DZ229多效蒸馏水机控制系统的研究与实现
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长春工业大学1第一章 绪论1.1 蒸馏水机现状随着我国医药行业的迅猛发展,其对基础生产设备-蒸馏水机的需求也在不断的扩大,传统的蒸馏水机完全靠手动操作,不仅工作人员工作环境差,而且调节精度不高,很难实现实时在线监控。当生产完毕采样检测产品质量时,若出现问题只能废掉,造成极大浪费,因而许多医药企业提出对蒸馏水机进行无人看管,由中央控制室遥控操作进行在线产品质量检测。目前,国外医药生产企业所使用的蒸馏水机大都实现了中央控制室控制在线产品质量监测,但国外产品价格昂贵,使国内医药企业望而却步。研制出一种高效多功能全自动的蒸馏水机将是医药生产行业保证产品质量的前提条件。就医药行业而言,保证其基本原料蒸馏水产品的质量,对人们的身体健康乃至生命至关重要,其社会效益不言而喻。目前,蒸馏水机市场形成手动继电器,半自动控制和 PLC 半自动控制三大系列,国内许多制药设备生产企业的蒸馏水机多为手动操作和半自动控制方式。我们认为时至今日尚未实现全自动控制的主要原因有二:一是蒸馏水机的热交换回路与冷却水回路、纯气输出回路、质量保证回路耦合紧密且许多项呈非线形,其数学模型含有不确定项,因而难以建立精确的数学模型,故许多经典的控制算法无法使用。许多科研单位目前正在就此对象的模式识别方面进行研究。其二是实现蒸馏水的质量检测需要许多分析仪器并且价格较高,而且前应用的离线采样检测分析方法当发现问题时却为时已晚,造成大量浪费。因而研制出一种低成本又能适用于在线产品质量检测的分析仪器成为当前研究的另一方面。就国外而言,蒸馏水机全自动测控系统已基本成熟,其控制方面采用模糊控制,因而基本不依赖于精确的系统建模,但成本较高,对于还在发展中的我国医药行业难以承受。而蒸馏水做为医药行业的基本原料保证其质量的意义不言而喻,故研制适于我国国情且有自主知识产权的全自动蒸馏水机控制系统势在必行。1.2 控制技术在蒸馏水机中的应用蒸馏水机的数学模型较为复杂,其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量之间耦合紧密,且呈非线形关系。另外纯气输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源,难以建立精确的数学模型,研究设计出一种不依赖精确的数学模型有适合于耦合紧密的非线形系统的控制方法是本项目的技术关键。长春工业大学2在一个工业过程中,往往有两个以上的被控制变量,也需要由两个以上的操纵变量构成多变量控制系统,在多变量控制系统的设计中就不止一种可能的控制方案,因此,选定最合适的控制方案是解决问题的关键。所谓控制方案的设计就是在所有可能的测量变量即输出变量中应用哪些操纵变量来构成多回路控制。计算机作为控制工具进入控制系统使得许多性能更好的系统得以实现,对化工过程也是如此。在化工过程中使用计算机进行控制,一方面能实现人们对程控的要求,另一方面能发挥计算机快速计算的特点来实现一些较为复杂的控制以达到更好的控制效果。本设计的主要技术参数:1、蒸馏水机产量:02000Kg/h;2、主蒸汽压力:00.6Mpa 测量误差0.013、入口导电率:020 s/cm 误差0.01 s/cm4、出口电导率:010 s/cm 误差0.05 s/cm5、I IV 效、主蒸汽及储罐温度:0200误差0.056、I 效水位:020cm 误差0.1cm7、储罐液位:06m随着我过的医药事业的迅猛发展,其对基础生产设备蒸馏水机的需求也在不断扩大。目前,国内许多制药设备生产企业的蒸馏水机多为手动操作和半自动控制方式,国外产品又价格昂贵,使国内医药企业望而却步,因而适时研制出一种全自动蒸馏水机控制系统具有十分重要的意义。长春工业大学3第二章 方案论证本设计由于蒸馏水机的数学模型较为复杂,其热交换回路中主蒸汽压力、温度与原料水的压力、温度、流量之间耦合紧密,且呈非线形关系。另外纯气输出回路和冷却水回路都是热交换回路的强烈干扰源,难以建立精确的数学模型,研究设计出一种不依赖精确的数学模型的非线形系统的控制方法是本项目的技术关键。图 2.1就是蒸馏水循环系统的框图。图 2.1 蒸馏水循环系统所以在整体回路设计中,我选择的专家控制系统。常规控制理论的发展为控制系统设计提供了许多方法,但是它们都建立在被控对象精确的数学模型基础之上,这对许多许多工程实际问题而言无疑是个难以满足的要求,因为实际的受控对象往往是复杂、具有非线性和不确定性的,建立其精确的数学模型是非常困难或是不可能的。人工智能中的专家系统技术为处理工程实际问题提供了有效的方法。通过专家系统技术,无论是文档式知识还是实际经验都能被成功加以应用。专家系统技术在控制系统设计、故障检测、仿真、建模和辨识,到实时性能监测、自适应和自整定,以及监督控制等自动控制领域得到成功的应用。在许多常规控制理论不能奏效的场合,例如化工、冶金和水泥等工业过程控制,专家控制显示了它的优越性。在原料水调节和主蒸汽调节的回路中,我选择 PID 控制。因为在工业控制中,PID 控制稳定,可靠性高。PID 调节是连续系统中技术最成熟的、应用最广泛的一种长春工业大学4控制算方法。它结构灵活,不仅可以用常规的 PID 调节,而且可以根据系统的要求,采用各种 PID 的变型,如 PI、PD 控制及改进的 PID 控制等。它具有许多特点,如不需要求出数学模型、控制效果好等,特别是在微机控制系统中,对于时间常数比较大的被控制对象来说,数字 PID 完全可以代替模拟 PID 调节器,应用更加灵活,使用性更强。