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基于PLC实现的靶场空调自控系统研究基于PLC实现的靶场空调自控系统研究 -- 20 元

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摘要随着我们国家经济的蓬勃快速发展,很多的大型建筑如雨后春笋的出现在一些城市的各个大街小巷,社会总能量消耗的大部分都在这些建筑上,这些建筑在社会上所占的能量消耗比重也越来越高,据有关的调查显示空调系统的能量消耗在这些建筑中所占的比例达到70左右。如今的社会在供电方面不是很完善的,电价的不断上涨,资源的匮乏都是供电紧张的原因,所以如何减少能源消耗浪费和提高空调系统的运行效率就成为我们需要面对和解决的问题。随着PLC技术和变频器的发展,采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态,还能节约所带来的电能和水资源的浪费。通过各个系统的出回水温度测定传送给PLC的PID,再由PID计算出温度差来控制各变频器的频率,从而来调节电动机的运转频率。PLC控制空调变频技术的优点很多。1.变频空调可以根据房间的温度调整外机的转速,不像定频空调,一直就一个速度的转动。2.变频一般用的是R410a制冷剂,就是我们所说的无氟空调,这样对大气层的伤害少。3.有些地区电压不稳,容易导致空调启动不起来,但是变频空调可以在低于定频空调所需的电压环境下启动。4.变频空调制冷制热速度快、室内温差小、舒适性好,室外机不会像定速空调平方开停机。还有,变频空调在每次开机时间很长的情况下,就能充分发挥其节电的特点,比普通定速空调省电30左右。PLC虽然优点多,但也有不足之处,比如销售价格高,容易发生故障等。所以一定要正确妥当的使用PLC变频控制技术。本文主要介绍了空调、PLC的一些基本知识以及如何利用PLC对空调节能技术进行改造的相关研究理论。关键词空调PLC变频节能AbstractWiththerapideconomicdevelopmentofourcountry,manylargebuildingshavebeenconstructedincitystreetswithmostofthesocialtotalenergyconsumptiononthem.Theproportionofenergyconsumptionofthesebuildingsisgettinghigherandhigher.Accordingtothesurvey,theenergyconsumptionofairconditioningsystemsinthesebuildingsaccountsforaround70.Thepowersupplyintodayssocietyisincompleteandinsufficientduetotheconstantrisingofelectricitypriceandthelackofresources.Therefore,howtoreduceenergyconsumptionandwastealongwiththeimprovementoftheoperatingefficiencyoftheairconditioningsystemhavebecomeurgentproblemsforustosolve.WiththedevelopmentofPLCtechnologyandfrequencyconverter,theapplicationofvariablefrequencyregulatingspeedtechnologycannotonlygivefullplaytotheidealoperationstateoftheairconditioningsystem,butalsoreducethewasteofelectricityandwaterresources.ThroughthePIDtransmittedbytheoutletandreturnwatertemperatureofeachsystemtothePLCaswellasthecontroloffrequenciesofeachfrequencyconverterafterthecalculationoftemperaturedifferencebyPID,theoperationfrequencyofthemotorcanberegulated.TherearemanyadvantagesforPLCcontrolairconditioninginvertertechnology.1.Unlikethefixedfrequencyairconditionerwhichrotatesatthesamespeedallthetime,therotationspeedoftheoutdoorunitcanbeadjustedaccordingtotheroomtemperaturebythevariablefrequencyairconditioner.2.R410arefrigerantisgenerallyusedforvariablefrequency,whichwecallCFCfreeairconditioningwithlessdamagetotheatmosphere.3.Thevoltageisinstableinsomeregions,whichcaneasilyleadtothestartupfailureofairconditioning,butthevariablefrequencyairconditionercanbestartedintheenvironmentwithlowervoltagethanthatoffixedfrequencyairconditioner.Inaddition,variablefrequencyairconditionerhasthecharacteristicsofelectricitysavingforabout30comparedwithordinaryfixedspeedairconditioningincasesoflongstartuptime.AlthoughtherearevariousadvantagesforPLC,itstillhasshortcomingssuchashighsalespriceandhighfailurepossibility.Therefore,PLCvariablefrequencycontroltechnologymustbewithcorrectandproperutilization.ThispapermainlydescribessomebasicknowledgeofairconditioningandPLCwiththeanalysisonrelevantresearchtheoriesonhowtomakeuseofPLCforthetransformationofairconditioningenergysavingtechnology.KeywordsAirconditioningPLCVariablefrequencyEnergysaving目录摘要..................................................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................................II目录...........................................................................................................................................III1绪论.............................................................................................................................................11.1空调系统的分类..................................................................................................................11.2PLC简介..............................................................................................................................11.3本课题研究的内容及意义..................................................................................................11.3.1课题内容.......................................................................................................................11.3.2研究课题意义...............................................................................................................11.4PLC变频控制国内外发展状况..........................................................................................21.4.1PLC的来源...................................................................................................................21.4.2PLC变频调速国内外发展状况...................................................................................21.5本课题应达到的要求..........................................................................................................32靶场空调工作原理及其结构构造.............................................................................................52.1靶场空调系统的工作流程..................................