电厂除灰三菱FX系列PLC监控网络应用实例

    火力发电厂以煤作为燃料，燃烧后会产生大量的煤灰，需要每隔一定时间进行一次排放。电厂的除灰系统流程为煤灰从锅炉进入灰斗，在灰斗中积累到一定量时，监控装置就会发出一个控制信号，打开除灰管道中的阀门和灰斗下部的排灰口，然后用强气流将煤灰从灰斗中吹出，沿除灰管道排放到指定地点，完毕后再依次关闭灰斗的排灰口和除灰管道阀门。    在生产方式上，除灰系统通常有湿除灰和干除灰两种方式，火电厂的除灰车间主要采用干除灰，这主要是因为这种生产方式较为简单，得到的煤灰还可以进行再利用。干除灰带来的问题在于煤灰由于颗粒极其细微，很容易发生泄漏，因此绝大部分火电厂除灰车间的环境温度较高，污染严重，很不利于生产人员的现场操作。    在控制方式上，除灰系统主要采用电气控制，但是传统的继电器控制方式本身有较大的缺陷：继电器长期使用后容易老化，易受不稳定电流的冲击而产生误动作，设备一旦固定，修改就比较困难，在大规模生产中电气设备的利用率低，投入成本相对来说就比较高，多个生产单元的控制系统难以方便地联系起来，缺乏应付意外情况的能力和整体协调的功能。    传统的除灰控制系统已经无法满足环保和自动化集中管理两个方面的要求，因此在控制方式上必须进行革新，以适应现代化工业生产的需要。随着现代工业生产自动化要求的日益提高，集散控制系统所具备的独特优势使之得到了极为广泛的应用。目前在火电厂除灰系统这个领域，集散控制系统开始逐渐地被重视起来，但是由于设备成本和生产条件等因素的制约，集散控制系统的优势未能得到充分的体现。虽然有些电厂在除灰系统中采用了集散控制系统，但由于除灰生产规模较小，相对的系统构建成本过高，控制方式过于复杂，因此集散控制系统在电厂的除灰系统中始终未能得到有效的应用。根据集散控制系统的先进经验，从环保和集散控制人手，结合除灰生产中的实际问题，设计一套崭新的控制系统，以解决火电厂除灰生产中环保和生产自动化两方面的问题。    一、集散控制系统应用    (1)集散控制系统简介    集散控制系统又称分散控制系统( distributed control system，DCS)，是随着当代工业生产过程控制的日益复杂化而发展起来的，是现代工业生产自动化技术发展的新成就。它本着功能分散、管理集中的思路开发，以分散的控制适应分散的过程对象，以集中的监视、操作和管理达到控制全局的目的。集散控制系统具有功能完备、技术先进、应用灵活和运行可靠等特点，是实现工业生产自动化集中综合管理、功能和位置分散的过程控制系统。    集散控制系统的“散”包含着两层含义，一是由于工艺过程中各种生产设备地理位置的分散，相应地要求控制设备地理位置分散，而整个控制系统本身的各种功能也会随着控制设备的分散而分散；二是随着设备与功能的分散，生产过程中危险的分散。集散控制系统的“集”就是强调如何集中地控制那些地理位置分散的设备，也可以理解为管理的集中。这种集中的要求正是在强调控制系统分散性的同时，日益发展的大型工厂需要综合管理生产、办公自动化的情况之下提出的，可使生产过程更具柔性化，缩短生产运行的周期，提高经济效益，达到最佳管理、最优控制的目标。简单地说，集散控制系统就是为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制的要求，从综合自动化的角度出发，按照功能分散、管理集中的原则构建，以微处理器、微型计算机技术为核心，与网络、数据通信、人机接口、输入输出接口等新技术相结合的，用于生产管理和各种过程控制的新型控制系统。    (2)集散控制系统组成    集散控制系统本身综合了多种高新技术，而由各个公司和企业自主开发的集散控制系统所具备的具体结构也会有很大程度上的差别。但是从一般构成来说，集散控制系统通常都有五个组成部分。    ①现场控制单元FCU。    ②人机接口HMI。    ③通信网络CNE。    ④通用计算机接口GCI。    ⑤通用计算机系统GC。
    图4-29    集散控制系统的框图    如图4-29所示是一个比较完整的集散控制系统的框图，其中的通信网络设备可以采用不同的形式（如现场总线、串行总线等），以构成不同规模的集散控制系统。但是，一套性能完善的集散控制系统的造价十分昂贵，这对不少规模较小的企业来讲，由于资金的短缺，集散控制系统的购置是相当困难的。相对于小规模的生产过程来说，如果能够根据系统的组成原则及其具体的使用要求来组建小型的集散控制系统，则不但可以满足企业生产、管理与自动化的要求，还能够节省大量的资金，这无疑是一种切实而又可行的技术方案。如图4-30所示的控制系统实例即是一套利用工控计算机和现场环形总线构建的小型集散控制系统。下面就从简化集散控制系统的结构人手，构建一套适合于火电厂除灰生产的自动控制系统。由于火电厂除灰现场的生产规模不大，故无需复杂的现场总线介入，采用更为简单的串行通信线路即可，在控制单元部分，摒弃传统的继电器控制方式，采用了先进的可编程控制器作为控制核心，使得整个控制系统成为一个有机的整体。