在控制工具及编程方面,我选用可编程控制器 PLC。作为一种新型的工业自动控制装置,PLC 有以下一些特点。1高可靠性和强抗干扰能力;2丰富的 I/O 接口模块;3灵活性好;4系统安装简单,维修方便2.1 工艺过程开机 原料泵开蒸汽压力到 ?关机检测原料水电导率更换原料水检测一效水位检测蒸馏水温度检测出口电导率水位高水位低温度高温度低温度正常电导率正常电导率高关小原料泵开大原料泵加大冷却水量不合格水排出合格水入贮罐不合格水排出YN合格不合格图 2.2 蒸馏水机工艺过程流程根据检测蒸汽压力是否达到要求,来决定是否开机,开机后,原料泵开,检测原料水电导率是否合格,不合格循环水排出,更换原料水;检测一效水位,如一效水位高,关小原料水量;检测蒸馏水温度,如温度高,通过电动执行器加大冷却水量;检测蒸馏水温度和电导率,如温度低或电导率高,通过二位三通阀作为不合格水排出;实时检测蒸汽压力,利用 PID 控制把蒸汽压力控制在允许范围内。通过PLC 与工控机的通讯,各种仪表和工控机的通讯,用计算机实现监测的功能、报表的功能和故障分析报警的功能等。长春工业大学5第三章 PLC 硬件系统的设计3.1 PLC-FP3 的选择由于蒸馏水的控制系统一般需要稳定的控制器。且外部输入继电器和外部输出继电器的 I/O 接口数都要足够。松下电工株式会社生产的中型 PLC-FP3 机,其外部输入继电器 4096 点,外部输出继电器 4096 点,内部继电器 14016 点,数据寄存器10240 点,文件寄存器 32765 点。3.1.1 FP3 的基本配置FP3 的机型大都采用模块化的结构设计,而不是采用小型机那种一体式结构。在原小型机的箱体内的各部分电路就被分开成一个个独立单元,如 CPU 单元、电源单元、输入单元、输出单元、高速计数单元等等。3.2 I/O 分配FP3 采用自由编址方式。自由编址可给拥护提供灵活便利的使用条件。其编址可通过两种方式来实现:一种是根据各单元在底版上插放的位置确定该单元所占用的地址,另一种是使用变成工具设定各单元的地址。3.2.1 由安装在底板上的位置确定地址分配地址时,所有主板和扩展板不管是 3 槽或 5 槽的,一律按 8 槽分配地址。对不存在的那些槽均作为空槽处理,空槽一律分配为 16 个 I/O 点。当有多个扩展板时,可用扩展板上的“板号设定开关”先设定板号,当分配扩展板地址时,再根据板号顺序依次编排,以避免地址重复。长春工业大学6电源单元C P U输入单元 ( 8 点型 )输入单元 ( 1 6 点型 )输入单元 ( 3 2 点型 )输出单元 ( 8 点型 )输出单元 ( 1 6 点型 )I / O 号0 - 71 0 - 1 F2 0 - 3 F4 0 - 4 75 0 - 5 F6 0 - 6 F7 0 - 7 F8 0 - 8 F电源单元输入单元 ( 8 点型 )空槽输入单元 ( 1 6 点型 )输入单元 ( 1 6 点型 )输出单元 ( 8 点型 )空槽输出单元 ( 1 6 单元 )输出单元 ( 3 2 点型 )I / O 号9 0 - 9 71 0 0 - 1 0 F1 1 0 - 1 1 F1 2 0 - 1 2 F1 3 0 - 1 3 71 4 0 - 1 4 F1 5 0 - 1 5 F1 6 0 - 1 7 F图 3.1 I/O 地址分配图例由图 3.1 可见,主板和扩展板地址是统一编排的,且占用 I/O 点数不足 16 点的单元一律分配为 16 点,超过 16 点的则按实际占用点数分配。地址编号从紧挨 CPU的单元开始编起,由小到大依次编排。应注意:输入单元和输出单元的地址也是统一编排的。如 2 号槽中插的是 32 点输入单元,3 号槽中插的是 8 点输入单元。则输入单元占用地址为 X20X3F(共 32 点) ,输出单元占用地址为 Y40Y47,即输出单元地址应紧接输入单元编排(尽管该输出单元前面全是输入单元) 。若某单元既占有输入点又占用输出点,则应按先输入后输出的原则分配地址。对于某些不需占用I/O 点的单元(如 LINK 单元) ,在分配地址时一律按空槽处理,即自动分配为 16 点。3.2.2 用编程工具设定地址FP3 机型可用 NPST-GR 编程软件或手持编程器设定各单元地址。下面介绍如何用 NPST-GR 设定其地址。启动 NPST-GR 后先进入主菜单,选择“PLC 设置”一项后进入该项子菜单,在子菜单中选定“I/O 映射”一项,显示出下一级子菜单窗口。 “I/O 映射”子菜单窗口的屏幕显示内容。用户可在该窗口内设定 I/O 地址或检查原有 I/O 地址分配情况。具体操作如下:长春工业大学71、分配 I/O 地址根据情况选定“在线”或“离线”方式。当进入“I/O 映射”窗后,初始光标亮在“槽数”一栏。(1)输入要进行分配的槽的个数。如输入“6” ,按回车键确认设置,且光标移至 I/O 表栏内第一个槽的位置(即 0 号槽处) 。此时 I/O 表中原有的“”号均变为“OE ”,即空槽。而下面的功能键提示均变为 I/O 点数,如:F1=16X;F2=16Y;F3=32X;F4=32Y;。(2)移动光标。按右、左、上、下键将光标移至欲分配 I/O 点的槽内,即可输入 I/O 点数。待所有欲分配的槽全都分配完毕后,按 + 键,可将I/O 表记录存盘。若在“在线”方式下存盘,I/O 表也将回同时传入 PLC 中。(3)若想在某槽处既分配输入点又分配输出点,则应先输入 X 点再输入 Y 点。若先输入 Y 再输入 X,则当记录存盘时 NPST 会自动将顺序颠倒过来。