实用可编程序控制器的典型电气控制

1 实用可编程序控制器的典型电气控制实用可编程序控制器的典型电气控制 王青龙 摘摘 要要 可编程控制器在现代 工业生产中发挥着及其重要的作用 它和 CAD 机器人技术一起 已成为现代工业的三大支柱 可编程控制器是 20 世纪 60 年代末 随着计算机技术的发展而兴起的工业通用控制器 它通 过传统的继电器控制手段 满足现代企业寻求高生产 低成本和强灵活性 的迫切需求 可编程控制器借助于工程技术人员非常熟悉的继电器梯形 图设计方法 以满足不同设备多变的控制要求 从而使所设计飞控制系统 具有通用化 标准化和柔性化以及高可靠性等特点 可缩短控制系统的设 计 安装和调试以及升级更新周期 降低生产成本 自 20 世纪 60 年代末美 国首先研制成功可编程控制器后 其应用范围迅速拓广 可编程控制器由 于其在控制方面的意义日趋明显 并在发电 化工 等行业工艺设备的电 气控制方面得到了广泛的应用 它具有功能强大 使用可靠 维修简单等 许多优点 并且在很多地方已逐步取代了继电器电路的逻辑控制 与此同 时 智能化中央空调也正被广泛地应用 在将其俩双双结合的情况下 不仅 促进了的 也提高了人民生活水平 关关键词键词 PLC 控制系统 智能化 编程 控制器 1 1 引言引言 随着我国的不断发展 高度信息化 新的高科技技术不断应用到各个 方面中 使得智能化已成为一种发展的必然趋势 智能化也往往是从设备 2 自动化系统开始 本文主要针对我们本次的毕业设计 智能化小型中央空 调 阐述 PLC 控制设计与智能化中央空调 冷冻站 系统的关系 1 2 系系统统及工及工艺简艺简介介 现介绍如下 我们本次的设计中有两套中央空调系统 由三台冷却水泵 三台冷冻水泵 一台冷却塔风机 两台冷水机组等主要设备组成两套制冷 系统 因系统小 冷却塔功率大 实验室要求等 本系统较一般两套制冷系 统不同的是两台冷水机组却只选择一个冷却塔 经核定 这并不其效果 其中冷水机组是由设备生产厂成套供应的 根据本次设计的实验室要求 我们选择了 2 5 匹全封闭式压缩机冷水机组 它一般是根据空气调节原 理及等由微处理器自动控制 冷水机组由压缩机 冷凝器与蒸发器组成 压缩机把制冷剂压缩 压缩后的制冷机进入冷凝器 被冷却水冷却后 变 成液体 析出的热量由冷却水带走 并在冷却塔里排入大气 液体制冷剂 由冷凝器进入蒸发器蒸发吸收热量 使冷冻水降温 然后冷冻水进入冷风 机盘管吸收空气中的热量 如此循环不已 把室内的热量带出 达到降低 环境温度的目的 因此 中央空调冷冻系统的工艺控制要求为 1 测量冷冻水供回水温度及流量 从而计算空调实际的冷负荷 根据实 际的冷负荷来决定冷水机组的开启台数 达到最佳节能状态 2 各设备的程序联动 启动 冷却塔风机 冷却水泵 冷冻水泵 冷水机组 停止 冷水机组 冷冻水泵 冷却水泵 冷却塔风机 3 当其中一台冷却水泵 冷冻水泵出现故障时 备用冷却水泵 冷冻水泵会自 动投入工作 3 测量冷冻水系统供回水管的压差 P P1 P2 控制其旁通阀 TV 的开 口度 使其维持压差 4 因我们本次设计的实验室的目的是为给同学们更形象生动的理解中央 空调系统 所以设计过程中 我们还会考虑到在合适并重要的位置处装上 便于观察制冷剂或水流情况的窥视镜 1 3 PLC 原理及原理及应应用用 中央空调冷冻系统的控制有 3 种控制方式 早期的继电器控制系统 直接数字式控制器 DDC 以及 PLC 可编程序控制器 控制系统 继电器控 制系统由于故障率高 系统复杂 功耗高等明显的缺点已逐渐被人们所淘 汰 直接数字式控制器 DDC 虽然在智能化方面有了很大的发展 但由于 DDC 其本身的抗干扰能力和分级分步式结构的局限性而限制了其应用范 围 相反 PLC 控制系统以其运行可靠 使用与维护均很方便 抗干扰能 力强 