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1、 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 基于PLC的水泥厂磨机自动控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教授 起迄日期： 2009.32009.6 设计地点： 实验楼 _ Graduation Design (Thesis)Design of Automatic Control System based on PLC for Cement millBy Supervised byAssociate Prof. Department of Automation Engineering June, 2009南京工程学院本科毕业设计（论文）摘
2、要本课题主要采用西门子S7-200系列PLC进行水泥厂磨机自动控制系统的设计，用来实现水泥厂磨机的：逆流程起车、顺流程停车、紧急情况下设备急停、设备集中逻辑闭锁控制、单台设备起停控制。大多数中小型水泥厂在建厂初期或改造时资金都很紧缺，如何解决有限的资金与先进的自动化水平之间的矛盾一直是困扰水泥行业的头疼问题，PLC技术的低成本的特性恰恰满足了这一需求；水泥生产过程为连续过程，需要大量的顺序和联锁控制，开关量点数占总数的80，这非常符合价格低廉的PLC的控制特点。S7-200系列小型PLC (Micro PLC)可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7-200
3、PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。负荷控制方面采用的是模糊控制系统。将模糊控制用于PLC水泥厂磨机自动控制系统，实现磨料的自动配比，以更好的完成水泥生产任务，提高生产质量。关键词：PLC；西门子S7-200；模糊控制ABSTRACTThe main content of the subject is design a automatic control system for cement mill with Siemens S7-200 series PLC. It includes inverse process start, process stop, breaking in ca
4、se of emergency, focus logic control of the equipment, single machine starting and stoping.Most of the small and medium-sized cement plant are Lack of money at the beginning or at the time of transformation. The S7-200 series is a line of micro-programmable logic controllers (Micro PLCs) that can co
5、ntrol a variety of automation applications. Compact design, low cost, and a powerful instruction set make the S7-200 a perfect solution for controlling small applications. The wide variety of S7-200 models and the Windows-based programming tool give us the flexibility we need to solve automation pro
6、blems. Fuzzy Control here is used to mix materials, in order to finish the mission well, and improve production quality.Key words：PLC; Siemens S7-200 PLC; Fuzzy control目 录第一章 绪论11.1引言11.2水泥磨改造原因21.3控制设计思路21.4 系统主要功能31.5 磨机主要检测参数及控制回路4第二章 PLC介绍82.1 PLC的功能和应用82.2 PLC的基本工作原理102.3 S7-200概述13第三章 模糊控制认识18
