毕业设计（论文）-变频恒压供水控制系统设计.doc

学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目变频恒压供水控制系统设计姓名学号院（系）专业指导教师职称评阅教师职称年月日学生毕业设计（论文）原创性声明学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文（设计）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）：签字日期年月日贴校徽处学院本科生毕业设计（论文）变频恒压供水系统设计变频恒压供水系统设计学生姓名：指导老师专业：院（系）：年月日学院本科生毕业设计摘要I摘要本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水自动控制系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、传感器、以及控制柜等构成。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。通过编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的PID控制器，PID控制器内置在PLC中，该控制器对于压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现整个供水的压力的自动调节，使压力稳定在设定值附近。关键词：PLC控制变频调速恒压供水水泵节能学院本科生毕业设计AbstractIIAbstractThepresentpaperunifiesinourcountrythesmallcityforthewaterworkspresentsituationhasdesignedasetbasedonthePLCfrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplyautomaticcontrolsystem.InordertopledgewatersupplytheunitisinthesuperpressurestateusuallymovingnotonlytheefficiencyislowandpowerconsumptionisbigbutalsoGuanWangincityoveralongperiodoftimeisinthesuperpressurerunningstateanditisalsoveryserioustowearandtear.ThisthesiscombinesthemiddleandsmallcitywatersupplypresentsituationoffactoryofourcountryandhasdesignedbassetingonthefastconstantvoltagewatersupplyautomaticcontrolsystemoffrequencyconversionaccentofPLC.Thefastconstantvoltagewatersupplyautomaticcontrolsystemoffrequencyconversionaccentsbyprogrammablecontrollerandfrequencyconverterandwaterpumpelectricalmachinerygroupsensoraswellascontrolcupboardetc.Thissystemusesfrequencyconvertertopulltomovemanyelectromotortostartmovesandaccentspeedusesrespectivelytocirculatetheoperatingofusebywayofsuperordinatemachine.Keyword:PLCcontrolfrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplywaterpumpenergyconservation学院本科生毕业设计目录III目录摘要.IABSTRACT.II前言.11绪论.21.1项目的意义及应用背景.21.2课题的方案设计.31.3本文研究的内容.42恒压供水原理及工艺.52.1系统的组成和基本工作原理.52.2系统框图及工作模式.62.3主要元器件选型.72.4该系统的特点.83控制系统分析与设计.103.1低压电器设备部分.103.2控制柜面板设计.123.3PLC控制部分.134软硬件的基本原理介绍.144.1PLC可编程控制器(三菱FX2N-32MR).144.1.1可编程控制器的特点.144.1.2可编程控制器的工作原理.154.2变频器的原理与特性(ATV38).204.2.1变频器简介.204.2.2变频与变压(VVVF)原理.204.2.3变频调速的基本原理.214.2.4变频调速的升速和启动.214.2.5变频调速的降速和制动.22学院本科生毕业设计目录IV4.2.6变频后的电动机的机械特性.224.2.7水泵类平方律负载的机械特性.234.2.8VF控制的概念.234.2.9矢量控制的概述.244.2.10ATV38的特性.254.3压力传感器简介.275系统开发.295.1PLC应用的开发步骤.295.2PID调节.305.2.1PID调节原理.305.2.2PID参数设置.315.2.3PID设定值的调整及控制算法.315.3PLC程序.335.3.1基本步骤.335.3.2程序中使用的继电器.345.3.3PLCIO表.375.3.4程序流程.375.3.5PLC程序的运行和模拟调试.436调试.446.1硬件功能调试.446.2系统总体调试.44结论.45致谢.46参考文献.47附录PLC梯形图.48学院本科生毕业设计前言1前言据报道，目前国内在用的水泵和风机约5000万台，年消耗的电量可达约1000亿度。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电40%左右，即可以节约全国发电量的15。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时，其出口压力保持不变的供水方式。供水系统的主要参数有：流量、扬程、管阻和压力。采用变频器后可以节能有三个方面：管阻特性曲线保持不变(阀门全开)，扬程特性曲线下降(转速下降)，使流量下降与用户需求量下降平衡，以保持水压大致恒定；转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态；不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低，它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。