文献综述

本科毕业设计（论文）文献综述（2014届）题目：基于PLC的制药溶剂回收系统自动控制系统设计学生姓名许伟学号201001391220指导教师孙小方专业班级化学工程2014（4）班学院化学工程学院提交日期2014年3月浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述1综述一、前言可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动化控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是其较高的可靠性并且能适应恶劣的生产环境，使得其成为各个行业首选的自动控制装置。随着工业自动化水平的不断提高每个行业的生产厂家都相继投入先进的自动化生产设备以求在市场竞争中取得优势。在如今的工业领域，只要涉及到自动化控制，基本离不开PLC这个大脑。在化工制药行业，药化生产中会产生大量的废溶剂,溶剂回收并加以循环利用在药品的生产过程中所处的位置越来越重要,它是制药企业降低生产成本、提高经济效益的必须途径。传统的溶剂回收技术通过人为操作来实现，效率低、控制精度差、浪费资源，并且无法确保可靠性。相比之下，运用PLC的自动控制系统更加高效。例如通过PLC可以更准确的控制回收系统的液位、流量、压力、温度等参数，从而使得整个回收系统效率增加。本文主要讨论PLC的基本信息和目前的发展状况。并简单介绍西门子S7-300PLC。最后提出一些自己的理解和看法。二、PLC的发展及现状1、PLC的产生在PLC产生之前，自动控制主要依靠传统的继电器来实现。但是继电器构成的控制系统对生产工艺变化的适应性很差，不能随着工艺的变化进行调整。例如，在一个复杂的控制系统中，大量的继电器通过硬接线相连接，而一旦工艺发生变化，控制要求必然也要相应变化，这就需要改变控制柜内继电器系统的硬件结构，浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述2甚至需要重新设计系统。直到20世纪六十年代末，美国汽车行业发展非常迅速。汽车型号不断更新，通用公司为了适应市场，谋求在竞争激烈的汽车行业中的优势地位，提出了多品种、小批量、更新快的战略。显然继电器构成的工业控制装置不能满足要求。于是通用公司开始公开招标研制新型的工业控制装置，核心要求就是新的装置随着生产产品的改变能灵活方便的修改控制方案来满足不同的要求，并提出了十项具体的技术指标。1969年美国数字设备公司DEC根据通用公司要求设计出了世界上第一台可编程序控制器。PLC就此诞生。由于其缩写PC早已成为个人计算机的代名词，而且在早期可编程序控制器主要应用于开关量的逻辑控制，因此为区别，称其为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController），简称PLC。PLC在汽车生产线上获得了成功的应用，于是便迅速取代了传统的继电器控制系统，迅速的发展起来【1】。2、PLC的发展史PLC的发展主要可分为四个阶段。从第一台可编程序逻辑控制器诞生到20世纪70年代初期是PLC发展的第一个阶段。在美国PLC的影响下，欧洲各国相继开始研制PLC，日本由于国内集成电路技术的迅猛发展，使PLC的集成度进一步提高。最早的PLC一般称为可编程逻辑控制器，这时的PLC其实就是用来替代继电器控制装置的，其主要功能只用于单一工序的自动控制。它在硬件上以准计算机的形式出现，改进了I/O接口电路以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。同时还采取了一些措施来提高其抗干扰的能力。在软件的编程方面，使用电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。所以，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等【2】。70年代中期，PLC开始逐步进入实用化发展阶段，美国、德国、日本的一些浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述3厂家开始采用微处理器（MPU）来作为PLC的中央处理单元（CPU），这是得PLC的功能得到扩大，同时使得PLC更加灵活可靠。1977年底美国MO-TOROLA公司研制出一位微处理器MC14500芯片，紧接着便产生了一位机PLC。因为它结构简单，易编程，并且具有很强的抗干扰能力，于是便顺理成章的取代了矩阵式顺序控制器，推动了PLC的普及和发展，现代PLC也初具雏形。此时的PLC有其独特的特点：存储器采用E-PROM，CPU采用微处理器，在原有的基础上增加了数值计算、数据处理、计算机接口和模拟量控制等一系列功能；系统的软件增加了自诊断功能；PLC已开始在汽车制造业以外的其他工业领域广泛使用。这个过程中PLC的硬件部分得到了很大发展。时间来到20世纪80年代。此时单片机、半导体存储器等大规模集成电路开始工业化生产，进一步推动了PLC走向成熟，使其演变成为专用的工业控制装置，而且在工业控制领域奠定了不可动摇的地位。到了八十年代中期，世界上已有将近百个PLC生产厂家，二百多种系列机型。PLC俨然成为了工业控制的标准设备。这一阶段PLC也有这个年代的特点：CPU采用8位或16位微处理器及多微处理器的结构形式，存储器采用EPROM、CMOSRAM等。在这个时期，PLC的处理速度、通信功能、自诊断功能、容错技术得到了快速加强。在软件发展方面出现了面向过程的梯形图、语句表等开发方式，增加了浮点数运算、三角函数等多种运算功能。这一PLC的软件部分和通信网络部分得到充分发展。