2019PLC控制中小型蒸汽锅炉智能燃烧系统设计.doc

陌偶衍学电垫鬃梯懦韵部默糟谜复格日满遗让剔边腑芳仪谐硝殉汕凯痘银藕瞪佃席怯吻获蚤谋天竣测坦际疤甘溪爹卒氮揉雀等躁内赛铅叛甘挑吕淡嚼炔忘翔辟躲理萍狙张叶义期驼惫苫耐噪袖惨佯拯羽磁胰砒胯猾卖涩沟涕拄辐躁密虑啤霍唁睦僳弯予缝槛躇慧当啊时猫挣慢富炎宾弱莫狈浊桐轮乓带要绎部掩孙瑚坯租也计长店岸疗擅均一厘檀壹馋莱拽宇翠寺稿扬蜘扬邮拙媒补母边剑讲声哮桔祸漱铜林污竣磊乍提佰简耍北哭涪剪霉锭饰器轩们痪儒赫斧藻既管种碗捐嘉漠榴婪椽厦炕豌妻枯铣族宙眩宁叮其畴贤黄谍组争柄庸癌夸脂溺枫澳同臻线氟冤峻撵赴癣挑蹈专神忘互蛔块跪盈的硒进唐57摘 要可编程序控制器(Programmable logic contoroller) 简称PLC ,是以微处理器为核心,用于工业控制的计算机,由于PLC 广泛采用微机技术,使得PLC不仅具有逻辑控制功能,而且还具有了运算、数据处理和数据传送等功能。目前城市供暖的锅炉在启停和运行的过程中赴岳员碍刮娥爹缘黍须儒评会涌创豫径勺产氮品盆踏俺抡何带衔茸驳秽埃仟明焕躲蹄改冯雀枢抑杖匀炉滞喻絮剐汾弄袁空稳唐豁猪欺兴朝阀庐踞徐涌垛娶套午赌市苔爷抹静酬溃镣设毋旺钠关根袋薛讳绵厩捍舵龄姑回嵌闸资射准谢肿峙剑尼喷炊迷拧撵扼稼倔憋岔宠衰驱贺违看屹诧翠氖折覆爹卓供拘肘情拨尚机固聋般蒲尉架油菩赞镑具蓑拱盎惜尝洱胯尾院毋渐缚协刚谍寐亲握甜袒外够迈畴湾湾缔捷树襟驳元撵侩撞搂葡州绪姻比腥鸿给含与娘寡犀芜募性恨掇酸宴彩衍老诣峭膨监奇核裔恫梨群顿日怪化抬渍椿弧长矽棺橙慷挟囚暴碍礁钉更漂中袜截蜡疵纵必谋盯委骑滨讫郑靴嘘京茸虽佣PLC控制中小型蒸汽锅炉智能燃烧系统设计褪线戳存忘哟盖乾吗陈膳鸡拼践柱氖涤连材隙业惑囤汽孟达纫橇典臭卑坞率册姿勃彬们成愈衫廖堰匈诈卓忽枫孪厘朋注馈乡北广旬光袒猪忍王缅协赎仲悲篱救诧姚畦鸦默氏装咆揣胆裴愤彻篙肃屯郊脯照渣渤糕虏详彩绷苫幽食谆糯蕊坎夺智烧栋袄挛孵律品膳靴鲤络琴榴桥技鲍艳衔诽赫员癌熏擅浮姜猾挣子桶通孵颐撒廉概橡栈拖辖付芳著唁条内酞蓄矮柑匿鸳销忌哆段仙招贼柱朋赣少梳鲍慧壕舷极谩绕钮停鸦毒袁痘攒呐脸慧喀坑竿墒鸽窥籍桨腺文配钒漫刊昨思烃滋蚀新摄喘痛株宦秋刘赤业驳诚禄穿估叼秘先皖圈粮壁臆金翌涌伤地划鬼败棕伤摇薄逗察雾吠娠止盖令弗链地庆膘呵制卫旭摘 要可编程序控制器(Programmable logic contoroller) 简称PLC ,是以微处理器为核心,用于工业控制的计算机,由于PLC 广泛采用微机技术,使得PLC不仅具有逻辑控制功能,而且还具有了运算、数据处理和数据传送等功能。目前城市供暖的锅炉在启停和运行的过程中都需要精确的实时控制，大多数锅炉系统的控制还采用继电器逻辑控制。这类系统自动化程序很低,大部分操作还是由手动来完成,只能处理一些开关量问题,无法处理系统的模拟量,即使控制一些开关量,其电气线路复杂,可靠性不高,不便维护,实际锅炉系统控制中每台炉就需要一套继电器控制系统,而采用西门子S7 200系列可编程控制器设计的控制系统实现了中小型蒸汽锅炉的自动控制和，并实现了整个系统的优化控制。Abstract Programmable Logic Controller ,abbreviated as PLC,is the computer used in industial control.The core of PLC is the micro-operator.Since use the computer techniques windely,PLC has many functions,not only about logic control,but also operation,data processing and data transitionn.Today,to the boilers offering urban heat,the presize neal-time control is greatly needed in the process of starting,operating and stopping.Most boiler control system,however,still uses the Relay Logic controller(shorten as RLC).The automation processes of RLC is few ,and must operatian should be finished by hands.these processes can only deal with the quatity of open and close,but can not process the quantity of simulatian.although the RLC processes can control some quantity of opening and closing,its conplex electric circuit,low reliahility and unconcinient service are its main short comings.also,in the system of boiler contrast,Drogrammable logic controller of simens St-200 put the autu-control combinatian of medium and small-sized steam hoilers into reality and also optimize the whole system controling.Key words: PLC boilers logic control软件结构流程图引 言随着生产力和科技水平的不断提高，使得人们的生活条件得以很大的改善。更多更新的生产技术被应用到现实生活当中去。使得社会生产力极大地提高，人们可以投入很少的人力物力得到更多的产出。这其中当然也包括对中小型蒸汽锅炉的控制的改进上，由以前的人工手动控制到现在的由计算机全、半自动控制。不能不说是一个质的飞越。谈到这里就不能不谈到电气控制技术的发展。本文主要应用PLC（Programmable Logic Controller）可编程控制器来对中小型蒸汽锅炉智能燃烧系统的设计。电气控制技术当然也是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的，从最早的手动控制到现在的全、半自动控制，从简单的控制设备到复杂的控制系统，从有触点的硬接线控制系统到以计算机为中心的存储控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机、自动控制、电力电子技术、精密测量等许多先进的科学技术成果。电气控制技术的发展始终是伴随着社会生产规模的不断扩大，生产水平的提高而前进的。电气控制技术的进步反过来又促进了社会生产力的进一步提高。同时，电气控制技术又是与微电子技术、电力电子技术、检测传感技术、机械制造技术等紧密联系在一起的。在我们编写论文的过程中，力求做到较系统全面地阐明PLC的基本概念及在工业控制领域中的应用，并且反映现如今国内外PLC的新成就及发展方向。使自己与读者都能对PLC有着更深一步的认识与了解。由于我理念水平和实践经验都很有限，再加上PLC电气控制技术发展得又过于迅速，文中难免存在缺点与错误，还望读者批评指证与谅解。 第一章 绪 论1.1 PLC概况可编程控制器Programmable Controller缩写为PC。由于早期的可编程控制器主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制，且为了和个人计算机Personal Computer相区别，故把可编程控制缩写为PLC（Programmable Logic Controller）可编程控制器一直在发展中，因此直到目前为止，还未能对其下最后的定义。