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正文內(nèi)容

機(jī)電一體化-基于plc的5層電梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-01-11 03:50 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 命名為 PC( Programmable Controller) 。值得注意的是,因?yàn)閭€(gè)人計(jì)算機(jī)的簡稱也是 PC( Personal Computer) ,有時(shí)為了避免混淆,人們習(xí)慣上仍將可編程序控制器簡稱 PLC(盡管這是早期的名稱)。本書采用 PLC 的稱呼。 20 世紀(jì) 80年代后,隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展,以 16 位和 32 位微處理器夠成的微機(jī)化可編程序控制器得到了驚人的發(fā)展,使之在概念上,設(shè)計(jì)上,性能價(jià)格比等方面有了重大突破。可編程序具有了高速計(jì)數(shù),中斷技術(shù), PID 控制等功能,同時(shí)聯(lián)網(wǎng)通信功能也得到了加強(qiáng),這些都使得可編程序控制器的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。為了使這一新型的工業(yè)控制裝置的生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)范化。國 際電工委員會(huì)( IEC)制定了 PLC 的標(biāo)準(zhǔn),并給出了它的定義。 “可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì),它采用可編程序的存儲(chǔ)器,用來在其內(nèi)部儲(chǔ)存執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制,定時(shí),計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等才操作,并通過數(shù)字式,模擬式的輸入與輸出,控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備,都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體,易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)?!? 綜上所述, PLC 是以微處理器為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù),自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。這種裝置具有體積小 ,功能強(qiáng),程序設(shè)計(jì)簡單,靈活通用,維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力,得到了用戶的公認(rèn)和好評(píng)。他經(jīng)過短短的幾十年發(fā)展后,現(xiàn)在已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱( PLC,機(jī)器人和 CAD/CAM)之一,被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械,冶金,化工交通,電力等領(lǐng)域中。 以 PLC 作為控制器的 PLC 控制系統(tǒng)是從根本上改變了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的工業(yè)原理和方式。繼電器控制系統(tǒng)是控制功能是通過采用硬件接線的方式來實(shí)現(xiàn)的,而 PLC 控制系統(tǒng)的控制功能是通過存儲(chǔ)程序來實(shí)現(xiàn)的,不僅可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制,還可以進(jìn)行模擬量控 制,順序控制。另外,它的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能也遠(yuǎn)比繼電器控制系統(tǒng)強(qiáng)很多,一般可以為用戶提供幾十個(gè)甚至上百個(gè)定時(shí)器,計(jì)數(shù)器。隨著計(jì)算機(jī)和通信幾刷的發(fā)展,現(xiàn)代 PLC控制系統(tǒng)已遠(yuǎn)不是幾十年前的哪個(gè)樣子,PLC 的控制從早期的單機(jī)控制發(fā)展到多機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化。盡管現(xiàn)在的河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 PLC控制系統(tǒng)已發(fā)生了很大的變化,但是從自動(dòng)控制的角度來看, PLC 控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電器系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上仍有相似之處?,F(xiàn)在以集中型的 PLC 控制系統(tǒng)為例說明集中型 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有那些相同和不同之處,這對(duì)初學(xué)者理解 PLC 控制系統(tǒng)的工作 原理是有幫助的。集中型 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 將兩種系統(tǒng)相比,就會(huì)發(fā)現(xiàn) PCL 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)輸入,輸出部分基本相同,輸入電路也是由按鈕,開關(guān),傳感器所構(gòu)成:輸出電路也好似由接觸器,執(zhí)行器,電磁閥多構(gòu)成的。