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安徽工程大学 电 气 控 制 技 术 论 文电气控制技术在工业生产中的应用班 级：姓 名： 学 号：指导老师： 前 言由于电气控制技术的迅速发展，尤其是可编程序控制器、交流调速等技术的发展与应用日趋完善，我国的工业产值年年攀升。但是我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。 我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。随着竞争的日益加剧，越来越多的小型企业将采用经济、实用的自动化产品对生产过程进行控制，以提高企业的经济效益和竞争实力。 自2001年以来，作为基础工业之一的机械工业成为我国工业发展新的增长点，年均增长率超过20%。与流程工业对模拟量的反馈调节不同，机械工业需对开关量进行连锁及顺序控制，因此PLC成为其控制产品的首选。机械行业的高速增长和自动化现状为PLC应用提供了巨大的市场空间。 我国在“十五规划中已明确提出了“用信息化带动工业化的发展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC的应用提供巨大的发展空间。 我国的工业发展及自动化应用水平与工业发达国家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个PLC市场高速增长的时期。 基于上述原因和中国经济高速增长的现状，今后若干年内中国PLC市场将保持持续高速增长。综合相关资料提供的数据，并分析目前中国PLC市场主要厂商的经营数据，初步估计目前在我国本土销售的PLC总量为3040亿元人民币（不含随进口主设备配套的PLC），年增长率为1520%。 巨大的市场需求为发展PLC业务提供了难得的历史机遇，国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的积累，大力拓展PLC业务，使国产PLC早日成为中国PLC市场的主要参与者之一。 目前中国PLC市场主要厂商为Siemens、Mitsubishi、Omron、Rockwell、Schneider、GE-Fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型PLC领域也有一定市场份额，中国大陆PLC厂商的市场份额几乎可以忽略。 一、PLC 简介一PLC的基本结构 PLC实质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，基本构成为： （一）电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 （二）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （三）存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （四）输入输出接口电路 1.现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （五）功能模块 如计数、定位等功能模块。 （六）通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。 二PLC的工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 （一）输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 （三）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。二、继电接触器在电动机控制电路方面的应用三相笼型异步电动机由于结构简单、价格便宜、坚固耐用等一系列优点获得了广泛应用。它的控制线路大都由继电器、接触器、按钮等有触头电器组成。起动控制有直接起动和降压起动两种方式。一、直接起动控制线路L1 L2 L3一些控制要求不高的简单机械如小型台钻、砂轮机、冷却泵等都直接用开关起动，如图111所示，它适用于不频繁起动的小容量电动机，但不能实现远距离控制和自动控制。图112是电动机采用接触器直接起动线路，许多中小型卧式车床的主电动机都采用这种起动方式。 用开关直接起动线路L1 L2 L3 用接触器直接起动线路 控制线路中的接触器辅助触点KM是自锁触头。