毕业设计（论文）-基于PLC控制的变频恒压供水系统的设计.pdf

- i - 基于基于基于基于 plcplcplcplc 控制的控制的控制的控制的变频恒压供水系统的设计变频恒压供水系统的设计变频恒压供水系统的设计变频恒压供水系统的设计 摘要摘要摘要摘要 近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。然而用户用水需求量的季节 差异和每日不同时段的变化均很大：在夏季用水高峰期，夜间用水量很小，而白天用水 量却很大，这就产生供水不足或供水过剩的情况。而用水和供水之间的不平衡集中反映 在供水的压力上，用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。因此需要 找到一种有效的方法保持供水压力的恒定，使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供 水也多，用水少时供水也少，从而提高供水的质量。 随着变频调速技术和可编程控制器的飞速发展，从最初的 v/f 控制变频器到现在的 磁通矢量控制变频器，变频调速因其在调速范围、调速精度、动态响应、智能控制、功 率因数、节约电能、工作效率等方面的优异性能，以变频调速为核心的智能供水控制系 统逐步取代了以前的高位水箱和压力罐等供水设备，在恒压供水系统中得到了广泛的应 用。本课题设计的系统采用 plc 作为中心控制单元，利用变频器与 pid 结合，根据系统 状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高系统的工作稳定性， 取得良好的控制效果以及明显的节能效果。 关键词关键词关键词关键词恒压供水；可编程控制器；变频器；变频调速 哈尔滨理工大学学士学位论文 - ii - b b b basedasedasedased onononon plcplcplcplc controlcontrolcontrolcontrol frequencyfrequencyfrequencyfrequency conversionconversionconversionconversion constantconstantconstantconstant pressurepressurepressurepressure waterwaterwaterwatersupplysupplysupplysupply systemsystemsystemsystem s s s s designdesigndesigndesign abstractabstractabstractabstract in recent years our country small and medium-sized town and cities development was rapid, centralized water consumption sharp growth. however the user water used demands season difference and the different time intervals change is very every day big (in summer water used peak, water consumption is very at night small, but the daytime water consumption is very actually big), this has the water supply insufficiency or the water supply surplus situation. but between the water used and the water supply not balanced concentrated reflection in the water supply pressure, the water used many supplies water few, then the pressure is low; the water used few supplies water many, then pressure high. therefore needed to find one effective method maintains the water supply pressure constant, caused between the water supply and the water used maintains balanced, namely the water used were many when supplied water also many, the water used youth water supply were also few, thus enhancement water supply quality. alongwithfrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyand programmable controllers swift development, from initial v/f control frequency changer to presents magnetic flux vector control frequency changer, because the frequency conversion velocity modulation it in aspect and so on governor deflection, velocity