不同的是繼電器控制系統(tǒng)在控制線路被 PLC 中的程序代替,這樣一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化,就只需要修改程序就可以了。正是上述原因, PLC 控制系統(tǒng)除了可以完成傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)所具有的全部功能外,還可以實(shí)現(xiàn)模擬量控制,開環(huán)或閉環(huán)過程控制,甚至多級(jí)分布式控制。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展, PLC 的成本在降低,傳統(tǒng)的 繼電器控制系統(tǒng)被 PLC 控制系統(tǒng)代替已是發(fā)展的必然趨勢(shì)。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 PLC 控制系統(tǒng)與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)的比較 表 21 plc 與繼電器控制系統(tǒng)比較表 比較項(xiàng)目 繼電器控制系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng) 控制功能的實(shí)現(xiàn) 由許多繼電器,采用接線的方式來完成控制功能 各種控制功能是通過編制的程序來實(shí)現(xiàn)的 對(duì)生產(chǎn)工藝過程變更的適應(yīng)性 適應(yīng)性差。需要重新設(shè)計(jì),改變繼電器和接線 適應(yīng)性強(qiáng),只需對(duì)程序進(jìn)行修改 控制速度 低。靠機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn) 極快。靠微處理器進(jìn)行處理 計(jì)數(shù)及其他特殊功能 一般沒有 有 安裝,施工 連線多,施工繁 安裝容易,施工方便 可靠性 差,觸點(diǎn)多,故障多 高,因元器件采用了篩選和老化等可靠性措施 壽命 短 長 可擴(kuò)展性 困難 容易 維護(hù) 工作量大,故障不易查找 有自診能力,維護(hù)工作量小 結(jié)論:由于 PLC 控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因此,在今后的控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)被 PLC 控制系統(tǒng)所代替是大勢(shì)所趨。 PLC 控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的比較 20世紀(jì) 60 年代,由于小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),有人曾試圖用小型計(jì)算 機(jī)來取代當(dāng)時(shí)占統(tǒng)治地位的繼電器控制系統(tǒng),結(jié)果未獲成功,代只的卻是 PLC 的出現(xiàn)。通過計(jì)算機(jī)與 PLC本 身的工作目的,原理和方式上都存在著較大的差異,其結(jié)果比較見表 22。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 表 22 PLC與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)比較表 比較項(xiàng)目 通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) PLC控制系統(tǒng) 工作目的 科學(xué)計(jì)算,數(shù)據(jù)管理等 工業(yè)自動(dòng)控制 工作環(huán)境 對(duì)工作環(huán)境要求比較高 對(duì)環(huán)境要求低,可在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作 工作方式 中斷處理方式 循環(huán)掃描方式 系統(tǒng)軟件 需配備功能較強(qiáng)的系統(tǒng)的軟件 一般只需要簡單的監(jiān)控程序 采用的特殊措施 掉電保護(hù)等一般性措 施 采用多種抗干擾措施,自診斷,斷電保護(hù),可在線維修 編程語言 匯編語言,高級(jí)語言 梯形圖,助記符語言, SFC標(biāo)準(zhǔn)化語言 對(duì)操縱人員的要求 需專門培訓(xùn),并具有一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 一般技術(shù)人員,稍加培訓(xùn)即可操作使用 對(duì)內(nèi)存的要求 容量大 容量小 價(jià)格 價(jià)格高 價(jià)格較低 其他 若用于控制,一般需自行設(shè)計(jì) 機(jī)種多,模塊種類多,易于集成系統(tǒng) 結(jié)論:一般情況下,在工業(yè)自動(dòng)化工程中采用 PLC可靠,方便,易于維護(hù)。 進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代,采用微處理器的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)了。它與 PLC 共同推動(dòng)著傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造 。經(jīng)過較長時(shí)間是實(shí)踐,人們又發(fā)現(xiàn), PLC 與一般的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比, PLC 還是有著較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),其原因是 PLC 專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì),在 PLC中采用了如下的硬件和軟件措施: ⑴ 光電耦合隔離和 RC 濾波器,有效地防止了干擾信號(hào)的進(jìn)入。 ⑵ 內(nèi)部采用電磁屏蔽,防止輻射干擾。 ⑶ 采用優(yōu)良的開關(guān)電源,防止電源線引入的干擾。 具有良好的自診斷功能可對(duì) CPU等內(nèi)部電路進(jìn)行檢測(cè),一旦出錯(cuò),立即報(bào)警。 ⑷ 對(duì)程序及有關(guān)數(shù)據(jù)有電池供電進(jìn)行后備,一旦斷電或運(yùn)行停止,有關(guān)狀態(tài)及信息不會(huì)丟失。 ⑸ 對(duì)采用的器件都進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選和簡化,排除了因器件問題而造成的故障。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 ⑹ 采用了冗余技術(shù)進(jìn)行一步增強(qiáng)了可靠性。對(duì)某些大型 PLC 還采用了雙 CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng),或三 CPU 構(gòu)成表決式系統(tǒng)。 ⑺ 隨著構(gòu)成 PLC 的元器件性能的提高, PLC 的可靠性也在相應(yīng)的提高。一般PLC的平均無故障時(shí)間可達(dá)到幾萬小時(shí)以上。某些 PLC 的生產(chǎn)廠家甚至宣布 ,今后生產(chǎn) PLC 不再標(biāo)明可靠性這一指標(biāo),因?yàn)閷?duì) PCL 來講這一指標(biāo)已毫無意義了。經(jīng)過大量時(shí)間人們發(fā)現(xiàn) PLC 系統(tǒng)在使用中發(fā)生的故障大是是由于 PLC 的外部開關(guān),傳感器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的,而不是 PLC 本身發(fā)生的。 ⑻ 另外, PLC 程序設(shè)計(jì)簡單,易學(xué)易懂易維護(hù),更適合于工程技術(shù)人員。因此, PLC 在工業(yè)控制方面獲得了極大成功,成為工業(yè)控制中的主流。但是必須指出的是:計(jì)算機(jī)在信息處理方面還是優(yōu)于 PLC,所以在一些自動(dòng)化控制系統(tǒng)中,常常將兩者結(jié)合起來, PLC 做下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)在控制,計(jì)算機(jī)做上位機(jī)信息處理。計(jì)算機(jī)與 PLC 之間通過通信線路實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和交換。這樣相輔相成,構(gòu)成一個(gè)功能較強(qiáng)的完整的控制系統(tǒng)。 PLC 控制系統(tǒng)與集散型控制系統(tǒng)的比較 由前所述可知, PLC 是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的。而集散型控制系統(tǒng)DCS( Distribution Control System) 是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展起來的分布式控制系統(tǒng),它在模擬量處理,回路調(diào)節(jié)等方面有一定的優(yōu)勢(shì)。而 PLC 隨微電技術(shù),計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,無論在功能上,速度上,智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上,都用很大的提高。并開始與小型計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò),構(gòu)成了以 PLC 為重要部件的分布式控制系統(tǒng)。隨著 PLC網(wǎng)絡(luò)通信功能不斷增強(qiáng), PLC 與 PLC 及計(jì)算機(jī)的互聯(lián),可以形成大規(guī)模的控制系統(tǒng),在數(shù)據(jù)告訴公路上( Data Highway) 掛接在線通用計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)在線組態(tài),編程和下裝,進(jìn)行 在線監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程,這樣就已具備了集散控制系統(tǒng)的形態(tài),加上 PLC 的價(jià)格和可靠性優(yōu)勢(shì),使之可以與傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)相互競(jìng)爭。 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 PLC 控制系統(tǒng)的組成 PLC 控制系統(tǒng)像一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一樣,也是由硬件和軟件兩個(gè)部分組成的,硬件是指 PLC本身及其外圍設(shè)備,軟件是指管理 PLC 的系統(tǒng)軟件, PLC 的應(yīng)用程序,編程語言和編程支持工具軟件。 圖 21 典型 PLC控制系統(tǒng)的硬件組成 硬件的組成 PLC 控制系統(tǒng)的硬件是由 PLC,輸入 /輸出( I/O)電路及外圍設(shè)備等 組成的。系統(tǒng)規(guī)??筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要而定,可大可小。下面對(duì)構(gòu)成控制系統(tǒng)的主要部分簡要介紹。 PLC 系統(tǒng) ( 1)主控模塊 除了早期生產(chǎn)的整體式 PLC( PLC 的各個(gè)不見都在同一機(jī)殼內(nèi))外,目前市場(chǎng)多數(shù)的 PLC 都已采用模塊化的結(jié)構(gòu)( PLC 的各個(gè)部件獨(dú)立封裝,稱之為模塊)。