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1、本科毕业设计（论文）压缩机自动控制系统程序设计第一章 可编程逻辑控制器基础知识1. PLC概述在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。应用广泛。但是传统的电器控制系统存在体积大，可靠性低，查线和排除故障困难等缺点，特别是接线复杂、不易更改，对生产工艺的变化的适应性差。1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC，获得了成功。从此，可编程控制器这一新技术迅速发展起来。1.1 PLC的定义可变程序控制器（Programmable Controller）简称PLC，是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术
2、、通信技术融为一体的新兴工业控制装置。国际电工委员会（IEC）1987年在可编程控制器标准草案第三稿中定义如下：“可变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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。1.2 PLC的特点PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有许多独特的优点。主要有以下特点：(1)
3、可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。(2)编程简单，使用方便目前，大多数PLC采用的语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。(3)通用性强，灵活性好，功能齐全PLC是通过软件实现控制的，其控制程序便在软件中，对不同的控制对象都可以采用相同的硬件进行配置。(4)设计简单，维护方便由于PLC用软件代替了传统电气控制硬件，控制柜的设计、安装界限工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行调试，缩短了应用设计和调试周期。(5)体积小、重量轻、能耗低由于采用了集成电路，实现机电一体化的理想控制设备。1.3
4、PLC分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、控制规模等进行大致分类。根据PLC的结构形式可分为整体式、模块式、叠装式三类。整体式PLC是将电源CPU、I/O接口等部件都集中在一个机箱内；模块式PLC是将PLC各组成部分分别做成若干个单独的模块；叠装式PLC是将整体式和模块式结合起来。按PLC的控制规模，PLC可分为小型机、中型机、大型机。小型机，控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。中型机的控制点数一般在256点-2048点范围内，用户程序存储器的容量小于50K字。大型机的控制点数在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K
5、字以上。1.4 PLC现状与趋势PLC作为工控机的一员,在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。据统计,当今世界PLC生产厂家约150家,生产300多个品种。PLC在工控机市场中占有主要地位,并保持继续上升的势头。PLC在60年代末引入我国时,只用作离散量的控制,其功能只是将操作接到离散量输出的接触器等,最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的PLC具有PID调节功能,它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域,广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战,各厂家正采取措施不断改进产品,主要表现为以下几个方面：(1)微型、小型PLC功能加强很多有名
6、的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。（2）集成化发展趋势加强由于控制内容的复杂化和高难度化,使PLC向集成化方向发展,PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等,并强化了通讯能力和网络化,尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。（3）向开放型转变 现在开发以PC为基础、在WINDOWS平台下,符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC。2 S7-200基本组成SIEMENS SIMATIC S7-200由基本单元(S7-200 CPU模块),个人计算机(PC)或编程器，STEP7-Micro/WIN 32编程软件及通信电缆组成，是叠装式小型
7、PLC。它指令丰富、功能强大、可靠性高、适应性好、结构紧凑。如图3-1所示：图3-1 S7-200 PLC系统的构成(1）基本单元（S7-200 CPU模块）S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。在CPU模块的顶部端子盖内有电源及输出端子;在底部端子盖内有输入端子及传感器电源；在中部右侧前盖内有CPU工作模式开关、模拟量调节电位器和扩展I/O连接接口；在模块的左侧分别有状态指示灯、存储卡、及通信口。如图3-2。图3-2 S7-200 CPU模块(2）扩展单元S7-200 模块提供了一定数量的本机I/O，扩展模块提供了