    图4-30    小型集散控制系统结构图    二、除灰PLC集散控制系统构建    (1)简化集散控制系统模型    集散控制系统的一般构成主要有现场控制单元、人机接口、通信网络设备、通用计算机接口和通用计算机系统五个部分。如果对集散控制系统按功能的实现进行纵向分解，就可以得到集散控制系统的分级结构。在生产中常常把集散控制系统分为过程控制级、过程管理级（操作站）、工厂管理级和公司管理级四个级别。图4-31示出的就是这种分级结构的简单示意图。    一般来讲，完整的分级结构对于中小型的集散控制系统是不必要的。为了节省系统的构建成本，对上述的结构进行了适当的简化，力求使用现有的设备来具体实现每一级别的功能。设计的系统模型在过程控制级的PLC控制层使用了可编程控制器作为核心控制单元，在公司管理级（数据管理层和数据控制层）使用了微型计算机来完成监控任务，因此把这种层次结构称为小型PLC控制系统，其结构图如图4-32所示。
    图4-31    集散控制系统分级结构的简单示意图
    图4-32    PLC控制系统结构图    (2)系统总体连接结构    控制系统包括现场工作单元、现场控制单元、监控单元和管理单元四大部分。其中的现场工作单元是阀门和配套的气动控制器（汽缸），现场控制单元则由自行开发的气动元件板及控制电气元件的可编程控制器构成，此外还包括作为动力源的气泵装置。数据控制层的上位监控机采用微型计算机，它必须具备两个以上的串口；数据管理层的主机需采用高性能的微型计算机，要求具备多个串口及较高的运算处理速度和良好的稳定性。    图4-33所示的就是控制系统一条支线的连接示意图。除灰阀门安装在除灰管道中，气动控制器（除灰阀门配套的汽缸）与除灰阀门的驱动轴连接，小电气箱（内装有小型可编程控制器、行程开关及接线端子排）固定在气动控制器转轴的凸轮处，使凸轮与电气箱内的两个行程开关能够在转动过程中接触。气动元件板固定在汽缸的通气孔处，保证气路的通畅。气动通路从气泵引出后，经过气动元件组，最后连接至汽缸的两个通气口（A口和B口）以及格兰充气孔。监控站的上位监控机通过串口连接可编程控制器，保证操作人员能够远离生产现场。主机与上位监控机也通过串口相连，主机操作人员能够在主监控室与下层监控人员进行对话并实施管理。
    图4-33    系统总体连接示意图    (3)系统各层次的功能    由PLC控制系统的可以看出，生产现场层的控制对象是Moller阀门。Moller阀门安装在火电厂除灰管道中，起着开通和关闭除灰通路的作用。当燃煤燃烧后，煤灰从锅炉排至灰斗中，且达到一定量时，灰斗上的监控装置发出控制信号给可编程控制器，打开阀门和灰斗的排灰口。阀门打开后，在设定的阀门开启时间内使用强气流将煤灰从除灰管道中吹出，然后关闭灰斗的排灰口和阀门。与阀门相连的汽缸是阀门的气动驱动装置，它可以利用两个通气孔分别进气和排气，来实现转轴正反两个方向的转动，并通过阀门的驱动轴带动阀瓣旋转，以实现阀门的开闭。电气元件板上安装了电气控制系统所有的元件，包括空气过滤器、单向阀、二位五通电磁换向阀、行程开关和压力开关（压力继电器）等元件。电气控制系统连接汽缸，完成气源处理、气路的转换及阀门限位等任务，分别实现汽缸的进气与排气，使阀门产生正向和逆向的转动。    在PLC控制层控制系统采用了可编程控制器作为现场控制单元(FCU)的核心。在这一层，可编程控制器取代了传统的继电器控制设备，实现完全的数据控制。可编程控制器与电气元件板上的各电气元件连线，按照已编制好的控制程序接通或断开输出触点，以达到控制电气元件得电或失电的目的。可编程控制器同样也可以得到电气元件的反馈信号，在电气控制系统中，主要是压力继电器的响应信号、行程开关通断信号及煤灰量监测信号作为输入实现自动化控制。该层是PLC控制系统能否实现分散控制的关键所在。    在数据控制层，考虑到资金的投入，安排了个人计算机替代工控机。个人计算机在该层次主要起监测现场控制单元和生产数据的作用，操作人员可以使用针对于可编程控制器软元件的读写命令，从而人为地改变可编程控制器已存储的控制程序，并随时检查控制程序的运行状况、及时纠正和避免生产过程中可能出现的各种错误和意外情况。