在本次设计中，主要设计基于PLC生活给水控制系统设计的实现，通过三菱FX2N-32MRPLC和ATV38(施耐德)变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。通过在三菱的PLCGXDeveloper7上进行编程，通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。由于本人设计水平有限，所以设计中多少有些错误，请予批评指正。谢谢！学院本科生毕业设计1绪论21绪论1.1项目的意义及应用背景变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义1。变频恒压供水控制系统主要有2：带PID回路调节器和或可编程序控制器(PLC)的控制系统在该系统中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。学院本科生毕业设计1绪论3新型变频调速供水设备针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11SP11S系列等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。供水专用变频器供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定即可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能浪费，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。1.2课题的方案设计根据该题目的要求：有四台水泵电机构成次基于PLC的生活给水控制系统，实现两种工作模式，即手动模式和自动模式。手动模式：自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机；学院本科生毕业设计1绪论4自动模式：1）自动轮换2）备用自投3）先启先停4）故障检测和指示方案1：这四台水泵电机直接启动，无变频调节作用。按照“先启先停”、“备用自投”运行，这个方案主要没有变频调节作用，这对水资源不能合理的分配利用，浪费电力，这个方案仅对用户需求流量较为稳定的情况应用。方案2：由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行，具有变频调节作用，相对地合理的分配利用水资源，相对节约了电力，对整个系统是一个较为合理的解决方案。本课题采用方案2。1.3本文研究的内容本文介绍可编程控制器(PLC)为控制核心，施耐德公司的ATV38系列带内置PID功能的变频器为执行元件，采用PID算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。其中主要内容包括恒压供水原理，PLC原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件IO参数，实现PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺52恒压供水原理及工艺2.1系统的组成和基本工作原理变频恒压供水系统主要由供水控制系统、稳压泵组、稳压气压罐等组成。系统控制示意图如图2.1：变频器4DA4ADPLCFX2N执行机构隔膜式气压罐泵组供水控制系统浮球液位开关至用户水源图2.1变频恒压供水系统控制示意图供水控制系统供水控制系统主要由交流变频调速器、可编程控制器、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器（水源缺水保护用）等组成。稳压泵组稳压泵组稳压泵组主要由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行，其变频泵供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。它只在管网用户流量需求变化时自动投入变频运行，维持管网的压力，补充小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态。气压罐气压罐气压罐是一种密闭容器。大流量供水时，由水泵加压，罐内贮存的气体被压缩；在小流量或零流量供水时，被压缩气体泄压膨胀，将贮存在罐内的水压输入配水管网，补充用户的小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在小流量和零流量用水时处于停机状态。学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺6系统由水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频器，PLC低压电器等构成。系统控制25KW水泵4台。变频恒压供水自动控制系统工作原理如下：PLC的数据寄存器给出供水压力设定值，由FX2N-4DA转换为模拟量的形式送入变频器PID调节器输入口AI1+、AI1-，压力传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口AI2+、AI2-，变频器根据PID调节器调整变频水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速3。系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电压信号，通过FX2N-4AD，PLC每秒钟从4AD采集5次数据，并把这5次数据的平均值求出，然后与用户设定的压力值的分界值进行比较运算，计算出工频泵启动台数信号。通过对工频泵的启动和停止台数及变频泵转速的调节，及变频器对变频泵转速的调节，将用户管网中的水压稳定于用户预先设定的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。2.2系统框图及工作模式如图2.2所示，有两种工作模式，其工作情况如下：手动模式手动模式：按工作人员的自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机。自动模式自动模式：当无液位浮力开关信号（为OFF）时，此系统水泵电机处于停机状态。当液位浮力开关有信号（为ON）时，先启动变频水泵电机；如果供水不足时，再启动1台主泵，变频水泵电机起着对流量调节，在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行；如果还是供水不足时，启动2台主泵，变频水泵电机起着对流量调节；在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行；如果还是供水不足时，3台主泵都启动，变频水泵电机起着对流量调节。