此稳压补偿，在参与计算与控制。
煤气liuliang温压补偿设为K2,
按式(2)计算出的数值K2放在AOC150中，各煤气liuliang变送器测的实际数值乘以此稳压补偿，在参与计算与控制。
4.2双交叉限幅燃烧控制与实现
炉内分预热段、上加热段、下加热段、上均热段、下均热段。煤气、空气liuliang调节系统共有十路，由于控制原理基本相同，现仅以均热上段的燃烧控制为例进行说明。
(1) 燃烧控制系统原理
在煤气liuliang调节回路中，炉温PID的输出A1与根据实测空气liuliang折算成需的煤气liuliang之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤气liuliangPID的设定值。空气liuliang调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤气liuliang折算成所须空气liuliang之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，选中者乘上liuliang补偿系数，送到空气PID作为设定值。
其系统组成原理图如图3所示。
图3 双交叉限幅燃烧控制原理
(2) 系统调节过程及特点
在系统稳定状态时，温度PID的输出以A1送到煤气liuliang调节回路PID作为设定值，以B1送到空气liuliang调节回路PID作为设定值。
在负荷剧增(温测<温给)时,温度PID的输出剧增.对于空气liuliang调节回路,随着B1开始增加时,B1