这部分功能其实就是通过上位机进行控制运算、下位的现场控制单元及可编程控制器的输出操作信号来实现的。在该层次上，通信功能完备与否是至关重要的，因为可编程控制器本身只能完成控制程序中的各种命令，而并不能直接报告发生错误的情况，所以这个任务就只能交给具备人机对话能力的个人计算机来完成。可编程控制器与个人计算机之间的通信必须经过通信协议的转换，这是编制通信程序时必须考虑周全的要点。    在数据管理层，只需要一台主机即可完成所有管理数据的任务。主机与其下层多台监控机通过串口相连，形成集中管理的最高级别，即司管理级。同其下层一样，通信是该层次必不可少的一环。由于依然采用了个人计算机作为主机，因此它与其下层的监控机之间的通信就比较简单，无需进行通信协议的转换。该层次主要完成的功能是对其下层监控机收集到的数据进行集中分析和处理，如接收数据文件、数据报表的保存与打印、主机与监控机之间的对话、自动发送报文等。该层次与其下层大体相似，都要使用串行异步通信接口实现并行数据与串行数据之间的转换，通过标准接口与通信链路相连。    三、PLC控制系统配置    (1) PLC控制系统硬件设置    现场控制单元一般要远离控制中心，安装在靠近过程区的地方，也可称为现场控制站，主要功能是分散地实现过程数据的采集与实时控制，包括过程输入／输出数据的扫描、检测与处理；过程数据的保持与存储；用最新信息更新数据库；输入信号与某一算法运算处理产生输出信号送给执行设备；对各报警条件的扫描监测等。    控制系统电路的供电电源有两部分，给可编程控制器供电的电源根据要求应采用交流120～240V，使用交流220V电源；给电气元件供电的电源一般由直流电源供电。由于可编程控制器的输出触点电路与二位五通电磁换向阀的电磁铁要求的电源均是24V直流电源，为保证电压稳定，使用了一个可调节的直流电源发生器。为防止发生短路而造成可编程控制器输出触点寿命的损耗，应每组电气元件串联5A的熔断器。    (2)过程管理层设备    为了便于全面协调和监控，实现过程状态的显示、报警、记录和操作，必须为PLC控制系统提供一个操作站，这一层通常也称为过程管理级。在简化的PLC控制系统中把实现这部分功能的层次称为数据控制和管理层，它应当具备以下几个部分：主机系统、显示设备、键控输入设备、信息存储设备及打印输出设备等。操作站的设备比较昂贵，且本身无法承受恶劣的环境，所以应当远离生产现场而设置在专用的控制室中。    系统的主机与监控机全部采用计算机。计算机可以提供实现数据控制和管理功能的全部需要。显示设备是人机对话的重要输出设备，也是操作站不可或缺的组成部分。显示设备一般为CRT显示器，是微机系统的重要外围设备。可编程控制器通过串行通信接口与微机通信，既可在CRT屏上直观地显示数据、字符和图形，又可利用微机的各种软硬件功能随时完成增删、修改和变换显示内容。    (3)通信网络设备    集散控制系统是控制工程、计算机技术和通信技术的统一体。系统硬件组成也不外是一些微机与其外设及运算、通信控制器或接口等设备。网络在集散控制系统中处于过程管理级，也可以称为操作站，它在系统中用来对某一过程区进行全面协调和监控，还起着操作员与过程之间的对话作用，可以实现数据显示、报警、打印和保存记录等功能，同时显示问题所在位置，使操作人员能够及时发现问题并快速做出处理。    信息的传送有串行和并行之分，在机器内部大都采用并行方式，机器之间的数据通信则大都采用串行方式。在星形结构中各从站（现场控制单元）与主站（操作站）之间有各自独立的串行通信链路。中小型的控制系统，如果采用公共总线，则系统的构建成本会过高。因此，在通信距离较短的前提下，可以改用点对点的通信方式。个人计算机带有异步通信接口及通信适配器，用户无需对个人计算机硬件做任何改动即可实现串口通信功能。可编程控制器本身带有通信串口，可以与个人计算机的串口相连，这样就可以实现操作站远离生产现场进行监控的目的。系统所需要的通信网络设备很少，且不需额外增加硬件设施，这对组成中小规模的通信网络来说，不失为一种首选的构建方法。但是需要注意的是这种点对点连接方式对串口资源的使用是比较浪费的。当下位控制单元数量较多时，上位机与主机就必须拥有多个串口，这时可以采用专用的串口扩展电路。    (4) PLC控制系统软件    控制系统的构建当然离不开软件的配合。就整体来讲，系统软件、应用软件与硬件结构相对应，一般可以分为三个部分：一是主工业控制计算机部分；二是通信网络部分；三是工业控制和生产过程控制设备部分。