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2.PLC概述7
2.1PLC组成7
2.1.1PLC的输入7
2.1.2PLC的输出7
2.1.3PLC的控制机制7
2.1.4PLC的特点9
2.1.5PLC的性能指标9
2.2PLC工作原理10
2.2.1循环扫描10
2.3.1PLC的编程语言11
2.3.2梯形图编程语言11
2.4PLC控制系统的结构12
2.4.1单机控制系统13
2.4.2集中控制系统13
2.4.3分散控制系统14
2.5PLC网络及特点14
2.5.1概述14
2.5.3控制系统PLC的影响15
2.5.4控制系统的设计15
2.5.5问控制技术15
3.系统硬件设计16
3.1恒压供水系统的基本构成18
3.2系统控制要求20
3.3控制系统的I/O点及地址分配20
3.4系统选型21
3.5PLC模拟量控制单元的配置以及应用22
3.5.1EM235模拟量工作单元性能指标22
3.5.2校准及配置23
3.5.3EM235的安装使用23
3.5.4EM235工作程序编制24
3.5.5电气控制系统原理图25
4.系统程序设计28
4.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理28
4.2多泵组泵站泵组管理规范28
4.3程序的结果以及程序功能的实现28
结束语39
参考文献40
致谢41
1.恒压供水原理及工艺
1.1任务
随着社会的发展和进步,城市高层建筑的供水问题日益突出。
以方面要求提高供水质量,不要因为压力的波动造成供水的障碍;
另一方面要求保障供水的可靠性和安全性,在发生火灾时能可靠供水。
针对这两方面的要求,新的供水方式和控制系统应运而生,这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。
恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。
恒压供水保证了供水的质量,以PLC为主机的控制系统丰富了系统。
对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是:
(1)生活供水时,系统应底恒压值运行,消防供水时系统应高恒压值运行;
(2)三台泵根据恒压的需要,采用“先开先停”的原则介入和退出;
(3)在用水量小的情况下,如果一台泵连续运行的时间超过3H,则要切换到下一台泵,即系统具有“倒泵功能”,避免某一台泵工作时间过长;
(4)三台泵在启动时要又软启动功能;
1.2系统的组成和基本工作原理
以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程,市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1,它们自动把水注满储水池,只要水位低于高水位,则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC,作为底水位报警用。
为了保障供水的持续性,水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵,平时电磁阀YV2处于失电状态,关闭消防管网,三台泵根据生活用水的多少,按一定的控制逻辑运行,使生活用水的恒压状态(生活用水底恒压值)下进行;
当有火灾发生时,电磁阀YV2得电,关闭生活用水管网,三台泵共消防用水使用,并根据用水量的大小,使消防供水也在恒压状态(消防用水高恒压值)下进行。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。
2.PLC概述
2.1PLC组成
2.1.1PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。
PLC要想取代继电器控制,首先要解决外部设备的直接输入问题。
由于当时主要集中在开关量控制,也就是开关量(触点的开闭状态)如何直接接入PLC并被PLC所识别,对此就需要解决以下几个问题:
有源接入,无源接入,绝缘问题,隔离问题和互相干扰问题。
PLC就是一个计算机控制系统,在其发展过程,人们曾将计算机直接用于工业控制,但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展:
一是I/O(输入/输出)问题,计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用;
二是计算机的I/O功能,开关逻辑处理不够丰富和强大。
现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题,可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。
计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能,使其能够完成复杂的控制功能,这也是PLC能够迅速发展的原因。
2.1.2PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题,或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制,是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。
2.1.3PLC的控制机制
PLC已经完全取代继电器控制系统。
只要对其控制机制有了准确的理解,才能对其持续的开发并创造性的使用它。
I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接,并在内部寄存器存储了这些状态。
但是,为了取代继电器的控制,更重要的是如何组织和使用这些开关量,从而达到软件程序代替硬件连线的目的。
在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍,已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的,并不受其前后位置的影响。
同一时刻,可有多个不同的控制单元继电器的动作(翻转),控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。
