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大型
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控制系统
设计
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某大型水压机的驱动系统和控制系统设计,大型,水压机,驱动,系统,控制系统,设计
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5 控制系统设计5.1 PLC概述PLC是可编程控制器的简称，它是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。5.1.1PLC的主要特点（1）高可靠性所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms。各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。采用性能优良的开关电源。对采用的器件进行严格的筛选。良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。（2）丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。（3）采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。（4）编程简单易学 PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。（5）安装简单，维修方便 PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 5.1.2PLC的功能（1）逻辑控制 （2）定时控制 （3）计数控制 （4）步进顺序控制（5） PID控制 （6）数据处理：PLC具有数据处理能力。 （7）通信和联网（8）PLC还有许多特殊的功能模块，适用于各种特殊控制的要求，例如：定位控制模块，CRT模块等5.2 PLC的工作原理和基本结构5.2.1PLC的工作原理最初研制生产的PLC主要用于替代传统的继电器,接触器构成的控制装置，但是这两者的运行方式是不相同的：继电器控制装置采用硬逻辑并行运行方式，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（包括它的常开触点或常闭触点）不论在继电器控制电路的哪一个位置都会立即同时动作，然而PLC的CPU则采用顺序逐条的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（包括他的常开触电或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该处点时才会动作。为了消除二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小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样，对于I/O响应要求不高的场合，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。根据题目的要求和系统的具体工作状态，采用可编程控制器（PLC）来实现对整个系统的控制。5.2.2 PLC的基本结构PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。（1）CPU单元CPU是可编程控制器的控制中枢，相当于人的大脑。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有：它在系统监控程序的控制下工作，通过扫描方式，将外部输入信号的状态写入输入映象寄存区域，PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，按指令规定的任务进行数据的传送、逻辑运算、算术运算等，然后将结果送到输出映像寄存区域。CPU常用的微处理器有通用型微处理器、单片机和位片式计算机等。通用型微处理器常见的如Intel公司的8086、80186、到Pentium系列芯片，单片机型的微处理器如Intel公司的MCS-96系列单片机，位片式微处理器如AMD 2900系列的微处理器。小型PLC 的CPU多采用单片机或专用CPU，中型PLC的CPU大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC的CPU多用高速位片式处理器，具有高速处理能（2）存储器可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。 只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据。（3）I/O单元及I/O扩展接口I/O单元PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.115ms之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。I/O扩展接口可编程控制器利用I/O扩展接口使I/O扩展单元与PLC的基本单元实现连接，当基本I/O单元的输入或输出点数不够使用时，可以用I/O扩展单元来扩充开关量I/O点数和增加模拟量的I/O端子。（4）外设接口外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。（5）电源电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5伏、正负12伏、24伏），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用），而驱动PLC负载的电源由用户提供。5.3 控制系统设计5.3.1分配器工况的分析 该分配器的控制部分主要包括分配阀的打开和关闭两个工况。根据分配器的工作状态，设计出的控制系统主要是控制电磁换向阀的动作。根据设计的液压系统以及分配器的具体的工作状态，整个系统的工况有： （1）主泵的启动（2）辅助泵的启动（3）系统的启动（4）分配器1动作（包括1、4阀的开启和闭合，2、3阀的开启和闭合）（5）分配器2动作（包括1、4阀的开启和闭合，2、3阀的开启和闭合）（6）分配器3动作（包括1、4阀的开启和闭合，2、3阀的开启和闭合）（7）分配器4动作（包括1、4阀的开启和闭合，2、3阀的开启和闭合）5.3.2 控制、操作系统的总体方案图 设计的控制系统是一个闭环控制系统，检测装置将检测到的轴转角信号反馈给控制器以控制系统的正常工作。控制和操作系统如图5.1，5.2所示。图5.1 控制系统的简单框图图5.2 水压机操作系统图5.3.3 PLC选型工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间， 因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输人输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。目前，小型低档PLC系列机属于整体式结构的在国内市场日益丰富。整体式结构的PLC，共有三种不同的单元、单本单本（主机）、扩展单元和特殊单元。同一台小容量基本单元加上适合的扩展单元，可实现一个需较多IO点的经济合算的控制系统如日本的 FX2系列 PLC用一台 FX2-32MR,有16点输入16点输出，加入扩展模块，可最大扩展到64个IO点，并按需要改变IO类型，实现最合理最经济的配置。（1）确定I/O点数输入设备数量 控制电动机的打开需要2个常开的按扭开关。控制16个分配阀的动作需要8个按扭开关。解除警报按扭1个，急停按扭开关1个。由于每个分配器上都有1个旋转编码器，所以需要1个特殊功能模块，FX-4AD（模拟量输入单元）。故需要4个和特殊功能模块通讯的入口。共需要17个输入口。输出设备数量 控制分配器的动作有5个电磁阀，9个电磁铁，在各个工序执行时有指示灯，共计8个。报警时用指示灯1个，蜂鸣器1个。共需要18个输出口。 选择可编程控制器的型号为FX2N-48MR-001。（2）建立输入/输出地址分配表表5.1 输入地址分配表输入地址外设名称输入地址外设名称X0主泵启动按扭X11分配器3中1、4阀打开X1辅助泵启动按扭X12分配器3中2、3阀打开X2系统启动按扭X13分配器4中1、4阀打开X3停止按扭X14分配器4中2、3阀打开X4解除警报按扭X15从特殊功能模块读去数据口1X5分配器1中1、4阀打开X16从特殊功能模块读去数据口2X6分配器1中2、3阀打开X17从特殊功能模块读去数据口3X7分配器2中1、4阀打开X20从特殊功能模块读去数据口4X10分配器2中2、3阀打开X21-X27备用表5.2 输出地址分配表输出地址外设名称输出地址外设名称Y0电
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