注意不能连续输入 X 或 Y,如在某槽先输入“16X” ,又输入 “32X”则显示出错信息。(4)若想在某槽处输入占用若干点的一个空槽,则可输入 16E、32E 、64E 等等。(5)若欲取消原设置,则按 + 键,将所有槽均设为“OE” 。2、检查 I/O 地址若欲检查当前 PLC 的 I/O 分配情况,则将 NPST 设为 “在线”方式,进入“I/O映射”窗后,按 或 键,则屏幕上将显示出当前 PLC 的 I/O 分配表,即在与所连接的 PLC 相对应的槽位上,显示出各单元实际占用的 I/O 点数或空槽所在位置。注意以上两种操作,当处于“在线”方式时,PLC 均应置于“编程”方式。使用编程工具设定地址时应注意的事项:(1)每个槽所占的 I/O 点可分配为 0、16、32、64 或 128 点,但设定时应保证所设 I/O 范围与实际安装的单元所需 I/O 点数匹配。若分配的点数小于所需点数,则该单元所能使用的 I/O 点被减少。(2)有些不需占用 I/O 点的单元(如 LINK 单元) ,可将其 I/O 点数设为 0。这样可减少“空点” ,充分利用有效地址空间。还应注意的是,不管用什么方式编址,当地址确定后均应使用编程工具将该地址分配情况记录下来,这一工作称作记录 I/O 表。每当地址改变后,如单元在底板上的位置变更或重新设定各单元地址,则应重新记录 I/O 表,可使用 OP-52 操作命令,若用 NPST 记录 I/O 表,其操作步骤如下: 进入“I/O 映射”窗后,按前面步骤完成 I/O 设定。 按 + 键,显示:存盘(Y/N)?Ctrl F1CtrlF10F4F10Ctrl F1长春工业大学8装载 PLC( Y/N)按 左 + 右 键,将光标移至“Y” ,再按 键,即可显示出 “传入 PLC”,说明传送完成。接着便可按所设 I/O 地址进行编程。当编程工具失电后,此设置表在编程工具中会自动消失,但 PLC 工作不受影响。FP3 机的 I/O 点数最大可扩至 768 点。3.3 CPU 单元FP 系列产品的 CPU 有多种版本,目前新开发出的 CPU 有以下几种版本:3.0版、3.1 版、4.0 版、4.3 版、4.4 版和 4.5 版。其中各版本与老产品相比,对新增加的功能说明如下:3.0 版增加了“运行”方式的编辑程序功能。3.1 版增加的新指令是:SET、RST、F70/P7 0F78/P78、F98/P98 和 F99/P99。4.0 版增加的新指令是:NSTL、F64/P64、F138/P138、F139/P139 、F157/P157和 F158/P158。其他还有一些功能也相应加强了。4.3 版增加了对 MEWNET-H LINK 单元的兼容性。4.4 版在 TM/CT 指令方面做了一些改变,且增加了 36 个比较指令。其他还有一些性能上的改进。4.5 版增加了对 ET-LAN(以太网)的兼容性。总之,同一种型号的 FP 系列 PLC,其 CPU 可能对应不同版本,故其支持的各种指令和功能也会略有差异。表 3.1 为 CPU 单元技术性能一览Y长春工业大学9表 3.1 FP3-CPU 单元技术性能一览表项 目 说 明控 制 方 法 循环式扫描工 作 速 度 循环控制指令:0.5 s/条OUT 、 KP 指令:0.75 s/条TM、CT、SP 指令:0.2 s/条其他指令:(几十 s-几百 s)条程 序 容 量 AFP3210C、AFP3211C、AFP3212C:9727 步(最大)AFP3220C :15871 步(最大)顺序控制 17 种基本功能 8 种基本指令控制 19 种指令 高级指令 209 种外部输入(X) 2048 点外部输出(Y) 2048 点内部继电器(R) 1568 点链接继电器(L) 1024*2 点特殊继电器(R) 176 点定时器/计数器(T/C)总共 256 点定时器:0.01-327.67 点,0.1-3276.7S ,1-32767S计数器:预置值 1-32767辅助定时器 点数无限(0.01327.67s)数据寄存器(DT) 2048 字链接寄存器(LD) 128 字*2文件寄存器(FL) AFP3210C、AFP3211C、AFP3212C:8189 字(最大)AFP3220C :22525 字(最大)特殊数据寄存器(DT)256 字输入/输出索引寄存器 (IX、 IY)2 字长春工业大学103.3.1 FP3-CPU 单元的特殊功能FP3-CPU 单元增加了许多特殊功能,有些则是在 FP1 机的基础上进行了扩充和加强。下面对这些功能做一介绍:1、初始化功能INITIALZE/TEST(初始化/测试)开关,可以将 PLC 内部状态重新设定为初始化状态(即默认值) 。这个开关只有当 PLC 处于“PROG.”方式时才有效(包括 REMOTE方式下的“PROG.”方式) ,而在程序执行期间(即“RUN”方式)不起作用。当此开关置为“INITIALIZE”时, “PROG.”方式指示灯的亮度会变暗。以表示初始化工作正在进行。下列寄存器区可以通过“初始化”操作进行初始化:外部输入(X) 数据寄存器(DT)外部输出(Y) 文件寄存器(FL)内部继电器(R) 链接寄存器(LD)链接继电器(L) 特殊数据寄存器(DT)特殊继电器(R) 定时/计数预置值设定区(SV)定时/计数器(T/C) 定时/计数经过值存放区(EV)索引寄存器(IX,IY) 步进保持状态然而,如在自诊断时出现 44 号以内的错误代码时,则特殊继电器 R9000 到R9008 和特殊数据寄存器 DT9000 不能被初始化。应注意的是,使用初始化/测试开关对 PLC 进行初始化时,只能对上面指定的寄存器(不包括系统寄存器,后者只能通过编程工具)进行初始化。