modulation precision, dynamic response, intelligent control, power factor, frugal electrical energy, working efficiency outstanding performance, has substituted for beforehand feed water equipments gradually and so on high cistern and head tank take the frequency conversion velocity modulation as the core intelligent water supply control system, obtained the widespread application in the constant pressure water supply system. this topic designs system uses plc to take the center control unit, unifies using the frequency changer and pid, according to the system mode may the quick-adjusting water supply systems working pressure, achieve the constant pressure 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iii - water supply the goal, enhances systems work stability, obtains the good control effect as well as the obvious energy conservation effect. keywordskeywordskeywordskeywordsprogrammable controller; frequency changer; constant pressure; water supply 哈尔滨理工大学学士学位论文 - iv - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论 1 1.1 生活供水系统的发展及现状. 1 1.2 变频调速恒压供水系统的组成. 2 1.3 变频调速恒压给水系统的特点. 2 1.4 毕业设计任务. 3 第 2 章 变频调速恒压给水系统的总体研究 4 2.1 系统的工作原理. 4 2.2 变频调速恒压给水系统的总体方案. 7 2.2.1 功能设定 7 2.2.2 总体结构关系 8 2.3 本章小结. 8 第 3 章 可编程序控制器的简介和选择 9 3.1 可编控制器的简介. 9 3.2 可编程控制器的工作原理11 3.3 plc 的选择13 3.4 fp0 系列 plc 常用系统指令14 3.5 plc 应用于工业控制的一般步骤18 3.6 本章小结. 19 第 4 章 变频器简介及参数设置 20 4.1 交流调速的概述. 20 4.2 变频器调速原理. 20 4.3 变频器的选择及其在系统中的作用. 22 4.4 变频器的参数设置. 23 4.5 本章小结. 25 第 5 章 系统的软硬件设计 26 5.1 系统的硬件设计. 26 5.1.1 变送器的选择 26 5.1.2 硬件接线图 27 5.2 系统的软件设计. 28 5.2.1 i/o 口分配.29 5.2.2 程序流程图 29 5.2.3 供水系统调试 30 5.2.4 plc 程序梯形图.32 5.3 本章小结. 36 哈尔滨理工大学学士学位论文 - v - 结论 37 致谢 38 参考文献 39 附录 a.40 附录 b.43 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 生活供水系统的发展及现状生活供水系统的发展及现状生活供水系统的发展及现状生活供水系统的发展及现状 近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从 1990 年 到 2005 年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）由 175.7 升增加到 241.1 升，增长了 37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用 水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水 压浮动较大。住宅小区和商住楼（低层）的供水原来一般采用楼顶水箱此类供 水方式，楼底水泵将蓄水池的用水打到楼顶水箱，楼顶水箱中的水在利用自身 的重力压到用水管道。很简单的供水模式，它最主要的问题就在于水泵工作时 间的控制上面了，刚开始时，专门安排人职守开关水泵，没水了开泵，水满了 就关泵。这样做不仅麻烦，还浪费了人力，就考虑用时间继电器来控制水泵的 启停，开始还好，可是季节变化和时间变化后，继电器的时间设置就要重新调 整，又很麻烦。随着电子技术发展到现在，各种水泵启停控制器的出现，使这 种楼顶水箱供水方式主要形成了以下几种： 1.电接点压力表控制式，在水泵的出水管处安装电接点压力表，楼顶水箱 的进水口处则安装一个浮球阀，水满时，浮水阀渐渐关闭，使水泵的出水压力 渐渐增大，到达一定设定值时，压力表输出信号将水泵停止。 2液位控制式，在楼顶水箱的上下各装一个液位传感器（比如：干簧管、 浮球等等），水位到了高液位，水泵停止，水位下降到下水位，水泵停止。 