................................................................52.2靶场空调系统部分组成......................................................................................................52.2.1冷冻水循环系统............................................................................................................52.2.2制冷压缩机....................................................................................................................62.2.3冷媒循环水系统...........................................................................................................62.2.4冷却塔风机系统...........................................................................................................72.2.5盘管风机.......................................................................................................................72.3空调系统设计时注意的事项..............................................................................................73PLC简介及靶场空调变频控制系统原理.................................................................................93.1PLC简介..............................................................................................................................93.1.1PLC的产生与发展.......................................................................................................93.1.2PLC的特点...................................................................................................................93.1.3PLC的构成.................................................................................................................103.1.4PLC的应用领域.........................................................................................................133.2变频节能技术控制原理....................................................................................................143.3靶场空调循环水泵变频调速控制原理............................................................................163.4PID控制原理....................................................................................................................173.4.1冷冻水系统PID控制................................................................................................173.4.2冷却水系统PID控制................................................................................................173.4.3冷却塔系统PID控制................................................................................................174PLC实现控制变频方案和程序图...........................................................................................194.1总体设计方案....................................................................................................................194.2西门子S7200PLC的功能和特点...............................................................................194.3A/D和D/A模块...............................................................................................................214.4变频器的选择....................................................................................................................214.5控制变频控制柜回路设计................................................................................................224.6启动自耦降压电路............................................................................................................234.7设计主要程序....................................................................................................................244.8PLC变频控制程序图.......................................................................................................254.9研究结论分析.....................................................................................................................275总结与展望...............................................................................................................................285.1总结....................................................................................................................................285.2未来展望............................................................................................................................28致谢.............................................................................................................................................29参考文献.......................................................................................................................................291绪论1.1空调系统的分类全水系统各个空调房间内都设有空气处理装置,这个时候中央制冷机组制出的低温冷冻水就要送至各个房间里。全水空调主要用于房间很多而且使用时间不相同的场合,比如KTV、会议室、大的酒店、餐饮店等。很明显可以看出,这样会加大维护和管理的困难度,因为处理空气的设备很多,还有室内的水管也会加大凝结水和漏水的不安因素。全空气系统全空气系统式集中空气处理装置对空气进行处理(制冷或制热,然后处理的空气被送到房间里的一种系统程序。因为空气处理装置的集中设置,所以很利于管理和维护。全水气系统大豆用于商场、酒吧、舞会厅等。冷媒式冷媒式空调系统也就是平常我们看到的分体机,多联机之类它与一般的中央空调的最主要的区别是它的制冷媒介是冷媒而不是水,它安装的缺点主要是影响美观,影响室内造型等。一般用于小型商场,家庭等。空气水大的空间可以用全空气系统,小的空间可以用全水系统,而介于两者之间的就要使用空气水系统了。其特点是灵活性高,面前使用最多的中央空调就是它。1.2PLC简介PLC是可编程逻辑控制器的简称,很早的时候简称PC,后来为了和个人计算机PC作区分,所以在以后的行业中多称它为PLC,就是可编程逻辑控制器,PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。