长春工业大学112、测试运行功能这一功能便于用户对 FP3 系统进行程序模拟、试运行和过程调试。在使用该功能前应先进行设定。该功能下可设定三种运行测试条件:(1)连续运行/单步运行;(2)断点使能/不使能;(3)输出使能/不使能。这三种条件可按表 3.2 进行组合。表 3.2 测试运行功能工作方式 断 点 使 能 断 点 不 使 能输出方式 输出使能 输出不使能 输出使能 输出不使能连续运行 (a) (c) (e) (f)单步运行 (b) (d) _ _对各种组合方式下的系统运行结果说明如下:(a)在断点使能方式下执行连续运行操作,并且处理的结果与正常运行时一样被输出。(b)每执行一条指令后都中止程序,且处理结果也与正常运行一样被送到输出单元。该方式也可通过对外设(如 FP 编程器)操作,转换为方式(a) 。(c)该方式与上述(a)相同,只是处理结果不被送到输出单元(输出单元全处于“OFF”状态) 。(d)该方式与上述(b)相同,只是处理结果不被送到输出单元(输出单元全处于“OFF”状态) 。此方式也可通过对外设(如 FP 编程器)操作,转换为方式(d) 。(e)这是正常运行方式,该运行方式不能作为测试运行来设置。(f)在此方式下,程序将连续运行,即使设置断点也不会中止程序运行,而且任何处理结果都不被送到输出单元。在执行测试运行功能时应注意以下几点:(1)当由于断点设置或单步运行而使系统处于中止状态期间,中断请求无效。(2)无论是由于设置断点还是由于单步运行而中止程序,一旦程序中止,输出将更新(在每次扫描开始时更新输出) 。(3)只有在“PROG.”方式下才能将 PLC 设为测试运行状态。下面举例说明如何执行测试运行功能。如图 3.2长春工业大学12X 2 0 Y 4 0Y 5 104 E D图 3.2操作步骤: 先将 CPU 单元上的工作方式选择开关设在“PROG.”方式,输入程序。 再将 CPU 单元上的初始化/测试开关设在“TEST”位置,并将方式开关置于“RUN”。 在手持编程器上依次按下各键:ACLR OP 4 0 ACLR此时液晶显示器上显示:说明已进入测试运行状态。此时可看到运行结果如下:当用 和 键监视程序时,可观察到 Y40、Y51 的通断状态:当 X20 断开时,显示器上显示:Y40 断开Y51 接通当 X20 接通时,显示器上显示:Y40 接通Y51 断开上述结果说明程序运行正确。这里有一点应说明,由于手持编程器只能按默认方式执行测试运行,即“连续运行” 、 “输出不使能” “断点不使能” ,此时运行结果不能送到输出端,故 Y40 和Y51 的状态指示灯不亮,但其内部状态已在运行改变,所以可在显示器上显示:用 NPST-GR 实现测试运行功能的操作步骤如下: 启动 NPST,在编程屏上输入或调入待监测程序,并设为“在线”方式。 先将 CPU 单元置于“PROG.”方式,再将“初始化/测试”开关置于“TEST” ,此时各相应指示灯亮,且在计算机屏幕右上角出现“PC=T.R.编程”字样。 进入菜单屏,选择“监控”一项,并在监控子菜单中选“监控和测试运行”功能,此时即可出现“数据监控”窗口。另一种方法为在编程屏下,按 CTRL + F6 TEST RUN* *SRCREADOT Y40口 OT Y51口 OT Y40OT Y51长春工业大学13键,可直接调出“数据监控”窗口。 按 + (测试 P)键进入“设测试运行”窗口。该窗口显示如下:输出禁止/允许断点 无效/有效测试模式 连续/单步 按前面介绍的测试运行组合方式,根据需要选择一种,将光标移至所需设置处,按回车键即完成设置,该窗口将自动关闭。 按 + 键进入“测试运行”状态(屏幕右上角显示出“T.R.运行”字样) 。 按 键启动测试运行,再按一下 键则停止运行。3、中断FP3 机中有三种中断程序,即:定时中断,来自中断单元的中断和来自高级单元的中断。这些中断按中断序号由小到大排列,号越小中断优先权越高。表 3.3 中给出了各种中断的序号排列。表 3.3 FP3 机中断优先权序号(1)由表 3.3 可见,中断序号 015 分配给中断单元。每个中断单元可管理 8个外部中断源,而每个 CPU 单元可连接两个中断单元,故一个 CPU 单元可处理 16 个外部中断源。靠近 CPU 单元的那个中断单元的中断序号小,远离 CPU 的中断序号大。中断程序编号 中断源 中断程序编号 中断源16.高级单元:No.6.01.中断单元:No.0中断单元:No.1.23 高级单元:No.715 中断单元:No.15 24 定时中断F6Shift F1CtrlF1 F1长春工业大学14(2)中断序号 1623 分配给高级单元。一个 CPU 单元最多可带 8 个带有中断的高级单元,靠近 CPU 单元的那个高级单元的中断序号最小,依次从小到大顺序排列。4、在运行方式下编辑程序大多数指令都可在运行方式下被写入、插入或删除。但在运行方式下编辑修改程序容易出危险。故在操作时应十分谨慎。下面介绍如何用手持编程器实现运行方式下的程序编辑。具体步骤如下: 按 ACLR 键,显示器清屏,FP 编程器呈初始状态。 依次按 OP 、 1 、4 和 ENT 键,以运行 OP-14按 READ 键,PLC 将显示出当前 PLC 的编辑方式:当 PLC 处于“编程编辑方式”时,将显示“PRG EDIT(0) ”。当 PLC 处于“运行编辑方式”时,将显示“RUN EDIT(1) ”。 若要改为运行编辑方式,按 1 键,显示将变为“RUN EDIT(1) ”。若要改为编程编辑方式,按 0 键,显示将变为“PRG EDIT(0) ”。注意事项:(1)如果在 PLC 处于“PROG.”方式时用 FP 编程器将其设置为“运行编辑”方式,则 PLC 仍在“PROG.”方式下运行。即在“PROG.”方式下, “运行编辑”方式的设置不会影响 PLC 的其他运行。而在 PLC 处于“PUN”方式时,将其设置为“编程编辑”方式,则会出现错误信息“PLC MODE-ERROR(No.63) ”,并且发出报警专。此时按 ACLR 键可中止报警声,而 PLC 却进入了“编程编辑”方式。(2)应确保 MC 和 MCE 指令合理配对使用,因为系统对于该指令是否配对不予ACLRR * *READOP-14PRG EDIT( 0)(一)OP1 4ENTOP-14PLC EDIT MODE1OP-14RRG EDIT( 1)OP-14RUN EDIT( 1)0长春工业大学15检查。(3)应确保 Fn 和 Pn 类型的指令不混合使用,因为系统对于这两类指令的混合倩不予检查。(4)对 TM/CT 的预置值进行修改与重写。 修改:若使用外围设备(如 FP 编程器)选定 PLC 工作方式为“编程编辑” ,通常在此方式下,PLC 运行期间是不能进行写入的,而只有 TM/CT 指令的预置值可以修改。一旦修改,该操作数从运行之时起被确认。 重写:若使用外围设备选定 PLC 工作方式为“运行编辑” ,则可对 TM/CT 指令的预置值进行重写。一旦重写,该操作数从运行之时起的下一个扫描周期后被确认。(5)步进、子程序调用、中断和 ED 等指令都不能在“RUN”方式下被写入、插入或删除。(6)在强制输入、输出或 CPU 单元处于“TEST”方式时,不能进行程序编辑。5、采样跟踪功能(1)定义及规定采样跟踪功能:按照预先设定的参数或指令对 PLC 内部的继电器和数据进行采样。可被采用的点:继电器触点:16 点数据:3 个字采样时刻:指令采样:在采样指令(SMPL)被执行的瞬间采样数据。定时采样:以固定的时间间隔进行采样。这一间隔可以设定在 103000ms 之内。采样数据存储量:最大 4000 个字(对 1000 个样本,16 个接点加 3 个字/样本) 。触发条件:指令触发:采样触发指令(STRG)执行时触发。编程设备触发:触发由 NPST-GR 发出。采样起始和停止:通过操作 NPST-GR 来执行。长春工业大学16(2)如何用 NPST 实现跟踪采样启动 NPST。在菜单屏上选择“监控”项,在“监控”子菜单中选“动态时序图” ,进入时序图监控屏。设置采样参数。按 Shift + F2 (跟踪 S)键,调 “跟踪采样“窗口。窗口中显示如下内容:采样点数采样间隔延时次数采样点数可设定为 1001000 以内的值。采样间隔可设定为 13000ms 以内的值。延时次数可设定为 1999 次以内的值。若想使用指令(SMPL)触发采样,则采样间隔必须设为 0ms,否则采样指令无效。按回车键确认设置参数, “跟踪采样”窗口将自动关闭。按 F2 键启动采样,屏幕显示“跟踪采样”字样。若采用手动控制触发采样,则按 F3 键,屏幕显示“触发”字样。完成采样后,屏幕显示出“调入数据”字样,等待片刻屏幕上即显示出所采样的内线或图形。若在采样过程中按 F1 键,可中止采样,屏幕将显示出“正在读入” ,等待片刻即显示出中止前所采样的曲线或图形。3.3.2 FP3-CPU 单元的指令系统FP3 机的指令系统中, “基本指令”部分基本与 FP1 机相同,只增加了个别新指令。其高级指令除 FP1 原有的“Fn”类型指令外,又增加了另一种类型的指令,即“Pn”类型指令和 FP3 特有指令,可称为特殊指令。下面将这部分指令作一介绍。1、Fn 类型指令和 Pn 类型指令在 FP3 中有两类高级指令,即 Fn 类型和 Pn 类型。二者指令编号是一一对应的,即有一个 Fn 就对应一个 Pn。前者是每次扫描均执行的扩展功能指令,而后者则是只执行一个扫描周期的扩展功能指令。Pn 类型的指令相当于 Fn 类型加入微分指令。使用这类指令可以缩短程序执行时间,而又免除加入微分指令的麻烦。使用这类指令时应注意,一般情况下 Fn 和 Pn 这两类指令不允许混在一起用,否则易引起混乱。当把一个 Fn 指令放在一段两类指令混用的程序的开头时,则运行该程序段时所有指令均被当作 Fn 指令执行。长春工业大学172、断点指令(BRK)我们在前面介绍 FP3-CPU 单元的特殊功能时,提到了断点设置功能,这里结合断点指令介绍如何设置断点。该指令书写格式如下图 3.3X 0B R KY 3 0图 3.3该指令可用手持编程器或 NPST 软件输入,输入方法与一般指令相同。断点指令只能在“TEST”方式下使用。若不是在“TEST”方式下,程序运行时,该指令被当作“NOP”指令处理;而在“TEST”方式下,若设置为“断点不使能” ,则该指令也被当作“NOP”指令处理。3、先入先出指令(FIFO)FIFO 即 First-In-First-Out。这类指令有:F115 FIFT:定义 FIFO 缓冲器。F116 FIFR:从 FIFO 缓冲器中读取数据。F117 FIFW:向 FIFO 缓冲器中写入数据。这里略去了与 Fn 类型相对应的 Pn 类型的先入先出指令。指令书写格式如下图 3.4F 1 1 5 F I F T , N , D 1F 1 1 7 F I F T , S , D 1F 1 1 6 F I F T , D 1 , D 2图 3.4指令中各参数意义:n:FIFO 缓冲区大小。D1:FIFO 缓冲区首地址。S:写入 FIFO 缓冲区的 16 位数据或存放该数据的寄存器。