6AV6648-0DC11-3AX0安装调试

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1 　引　言

现代控制系统中的模糊控制能方便地解决工业领域中常见的非线性、时变、大滞后、强耦合、变结构、结束条件苛刻等复杂问题。可编程控制器以其高性、编程方便、耐恶劣环境、功能强大等特性很好地解决了工业控制领域普遍关心的、、灵活、方便、经济等问题,这两者的结合,可在实际工程中广泛应用。该文研究了通用模糊控制器在PLC上实现的几种算法,用离线计算、在线查表插值的方法实现模糊控制。
为了满足不同执行机构对控制量形式的要求,采用增量式/ 位置式模糊控制输出的算法,在增量式模糊控制输出时,可实现手动与自动之间的无扰动切换。为了由于频繁动作引起的振荡,采用了带死区的模糊控制算法。此外,一般的在线查表模糊控制器中存在着模糊量化取整环节,即当误差E与误差变化率EC 不等于模糊语言值(例如NB ,NM,NS ,ZO ,PS ,PM或PB) 时, E 和EC 取整,这时从查询表中查到的控制量U 只能近似地反映模糊控制规则,因此产生误差。由于量化误差的存在,不仅使模糊控制器的输出U 不能准确地反映其控制规则,而且会造成调节死区,在稳态阶段,使系统产生稳态误差,甚至会产生颤振现象。文中提出的二元三点插值法可从根本上量化误差和调节死区, 克服由于量化误差而引起的稳态误差和稳态颤振现象。图1 —1 给出了通用模糊控制器的基本组成结构。

2 　通用模糊控制器在PLC 上的设计实现
2.1 　离线部分设计
离线部分的算法设计主要包括以下内容:选择模糊输入、输出变量的论域范围及模糊变集类型；确定各模糊变量的隶属函数类型；输入、输出变量的模糊化；模糊控制规则；确定模糊推理算法；模糊输出变量的去模糊化；按所需的格式保存计算结果生成查询表。

实际应用中广泛采用的二维模糊控制器多选用受控变量和输入给定的偏差E 和偏差变化率EC 作为输入变量,因为它已能够比较严格的反映受控过程中输入变量的动态特性,可满足大部分工程需要,同时也比三维模糊控制器计算简单, 模糊控制规则容易理解。对于多变量模糊控制器可利用模糊控制器本身的解耦特点,通过模糊关系方程分解,在控制器结构上实现解耦, 即将一个多输入多输出(MI —MO) 的模糊控制器,分解成若干个多输入单输出(MI —SO) 的模糊控制器,这样就可采用单变量模糊控制器的设计方法。该文研究了二维通用模糊控制器的设计。为了便于由用户在线控制时决定是增量式输出还是位置式输出,输出变量取调节量的变化U ,这也有利于通过对调节量变化U 的调整, 使系统偏差减少。
由于模糊控制器的控制品质受控制器输出方式的影响,对不同的受控对象提供位置式输出和增量式输出这两种选择方式。www.位置式输出算法的缺点是输出的u (k) 对应的是执行机构的实际位置,如果计算机出现故障,会引起由于u (k) 的大幅度变化而导致执行机构位置的大幅度变化。如果采用增量式算法时,计算机输出的是控制增量Δu (k) 对应的本次执行机构位置(例如阀门开度) 的增量,图2 —1 为增量式输出模糊控制系统框图, 阀门实际位置的控制量即控制量增量的积累

模糊控制算法的实现是通过模糊推理所得, 但该结果是一个模糊矢量, 不能直接用于控制被控对象,转换为一个执行机构可以接受的量。将所有可能输入状态的非模糊输出以同样方法计算后形成如表2 —1 所示的查询表,该表以数据模块形式存入计算机程序中,当一组输入给定时,可由该表查出相应的输出值。该方法将复杂的模糊计算融进查询表中,在实际使用时节省计算时间,并使控制变得简单明了。

