除尘室PLC控制系统的设计.docx

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除尘室PLC控制系统的设计

除尘室PLC控制系统的设计

【摘要】

PLC由于具有结构简单、编程方便、功能完善、可靠性高、体积小、维护方使等特点，近年来被广泛地应用于各种控制。

本文介绍了某无污染、无尘车间进门时对人或物进行除尘的过程。

在所设计的系统中，人或物进入无污染、无尘车间前，首先需在除尘室严格进行指定时间的除尘才能进入车间。

文中确定了CPU主机模块及其扩展模块的选择，以及文中所用到的器件的选型并给出实物图及其与主机相连接的总体连接图。

完成了I/O分配、梯形图的逻辑编程。

能够达到毕业设计中所要求的用PLC完成除尘室内各个器件的动作。

通过调试该系统可以应用于实际生产中去。

关键词：

PLC除尘室控制

Abstract：

PLChasbeenwidelyusedinavarietyofcontrolinrecentyearsbecauseofitssimplestructure；easyprogramming,perfectfunctionsandhighreliability,smallsize,easytomaintain.Introducedprocessofremoval.Inthissystem,peoplemustbedustedbeforeentertheworkshop.

ThispaperdefinestheCPUhostmoduleandtheexpansionmoduleselection,andselectiondeviceusedinthisarticleandthephysicalmapanditspopulationisconnectedtoamainframeconnectiondiagram.ThelogicprogrammingI/Odistribution,ladderdiagram.ToachievethecurriculumdesigntherequirementsofdustallindoordevicewithaPLCaction.Canbeappliedtoactualproduction.

Keywords：

PLCDustingroomsControl

1.PLC知识简介

PLC可编程序控制器：

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器。

可变程控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。

1.1PLC的产生

从20世纪20年代起，人们已经将继电器控制系统应用于工业生产自动化领域中，并由此开始，在很长时间内占据着主导地位。

但继电器控制系统具有明显的缺点，如体积大、动作速度慢、可靠性低、接线复杂、难以胜任复杂控制任务等。

一种新型的装置，一项先进的应用技术，总是根据工业生产的实际需要产生的。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为抛弃传统继电器控制系统的束缚，适应市场竞争的要求，1968年美国通用汽车公司公开招标，提出要用新的控制装置取代生产线上的继电器控制系统。

通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件（有名的“GM10条”）：

1、编程简单，可在现场修改程序；

2、维护方便，最好是插件式；

3、可靠性高于继电器控制柜；

4、体积小于继电器控制柜；

5、可将数据直接送入管理计算机；

6、在成本上可与继电器控制柜竞争；

7、输入可以是交流115V；

8、输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀；

9、在扩展时，原有系统只要很小变更；

10、用户程序存储器容量至少能扩展到4K。

于是，PLC应运而生。

并于1969年，美国数字设备公司（DEC）帅先研制出第一台PLC在GM公司生产线上首次得到应用，并为其取得显著经济效益。

人们称之为可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC）。

1.2PLC定义和发展

1.2.1PLC的定义

可编程控制器（PLC）是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在内部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关设备，都应按易于工业控制系统脸成一个整体、易于扩充功能的原则而设计。

1.2.2PLC的发展

第一台PLC生产不久，MODICON公司也推出了084控制器。

随后，1971年日本推出了DSC-80控制器；1973年，西欧国家的各种PLC也纷纷研制成功，这些PLC的功能虽然不够强大，但它们开启了工业自动化应用技术新时代的大门。

随着计算机技术和微电子技术的发展，PLC技术业迅速发展起来，由最初的1位机发展到8位机，形成了现代意义上的PLC。

进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人的发展，使PLC不仅在设计、性价比与应用等方面有了新的突破，而且控制功能强、可靠性高、使用灵活方便，具有远程I/0和通信网络、数据处理及人机界面等功能。

