plc控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用

plc控制系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用

0控制裝置的應(yīng)用領(lǐng)域編程邏輯器（lc）被稱為算術(shù)邏輯器。它是一種基于微控制器的通用工業(yè)控制裝置，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制裝置中。它的應(yīng)用包括開關(guān)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、封閉過程控制、通信網(wǎng)絡(luò)等場合。筆者在某大型液壓設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中采用S7-300系列PLC構(gòu)建控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)要對現(xiàn)場84個(gè)I/O點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控,與電機(jī)保護(hù)控制器3UF5進(jìn)行Profibus-DP總線通訊,與遠(yuǎn)端監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行RS422實(shí)時(shí)通訊并可實(shí)現(xiàn)PID控制等復(fù)雜算法。1臺交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),首先要對控制對象進(jìn)行分析,了解控制對象,明確控制任務(wù)。通過分析得液壓系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。液壓設(shè)備中共有15臺交流異步電動(dòng)機(jī),主要用來拖動(dòng)泵類負(fù)載。系統(tǒng)中配有各種位移、壓力、溫度傳感器以監(jiān)測相應(yīng)物理量的變化,比例電磁閥接收4~20mA控制信號以調(diào)整閥門開度,行程開關(guān)監(jiān)測各手動(dòng)閥門的開關(guān)狀態(tài),電磁繼電器控制電磁閥動(dòng)作。3UF5是一種基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的新型電機(jī)保護(hù)控制裝置,系統(tǒng)采用3UF5實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂坪凸收媳Ｗo(hù),一臺電動(dòng)機(jī)需要配置一臺3UF5,故系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有15臺3UF5。2接口設(shè)計(jì)及結(jié)果分析系統(tǒng)接口設(shè)計(jì),是根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù),選擇合理的接口模塊點(diǎn)數(shù)。PLC生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)接口模塊時(shí)其點(diǎn)數(shù)是系列化的,常見點(diǎn)數(shù)有2點(diǎn)、4點(diǎn)、8點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)。這樣在系統(tǒng)接口模塊總點(diǎn)數(shù)的選取時(shí)需遵守以下原則:從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和成本兩方面考慮,若系統(tǒng)有擴(kuò)展性要求,可適當(dāng)增加點(diǎn)數(shù)留有余量,若系統(tǒng)無擴(kuò)展性要求且增加點(diǎn)數(shù)會帶來系統(tǒng)成本上升時(shí),可以不保留余量。接口設(shè)計(jì)滿足以下公式:總點(diǎn)數(shù)=模塊點(diǎn)數(shù)×模塊數(shù)量=系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)+余量(1)由公式(1)可得表2所示結(jié)果。為了達(dá)到較好的點(diǎn)數(shù)匹配,系統(tǒng)選擇了一個(gè)4輸入/2輸出模擬量集成模塊,實(shí)現(xiàn)模擬量的信號傳輸。選擇集成模塊是平衡擴(kuò)展性與成本的有效方法。3plc與3uf5通訊在本控制系統(tǒng)中,通訊任務(wù)有兩類:一是PLC與15臺3UF5設(shè)備完成信息交互,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂坪凸收媳Ｗo(hù);二是PLC與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互,完成計(jì)算機(jī)對PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控。PLC與3UF5通過Profibus-DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。PLC與計(jì)算機(jī)距離較遠(yuǎn)(大于50m),且為點(diǎn)對點(diǎn)通訊,故采用RS422通訊方式,滿足通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性要求。實(shí)現(xiàn)方法為PLC端的通訊模塊選用CP340-RS422/485,監(jiān)控計(jì)算機(jī)端采用RS422通訊板卡實(shí)現(xiàn)雙方的通訊。系統(tǒng)通訊體系圖如圖1所示。4plc控制系統(tǒng)系統(tǒng)組態(tài)即使用組態(tài)軟件最終完成PLC控制系統(tǒng)的硬件配置并編譯成組態(tài)信息下載到PLC存儲器中。S7-300PLC的組態(tài)軟件為STEP7。在系統(tǒng)組態(tài)之前還要解決兩大問題:PLC電源功率和PLC的CPU型號。PLC的電源功率主要考慮各PLC模塊和二線制傳感器的功率需要。在本系統(tǒng)中二線制傳感器共15個(gè),合計(jì)功率7.2W,PLC模塊合計(jì)功率約38W,PLC系統(tǒng)總功率為45.2W,故在S7-300PLC系列電源模塊中選擇24VDC/5A電源。PLC的CPU選擇從通訊方式和運(yùn)算能力兩方面考慮,選擇可進(jìn)行Profibus-DP總線通訊的高性能CPU315-2DP。系統(tǒng)組態(tài)如圖2所示。PLC控制系統(tǒng)模塊共計(jì)12個(gè),分布在兩個(gè)安裝槽架上,通過擴(kuò)展模塊IM365實(shí)現(xiàn)兩部分的信息連接。