【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 9 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 的基本結(jié)構(gòu) (1).PLC 的硬件組成 可編程控制器主要由 微處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器 (RAM、 ROM)、輸入輸出 接口(I/O)、電源和編程器等幾個(gè)部分組成。 PLC 硬件結(jié)構(gòu)如圖 22所示。 圖 22 PLC 硬件結(jié)構(gòu) ①、微處理器（ CPU） CPU 是 PLC 的運(yùn)算控制中心， PLC 在 CPU的控制下，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作， 執(zhí)行監(jiān)控程序，進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的控制。 ②、存儲(chǔ)器 可編程控制器配有兩種存儲(chǔ)器：系統(tǒng)存儲(chǔ)器 (ROM)和用戶存儲(chǔ)器 (RAM)。系統(tǒng)存儲(chǔ)器：存放系統(tǒng)管理程序。用戶存儲(chǔ)器：存放用戶編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)。 ③、輸入輸出接口 輸入輸出接口是 PLC 和現(xiàn)場(chǎng)輸入與輸出設(shè)備連接的部分。 A)輸入接口 輸入接口電路用來(lái)接收和采集現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)，輸入回路中公共點(diǎn) COM 通過(guò)輸入元件連接到對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)上，再通過(guò)輸入繼電器將輸入元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存儲(chǔ) 到輸入映像寄存器中。 PLC 輸入回路接線如圖 23 所示。 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 10 圖 23 PLC 輸入回路接線 B)輸出接口 輸出接口電路就是 PLC 的負(fù)載驅(qū)動(dòng)回路，通過(guò)輸出接口，將負(fù)載和負(fù)載電源連接成一個(gè)回路，這樣負(fù)載就由 PLC 輸出接口的 ON/OFF 進(jìn)行控制，輸出接口為 ON 時(shí)，負(fù)載得到驅(qū)動(dòng)。 PLC 輸出回路接線如圖 24所示。 圖 24 PLC 輸出回路接線 (2).PLC 的軟件組成 PLC 的軟件由 系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶軟件程序 組成。 1)系統(tǒng)監(jiān)控程序是每一臺(tái) PLC 必須包括的部分，是由 PLC 的制造者編制的，用于控制 PLC 本身的運(yùn)行。系統(tǒng)監(jiān)控程序分成管理程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序或系統(tǒng)調(diào)用子程序。 2)用戶程序是 PLC 的使用者編制的針對(duì)控制問(wèn)題的程序。它是用梯形圖或某種 PLC 指令助記符編制而成的，可以是梯形圖、指令表、高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等，南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 11 其助記符形式 PLC 型號(hào)的不同而略有不同。用戶程序是線性地存儲(chǔ)在系統(tǒng)監(jiān)控程序指令的存儲(chǔ)空間內(nèi)的，它的最大容量也是由監(jiān)控程序限制的。 PLC 的工作原理 (1)PLC 控制邏輯的實(shí)現(xiàn) PLC 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其工作原理是建立在計(jì) 算機(jī)工作原理之上的，是通過(guò)執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。由于計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，其 CPU 是以分時(shí)操作方式來(lái)處理各項(xiàng)任務(wù)的，所以程序的執(zhí)行時(shí)按順序依次完成相應(yīng)的動(dòng)作，這便形成時(shí)間上的串行，即串行工作方式。 (2)PLC 的工作方式 采用循環(huán)掃描方式。在 PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 注意：由于 PLC 是掃描工作過(guò)程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。 PLC 循環(huán) 掃描過(guò)程如圖 25 所示。 圖 25 PLC 循環(huán)掃描過(guò)程 (3)PLC 的工作過(guò)程 內(nèi)部處理 通信操作 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 停止 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 12 PLC 的工作過(guò)程主要分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段。 1）內(nèi)部處理階段 在此階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器，以及完成一些其它內(nèi)部工作。 2）通信服務(wù)階段 在此階段， PLC 與一 些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng) PLC 處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。 3）輸入處理 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對(duì)應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序的執(zhí)行階段。 4）程序執(zhí)行 根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。若用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時(shí)， PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階 段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對(duì)應(yīng)映象寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。 5）輸出處理 程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過(guò)隔離電路，驅(qū)動(dòng)功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 4A/D 及 4D/A 擴(kuò)展模塊 模擬量輸入模塊 FX2N4AD FX2N－ 4AD 的功能 FX2N－ 4AD 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸入模塊，有四個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都可進(jìn) 行 A/D 轉(zhuǎn)換。 即將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給 PLC,以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的控制。 