D2:存放 FIFO 缓冲区读出数据的寄存器区首址。数据在 FIFO 缓冲区中的存放格式.(1)在 FIFO 缓冲区的首地址中,存放说明该缓冲区大小的数值“n” ;在FIFO 缓冲区的第二个地址中,存放已存入缓冲区中数据的个数“K” ;在第三个地址中存放缓冲区中下一个待读出的数据所在的地址“PH” (占用高 8 位)和下一个将写长春工业大学18入的数据应在的地址“PL” (点用低 8 位) 。应注意的是 PH 和 PL 中存放的地址号是从 D13 开始计算的,即 D13 算作地址 0,依次排列直到(n1) ,且最大地址为255。(2)在 FIFO 缓冲区中,数据的写入和读出均按从上到下的顺序进行(3)图中 PH、PL 和 K 值在指令开始执行时均被置为 0。(3)PL 的值每写入一个数据则加 1;PH 的值每读出一个数据则加 1;而 K 值则每写入一个数据加 1,每读出一个数据减 1。4、采样指令采样指令包括:F155(SMPL):采样开始。F156(STRG):采样触发。采样指令只能用于 FP3 的采样跟踪功能中。在使用该指令前应先用 NPST 设定采样参数。应该指出,采样跟踪功能只能用于带跟踪功能的 FP3 型 CPU 单元。跟踪采样与一般采样不同的是,后者是每采样一个数据就用 RS232 口将数据传送到计算机显示,然后再采第二个数据。这样速度很慢,100ms 采样一次。而前者是先用高速扫描电路将采样数据存入 PLC,待采样结束后再一起送去显示。故采样速度大大提高,可达 10ms 采样一次,从而实现快速实时跟踪。3.3.3 存储区分配一、FP3-CPU 单元中存储区的组织表 3.4 为 FP3 中程序存储区和系统寄存器区的分配表。表 3.4 FP3 存储区分配系统寄存器区顺序程序区512 字(固定的)可变的2000-10000字机器语言程序区文件寄存器区08000 字0-8000 字10000字由表 3.4 可知,FP3 的程序和系统区总共为 10000 字。其中系统区占 512 字是固定不变的,其余可由顺序程序全部占用,也可由机器语言程序或文件寄存器占用其中一部分。但机器语言程序或文件寄存器最多只能占到 8k 字。总之存储区的分配长春工业大学19可由用户根据需要灵活设定。设定可通过系统寄存器实现.二、FP3 的继电器、寄存器表 3.5 为 FP3 继电器、寄存器的一览表。表 3.5 FP3 继电器、寄存器分配一览表继电器寄存器符号编 号 功 能 说 明X 0127FY 0127F输入、输出继电器,功能用法。X 和 Y 各占2048 个 I/O 点,外部不用时可作内部继电器用R 097F 内部继电器L 0127F 链接继电器,用于 PLC 之间进行通信R 9000910F 内部特殊继电器T/C 0255 定时器/计数器接点DT 02074 数据寄存器FL 08188 文件寄存器LD 0255 链接数据寄存器DT 90009255 特殊数据寄存器SV 0255 预置值寄存器EV 0255 经过值寄存器表 3.5 的说明:(1)除表中所列寄存器还有系统寄存器、索引寄存器和常数寄存器等。索引寄存器与 FP1 相同;常数寄存器分为单字和双字,单字长度为 16 位,双字长度为 32位(即数据长度大一倍) 。(2)表中 DT、FL、LD、SV、EV 等寄存器均只能按字使用。(3)继电器 X、Y 和 L 未被使用时,均可作内部继电器用。(4)文件寄存器 FL 最大可到 8188,这时顺序程序所占有的存储区设置为 2k字。(5)表中各寄存器、继电器凡未加特别说明者,其用法均同于 FP1。(6)在 FP3 中还有一种具有特殊用途的寄存器,即字符寄存器,用 M 表示(表中未列入) 。该寄存器可用来存放待显示或需打印输出的字符。它最多可存放12 个字符,这些字符可以是 26 个英文字母,也可以是数字或其他符号(包括空格在内) ,但“%”符号除外。当使用信息显示指令时即可用此寄存器。(7)各种特殊继电器和寄存器的用途。长春工业大学20(8)定时器、计数器的序号与 FP1 机一样需统一分配。但计数器起始序号的默认值为 200。3.3.4 蒸馏水机中 I/O 输入、输出回路设计X 1 0X 1 1X 1 2X 1 3X 1 4X 1 5X 1 6X 1 7C O MX 1 8X 1 9X 1 AX 1 BX 1 CX 1 DX 1 EX 1 FC O MI N 1 6 I / O 输 入 回 路K 1 槽C K 1 0C K 1 1C K 1 2C K 1 3C K 1 4C K 1 5C K 1 6C K 1 7C K 1 8C K 1 9C K 1 AC K 1 BC K 1 CC K 1 DC K 1 E手动N 2 N NC 3 N 32 4 V图 3.5 I/O 输入回路本蒸馏水机的 I/O 输入回路由 16 个开关回路,2 个输入电源组成。具体的 I/O输入分配如下:X10 自动运行 X18 入口电导率不合格X11 原料泵过载 X19 出口电导率不合格X12 汽源压力到 X1A 蒸馏水温度低X13 I 效水位高 X1B 蒸馏水温度高X14 I 效水位低 X1C 贮罐液位高X15 蒸汽压力高 X1D 贮罐液位低X16 蒸汽压力低 X1E 灭菌运行X17 纯气输出长春工业大学21Y 2 0 Y 2 1 Y 2 2Y 2 3Y 2 4Y 2 5Y 2 6Y 2 7C O MY 2 8Y 2 9Y 2 AY 2 BY 2 CY 2 DY 2 EY 2 FC O MY 2 0Y 2 2Y 2 3Y 2 4Y 2 5Y 2 6Y 2 7C O MY 2 1O U T 1 6 I / O 输 出 电 路K 2 槽手动C K 2 0C K 2 1C K 2 2C K 2 3C K 2 4C K 2 5C K 2 6C K 2 7手动图 3.6 I/O 输出回路I/O 输出回路由 16 个输出显示电路,8 个开关电路以及电源组成。