7、3.1 模糊控制由来183.2 模糊控制系统的组成193.3 模糊控制的基本原理203.4 模糊控制系统的语言表示213.5 几种主要的模糊推理方法22第四章 水泥磨机的负荷控制244.1水泥粉磨过程工艺244.2水泥磨模糊控制思想274.3 模糊控制的实现294.4 控制效果32第五章 下位机编程软件设计315.1 STEP7 V5.0简介315.2 PLC控制系统设计345.3 STEP7设计仿真37本文结构38第六章 结论396.1 结论396.2 经济效益39致谢41参考文献42附录A：英文资料43附录B：英文资料翻译48附录C: 下位机程序清单52附录D: 以三台机为例的仿真图形60
8、V第一章 绪论1.1 引言现如今，生产过程自动化在水泥行业的发展中有着极其重要的地位。它不仅有效地保证了生产的高效和稳定，大大提高了水泥产品质量，降低了能耗和生产成本，同时提高了全员劳动生产率。然而，除一些大型水泥厂投资额充足外，大多数中小型水泥厂在建厂初期或改造时资金都很紧缺。解决资金问题成为自动化发展的重要目标之一。随着计算机技术的迅猛发展，处理器计算能力的日益强大，网络技术的日臻成熟，计算机产品价格的不断降低，全面降低自动化控制系统的投资额已成为可能。正是在这个背景下，我们引用计算机技术完成了水泥厂水泥磨系统的设计和安装调试运行。水泥生产过程是一连续过程，需要大量的顺序和联锁控制，开关量
9、点数占总数的80%，这非常符合价格低廉的PLC的控制特点。目前，PLC技术有了很大的发展，它不仅加强了对连续量的控制功能，还提供了基本的PID运算及各种应用计算功能模块。在操作员接口方面也不断推陈出新，开发出功能强大的通用组态软件，使整个系统在计算能力、响应速度、灵活性与可维护性方面得到了很大的提高，成为具有较高性能价格比，极富竞争力的PLC和IPC集成控制系统，它已成为中小型水泥厂的首选控制系统。如Siemens公司的PCS7、S7系列、GE公司的90-30系列、AB公司的SLC系列、Modicon公司的Quantum系列等。水泥粉磨是水泥生产过程中的一个重要环节，水泥配料与磨机负荷控制效果
10、是影响水泥产量质量的关键，由于该生产现场环境比较恶劣，工人操作劳动强度大，一般控制手段难以达到要求，容易造成水泥质量不稳定，设备运行安全系数小，水泥产量低。利用计算机控制实现磨机负荷自动控制、水泥配料自动控制以及机电设备启停和储库料位信息采集等综合管理控制，对改善工人劳动环境，保证水泥磨长期安全运转，提高产量，稳定质量，降低能耗等方面具有重要的意义，采用计算机控制可以取得很好的社会经济效益。 水泥配比和机电设备自动启停等方面的技术国内已比较成熟，应用也比较广泛。要实现磨机负荷自动控制，一般采用提升机功率、磨音、粗粉（或细粉）回粉量等能反映磨机负荷状态的控制方法。国外对水泥磨机负荷控制，大多采用
11、选粉机粗粉回粉量加新入磨料量，即设定常数的方法；国内对水泥磨负荷的控制除采用设定常数方法外，一般选用以下几种方法：采用“电耳”检测磨音信号进行控制，如松江水泥厂和洛阳水泥厂。提升机功率和磨音（电耳）信号进行控制，如福建顺昌水泥厂和福州粉磨站。采用出磨料量或选粉机细粉量等于入磨料量进行控制。我们的项目中采用的是提升机功率磨音信号粗粉回粉量的控制方法。81.2水泥磨改造原因老式的控制系统由于入磨物料配比不稳定和磨机负荷控制力度不够，设备台时产量偏低,不能有效实现产量质量达标。由于配料手段落后，现场环境条件较差， 工人操作困难以及磨机负荷控制的滞后性， 造成“空磨”、“饱磨”频繁发生，研磨体的磨机衬
12、板无功磨损较大，能耗高，噪声大，水泥质量不稳定。鉴于以上原因，用户提出对系统进行改造并有如下控制要求：1) 系统全部采用微机控制；2) 保证系统运行可靠，维修、操作方便；3) 系统设备要有“就地”、“中控”两级控制，以中控操作为主；4) 工艺参数直观、齐全、准确。1.3 控制设计思路鉴于以上控制要求，我们对系统的控制设计思路如下：就一台设备而言，每台设备的电机设有两种启动方式：机旁就地控制（手动a）和中控室集中控制（自动c），个别重要设备还设置了控制柜手动停止按钮，如磨机等。正常情况下，控制柜的多节转换开关（SA）都是打在自动位置，设备都是集中由机控室的操作人员通过微机来操作的，只有在检修时才
13、打在停止位。说明，多节转换开关可以控制多台设备。在手动状态下，由启动按钮启动设备，停止按钮停止设备；在自动状态下，由上位机发指令给PLC，PLC通过DO模块相应的通道给中间继电器K的线包一个高电平，继电器线包即吸合，其常开节点K1接通，对应的接触器KM线圈得电，主触头吸合，生产设备得电启动。设备启动之后，交流接触器KM的常开节点返回给PLC的DI模块一个开关量信号，这样上位机就能看到设备启动了。现场的模拟量(如温度、流量等)信号通过相应的转换，经信号变送器接入PLC的模拟量输入模块，模拟量输出模块用来控制变频器的频率输出信号，以控制电机的转速。上位机的任务是：对现场设备的操作、管理和监控，其中