适合新型高速结构这些显著的优点使其逐步得到广泛的应用 可编程控制器是计算机家族中的一员 于上个世纪中后叶被发明后 在机床 各种流水线的输送机械 发电 化工 电子等行业工艺设备的电 气控制方面得到了广泛的应用 早期的可编程控制器被称作可编程逻辑 控制器 Programmable Logic Controller 即简称为 PLC 4 PLC 具有功能强大 使用可靠 维修简便等许多优点 对于传统的继 电器电路来说 它难以实现复杂逻辑功能的和数字式控制 而且要实现一 定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐 难以实现升级 并易发故障 维修 复杂 现在已被大中型设备的控制系统所抛弃 而 PLC 正被广泛的应用 并且已逐步取代了继电器电路的逻辑控制 随着技术不断的飞跃发展 PLC 也不断得到完善和强大 同时它的功能也大大超过了逻辑控制的范 围 如联网通信功能和自诊断功能等 因此今天这种装置被我们称作可编 程控制器 不过我们还是习惯简称这种装置为 PLC 2 PLC 的体系的体系结结构构 2 1 PLC 结结构构图图 PLC 实质上是一种被专用于工业控制的计算机 其硬件结构和微机 是基本一致的 如图所示 5 图 2 1 1 PLC 硬件的基本结构 PLC 主要是模块式的 包含 CPU 模块 I O 模块等 PLC 一端接传感 器 另一端接执行器 从传感器得到的数据经 PLC 读 运算等处理下达给 执行器 执行器动作 PLC 相当于 继电器的作用 其好处是可靠性高 自 动化程度高 可进行网络化等 2 2 PLC 的的选选型及型及设设置置 6 为了满足以上所介绍的空调工艺要求 整个控制系统需要可编程序 控制器的输入 输出点分别是 112 点和 32 点 其中模拟量输入 输出为 6 点和 4 点 根据 PLC 的 I O 原理使用原则 即留出一定的 I O 点以做扩展 时使用 以及系统设计中实际所需的 I O 点数 选用华光电子工业有限公 司的 SU 5 B 型 主机 SU 5 B 输入模块 U 25N U 01AD 输出模 块 U 05T U 01DA 这种机型的 I O 点数为 256 点 有 RS 422 通讯 端口 其编程指令有 143 条 并配有相应的编程软件 S 62P 不仅可以通 过手持编程器对其编程 而且可以通过 PC 机对其进行编程输入 该软件 还能在 PLC 运行时监控其运行状况 2 3 软软件件设计设计 制冷系统的启动 停止是用于制冷系统的手动启动 停止控制 也可以 通过温度设定 依据冷负荷的需要自动开启制冷系统 每台设备均设有自 动 手动 备用三种运行状态 自动用于联锁集中控制 手动用于调试或检 修 备用状态用于热备用 三台水泵二工一备 其中备用泵循环轮换 提高 设备的保养率 各台设备按工艺要求顺序自动启动 停止时 采用每台设备 启动后经 15s 左右延时 再启动下一台设备 一是考虑水泵稳定运行有个 过程 二是避免数台电动机同时启动 冲击变压器 影响供电质量 为提高中央空调系统的经济性 可靠性及可维护性 需采用控制产品 对中央空调系统的各个设备进行控制 早期的中央空调控制器多为就地 式专用控制器和 DDC 控制器 它们具有控制功能简单 不易联网及信息 集成度不高等缺点 随着计算机技术 控制技术和网络技术的发展 现在 7 的中央空调系统都倾向于采用先进 实用 可靠的可编程控制器 PLC 来 进行控制 3 PLC 控制系控制系统统主要功能与特点主要功能与特点 3 1 PLC 控制系控制系统统功能功能说说明明 如空气处理机 PLC 控制原理简图所示 1 当启动空气处理机时 PLC 发出控制指令 首先开户回风门和新 风门到设定位置 然后启动送风机 同时通过控制变频器 从而调节风机 的转速 2 露点温度与系统设定值相比较后 