PLC控制系统涉及到的系统软件主要由可编程控制器来提供，如梯形图程序设计语言和辅助的编程软件；而应用软件则需进行自主开发或选择已有的专用程序，主要是可编程控制器的控制程序及其与上位监控机之间的通信程序和上位监控机与主机之间的通信程序。此外，选择合适的编程软件也是软件编制工作得以顺利进行并获得良好收效的一个重要条件。    ①可编程控制器的编程软件  可编程控制器一般都带有辅助的编程软件，例如FX系列可编程控制器就专门配备了运行在Windows 9×环境下的可视化梯形图编程软件SWOPC-FXGP/WIN-C，它的安装和使用都非常简单，能够大大减少梯形图编程的工作量。用户编制好的程序能够以文件方式保存在个人计算机的硬盘上，在需要使用这些的程序时，只需调出该文件即可。梯形图的编写也非常直观，方法类似于Windows系统自带的绘图程序，在工具箱中选取合适的逻辑元件，然后为元件编号，如X001、Y002、M003。梯形图编制完成后，注意要将它保存在计算机的硬盘上，以备将来所需。如果选择打开菜单，则可以将已保存的梯形图程序显示在计算机屏幕上，能够看到所编制的梯形图的结构，这比用编程器来检查程序要直观而且清晰得多。    SWOPC-FXGP/WIN-C软件支持联机编程，当该软件安装在个人计算机上之后，只需使用附带的编程电缆将个人计算机的串口（COM口）与可编程控制器的编程口（PG口）连接起来，进行端口设置后，就能够使用个人计算机完成编程任务。该软件具备完备的文件操作功能，可以从可编程控制器的内存中读取保存了的梯形图程序，并对其进行修改；连接到可编程控制器并向其发送文件，将计算机硬盘上保存的梯形图程序传送到可编程控制器内存中运行；同样也能够接收由可编程控制器内存发送过来的梯形图程序，使之永久地保存在计算机的硬盘上，或供打印机打印输出。如图4-34所示的就是SWOPC-FXGP/WIN-C V1.00的主界面。    ②通信模块编程PLC控制系统共有两个通信模块，完成可编程控制器与上位监控机之间的通信和上位监控机与主机之间的通信。可编程控制器在接收到通信指令时，自身能够自动组织应答报文，因此不用对可编程控制器进行通信编程，用户只要对个人计算机进行串口编程即可。控制系统的两个通信模块除了功能上稍有差别外，在结构与流程上都是十分相似的，故二者的编程思路相同。对于可编程控制器与上位监控机之间的通信模块，由于可编程控制器本身所固有通信规程限定了通信过程中的如波特率、数据位数、停止位数及奇偶校验等串行通信参数，用户不能随意更改这些参数。因此，这一部分的通信程序就隐藏了对串口参数的初始化。相反，上位监控机与主机的通信程序就比较自由，程序不再隐藏串口的各种初始化工作，用户可以根据自己的需要选择合适的通信参数与通信端口，从而使得这一部分的通信程序功能更为强大，应用也更为灵活，并具有一定的通用性。    在Windows环境下对串口进行编程一般有两种方法：一是采用Windows API编程，二是使用串行通信控件。相对来讲，后者比前者要简单许多。由于系统的通信网络并不复杂，也会不涉及到很多有关操作系统与硬件的问题，只需使用串行通信控件就可以满足要求。为此选用目前非常普及的编程工具Microsoft Visual C++6.0 (Visual C++6.0)作为支持软件，它的功能比较强大，有灵活的编程方法，也更加贴近系统的硬件，附带的ActiveX控件-Mlicrosoft Communications Control，version 6.0就是一个非常流行的串行通信控件。在Visual C++6.0环境下利用串行通信控件就能编制出界面友好、操作简便的通信程序。
    图4-34    SWOPC-FXGP/WIN-C V 1.00的主界面    四、PLC控制系统设计    PLC控制系统的部件主要有现场工作单元（阀门与汽缸）、现场控制单元（电气控制系统和可编程控制器）、（上位机）监控单元及管理（主机监控）单元等组成部分。本节将就以上四个方面对系统的所有硬件工作做详细的介绍。    (1)除灰Moller阀门    控制除灰管道的开闭需要用到阀门装置，煤灰的泄漏通常就是由除灰管道中的阀门产生的，这就对阀门的各种性能提出了很高的要求。阀门的密封性是非常重要的，一般阀门都是采用垫片和密封圈来达到密封的目的。高分子合成材料出现后，密封圈通常采用聚四氟乙烯、橡胶和尼龙等软质材料。虽然也较好地解决了阀门密封问题，但由于聚四氟乙烯、橡胶和尼龙不适用于高温介质，随介质压力和温度的升高而流失，使得垫片和密封圈失去密封作用。