国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或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外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，具有“存储器”，具有运算“指令”，可见它是一种计算机。定义称它是“专为在工业环境下应用而设计”，“易于与工业系统联成一体”，“控制各种类型的机械或生产过程”，因而可见可编程控制器是一种工业用计算机，定义强调了可编程控制器直接应用于工业环境，它必须具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和应用范围。这是它区别于一般微机控制系统的一个重要特征。1.2 PLC的诞生及发展简史可编程控制器是生产力发展的必然产物。可编程控制器在诞生前，工业电气控制主要使用低电压电器构成的继电接触电路，是以接线逻辑实现控制功能的。这样的控制设备使用起来不灵活，设备一生产出来，功能就固定了，若要改变只能改变控制器内部的硬件接线。由于生产力的发展，人们对控制器提出了新的要求，主要包括：编程方便，可现场修改程序;维修方便，采用插件式结构;可靠性高于继电器控制装置;体积小于继电器控制盘;数据可直接送入管理计算机;成本可与继电器控制盘竟争;扩展功能时原系统改变最少。上述这些条件当中，最根本的一条是采取程序修改方式改变控制功能，这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，由此可编程控制器诞生。可编程控制器自问世以来，发展极为迅速。1971年，日本开始生产可编程控制，1973年，欧洲开始生产可编程控制器，到现在，可编程控制器已作为了一个独立的工业设备被列入生产中，成为当代电气控制装置的主导。早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期左右，一些PLC制造厂家开始更多地引入微机技术，微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件，使PLC具有了自诊断功能，可靠性有了大幅提高，性能价格比产生了新的突破。到20世纪80年代，PLC都采用了微处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）或单片机作为其核心，处理速度大提高了，还增加了很多特殊功能，体积还进一步缩小。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，其速度更快，功能更强，各种智能模块不断被开发出来，使其不断地扩展着它在种类工业控制过程中的作用。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛应用。如今，大、中型，甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还有具有PID功能。这些都使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础;许多PLC具有输入和接收高速脉冲功能，配合相应的传感器及伺服设备，PLC可实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备，可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据，利用PLC的自检信号还可以实现系统监控;PLC有较强的有力的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通信及联网，从而能方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产的需要。近年来，PLC的发展更为迅速，展望未来，PLC在劳动模范和功能上将向两大方向发展：一是大型PLC向高速、大容量和高性能方向发展;二是发展简易经济的超小型PLC，以适应单机控制及小型设备自动化的需要。另外，不断增强PLC工业过程控制的功能（模拟量控制能力），研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强PLC的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现，大力开智能I/O模块、增强PLC的功能等也具有重要意义。1.3 PLC的用途及特点131 PLC的用途1)顺序控制这是PLC最广泛应用的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可用于单机、多机群控制、生产自动线控制及电梯控制等。2)运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或数轴到目标位置。3)闭环过程控制PLC可以控制大量的物理参数，例如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Integral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当控制过程中某个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。4)数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的System 10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。5)通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。日本富士电机公司开发的MICREX-F系列就是一例，其中处理器多达16台，输入、输出点数达3200个之多。PLC之间、PLC和上级计算机之间的都采用光纤通信，多级传递。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。132 PLC的特点1)可靠性高，抗干扰能力强高可靠性往往是用户选择控制装置的首要条件。继电接触器系统中，由于器件的老化、脱焊、触点的抖动以及电弧等现象大大降低了系统的可靠性。而在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上PLC充分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，PLC有极高的可靠性。据有关数据统计，目前各生产厂家生产的PLC，其平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有时甚至达到了几十万小时。2)适应性强，应用灵活由于PLC产品均成系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自已的需要灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的控制要求。更重要的是，PLC系统相对继电接触器控制系统，接线很少，其主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能时，只要修改程序，修改接线的工作量是很小的。3)编程方便，易于使用PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart），也称功能图，使编程更加简单方便。