3利用单片机良好的可编程性做成水泵运行控制电路板，结合上面两种方 式中的优点，也形成了一种不错的系统。 90 年代初，变频器作为一种新兴的电子产品进入中国大陆，生产厂家和工 程应用人员就对它发生了浓厚的兴趣，它能对电机进行无组长调速而且不改变 电机固有的机械特性，在水泵上面的应用得到了最完美的体现。再加上平衡的 软启动特性，人们开辟了一个崭新变频恒压供水领域。到了 90 年代后期，许多 地区规定，新建住房上面不能有水箱，取消原有的水箱供水方式。至此，变频 恒压供水系统已经完全成熟，被各个建筑开发商所采用。 这种最新的供水方式也是随着变频器技术的逐步完善经过了一个过程。 刚开始变频器只拥有简单的调速功能，而要恒压就必须要做闭环，也就需 要 pid 调节器。还需要 plc（可编程控制器）对水泵使用的台数进行控制，在 此情况下，第一，plc 需要专业人员进行编程，第二，pid 调节器不是很好调 整参数，pid 效果总是不尽人意，所以刚开始许多一程设计人员都认为该系统 是莫测高深，很难掌握，干脆就放弃不用，这也是造成该供水方式前期得不到 快速很好发展的主要原因。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 随之变频器开始解决这些问题，把 pid 调节器内置到变频器中，而且很好 调整，很多系统的 pid 参数不用做调整直接使用出厂值就可以得到很好的稳定 效果，接着就把 plc 的功能也通过各种方式内置到变频器中，有的厂家做成备 选件插卡的模式，有的厂家则直接推出供水的专用变频器型号，设计使用人员 只要设置几个简单的参数就可以实现控制功能，到现在人们提到恒压供水系统 时都开始发表自己的意见就是很简单的，也很好用。 然而人们又开始提出，现在的系统是很简单的，只要在变频器操作面板上 设置几个参数就可以解决问题，可是还有一些使用者连变频器是什么都不清 楚，还要对这此使用者进行培训。教他们如何操作。问题也就会发生在当操作 失误将参数设置错误后的麻烦让人头疼，因此就出现了利用触摸屏（人机界 面）+plc 组成了更高级的系统，使用人员就像使用小型的中文电脑一样，可以 直观方便的输入和读出想要的数据，至此，变频恒压供水系统就到了发展的高 峰1。 1.21.21.21.2 变频调速恒压供水系统的组成变频调速恒压供水系统的组成变频调速恒压供水系统的组成变频调速恒压供水系统的组成 变频恒压供水系统主要有以下几个方面组成 ： 1. 水用的变频器 2. 外部及水泵电气控制用电控柜 3. 压力变送器 4. plc（可编程控制器） 5. hmi（触摸屏，人机界面） 注：后两项（4、5）为高级功能型号所需要。 如上所术，现代变频恒压供水系统使用的变频器主要有两种模式，一种是 插卡，即在通用变频器内部插入专用的供水基板即获得恒压供水功能。别一种 则是生产供水专用的变频器，这两种只是异曲同工而已，没有功能上的孰优孰 劣之分。一般都有两种控制方式： 第一、变频固定控制方式，变频器只固定驱动一台电机，其它电机直接由 内置控制器启动，这种方式主要用在使用的水泵容量不同的情况下，特别是在 水厂和自来水公司。该系统可以实现一拖七台水泵。 第二、变频循环控制方式，每台电机都由变频器软启动，内置控制器控制 电机的切换和启停，这种方式主要用在同容量电机的情况下，该系统可以实现 一拖三台水泵。 1.31.31.31.3 变频调速恒压给水系统的特点变频调速恒压给水系统的特点变频调速恒压给水系统的特点变频调速恒压给水系统的特点 1. 全自动，无人操作 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 本系统会自动根据用户用水量的大小，自动调整水泵转速、自行决定加减 泵的时间台数以及消防巡检的工作程序等，都无需人工干预、人工操作自动完 成。 2. 有效延长电机、水泵及管网的寿命 水泵机组全都采用循环软起动、软停止，在起停过程中无电流、机械冲 击，消除了常规供水系统中无法克服的水锤现象，减少了管网的压力冲击，提 高了管网及水泵电机的使用寿命。 3. 基建投资少，水源无污染，无需防冻处理 系统设备紧凑，节省建筑面积 6070%，节约建筑资金（相对水塔）可达 到 8090%。因恒压供水是将源水直接送到最终用户，中间无蓄水环节，解决 了水塔、水箱供水中的二次污染问题，严寒冬季也无需再像高位水箱那样做防 冻处理。 4. 节水节电效果明显 本系统节约用水可达 1525%；由于采用变频调速控制，使电机水泵一直 工作在高效率区，加上系统采取的一系列节能措施可使整个供水系统的节电率 高达 2050%。 5. 保护功能完善，实现不间断供水 系统在设计时充分考虑了潜水电泵、变频器等的使用性能，具有多种保护 功能如：缺相、欠压、过压、过流、过热、过载、不平衡、电机止推磨损、缺 水等多种保护功能，同时系统的故障自诊断功能，方便了用户排查故障，故障 电话自动拔号功能，真正实现了泵房无人职守运行，系统还设有手动、半自 动、全自动三种工作方式，确保了供水的连续性。 6. 设置灵活、功能齐全 通过 plc 编程设计灵活配置系统功能，可增加定时巡检、日周定时开关 机、多压力设定、变量变压供水等多种特殊功能，以满足不同用户的特殊要 求。可与各种接口的上位机联网，实现系统的微机远程监控。 同时还可根据用户需要构成其它闭环控制系统，如恒液位、恒流量、比例 控制等多种控制系统。2 1.41.41.41.4 毕业设计任务毕业设计任务毕业设计任务毕业设计任务 基于以上简介，本文设计了该变频恒压给水系统，该系统选用 plc 与变频 器结合来实现对小区高楼的恒压供水，再加上变频器内置的 pid 调节与压力变 送器，使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠 性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，不仅改变传统用阀门控制水 量的多少，也改善了传统控制方法的故障率较高的弱点，而且在节能、恒压控 制等方面均有非常好的使用效果。