目前市场上有台达、西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等都是常用的PLC。1.3本课题研究的内容及意义1.3.1课题内容可以从两方面考虑PLC在靶场空调中的应用,一方面是可编程控制器系统的设计,还有一方面是靶场空调系统工作原理分析和控制要求。各个章节的主要内容如下第一章简单说明了空调的分类和PLC的来源,PLC发展的状况和研究意义。第二章靶场空调各个结构介绍和工作原理以及安装空调的几大主义事项。第三章主要介绍变频器节能控制原理PLC的一些基本知识。第四章PLC控制靶场空调变频控制系统的实现原理。1.3.2研究课题意义随着我们国家经济的蓬勃快速发展,很多的大型建筑如雨后春笋的出现在一些城市的各个大街小巷,社会总能量消耗的大部分都在这些建筑上,这些建筑在社会上所占的能量消耗比重也越来越高,据有关的调查显示空调系统的能量消耗在这些建筑中所占的比例达到70左右。如今的社会在供电方面不是很完善的,电价的不断上涨,资源的匮乏都是供电紧张的原因,所以如何减少能源消耗浪费和提高空调系统的运行效率就成为我们需要面对和解决的问题。这么多年来,靶场空调工程师及技术人员在原有的经验基础上,对靶场空调系统进行了大量的改造工作,不断开拓新的思路,吸收最新的技术,采用高端产品新建了多套空调系统。近些年来,靶场空调一直是人们关注的重点之一,其工作原理与我所学的PLC课程不可分开。随着PLC技术和变频器的发展,采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态,还能节约所带来的电能和水资源的浪费。通过各个系统的出回水温度测定传送给PLC的PID,再由PID计算出温度差来控制各变频器的频率,从而来调节电动机的运转频率。PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。现在的空调系统是运用PLC、变频器、温度传感器、数模转换模块、温度模块等器件的有规律的组合,形成温差闭环自控空调系统基本时间负载都在70以下运行工作,因为它都是按照最大负载并增加一定的余量设计,实际上在一年中,全部负载下运行工作最多只有十几天,有时甚至只有十多个小时。虽然空调系统中的冷冻主机的负荷可以随气温变化自行调节负载,但和冷冻机一体的冷冻泵却不可以这样做,因为很多时间都在百分之百负载下运行工作,不仅浪费了不必要损耗的能量,也使靶场空调的工作环境和质量受到恶化。控制系统,可以自行调节水泵输出流量,从而达到节约能量消耗的功能。1.4PLC变频控制国内外发展状况1.4.1PLC的来源在以前的工业机械生产中,许多的开关系统控制都是按照逻辑顺序进行顺序工作,连锁保护动作的控制和大量离散量的采集数据都是按照逻辑顺序进行的。这些功能都是通过气动和电气控制来实现工作的。1968年美国GM(通用汽车)公司发表了替代电气控制设备的说明,第二年美国数字设备公司研制出了基于集成电路和电子技术的装置,第一次采用程序化得方法应用于电气控制,这是最初的可编程控制器,称之为Programmable,它是世界上第一台出现的PLC,最初的PLC是由中小规模集成电路和分立元件组成的,能完成一些简单程序控制。到了20世纪70年代人们很快的将微处理器引入了可编程控制器,使得原有的PLC多了运算、数据传送和处理等功能,符合具有计算机特点的工业机械装置。可编程控制器运用和继电器图一样的梯形图作为主要语言主要是为了工作人员的使用和熟悉。PC发展起来后,可编程控制器定名为ProgrammableLogicController(PLC),可以使用的很方便,也可以很清晰的反应PLC的功能特点。1.4.2PLC变频调速国内外发展状况从上世纪六十年代开始,双位ON/OFF式控制渐渐的被逐渐兴起以PID为核心的直接数字式控制(DDC)和自适应控制所取代,DDC控制方式具有工作状态稳定,不被外界所干扰的良好工作控制效果,所以在很多中央空调中得到相应的应用,但是很难建立起精确的数学模型,因为中央空调系统具有滞后性、时变性、非线性等特点且参数未知还带有延迟的扰乱,因此一般系统需要人工调节,能量消耗很大,对此就可以对传统的PID控制进行改进,所以PID模糊控制就成为了人们关注研究的热点。美国加州大学自控教授L.A.Zadeh在1965年发表了模糊集合理论,这是最初开始的模糊逻辑,后来他有发表了模糊语言变量这个理论,且在1974年在他以前研究的基础上进行摸索研究,促进了模糊理论在控制领域里的应用。1974年,英国伦敦大学教授E.H.Mamdani使用模糊语言成功设计出了迷糊控制器,这是最初人们在工业机械上面运用的模糊理论。现在模糊控制理论已经很广泛的适用于各个行业领域,研究模糊控制理论的人也越来越多,着重对模糊推理,模糊系统及硬件集成等深入研究。从二十世纪六十年代变速水泵开始慢慢在空调领域得到关注和应用,研究关注的焦点是怎样通过变流量调节来减低空调系统的能量消耗。1967年美国一个大学教授实现空调的变流量控制,他主要是通过变速水泵来实现的。二十世纪七十年代末,变频驱动器在空调领域中得到应用。随着科技的不断发展,人们也开始深入的研究空调变流量控制系统,提出了很多的控制方法,但是传统控制理论需要对被控制对象建立精准的数学模型,这也是中央空调遇到的麻烦,所以人们就放眼于不需要依靠数学模型来解决问题,只需要专家知识和具体的经验就可以对系统进行有效控制的模糊控制理论应用到空调变频控制系统中。二十世纪八十年代模糊控制已经在空调系统中得到应用。1985年,日本三菱重工就开始了把模糊控制技术运用到空调变频的研究。