【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 算 機(jī)通 訊 模 塊通 訊 模 塊電 源聲 光 報(bào) 警鍵 盤顯 示單 片 機(jī)信號(hào)隔離變換現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備現(xiàn) 場(chǎng) 集 中 顯 示設(shè) 備遠(yuǎn) 程 P C遠(yuǎn) 程 P C本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 5 圖 23 以 PLC 為核心控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PLC 是適合于工業(yè)生產(chǎn)控制的一個(gè)電子裝置，通過在其內(nèi)部村存儲(chǔ)器中編寫程序來進(jìn)行邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、算法運(yùn)算等操作，同時(shí)通過外部設(shè)備對(duì)一些數(shù)字量和模擬量的提取，并通過輸出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制。把 PLC 和外部設(shè)備有效的結(jié)合運(yùn)用，使得整個(gè)系統(tǒng)適用于各種大中小的工業(yè)控制。 PLC 具備以下特點(diǎn) 見表 21 所示 。 表 21 PLC 特點(diǎn) 1）、 集成電路式樣可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。 2）、 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。 3）、 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員的歡迎 采用簡(jiǎn)明的梯形圖、邏輯圖或語(yǔ)句表等編程語(yǔ)言，而無需計(jì)算機(jī)知識(shí)，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。另外，可在線修改 程序，改變控制方案而不拆動(dòng)硬件。 4）、 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小、維護(hù)方便、容易改造 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。 監(jiān) 控 計(jì)算 機(jī)通 訊 模 塊通 訊 模 塊聲 光 報(bào) 警顯 示PLC現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn) 程 P C遠(yuǎn) 程 P C基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 6 PLC 的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，輸入信號(hào)用小開關(guān)來模擬，通過 PLC 上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號(hào)的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間比繼電器系統(tǒng)少得多。 在本次設(shè)計(jì)方案 的選取中，考慮到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的惡劣，抗干擾性強(qiáng)，價(jià)格經(jīng)濟(jì)等方便，故選取 PLC 控制系統(tǒng)是更為適合 。 系統(tǒng)方案 由于空壓機(jī)在礦井建設(shè)中起到至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)的成功與否對(duì)該礦的生產(chǎn)起到一個(gè)關(guān)鍵作用。因此，安全、穩(wěn)定、高校是貫穿本次設(shè)計(jì)的一個(gè)宗旨。 電氣系統(tǒng)方面： 使用 PLC 做為下位機(jī)的主控制機(jī)對(duì) 4 臺(tái)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制 ,現(xiàn)場(chǎng)通過不同傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后傳輸給 PLC 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)和控制便通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和 PLC 共同實(shí)現(xiàn)。 監(jiān)控系統(tǒng)方面： 上位機(jī)是在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上通過 MCGS 軟件設(shè)計(jì)出主監(jiān)控 畫面，從而工作人員便可以在控制室通過計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和控制。 PLC 接有觸摸屏，也可以通過對(duì)觸摸屏上軟按鈕的操作以達(dá)到對(duì)壓風(fēng)機(jī)的就地控制。 系統(tǒng)的組成：本方案采用分布控制系統(tǒng)。 當(dāng) PLC 或者控制對(duì)象某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的時(shí)候不會(huì)影響其它壓風(fēng)機(jī)的正常工作。 控制系統(tǒng)按功能 劃分成了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，中央控制層，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層這三個(gè)層次。 其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 24 所示。 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器組成。主要包括開關(guān)、傳感器、壓風(fēng)機(jī)、電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)境的惡劣，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的質(zhì)量和工作的穩(wěn)定性要求都 比較高，我們?cè)谟布O(shè)計(jì)中對(duì)硬件的選取就非常重要。 