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 变频调速恒压给水系统的总体研究变频调速恒压给水系统的总体研究变频调速恒压给水系统的总体研究变频调速恒压给水系统的总体研究 本设计是基于 plc 控制的恒压供水系统，主要用到了 plc 和变频器，系统 采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度，改变了以往先启后停的方式，系 统能够自动和手动完成各个泵的启动、停止和无冲击切换，以及故障报警，使 水压平稳过渡。 在恒压供水控制系统设计中，对变频器控制也进行了必要的讲解。包括变 频原理，变频器的分类以及参数的设定。其硬件由 plc、变频器、电机、继电 器等组成。详细的论述了 plc 的原理、变频器的原理、硬件设计、软件设计、 操作、参数设定、控制系统图的设计。 在设计中利用 plc 控制变频器，采用 pid 控制器，形成以压力为闭环的控 制系统，从而实现供水压力的恒定，而泵的启动和停止可以自动和手动来实现 的。该系统运行可靠，抗干扰性强，且具有经济性3。 2.12.12.12.1 系统的工作原理系统的工作原理系统的工作原理系统的工作原理 整个控制系统是由 plc、变频器、压力变送器、温度变送器，水泵电机等 组成，水泵均采用三相异步电动机来拖动，在这个控制系统中共有 4 台水泵电 机，因为在不同的时间段内人们所用水量是不同的，根据人们的用水规律：在 白天用水量很大，晚上特别是零点以后，人们的用水量又是特别小。为了不使 能源浪费，选用 1 台小功率电机和 3 台大功率电机。用一台小功率电机来拖动 一个水泵，以便于晚上或白天的某个时间段用水量很小的时候工作，在用水量 大的时候，就让 3 个大功率电机的某台或其中的两台电机工作，当用水量特别 大的时候就让 3 台电机同时运行，来满足人们用水的要求。同时，由于系统中 采用了压力变送器，可以方便的调节变送器，通过控制系统使管道内的水压稳 定在一个基本不变或者变化量极小的范围内，从而实现恒压供水。整个系统的 工作原理方框图如图 2-1 所示。 由图 2-1 可知，控制信号的采集是由压力变送器和温度变送器来完成的， 由压力变送器采集的管道中的压力信号，经过 plc 的智能扩展模块 a21 来进行 模数转换，a21 根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量 按一定的关系转换成 plc 内部的数字信号，然后由 plc 将转换后的数字信号与 事先设定的压力值相比较，根据比较的结果，控制相应的输出来决定让哪一个 水泵电机工作，并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作，在这个恒压 供水系统中，一台变频器带 4 台水泵电机，每台水泵电机既可以在常规工频模 式下工作，也可以在变频模式下工作。但是每台水泵电机在任一时刻只能处于 变频工作模式或工频工作模式中的一种，在设计中通过 plc 内部的输出继电器 进行互锁，为了确保水泵电机安全工作，同时在外部用两个交流接触器互锁来 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 保证它的安全与可靠。 温度变送器 压力变送器 a 21 扩展单元 松下 fp 0 - 32 cp 系 列 plc 继电器组 frenic 日 本 富 士 变 频 器 风 扇 电 机 水 泵 电 机 图 2-1 系统工作原理方框图 变频器与其外围设备之间的接线图如图 2-2 所示。 srt frenic2 2 0k w/ f r n 2 2 0g1 1s-4c x wvu p b + + - - m 无 熔 丝 断 路 器 m c c b 电 磁 接 触 器 m c 交 流 电 抗 器 a c l 无 线 电 噪 音 滤 波 器 n f 制 动 单 元u b 或 制 动 电 阻r b 无 线 电 噪 音 滤 波 器 n f 图 2-2变频器与其外围调设备的接线图 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 在图 2-2 中，mccb 的作用为：快速切断变频器的故障电流并防止变频器 及其线路故障导致电源故障；mc 的作用为：在变频器故障时切断主电源，并 防止停电及故障后的再起动。acl 的作用为：用于改善输入功率因数，降低高 次谐波及抑制电源的浪涌；nf 的作用为：减小变频器产生的无线电干扰。电机 与变频器间配线距离小于 20 米时，连接在电源侧，配线距离大于 20 米时，连 接在输出侧4。变频器与水泵、风扇电机之间的接线如图 2-3 所示。 k m8k m2k m4 k m0 r s t u v w k m7k m1k m3k m5 m2m3 m1小 电 机 m4 k m9 风 扇 电 机 k m6 变频器 f u1 图 2-3 电源、变频器与水泵、风扇电机的接线图 当压力变送器传来的信号为管道中的水压较低时，同 plc 发出一个控制信 号，首先接通变频器，然后使 km1 线圈得电，这时 m2 电机开始起动，在 m2 电机起动后，压力变送器从管道中传来的压力信号一方面经过 a21 的模数转换 后与设定的压力值相比较，判断用户终端水压的高低；另一方面将这个由压力 变送器传来的信号通过 a21 的数模转换，将压力的模拟信号送到变频器中内置 的 pid 调节器中。由 pid 根据管道中的压力信号来输出相应的频率，控制水泵 电机的转速。 