14、包括对每台设备的启动和停止操作；重要参数在工艺流程图中的位置显示；对工艺参数的调整；各种故障信号的显示和打印；故障和重要参数的历史记录；报表打印。下位机的任务是：接受上位机发出的各种指令，控制现场设备；对设备的各种状态进行循环扫描及处理，然后传给上位机；采集工艺参数供上位机使用。1.4 关键技术路线1.4.1 建立集散式计算机控制系统水泥磨生产线采用以西门子PLC、工业控制计算机等为主,构成具有高可靠性、当今较先进的集散式计算机控制系统实现生产过程控制。整条生产线自动化控制系统具有较高安全性和可靠性，同时具有先进性、完整性、高效性、易操作、可扩充性等主要特征。生产线的主要流程操作如：逆流程起车
15、、顺流程停车、紧急情况下的急停、设备就地控制、设备集中逻辑闭锁控制、单台设备起停控制、水泥磨配料闭环控制参数监测与调整等，由一名操作员在集中控制室上位机的屏幕（触摸屏）上即可完成。1.4.2 生产流程启动、停止及预警启动时先按起车键，再按执行键，流程方可启动。流程中设备的启动顺序按逆物流方向进行，即：处于下游的设备最先启动，之后依次向上顺序启动。设备间启动间隔应略大于设备单机启动时间，避免因两台大功率设备同时启动，对电网产生过大冲击。在启动过程中设备产生故障时，故障设备上游已启动的设备停止运行，故障设备下游的设备在系统未发出停止命令的情况下继续运行，待设备故障排除后可继续启动流程。若故障无法在
16、短时间内排除，则由操作员发出流程停止命令，对已启动的设备全部停止，流程需要重新设定后才能启动。流程结束发出停止命令后，设备按顺物流方向停机。即：上游设备最先停机，依次向下停止各设备，设备间停止间隔时间必须按工艺要求及设备运行特性调整，既可保证设备中的物料走空，又能及时停机，减少能源消耗。若在流程运行过程中，某设备产生故障停机，按设备联锁关系，故障设备下游的输送设备，按设定延时依次停止，上游设备应根据逻辑闭锁关系立即停机。流程在运行过程中，当系统出现紧急情况时，操作员按下上位机显示屏上的急停按钮后，正在运行的所有设备立即停止，故障情况立即显示在上位机上。自动控制系统采用集中联锁控制与现场就地手动
17、控制相结合的控制方式。集中联锁逻辑控制为主要控制方式，现场就地手动控制为辅助控制方式。流程启动过程前，现场设有声音、灯光预警，预警时间可调。报警装置设置在车间内。预警后方可执行起车、停车等工艺流程操作。1.4.3 水泥磨负荷智能控制与状态监测水泥厂水泥磨负荷控制采用检测磨尾提升机的功率、磨机磨音，以及粗粉回料量这三个重要参数，应用模糊控制算法实现多变量模糊控制。以提升机的功率为主要控制信号，电耳检测的磨音信号为辅助控制信号，并结合粗粉回料量，通过模糊控制器控制磨机总给料量，使提升机功率保持设定值；依靠电耳检测的磨音信号，由多变量模糊控制系统修正提升机功率设定值，去控制各给料控制装置，并维持石膏
18、(5%)、混合材(10%)、 熟料(85%)配比不变，使磨机在最佳负荷状态下工作。计算机系统在线监测磨头、磨尾轴瓦温度（设上下限报警）。整个生产线的生产流程控制如：逆流程起车、顺流程停车、紧急情况下设备急停、设备就地控制、设备集中逻辑闭锁控制、单台设备起停控制、水泥磨配料闭环控制参数监测与调整等操作与控制，均由集中控制室内的上位机完成。考虑到生产管理的要求，上位机控制系统可通过以太网(TCP/IP协议)向上传送生产数据，包括设备运行情况、故障情况、水泥储存库情况、产品产量等数据。1.5 改造实施方案1.5.1 总体实施方案对水泥磨的自动控制主要进行以下五个方面：1) 入磨物料仓位控制：计算机根
19、据雷达料位计检测仓位的高低，并通过设定的料位上下限指示发出警告。原控制熟料、石膏、混合材入仓用的机械闸门改为电动手动闸门，根据不同的进仓物料，实现闸门的关闭打开自动控制。2) 配料称重系统：将现有斗式配料称重系统更换为高性能、静音式变频调速皮带秤，以实现给料的精确计量，为磨机负荷最优控制提供可信度较高的数据，又可实现工人劳动环境的改善。3) 磨机负荷控制：由磨音检测器（电耳）、提升机功率检测装置、回粉计量装置（冲板流量计）送出4-20mA电流信号，接入PLC，PLC根据这些信号通过模糊控制算法控制入磨总量，使磨机处于最佳负荷状态，达到节电、提高产品质量的效果。同时对磨头、磨尾轴温等进行检测，以