2.2 　在线部分设计
计算机离线运算得到的模糊控制器的总控制表经过系统在线反复调试、修改,后以数据模块形式存入PLC 系统内存中,由一个查询该表的子程序管理。查询子程序的流程如图2 —2 所示,图中fielde 、fieldec 及fieldu 分别表示误差E、误差变化率EC 和控制量U 的论域范围。由流程图可知,控制器的调节方式有手动和自动两种, 输出方式有增量式和位置式输出两种。如果输出方式选择为增量式输出,则可以实现手动调节方式到自动调节方式的无冲击切换。

2．2．1 　二元三点插值
给定矩型域上n×m 个结点(xi , yj) 的函数值zij = (xi , yj) ,其中i = 0 ,1 , ⋯, n - 1; j = 0 ,1 , ⋯, m -1 ,在两个方向上的坐标分别为x0 < x1 < ⋯< xn - 1 ,y0 < y1 < ⋯< ym - 1 ,利用二元三点插值公式可计算出插值(u , v) 处的函数近似值w = z( u , v) 。表2 —1 用函数形式表示为Uij = f(Ei , ECj) , 其中i =1 ,2 , ⋯, k1 ; j = 1 ,2 , ⋯, k2 。设某个采样周期的输入为E、EC ,则需求出U = f(E , EC) 的值。
采用二元三点插值法运算相当于E与EC 在其论域内的分档数趋于无穷大, 这样不仅能够满足表2—1 所给出的查询表的控制规则,而且还在控制规则表内的相邻分档之间以线性插值方式了无穷多个新的、经过细分的控制规则, 加充实完善了原来的控制规则,并从根本上了量化误差和调节死区, 克服了由于量化误差而引起的稳态误差和稳态颤振现象,了系统的性能,尤其是稳态性能。

2．2．2 　带死区的模糊控制算法
为了避免控制动作过于频繁,由于频繁动作引起的震荡,带死区的控制算法是一个好的解决办法。

上式中,死区e0 是一个可调节的参数, 其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0 值太小,使控制动作过于频繁,达不到稳定被控对象的目的；若e0 值太大,则系统将产生较大的滞后。
带死区的模糊控制器的系统结构如图2 —3 所示,此控制系统实际上是一个非线性系统。即当|e( k) | ≤|e0| 时,模糊控制器输出为零;当|e(k) | >|e0| 时,模糊控制器有适当的输出。

3 　应用实例
电机调速控制系统见图3—1 ,模糊控制器的输入变量为实际转速与转速给定值之间的差值e 及其变化率ec , 输出变量为电机的电压变化量u 。图3—2 为电机调试输出, 其横坐标为时间轴, 纵坐标为转速。当设定转速为2 000r/ s 时,电机能很快稳定运行于2 000r/ s ；当设定转速下降到1 000r/ s时,转速又很快下降到1 000r/ s 稳定运行。

4 　小　结
通用模糊控制器在PLC 上的实现采用了二维模糊控制结构,这种结构能确保系统的简单性和快速性。它的输入为系统误差E和误差变化率EC ,因此它具有类似于常规PD 控制器的功能和良好的动态特性。在实际应用中实,系统响应速度快,调量很小,稳态精度高。为了获得好的静态性能,应加入模糊积分单元,构成PID 模糊控制器。

目前我国大型火电厂采用的燃料大多数为燃煤。一方面，由于煤产地与电厂间地理位置或地域的不同，需要借助汽车、火车或轮船等途径把燃煤先运送到电厂内的储煤站;另一方面，在电厂内，需要通过输煤皮带将燃煤输送到的煤仓或煤筒中，供燃煤锅炉使用。

电厂输煤程控系统就是完成将煤场的煤输送到煤仓或煤筒的任务，一般包括卸煤系统、堆煤系统、上煤系统和配煤系统几个部分。输煤程控系统是保证机组稳发满发的重要系统，是机组运行的重要支撑系统。