8、附加的输入输出点（见图3-3）图3-3 带有扩展模块的CPU3）个人计算机（PC）或编程器个人计算机（PC）或编程器装上STEP7-Micro/WIN32 编程软件后，即可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监控等。PLC在正式运行时，不需要编程器。4）STEP7-Micro/WIN32编程软件STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，它支持32位Windows95，Windows98和Windows NT4.0使用环境。它的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、系统组态等。5）通信电缆通信电缆使PLC用来与个人计算机实现通信的。可以用PC/PPI电缆；使用通信处理
9、器时，可用多点接口电缆；使用MPI卡时，可用MPI卡专用通信电缆。6）人机界面文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示/确认方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时地修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。3. S7-200模块主要技术指标3.1 S7-200一般性能S7-200 CPU S7-200系列PLC可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用。主要性
10、能指标如下：表3-1 S7-200 CPU主要性能指标S7-200PLC CPU221CPU222CPU224CPU226集成数字量输入/输出 6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出可连接的扩展模块数量不可扩展2个7个7个最大可扩展的数字量输入/输出范围 不可扩展78点168点248点最大可扩展的模拟量输入/输出范围 不可扩展10点35点35点用户程序区 4K4K8K8K数据存储区 2K2K5K5K数据后备时间（电容） 50小时50小时50小时50小时后备电池200小时200小时200小时200小时编程软件 Step7-Micro/WINStep7-Micro/WINStep7-Mi
11、cro/WINStep7-Micro/WIN标志寄存器/计数/定时器256/256/256256/256/256256/256/256256/256/256通讯接口 1*RS4851*RS4851*RS4852*RS485外部硬件中断 4444支持的通讯协议 PPI，MPI，自由口PPI，MPI，自由口，Profibus DPPPI，MPI，自由口，Profibus DPPPI，MPI自由口，Profibus DP实时时钟 外置时钟卡（选件）外置时钟卡（选件）内置时钟卡内置时钟卡外形尺寸（W*H*D）mm 90*80*6290*80*62120*80*62196*80*623.2 CPU224
12、性能S7-200 CPU224一般性能如下表所示：表3-2 S7-200 CPU224一般性能电源电压DC24V,AC100-230V电源电压波动DC20.4-28.8,AC84-264(47-63HZ)环境温度湿度水平安装0-55，垂直安装0-45，5%-95%大气压860-1080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC24V(20.4-28.8)输出给传感器的电流280mA,电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型职位2.6K条指令数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护，在RAM中当前的DB1表职位、定时器、计数器等通过
13、高能电容或电池维持，后备时间190h,插入电池后备200天编程语言LAD,FBD,STL程序结构一个主程序快（可以包括子程序块）程序执行自由循环、中断控制、定时器控制（1-255ms）子程序级8级指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0-112计数器0-256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256 4个定时器，1ms-30s 16个定时器,10ms-5min 236个定时器，100ms-54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740,PG760,PC(AT)本机I/O口数字量输
14、入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74个模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可扩展模块7个CPU224输入特性如表3-3所示。表3-3 S7-200 CPU224 输入特性类型源型或汇型输入电压DC24V,“1”信号：14-35A,“0”信号：0-5A隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1”信号：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms(可调节)中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms(可调节)高速计数器