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压4。学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺7压力传感器4AD4DA手动自动开关水位信号传统低压电器设备PLC3#水泵1#水泵2#水泵变频水泵变频器图2.2变频恒压供水系统控制框图恒压供水控制系统将交流变频调速技术、可编程控制技术应用于水泵自动控制设备中，与水泵组相结合为电一体化供水装置。该系统可根据管网瞬时压力变化，自动调节某台水泵电机的转速和多台水泵电机的投入和退出运行，满足用户恒压变量供水及变压变量供水的需要，使供水管压力保持恒定。2.3主要元器件选型器件：使用国产配置功率：30KW电流：62A表2.1器件列表器件名称器件名称数量数量货品型号规格货品型号规格可编程控制器1FX2N-32MR-001变频器1ATV38(施耐德)PLC数模转化模块1FX2N-4DAPLC模数转化模块1FX2N-4AD空气开关3DZ47-633P-50A交流接触器4CJ-X1-4522-220V热继电器33U-A5925-40A压力传感器1YYB-ES（钱江仪器仪表厂）中间继电器2JZ-C1-22V万能转换开关1LW112旋钮3LAY37-NED1红按钮3LAY16-A-01R绿按钮3LAY16-A-10G学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺8续表2.1器件列表器件名称器件名称数量数量货品型号规格货品型号规格红指示灯5AD16-22R31绿指示灯4AD16-22G31熔断器1HG30-32熔芯1RT14-10A电流表16L2-1005A电压表16L2-450V电流互感器1LMK-0.66-1005A液位控制器261F-GP-N(欧姆龙)接线端子5JH9-15A接线端子13JH9-100A浮动开关1GSK-1B(精士)控制柜壳112006003702.4该系统的特点结构紧凑，体积小，占地少，毋须建造高位水箱或水塔，投资省，安装快，便于集中管理。采用进口变频器及相关元器件，设计合理，操作简便，性能可靠，全自动运行无人值守。具备多种故障显示及备查记录，完善的欠压、过压、过流、过载、短路、缺相、水源缺水自动保护停机等保护功能，使用安全，维护简便。自由设定管网压力，按实际用水量来调节水泵转速，使其始终处于高效运转状态；采用多台小功率水泵电机成泵组代替大功率泵更能适合流量的急剧变化，避免“大马拉小车”现象，节能效果更为显著。与恒速泵供水相比，消除了超压和回流的无功损耗。由变频器或软起动器实现水泵软起动软停止，使电网和管网免受冲击；无水锤现象，大大降低设备运行噪音，延长相关设备的使用寿命。多台泵有多种循环运行方式，均衡各泵运行时间，避免其中某台水泵因闲置而锈蚀。直接向用户供水，水质无二次污染。品种规格齐全，可任意组合配套，应用范围广。学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺9控制程序化，可按用户需要实现多种控制方式。例如：定时开关系统、消防联动、小流量和零流量自动关机睡眠、上位机集中管理等。管网常压供水，可避免外露管路冻裂；可按需要任意调节设备供水压力，满足用水高峰期建筑顶层的水压要求。学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计103控制系统分析与设计3.1低压电器设备部分恒压供水控制系统设计具有手动模式和自动模式，手动模式主要是通过低压电器设备控制，该低压电器设备的控制示意图由两部分组成，如图3.1和图3.2：如图3.1和图3.2所示：当拨动开关拨到“停止”时，其整个系统位于停止状态；当拨动开关拨到“自动”时，及实现自动工作模式；当拨动开关拨到“手动”时，及实现手动工作模式；2SB、4SB、6SB分别手动控制1#、2#、3#泵启动；1SB、3SB、5SB分别手动控制1#、2#、3#泵停止；1HG、2HG、3HG分别是1#、2#、3#泵的工作指示灯；1KA分别是有液位控制的中间继电器图3.1主电路图学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计11图3.2控制电路图当想手动启动1#泵时，按下2SB，2SB接通1KM接通1#水泵电机启动；当想手动停止1#泵时，按下1SB，1SB断开1KM断开1#水泵电机停止；当想手动启动2#泵时，按下4SB，4SB接通2KM接通2#水泵电机启动；当想手动停止2#泵时，按下3SB，3SB断开2KM断开2#水泵电机停止；当想手动启动3#泵时，按下6SB，6SB接通3KM接通3#水泵电机启动；当想手动停止3#泵时，按下5SB，5SB断开3KM断开3#水泵电机停止。表3.1低压电器设备主要元件及其作用元件名元件名作用作用1SB手动模式1#泵停止按钮2SB手动模式1#泵启动按钮3SB手动模式2#泵停止按钮4SB手动模式2#泵启动按钮5SB手动模式3#泵停止按钮6SB手动模式3#泵启动按钮1HG1#泵工作模式指示灯学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计12续表3.1低压电器设备主要元件及其作用元件名元件名作用作用2HG2#泵工作模式指示灯3HG3#泵工作模式指示灯4HG4#变频泵工作模式指示灯1KH1#电机热电保护的热继电器2KH2#电机热电保护的热继电器3KH3#电机热电保护的热继电器4KH4#电机热电保护的热继电器1KA水位控制的中间继电器1FQ水位控制的浮力开关3.2控制柜面板设计根据上面的低压电器设备主要元件，可以大致设计为如图3.3所示：图3.3控制柜面板示意图学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计133.3PLC控制部分PLC基本是实现自动工作模式，根据该系统的要求：PLC端口的大致分为如图3.4所示：模块0模块1压力传感器电压信号变频器主速模拟量接口1KM2KM3KM31N24VX0X1X24KMX31KAX4S0X524VCOMCOM3COM2Y5Y2Y3Y4Y12Y13Y14Y15Y6FX2N-4ADFX2N-4DAFX2N-32MR455165615KM1#泵反馈2#泵反馈水位信号3#泵反馈4#泵反馈变频器故障信号1#泵运行2#泵运行2#泵故障指示3#泵运行4#泵运行S1PLC控制故障输出4#泵故障指示1#泵故障指示3#泵故障指示PLC公共输出端AI2+AI2-图3.4PLC端口分配示意图注：s0为变频器的故障输出s1为在变频器上的4#水泵电机的控制接口压力传感器电压信号变频器主速模拟量接口模块0模块1AI1+AI1-学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍144软硬件的基本原理介绍4.1PLC可编程控制器(三菱FX2N-32MR)1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱5。