这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。
主要体现在:
一是乱序,只要条件满足就执行;
而另一个是顺序执行。
PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点,采用了控制系统中的离散控制方式,使它的控制能够完全代替继电器的控制。
具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替,如下式:
Y(n)=f(x(n-1),y(n-1))
式中,Y(n)为某一时间段的输出值;
Y(n-1)为上一时间段的输出值;
X(n-1)为上一时间段某一时刻的输入值;
F为他们应满足的控制关系。
即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。
至于上一时间段的输出,在参加计算的时候,只是存储在映像寄存器中的输出结果,执行运算过程中并不修改端子的输出值。
真实的输出已表现在端子的接点上,并要保持一个时间段,也就是采取集中输出的方式,在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。
这样只要时间段足够短,并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。
由于采用集中I/O的思想,其I/O状态存储在寄存器中,可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力,以完成更复杂的控制功能。
如图1所示,PLC与通用计算机没有什么区别,只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换,并将这个变换物理实现,应用与工业现场。
(1)输入寄存器
输入寄存器可按为进行寻址,每一为对应一个开关量,其值反映了开关量的状态,其值的改变由相互如开关量驱动,并保持一个扫描周期。
CUP可以读其值,但是不可以写或进行修改。
(2)输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真实输出值,在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出,即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
(3)存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序,它是由厂家开发固化好了的,用户不能修改,PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源,I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行,从而完成复杂的控制功能。
(4)CUP单元
CUP单元控制着I/O寄存器的读、写时序,以及对存储器单元中的程序的解释执行工作,是PLC的大脑。
(5)其他单元接口
其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件
图1PLC的组成
2.1.4PLC的特点
(1)可靠性高。
在I/O环节,PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。
系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储,一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。
(2)控制功能强。
PLC采用的CUP一般是具有较强位处理功能的为处理机,为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能,可以采用双CPU的运行方式,使其功能得到极大的增强。
(3)编程方便易学。
第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言,与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似,理解方式也相同,非常适合现场人员学习。
(4)使用于恶劣的工作环境。
采用封装的方式,适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。
(5)与外部设备连接方便。
采用统一接线方式的可坼装的活动端子排,提供不同的端子功能适合于多种电器规格。
(6)体积小、重量轻、功耗底。
(7)性价比高。
(8)模块化结构,扩展能力强。
根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装,一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。
(9)维修方便,功能更灵活。
程序的修改就以意味着功能的修改,因此功能的改变非常灵活。
2.1.5PLC的性能指标
(1)存储容量
这里专指用户存储器的存储容量,它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。
(2)I/O点数
I/O点数,即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多,外部可以连接的I/O器件就越多,控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
(3)扫描速度
扫面速度是指PLC执行程序的快慢,是一个重要的性能指标,体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。
从自动控制的观点来看,决定了系统的实时性和稳定性。
(4)指令的多少
衡量PLC能力强弱的标志,决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
(5)内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持,对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。