具体 I/O 输出分配如下:Y20 贮罐阀 Y28 入口电导率不合格Y21 原料泵 Y29 出口电导率不合格Y22 纯气输出阀 Y2A I 效水位高Y23 非标准水排放阀 Y2B 压缩空气压力低Y24 浓缩水排放阀 Y2C 储罐液位高Y25 冷却水 I 阀 Y2D 储罐液位低Y26 冷却水 II 阀 Y2E 蒸汽压力高Y27 自动运行 Y2F 蒸汽压力低3.4 A/D 单元FP3 的高级单元内部一般自带 CPU 和存储器。只要在初始化时,由 FP3 的长春工业大学22CPU 单元将控制字写入其内部存储器中,则这些高级单元即可独立运行。高级单元内部的存储器可由该单元与 CPU 单元共享,称为“共享存储器” 。CPU 单元只要用专用的读/写指令即可对其进行读或写。高级单元一般还要占用一定的 I/O 点,其占用的 I/O 地址随着该单元在底板上的位置而改变。有的 I/O 单元带有中断功能,可向 CPU 单元申请中断。其中断编号也依其在底板上的位置而改变。A/D 单元有 4 个输入通道。其模拟输入范围和类型是由单元背面的开关进行设定的。3.4.1 占用 I/O 点及 I/O 分配表 3.6 为 FP3 型 A/D 单元占用 I/O 点的情况(表中编号 X 是基于 A/D 单元安装在 0 号槽内) 。表 3.6 A/D 单元占用 I/O 表输入点编号 说 明X0 A/D 转换准备好标志(可作为 CH0CH3 四个通道数据输出的条件)X1 A/D 转换准备好标志(可作为 CH0 通道输出数据的条件)X2 A/D 转换准备好标志(可作为 CH1 通道输出数据的条件)X3 A/D 转换准备好标志(可作为 CH2 通道输出数据的条件)X4 A/D 转换准备好标志(可作为 CH3 通道输出数据的条件)X5X7 未用X8 CH0 标志位(当 A/D 转换值大于上限值时,该接点“ON” )X9 CH0 标志位(当 A/D 转换值小于上限值时,该接点“ON” )XA CH1 标志位(当 A/D 转换值大于上限值时,该接点“ON” )XB CH1 标志位(当 A/D 转换值小于上限值时,该接点“ON” )XC CH2 标志位(当 A/D 转换值大于上限值时,该接点“ON” )XD CH2 标志位(当 A/D 转换值小于上限值时,该接点“ON” )XE CH3 标志位(当 A/D 转换值大于上限值时,该接点“ON” )XF CH3 标志位(当 A/D 转换值小于上限值时,该接点“ON” )表 3.6 的说明:(1) 当某通道不工作时,则表中其相应的接点 OFF。(2) 当 A/D 转换单元工作异常时,则所有接点均 OFF。长春工业大学23(3) A/D 转换单元只占用输入接点不占用输出接点。3.4.2 共享存储器表 3.7 为 FP3 型 A/D 单元的共享存储器表表 3.7 A/D 单元的共享存储器表地址号 说 明K0 “采样/平均”切换控制K1 CH0 平均次数设定K2 CH1 平均次数设定K3 CH2 平均次数设定K4 CH3 平均次数设定K5 报警控制,可分别设定各通道超限时是否报警K6 CH0 上限设定(A/D 转换输出值)K7 CH0 下限设定(A/D 转换输出值)K8 CH1 上限设定(A/D 转换输出值)K9 CH1 下限设定(A/D 转换输出值)K10 CH2 上限设定(A/D 转换输出值)K11 CH2 下限设定(A/D 转换输出值)K12 CH3 上限设定(A/D 转换输出值)K13 CH3 下限设定(A/D 转换输出值)K14 比例变换控制,可设定是否要进行比例变换K15 CH0 偏移量设定K16 CH0 满量程设定K17 CH1 偏移量设定K18 CH1 满量程设定K19 CH2 偏移量设定K20 CH2 满量程设定K21 CH3 偏移量设定K22 CH3 满量程设定长春工业大学24K23 存放 CH0 已转换的数据K24 存放 CH1 已转换的数据K25 存放 CH2 已转换的数据K26 存放 CH3 已转换的数据K27 存放错误代码表 3.7 的说明:(1)共享存储器 K0K22 为只写存储器,即 CPU 单元只能对其进行写入不能读出。K23K27 为只读存储器。(2)对共享存储器读、写,要使用高级单元读写指令(F150、F151 )来实现,而不能用一般数据传送指令进行。具体如何实现在后面介绍。(3)K0、K5、K14 只用低四位。bit0bit3 分别对应 CH0CH3。当该位为 1 时,则设定其相应通道的相应功能有效,为 0 时则无效。如 K0,当 bit 为 0 时,则通道0 设定为采样而不求平均值;bit0 为 1 时,则通道 0 设定为求平均值。而 K5,bit0为 1 则设定通道 0 有报警,为 0 则该通道无报警。等等。3.4.3 技术参数表 3.8 为 A/D 单元的技术参数表 3.8 A/D 单元的技术参数 项目 说 明模拟输入 电压:010V 直流或 15V 直流电流:020mA 或 420mA数字输出 -2000+2000 或 04000分辨率 电压:010V 为 1/4000(5MV)电流:020mA 为 1/2000(20A)精度 室温下为0.5%F.S转换速度 每个通道 2.5ms外部输入阻抗 1M(电压输入) 250(电流输入)最大允许输入范围电压:010V电流:30mA模拟通道 4平均次数 34000内部电流消耗 5V 时0.5A长春工业大学25表 3.8 的说明:(1) 电压和电流输入可通过使用不同的输入端子来选择。