用 PID 方式调节冷水电动阀 控 制冷水流量 使送风温度达到设定值 3 送风机转速的快慢是由回风温度与系统设定值相比较后 用 PID 方式控制变频器 从而调节风机的转速 达到调节回风温度的目的 4 当过滤网前后压差超出设定值时 PLC 发出过滤堵塞报警信号 5 当空气处理机停止运行后 新风门 回风门和冷水电动阀回复到全 关位置 并关停冷水环泵 8 上位机监控系统主要完成对工艺参数的检测 各机组的协调控制以及数 据的处理 等任务 下位 PLC 主要完成数据采集 现场设备的控制及连锁 等功能 除此以外 PLC 系统还有如下功能 数据显示功能 显示机组的运行参数 包括冷水出口温度 冷水入口温度 冷却水出 口温度 冷却水入口温度 蒸汽压力 蒸汽阀门开度 以及溶液泵 冷剂泵 等所有屏蔽泵的运行状态和各种故障报警的详细信息 数据的存储及检索功能 对重要的数据进行在线存储 数据的存储时间最长为 10 年 可以通过历 史报表或者历史趋势曲线的方式检索历史数据 控制功能 9 根据设定的参数 并考虑经验运行数据 PLC 应用反馈数据 如室内 温度等 进行 PID 调节 以保证运行参数满足系统要求 控制系统有三种 运行方式 就地手动 软手动和自动 就地手动就是通过就地手动操作设 备对机组进行控制 软手动是通过 PLC 对机组进行手动控制 自动则是 根据编好的控制程序自动控制相关设备的启 停及调节量 采用程序控制 方式 杜绝冷剂污染 有效便捷地实现冷水 冷却水的变频控制 通过有 效合理地开 停控制 达到启动速度快 停机时间短的目的 即能节省能 耗 还能避免结晶 从而提高中央空调系统的安全性和经济性 连锁与保护功能 各机组相关设备的启 停具有一定的连锁关系和时间顺序 该功能由 PLC 的连锁程序完成 同时 为保证机组的可靠运行 对相关参数采取了 一定的保护措施 如冷水 冷却水与机组的连锁控制 冷却水系统与冷却 塔的连锁控制等 3 2 系系统统特点特点 灵活性 本控制系统选用可利用公司的小型一体化 PLC 代替传统空调主机控 制系统中的单片机 较大程度地提高了系统配置及控制的灵活性 能更好 地满足不同用户的不同需求 同时 明显缩短了程序开发周期 高可靠性 10 PLC 控制核心能够在恶劣的环境中长期可靠 无故障运行 并且易接 线 易维护 隔离性好 抗腐蚀能力强 能适应较宽的温度变化范围 平均 无故障时间间隔 MTBF 大于 15 年 强大的功能 用 PLC 改造门的电气控制系统 用 PLC 改造老式继电器 接触式大门的电路接线 是现代普遍采用的 技术 该门的控制电动机过去是正反转工作 使用的久留接触器 现在改 造电路是全部采用 PLC 控制 1 可靠性高 抗干扰能力强 能在恶劣的环境中可靠的工作 控制设 备具有很强的抗干扰能力 如电磁干扰 电源电压波动 机械震动 温度变 化等 PLC 的平均无故障间隔时间 MTBF 高 如日本三菱公司的 F1 F2 系列 PLC 平均无故障间隔时间长达 30 万小时 与继电器相比 采 用 PLC 控制后 大量的开关动作有无触点的电子线路来完成 用软件程 序代替了继电器的复杂连线 既方便灵活 可靠性也大大提高了 2 控制系统构成简单 通用性强 PLC 是一种存储程序控制器 其输 入和输出设备与继电接触器控制系统类似 但他们可连接在 PLC 的 I O 端 例如 对开关量的输入 可将无源触点开关接到 PLC 的输入端 而 PLC 的输出具有很强的驱动能力 可直接驱动接触器等执行元件 由于 PLC 是采用软件编程来实现控制功能 对同一控制对象 当控制要求改变 要改变控制系统时 不必改变 PLC 的硬件设备 只要改变编程软件的程 序 当同一台 PLC 用于不同的控制对象时 也只是输入与输出的不同 应 11 用软件不同 因此说 PLC 有很好的通用性 3 编程简单 使用 维护方便 