当介质压力直接作用于垫片时，垫片的截面宽度小于所应具有的最小宽度，无法满足密封要求。在除灰管道阀门设备中，密封装置不但要承受很大的压力，而且还处于高温之下，在这种特殊的环境中，必须改变传统的密封方法与结构才能满足要求。    Moller阀门是由Johannes Moller Hamburg Engineering GmbH公司（简称Moller公司）设计生产的。本PLC控制系统所采用的是国产化的Moller阀门，在结构与功能方面与外国同类产品相似。为简便起见，以下均称为Moller阀门。Moller阀门是用于干燥、自由流动和无黏性散装物料输送线的通断装置，是一种新型的阀门设备，其最大的特点就是拥有良好的密封性。它所特有的密封结构能够非常好地解决除灰管道煤灰泄漏的问题，从而保证火电厂的除灰车间拥有干净整洁的生产环境。    Moller阀门采用气动控制，最大的优点就是动作迅速，控制方便快捷。它采用特别设计的充气格兰和O形环密封装置，使阀门的密闭性良好，生产现场整洁、无灰尘。球形盖转动闭合后，使充气格兰充气。充气格兰也采用半球形结构，它充气膨胀并达到一定压力之后，就可以与球形盖紧密地结合在一起，从而能达到很理想的密封效果。O形环是一个轴密封装置，它与充气格兰相配合工作，能够增加Moller阀门两根轴的密封效果。这种密封结构使阀门的密封元件具有一定的抗压性，有效地解决了介质压力的直接作用而产生的煤灰泄漏，这正是Moller阀门不同于其他阀门的独特之处。在Moller阀门国产化工作的基础上，这种阀门制造成本降低了很多，再加上它本身所具备的良好性能，非常适合于火电厂除灰车间的生产。    (2)阀门气动控制原理    阀门的气动控制主要是由两个二位五通电磁换向阀、一个压力继电器和一个单向阀完成的。工作原理如下：气泵气压约0.5～0.8MPa，从单向阀入口处送入压缩空气，经空气过滤器后分别送向两个二位五通电磁阀换向阀1、2，其中换向阀1负责给阀门的充气格兰充气和放气，在V11位时向格兰充气，在V12位时使格兰排气；换向阀2接汽缸的A口和B口，实现汽缸的动作；压力继电器DS负责监控格兰充气的压力状态，当充气的压力足够时，DS就会发出信号，以通知可编程控制器。气动控制原理图如图4-35所示。
    图4-35    气动控制原理图    表4-8示出的是各电气元件在一次开闭过程中的状态，“+”表示得电，“-”表示失电。电气控制板使用的电气元件主要是两个换向阀（一个双控二位五通电磁换向阀V1与一个单控二位五通电磁换向阀V2）和一个压力继电器(DS)，在阀门转轴处安装了两个行程开关，分别负责控制阀门的启、闭极限位置。系统的电气动作由换向阀的电磁铁V、压力继电器DS和阀门的行程开关配合完成：阀门关闭，压下“关”位行程开关，使V11得电，V12失电，格兰开始充气；当格兰的充气压力达到压力继电器DS的预设值后，DS发出信号通知PLC，之后PLC处于等待开启命令的状态，一旦接收到“开”命令，令V11失电，V12得电，接通放气通路，使格兰放气，同时开启定时器T0，定时到达表明格兰放气完毕，可以开启阀门，此时PLC令V21得电，阀体正向转动，压下“开”位行程开关后，启动定时器T1，定时到达后（T1设定为除灰时间），令V21失电，阀体逆向转动，直到压下“关”位行程开关。    表4-8    电气元件状态表
    气动控制系统主要元件有空气过滤器、单向阀、二位五通电磁换向阀、压力继电器、气动接头、通气软管、气泵和汽缸，除气泵和汽缸外，其他元件均是由无锡CKD司生产的气动元件。电气控制系统主要元件有行程开关、命令开关、可编程控制器、便携式编程器与直流电源。气动、电气控制系统采用的所有元件如表4-9所示。    表4-9    气动、电气控制系统元件一览表
    (3) PLC I／O与通信端口    ①PLC I／O端口分配根据电气控制系统的元件可以得知：一可编程控制器共需要5个输入软继电器(X0～X4)、5个输出软继电器(Y0～Y4)、8个辅助继电器(M0～M7)及3个定时器(T0、T1、T2)，其中输入软继电器完成两个行程开关、压力继电器的接通及阀门开启，共4个开关命令；输出继电器完成压力继电器两个反馈信号、格兰充气、排气及阀门转动，共5个功能；两个定时器分别控制格兰充气和阀门开启的时间；而辅助继电器主要完成各个软继电器和定时器的自锁、互锁及复位等任务。为充分利用实验室已具备的设备，设计选用了FX2-48MR（三菱FX2系列可编程控制器），它共有24个输入软继电器和24个输出软继电器，并拥有足够数量的辅助继电器和定时器，完全可以满足要控制系统的要求。表4-10列出了可编程控制器所使用的I/O端口的分配情况。    表4-10    可编程控制器I/O端口分配表