电厂输煤程控系统具有组成设备多且位置分散、设备间联锁关系强、设备运行环境恶劣、性性要求高等方面特点，一般采用以可编程控制器(PLC)为主要控制设备的监控系统来实现对整个工艺过程的控制。

2 输媒程控系统设计

输煤程控采用双主机(热备)配置的HOLLiAS LK系列PLC完成上煤及配煤控制等功能，PLC置于输煤程控室。在粗碎机室、1#站、2#站、细碎机室、煤仓层、输煤综合楼设6组远程I/O站，各信号就近引接至附近的I/O站，各I/O站及PLC之间采用冗余PROFIBUS-DP现场总线通讯。该网络能满足输煤程控的实时要求。在输煤程控室设上位监控系统，通过两台上位监控计算机机进行输煤系统的集中监测及控制，不再设常规模拟屏及仪表盘。

HOLLiAS LK系列PLC是和利时公司利用十多年控制系统设计和工程实施经验而推出的新一代、高性、高易用性的可编程逻辑控制器产品，可以为不同工业领域提供个性化解决方案，广泛应用于电力、冶金、石化、交通、水处理等行业。

系统结构

整个系统可以分为三层，包括生产管理层(输煤程控室)、现场控制层(PLC控制站)及就地控制层。现场各种数据通过PLC系统进行采集，并通过主干通讯网络——环形工业以太网传送到控制室监控计算机集中监控和管理，通讯速率为100Mbps，通讯介质根据通讯距离可以选择光纤或屏蔽双绞线。同样，控制室监控计算机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施各单元的分散控制。

根据输煤系统的联锁性强、地理较分散的特点，系统设有一个主站和若干个远程I/O分站，现场设备信号直接接入附近的远程I/O分站，并通过冗余的PROFIBUS-DP总线网络实现与系统主站的通讯，由系统主站完成对所有系统内设备的监控和管理。

考虑到输煤程控系统在性、性方面的要求，系统主站采用HOLLiAS LK PLC具有冗余功能的CPU模块LK210，支持电源冗余、CPU冗余、以太网冗余、总线冗余，以保证整个系统的不间断运行。

控制方式

输煤程控系统控制方式设计为现场设备就地手动控制、远程手动控制、程序自动控制三种控制模式。三种模式的级别由高到低依次为就地手动控制、远程手动控制、程序自动控制。

正常情况下，所有设备的运行、停止等由PLC按预定的程序自动完成，PLC自动识别各设备所处状态。上位机发出指令后，由PLC按预定的程序自动完成对设备的运行操作。包括程控上煤、程控配煤、故障连停等控制功能。

远程手动控制又可分为联锁手动控制和解锁手动控制两种形式，多用于设备调试和检修阶段。

就地手动是指在就地设备控制箱上操作设备，具有的控制级。

3 输煤工艺控制方案

不同的电厂由于其机组的大小，厂外来煤方式、煤场到原煤仓距离的远近和输煤设备等方面的不同，在输煤系统工艺形式上也存在着较大差异。但按照工艺段和功能一般都包括卸煤流程、堆煤流程、上煤流程和配煤流程几个部分。

卸煤流程，主要指将厂外来煤(包括汽车、火车、轮船等途径)通过卸煤设备卸到厂内储煤站，以备使用。

堆煤流程，主要是通过堆料机对卸到卸煤站的煤进行整理，以方便输煤系统上煤。

上煤流程，是输煤系统工艺的关键环节，通过输煤皮带机完成将原煤从煤场输送到原煤仓的过程，同时通过辅助的碎煤机、筛煤机、除铁器、采样装置、电子皮带秤等设备完成对筛分、计量等处理，以达到使用要求。