PLC技术已经成为当今自动化技术领域的三大支柱之一。

PLC从产生到现在，其发展经历的几个过程可概括如下。

第一代（1969-1972年）：

其功能是逻辑运算、定时、计数、中小规模集成电路CPU，磁芯存储器。

应用范围：

取代继电器控制。

第二代（1973-1975年）：

其功能在第一代的基础上，增加了算术运算、数据处理功能，初步形成系列，可靠性进一步提高。

应用范围：

能同时完成逻辑控制、模拟量控制。

第三代（1976-1983年）：

其功能在第二代的基础上，增加了复杂数值运算和数据处理、远程I/O和通信功能，采用大规模集成电路CPU，加强自诊断、容错技术。

应用范围：

适应大型复杂控制系统控制的需要，并用于联网、通信、监控等场合。

第四代（1983至今）：

其功能在第三代的基础上，具有高速大容量功能，采用32位CPU，编程语言多样化，通信能力进一步完善，智能化功能模块齐全。

应用范围：

构成分级网络控制系统，实现图像动态过程控制，模拟网络资源共享。

目前，世界上有200多个厂家生产300多个品种的PLC，比较著名的厂家包括：

美国的AB（被ROCKWELL收购）、GE，MODICON（被SCHNEIDER收购）；日本的OMRON，MITSUBISHI，FUJI、松下电工；德国的SIEMENS；法国的SCHNEIDER公司等。

国内的生产厂家，如浙大中控等生产的PLC产品也在市场占有一席之地。

PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、高性能、信息化、标准化及与现场总线技术紧密结合等方向发展。

1.3PLC的基本构成与特点

1.3.1PLC的基本构成

PLC的基本构成包括硬件系统和软件系统

（一）PLC的硬件系统

PLC的硬件系统有中央处理器、存储器、输入单元/输出单元、编程器、外设接口、电源等。

1、中央处理单元（CPU）

中央处理单元是PLC的控制中枢，核心部件，其性能决定了PLC的性能。

CPU组成：

由控制器，运算器和寄存器组成，这些电路都集中在一块芯片上，通过地址总线，数据总线，控制总线，与存储器的输入，输出接口电路相连。

常用芯片：

通用微处理器，单片机，位片式微处理器。

作用：

处理和运行用户程序，进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调的工作。

具体有：

（1）检查编程中的语法错误，诊断电源、内部电路故障。

（2）用扫描方式接收输入设备的状态和数据，存入输入映像寄存器或数据寄存器中。

（3）运行时，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序中规定的逻辑运算、算术运算和数据处理等操作。