(6)扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
(7)特殊功能单元
特殊功能单元种类多,也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
2.2PLC工作原理
2.2.1循环扫描
CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP自诊断测试及写输出等等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。
典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。
(1)自诊断测试扫描过程。
为保证设备的可靠行,及时放映所出现的故障,PLC都具有自监视功能。
(2)与网络进行通讯的扫描过程。
一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程,这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
(3)用户程序扫描过程。
机器处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。
该过程在机器运行中是否执行是可控的,即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短会影响过程所用的时间。
(4)读输入、写输出扫描过程。
机器在正常运行状态下,每一个扫描周期都包含这个扫描过程。
该过程在机器运行中是否被执行是可控的。
CUP在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的,运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映象寄存器:
一个为输入映象寄存器,另一个为输出映象寄存器。
用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值,运算结果也放在输出映像寄存器。
在输入扫描过程中,CUP把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器:
在输出扫描过程中CUP把输出映像寄存器的值的输出点。
2.3.1PLC的编程语言
PLC的硬件系统中,与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。
计算机运行处理的是数据,数据存储在存储区中,找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。
PLC和其他的计算机一样,为了使用方便,数据存储器都作了分区,为了每个存储单元编排了地址,并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能,形成了专用的存储元件。
这就是前面提到过的编程的“软”元件。
为了理解方便,PLC的编程元件用“继电器”命名,认为它们象继电器一样具有线圈以及触点,并且线圈得电,触点动作。
当然这个线圈和触点只是假象,所谓线圈得电不过是存储单元置1,线圈失电,不过就是存储单元置0,也正因为如此,我们称之为“软”元件。
但是这种“软”继电器也有个突出的好处,可以认为它们具有无数多对动合动断触点,因此每取用一次它的触点,不过是读一次它的存储数据而已。
2.3.2梯形图编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的,作为一种专用计算机,为了适应其应用领域,一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种,如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。
梯形图编程语言是一种图形语言,具有继电器控制电路形象、直观的优点;
语句表编程语言类似计算机的汇编语言,用助记符来表示各种指令的功能,是PLC用户程序的基础元素。
一般而言,梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件,根据结果决定逻辑输出的允许条件。
逻辑通常被分解成小的容易理解的片,这些片通常被称为“梯级”或网络。
程序一次扫描执行一次网络,按照从做到右、从上到下的顺序进行。
一旦CUP执行到程序的结尾,就又从上到下执行程序。
在每一个网络中,指令以列为基础被执行,从上而下、从左到右依次执行,直到本网络的最后一个线圈列。
因此为了充分利用存储器容量,使扫描时间尽可能短,利用梯形图编程时应限制触点之间的距离,并使网络左上边这部分空白最少。
其中,串联触点较多的支路要写在上面,并联支路应写在左边,线圈放于触点的右边。
如图4所示是用PLC控制的梯形图程序,可完成与继电器控制的电动机直接起、停(起、保、停)继电器控制电路图相同的功能。
梯形图和继电器控制电路图很相似,这是可以用PLC控制取代继电器控制的基础,可以把经过实践证明设计是成功的继电器电路图进行转换,从而设计出具有相同功能的PLC控制程序,充分发挥PLC的功能完善、可靠性高、控制灵活的特点。
当然,它们还是存在着本质上的区别,主要表现如下所述。
图4梯形图
(1)继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件,继电器与其他控制电器之间的连接必须通过硬件连接线来完成。
PLC中的继电器是内部的寄存器位,称为“软继电器”,它具有物理继电器相似的功能。
当它的“线圈”通电时,其所属的常开触点闭合,常闭触点断开;
当它的线圈断电时,其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态。
PLC梯形图中的接线称为“软接线”,这种“软接线”是通过编程来实现的,具有更改简单、调试方便等特点。
而继电器控制电路图是点线连接图,相对来素施工困难、更改费力。