中央控制層 作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分， PLC 的功能就是對(duì)模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào)的檢測(cè)和控制。初次之外每個(gè) PLC 除了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層進(jìn)行控制意外，還要和觸摸屏、 PC 機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊， 每個(gè) PLC 把采集的數(shù)據(jù)信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析， 上位機(jī)通過分析結(jié)果向 PLC 傳達(dá)指令， PLC 執(zhí)行指令操作設(shè)備層。 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層 由觸摸屏和上位機(jī)組成。與下位機(jī) PLC 進(jìn)行通訊，獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用MCGS 軟件， 可以觀察壓風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，也可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，同時(shí)還具 有報(bào)警畫面、歷史曲線等功能，工作人員可以 通過觸摸屏上的軟按鈕對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 7 圖 24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 本章小結(jié) 本章節(jié)通過分析現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作環(huán)境和設(shè)計(jì)的具體要求， 我們分析并比較不同核心的控制系統(tǒng)最終選取 PLC 作為控制核心；而且 我們了解到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)惡劣的對(duì)硬件的抗干擾性和穩(wěn)定性的要求是比較高的。最終我們?cè)?現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上研究并確立了本次設(shè)計(jì)的具體系統(tǒng)方案。 觸 摸 屏 界 面工 業(yè) 以 太 網(wǎng)上 位 計(jì) 算 機(jī)C P U模 擬 量 輸入 模 塊以 太 網(wǎng) 通信 模 塊開 關(guān) 量 輸入 模 塊開 關(guān) 量 輸出 模 塊壓風(fēng)機(jī)電控柜風(fēng)門溫 度 傳 感 器壓 力 傳 感 器測(cè) 量 回 路開 關(guān) 量 信 號(hào)控 制 回 路限 位 開 關(guān)風(fēng) 門 控 制 柜不間斷電源電量變送器中間繼電器溫度變送器調(diào)度中心客戶端打印機(jī)穩(wěn)壓電源人 機(jī) 界 面P L C 控 制 柜信 號(hào) 采 集控 制 對(duì) 象基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3. 1 控制系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)可編程控制器、空壓機(jī)組、傳感器、接觸器控 制柜以及觸摸屏等構(gòu)成。系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程控制和手動(dòng)控制對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行操作。所謂遠(yuǎn)程控制， 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的器件采集模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào)傳達(dá)給 PLC， PLC 進(jìn)行運(yùn)算之后再次上床給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)匯總分析發(fā)布執(zhí)行指令。 工作人員通過對(duì)上位機(jī)的操作來完成壓風(fēng)機(jī)啟停和風(fēng)壓的改變。同時(shí) PLC 上也接有觸摸屏，觸摸屏上裝有監(jiān)控軟件，通過觸摸屏上的軟按鈕也可以對(duì)壓風(fēng)機(jī)進(jìn)行操作。當(dāng)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，遇到突發(fā)事件或進(jìn)行器件的檢修時(shí)我們可以采用手動(dòng)控制。具體電氣原理圖如圖 31 所示 。 圖 31 主電路圖 系統(tǒng)硬件配置 確定了 系統(tǒng)方案之后，首先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行選取設(shè)計(jì)，其中包括檢測(cè)技術(shù)與傳感器的選型以及 PLC 選型。 檢測(cè)技術(shù)與傳感器的選型 傳感器是能夠按照一定的規(guī)律把外部的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件和裝置，傳感器的產(chǎn)生方便了我門對(duì)信號(hào)的測(cè)量與控制，是工業(yè)控制中必不可少的一部分。 壓力傳感器的選型 現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)進(jìn)出壓力、潤(rùn)滑油壓力和總管壓力進(jìn)行測(cè)量，然后把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為 4~20mA電流信號(hào)輸出給 PLC， PLC 再傳輸給上位機(jī)。壓力信號(hào)要求范圍為 ，精度要在 %以上。 