柴油发电机组自动控制理论概述.doc

柴油发电机组自动控制理论概述随着大规模集成电路的迅速发展，微处理技术和通信技术的迅速提高，PLC技术的发展正逐步成为工业生产自动化三大支柱（PLC技术、机器人技术和CAD/CAM技术）之一，在当前和未来的工业控制中起到重要作用，其在柴油发电机组上的应用日益普遍，已经成为现代柴油发电机组的重要组成部分。本节将介绍PLC一些基本原理和典型结构。一、 PLC的组成与中央处理器 PLC（可编程序逻辑控制器）是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境中应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，它是一种以微控制技术为基础，将控制处理规则存储于存储器中，应用于以控制开关量为主或包括控制参量在内的逻辑控制、机电运动控制或过程控制等工业控制领域的新型工业控制装置。（一） PLC的组成PLC是以微处理器为核心的工业用计算机系统，其硬件组成与计算机有类似之处。根据结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。1 整体式PLC整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信端口、I/O扩展端口等组装在一个箱体内构成主机。另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。整体式PLC的结构紧凑、体积小，小型机常采用这种结构。整体式PLC的基本组成如图4.4所示。编程器盒式磁带机EPROM写入器上位计算机PLC可编程终端PT。I/O扩展单元特殊功能单元主机中央处理器单元（CPU）电源输入单元用户输入设备外设接口I/O扩展口输出单元存储器系统程序存储器喊用户程序存储器喊用户输出设备图4.4 整体式PLC的组成2组合式PLC组合式PLC的组成。这种结构的PLC 是将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，模块之间通过底板上的总线相互联系。装有CPU单元称为CPU模块，其他单元称为扩展模块。中、大型机常采用组合式结构。由于组合式的PLC系统配置灵活，有的小型机也采用这种结构。通信单元智能I/O单元输出单元 输入单元 CPU单元 编程器PLC或上位计算机控制系统现场过程图.组合式PLC组成（二）中央处理器（CPU）CPU由控制电路、运算器、存储器和总线等组成，一般都集成在一块芯片上。不同型号的PLC使用不同的CPU部件，制造厂家使用CPU部件的系统指令编定系统程序，并固化到只读存储器（ROM）中。CPU按系统程序赋予的功能，接收编程器或计算机等编程工具输入的用户程序和数据，并存入随机存储器（RAM）中。CPU按扫描方式工作，从规定的首地址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，就执行一次用户程序。CUP是PLC系统的控制中心，其主要功能是：1、 将输入信号（用户程序和数据）送到PLC中储存起来； 2、 检查电源、存储器、I/O的状态，诊断用户程序的语法错误；3、 按存放的先后顺序取出用户程序，进行编译；4、 完成用户程序规定的各种操作； 5、 将结果送到PLC的输出端，响应各种外部设备（如编程器、打印机）的请求；6、 循环执行1-5步骤，直到停止运行为止。PLC除了可处于运行及编程状态外，还可设置成监控状态。此时，PLC既可实现对系统的监控，也可通过编程器和计算机修改或改变数据，还具有监视PLC工作状态及接收编程器操作的功能。各种PLC的中央处理单元也不相同，但在系统中的作用是一致的。目前中型PLC为了提高其自身的可靠性，常采用双中央处理单元系统；一个是主处理器，用来处理字节操作指令，控制系统总线，监视扫描时间，统一管理编程接口；另一个是从处理器，专门用来处理操作指令，配合操作系统实现PLC编程语言向机器语言转换，是加快PLC工作处理速度的关键。二、 存储器PLC的存储器是用来存放系统程序、用户程序和工作数据的。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，存放系统程序的存储器称为系统程序存储器。（一） 系统程序存储器 PLC厂家根据CPU部件的指令系统编写的程序为系统程序，它固化在ROM和EPROM中。存储在ROM和EPROM中的内容，在断电情况下保持不变。系统程度存储器存放内容包括系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释程序、功能子程序的调用管理程序、系统诊断程序和系统参数。以上内容都是事先存放在ROM（EPROM）芯片中，开机后便可运行其中程序，但这些内容用户无法直接存取，它和硬件一起决定了该PLC的各项性能。（二） 用户程序存储器用户根据机器指令编写的程序称为用户程序，一般PLC产品说明书中所列的存储器就是指用户存储器，不同PLC产品的存储容量各不相同。用户程序存储器一般采用加备用电沁供电的RAM，存放在RAM中的内容在PLC断电时会消失，所以目前一般采用锂电池在PLC断电时保存其内容，直到用户需要修改时为止。用户程序存储器内容包括用户由编程器键盘输入的程序、各种暂存数据和中间结果等。（三） ROM和RAM1 只读存储器ROMROM中的内容一般是由PLC制造厂家写入的系统程序，并且永远驻留，所以运行时，首先将检查的结果显示给操作人员；然后编译程序将用户键入的控制程序转换由微电脑指令组成的程序，并对用户程序进行讲法检查；最后再执行程序。监控程序相当于总控程序，根据用户的需要调用相应的内部程序。例如用编程器选择工作方式，则监控程序就调入“键盘输入处理程序”，将用户键入的程序送到RAM中；若编程器选择运行工作方式，则监控程序将启动用户程序。ROM的容量与PLC的复杂程度有关。2 随机存储器RAMRAM是可读写的存储器。读出时，RAM 中的内容不被破坏，而写入的信息就会覆盖原来位置上的信息。