当 m2 经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间（可以根据对系统 灵敏度的要求来调整） ，从管道中采集一个压力信号与设计值比较，若管道中的 压力仍然低于设定的压力，则由 plc 发出控制指令，使 km1 断开、km2 得电 闭合，从而将 m2 电机从变频器脱离，使它直接与工频电源相连接工频运行， 同时，也让 km3 闭合，使 m3 电机与变频器相连。这时压力变送器传来的信号 经 pid 调节后控制 m3 电机的转速，使管道内的压力与设定的压力值相接近。 同理，当 m3 经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间，从管道中 采集一个压力信号与设计值比较，若管道中的压力仍然低于设定的压力，则由 plc 发出控制指令，使 km3 断开，然后接通 km4 和 km5，即使 m3 也处于工 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 频模式运行，同时把 m4 接到变频器上，a21 传来的模拟信号由 pid 调节后输 出相应的频率来控制 m4，直到满足设定的压力值为止。 考虑到每个水泵电机的使用寿命，为了让电机的工作时间尽可能相同，在 这里采用先起先停的原则来控制水泵电机，即当管道内的压力高于设定的压力 时，先停止 m2，让 m3 与 m4 工作，经过一段时间后，再采集管道内的压力信 号，与设定值比较，若仍然高于设定压力，则把 m3 停止，只留下 m4 依靠 pid 的控制工作。当压力再次低于设定压力时，起动 m1，如此循环。 当在某一时间段内人们的用水量特别少。例如在深夜几乎没有人用水，用 一台大功率水泵电机在变频的模式下工作也会使管道内的压力高于设定压力 时，这时 plc 发出指令，使三个大功率电机全部停止运行，再将小功率电机与 变频器接通，使小功率电机在变频模式下运行，直到小功率电机经 pid 调节频 率达到 50hz 一段时间后，仍不能达到设定的压力，这时 plc 先将小功率泵断 开，然后起动大功率泵 m1，如此重复循环5。 2.22.22.22.2 变频调速恒压给水系统的总体方案变频调速恒压给水系统的总体方案变频调速恒压给水系统的总体方案变频调速恒压给水系统的总体方案 2.2.12.2.12.2.12.2.1 功能设定功能设定功能设定功能设定 1.运行方式分为手动、自动两种。在手动方式下，可以对控制水泵中的任 意一台进行启动和关闭操作，该方式主要用于系统设计期的测试，方便任一时 期的检修，以及紧急情况下的水泵控制，注意当有一台水泵工作在变频状态时 及有超压信号时手起泵无效，因为此时系统肯定已经能够满足控制要求。任意 时刻的停泵要求系统都应该响应，否则不能满足紧急情况下的停泵要求。而整 个系统本身正常状态下的运行主要采用全自动方式，使供水系统高度自动化， 这也是系统开发的目的之一。在全自动方式下 ，按下启动按钮，系统就能自动 赋初值，根据用水量的变化自动调节水泵转速和运行台数，确定每台泵的具体 工作状态，使达到最优配置。 2.要对管网水压进行实时数据采样，信号直接送变频器或者经 a/d 转换后 送 plc，从而实现对管网压力的闭环控制。采样点可以选择在水泵的出口管道 处，这样比较方便且传送距离比较近，压力信号基本不失真 。 3.变频器运行时要对变频器当前控制的水泵的运行情况进行监控。变频器 应该能够对水泵进行过载、失速、过电流、过电压、欠电压、输入缺相、电动 机过载、变频器过热、变频器内散热板过热及其它一些常规保护。变频器只对 当前工作在变频态的水泵负责。 4.当有消防信号时，由于灭火的用水量特别大，这时不管水泵电机在什么 模式下运行，都把它切换到工频模式，由三台功率较大的电机来对系统供水， 从而保证大量用水的需要。 5.要对变频器的运行情况进行鉴测，还有供水的水量、水泵的转速、管网 压力都要进行监控，对于危险情况要设置报警信号，并自动做出反应，切除危 险源，防止危险扩大。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 6.硬件的选择要留有余地，特别是 plc 的 i/o 点数和内部继电器数，为以 后的功能扩展和系统升级作好准备。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 总体结构关系总体结构关系总体结构关系总体结构关系 根据系统功能设定和机械结构，本系统采用 plc 可编程控制和变频器变频 调速两层控制的结构。plc 负责按钮、模拟信号和其他开关量信号的输入，以 及发出信号去控制接触器、变频器等电气元件，进而控制水泵的运转及整个系 统的正常运行。另外 plc 还负责各种异常情况的处理。而变频器则主要是负责 控制当前电机转速，使转速的变化能跟随用水量的变化，实现恒压的闭环控 制。也就是说 plc 是宏观调控，变频器则微观调控，两者紧密结合，共同完成 了系统的变频恒压控制任务。系统开始运行后，plc 给变频器 fwd 信号，使 变频器 run，压力变送器给 plc 提供超压、欠压信号，变频器给 plc 提供变 频器故障信号，plc 根据这三种信号进行处理，输出控制信号。pod 则负责对 plc 的运行状态进行监控，它只是个人机界面，方便了操作员对 plc 进行操作 和控制。所以，在本系统中，plc 是整个控制系统的核心部件，pod 则是以辅 助部件出现的。形象的说，plc 是大脑，是整个系统的控制中心，变频器是 手，是系统的执行机构，pod 是嘴巴，负责与外界的交流6。他们间的连接图 如图 2-4。 