本次設(shè)計(jì)中所采用的是 GRT 壓力變送器 ， 下面簡(jiǎn)單介紹一下 GRT 壓力變送器 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 9 表 31 壓力變送器基本特性 1）、主要特性：傳感器為 316 不銹鋼膜片結(jié)構(gòu)，適用被測(cè)的介質(zhì)可以使腐蝕性氣體、液體，測(cè)量范圍在 20KPa~20MPa，測(cè)量精度為 %、 %、 %，三倍過壓范圍。 2）、供電特性：推薦工作供電電壓： DC/24V，空載工作電壓： DC/12V，最高過載電壓： DC/40V，最大輸出限流： 30mA,內(nèi)設(shè)電壓極性反接保護(hù)。 3）、工作環(huán)境特性：環(huán)境溫度補(bǔ)償范圍： 0~50℃ ，環(huán)境溫度工作范圍： 20~80℃ ，工作環(huán)境濕度范圍： 0~80%。 4）、外型結(jié)構(gòu)與典型接線：探頭外型尺寸： 59mm120mm，重量： 650g； GPT 過程連接外螺紋規(guī)格M20； GPT 過程連接內(nèi)螺紋規(guī)格 M12。 溫度傳感器的選型 鉑電阻具有適用范圍廣、測(cè)量范圍大、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，成為目前工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中溫度測(cè)量應(yīng)用最廣泛普遍的傳感元件之一。 本系統(tǒng) 選擇用 PT100 作為本次設(shè)計(jì)的溫度傳感器。 可編程控制器的分析 可編程控制器（ PLC）工作原理 PLC 是一種工業(yè)控制用的計(jì)算機(jī)。 PLC 的工作方式有周期掃 描方式、定時(shí)中斷方式、輸入中斷方式和通信方式等，最主要的方式是周期掃描方式。周期掃描方式大致分為 7個(gè)過程，如圖 32 所示 圖 32 PLC 工作過程 PLC 啟動(dòng)后，要進(jìn)行第一次啟動(dòng)的初始化處理。在啟動(dòng)處理過程通過以后，要進(jìn)到共同處理過程，共同處理的主要任務(wù)是復(fù)位監(jiān)視計(jì)時(shí)器、檢查 I/O 總顯示否正常、檢查掃描周期是否過長(zhǎng)和檢查程序存儲(chǔ)器是否有異常等。 由于 PLC 采用的是掃描工作過程，所以當(dāng)一個(gè)掃描周期結(jié)束之后，即使此時(shí)外部設(shè)備傳輸進(jìn)來的輸入發(fā)生改變，但此時(shí)的輸入狀態(tài)映射寄存器中的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生改變，等到下一個(gè)周 期到達(dá)時(shí)才會(huì)隨之改變。 PLC 的基本結(jié)構(gòu) PLC 的硬件組成是由 7 部分組成，如圖 33 所示 。表 32 簡(jiǎn)單的介紹了部分硬件。 啟動(dòng)處理共同處理通信服務(wù)外設(shè)服務(wù)輸入刷新程序執(zhí)行輸出刷新掃 描 周 期基于 PLC 的礦井壓風(fēng)機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng) 10 圖 33 PLC 的組成 表 31 PLC 組成硬件簡(jiǎn)介 CPU 模塊 CPU 是 PLC 的核心部分，它不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果控制輸出設(shè)備響應(yīng)外部設(shè)備的，同時(shí)進(jìn)行各種內(nèi)部診斷。 存儲(chǔ)器 PLC 的存儲(chǔ)器分為兩類，一種是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，主要存儲(chǔ)系統(tǒng)管理，監(jiān)控程序和用戶程序編譯程序，這類程序用戶不能更改；另一種是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，主要存儲(chǔ)用戶編制的應(yīng)用程序和各 種數(shù)據(jù)。 電源 PLC 的電源一般使用 AC22V 或 DC24V，直流 24V 電源不僅可以供應(yīng)內(nèi)部使用，還可以供輸出 /輸入單元和傳感器使用。 輸入 /輸出接口 輸入 /輸出接口時(shí) PLC 與外部設(shè)備信息交換所需的連接部件。 PLC 通過輸入接口把外部設(shè)備的工作狀態(tài)讀入到中央處理器。輸出接口將 CPU 處理的結(jié)果傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)。 外部設(shè)備接口 外部設(shè)備接口可以連接不同的外部設(shè)備以達(dá)到更好的人機(jī)交互。，存儲(chǔ)器接口可以擴(kuò)展存儲(chǔ)器；通信接口使得 PLC 可與計(jì)算機(jī)及其他 PLC 等設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。 I/O 擴(kuò)展接口 擴(kuò)展輸入 /輸出單元，可以配置開關(guān)量 I/O 單元，也可配置其他特殊 I/O 單元，它使得 PLC 的控制規(guī)模配置更加靈活。 PLC 的選型 目前， PLC 種類繁多，幾乎可以滿足各種工業(yè)控制的需求，因此， PLC 的選型一般遵循 見表 33 所示。 外部設(shè)備接口輸入接口C P U電 源存 儲(chǔ) 器系統(tǒng)用戶用戶程序數(shù)據(jù)I / O擴(kuò)展接口編 程 器I / O擴(kuò)展接口單元按 鈕觸 點(diǎn)行 程開 關(guān)指 示 燈電 磁線 圈電 磁 閥計(jì) 算 機(jī)打 印 機(jī)掃 描 儀P L C本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（ 20xx） 11 表 33 PLC 選型原則 序號(hào) 選型原則 1 I/O 點(diǎn)數(shù)的確定。確定 I/O 點(diǎn)數(shù)時(shí)應(yīng)考慮到為以后擴(kuò)展留有余量，通常根據(jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，然后再增加 10%~20%的擴(kuò)展余量，作為 I/O 點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在實(shí)際購(gòu)買時(shí)，還需要根據(jù)廠商 PLC 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì) I/O 點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整