配煤流程，主要是将从上煤系统输送来的煤按照一定的要求、规律、顺序地分配到机组受煤仓中的过程。

输煤系统设备

按照在整个输煤系统中的地位和作用，这里我们把输煤系统设备分为主设备、预启动设备、辅助设备和保护开关设备几类。

主设备，为输煤工艺线上的关键设备，直接纳入整个系统的联锁中，设备故障会引起系统联锁停机。主要包括：给煤机、输煤皮带机、振动筛、碎煤机、缓冲滚筒、除铁器等。

预启动设备，这些设备一般先于主设备启动前动作，用于进行流程选择。主要包括：电动三通挡板、皮部伸缩装置、犁煤器、警铃等。

辅助设备，一般不纳入到流程联锁中，可以单启停设备，故障不会造成联锁停机。主要包括：除尘器、皮带秤、实物校验系统、采样装置等。

保护开关设备，各种皮带保护开关，用于流程监控、设备联锁、报警等功能。主要包括：拉绳开关、跑偏开关、堵煤开关、速度器、撕裂器、料流检测器、煤仓料位开关、料位传感器等。

控制策略

输煤系统控制就是通过对输煤设备的监控，完成将煤场的煤输送到煤仓或煤筒的任务。系统的控制要求遵循如下原则：

上煤原则

1) 流程预启：进行流程选择，并启动相应流程上的预启动设备，做好启动准备;

2) 流程启动：接收到流程启动允许信号后，系统主设备按逆煤流方向延时顺序启动;

3) 流程停止：停止指令下达后，系统主设备按顺煤流方向延时顺序停止;

4) 故障联锁停机：当所选流程上的系统主设备发生故障时，立即联锁跳停设备故障点上游(逆煤流方向)的主设备;

5) 重故障信号：急停、拉绳、重跑偏、重堵塞、打滑等指令或信号将直接导致系统联锁跳停。

配煤原则

1) 顺序配煤：先设定一个尾仓，从个原煤仓开始进行配煤，煤斗以相同的时间(或依据煤仓料位)依次配煤，直到尾仓和尾仓前所有煤斗发出高煤位信号为止。顺序配煤时如有煤仓出现低煤位信号，则停止顺序配煤，给低煤位配煤;

2) 配煤：当有煤仓出现低煤位信号时，正常进行配煤的煤斗停止配煤并记忆。先补低煤位仓直至低煤位消失，再按记忆煤斗的正常顺序把煤仓逐个加到高煤位。当多个仓同时出现低煤位时，对这些仓按从前向后的顺序进行轮换的配煤，直至低煤位消失;

3) 余煤配煤：当停机信号发出后，皮带上余煤均匀配给每个仓，直至原煤仓皮带机停止运行;

设备监控

系统软件对每一个控制设备设置有单的操作画面，通过鼠标点击实时流程图上的设备，就可以进入相应设备的操作画面。

事件报警

系统软件具有完善的事故报警功能。当事故发生时，语音报警系统发出语音信号。同时，LCD屏幕显示故障区域流程图，事故设备图形变色，屏幕上方用汉字显示故障性质及发生时间，并自动启动打印机记录，打印故障内容及发生时间。

数据报表

系统软件具有计算机管理功能，能自动采集运行工况及有关数据，能实现实时编制、修改及状态显示，能按规定时间或召唤打印各种报表，能在LCD上查询并调用有关数据，对正常生产运行定期打印记录，包括交接班记录、日报、月报、年报等报表的打印。

其他功能

系统软件除了具有上述监控功能外，还集成有煤量统计、设备运行管理、与其它系统通讯接口等功能。

5 系统特点

本电厂输煤程控系统解决方案以和利时公司HOLLiAS LK PLC为控制器，采用冗余的以太网络、PROFIBUS-DP总线网络将控制室计算机和PLC系统主站、PLC系统主站与远程I/O分站联系起来，构成一个分布式的控制系统。系统具有如下主要特点：