20、确保磨机的安全运行。4) 水泥磨流程操作：实现水泥磨的整个流程操作，如机电设备的启停、设备就地控制、设备逻辑闭锁控制、单台设备启停控制、紧急情况下的急停、水泥磨配料闭环控制参数监测与调整等,整个过程控制可由1-2个操作人员通过上位计算机发出操作指令，也可在触摸屏上触摸相应软键实现。1.5.2 系统改造设计水泥磨采用计算机自动化控制系统，使其能够实现机电设备顺序启停、储库料位信息采集显示、磨机负荷自动控制与状态监测、水泥磨配料闭环控制参数监测与调整等操作与控制，同时包括监测设备运行情况、故障情况以及产品产量等数据的统计输出功能。1.5.3 自动化控制系统组成1.硬件配置该系统硬件由上位机、控制柜
21、、配电柜、检测传感器、现场操作开关等构成分布式计算机控制系统(称为DCS系统)。上位机及PLC均有1小时在线UPS，以保证计算机设备在供电系统发生故障时能正常运行。1）PLC选用德国西门子公司（SIEMENS）的S7-200系列，其具有较高的性能价格比，可扩充性好。选用的模块有：SM321 DI 32*DC24V， SM322 DI 16*DC24V，SM332 AO 4*12BIT，SM331 AI 8*12BIT ， SM314 CPU。 上位机选用台湾研华公司生产的工业控制计算机（具有多媒体语音功能），其配置为：CPU:P650MHZ/15G/1.44/40X CDROM 内存:128M
22、 显示器 View Sonic19 HPLaser-6L激光打印机。2）配电柜分为高压柜一个和低压柜两个。高压柜内有三个变压器，一只是35KV变6KV的，用来给磨机供电并手动控制磨机的起停；另外两只是6KV变380V的，用来给两个低压柜供电。低压柜用来给所有的参与控制的设备供电。现场控制柜室内放置了4个机柜，两个低压柜和PLC柜、变频柜。PLC柜内从上到下放置有三只皮带秤的二次仪表、S7-300PLC、开关电源、6个转换开关、端子排、UPS及电池；变频柜内放置有三只变频器、电耳及冲板流量计的二次仪表、皮带秤电机的空气开关和接触器、端子排、温度传感器的变送器。由于现场环境比较恶劣，因此，上位机与
23、现场控制柜室的距离有80米左右，以保证计算机的寿命。3）传感器和信号配电器 本系统所使用的传感器不多，有温度传感器、压力传感器、速度传感器、音量传感器。所有传感器最后输入到PLC的信号都必须是4-20mA。2.软件配置下位机软件用SIEMENS 开发的与S7-200配套的STEP7。STEP7软件与硬件同样出色， 它与硬件一样简洁、方便、易用。这种编程软件基于用标准工具STEP 7 软件实现SIMATIC 工业软件功能，并能应用所有新的S7硬件的优势。11.5.4 系统主要功能机电设备启停、储库料位信息采集显示 机电设备启停均通过计算机，由PLC控制实现；储库料位使用雷达料位计，输出4-20m
24、A电流信号,并通过PLC接入计算机动态显示其料位信息。入磨物料仓（石膏、熟料、混合材）采用1-15m雷达料位计。1.水泥配料自动控制水泥配料秤的荷重传感器，经过变送器送出4-20mA电流信号，接入PLC，PLC根据计算机送来的设定流量来控制变频器，调节配料秤的速度，使配料秤物料流量符合设定要求，且具有去皮及重量参数校正等各种功能。控制参数可由计算机设定，也可由系统自动校正。2.入磨仓位控制石膏仓、熟料仓、混合材仓仓位由雷达料位计检测，并传入上位机，上位机根据其仓位设定值发出信号，由操作工根据需要控制相对应的闸门的打开或关闭自动控制。3.磨机负荷自动控制磨机负荷由磨音检测器（电耳）和提升机功率检
25、测装置送出的4-20mA电流信号接入PLC ，并上传计算机，通过模糊控制方法来修正提升机功率设定值，并根据冲板流量计测得的粗粉回量来控制给料设备，调节总的给料量，并维持石膏（5%）、混合材（10% ）、熟料（85%）的配比不变，保证磨机在最佳负荷状态下工作。1.5.5 磨机主要检测参数及控制回路水泥磨机磨头、磨尾的轴温度检测、报警回路。由铂热电阻检测到的轴瓦温度信号（电阻阻值的变化）送入变送器，转变为4-20mA标准信号送入PLC，并由计算机动态显示和高低位报警。料位检测、指示、报警回路。6个水泥库、石膏仓、混合材料仓、熟料仓位分别由雷达料位计信号，在上位机显示屏上动态显示其仓位和高低位报警。
26、由磨音、提升机功率、粗粉入磨量控制磨机负荷。智能电耳传感器检测的磨音信号、提升机智能功率变送器检测的电机功率信号以及冲板冲量计检测粗粉的回流量，送入PLC ，并上传到计算机，由计算机调节总喂料量，使提升机功率保持设定值；电耳信号作为监控辅助信号，修正提升机功率的设定值，并控制各喂料控制装置，用以保证总喂料量在一定范围内变化时，使喂料比率不变。混合材、石膏、熟料喂料量累计回路。变频式调速皮带秤送出的喂料量，由传感器变送信号（4-20mA）送入计算机，动态显示各喂料累计量。第二章 PLC介绍可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机