（4）根据运算结果更新标志位数据寄存器，刷新输出映像寄存器内容，由输出寄存器的位状态或寄存器的有关内容实现输出控制。

（5）响应外部设备的工作请求，如打印机、上位机、条形码判读器和图形监控系统等的请求。

2、存储器

（1）系统程序储存器一般采用PROM和EPROM构成的系统程序储存器，这两种储存器都是只读型的，具有掉电保持功能，主要存放PLC的系统程序。

（2）用户程序存储器RAM即称为随机存取存储器，一般用于存放用户程序。

这种储存器是特点是“掉电失忆”，只能存放CPU采样的数据和程序执行时间的中间结果及内部编程元件的状态。

3、输入单元/输出单元

输入/输出单元通常出称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

PLC提供了多操作电平和驱动能力的I/O接口，有各样的功能的I/O接口供用选用。

I/O接口的主要类型有：

数字量（开关量）输入/输出、模量输入/输出等。

4、外设接口

外设接口可将打印机、写入器、图形监控系统等与主机相连，以完成相应的操作。

5、电源：

PLC的电源可分为三类：

外部电源、内部电源、后备电源。

（1）外部电源：

用驱动PLC的负载和人才交流中心现场信号，又称用户电源，一般使用220V交流电源或者24V直流电源；

（2）内部电源：

即PLC的工作电源，有时出作为现场输入信号的电源。

提供5V、±12V、24V直流电。

（3）RAM后备电源；在停机或突然掉电时，保证RAM中的信息不丢失，一般PLC采用锂电池作为RAM的后备电源。

6、PLC的通信联网

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

（二）PLC的软件系统

系统软件含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。

系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理、系统自检等工作。

用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。

系统软件在用户使用可编程控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中也不需要做什么更改。

应用软件

应用软件又叫用户软件或用户程序，是由用户根据控制要求，采用PLC专用的程序语言编制的应用程序，以实现所需的控制目的。

1.3.2PLC的特点

1、可靠性高、抗干扰能力强

（1）采用循环扫描，集中采样，集中输出。

（2）硬件设计采用模块式结构，采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等抗干扰技术，增加输出联锁、环境检测与故障诊断电路。

（3）软件设计中设置实时监控、自诊断、信息保护、恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障诊断、处理、报警显示及保护功能。

2、编程简单、使用方便

PLC设计的最初目的，就是为取代继电器控制逻辑，所以在PLC诞生之时，其设计者充分考虑到工程技术人员的技能与习惯，其编程语言采用了和传统控制系统中电气原理图类似的梯形图程序，具有直观、清晰、修改方便、易掌握的特点。

3、控制功能强、通用型好

现代的PLC几乎能满足所有工业控制领域的需要。

PLC的控制系统可大可小，并且都具备很强的信息处理能力、输出控制能力。

为实现某些特殊控制功能，PLC制造商开发出了许多智能化的I/O模块。

这些模块本身带有CPU，减少了对PLC扫描速度的影响，提高了控制性能和功能。

典型的智能化模块有高速计数器模块、定位控制模块、温度控制模块、闭环控制模块、以太网通信模块和各种现场总线协议通信模块等；能轻松完成单机控制、批量控制及组成通信网络，进行数据处理和管理等任务：

可实现现场、远距离、简单系统、复杂系统等的控制。

4、开发周期短、成功率高

用PLC完成一项控制工程时，由于其硬件和软件齐全，为模块化积木式结构，只要正确、合理选用各种模块组成系统，且具体的编程工作也可在PLC到货前行，而且这些用户程序大都可以在实验室模拟调试好，再到工业现场进行联机统调。

设计和施工是可以同时进行的，从而缩短了施工周期，提高了成功率。

5、维护简单、方便

现代的PLC都具有相应的系统软件和自诊断功能，不仅能对PLC控制程序进行检测、修改，还能对PLC的工作过程进行监控。

能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如I/O通道的状态、RAM后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路异常等信息。

正是通过PLC这种完善的诊断和显示能力，当PLC主机和外部的输入装置及执行机构发生故障时，使操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。

如果是PLC本身的故障，在维修时只带要更换插入式模板或其他易损件即可完成，既方便又缩短了维护周期。

1.4PLC工作原理

1、基本工作模式：

PLC有运行模式和停止模式

（1）运行模式：

分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。

（2）停止模式：

当处于工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容

图1-1PLC基本工作模式图

2、PLC的工作过程

PLC与继电器的工作方式不一样。

继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的端点立即动作。

而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。

也可以说，继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC每一扫描则需要输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

（1）输入采样阶段

在这一阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储器单元。

（2）程序执行阶段

在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。

从相应的输入存储单元读入输入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据寄存器的状态和数据进行逻辑运算，等到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。