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)模塊由電源模塊、CPU模塊、擴(kuò)展模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、通訊模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊所組成。組態(tài)詳細(xì)信息見表3所示。5pid運(yùn)算模塊PLC程序設(shè)計(jì)包括程序流程設(shè)計(jì)和用戶程序編寫兩大部分。由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式運(yùn)行程序,筆者采用了順序結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)程序流程,程序流程圖如圖3所示。用戶程序任務(wù)細(xì)分可得兩大類任務(wù):全局任務(wù)和過程任務(wù)。全局任務(wù)(例如:數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)通訊等),在每次PLC程序掃描時(shí)都要執(zhí)行,因此應(yīng)將這類任務(wù)采用順序結(jié)構(gòu)串入程序流程中。過程任務(wù)(例如PID控制、過程控制、故障診斷等),只需在特定過程中執(zhí)行,應(yīng)采用選擇結(jié)構(gòu)并入程序流程中,根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)程,選擇相應(yīng)的任務(wù)執(zhí)行。S7-300系列PLC的編程軟件為STEP7,其支持國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6-1131/3,提供以下五種編程語言:SFC(順序功能圖)、LD(梯形圖)、FBD(功能塊)、SCL(結(jié)構(gòu)化文本)、STL(指令表)。其中前三種為圖形化編程語言,后兩種為文本式編程語言。對于編程語言的選擇,若系統(tǒng)沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以使用圖形化的編程語言,其結(jié)構(gòu)清晰、編程簡單。若系統(tǒng)需要復(fù)雜計(jì)算,可使用SCL語言,其類PASCAL的語法規(guī)則使數(shù)學(xué)運(yùn)算編程十分簡潔。若對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)認(rèn)識十分深刻,編程非常熟練,可以采用STL語言,其相當(dāng)于匯編語言,可以實(shí)現(xiàn)一些用高級語言無法實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算,所以選擇SCL(結(jié)構(gòu)化文本)作為編程語言,其實(shí)現(xiàn)順序結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)的用戶程序代碼如下:DataProcessing();//數(shù)據(jù)處理子程序Communication();//數(shù)據(jù)通訊子程序CASETaskNUMOF//根據(jù)任務(wù)號調(diào)用相應(yīng)子程序1:PIDControl();//PID控制子程序2:ProcessCtrl();//過程控制子程序……9:FaultDiagnosis();//故障診斷子程序ELSE:;//空閑操作END_CASE;6plc：數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)為檢驗(yàn)程序功能能否正確實(shí)現(xiàn),需要對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。PLC系統(tǒng)的調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩類,如圖4所示。硬件調(diào)試主要檢查PLC能否正確讀入信息和輸出控制信號,若PLC輸入輸出存在問題,則應(yīng)檢查線路連接是否正確,電控元件是否有故障,是否采取了必要的抗干擾措施。經(jīng)過多次調(diào)試直到PLC輸入輸出完全正常。軟件調(diào)試主要檢查程序功能是否正確實(shí)現(xiàn),使用STEP7可實(shí)現(xiàn)三種軟件調(diào)試方法:變量表、在線編程狀態(tài)調(diào)試和軟件仿真。在本PLC系統(tǒng)的軟件調(diào)試中,筆者使用了變量表和軟件仿真功能,變量表可以在線監(jiān)視過程變量以檢查該變量值是否正確,軟件仿真可檢查程序邏輯是否準(zhǔn)確無誤,最終保證系統(tǒng)功能的可靠實(shí)現(xiàn)。7干擾鑼鼓系統(tǒng)在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中抗干擾是一個(gè)關(guān)鍵問題,其關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。現(xiàn)結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)介紹幾點(diǎn)抗干擾措施。(1)模擬量元件電源電磁閥、行程開關(guān)等數(shù)字量元件應(yīng)采用開關(guān)電源供電;傳感器等模擬量元件應(yīng)采用線性電源供電,兩者不可共用一個(gè)電源。開關(guān)電源具有很高的輸出噪聲和波紋,若對模擬量元件供電將會產(chǎn)生很大干擾,而線性電源效率低、體積大,若為開關(guān)元件供電不經(jīng)濟(jì)。(2)注意動(dòng)力線與控制線的間距采用屏蔽線可有效避免輻射電磁干擾,由于動(dòng)力線周圍具有較強(qiáng)的電磁輻射,信號線應(yīng)避免靠近動(dòng)力線,在實(shí)際敷設(shè)電纜時(shí),動(dòng)力線與控制線應(yīng)從有一定間距的地溝中分別走線。(3)硬件濾波應(yīng)選用具有較好的硬件濾波電路的PLC接口模塊,此外軟件上也可采用平均值法等算法對測量信號進(jìn)行處理,濾除干擾信號。(4)良好的融合PLC控制系統(tǒng)應(yīng)采用單點(diǎn)接地方式接地,且不與動(dòng)力電系統(tǒng)共地。8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由控制對象分析、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組態(tài)、PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試等部分組成。