1991年,日本发明出了模糊空调控制器,据研究显示,和传统的PID控制器相比,模糊控制器有良好的省电功能和控制系统稳定性的功能,而PID控制器不具备这些优点。1994年,两个教授做了个试验,将模糊控制技术应用到空调系统中,试验结果同样说明模糊控制技术精确度高,反应速度快,原因是因为模糊控制不需要非常精确的被控制对象的数学模型,它可以由设计者根据经验和专家的知识构建模糊控制来决定控制量的大小。70年代中后期我国对模糊控制在空调控制系统领域中的应用也开始研究起来,在目前这么多控制空调系统中比较重视的是运行管理方法的研究,广泛运用多回路PID控制,取得了不少的研究成果。比如湖南怡恒电子有限公司研究开发了中央空调房间模糊控制恒温器,北京中立格林控制技术有限公司研究开发的F2001室内变风量模糊控制器,这些产品都属于模糊温控器,随着过节节约能量政策的实施,作为高消耗能量的中央空调系统也慢慢收到人们的重视。人们研究的重点是怎样运用新技术降低空调系统的能耗问题。2011年国家正式实施了中央空调水系统节能控制装置技术规范这一条例,这个条例不但规范了我国空调节能的控制技术,而且推进了节能技术的应用,还能促进我国节能空调技术产业的健康蓬勃发展。通过这一条例的实施,将会大大的降低我国空调能源消耗的浪费,有利于经济的快速稳定健康发展,为国家发展提供了良好的局面,开创了中央空调发展的新方向智能节能控制,为以后的工业发展铺平了道路。1.5本课题应达到的要求1.了解工业PLC靶场空调控制系统的工作原理,国内外的研究发展状况。2.完成基于PLC实现的靶场空调控制系统研究的总体方案设计。3.掌握PLC在空调节能领域里面的应用。4.完成有关零部件的计算,结构强度校核计算。5.熟练掌握有关计算机绘图软件,并且绘制装配图和零件图纸。2靶场空调工作原理及其结构构造2.1靶场空调系统的工作流程靶场空调系统主要由冷媒循环水系统、制冷压缩机系统、冷却循环水系统、盘管风机系统、冷却塔风机系统组成。其工作流程图如图2.1所示,其工作原理制冷剂被制冷剂用压缩机压缩成液态后送入蒸发器中与冷冻水来进行热能交换,把冷冻水变冷,然后冷冻泵把冷冻水送入各个风机风口的冷却盘管中,让风机达到降低温度的作用。经过蒸发后,制冷剂在冷凝器中放出能量变成气体,冷却泵将冷却水送入冷却塔中利用水塔风机对它进行喷淋冷却,让它与大气进行热能交换,从而将热能量散发到大气中去。图2.1靶场空调系统工作流程图2.2靶场空调系统部分组成2.2.1冷冻水循环系统该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道(出水),进入室内进行热交换,带走房间内的热量,最后回到主机蒸发器(回水)。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道,降低空气温度,加速室内热交换。该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统在与室内进行热能量交换的同时,肯定会把大部分的热能带走。这部分的热能量会通过主机内的冷媒传给冷却水,这样会使冷却水的温度提高。升温后的冷却水会被冷却泵压缩到冷却塔,让它和大气进行热能量交换,待温度降低后再把它送入冷凝器。图2.2冷冻水系统循环图压缩机、冷凝器、冷媒、蒸发器构成主机,主机工作循环过程原理如下开始压缩机把低压气态冷媒压进冷凝器并冷凝成高压液体。冷媒在冷凝过程中会放出许多的热能量,冷凝器中的冷却水吸收这部分的热能并且送到室外的冷却塔上,最后释放到大气中去。然后冷凝器中的高压液态冷媒会形成汽液混合物进入蒸发器,因为在流经蒸发器前的节流降压装置时,会因为压力的突然变化而气化。蒸发器中的冷媒不断气化,同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后,蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体,重新进入了压缩机,如此循环往复。2.2.2制冷压缩机制冷系统是一个完整的密封循环系统,组成这个系统的主要部件包括压缩机、冷凝器、节流装置(膨胀阀或毛细管)和蒸发器,各个部件之间用管道连接起来,形成一个封闭的循循环系统,在系统中加入一定量的氟利昂制冷剂来实现这冷降温。空调器制冷降温,是把一个完整的制冷系统装在空调器中,再配上风机和一些控制器来实现的。制冷的基本原理按照制冷循环系统的组成部件及其作用,分别由四个过程来实现。压缩过程制冷剂气体在温度降低状态下进入压缩机,压缩机将它压缩来提高气体的温度和压力后,再送入冷凝器中。冷凝过程压缩机排出来的气体是高温高压的,进入冷凝器中,将热能量传给外面的空气或冷却水后,待凝结成液体,流向节流装置。节流过程制冷剂液体从冷凝器中流出来在高压下流向节流装置,进行节流减压。蒸发过程从节流装置流出来的低压制冷剂液体流向蒸发器中,吸收外界(空气或水)的热量而蒸发成为气体,从而使外界(空气或水)的温度降低,蒸发后的低温低压气体又被压缩机吸回,进行再压缩、冷凝、节流、蒸发,依次不断地循环和制冷。单冷型空调器结构简单,主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管以及蒸发器等组成。单冷型空调器环境温度适用范围为18℃~43℃。2.2.3冷媒循环水系统冷媒管道主要是指内机和外机的连接管、用来走冷媒的、所以叫冷媒管也叫连接管,冷媒管道是中央空调系统组成的流体,如水\氟利昂\氨等。2.2.4冷却塔风机系统空调冷却塔主要由冷却塔塔体、电机、风机、风叶、填料、布水装置、水管等组成。