FX2N－ 4AD 的外部接線 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 13 FX2N4AD 外部接線如圖 26 所示。圖中模擬量信號(hào)采用雙絞屏蔽電纜輸入FX2N－ 4AD 中，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸入電壓有波動(dòng)，或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個(gè) ～ 的平滑電容。 FX2N4AD 的 4 個(gè)輸入通道（ CH1～ CH4）通過(guò)輸入端子接線，可以選擇為電壓輸入或電流輸入。如果是電流輸入，應(yīng)將端子 V+和 I+連接。 FX2N4AD 接地端應(yīng)與 PLC 主單位接地端連接，如果存在過(guò)多的電氣干擾，還應(yīng)將外殼地端 FG 和 FX2N4AD 接地端連接。 其外部接線如圖 26所示。 屏蔽V+I+VIFG屏蔽V+I+VIFG24+24 電流輸入20 +20mA 電壓輸入10 +10V輸入通道4 CH4輸入通道1 CH1 外接電源 DC24V177。10 55mA接地電阻小于100 ?擴(kuò)展電纜250 ?100K ?100K ?CH4AG250 ?100K ?100K ?CH4DC/DC轉(zhuǎn)換器AG+15V15V模擬量輸入模塊FX2N4AD 圖 26 FX2N4AD 外部接線 在 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，輸入的是時(shí)間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，而輸出的則是時(shí)間上，幅值上均離散的數(shù)字量，因此，要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字時(shí)需經(jīng)采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟 。 A/D 轉(zhuǎn)換原理框圖 如圖 27所示。 圖 27 A/D 轉(zhuǎn)換原理框圖 模擬量輸出模塊 FX2N4DA 模 擬 量 采樣 保持 量化 編碼 數(shù)字量 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 14 FX2N－ 4DA 的功能 FX2N－ 4DA 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸出模塊，有四個(gè)輸入通道，每個(gè)通道都可進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，即將 PLC 處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程參數(shù)的控制。 FX2N4DA 的外部接線 FX2N－ 4DA 的外部接線 如圖 28 所示。圖中模擬量輸出信號(hào)采用雙絞屏蔽電纜傳輸，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸出電壓波動(dòng)或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個(gè) ～ 的平滑電容。 FX2N－ 4DA 的 4個(gè)輸出通道（ CH1～ CH4） 通道輸出端子接線，可以獨(dú)立的選擇為電壓輸出或電流輸出。電壓輸出端子為 V+和 VI；電流輸出端子 I+和 VI。 FX2N－ 4DA 接地端應(yīng)與 PLC 主單元接地端連接；雙絞屏蔽電纜應(yīng)在負(fù)載端使用單點(diǎn)接地。其外部接線如圖 28所示。 24 +24 V+VI V+VI I+I+變頻器等記錄儀等+1 5VAG1 5V模擬量輸出模塊FX 2N 4DAPL CDC 24 V, 20 0m A外接電源DC /D C轉(zhuǎn)換器CH 1電壓 輸出CH 2電流 輸出 圖 28 FX2N－ 4DA 的外部接線 在 D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 輸入的是幅值上均離散的數(shù)字量，輸出 的是時(shí)間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，因此，要把 數(shù)字 量轉(zhuǎn)換成 模擬量 時(shí)需經(jīng) 控制對(duì)象、檢測(cè)對(duì)象、 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字系統(tǒng)、 D/A 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)六個(gè)步驟。 D/A 轉(zhuǎn)換原理框圖如圖 29 所示。 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 15 控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運(yùn)行指令 圖 29 D/A 轉(zhuǎn)換原理框圖 變頻器 變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu) 從頻率變換的形式來(lái)說(shuō)， 變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過(guò)整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交直 交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖 如圖 210所示 . 圖 210 變頻器基本結(jié)構(gòu) 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： （ 1）整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相 (也可以是單相 )交流整流成直流。 （ 2）直流中間電路 直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負(fù)載多為異控制對(duì)象 檢測(cè) 對(duì)象 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)字 系統(tǒng) D/A轉(zhuǎn)換 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 16 步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。無(wú)論是電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)其功率因數(shù)總不會(huì)為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的 交換。這種無(wú)功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件 (電容器或電抗器 )來(lái)緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。 （ 3）逆變器 負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 （ 4）控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個(gè)部分。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制及完成各種保護(hù)功能。控制電路是變頻器的核心部分 ，其 性 能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成．直流中間電路的儲(chǔ)能元件在整流電路是電壓源時(shí)是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時(shí)是大容量的電感。為了電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，中間