27、技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。目前已被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。2.1 PLC的功能和应用2.1.1 PLC功能介绍PLC可用于单台机电设备的控制，也可用于生产流水线的控制。使用者可以根据生产过程和工艺要求设计控制程序，然后将程序通过编程器送入PLC。程序投入运行后，PLC就在现场输入信号（按钮、行程开关、光电开关或其它传感器）的作用下，按照预先送入的程序控制现场的执行机构（电机、电磁阀等）按一定规律动作。近年来，PLC把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体。它能完成以下功能 ：1. 条件控制（逻辑控制）PLC设置了与（AND）、或（OR）、非（NOT
28、）等逻辑指令，能处理继电器接点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此，它可以代替继电器进行开关控制。2. 定时控制PLC为用户提供了若干个计时器（定时器），并设置了计时指令。计时器的计时值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关来设定。计时器的计时值可以在运行中被读出，也可以在运行中被修改，使用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计时值对某个操作进行限时控制和延时控制，以满足生产工艺要求。3. 计数控制PLC为用户提供了若干个计数器，并设置了计数指令。计数器的计数值可以由用户在编程时设定，也可以用拨盘开关来设定。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中被修改，使
29、用灵活，操作方便。程序投入运行后，PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数，并对某个操作进行计数控制，以满足生产工艺要求。4. 步进控制PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可以用于步进控制，即在一道工序完成以后，再进行下一步工序。有些型号的PLC，还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令，编程和使用极为方便，因此更容易实现步进控制的要求。5. A/D、D/A转换有些PLC还具有A/D、D/A转换功能，完成对模拟量的控制和调节。6. 数据处理有些PLC还具有数据处理功能，它具有并行运算指令，能进行数据并行传送，BCD的加、减、乘、除、开方等运算，还能进行字与、字或、求反、逻辑
30、移位、算术移位，检索数据、比较、数制转换、16-4编码、4-16编码、译码等操作，还可以对数据存储器进行见解寻址，PLC还可以与打印机相连，打印出程序和有关数据及梯形图。7. 通讯联网有些PLC采用了通讯技术，可以进行远程的I/O控制，多台PLC之间可以进行同位链接，PLC还可以与上位机进行链接，接受计算机命令，并将执行结果告诉计算机。由一台计算机和若干台PLC可以构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。PLC与上位机链接对计算机的要求是：1) 具有RS-232接口；2) 使用ASC-码字符。8. 监控PLC配置了较强的监控功能。它能记忆某些异常情况，或在发生异常
31、情况时自动中止运行。在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监控有关部分的运行状态，可以调整计时、计数等设定值。为调试和维护提供了方便。PLC还可以连接打印机，对程序和数据进行硬拷贝。2.1.2 PLC的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业，PLC性价比的不断提高，其应用范围不断扩大，大致可归纳为如下几类：1) 开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制，可用于单机控制、多机群控、自动化和平线的控制等，例如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机