空调冷却塔的原理是将中央空调产生的大量热水,通过冷却塔将热水分散,通过空气流动直接热传递和液体水转化为气态吸收大量热量,而被大气带走,使得水温得以降低,水被回收循环使用的装置。2.2.5盘管风机机盘管机体结构紧凑,坚固耐用,通常采用优质镀锌板机壳,冷凝水盘采用模压。风机盘一般工艺很成型,没有焊缝、焊点,符合防火规范。排水管和线路安装很简单,可以随时变换左右接管及回风方式,以便于配合实际情况胀管工艺,加强了铝箔和换热器铜管的紧密接触,且传热性能好机组噪音低于国家标准13dBA),因为具有合理的风机和气流结构设计、优质的吸音保温材料风机盘管能量消耗低风机与换热器合理配合,三档可调风量,使风机用电最省。风机盘管强化了散热器与空气之间的对流换热作用,因为风机盘管主要依赖和依靠风机的强制作用,然后加热器加热空气,所以能够很快速的加热房间的空气。风机盘管是空调系统的末端装置,机组里不断的再循环所在屋里的空气,让空气通过冷水(热水)盘管后被冷却(加热),用来使房间里的温度达到稳定。通常,新风通过新风机组处理后送入室内,以满足空调房间新风量的需要。由于这种采暖方式只基于对流换热,而致使室内达不到最佳的舒适水平,故只适用于人停留时间较短的场所,如办公室及宾馆、医院、饭店、工厂、医院、展览馆、商场以及办公大楼等多房间或大空间工业和民用建筑的空调场合。由于增加了风机,提高了造价和运行费用,设备的维护和管理也较为复杂。2.3空调系统设计时注意的事项1.冷水、冷却水管道进出口的方向和设备规定的一致,设置必要的支撑和软接头,避免机组承受不必要的配管重量。2.水泵须设置于机组进水口侧(高层建筑特殊考虑),膨胀水箱须设置于水泵入口处。3.水泵入口处应安装过滤器,避免异物进入热交换器。机组若安装于水质较差的地区,必须作水处理工作,避免热交换器损坏。4.当机组数量在两台以上的时候,水系统管路请用逆循环法(或加装压力平衡阀)配管,以防止各机组流量不平衡。5.水管保温工作必须做,以提高运转效率及减少系统能量损失。6.使用地下水时,请在地下水进入机组前加设滤沙器,以防止冻结和磨损传热管。7.机组冷水(载冷剂)及冷却水(温水)的入口处请安装20目网眼过滤器。8.在机组开机前,需要清洗水系统,以防止蒸发器及冷凝器积垢堵塞。9.安全阀的出口侧,请将排放配管接至安全的地方,另外排放配管不要对安全阀加大负荷,同时设置橡胶软管,以防止振动影响到建筑物。10.冷凝器水管下进上出对于双机头的机组,冷水进出口可根据用户的需要随意分配,单机头的机组蒸发器冷媒接管侧为冷冻水进水口侧。11.标准机组出厂时带冷水侧流量开关,冷凝器侧的流量开关为可选件。12.为了管理及维修的方便,请在机组冷水(载冷剂)及冷却水(温水)的进出口附近的管道上安装截止阀,温度计,压力表,并要求在各自的管道系统安装排气阀和泄水阀。13.关于载冷剂的性质,除浓度管理外,还需要管理PH值(7.58.5)。尤其是载冷剂系统开放的场合,载冷剂和空气接触性质变化很厉害,有必要严格管理,沉淀物用滤网滤掉,定期作水质检查,保证水质时刻满足水质基准值的水质要求。14.油加热器必须在开机前加热至少8小时,分离器中的油温必须高于环境温度15K。15.当制冷机在较长的时间内不运转时,要给机组断电。为了避免结冰,冷却塔的水要全部排空。如果机组所处环境温度高于0℃,在整个关机期间,最好让蒸发器和冷凝器中充满水,并且通过排气阀排出水侧的空气。如果机组所处环境温度低于0℃,则要将全部的水排放掉,打开端盖上所有排气及泄水阀,用压缩空气吹干管道。3PLC简介及靶场空调变频控制系统原理3.1PLC简介可编程控制器的英文名称是ProgrammableController,很早的时候称之为PC,后来为了与计算机区别,所以在行业中称为ProgrammableLogicController,就是所谓的可编程控制器,简称PLC,这种称谓与可编程控制器的起源及自身特点有关。3.1.1PLC的产生与发展在机械工业中,除以模拟量为被控制对象的反馈控制外,还有着许多以开关量(数字量)为主的逻辑顺序控制,这点在于改变几何形状和机械性能为特点的机械工业中显得非常突出。它要求操控系统按照逻辑条件和顺序,时序产生控制动作,而且能够对来自现场的大量开关、计时、脉冲、计数及模拟量的越限报警等符号进行监察和处理。这些工程早期是由继电接触器电路来实现的,其坏处是故障率高、不易维护、功耗大、体积庞大、不易改造和升级等。对于传统的继电接触器操控系统的这么多的缺点,1968年,美国知名汽车公司(GM)发表了研制新型控制器的想法,归纳出新型控制器应具有的10项指标,并公之于社会,这10项指标是1.可将数据直接送入计算机。2.输入交流电115V。3.修护方便,最好是插件式。4.编写程序方便,可在现场修改程序。5.可靠安全性高于继电接触器控制柜。6.在扩展时,原来的系统变化最少。7.用户程序存储器至少可扩展到4kb。8.在成本上可与继电器接触器控制柜相提并论。9.输出为交流115V/2A以上,能直接驱动电磁润、接触器等。10.体积小于继电器接触器控制柜。3.1.2PLC的特点1.灵活、通用灵活性强,控制系统具有很好的柔性。当生产工业和流程进行小规模的调整和变动时,通常只要对PLC的程序进行改动,or配合以外围电路的局部调整即可实现对控制系统的改造。2.可靠性高,抗干扰能力强用程序来实现逻辑顺序和时序,最大限度地替代传统继电器接触器系统中的硬件线路、大大的减少机械触点和连线的数量。光从这一角度而言,PLC在可靠性上优于继电器接触器系统是明显的。在抗干扰方面,PLC在结构设计、内部电路设计,系统程序执行等方面都给了充分的思考。