    ②编程器与PLC通信计算机具有较强的数据处理功能，配备着多种高级语言，若选择适当的操作系统，可提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是具有动态画面显示功能。随着工业PC的推出，计算机在工业现场运行的可靠性问题也得到了解决。带异步通信适配器的计算机与可编程控制器联网并不一定行得通，只有满足如下条件才能联网通信。    只有带有异步通信接口的可编程控制器及采用异步方式通信的可编程控制器网络才有可能与带异步通信适配器的个人计算机互联，还要求双方采用的总线标准一致，都是RS 232C、RS-422 (RS-485)或者都是20mA电流环，否则就要通过“总线标准变换单元”变换之后才能进行互联。    要通过对双方的初始化，使波特率、数据位数、停止位数和奇偶校验都相同。用户必须熟悉互联的可编程控制器及可编程控制器网络采用的通信协议，严格地按照协议规定为计算机编写通信程序。可编程控制器一般都能够自行组织应答报文，所以在可编程控制器一方不需要用户编写通信程序。    可编程控制器与计算机互联时通常有两种结构形式：一种是点对点结构，即可编程控制器的编程口（PG口）与计算机的串口（COM口）之间实现点对点连接，如图4-36 (a)所示；另一种是多点结构，又称主从式总线结构，数台可编程控制器通过一条串行总线与计算机相连，如图4-36 (b)所示。由于设计的是一个小型的自动控制系统模型，并不需要串行总线结构，因此在PLC控制层与数据控制层之间采用了点对点连接这种结构形式。
    图4-36    PLC与PC联网的结构形式    FX2N-16MR型可编程控制器本身具备一个8针的RS-422格式的编程口，如果要实现与计算机串口的连接，必须保证通信总线标准的统一。目前的计算机一般都有两个串口COM1和COM2，但其总线标准均为RS-232C，因此无法直接与可编程控制器实现互联。为此采用了一根SC-DB型编程电缆，图4-37示出的为PLC与PC的硬件连接图。
    图4-37    PLC与PC的硬件连接图    ③串口信号线的定义和基本接线方法  系统的两个通信模块均采用串行通信方式，这必然就涉及到串行接口的应用。在计算机的主机上，一般都有两个9针串口(DB9)，分别称为COM1和COM2；而在可编程控制器一方，通信接口虽然也是串口，但其规格却为25针(DB25)，通信采用的标准是RS-422，不同于计算机串口的通信标准RS-232C。因此，在进行串口接线时，通常要考虑标准转换和端子对应两个问题。    计算机串口的外形如图4-38所示。DB9串口共有9个信号端子，而DB25共有25个信号端子，但最为常用的只是其中的几个而已。最基本的串口接线方法是三线制，即只要有接收数据端子和发送数据端子就能实现通信。接线方法是：同一串口的接收数据端子与发送数据端子直接相连，对于9针和25针串口，把2、3两端子直接相连即可；不同串口应使两个串口的接收数据端子与发送数据端子交叉相连，再把两条地线直接相连，如表4-3所示。
    图4-38    DB25与DB9端子示意    表4-11示出的是25针串口和9针串口的信号线的定义。可编程控制器与上位计算机之间是通过一根SC-08型编程电缆实现串口接线的，故只需制作上位计算机与主机之间的串口通信线。    根据表4-11，制作串口通信线时只需接三根导线即可。为有所区分，将发送信号线设为红色，接收信号线设为绿色，而公共地线设为黑色。按照9针-9针接线法，将三根导线的两端分别焊接在两个串行接口头上。    表4-11    串口接线表
    五、PLC电气连接与编程    除灰控制系统调试采用的是三菱FX系列可编程控制器（型号为FX2-48MR），它的输入输出点数较多，通信功能也很强。由于该可编程控制器体积比较大，不太适合安装在现场的控制电气箱中，所以又专门选择了体积较小的FX2N系列可编程控制器(型号为FX2N-16MR)作为系统的现场控制器。FX2N系列可编程控制器是FX系列可编程控制器的替代产品，其功用和性能要比FX系列同型号产品强大得多。在实际产品中选用输入输出点数较少，体积较小的FX2N系列的编程控制器，因为它可以直接安装在小电气箱里，使整个控制系统成为简洁的整体。