32、床、磨床、包装生产线、电镀流水线等等。2) 位置控制大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能可广泛用于各种机械。3) 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制，现代的大、中型PLC一般PID控制模块，这一功能可用PI子程序来实现，也可用专用的智能PID模块实现。4) 数据处理现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理，这些数据可通过通信接口传送到其它智能装置，进行处
33、理。5) 通信联网PLC的通信包括PLC相互、PLC与上位机、PLC和其它智能设备间的通信，PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转换器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块功能各自放置在现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。6) 在计算机集成制造系统中的应用近年来，计算机集成制造系统CIMS广泛应用于工业生产过程中，一般的CIMS系统可划分为六级子系统：现场级，包括各种设备；设备控制级，接受各种参数的检测信号，按照要求的控制规律实现各种操作控制；过程控
34、制级，完成各种数学模型的建立，过程数据的采集处理；以上三级属于生产控制级，也称为EIC综合控制系统，由此向上的四、五、六级分别为在线作业管理、计算和业务管理及长期经营规划管理，通称为管理信息系统。EIC综合控制系统是一种先进的工业过程自动化系统，它包括三个方面的内容:电气控制，以电机控制为主，包括各种逻辑连锁和顺序控制；仪表控制，实现以PID为代表的各种回路控制功能，包括各种工业过程参数的检测和处理；计算机系统，实现各种模型的计算、参数的设定、过程的显示和各种操作运行管理。PLC就是实现EIC综合控制系统的整机设备，由此可见，PLC在现代工业中的地位是十分重要的。2.2 PLC的基本工作原理2
35、.2.1扫描PLC是一种存贮程序控制器，用户根据某一具体的控制要求，编制好程序后，用编程器键入到PLC的用户程序存贮器中寄存。PLC的控制作用就是通过用户程序来实现的。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。CPU的运算处理速度极高，使得外部出现的结果从宏观来看似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。扫描从0000号存贮地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存贮地址号递增的方向顺序逐条扫描用
36、户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有理的保证。一方面，所扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。2.2.2程序执行过程PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新，如图2.1所示。1.
37、输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态读入到输入映象寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。接着转入程序执行阶段，在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映象寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。2.1 PLC程序执行过程 2.程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其它元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素
38、来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。3.输出刷新阶段当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备，这就是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期。工作周期的长短与程序的长短有关。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。223PLC对输入/输出的处理规则总结上面分析的程序执行过程，可得出PLC对输入/输出的处理规则如图2.2所示。对应于图中的数字标号说明如下： 1.