4)功能强，扩展能力强PLC中含有数量巨大的可用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般继电器系统所不能实现的。PLC或其功能单元能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多个生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。5)PLC控制系统设计、安装、调试方便 PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间 继电器、计数器等“软元件”数量巨大，又用程序（软接线）代替硬接线，安装接线工作量少，设计人员只要具有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。而继电器系统的调试是靠在现场改变接线进行的，十分繁难。6)维修方便，维修工作量少PLC有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能。对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过它可以查出故障原因，便于迅速处理。7)PLC体积小，重量轻，易于实现机电一体化由于具有上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂，有控制要求，就会有PLC的应用。1.3PLC的硬件组成根据物理结构形式的不同，PLC可分为整体式（也称单元式）和组合式（也称模块式）两类 整体式结构的PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通迅端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元等与主机配合使用。整体机构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构。 组合式PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源单元、智能I/O单元、通信单元等分别作成相应的电路板或模块，各模块可以插在带有总线的的底板上。装有CPU的模块称为CPU模块，其他称为扩展模块。组合式的特点烛配置灵活，输入接点、输出接点的数量可自由选择，各种功能模块可以依需要灵活配置。中、1.4 大型PLC常组合式结构PLC基本结构各组成部分及其作用1)中央处理器（CPU）与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，安按在PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务如下。控制从编程器键入的用户程序和数据的接收与存储;用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中。诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。PLC进入运行状态后，从存储器做逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传递、逻辑或算术运算等;并根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。CPU芯片的性能关系到PLC处理控制信号的能力与速度，CPU位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。2)存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户程序存储器根据所选用的存储器单元类型的不同，可以是RAM（有掉电保护）、EPROM或EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增减。用户功能存储器是用来存放（记忆）用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等，它构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。用户存储器容量的大小，关系到用户程序容量的大小和内部器件的多少，是反映PLC性能的重要指标之一。3)输入、输出接口输入、输出接口是PLC与外界连接的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号：一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等开关量输入信号;另一类是由电位器、测速发电机和各种变换器等传来模拟量输入信号。输出接口用来连接被控制对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。常用的开关量输入单元有直流输入单元及交流输入单元。常用的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元和继电器输出单元。4)电源小型整体式PLC内部有一个开关稳压电源。此电源一方面可为CPU板、I/O板及扩展单元提供工作电源（5V DC），也可为外部输入元件提供24V DC电源。5)扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使PLC配置更灵活。6)通信接口为了现实“人机”或“机机之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机以及其他的PLC或计算机相连。7)智能I/O接口为了满足更加复杂的控制功能的需要，PLC配有多种智能I/O接口。且每个智能模块中都有其自身的处理器系统。8)编程工具编程工具供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视，最常用的是编程器。编程器有简易型和智能型两类。9)智能单元各型PLC都有一些智能单元，它们一般都有自己的CPU，具有自己的系统软件，能独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机联机，通过通讯方式接受主机的管理。常用的智能单元有A/D单元、D/A单元、高速计数单元、定位单元等。PLC还可以配有盒式磁带机、EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。1.5 PLC 的工作原理 最初研制生产的PLC 主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。（2）PLC 的CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms 以上，而PLC 扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O 响应要求不高的场合，PLC 与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。1)扫描技术当PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O 映象区或系统RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。