下面以FX2N-48MR为例说明可编程控制器电源电路以及输入输出电路的配线方法。    (1) PLC电气连接电路    ①可编程控制器电源电路的配线  根据FX系列可编程控制器电源部分的技术规格要求，FX2-48MR所使用的电源必须在交流100～240V，50～60Hz之间，对于10ms以下的瞬间断电控制动作不受影响，而传感器电源为直流24V，400mA以下。总体来讲，对电源的要求还是比较高的，为保证提供稳定可靠的电源，使用了配电柜。由于系统的控制功能并不十分复杂，所占用的输入输出点数也不多，因此只需使用可编程控制器的基本单元即可。    如图4-39所示的是可编程控制器电源电路的正确配线图。连接电源时注意要为电源串联断路器和电源指示灯，以保证电源的安全和方便检查电源的供电情况。需要使用直流24V传感器电源时，传感器通过24V端子与可编程控制器连接，注意切勿与外部电源相连。在进行电源电路的连接时应注意两条电源输入线必须接在可编程控制器左上方的L.N两端子之间，电源线如果与输入端连接，就会烧坏可编程控制器。为不使电压降低，应使用2mm2以上的电线作为电源线。在紧急停止时，可编程控制器的输出电路应在其外部切断。如果条件允许，为了更好地保护可编程控制器，应使用2mm2以上的电线进行接地，接地电阻要小于100Ω，但切勿与强电系统共用接地点（接地困难时也可不接地，可编程控制器仍可正常工作）。
    图4-39    可编程控制器电源电路的正确配线图    ②PLC输入输出电路的配线  如图4-40所示是可编程控制器的电气接线图。在接线时要注意输入线不要过长，以免产生较大的干扰。输入输出线不能用同一根电缆，输出触点控制线圈，如电磁阀的电磁铁等，这类线圈属直流电感性负载，一般需要为其并联续流二极管，否则将会显著降低可编程控制器输出触点的寿命；如果需要，还应为线圈并联浪涌保护电路，如稳压二极管，以免瞬间通断电对线圈造成冲激。为防止短路烧坏可编程控制器，必须要为每组线圈串联5～10A的熔断器。
    图4-40    PLC电气接线图    (2) PLC控制程序梯形图    可编程控制器直接负责控制阀门的开启与闭合，所以控制程序必须能够正确完成预定的各种动作。PLC控制程序采用通俗易懂的梯形图编制。梯形图结构清晰，目标明确，可以很好地实现阀门开闭的控制过程。    ①PLC控制程序的流程根据阀门开闭的要求，阀门的一次开闭过程主要包括以下五个步骤。    a．初始状态，压下“关”位行程开关，阀门关闭，格兰开始充气。    b．格兰的充气完成，压力继电器发出信号。    c．可编程控制器接收到开启命令后，格兰放气并启动定时器。    d．定时到，阀门开启，压下“开”位行程开关并启动定时器。    e．定时到，阀门开始关闭，直至压下“关”位行程开关，即完成一次开闭过程。    此外，在运行前需要对可编程控制器及阀门进行检查，确定它们的初始状态是否正常；控制过程中还需要对PLC软继电器的状态和阀门的开闭情况进行监控，如果出现问题必须能够及时解决。整个控制过程的流程图如图4-41所示。
    图4-41    控制过程的流程图    ②PLC梯形图设计  设计的PLC控制程序采用了梯形图程序设计语言编制。梯形图编程方法实际上是可编程控制器的生产厂家提供给用户使用的程序设计方法之一，较其他编程方法来说（诸如功能图程序设计语言、助记符程序设计语言和高级语言等），它的应用更为普遍。    梯形图编程语言也叫继电器编程元件，因为这种语言主要是通过继电器触点（常开或常闭）的串联、并联和组合控制逻辑来实现各种复杂的逻辑控制，它是从继电器控制逻辑演变而来的。PLC梯形图的形式与常采用的电气控制梯形图极为接近。因此，一般工控人员容易掌握和使用这种编程方法。但是，对于同一个控制问题，不同的编程人员可能会编制出完全不同的梯形图，而且对梯形图的说明也比较困难，某人编制的程序别人很可能无法看懂。当控制程序较大时，必须对所编制的梯形图作明确的说明，必要时也可以结合助记符程序设计语言等其他方法，力求清晰地表达整个控制程序的具体含义与思路。    图4-42示出的是人工手动控制方式的PLC梯形图程序。从图中可以看出，为了实现所要求的控制目的，共采用了五个辅助软继电器( M0～M4)。下面对该梯形图进行详细的说明。