在PLC中各個(gè)模塊均通過系統(tǒng)總線相互連接起來構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中最核心的模塊是主控模塊(也稱 CPU),它包括: CPU,存儲(chǔ)器,通信接口等部分。 ① CPU: CPU 是 PLC 的控制中樞,它由控制器和運(yùn)算器組成。其中, 控制器是河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁 用來統(tǒng)一指揮和控制 PLC 工作的部件。運(yùn)算器則是進(jìn)行邏輯,算術(shù)等運(yùn)算部件。PLC在 CPU 的控制下使整個(gè)機(jī)器有條不紊的協(xié)調(diào)工作,以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的控制。 CPU 的具體作用如下: 執(zhí)行接受,存儲(chǔ)用戶程序的操作指令。 用以掃描方式來自輸入單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息,并存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 執(zhí)行監(jiān)控程序和用戶程序。完成數(shù)據(jù)和信息的處理,產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號(hào),完成用戶指令規(guī)定的各種操作。 響應(yīng)外部設(shè)備(如編程器,打印機(jī))的請(qǐng)求。 PLC 中所采用的 CPU 隨機(jī)型的不同而不同,通常有 3 種:通用微處理器(如8086, 80286, 80386 等),單片機(jī)芯片,位片式處理器。一般來說,小型 PLC 大采用 8 位微處理器或單片機(jī)作為 CPU,如 Intel8086, Inter96 系列單片機(jī),具有集成度高,運(yùn)算速度快,可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如日本歐姆龍公司生產(chǎn)的 OMRONC200H 型PLC采用的是 Motorola 公司生產(chǎn)的 MC68B09 的 CPU 芯片。這是一種增強(qiáng)型 8位微處理器。對(duì)大型 PLC,大多采用高速位片式微處理器,它具有靈活性強(qiáng),速度快,效率高的優(yōu)點(diǎn)。 目前,一些廠家生產(chǎn)的 PLC 中,還采用了冗余技術(shù),即采用雙 CPU 或三 CPU工作,進(jìn)一步提高了 系統(tǒng)可靠性。采用冗余技術(shù)可使 PLC 的平均無故障工作時(shí)間達(dá)幾十萬小時(shí)以上。 ② 存儲(chǔ)器: PLC 系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序,用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū):采用 PROM 或 EPROM 芯片存儲(chǔ)器。它是由生產(chǎn)廠家直接存放的,永久存儲(chǔ)的程序和指令,稱為監(jiān)控程序。監(jiān)控程序和 PLC 的硬件組成與專用部件的特性有關(guān),用戶不能隨意訪問和修改這部分存儲(chǔ)器的程序。 存儲(chǔ)器區(qū):工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過程中經(jīng)常變化的,需要隨機(jī)存取的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)一般不需要長久保存,因此采用隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)包括輸入,輸出數(shù)據(jù)映象區(qū),定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器預(yù)置和當(dāng)前數(shù)值的數(shù)據(jù)。 用戶程序存儲(chǔ)區(qū):用于存放用戶經(jīng)編程器或計(jì)算機(jī)輸入的應(yīng)用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存儲(chǔ)器,用戶可檫寫重新編程。用戶程序存儲(chǔ)器的容量一般就河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁 代表 PLC 的標(biāo)稱容量。通常,小型機(jī)小于 8KB,中型機(jī)小于 50KB,而大型機(jī)可以在 50KB 以上。 ③ 通信接口:主控模塊通常有一個(gè)或一個(gè)以上的通信接口(簡稱通信口),用以與計(jì)算機(jī),編程器相連,實(shí)現(xiàn)編程,調(diào)試,運(yùn)行,監(jiān)視等功能。 ( 2)輸入 /輸出模塊 PLC 的控制 對(duì)象是工業(yè)生產(chǎn)過程,它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 模塊實(shí)現(xiàn)的。生產(chǎn)過程有許多控制變量,如溫度,壓力,液位,速度,電壓,開關(guān)量,繼電器狀態(tài)等,因此,需要有相應(yīng)的 I/O 模塊作為 CPU 與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的橋梁。且這些模塊應(yīng)具有較好的抗干擾能力。目前,生產(chǎn)廠家已開發(fā)出各種型號(hào)的模塊供用戶選擇。對(duì)于輸入 /輸出模塊有:數(shù)字量輸入 /輸出模塊,開關(guān)量輸入 /輸出模塊,模擬量輸入 /輸出模塊,交流新號(hào)輸入 /輸出模
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