15、：（I0.0-0.5）最大30KHZCPU224输出特性如表3-4所示。表3-4 CPU224的输出特性类型晶体管输出继电器输出额定负载电压DC24V(20.4-28.8V)DC24V(4-30V) AC24-230V(20-250V)输出电压“1”信号：最小DC20VL+/L-隔离光电隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1”信号：0.75A“1”信号：2A最小输出电流“0”信号：10A“0”信号：0mA输出开关容量阻性负载:0.75A灯负载：5W阻性负载:2A灯负载：DC30W,AC200W我们现场所选用的为CPU224的继电器输出类型，其端子接线图如图3-4所示。图3-4 CPU
16、224 DC/DC/继电器连接器端子图3.3 EM231、EM235模块技术性能(1）EM231、EM235模拟量输入/输出技术规范表3-5 EM231、EM235模拟量输入输出技术规范说明EM231 A14*12位EM235 AI4/AQ1*12位输入技术规范输入技术规范 输出技术规范尺寸（W*H*D）重量功率损耗71.2*80*62mm183g2W71.2*80*62mm186g2W物理I/0数量4模拟量输入点4模拟量输入点，1模拟量输出点功耗 从L+L+电压范围60mA20.4至28.860mA（输出为20mA）20.4至28.8LED指示器24VDC电源良好ON=没有故障OFF=无24
17、V电源24VDC电源良好ON=没有故障OFF=无24V电源最大输入电压30VDC30VDC最大输入电流32mA32mA模拟量输入点数44隔离（现场侧到逻辑线路）无无输入电压（单极性）输入电压（双极性）输入电流模拟量输出点数0至10V,0至5V+5，2.5V0至20mA0至10V,0至5V,0至1V,0至500mV,0至100mV,至50mV+10,5,2.5,1V,+500,250,100,50,25mV0至20mA1信号范围电压输出电流输出 +10V0至20mA隔离 无 (2）EM231,EM235接线热电阻测量温度，压力变送器测量压力，将信号分别送入EM231测温模块，EM235测压模块，
18、由CPU224发出动作信号。两线制，三线制，四线制接法精度依次提高，我们选用三线制接线方法。如图3-5所示。图3-5 扩展模块的三线制接法(3）PLC内部DC+24V电源的负载能力EM231和EM235需要24V供电，可由CPU224的24V电源供给。CPU224输出电流最大为2A，需要计算是否能够负载。S7-200主机的内部电源单元除了提供DC+5V电源外，还提供DC+24V电源，DC+24V电源也称为传感器电源，它可以作为CPU模块和扩展模块用于检测直流信号输入点状态的DC24V电源，如果用户使用传感器的话，也可作为传感器的电源。一般情况下，CPU模块和扩展模块的输入、输出电所用得DC24
19、V电源是由用户外部提供。如果使用CPU 模块内部的DC24V电源的话，应该注意DC24V电源的负载能力。使CPU模块及各扩展模块所消耗电流的总和不超过该内部DC24V电源所提供的最大电流（400mA）。实际上，从L+提供给EM231输入的电流为60mA,提供给EM235的输入电流为60mA，输出电流为20mA。(4）EM231,EM235扩展模块的端子标识图3-6 用于EM231扩展模块的连接器端子标识图3-7 用于EM235扩展模块的连接器端子标识第二章 压缩机自动控制设计整体方案1.1 PLC设计的基本步骤 明确设计任务和技术条件PLC机型选择系统总体设计制作控制柜编制程序I/O配线程序检
20、测调试PLC安装局部模拟进行jingi进行联机调试系统试运行，程序备份整理系统文件交付使用满足要求？求？修改软硬件明确设计任务和技术条件明确设计任务和技术条件明确设计任务和技术条件NYY图4-1 PLC设计基本步骤1.2 PLC设计的基本原则根据控制任务，在最大限度满足生产机械或生产工艺对电气控制要求的前提下，运行稳定，安全可靠，经济实用，操作简单，维护方便。(1)最大限度满足被控对象提出的各种性能指标。(2)确保控制系统的安全可靠。(3)力求控制系统简单、经济、使用及维修方便。 (4)留有适当的余量 。1.3 压缩机控制自锁及手自动切换的实现根据控制的要求，压缩机能用PLC自动控制启停。但是
21、当PLC发生故障时，还必须能手动控制压缩机的启停。在初次设计中，选用一个回路来实现上述功能，经验证，无法实现所要求的功能。其线路图如4-2所示。1 压缩机的启动开关 2 PLC控制启动开关3 压缩机的停止开关 4 KM常开触点 图4-2 压缩机自手动控制线路图5 PLC控制停止开关 KM 接触器K 压缩机工作状态指示图中存在的问题是：当按下1时，压缩机启动，4闭合，形成自锁。按下3时，压缩机停止，实现手动控制。但是，当PLC不供电时，无法让开关5闭合，手动控制无法实现.在现场设计中，将PLC控制与手动控制回路分为两路，通过控制接触器线圈KM2通得电实现两路的切换。这种思想的实现可以选用一个双刀
22、双掷开关，来选择给手动回路供电还是给PLC供电，但由于现场没有选用此开关，我们选用接触器KM2来取代，实现它的功能。压缩机自锁及手自动切换线路图如4-3所示。图4-3 压缩机自动控制手自动切换实现当按下按钮SB3时，接触器KM2线圈得电，KM2的常开开关闭合，形成自锁，手动回路供电。此时，按下SB1，回路接通,KM1线圈得电，KM1常开开关逼和，形成自锁，压缩机启动；按下SB2，回路断电，压缩机停止。当按下SB4时，手动回路切断电源，系统进入自动状态，手动控制不能实现控制压缩机启停。当SB3不动作时，总开关一闭合，系统进入自动运行状态，压缩机的控制直接由PLC实现。2 整体设计2.1 硬件设计