    图4-42    人工手动控制方式的PLC梯形图程序    程序是以阀门处于关闭位置为初始状态的，即“关”位行程开关X2被压下而闭合。梯形图的前两行表明当X2闭合时，辅助软继电器M0、M1和输出Y2（格兰充气）得电，其中M0的作用是使Y2（格兰放气）复位，且令Y2与Y3不能同时失电；M1的作用是令Y2自锁，它还有控制压力继电器DS的作用，在未闭合X2时，DS不能动作，为避免双控电磁阀的两个电磁铁同时得电，在此处设置了Y2与Y3的互锁。    X3是DS的信号开关。DS负责监控格兰充气的压力，当压力已达到预设压力值时，DS的动作令X3闭合。从图4-42中可以看出，X3闭合使得M2和Y1（DS断）得电，其中M2起自锁的作用，Y1是一个反馈信号，可以送给上位机，由于它必须在Y3断开的情况下才能动作，因此在程序中为Y1加了一个Y3常闭触点；Y0（DS通）与Y1一样，也是一个反馈信号，但它和Y1不能同时得电，故程序又设置了Y0与Y1的互锁。以上动作必须在X2闭合之后才能发生，所以为X3串联了一个M1常开触点，再通过串联X2常闭触点来保证X3的错误动作不会影响程序的正确执行。    执行到此处，格兰已充足气，阀门处于关闭状态，程序开始等待阀门开启命令。当开启命令（X4闭合）下达后，首先令Y2失电，Y3得电，即断开格兰的充气通路，接通格兰的放气通路，同时开启定时器T0（设定格兰放气时间），并令M3得电自锁。串联M2常开触点的作用是防止在格兰未放气的情况下就下达阀门开启命令；串联Y0常闭触点的作用是使T0复位（M0的作用如前所述）。当T0到达设定时间值后，Y4（阀门转动）得电并自锁，阀门开启，直至闭合“开”位行程开关Xl，表示完成阀门的开启过程。X1闭合，令定时器T1得电，T1的设定值是在阀门开启状态下的除灰时间，它前面串联的Y4常开触点保证了只有在Y4接通的情况下才能开启T1。T1的预设值到达后，在输出线圈Y4前串联的T1常闭触点断开，从而使Y4失电，阀门逆向转动（即闭合过程），直至触合“关”位行程开关X2，完成阀门的一次开闭过程。M4起自锁作用，并与T1常闭触点配合，完成对T1的复位；Y0在此处被接通，给上位机提供DS反馈信号。    ③修改的PLC梯形图  图4-42所示出的PLC梯形图中只设置了一个开启命令开关X4，当闭合X4时阀门才能打开。如果控制X4的不是由灰斗上的监控装置发出的控制信号，而是人工下达的开启命令，那么在阀门整个开闭过程中，这个控制程序依然需要人工进行干预。考虑到电厂生产现场的实际环境和工作要求，直接的人工干预可能不太现实，因此，为了使控制程序更有适用性，必须使它具备自动循环工作的能力。    为此对原有的梯形图进行了一定程度上的修改，加入了另一个命令开关X0，其作用是在阀门开启操作后，令其后的开闭过程实现定时的自动循环。X0与X4这两个命令开关是互锁的，一旦按下其中的一个，另一个就无法再发挥作用，这样就为现场不同情况下的工作方式提供了选择，使操作人员的操作方式更加灵活。选择X0分支程序后，将启动一个定时器T2，它所设定的时间就是阀门两次开闭过程之间的时间间隔，从而实现了每隔一定时间阀门自动开闭一次的目的。    另一个方案就是灰斗上配置一个煤灰量监测装置，使之具备条件触发功能。当灰斗中的煤灰达到一定量时，这个装置可以发出控制信号给X4，作为一个开启命令，这样就可以实现阀门的自动控制功能。修改的PLC梯形图如图4-43所示。
    图4-43    修改的PLC梯形图    ④除灰PLC控制系统运行结果  系统的硬件能够顺利地实现预定的功能。Moller阀门本身具备的良好的密封性能，能够有效地防止生产过程中煤灰的泄漏，使电厂的生产现场达到整洁、无灰尘的要求。以可编程控制器为核心的电气控制系统能够实现Moller阀门的自动控制，操作人员可以远离生产现场，以保障其人身安全，实现生产数据的在线监控与管理，将生产的分散控制与集中管理有机地结合起来。    系统的软件运行可靠。PLC控制程序能够有效地控制各电气元件，实现完全自动化的阀门开闭动作。PLC监控与通信程序设计合理，可以在线实时监控PLC各端口的工作情况，并及时通知上层的管理级。最高管理级可以进行总体协调工作，并利用通信软件向所有生产单元下达各种操作命令。    系统经调试运行，电气控制系统各部分接线无误，供电电源稳定无异常，气动元件和电气元件可以完成预定动作，阀门能够按照预定的时间和顺序自动开闭，PLC监控与通信程序反复运行无误，总体上达到了设计要求。    系统拥有两个层次的分工，即上位机监控与主机集中管理，这两个层次之间存在着紧密的联系。上位机负责收集现场工作单元的数据，并发送给主机。主机对收到的数据进行集中分析与处理，并通过其下层传达各种操作命令。    PLC控制系统不但具备集散控制系统的基本功能，而且系统构建的成本较低、所需设备较少，非常适用于电厂除灰这种中小规模的生产过程。