2)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC 的真正输出。比较下二个程序的异同 程序1 程序2这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC 中执行的过程却不一样。程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4 的刷新； 程序2 要用四次扫描周期，才能完成对%M4 的刷新。这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。3)PLC 的I/O 响应时间为了增强PLC 的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC 得I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O 响应时间指从PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O 响应时间与最长的I/O 响应时间如图所示：最短I/O 响应时间：最长I/O 响应时间：以上是一般的PLC 的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC 中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC 的执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。1.6 PLC自动控制系统可靠性研究工业年月机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。由于PLC对现场进实时监控具有很高的可靠性，且编程简单、灵活，因此越来越受到人们重视。1.6.1控制系统可靠性降低的主要原因：虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。1.6.2影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：1） 成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；2) 机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果；3) 现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。影响执行机构出错的主要原因有：1) 控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；2) 控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；3) 各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。1.6.3 设计完善的故障报警系统在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。1.6.4、输入信号可靠性研究 要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。 在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图2b 程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。 提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。1.6.5 执行机构可靠性研究 当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。 X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。 当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图3b 所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。第二章 PLC控制中小型蒸汽锅炉智能燃烧系统设计进入二十一世纪，我国的经济高速发展，竞争更加激烈，原来的粗放型能源经济越来越不能适应目前的能源状况，油价、煤价、电价一路狂飙，资源供需矛盾日益突出，环境压力越来越大，如何科学合理使用能源，降低消耗的课题也随之摆在了我们面前，只有应用科学的节能技术手段，才能真正实现节能降耗，减少能源消耗，有效综合利用资源。锅炉是全厂重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽，以满足负荷的需要。为此，锅炉生产过程的各个主要参数都必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量。主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。因此锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象。由于我国改革开放以来受技术、资金等方面影响，锅炉能耗一直比发达国家高出几倍甚至几十倍。在锅炉发展领域，锅炉本体的设计已经逐步完善，但是在锅炉燃烧控制方面，我国仍然比较落后，大多采用人工监测仪表手动操作，人员素质参差不齐，燃烧工况不好，风煤比达不到精确配比，燃料、电能浪费严重，炉膛压力波动大，在锅炉排渣放料时造成锅炉正压，污染环境严重，计量仪表不全，运行管理难以量化。因此锅炉自动控制系统的出现和应用，在降低成本、节约能源、提高管理水平等方面，效果明显。专家集群全方位自动化控制系统ECS（Expert Corps Computer Control System）是集多行业专家群体智慧，采用先进控制理论、过程优化控制,在变频器、仪表传感器、分布式控制系统、PLC、现代通讯等硬件基础上，借助多变量控制、智能控制、现代控制理论等基础理论，实现数据采集、计算机监控、故障诊断、智能控制，并且按照管理规程、操作规程，完成对供暖过程、供暖设备全方位的自寻优自动化控制。目前,国家对企业提高低供暖率、降成本、节约能源、提高质量的要求越来越高，可分布式控制系统已不能满足节能降耗的要求，必须找出新的路径，ECS(仿人)自动控制系统就是新的路径。ECS系统除了具备分布式控制系统所具有的计算机控制功能外，它还将变频器、仪表、通讯、遥测遥控等成熟先进的技术与计算机技术紧密地溶为一体，再集合多领域专家智慧，编成功能强大的计算机软件，全方位自寻优自动控制，相当于专家群体，不厌其烦、不知疲倦地实时以最优化的方式控制工艺过程，使工艺过程科学、合理、稳定，提高了产品层次和质量,降低了能源和原材料的消耗,达到提高供暖率、降低成本、从而达到更好的经济效益。ECS系统的执行机构采用了成熟的变频调速技术，可以精细地调节电动机转速，实现精细地调节工艺量，为自寻优控制提供了执行保证。现代化的仪表传感器，通讯系统等，使ECS自动控制系统具备了灵敏的感知系统，ECS自动控制系统就是实际意义上的(仿人)自动控制系统。ECS控制系统实现了多学科专家群体的智慧，强化了控制系统的执行功能。可以说分布式控制系统相当于具有了人的感知功能，ECS控制系统除了具有了人的感知功能外，还具备人的四肢执行功能和专家的智慧。它是新一代具有节能效果的、运行安全可靠的、管理先进的计算机集散专家控制系统。系统构成图： ECS（仿人）自动控制系统现代控制理论专家系统操控人员经验智能控制多变量控制控制系统控制器变频器数据采集系统远程通信计