(2) 输入信号的范围可通过 A/D 单元后面的 DIP 开关来设定。但开关设定不能按通道分别设,只能四个通道一起设。3.4.4 蒸馏水机 A/D 输入回路设计蒸馏水机的 A/D 输入由 2 个输入回路组成。1 0 0C O M 0C O M 11 0 2C O M 21 0 41 0 71 0 61 0 3C O M 3C O M 41 0 5C O M 5C O M 6C O M 7I 0I 1I 2I 3I 4I 5I 6I 7C H 0C H 1C H 2C H 3C H 4C H 5C H 6C H 7A / D 输 入 回 路K 4 槽图 3.7 A/D 输入回路(1)A/D 输入回路(1)由 7 个检测元件组成,具体如下:100 主蒸汽压力102 蒸馏水温度103 储罐温度104 入口电导率105 出口电导率106 原料水流量长春工业大学26107 储罐液位3 0 8C O M 03 0 9C O M 13 1 0C O M 23 1 1C O M 33 1 2C O M 43 1 3C O M 5C O M 6C O M 7I 0I 1I 2I 3I 4I 5I 6I 7C H 0C H 1C H 2C H 3C H 4C H 5C H 6C H 7A / D 输 入 回 路K 5 槽图 3.8 A/D 输入回路(2)A/D 输入回路(2)由 6 个检测元件组成,具体如下:308 I 效纯气温度309 II 效纯气温度310 III 效纯气温度311 IV 效纯气温度312 V 效纯气温度313 预热温度 3.5 D/A 单元D/A 单元有两个输出通道。模拟量输出类型(电压还是电流)是由单元背后的 DIP开关设定的。3.5.1 占用 I/O 点及 I/O 分配长春工业大学27表 3.9 为 FP3 型 D/A 单元占用 I/O 点的情况。表 3.9 D/A 单元占用 I/O 表输入点编号 说 明X0 D/A 转换准备好的标志(“ON”时有效)X1 CH0 输入数据有效标志(当 CH0 输入数据在设定范围内时,该接点“OFF” ,反之“ON ”)X2 CH1 输入数据有效标志(当 CH0 输入数据在设定范围内时,该接点“OFF” ,反之“ON ”)X3 报警信号(当 CH0 输入数据大于上限时,该接点 “ON”)X4 报警信号(当 CH0 输入数据小于上限时,该接点 “ON”)X5 报警信号(当 CH1 输入数据大于上限时,该接点 “ON”)X6 报警信号(当 CH1 输入数据小于上限时,该接点 “ON”)X7XF 未用表 3.9 的说明:(1) X0 和 X3X6 这几个接点,当模拟输出量限定被重新写入时“OFF” 。(2) D/A 转换单元只占用输入接点,不占用输出接点。3.5.2 共享存储器表 3.10 为 FP3 型 D/A 单元共享存储器表。表 3.10 D/A 单元共享存储器表地址号 说 明K0 可设定模拟输出量是否受限制(只写)K1 CH0 输出上限值设定(只写)K2 CH0 输出下限值设定(只写)K3 CH1 输出上限值设定(只写)K4 CH1 输出下限值设定(只写)K5 存放 CH0D/A 转换后数据(只写)K6 存放 CH1D/A 转换后数据(只写)K7 存放错误代码(只写)长春工业大学283.5.3 技术参数表 3.11 为 D/A 单元的技术参数。表 3.11 D/A 单元的技术参数项目 说 明数字输入 10V 或20mA:K=2000;15V:K=04000模拟输出 电压:15V, -10+10V电流:420mA , -20+20mA分辨率 均为 1/4000精度 室温下为0.5%F.S转换速度 每个通道 4ms外部输出阻抗 电压输出时为20mA最大外部输出电流最大电压输出时为20mA允许外部负载 在电流输出时为 0550通道数 2内部电流消耗 5V 时 0.7A表 3.11 的说明:(1) 电压输出还是电流输出可用 D/A 单元后面的 DIP 开关设定。而其输出信号范围可在共享存储器中设定。(2) 同一通道不能同时既作为电压输出又作为电流输出。3.5.4 蒸馏水机 D/A 输出回路设计蒸馏水机的 D/A 输出回路如下图所示:由 I0 原料水调节阀和 I1 主蒸汽调节阀构成长春工业大学290I 0D A 1C O M OC O M1I 1C O M OC O MD A 0K 3 槽D / A 输 出 回 路图 3.9 D/A 输出回路3.6 PLC 外接检测元件的选用3.6.1 温度传感器选用 AI708 型人工智能工业调节器(一)主要特点人性化设计的操作方法,易学易用,并且不同功能档次的仪表操作相互兼容。包含国际上同类仪表的几乎所有功能,通用性强,技术成熟可靠。提供多个型号,无论是要求功能强大,还是要求价格经济,都能获得满意的选择。输入采用数字校正系统,内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格,测量精确稳定。采用先进的AI人工智能调节算法,无超调,具备自整定(AT)功能。采用先进的模块化结构,提供丰富的输出规格,能广泛满足各种应用场合的需要,交货迅速且维护方便。长春工业大学30AI708型是应用广泛的普及型仪表,它具备0.2级精度,可编程输入,具备位式调节、AI人工智能调节、通讯
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