其作用是：当放开起动按钮SB2后，仍可保证KM线圈通电，电动机运行。通常将这种用接触器本身的触头来使其线圈保持通电的环节称作自锁环节。 二、降压起动控制线路较大容量的笼型异步电动机（大于10kW）因起动电流较大，一般都采用降压起动方式起动，起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动后再将电压恢复到额定值，使之在正常电压下运行。电枢电流和电压成正比例，所以降低电压可以减小起动电流，不致在电路中产生过大的电压降，减小对线路电压的影响。常用的降压起动有星形三角形换接、定子串电阻、自耦变压器等起动方法。1星形三角形换接降压起动控制线路正常运行时，电动机定子绕组是接成三角形的，起动时把它接成星形，起动即将完毕时再恢复成三角形。目前4kW以上的J02、J03系列的三相笼型异步电动机定子绕组在正常运行时，都是接成三角形的，对这种电动机就可采用星形三角形换接降压起动。 Y-降压起动控制线路图1-13是一种Y-起动线路。从主回路可知，如果控制线路能使电动机接成星形（即KM3主触头闭合），并且经过一段延时后再转换成三角形（KM3主触头打开，KM2主触头闭合），则电动机就能实现降压起动，而后再自动转换到正常速度运行。控制线路的工作过程如下： KM1通电 按SB2 KM3通电 KM3断电（无此部分） KT通电 延时 KM2通电 KM1仍通电KM2与KM3的动断触头是保证接触器KM2与KM3不会同时通电，以防电源短路。KM2的动断触头同时也使时间继电器KT断电（起动后不需要KT得电）。2定子串电阻降压起动控制线路图114是定子串电阻降压起动控制线路。电动机启动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动后再将电阻短路，电动机仍然在正常电压下运行。这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。机床中也常用这种串接电阻的方法限制点动及制动的电流。 图114控制线路的工作过程如下：按SB2 KM1通电（电动机串电阻起动） KT通电 延时 KM2通电（短接电阻，电动机正常运行）L1 L2 L3 定子串电阻降压起动控制线路只要KM2得电就能使电动机正常运行。但线路图114a在电动机起动后KM1与KT一直得电动作，这是不必要的。线路图114b就解决这个问题，接触器KM2得电后，其动断触头将KM1及KT断电，KM2自锁。这样，在电动机起动后，只要KM2得电，电动机便能正常运行。 一般工厂常用的自耦变压器起动方法是采用成品的补偿减压起动器，这种成品的补偿减压起动器包括手动、自动操作两种形式。手动操作的补偿器有QJ3、QJ5等型号，自动操作的有XJ01型等。自耦变压器起动方法适用于容量较大和正常运行时定子绕组接成Y形、不能采用Y起动的笼型电动机。这种起动方式设备费用大，通常用来起动大型和特殊用途的电动机。三、昆腾PLC在气力输灰系统的应用摘要：中国加入WTO后越来越多的国际公司把其制造基地转移到中国。同时，中国的国有企业和民营企业也在利用难得的历史机遇大力发展制造业。中国正在努力成为世界新的制造业基地。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选。制造企业为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，从而为PLC的应用提供广阔的应用前景。关键词：昆腾PLC 输灰系统 锅炉 CPU模件 工作站 热备系统 1、引言 本工程安装2350mw燃煤机组，飞灰系统包括电气除尘器及省煤器排灰系统，其飞灰处理采用正压浓相气力输送系统，每台炉为一单元。每台锅炉配两台双室四电场静电除尘器，每台静电除尘器设有8个灰斗，其系统出力按燃用设计煤种时排灰量的150%考虑，同时满足燃用校核煤种时排灰量的120%的裕度。每台锅炉设有4个(暂定)省煤器灰斗。静电除尘器和省煤器灰斗下均设有一只插板门、一个灰输送器和相关的阀门，灰斗内的灰首先由灰输送器收集后通过管道将其输送到设置在烟囱后的贮灰库。 两台炉共设2座储存粗灰库，公用1座储存细灰库。每座灰库的直径为12m，有效容积为1800m3。在每座灰库下设有两个(或三个)排放口，一路接干灰散装机，用于综合利用，另一路(或两路)接气力输送泵，二级输送到中转灰库(有效容积500 m3)，然后再由气力输送泵三级输送到终端灰库(有效容积300m3)。在终端灰库灰库下设有加湿搅拌机，灰经加湿搅拌后，运至灰场碾堆放。干灰系统采用自动程序控制。为防止库底飞灰板结，设有灰库气化风和电加热系统。