(2)PLC中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器,由于可以随时不受限地读取其内容,所以,可以认为PLC的继电器有无数个常开、常闭触点供用户使用。
PLC梯形图中的触点代表的是“逻辑”输入条件、外部的实际开关、按钮或内部的继电器触点条件等。
而物理继电器的触点个数是有限的。
(3)PLC的输入继电器是由外部信号驱动的,在梯形图中只能用其触点,这在物理继电器中是不可能的。
线圈通常代表“逻辑”输出结果,如灯、电机启动器、中间继电器、内部输出条件等。
(4)继电器控制系统中是按照触点的动作顺序和是延迟逐个动作的,动作顺序与电路图的编写顺序无关。
PLC按照扫描方式工作,首先采取输入信号,然后对所有梯形图进行计算,造成了宏观与动作顺序的无关,但是微观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一致而不是无关的。
(5)PLC梯形图中的两根母线以失去原有的意义,它只表示一个梯形的起始和终了,并无实际电流通过,假象的概念电流只能从左向右流。
为了充分发挥CUP的逻辑运算功能,设置了大量的称为盒的附加命令,如定时器、计算器、格式转换、模拟量I/O、PID调节或数学运算指令等,充分的发挥了计算机的强大计算功能,他们与内部继电器一起完成PLC的各种复杂控制功能。
2.4PLC控制系统的结构
使用PLC可以构成多种形式的控制结构,下面介绍几种常用的PLC控制系统。
2.4.1单机控制系统
单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。
该系统使用一台PLC控制一个对象,控制系统要求的I/O点数和存储器容量都比较小,没有PLC的通讯问题,采样条件和执行结构都比较集中,控制系统的构成简单明了。
如图5所示是一个简单的单机控制系统,图中PLC可以选用任何一种类型。
在单机控制系统中由于控制对象比较确定,因此系统要完成的功能一般较明确,I/O点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中即可。
PLC
控制对象
图5简单的单机控制系统
2.4.2集中控制系统
集中控制系统用仪态功能强大的PLC监视、控制多个设备,形成中央集中式的控制系统。
其中,各个设备之间的联络,连锁关系、运行顺序等统一由中央PLC来完成,如图6示
显然,集中控制系统比单机控制系统经济的多。
但是当其中一个控制对象的控制程序需
要改变时,必须停止运行中央PLC,其他的控制对象也必须停止运行。
当各个控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时,需要大量的电缆线,造成系统成本的增加。
为了适应控制系统的改变,采用集中控制系统时,必须注意选择I/O点数和存储器容量时要留有足够的余量,以便满足增加控制对象的要求。
控制对象C
图6集中控制系统
2.4.3分散控制系统
分散控制系统的构成如图7所示,每一个控制对象设置一台PLC,各台PLC可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等,或者由上位机通过数据通信总线进行通讯。
分散控制系统常用于多台机械生产线的控制,各个生产线之间有数据连接。
由于各个控制对象都由自己的PLC进行控制,当其中一个PLC停止运行时不需要停止运行其他的PLC。
随着PLC性能的不断提高,由PLC担当低层控制任务,通过网络连接,PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。
与集中控制系统相比,分散控制系统的可靠性大大加强。
具有相同I/O点数时,虽然分散控制系统中多用了一台或几台PLC,导致价格偏高,但是从维护、试运转或增设控制对象等方面来看,其灵活性要大的多,总的成本核算是合理的。
控制对象C
图7分散控制系统
2.5PLC网络及特点
2.5.1概述
分散控制系统的控制思想就是集中操作、分散操作。
一个实际的工业控制过程中是比较复杂的,一个控制过程可能由多个控制任务完成。
这些控制任务既有独立性,有与其他任务有联系,而这些相对独立的任务需要构成一个整体。
当控制系统达到一定规模时,分散控制系统解决方案并不理想,因此许多厂家开发了自己的网络系统。
虽然现在对网络的系统结构等问题还没有同意的标准,但是很显然,网络控制系统比分散控制系统更能准确的描述现实控制系统,并且控制、改变更加灵活,组态也更容易,能够实现管控一体化的控制思想。
2.5.3控制系统PLC的影响
PLC网络控制系统的发展,使PLC的应用更加广泛。
许多PLC产品都在PLC上加上了具有网络功能的硬件和软件,因此,组成PLC网络非常方便。
PLC网络系统对任何一个站的操作都和使用同PLC一样方便,并且在网络中任何一个站都可以对其他站的元件及数据乃至程序进行操作。
2.5.4控制系统的设计
在辅助继电器(位)、数据继电器(字)专门开辟一个地址范围,将其分配个各台PLC,使得台PLC可以写其中一些元件而其他所有的站都可以读这些元件,然后再由这些元件去驱动其本身的软件,以达到通讯的目的。
各站主机之间元件状态信息的交换是由PLC系统自己去完成的,不需要用户管理,这是现在比较通用的设计思想。
由于各个PLC厂家各自开发自己的网络通讯系统,采用自己的通行协议和接口,设备的不兼容想限制的PLC的进一步发展,为此美国通用汽车公司编制了一个工厂自动化协议(MAP)。
希望各个厂家生产的设备能用一种同意的语言标准进行通讯。
MAP的体系结构是以估计标准化组织(ISO)推荐的开发系统互连(OSI)参考模型为基础,对参考模型的每一层都列出了合适于工业应用的特定标准。
2.5.5问控制技术
最常用的访问控制技术有:
查询、冲突检测和令牌传递。
一般查询和令牌传递没有冲突检测的速率高,但是可靠性好,最大延迟时间可以控制,控制网络经常采用这种控制技术;
冲突检测通讯效率较高,速度较快,但各个站点通讯机会不均,在商务网络中使用较多。
3.系统硬件设计
学习PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后,对于设计一个较大的PLC控制系统时,要全面考虑多种因素,不管所设计的控制系统的大小,一般都要用以下设计步骤来进行系统设计。
随着PLC功能的不断
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