用户程序是指选择编程工作方式时，用编程工具输入的程序经过预处理后，存放在RAM的低地址区。而逻辑变量则指在RAM中若干个存储单元中用来存放的变量，即输入/输出继电器、内部辅助继电器、保持继电器、定时器、位移继电器等。一般在PLC中还有一定数量的数据区供数值运算、A/D、D/A、高速脉冲计数等功能使用，内部监控、管理程序也要使用部分存储单元存放系统数据。由于不同型号PLC的存储容量是不相同的，所以在技术说明书中，一般都会给出与用编程和使用存储单元有关的指标，如输入/输出继电器的数量、保持继电器的数量、内部辅助继电器的数量、定时器和计数器的数量、允许用户程度的最大长度等，这些指标都间接地反映了RAM的容量。RAM通常和锂电池配合使用，这样在断电时可起到对用户程序的保存作用。三、 输入/输出接口输入/输出接口起着PLC与外围设备之间传递信息的作用。（一） 输入接口PLC通过输入接口把工业设备或生产的状态或信息输入主机，通过用户程序的运算和操作，将结果经输出接品输出给执行机构。一般情况下，现场的输入信号可以是按钮开关、行程开关、接触器的触点以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量（要通过模/数转换后才能输入PLC内）。输入接口一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。光电耦合输入接口电路的核心是光电耦合器件，应用最多的是由发光二极管和光电晶体管构成的光电耦合器。将光电耦合电路与现场输入信号连接，可有效防止现场的强电干扰进入到PLC中。由于信号依靠光耦合，在电气上完全隔离，所以传输后的信号不会反馈到输入端，不会产生地线干扰和其窜扰。考虑到发光二极管的正向电阻较小（一般为100-1K），所以其输入阻抗较低，而外界干扰信号的内阻远远大于发光二极管的正向电阻，根据分压原理可知，只有在发光二极管中通过一定量的电流时它才会发光，尽管干扰源能产生较大电压，但其内阻很大，能量并不大，只能产生很弱的电流，所以干扰信号受到抑制。按照输入端电源类型的不同，开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。1 直流输入单元2 交流输入单元（二） 输出接口PLC的输出信号是通过输出接口传送的，这些信号控制现场的执行部件完成相应的动作。常见的现场执行部件有电磁阀、接触器、继电器、信号灯、功率不大的电动机等。现场输出接口电路由接口电路和功率驱动电路组成。按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元 、晶闸管输出单元和继电器输出单元。1 晶体管输出2 双向晶闸管输出3 继电器输出断电器输出型PLC的负载电源可以根据需要选用直流或交流。继电器触点电气寿命一般为10万-30万次，因此在需要输出点频繁通断的场合（如高频脉冲输出），应选用晶体管或晶闸输出型的PLC。继电器从线圈得电到触点动作存在延长时间，这是造成输出滞后于输入的原因之一。在PLC的三种输出方式中，目前以继电器方式输出较多。继电器方式输出接触电阻小，但其响应速度慢，一般为毫秒级，常用于低速大功率负载。晶闸管方式输出负载电流比较大，耐压也可以较高，响应速度较快，并且输出可调节，寿命长，常用于高速小功率负载。四、 其他部件（一） 电源部件 PLC中一般有开关稳压电源为内部电路供电。开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。有的PLC能向外部提供24V直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。（二） I/O扩展端口 当主机的I/O点数类型不能满足用户需要时，主机可以通过I/O扩展端口连接I/O扩展单元来I/O点。没有I/O扩展端口的PLC是不能进行I/O点扩展的。另外，通过I/O扩展端品还可以连接各种智能单元，扩展PLC的功能。（三） 外设端口 每台PLC都有外设端口，通过外设端口，PLC可与外部设备相连接。如连接编程器输入、修改用户程序或监控程序的运行；有的PLC可以通过外设端口与其他PLC、计算机或终端设备PT等连接进行通信，或连成各种网络等；还可用EPROM写入器，将调试好的用户程序写入EPROM，以免被误改动。（四） 编程工具编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试和监控程序的执行，还可以在线测试PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话等。编程工具可以是专用的编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机。1 专用编程器专用编程器是生产厂家提供的与该厂家PLC配套的编程工具。专用编程器分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能配入语句表程序，且必须与PLC相连接。简易编程器有的可以直接插在PLC主机的编程器插座上，如OMRON的P型机等；有的要有专用电缆与PLC相连。图形编程器分为手持式和台式，可直接输入梯形图程序。台式编程器具有用户程序存储器，可把用户输入的程序存放在自己的存储器中，也可把用户程序下载到PLC中。图形编程器还能提供盒式磁带录音机接口和打含印机接口，可将用户程序转存到磁带上或打印出来；有的还可带有磁盘驱动器，可将程序转存到磁盘上。图形编程器的优点是屏幕大，显示功能强，但是其价格昂贵。编程器可以不参与现场运行，所以一台编程器可以供多台PLC使用。2 计算机辅助编程 当PLC与装有编程软件的计算机连接通信时，可进行计算机辅助编程。编程软件的功能很强，可以编辑和修改用户的程序、监控系统运行、打印文件、采集和分析数据、在屏幕上显示系统运行状况、对工业现场和系统进行仿真、将程序存到磁盘上，实现计算机与PLC程序相互传送等。（五） 智通单元PLC含有多种智通单元，智能单元本