每座贮灰库设有一台灰库气化风机，三座灰库公共备用一台灰库气化风机。2、系统构成 本系统设操作室、控制室共两间，9台控制柜安放在主控制室，由一台电源柜、主plc控制柜(采用昆腾plc671系列双机热备系统作为核心系统)和1#i/o站、2#i/o站、3#i/o站组成，该站通过同轴电缆与plc站连接，对灰库区、捞渣系统、空压机所需程控的设备提供控制及反馈，另外在厂外安装3台控制柜，组成#4远程i/o控制柜，对厂外灰库程控所需设备提供控制及反馈，并通过光纤与主plc程控柜建立联络；空压机、冷干机、吸干机由厂内、外电源柜对电除尘区电磁阀箱及空气系统、捞渣系统电动门等设备提供控制用电。通过交换机与plc系统连接。 系统设上位机两套，安放在操作室，两台计算机分别做为工程师站及操作员站，可对现场设备进行远程控制及监控，包括：电除尘下所有气动阀门；灰库布袋除尘器及分路阀；所有料位计、压力开关及压力变送器空压机系统、捞渣系统电动门控制反馈。空气系统的所有设备及灰库卸料设备则为就地操作，但可在上位机上显示；系统通过各储气罐及孔板后安装的压力变送器、压力开关及发送罐料位计等现场设备实现输灰过程的自动运行。 3、硬件plc特性要点 (1) lcu应该提供rs-485串行接口方式的，modbus或者modbus plus标准通信规约的接口，以保证方便地与励磁系统的微机调节器、调速系统的微机调速器、微机保护装置、主变冷却器控制装置、闸门控制设备、机组辅助设备控制系统、直流系统、中低压空压机控制箱、检修和渗漏排水泵控制箱、技术供水系统、厂房主通风控制箱、消防技术供水控制箱、调压井蝴蝶阀控制箱等公用设备控制系统进行通信。 (2) lcu系统中的远程通讯应采用s908 rio确定性通讯规约，通讯速率恒定，不随站点数和距离的增加而衰减，保证远程i/o与本地i/o同步更新，以确保控制系统的安全性和实时性。 (3) lcu中的plc与工作站之间，采用国标gb/z19582-3规定的标准工业以太网规约modbus tcp/ip，应用层采用开放的modbus协议。 (4) 以太网支持i/o扫描方式，能自动识别以太网上各种设备，方便用户实时在线增减设备，方便维护。 (5) 所有i/o模件与冗余cpu模件属于同一系列同一档次产品。i/o模件的长高尺寸与冗余cpu模件一致，每个分站采用统一的背板，i/o模件均由电源模件通过背板进行供电。采用统一的高速背板总线，背板速率不低于80mbps。 (6) cpu模板采用双处理器结构，程序执行和以太网通讯由不同的处理器分担，以保证系统的高度可用性。 (7) cpu集成lcd屏和键板，以便设置和诊断，随时监控cpu的运行状态。 (8) cpu上集成以太网通讯、12m的usb标准编程口、modbus plus口和modbus口。 (9) cpu主频266mhz以上。 (10) 输出模板支持故障状态预定义，增强系统的可靠性。 (11) soe精度小于等于1ms，硬件保证。(严格达到1ms精度，gps时钟直接连接到soe模板，对soe模板提供s级别的对时精度，soe模板支持事件本地缓存，每模板支持事件存储容量4000条以上，以便出现故障时，精确及时的查找故障原因。) (12) 温度采集支持二、三或者四线制连接方式，精度达到0.1。 (13) plc系统的任何模板可位于任何位置，cpu、电源、i/o模板、智能模板和网络通讯模板均支持热插拔，以保证系统维护的方便。 (14) plc编程软件，全中文图形化界面，符合iec61131-3标准，同时提供ld(梯形图)、fbd(功能块图)、st(结构化文本)、sfc(顺序功能图)、il(指令表)等编程语言完成离线仿真功能。 4、系统工艺流程 每台炉16只发送罐分为3个单元进行控制。一、二单元为共用一根输灰母管。三单元为一管道单元。两条母管允许同时运行。在同一根输灰母管的各单元之间输灰互相锁定，即任一时候只一个单元输送；一个单元输送完毕后，另一单元才开始输送。以一单元 (一电场#1#4发送罐)为例，输灰流程如附图所示。附图 输灰流程图5、昆腾plc冗余系统特点： (1) lcu应配置为双机热备系统，即双机架、双cpu、双电源、双远程i/o网络、双以太网通讯，保证系统的高度可靠性； (2) plc系统中，冗余以太网的地址在热备系统中能够自动无扰切换，无论哪台plc切换成主机，主机和备机的ip地址总能够自动切换，使之始终保持不变； (3) 热备系统的数据交换，采用100m光纤，直接连接cpu上的光纤接口，以保证数据交换的效率； (4) 热备切换时间严格控制在1个扫描周期以内，保证不要影响控制