39、输入映像寄存器的数据，取决于输入端子在上一个工作周期的输入采样阶段所刷新的状态。2.输出映像寄存器的状态，由程序中输出指令的执行结果决定。3.输出锁存电路中的数据，由上一个工作周期的输出刷新阶段存入到输出锁存电路中的数据来确定。4.输出端子上的输出状态，由输出锁存电路中的数据来确定。5.程序执行中所需的输入、输出状态（数据），由输入映像寄存器和输出映像寄存器读出。2.3 S7-200概述S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使
40、它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案2.3.1 CPU性能简介 S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。参见图1-1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。图2.3.1西门子公司提供多种类型的CPU以适应各种应用。表2.3.1中对CPU的一些特性作了简单比较。表2.3.12.3.2 S7-200扩展模块为了更好地满足应用要求，S7-200系列为您提供多种类型的扩展模块。您可
41、以利用这些扩展模块完善CPU的功能。表2.3.2列出了现有的扩展模块。表2.3.21.S7-200如何保存和存储数据S7-200提供了多种安全措施来确保用户程序、程序数据和组态数据不丢失。保持数据存储器- 由用户选定的数据存储区，在一次上电周期中，只要超级电容和可选电池卡不放电，该存储器的数据就不会改变。在所有存储区中，只有V、M、定时器和计数器存储区能被组态为保持存储区。永久存储器- 非易失性存储器，用来储存程序块、数据块、系统块、强制值、组态为掉电保存的M存储器和在用户程序的控制下写入的指定值。 存储卡- 可拆卸的非易失性存储器，用来储存程序块、数据块、系统块、配方、数据归档和强制值。通过
42、S7-200资源管理器，可以将文档文件(doc、text、pdf等)储存在存储卡内。也可以使用S7-200资源管理器将普通文件保留在存储卡中(复制、删除、创建目录和放置文件)。2.3.3 结构1. S7-200可编程序控制器是模块化结构设计，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。1) 中央处理单元（CPU） 各种CPU有各种不同的性能，上面已经提到过。2) 信号模块（SM） 用于数字量和模拟量输入/输出。3) 通讯处理器（CP） 用于连接网络和点对点连接。4) 功能模块（FM） 用于高速计数，定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。2. 根据用户要求，还可以提供以下设备：1) 负载电源模块
43、（PS） 用于将S7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。2) 接口模块（IM） 用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7-300通过分布式的主机架（CR）和三个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块，运行时无需风扇。3) SIMATIC M7自动计算机 AT-兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为CPU，也可作为功能模块使用。3. 简单的结构使得S7-300灵活而易于维护。1) DIN 标准导轨安装 只需简单地将模块钩在 DIN 标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。 2) 集成的背板总线 背板总线集成在模
44、块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。 3) 更换模块简单并且不会弄错 更换模块时，只需松开安装螺钉。很简单地拔下已经接线的前连接器。在连接器上的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。 4) 可靠的接线端子 对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子。 5) TOP 连接 采用一个带螺钉或夹紧连接的 1 至 3 线系统进行预接线。或者直接在信号模块上进行接线。 6) 确定的安装深度 所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此所有的模块都有相同的安装深度。 7) 没有槽位的限制 信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。 2.
45、3.4 功能1. S7-200的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护。1) 高速的指令处理 0.60.1的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。2) 浮点数运算 用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。3) 方便用户的参数赋值 一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。4) 人机界面（HMI） 方便的人机界面服务已经集成在S7-200操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-200中要求数据，S7-200按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-200操作系统自动地处理数据的传送。5
46、) 诊断功能 CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件（如：超时、模块更换等）。6) 口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。7) 操作方式选择开关 操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。2第三章 模糊控制认识自从1965年Zadeh创立模糊集合理论，1974年Mamdani应用模糊集合论建立世界上第一个模糊控制器以来，模糊控制理论与应用得到了迅速发展。比较典型的应用有水加热过程控制，机器人控制，交通控制，水泥窑控制，动力系统核反应控制。著名控制专家K.J.Austrom（1991）指出：模糊控制和神经网络控制、专家控制一样，已成为智能控制研究的重要途径。模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制，从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。可以这样说，如果没有模糊数学，就不会有模糊控制；同样如果没有计算机，模糊自动控制也无法实现。3.1 模糊控制由来经过人们