p o d p l c 变 频 器 r s232连 接 通 信 fwd信 号 超 压 信 号 欠 压 信 号 变频器故障信号 图 2-4plc 和变频器连接 2.32.32.32.3 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章主要是对系统的总体研究，阐述了系统的工作原理、全自动变频恒压 控制系统。本章还做了系统的总体设计方案，包括功能设定、总体结构关系、 总体工作流程。使我们对系统的设计有了大体的了解。最后，还简单介绍了系 统主要硬件的选择。从本章我们可以了解到系统设计的总体思路，以及所采用 的主要硬件设备。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 可编程序控制器的简介和选择可编程序控制器的简介和选择可编程序控制器的简介和选择可编程序控制器的简介和选择 可编程序控制器（programmable controller）是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器称作可编程序控制器，他 主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大 大超越了逻辑控制的范围。今天这种装置称为可编程序控制器 plc。plc 具有 高可靠性、丰富的 i/o 接口模块、模块化结构、编程简单易学、安装及维修方 便、系统设计及调试周期短等特点。所以 pc 被广泛应用于逻辑控制、计数控 制、顺序控制、pid 控制、数据处理、通信和联网等工业控制领域。随着大规 模、超大规模集成电路技术和数字通信技术的进步和发展，plc 的发展十分迅 速，而且这种发展还在继续。6 3.13.13.13.1 可编控制器的简介可编控制器的简介可编控制器的简介可编控制器的简介 近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理器为核心组成的可编 程控制器得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足工业化大生产中 的高效的，大量的自动化要求。如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计 数，温度、压力、流量的设定与控制等。 可编程控制器（programmable controller）又简称为 pc 或 plc，日本电器 控制学会曾对可编程控制器作了一个定义： “可编程控制器是将逻辑运算、顺序 控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器 中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设备 与生产过程进行控制的装置。 可见 plc 是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普 通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控 制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及 i/o 通道、用户界面等诸多 方面都有其特殊性。 早期的 plc 主要用于顺序控制（例如代替以继电器控制板为主的各种顺序 控制装置） ，今天 plc 的应用已经不仅限于顺序控制，它已经开始用于闭环过 程控制（如 ddc 控制） ，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地 应用于复杂的分布式计算机控制系统中。plc 自 1969 年问世以来，它按照成熟 而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新器件，逐步 形成一门较为独立的新型技术和具有特色的各种系列产品。 目前世界上个先进工业国都经竞相开发、生产各类 plc 产品，我国在引进 国外产品的同时，也引进了该项技术，并组织 plc 产品的开发和生产，并初步 形成自己的 plc 产业。在应用领域，plc 也已成为解决自动控制问题的最便 捷、最有效的工具。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 虽然各种 plc 产品的组成形式和功能特点各不相同，但它们在结构和形式 上基本是相同的，一般由 cpu、存储器、输入/输出系统及其它可选部件组成， 如图 3-1 所示。 c p u 输入/输 出 系 统其 它 可 选 部 件 系 统 程 序 存 储 器 用 户 程 序 存 储 器 现 场 输 入 /输 出 信 号 系 统 总 线 图 3-1plc 的一般组成 plc 在运行过程中一般由 cpu、存储器和输入/输出系统三个部分即可完成 预定的各种控制任务，因此可将这三部 分称为 plc 的基本组成部分。其它可 选部件包括编程器、外存储器、模拟 i/o 盘、通讯接口、扩展接口以及测试设 备等。主要用于系统的编程组态、程序存储、通讯联网、系统扩展和系统测 试、维护等，是 plc 的辅助组成部分，在 plc 正常运行期间，这些部件并不起 作用，它们主要用于系统的开发、安装、调试和维护。 1. 基本组成 plc 的基本组成部分包括 cpu、存储器和 i/o 系统三个部分。plc 的系统 程序和用户程序都存放在存储器中，现场输入信号经过 i/o 系统传送至 cpu， cpu 按照用户程序存储器里安放的指令，执行逻辑或算术运算，并发出相应的 控制指令，该指令通过 i/o 系统传送至现场，驱动相应的执行机构动作，从而 完成相应的控制任务。 (1) cpucpu 是 plc 的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户 按照特定的格式输入的各种指令，并按照指令的规定，根据当前的现场 i/o 信 号的状态发出相应的控制指令，完成预定的控制任务。另外它还能够识别用户 所输入的指令序列的格式和语法错误，还具有系统电源、i/o 系统、存储器及其 它接口的测试与诊断功能。cpu 与其它部件之间的连接是通过总线进行的。 目前各厂家生产的 plc 已普遍采用了高性能的 8 位和 16 位微处理器作为 其 cpu,如 intel 公司的 80*86、以及 mcs51 及 motorola 公司的 68000 系列 cpu 等。有的已经使用了准 32 位或 32 位的微处理器，时钟频率已达 25-33mhz，很 多系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩 短到 0.1-0.2s，并且可执行更为复杂的先进控制算法，如整定、预测控制和模糊 控制等。 (2) 存储器plc 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组 成。系统程序是由生产厂家预先编制的监控程序、模块化应用功能子程序、命 令解释和功能子程序的调用管理程序及各种系统参数等。用户程序是 由用户编 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 制的梯形图、输入/输出状态、计数/计时值以及系统运行必要的初始值、其它参 数等。系统程序存储器容量的大小，决定了系统程序的大小和复杂程度，也决 定了 plc 的功能和性能。用户程序存储器容量的大小，决定了用户程序的大小 和复杂程度，从而决定了用户程序所能完成的功能和任务的大小。从存储器的 性质来分，又分为 rom 和 ram 两部分。 (3) 输入/输出系统plc 的输入/输出系统是过程状态与参数输入到 plc 以及 plc 实现控制时控制信号输出的通道。它提供了各种操作电平和驱动能力 的输入/输出接口模块，以实现被控过程与 plc i/o 接口之间的电平转换、电气 隔离、串/并转换、a/d 与 d/a 转换等功能。根据它们所实现的功能不同，可将 i/o 通道分为五种： （1）模拟量输入通道（ai） ； （2）模拟量输出通道（ao）； （3）开关量输入通道（di） ； （4）开关量输出通道（do） ； （5）脉冲量输入通 道（pi） 。 (4) 可选部件plc 的可选部件是与 plc 的运行没有依赖关系的一些部 件，它是 plc 系统编程、调试、测试与维护等必备的设备，plc 可独立于这些 可选部件而独立运行。可选部件包括编程器、小型盒式磁带机、i/o 信号模拟 盘、i/o 扩展器和数字通信接口等。 2. 可编程控制器的特点 可编程控制器之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它具有 一些良好特点： 1) 功能完善 2) 模块化结构，硬、软件开发方便 3) 操作方便，维护改造容易 4) 性能稳定，可靠性高 5) 具有较高的性能/价格比 3.23.23.23.2 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 1. 基本原理 可编程序控制器要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过反映控制要求 的用户程序来完成的。这一点是和计算机的工作原理一致的，所以可编程许控 制器工作的基本原理是建立在计算机工作原理基础上的。从广义上讲，可编程 控制器 plc 实质上是一种计算机控制系统，只不过他具有比计算机更强的与工 业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。由于他是作为继电控 制盘的替代物，起核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理有很 大差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电器的线 圈通电或断电，该继电器的所有触点（包括他的常开触点或常闭触点）不论在 继电器线路的哪个位置上，都会立即同时动作。然而 plc 的 cpu 则采用顺序 逐条地扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断 开，该线圈的所有触点（包括他的常开触点或常闭触点）不会立即动作，必须 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这 种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 plc 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此，plc 采用了一种不同于一 般微机计算机的运行方式扫描技术。这样，对于 i/o 响应要求不同的场 合，plc 与继电器控制装置在 i/o 的处理结果上就没有什么差别了。 2. 扫描原理 在前面分析中，我们发现主要矛盾是对被控对象控制条件的满足时间与程 序执行的不协调。采用查询方式已不能满足要求，因此，应采用对整个程序循 环执行的工作方式，也称循环扫描，即执行用户程序并不长，每一条指令执行 时间足够快，则执行一次程序所占时间足够短，那么扫描一次程序所占的时间 短到足以保证变量条件不变，即前次扫描未捕捉到的某一变量的状态，保证在 下一次扫描程序时该状态变量条件依然存在。这样就可以解决程序顺序控制与 被控对象控制条件之间存在的不协调的矛盾了。 扫描周期的长短，首先与每条指令执行时间长短有关，其次与所用指令的 类型及包含指令条数的多少有关。