初期的PLC只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。4.1.1可编程控制器的特点可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。控制功能强。PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。编程方便，易于使用。PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。PLC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。具有各种接口，与外部设备连接非常方便。采用积木式结构或模块式结构，有较大灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍15维修方便。PLC上有IO指示灯，哪个IO元件有故障，一目了然。可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。4.1.2可编程控制器的工作原理PLC的等效工作电路PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图4.1所示：触点按钮负载电源限位开关外部输入输入部分内部控制电路输出部分外部负载图4.1PLC的等效工作电路1）输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作0命令等外部输入信息。输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供(如直流24V)，也可由独立的交流电源(如交流110V)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点(动合、动断形式均可)，供设计PLC的内部控制电路(即编制PLC控制程序)时使用。2）内部控制电路学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍16这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。PLC程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。3）输出部分这部分的作用是驱动外部负载。在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图23所示。外部负载的驱动电源接在输出公共端(COM)上。总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点(动合或动断)可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。PLC的工作过程PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除IO及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查IO单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段61）公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查IO总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。2）执行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。3）程序执行阶段在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。4）输入、输出更新阶段PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍17存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的特点。IOIO图4.2PLC内部工作过程图4.2进一步说明了上述PLC内部工作过程。PLC工作时，上述过程周而复始，称为扫描周期。PLC的扫描时间PLC完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间地长短取决于系统的配置、IO通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。各部分时间计算如下：学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍181）公共处理时间t1。对P型机来说，这部分时间是固定的，即：tl1.26ms2）输入，输出更新时间t2。因为PLC的输入通道数一般来说总是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。这部分时间可按下式计算：t20.29+0.07N(ms)其中N为输入通道数减1。需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，则N应取输出通道数减1。3）程序执行时间t3。这部分时间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于t3。4）执行外设命令所需时间t4。当有外部设备与PLC相连时，其处理时间可按下述方法确定。首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以0.05，即：t4(t1+t2+t3)0.05当t41时，则t41ms；当t41时，则以0.5ms为单位，进行四舍五入。例如，当t4=1.65ms时，则t41.5ms；若T41.8ms时，则取t42ms。注意：当没有外设与PLC相连时t40ms。将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间T，即Tt1+t2+t3+t4在PLC内部，系统定时器（俗称“看门狗”）一般在上电时设为130ms，当扫描时间超过130ms时，CPU将停止工作。但是，既使扫描时间没有超过130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于10ms时，高速定时器TIMH会出现故障；当扫描时间超过100ms时，普通定时器及0.1时钟脉冲发生器将会出错，并且报警。PLC的IO响应时间用PLC设计一个控制系统时必须知道有了一个输入信号后PLC经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。从PLC的工作