冗余的解决方案

输煤程控系统设计为冗余配置，包括电源冗余、CPU冗余、以太网络冗余、PROFIBUS-DP总线网络冗余，无论那个环节出现故障都不会造成系统停车，这样就大限度地保证了系统的性和性。

集中管理、分散控制

输煤程控系统设计为一个主站多个从站的网络结构，由系统主站统一管理系统内的设备，远程I/O分站只负责数据采集与设备驱动。这样的系统结构既满足了系统设备间联锁关系强的要求，又满足了系统设备位置分散的要求。

软件界面友好、功能强大

PowerPro编程软件符合IEC61131-3标准，易学、易懂、易用。FacView组态软件图库丰富，网络功能强大，报警、报表、历史数据以及二次开发功能完善而易用。

开放性

输煤程控系统设计为一个开放的系统，工业以太网、PROFIBUS-DP总线网络是目前应用广泛和开放性好的工业通讯网络，系统软件支持DDE、OPC、ODBC、SQL，且提供丰富的API编程接口，另外系统还支持Modbus/TCP协议、Modbus RTU协议、自由口协议等多种接口形式，可以方便地进行系统扩展或与全厂辅控网、MIS和其他子系统进行无缝连接。

6 结术语

随着我国火电厂装机容量的提高，对输煤程控系统等公用自动化控制系统提出了高的要求。本输煤程控系统设计在考虑电厂输煤系统特点和要求的基础上，充分利用了和利时公司HOLLiAS LK PLC性高、性能优异、功能丰富、扩展性好、易于使用等方面的优势，给出了针对性强和个性化的解决方案。

1 引言

低封炉是CRT生产过程中重要环节之一，主要用于通过焙烧使屏锥封接。它一般包括炉体、驱动装置、置换装置及炉上栏杆踏台等几部分。炉体包括炉本体、网带导轨、RC风机以及加热器等几部分。炉本体由碳素钢及不锈钢组成，内填保温棉，循环风道由不锈钢内腔板组成。RC风机起搅拌作用,使炉内温度均匀性好。加热器由电热丝和不锈钢框架组成，起到恒温作用。驱动部设有自动张紧装置及网带跑偏调节机构，主要是通过变频器实现网带速度连续可调，使工件在炉体内匀速移动。

下面以BMCC5L低封炉延长为例说明其控制系统部分的实现，它主要包括低压受电柜，3个加热柜和温控柜。其工作原理是：低压受电柜提供炉上风机、热丝等电源，通过温控柜内的控温器设定温度，用控温器的输出控制加热柜中的电力调整器，调整器的输出控制加热器，调整炉体温度, 达到工艺要求温度。在温度控制柜内有一套PLC系统和触摸屏，实现整个系统自动开机，自动关机，故障随时报警等功能，达到实时监控的作用。本系统主要是完成14个加热区的加热丝、RC风机、排风机、冷风机以及后8个区冷却阀的控制。

2 控制系统硬件配置

图1 系统硬件配置框图

本系统共有260点：数字量输入162点，数字量输出98点。控制系统采用OMRON公司的C200HG-CPU43，属于中型PLC，内有RS232通讯口，它能满足较的要求。基板多10个槽，这样每个槽26点，需要使用32点的模块，所以输入选用高密集型的C200H-ID216，输出选用组2高密度晶体管输出单元C200H-OD215，由此可知6个输入模块，4个输出模块。再者在该系统中增加一块串性通信板C200HW-COM06，通过RS232口与触摸屏通讯，达到人机交换。在监控方面采用的是digital公司的GP577R-TC41-24VP，实现手动控制和监控报警。其系统硬件配置如下：

温控柜面板上的控温器控制低封炉炉温，具有PID调节功能，与加热柜内的SCR电力调整器配合使用，可实现加热器的电压在0～**范围内调节，根据设定温度与当前温度的差值，自动调节输出到加热器上的电压值，从而使炉内温度获得控制。