前者取决于机器的主频即时钟的快慢，机器 选定之后，主频也就确定了；后者取决于被控系统的复杂程度及编程人员的水 平。 理论上希望扫描周期越短越好，但用户则希望扫描周期尽量长，这就形成 一对矛盾，但必须达到统一。一般确定循环到秒周期的时间约为 100200ms。 用户在编程过程中，在指令的选择上，应尽量节约时间，以满足程序较长的要 求。 3. plc 的工作过程 plc 虽然具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微 机一般采用等待命令的工作方式，如图 3-2 所示。 plc 是在系统软件的控制和 指挥下。采用顺序扫描方式工作的。plc 的工作过程就是程序的执行过程，它 分为输入采样、程序执行和输出刷新 3 个阶段。 输入接口 输入映像寄存器 输出映像寄存器 输出锁存器 输入接口 e n d i0.0 i0.1 i0.2 q0.0 q0.0 q0.0q0.1 输 入 处 理程 序 处 理输 出 处 理 输 入 刷 新输 出 刷 新 扫 描 周 期 （ 几 十 毫 秒 ） 图 3-2 plc 的扫描工作过程 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - (1) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc 用扫秒方式把所有输入端的外部输入信号的通/断 （on/off）状态一次写入到输入映像寄存器（或称输入状态寄存器）中，此 时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出 阶段，输入映像寄存器与外界隔离，即使外部输入信号状态发生了变化，输入 映像寄存器的内容也不会随之改变。输入信号变化了的状态，只能在下一个扫 描周期的输入采样阶段才被读入。换句话说，在输入采样阶段结束之后，无论 输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的 输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 (2) 程序执行阶段 在程序执行阶段，plc 逐条解释和执行程序。若是梯形图程序，则按先上 后下、先左后右的顺序进行扫描（执行） 。若遇到跳转指令，则根据跳转条件是 否满足来决定的跳转地址。在顺序执行程序时，所需要的输入状态有输入映像 寄存器中。对于每一个软件（输入继电器 x 除外）来说，元件映像寄存器中所 存的内容会随着程序执行的进程而变化。 (3) 输出刷新阶段 当所有的用户程序执行完后，集中将元件映像寄存器中的输出元件（即输 出继电器）的状态（此状态存放在对应的输出映像寄存器中）转存到输出锁存 寄存器中，经过输出模块隔离和功率放大，转换成被控设备所能接受的电压或 电流信号后，再去驱动被控制的用户输出设备（即外部负载） 。 plc 重复地执行上述三个阶段。每重复一次的时间即为一个扫描周期。扫 描周期的长短和用户程序的长短有关。 对于小型 plc，i/o 点数较少，用户程序较短，采用集中采样、集中输出的 工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但从根本上提高了系统 的抗干扰能力，系统的可靠性增强。而对于中、大型 plc，由于 i/o 点数多， 控制功能强，编制的用户程序相应较长。为提高系统响应速度，可以采用定周 期输入采样，输出刷新，直接采样，直接输出刷新，中断 i/o，以及智能化 i/o 接口等方式。7 3.33.33.33.3 plcplcplcplc 的选择的选择的选择的选择 在本系统中，我们的 plc 选择使用日本松下电工生产的 fp0 系列的 plc fp0c32cp，以下是 fp0 系列 plc 的特点： 超小型尺寸：一个控制单元只有 25 毫米宽，甚至扩充到 i/o128 点，宽度 也只有 105 毫米，它的安装面积是同类产品中最小。 可选择三种安装方式：din 导轨条安装 、底面直接安装、 附面直接安 装。 控制单元宽度：30mm。 控制单元尺寸：宽 25高 90长 60 毫米，最大可扩充至 128 点，此时尺 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 寸：宽 105高 90长 60 毫米，超小型外形设计打破了以往人们对小型 plc 的 看法，由于 fp0 具有世界上最小的安装面积，故可安装在小型机器、设备及越 来越小的控制面板上，从而使整个系统结构紧凑，减少设备安装面积，安装灵 活方便。 轻松扩展：扩展单元不需任何电缆即可轻松连接上(最多可用三个扩展单 元)，扩展单元可直接连接到控制单元上，扩展单元可使用单元表面的扩充连接 器和锁定单排触头即可形成层叠系统，而无需特殊扩展电缆、底板等等。从而 有效的提高安装速度，并且避免了接线所带来的麻烦，使整个控制单元美观 化。 为了使系统控制简单化，在用 plc 的同时选用 fp0 的高级模块 a21，a21 具有两个 a/d 转换单元和一个 d/a 转换单元，完全可以满足系统的控制要求。 3.43.43.43.4 fp0fp0fp0fp0 系列系列系列系列 plcplcplcplc 常用常用常用常用系统指令系统指令系统指令系统指令 1.基本指令 1) 控制基本指令 st、st/：开始指令，读取指定触点的 qn 或 off 状态。 ot：输出指令，将运算的结果输出到指定线圈。 /：逻辑非，根据本指令进行逻辑取反运算。 an：逻辑与，使 a 型（常开）触点串联。 an/：逻辑与非，使 b 型（常闭）触点串联。 or：逻辑或，使 a 型（常开）触点并联。 or/：逻辑或非，使 b 型（常闭）触点或联。 ed：结束，表示常