20世纪90年代，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展，可编程序控制器开始使用16位和32位微处理器，RISC（精简指令CPU）芯片大量运用于计算机，使得其在概念、设计以及性价比等方面有了重大突破，同时PLC的联网通信功能也得到了进一步加强，这些因素使得PLC的应用更加广泛。在软件设计方面，PLC具有了强大的数值运算、函数运算和批量处理数据的能力。其系统特征是高速、多功能、高可靠性和开放性。在这个阶段，各个公司在进一步完善自己原有产品的基础上，不断开发出新的系列产品和增强联网的功能。PLC软件不断先前发展，与计算机连接更加完善【3】。浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述43、PLC的结构原理从结构来看，PLC实际上类似一种工业控制用计算机，其系统与微机基本相同，一般由中央处理器、存储器、接口电路、输入和输出电路等五个部分组成。区别在于PLC采用了一种不同于一般计算机的运行方式—扫描技术，即当PLC运行后，其工作是通过循环扫描的方式来完成的。其工作方式分为三个阶段：输入采样；用户程序执行；和输出刷新。这三个阶段即一个扫描周期。在PLC运行期间，CPU以一定的扫描速度重复执行这三个阶段【4】。4、PLC的特点PLC之所以取得高速发展和广泛应用，除了工业自动化的客观需要外，主要还是由于其本身具备许多独特的优点，较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。可靠性是评价工业控制装置质量一个非常重要的指标，如何能在恶劣的工业应用环境下平稳、可靠的工作，将故障率将至最低，是各种行业控制装置必须具备的前提条件，如耐电磁干扰、低温、高温、潮湿、振动、灰尘等。为实现“专为适应恶劣的工业环境而设计”的要求，PLC采用了以下有利的措施。PLC采用的是微电子技术，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，因此不会出现继电器控制系统中的接线老化、脱焊、触电电弧等现象，提高了可靠性。PLC对采用的器件都进行了严格筛选，尽可能地排除了因器件问题而造成的故障。PLC在硬件设计上采用屏蔽、滤波、隔离等措施。对CPU等主要部件，均采用严格的屏蔽措施，以防外界干扰；对电源部分及信号输入环节采用多种形式的滤波，如LC、Ⅱ型滤波网络等，以消除或抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响；在输入输出模块上采用了隔离技术，有效地隔离了内部电路与外部系统之间电的联系，减少了故障和误动作；对有些模块还设置了联锁保护、自浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述5诊断电路等功能。对于某些大型的PLC，还采用了双CPU构成的冗余系统，或三CPU构成的表决式系统，进一步增强了系统可靠性。PLC的系统软件包括了故障检测与诊断程序，PLC在每个扫描周期定期检测运行环境，如掉电、欠电压、强干扰等，当故障出现时，立即保存运行状态并封闭存储器，禁止对其操作，待运行环境恢复正常后，再从故障发生前的状态继续原来的程序工作。PLC一半还设有WDT监视定时器，如果用户程序发生死循环或由于其他原因导致程序执行时间超过了WDT的规定时间，PLC立即报警并终止程序执行。第二，功能完善、通用灵活。现代PLC不仅具有逻辑运算、条件控制、计时、计数、步进等控制功能，而且还能完成A/D转换、D/A转换、数字运算和数据处理以及网络通信等功能。因此它既可以对开关量进行控制，又可以对模拟量进行控制；既可以控制一条生产线，又可控制全部生产工艺；既可单机控制，又可以构成多级分布式控制系统。现在的PLC产品都已经形成系列化，基于各种齐全的PLC模块和配套配件，用户可以很方便地构成能满足不同要求的控制系统，系统的功能和规模可根据用户的实际需求进行配置，便于获取合理的性价比。在确定了PLC的硬件配置和I/O外部接线后，用户所做的工作只是程序设计而已；如果控制功能需要改变的话，则只需要修改程序以及改动极少量的接线。第三，编程简单、使用方便。目前大多数PLC可采用梯形图语言的编程方式，既继承了继电器控制线路的清晰直观感，又考虑到一般电气技术人员的读书习惯，很容易被电气技术人员所接受。一些PLC还提供逻辑功能图、语句表指令、甚至高级语言等编程手段，进一步简化了编程工作满足不同用户的需要。此外，PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于实现机电一体化特点，使得PLC在设计、结构上具有其他许多控制器所无法相比的优越性。第四，功能强，性能价格比高。一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，浙江工业大学2014届本科毕业设计说明书（论文）——文献综述6集中管理。第五，系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。第六，维修工作量小，维修方便。PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障【5】。三、国内外PLC现状及发展趋势目前，世界上生产PLC的厂家预计共有200多家，型号几千种。按地域范围PLC分为三个流派，分别为美国流派、欧洲流派和日本流派。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离情况下独立研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC上。美国和欧洲以大中型PLC而闻名，而日本则以小型PLC著称。美国是PLC生产大国，有100多家PLC厂商，其中比较著名的有A-B公司、通用电器（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。其中A