加热柜为低封炉的加热器提供电源，内装有电力调整器，由温度控制柜内的温控来自动调节其输出功率，达到控温的目的。该部分别控制新增1～14区加热。柜中，装有空气开关为新增1～14区电力调整器SCR提供电源。SCR调整器上装有能够显示各相电压，电流大小，输出功率大小等的显示面板。此面板还可以显示出SCR调整器的异常状态。

风机动力部分为低封炉的RC风机，以及排风机、冷风机提供电源，其电源通断也由空气开关控制。通过交流接触器在给定电流范围内输出到各风机，控制其运行与停止。

3 控制系统软件设计

为了节约篇幅在此不再给出梯形图，下面对流程图给予解释。PLC上电后，判定各风机是否全开，只有风机全开才能使加热丝工作。进行模式选择，主要有自动和手动两种状态。在自动模式，按动面板上自动启动按钮，自动灯亮，这样风机自动开移位寄存器运行，各区风机自动逐次开。当所有风机全部工作后，加热块1自动启动，这样1～5区加热移位寄存器运行，使得1～5区加热丝开始工作。随后加热块2自动启动，6～14区加热移位寄存器运行，使得6～14区加热丝开始工作。从而根据工艺要求各区设定温度进行PID自动调节，直至满足要求。当需要停止生产时，则要使热丝和风机停止工作。这样按动控制柜上自动停止按钮，这样各区热丝逐次停止工作。此时进行自动停计时，时间到自动停止各区风机。

在手动模式下，按动面板上风机启动按钮，使得各区风机逐次开。当所有风机全部正常工作后，再按动面板上的加热块1启动按钮，1～5区热丝开始工作。同样按动加热块2启动按钮，6～14区热丝也开始工作。系统稳定后，工件可以进行陪烧。当需要停止时，则要按动加热块1停止按钮，1～5区热丝开始停止。按动加热块2停止按钮，6～14区热丝也开始停止加热。当热丝全部停下来时，按动风机停止按钮，则各区风机依次停止运转。直到下一次启动。

如果在生产过程中工件出现异常情况，按动非常停止按钮，网带停止转动，进行紧急处理。并且任何区热丝或风机出现异常情况，在控制柜上或触摸屏上都有对应的显示，及其相应的声光报警，通知操作人员。

4 监控系统说明

本系统使用DIGITAL公司GP577R-TC41-24VP型触摸屏作为上位监控，可以实时的显示现场信号、实时报警并对控制点进行控制。监控系统由5个窗口组成：系统主画面窗口、加热区RC风机运转画面、加热区热丝运转画面、冷却阀运转画面、设备故障履历画面。五个窗口之间建立了链接，通过窗口中的按钮进行切换，并与PLC建立变量之间连接，通过触摸屏实时显示相应的状态信息，构成系统整体监控。

现以系统主画面为例，说明监控画面的功能。系统主画面分为两个区域：灯部件区域和开关部件区域。灯部件区域在画面的左部，使用PLC的I/O点作为监控显示，当这些监控点状态为ON时，显示，当为OFF时显示白色。从而表明原柜和新柜以及网带当前状态是在自动状态还是收动状态，是运行还是停止，是正常还是异常。开关部件区域主要是作为选择按钮，当触摸这些按钮是就会切换到相关的页。异常发生按钮主要是监控系统是否有异常状况发生，如有显示红色，触摸可调转到故障画面，显示哪个设备出现何种故障。触摸冷却阀按钮，就会跳转到冷却阀运转画面，显示各冷却阀的开闭状态，是否故障。触摸风机手动按钮，切换到加热区RC风机运转画面，显示各区风机是否在运行状态，有无异常情况发生，对应区的风机是开还是关。触摸加热手动按钮，切换到加热区热丝运转画面，该画面主要是显示各区热丝是否在运行状态，有无异常情况发生，对应区的热丝是加热还是停止。触摸设备故障履历按钮，就会显示何时发生报警，何时恢复，是否确认。并且在五个窗口中都可以互相切换，方便监控。