23、部分1）压缩机控制系统的配置在明确了控制任务和控制要求后，选择现场所用的硬件和软件配置如下所示：在硬件方面：PLC选S7-200 CPU224；测温模块EM231；测压模块EM235；选用CU50 热电阻测温器件检测压缩机气缸的温度；选用SH115型压力变送器检测压缩机出口处的压力；气动电磁阀（五个）；手动阀（五个）；交流接触器（两个）；控制柜；接线端子排（两个）；电源及若干导线。在软件方面：主要有PLC S7-200编程组态软件STEP7-WIN32、上位计算机驱动软件及操作软件等。STEP7-WIN32是基于Windows的应用软件，功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。所用各种配置
24、见附件表一。2）PLC 的控制对象 PLC温度压力出口电磁阀V2放油电磁阀V3放水电磁阀V4放气电磁阀V1压缩机的启停放水电磁阀V5温度上限报警压力上下限报警蜂鸣器CPU输出的控制信号有压缩机起停，电磁阀，温度上限报警，压力下限报警，压力上限报警，蜂鸣器。如图4-4所示。图4-4 PLC控制结构图3）设计方案 根据控制要求，现场改造管路流程图见附件图一。在这个系统中，压缩机气缸的温度由CU50热电阻测得，将信号传入EM231测温模块，CPU给出控制信号，控制压缩机的启动和停止。压缩机出口压力信号由压力变送器测得，并将信号传入EM235模块，CPU 给出控制信号。柜面布置图见附件图二。图4-5为
25、简单示意图。其中，L1为电源指示灯，L2为压缩机工作状态指示，L3为温度上限报警，L4为压力下限未开图4-5 柜面布置图 报警指示，L5为压力上限未关报警指示。按钮SB1为压缩机启动开关，按钮SB2为压缩机停止开关，按钮SB3为手动开关，SB4为自动开关。柜内布置图见附件图三。由于压缩机周围环境不是太理想，温度较高，油污较多，清洁性差，不宜把面板安装在柜面上，设计安装在柜内。现场接线图见附件图四。设计选用的报警灯，指示灯均是由24VDC电源供电。按钮选用的是220VAC电源。 注意：在接线的过程中，要思路清楚，布线整齐，有适当的标识。多次查线，逐步调试，确认无误后方可接入现场。3.软件设计1）
26、编程软件STEP7-Micro/WIN32PLC系统的软件设计是依据一定逻辑关系，以梯形图方式编写后写入PLC中。在PC机中，可实现在线组态、监控，对输入、输出点可以强制状态，以满足调试、维护需要。STEP 7-Micro/WIN32是基于Windows平台应用软件，是SIEMENS公司专为SIMATIC系列S7-200研制开发的编程软件，它可以在线（联机）或离线（脱机）开发用户程序，并可在线实时监控用户程序的执行状态。STEP 7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务，例如，创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。利用该软件可设置PLC的工作方式和参数，上载和下载
27、用户程序，进行程序的运行监控。它还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密等功能，并提供在线帮助。上载和下载用户程序指的是用STEP 7-Micro/WIN32编程软件进行编程时，PLC主机和计算机之间的程序、数据和参数的传送。上载用户程序是将PLC中的程序和数据通过通信设备（如PC/PPI）电缆上载到计算机中进行程序的检查和修改；下载用户程序是将编好的程序、数据和CPU组态参数通过通信设备下载到PLC中以进行运行调试。程序编辑中的语法检查功能可以避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图错误处下方自动加红色曲线。软件功能的实现可以在联机工作方式下进行，部分的功能的实现也可以在离线工作方式
28、下实现。联机方式是指带编程软件的计算机或编程器与PLC直接连接；离线方式是指带编程软件的计算机或编程器与PLC断开连接，只能实现部分功能。2）程序设计流程图根据控制要求,程序设计流程图如图4-5所示。PLC一上电，打开除油罐电磁阀V3，除水罐、储气罐电磁阀V4、V5放油，放水20秒钟。若检测压力小于0.02Mpa,则直接启动压缩机，并有未开报警，如压力在0.02Mpa和0.2Mpa之间，先放气20秒钟，再启动压缩机。若检测压力大于0.5Mpa，则关压缩机，并进行检测压缩机是否关闭，未关则报警。关阀1，开阀2，开压缩机，有未开报警温度报警关压缩机延时20秒放油,放水T90?P0.5Mpa?Y压力
29、报警关压缩机YNNP0.51Mpa?压力报警关压缩机YNP0.2Mpa?N关阀2，开阀1，放气Y延时20秒，关阀1，开阀2，开压缩机，有未开报警PSystem Block，点击Output Table选择块来使用输出表设置对话框，设置输出时，你有以下两种选择：（1）如果想保持上依次的输出，那就选择Freeze Output框，点击 “OK”。（2）如果想把输出表中的值复制到输出点上，则填写输出表值，点击你想要的相应位，则从RUN转到STOP方式后，该位便置为1（ON）。点击“OK”来保存你的选择。STEP 7-Micro/WIN 32的缺省设置是把输出表的值复制到输出点上，而输出表的缺省设置全为0（OFF）。图4-6 设置输出表3 下装/上装程序及CPU连线程序包括三部分：用户程序，数据块（可选），CPU组态（可选）。如图4-7 所示，下装的程序存于CPU存储器RAM区。为了永久保存，CPU会同时自动地把这些用户程序、数据块（DB1）以及组态拷贝到EEPROM中。图4-7 Download程序当从CPU上装一个程序时，用户程序及CPU配置从RAM中上装到个人计算机（PC）。当上装数据块时，存于EEPROM中的永久数据块将同存于RAM中剩下的数据块（如果