这一阶段执行完后，进入输出阶段。

在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。

（3）输出刷新阶段

在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。

1.4.1PLC的分类

1、按结构形式分类

根据PLC结构形式不同，可分为整体式和模块式。

（1）整体式PLC（单元式、箱体式）（小型）。

微型PLC一般采用整体式结构。

其特点是将电源、CPU、存储器、I/O安装在一个标准机壳内，组成一个PLC的基本单元（主机）。

基本单元上设有I/O扩展单元接口、通信接口等，可以和扩展单元模块相连接。

小型机系统还提供许多特殊功能模块，如I/O模块、热电偶模块、定位模块、通信模块等。

通过不同的配置，可完成不同的控制任务。

整体式特点：

结构紧凑、体积小、价格低、容易装配在工业控制设备的内部，适于生产机械的单机控制。

（2）模块式PLC（积木式）（中、大型PLC）。

中、大型PLC多采用模块式结构。

模块式结构的PLC，各个部分功能做成独立模块：

电源模块、CPU模块、I/O模块、各种功能模块等。

使用时将这些模块插在导轨基架上即可。

特点：

配置灵活，装配维护方便，易于扩展。

2、按I/O点数和存储器容量分类

PLC按照I/O点数的多少，可将PLC分为3类，即小型机、中型机和大型机

（1）小型机（I/O点数小于128点，存储器2KB步）。

小型机一般以开关量的逻辑控制为主，其I/O点数在128点以下。

这类机主要应用于逻辑控制、定时、计数、顺序控制，也具有一定的通信能力和模拟量处理功能。

其特点是价格低廉、体积小。

适用于单机设备。

（2）中型机（I/O点数在128~2048点，存储器2~8KB步）。

中型机具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能。

它不仅具有较强的开关量控制能力，而且通信能力和模拟量处理功能也更强大。

指令群更丰富，适用于复杂的逻辑控制及连续生产线的过程控制。

（3）大型机（I/O点数在大于2048点，存储器〉8KB步）。

大型PLC的程序存储器和数据存储器容量可达10MB，其性能己经与工业控制计算机相当。

它具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能，还有强大的网络结构和通信联网能力。

它的监视系统能够表示过程的动态流程，记录各种曲线、PID调节参数等。

它还可以构成多功能控制系统，可以与其他型号的控制器相连，和上位机相连，组成集散控制系统。

大型机适用于大规模控制、自动化网络控制、过程监控等系统。

2.除尘室PLC控制系统的设计方案

2.1功能要求和控制要求

人或物进入无污染、无尘车间前，首先在除尘室严格进行指定时间的除尘才能进入车间，否则门打不开，进入不了车间。

第一道门处设有两个传感器：

开门传感器和关门传感器；除尘室内有两台风机，用来除尘；第二道门上装有电磁锁和开门传感器，电磁锁在系统控制下自动锁上或打开。

进入室内需要除尘，出来时不需除尘。

具体控制要求如下：

（1）进入车间时必须先打开第一道门进入除尘室，进行除尘，当第一道门打开时，开门传感器动作，第一道门关上时关门传感器动作。

（2）第一道门关上后，风机开始吹风，电磁锁把第二道门锁上并延时20s后，风机自动停止，电磁锁自动打开，此时可打开第二道门进入室内。

（3）第二道门打开时相应的开门传感器动作。

（4）人从室内出来时，第二道门的开门传感器先动作，第一道门的开门传感器才动作，关门传感器与进入时动作相同，出来时不需除尘，所以风机、电磁锁均不动作。

2.2PLC除尘室控制系统所需硬件设备

选择合适的PLC机型不仅可以满足控制要求，而且可以使PLC的各个接口尽可能的充分利用，从而降低成本。

由于此除尘室需在恶略环境下不间断运行，对可靠性要求较高，而西门子S7——200系列小型可编程控制器价格低、性能优良，具有程序容量较大、运行速度快、多种中断、编程灵活等优点。

在此，我们选择该系列中的214作为CPU模块，并扩展两块EM222数字输出模块，共14个输入点，26个输出点，完全满足本系统要求。

根据控制要求，PLC控制系统选用SIEMENS公司S7-200系列CPU226,满足控制要求。

微波感应器：

又称微波雷达感应器，是利用电磁波的多普勒原理来做的。

它可广泛应用于类似自动门控制开关、安全防范系统、需要自动感应控制的场所。

这种传感器相比具有如下的优点：

1、非接触探测；2、不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响，适合恶劣环境；3、抗射频干扰能力强；4、输出功率仅有5mW，对人体构不成危害；将传感器安装到门上可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