 输入输出单元通常也叫I/O单元或I/O模块，是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。输入部件是开关、按钮、传感器等，PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据。输出部件是指示灯、电磁阀、接触器、继电器、变频器等，PLC通过输出接口将处理送给被控对象，以实现控制目的。

    1．输入接口电路

    通常PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图2-2为PLC的直流输入接口电路的电路图，图2-3为PLC的交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。

图2-2 PLC的直流输入接口电路的电路图

    图2-4描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1，即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图2-3 PLC的交流输入接口电路的电路图

图2-4 输入端为光电开关的电路图

    2．输出接口电路

    PLC输出电路用来驱动被控负载（电磁铁、继电器、接触器线圈等）。PLC输出电路结构形式分为继电器型式、晶体管型式、晶闸管型式三种。

    继电器型输出电路如图2-5 (a)所示。内部电路使继电器的线圈通电，它的动合触点闭合，使外部负载得电工作。继电器同时起隔离和功率放大的作用，每一路只给用户提供一对动合触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来触点断开时产生的电弧，以减轻它对CPU的干扰。继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右。

    晶体管集电输出电路如图2-5 (b)所示。各组的公共点接外部直流电源的负。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给输出晶体管，后者的饱、导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间小于1ms。场效应晶体管输出电路的结构与晶体管输出电路基本相同。

    图2-5 PLC的开关量输出电路原理图

   (a)继电器型输出电路；(b)晶体管集电输出电路

    除了上述两种输出电路外，还有双向晶闸管输出电路，它用光敏晶闸管实现隔离。双向晶闸管由关断变为导通的延迟时间小于1ms，由导通变为关断的大延迟时间小于10ms。

1.前言

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已经扩展到了几乎所有的工业领域。例如可编程序控制器、基于PC总线的工业控制计算机、集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等。现代社会要求制造业对市场需求作出反应，生产出小批量、多品种，多规格、和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统具有高的性和灵活性，可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置，是工业自动化三大支柱之一。电工(IEC)对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计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和生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从这一定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，由于它具有功能强，性高，环境适应能力和抗干扰能力强，以及接线简单，编程灵活、方便等特点而得到了广泛应用。本文以西门子S7-200系列PLC实现对配料生产线自动控制的程序设计过程进行了详细的阐述。

2.配料生产线的电气控制要求

该配料生产线广泛应用于建筑、化工等生产领域，主要由料仓、仓壁振动器、喂料振动器、称料仓、排料振动器、传送带、中间仓、混合仓、搅拌机组成;各振动器、传送带、搅拌机均由电机拖动;中间仓门和混合仓卸料门则由电磁阀控制;当某台电机过载时电铃报警并禁止所有输出，故障排除后才能继续工作。其工作过程如下：⑴按下启动按钮后两个仓壁振动器和两个喂料振动器同时启动，料仓一和料仓二同时开始下料，将配料喂入称料仓。⑵当称料传感器SQ1和SQ2接通时，对应的仓壁振动器和喂料振动器停止工作，停止喂料。⑶启动1号送料传送带。⑷延时10秒后启动两个排料振动器进行排料，将称料仓中的配料通过1号传送带送入中间仓。⑸延时300秒后启动搅拌机，1号送料传送带停止工作。⑹延时3秒后，打开中间仓门，将中间仓中的配料放入混合仓通过搅拌机混合均匀。⑺延时300秒后，开启混合仓卸料门，启动2号传送带将混合均匀的配料送走。⑻延时300秒后全部停止工作，一个周期结束后回到初始状态或继续下一个周期。该配料生产线要求有自动、单周期和手动三种工作方式;在自动工作方式下，按下启动按钮后能连续不断地循环工作，直到按下停止按钮，当前工作周期结束后才停止工作;在单周期工作方式下，按下启动按钮后工作一个周期自动停止工作;在手动工作方式下，可手动调整1号传送带、2号传送带和搅拌机。

