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第3章 控制系统硬件设计
3.1 PLC总述
3.1.1 PLC工作原理
PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以它属于串行工作方式。
PLC工作的整个过程可分为三部分：
第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。
第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。 第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。
PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：
读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出执行→CPU自诊断。PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程一直到关机。
当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。分析上述扫描过程，如果不考虑远程的服务要求，这样扫描过程就只有“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也就是PLC的工作原理。 3.1.2 PLC系统选型
燃油锅炉系统设计选择了西门子模块化中小型PLC系统S7-200，它能满足系统性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、易于实现分布、易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种中小型性能要求控制任务的首选。S7-200系列具有的多种性能的CPU和丰富的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。
当任务规模扩大时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。西门子S7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，使其具有更高的工业环境适应性。
此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋
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予的功能控制PLC有条不紊的进行工作。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制和状态总线构成。CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路，内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU的主要任务是控制用户程序和数据接收与存储；用扫描的方式通过I/O接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；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，从存储器读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
PLC产品的种类繁多。PLC的型号不同，对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式，安装方式的选择,相应的功能要求，响应速度要求，系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。
通常PLC的输入类型可以是直流、交流或交直流，使用最多的是直流信号输入PLC。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC自身的电源提供。
表3-1 S7-200系列PLC CPU型号表
特 性 CPU221 CPU222 CPU224 4096B 2048B 8192B 8192B CPU224 XP 12288B 10240B CPU226 16384B 10240B CPU226 XM 24576B 20480B 程序存储区 4096B 数据存储区 2048B 本机I/O 6入4出 8入6出 14入10出 14入10出 24入16出 24入16出 2 7 7 7 7 扩展模块数 0 通过对燃油锅炉控制系统控制要求的分析可知，系统共有开关量输入点5点，开关量输出点7点，所以选用CPU224，它可以扩展7个模块能够满足控制要求。CPU224的外围接线图如图3.1所示。
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图3-1 CPU224外围接线图
3.1.3 I/O地址分配
根据燃油锅炉控制系统的控制要求，I/O通道地址分配如表3-2和3-3所示。
序号 AIW0 AIW2 AQW4 功能信号 温度传感器1输入 温度传感器2输入 给变频器信号 表3-2 输入输出信号代码和地址编号
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名称 启动按钮 停止按钮 水位上限开关 水位下限开关 蒸汽压力开关 热继电器 燃油预热器继电器 鼓风机接触器 点火变压器继电器 瓦斯阀 喷油器电磁阀 进水阀 出水阀 喷油器低转速电磁阀 代码 SF1 SF2 BG1 BG2 BP BB KF1 QA1 KF2 MB1 MB2 MB3 MB4 MB5 地址编号 I0.0 I0.1 I0.3 I0.4 I0.2 I0.5 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7
表3.2 模拟量输入输出信号代码和地址编号表
3.1.4 PLC主机图
系统所选PLC型号的主机图
图3.2 PLC主机图
3.1.5扩展模块选型
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系统采用西门子S7-200模拟量编程。EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。本次设计选择常用的EM235作为扩展模块。 数字量输入/输出模块支持：连接控制系统的数字量过程信号，向过程控制系统输出数字量控制信号，为CPU的本机I/O提供更多的数字量输入/输出，数字量输入/输出模块转换，来自过程的外部数字信号电平转换成S7-200内部信号电平，将S7-200的内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平。 表3.4 EM235的常用技术参数 模拟量输入特性 模拟量输入点数 输入范围 4 电压（单极性）0～10V 0～5V 0～1V 0～500mV 0～100mV 0～50mV 电压（双极性）±10V ±5V ±2.5V ±1V ±500mV ±250mV ±100mV ±50mV ±25mV 电流0～20mA 数据字格式 双极性 全量程范围-32000～+32000 单极性 全量程范围0～32000 分辨率 模拟量输出特性 模拟量输出点数 信号范围 1 电压输出 ±10V 电流输出0～20mA 数据字格式 电压-32000～+32000 电流0～32000 分辨率电流 电压12位 电流11位
12位A/D转换器 10