目前大多的 PLC 均采用与实际电路接 线图非常相近的梯形图编程 Ladder Programming 这种编程语言形象直 观 易于掌握 而且 PLC 具有故障检测 自诊断等功能 能及时检查出报 警显示 使操作人员能迅速的检查 判断 排除故障 具有较强的在线编 程能力 维修十分方便 4 模块化 体积小 功耗低 性价比 PLC 采用了半导体集成电路 外形尺寸很小 重量轻 同时功耗也很 低 空载功耗大约 1 2W 由于 PLC 的结构紧密 抗干扰能力强 很方便的 将其装在机械设备内部 PLC 的编程语言遵从易学 易懂 易用的标准 除了具备传统 PLC 助 记符和梯形图编程功能外 还具有结构化语言和顺序功能图编程功能 PLC 提供各种功能模块 包括各种通讯功能选择 通讯参数设置 以及可 以具体到某年 某月 某日 某个时刻的多种定时器和超长定时器等 方 便了各种功能的实现 有利于缩短开发周期和节省程序容量 优良的开放性 上位软件 Focsoft3 1 支持 DDE OPC ODBC SQL 并提供丰富的 API 编程接口 方便接入其它系统 4 控制控制 4 1 12 对于冷冻水系统 其出水温度取决于蒸发器的设定值 而回水温度取 决于蒸发器接收的热量 中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度 设计最大温差为 5 比如 出水 7 回水 12 现采用在蒸发器出水管 和回水管上装有检测其温度的变送器 PID 温差调节器和变频器组成闭环 控制系统 通过冷冻水温差 如 T 5 控制 即可使冷冻水泵的转速相 应于热负载的变化而变化 4 2 对于冷冻水系统 由于低温冷冻水的温度取决于冷却塔的工作情况 我们只需控制高温冷冻水 冷凝器出水 的温度 即可控制温差 现采用 温差变送器 PID 调节器和变频器组成闭环控制系统 冷凝器出水的温 度控制在 T2 如 37 使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变 化 4 3 在管道中取压力信号采样和温差变送器 通过 PID 调节器进行优化 通过 PLC 控制变频器 以此控制 3 台水泵电机的运行 系统启动开始工 13 作 当第 1 台电机运行至工频状态时 如管网压力不够 变频器控制第 2 台电机开始工作 若工作到工频状态时管网管压仍不够时 变频器自动切 换至第 3 泵使其变频运行 第 1 2 台电机工频运行 直至管网所需管压 当外部需求降低 管网管压提高时 第 3 台运行停止 变频器自动切换至 第 2 泵 使其工作在变频状态下若还达不到要求 再切换至第 1 电机 如 此周而复始 始终让系统工作在最优 最佳 最省的工作状态 5 系系统统的的设计设计和和 由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中 许多设计还处于探 讨之中 众多功能还未付诸实施 现在本文就系统改造实现情况作简单介绍 本文的系统调试应分为两 步 设备电气控制系统调试和中心系统调试 我们就已完成的设备电气控 制系统设计 调试及使用情况作一下说明 针对实验室的要求 要求电气 系统运行稳定 感温精确度高 维护方便寿命长 并能联网进行管理 除 此之外在实际使用中系统的故障报警部分设计还不够完善 许多功能还 未开发 本文经过对设备状况和同学们对中央空调认识的调研 本文认为 可采用三菱公司的 A 系列 PLC 作为设备的控制系统核心 它不仅具备普 通 PLC 可编程控制器的各种优点 而且能够利用以太网网络模块 B2 B5 组建 MELSECNET 网络 最终达到建成先进的分布式控制系统 既实现 各种设备之间的联网 实现远程控制和管理 PLC 硬件电路的设计 1 PLC 的 I O 地址分配如表 1 所示 14 L