例如,对主要器件和部件用导磁良好的材料进行屏蔽、对供电系统和输入电路采用多种形式的滤波,I/O回路与处理器电路之间用光电耦合器隔离、系统软件具有信息保护和恢复、检测故障功能、循环扫描时间的超时警戒等。3.编写程序简单,使用很方便PLC最重要也是最广泛应用的语言是梯形语言,它的电路符号和表达方式与继电器接触器电路工作图相像,学生可以很快掌握梯形图语言,而且可以用来编写程序。4.易于实现控制系统,处理工作量少,周期短。PLC系统是一个较好的选择,因为它系列化、模块化、标准化及具有良好的扩展性和联网性能。它既能够完成大多数情况下的控制要求,又能大大的节省系统设计、安装、测试的时间和不必要的工作量。5.修理方便快捷PLC有故障查询诊断功能,可以根据装置上的发光二级管和软件提供故障信息,很方便的查明故障来源。由于PLC的体积小,并有些采用模块化结构,因此可以通过更换整机或模块迅速解决故障。6.体积小,耗能低PLC是由软件实现的逻辑控制,可以大大的节省继电器、定时器的数量。比如一台小型的PLC,只相当于几个继电器的体积,大大降低了控制系统所消耗的能量。7.性价比高,功能强用户程序所要实现的逻辑控制,需要的继电器、定时器、计数器、中间计数器等功能元件都由存储单元来取代,因此数量非常大。一台小型的PLC所具有的元件就可以达到上千个,等于过去一个大规模甚至超大规模的继电器接触器控制系统。此外,PLC提供的软元件的触点(如继电器)能无限次使用,便于实现复杂的控制功能。PLC的脸网通信功能利于实现远程控制、分散控制、集中管理等功能,和同等大小或成本的继电接触器控制系统相比,功能和性能都具有很大的优势。以上为PLC最基本的7个特点,正是因为具有这些特点,所以PLC在今后工业机械发展上有着不可或缺的作用。3.1.3PLC的构成PLC是一种用在工业制造业上的计算机,在设计理念上,是计算机技术与继电接触器控制电路相结合的产物,因此PLC与工业控制对象有着很强大接口能力。由于PLC的本质就是一台计算机(适合工业控制的微型计算机),因此其基本结构和组成也具有一般微型计算机的特征。图3.1为PLC的基本组成部件图3.1PLC的基本组成结构和具体应用过程1.中央处理单元(CPU)CPU是PLC的核心部件,这一点与一般处理器的道理一样,其功能是完成逻辑运算数字运算及协调系统内各部分的工作。CPU具有以下的几个主要功能(1)读取输入状态和数据并储存到相应的存储区。(2)控制用户从编程器输入的用户程序和数据的接受和存储。(3)检查电源障碍及用户程序的语法错误。(4)接受用户程序指令,读取执行用户程序,完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务,刷新输出映像,将输出映像聂荣传送至输出单元。a.通用处理器8086、80286、80386b.单片机芯片MCS51、MCS96c.位片式微处理器AMD2900、2901、2903小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU。中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU。大型PLC多采用高速位片式微处理器。2.电源单元电源单元是将外部的所供应的电源变成自己内部系统各个单位的电源,有些电源单元也可作为负载电源,通过PLC的I/O接口向负载供应直流24V电源。PLC的电源大都采用开关电源,输入电压范围宽,抗干扰能力强。电源的输入与输出间有可靠的距离,便于保证不被外界干扰从而正常工作。3.存储器单元存储器可分为两个部分系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器用于存储PLC生产的那个厂家编写的系统程序。有关的系统管理,解释指令,系统调用及标准程序等程序组成了系统程序。PROM或EPROM组成系统程序存储器。用户程序存储器可以把它分为两种,一种为程序存储区,还有一种为数据存储器。用户存储器的容量不是很大,其作用时用来存储PLC内部的输入输出信息,还能存储内部移位寄存器、累加寄存器、数据寄存器、继电器、定时器和计数器的工作状态。4.输入、输出单元PLC的输入输出单元也叫I/O单元。I/O单元式PLC与工业现场的接口,现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元来实现。输入单元将来自现场的电信号转换为中央处理器能接受的电平信号。作为抗干扰措施,输入/输出单元都带有光电耦合电路,将PLC于外部电路隔离。此外,输入单元带有滤波电路和显示,输出单元带有输出锁存器、显示、功率放大等部分。5.接口单元接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口、通信接口等。(1)I/O扩展接口I/O扩展接口用于扩展输入/输出点数,当主机的I/O通道数量不能满足系统要求时,需要增加扩展单元,这是需要用到I/O扩展接口将扩展单元与主机连接起来。(2)编程器接口编程器接口是连接编程器的,通过这个借口,可以连接各种形式的编程装置,还可以利用此接口做通信、监控等工作。(3)通信接口在PLC的CPU单元或者专用的通用模块上,集成有RS232C口活RS422口,可与PLC、上位机、远程I/O、监视器、编程等外部设备相连,实现PLC与上述设备之间的数据及信息的交换,组成局域网络或集中管理,分散控制的多级分布式控制系统(4)存储器接口
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