它的工作原理就是将开门关门的触点信号作为输入控制单元对开启和关闭实现系统控制。

2.3系统的组成

除尘室PLC控制总体如下图所示，吹风机和电磁锁动作时需传感器给PLC一个启动信号根据题目要求有三个传感器。

当有信号传入时PLC根据逻辑控制编程，使对应的吹风机、电磁锁动作。

图2-1系统总体组成

3.PLC的软件设计

3.1编程中所需要的指令盒

1、接通延时定时器

使能输入端接通时，当前值从0开始+1计时，当前值等于设定值时，定时器状态位为ON，当前值连续计数到32767。

使能输入断开，定时器自动复位，即定时器状态位为OFF，当前值为0。

指令格式见图3-1。

图3-1接通延时定时器

2、步开始

标记一个SCR端的开始，Sxy是代表该步段的顺控继电器。

指令格式见右图3-2

图3-2步开始指令

3、步结束

标记一个SCR段的结束。

指令格式见右图3-3

图3-3步结束指令

3.2I/O分配图

除尘室PLC控制系统I/O分配图如下表3-1所示。

表3-1I/O分配图

输入

输出

第一道门的开门传感器I0.0

风机1Q0.0

第一道门的关门传感器I0.1

风机2Q0.1

第二道门的关门传感器I0.2

电磁锁Q0.2

3.3I/O接线图

除尘室PLC控制系统I/O接线图如图3-4所示。

图3-4除尘室PLC控制系统I/O接线图

3.4除尘室PLC控制系统设计顺序图

除尘室PLC控制系统设计顺序图如3-5所示。

3-5除尘室PLC控制系统设计顺序图

3.5梯形图程序设计

根据要求编制相应的控制程序，除尘室控制系统梯形图程序如图3-6。

图3-6除尘室控制系统梯形图

4除尘室PLC控制系统的设计步骤

1、分析工艺流程和控制要求

（1）分析工艺流程及工作特点，确定被控对象，包括需要PLC控制的机械设备、电气设备、生产线等。

（2）确定被控对象后，根据被控对象机、电之间的配合，确定PLC控制系统的控制要求。

包括控制的基本方式、所需要完成的功能、必要的保护等。

2、确定输入/输出设备

根据控制要求，确定PLC控制系统所需的用户输入设备和输出设备。

并且根据这些输入/输出设备确定系统的I/O点数。

3、选择合适的PLC

PLC类型的选择主要从下面几个方面考虑：

（1）PLC机型和容量的选择

（2）开关输入量的点数以及输出电压；

（3）开关输出量的点数以及输出功率；

（4）模拟量输入/输出的点数；

（5）系统的特殊要求，如远程I/O、通信网络等。

4、I/O点分配

分配PLC的输入/输出点，画出PLC的I/O端子与输出/输出设备的连接图或分配表。

在连接图或分配表中，必须指定每个I/O对应的模块编号、端子编号、I/O地址、对应的输入/输出设备等。

5、设计软件及硬件

此步骤是进行PLC程序设计和PLC控制柜等硬件的设计及现场施工。

程序与硬件设计施工可同时进行。

（1）PLC程序设计的一般步骤

a根据工艺流程和控制要求，画出系统的功能图或流程图；

b根据I/O分配表或I/O端子接线图，将功能图和流程图转化成梯形图，即PLC编程。

（2）硬件设计及现场施工的一般步骤

a设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等；

b设计控制系统各部分的电气图；

c根据图纸进行现场接线。

6、线模拟调试

（1）程序编写完成后，将程序输入PLC。

如果用编程器输入，需要先将梯形图转换成助记符，然后输入。

（2）程序输入PLC后，用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。

7、现场调试

离线模拟调试和控制柜等硬件施工完成后，就可以进行整个系统的现场联机调试。

现场调试是指将模拟调试通过的程序结合现场设备进行联机调试。

通过现场调试，可以发现在模拟调试中无法发现的实际问题，然后逐一排除这些问题，直至调试成功。

8、整理技术文件

技术文件主要包括技术说明书、使用说明书、电器原理图、接线端子图、PLC梯形和电器布置图等。