3.系统硬件设计

根据该配料生产线的电气控制要求，该系统有9台电机、2个电磁阀和1个过载报警电铃需要控制;在手动工作方式下，手动调整1号传送带、2号传送带和搅拌机，需要3个点动按钮;在自动工作方式下的启动和停止按钮;称料传感器SQ1和SQ2有两对4个输入点，工作方式转换开关有3个输入点，9台电机的热继电器串联共用一个输入点，因此该配料生产线的电气控制系统采用PLC控制需要有13个输入点，12个输出点，在设计过程中我们选用西门子S7-200系列PLC，基本单元选用CPU224模块DC14输入/继电器10输出，扩展单元选用EM223DC8输入/继电器8输出能满足控制要求。具体的I/O地址分配见表1。

4.系统软件设计

在系统软件设计过程中，根据系统控制要求和工艺流程设计出系统顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图。

4.1.顺序功能图的设计

顺序功能图设计基本的思想就是将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的步(Step),并用编程元件来代表各步;步是根据输出量的状态变化来划分的,在任何一步之内,各输出量的ON/OFF状态不变,但相邻两步输出量总 的状态是不同的,这样使得代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着直接的逻辑关系。在顺序功能图的各步之间只有一步是活动步，步与步之间的转换是通过转换条件来实现的，只有在前级步为活动步，并且满足转换条件的情况下才能由前级步转到后续步，前级步变为不活动步而后续步变为活动步。在配料生产线顺序功能图的设计中，我们根据控制要求将一个工作周期划分为10个步，并用位存贮存器M来代表各步，其中M0.0为初始步,M0.1～M1.1代表各工作步,完整的顺序功能图如图(1)所示。

在根据顺序功能图设计梯形图时可以有多种设计方法，即使用起保停电路的设计方法，以转换为的设计方法，使用顺序控制继电器的设计方法和使用移位寄存器指令的设计方法。我们在程序设计过程中彩用了起保停电路的设计方法。

起保停电路仅使用与触点和线圈有关的基本指令，可以用于任意型号的PLC，这是一种通用的编程方法;在程序中用初始化脉冲SM0.1将初始步对应的编程元件M0.0置位，为转换的实现作好准备，按下启动按钮后，按顺序功能图设计的顺序实现自动转换，前级步编程元件的常开触点作为由前级步转到后续步的先决条件与转换条件串联，只有当前级步为活动步且转换条件满足时，才能由前级步转到后续步;而后续步编程元件的常闭触点则串联在前级步编程元件的线圈回路中，当前级步转到后续步后，后续步变为活动步而前级步则变为不活动步，利用后续步编程元件的常开触点实现自保功能，这样一步一步转换实现控制要求。

为了实现各工作方式的转换，在自动工作方式下能连续不断的循环运行;而在单周期工作方式下，按下启动按钮后只工作一个周期就停止工作。在程序中使用了位寄存器M2.0，在自动方式时，按下启动按钮后M2.0得电并能自保，而在单周期方式时，按下启动按钮后M2.0得电但不能自保，在手动方式时按下启动按钮后M2.0不能得电。在由初始步M0.0转换到步M0.1时，不是将启动按钮I0.4串在M0.1的线圈回路中，而是将M2.0的常开触点串在M0.1的线圈回路中，这样就可以实现自动和单周期工作方式的转换控制。在手动方式下通过I1.5使代表各步的编程元件处于复位状态，按下点动按钮I0.1、I0.2、I0.3时对应的输出Q0.7、Q1.0、Q1.1得电，实现对搅拌机、1号传送带和2号传送带的点动控制。工作方式控制程序如图(2)所示，起保停主控程序及输出控制程序如图(3-1)，图(3-2)所示。