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畢業(yè)設(shè)計-基于plc在皮帶傳輸機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用-在線瀏覽

2025-02-05 19:19本頁面
  

【正文】 業(yè)設(shè)計(論文) 5 PLC 的定義 PLC 問世以來,盡管時間不長,但發(fā)展迅速。用來執(zhí)行諸如邏輯 、 順序 、 計時 、 計數(shù)與演算等功能,并通過數(shù)字或類似的輸入 / 輸出模塊,以控制各種機械或工作程序。 ” 以后國際電工委員會( IEC)又先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案第一稿,第二稿 ,并在 1987 年 2 月通過了對它的定義 [4]: “ 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子 系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的??删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備,都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體,易于擴充其功能的原則設(shè)計。它具有豐富的輸入 /輸出接口,并且具有較強的驅(qū)動能力。 PLC 的特點及分類 PLC 的特點 根據(jù) IEC標(biāo)準(zhǔn)草案給 PLC下的定義 [5]:它是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng),它使用可編程存儲器內(nèi)部儲存的用戶設(shè)計的指令,這些指令用來實現(xiàn)特殊的功能,諸如邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)以及算術(shù)運算以及通過數(shù)字或模擬輸入,輸出來控制各種類型的機械或過程。從上述 PLC的定義,我們可以看到 PLC的許多特點,概括起來有 以下幾點 : ( 1)高可靠性 ① 所有的 I/O 接口電路均采用光電隔離 ; ② 各輸入端均采用 RC 濾波器,其濾波時間常數(shù)一般為 10~20ms; ③ 各模塊均采用屏蔽措施,以防止輻射干擾 ; ④ 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源 ; 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 6 ⑤ 對采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選 ; ⑥ 良好的自診斷功能,一旦電源或其他軟、硬件發(fā)生異常情況, CPU 立即采用有效措施,以防止故障擴大 ; ⑦ 大型 PLC 還可以采用由雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)或由三 CPU 構(gòu)成表決系統(tǒng) ,使可靠性更進(jìn)一步提高。有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備,如:按鈕 、 行程開關(guān) 、 接近開關(guān) 、 傳感器及變送器 、 電磁線圈 、 控制閥等直接連接。 ( 3)采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要,除了單元式的小型 PLC 以外,絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 ( 4)編程簡單易學(xué) PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對使用者來說,不需要具備計算機的專門知識,因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與 PLC 相應(yīng)的 I/O 端相連接,即可投入運行。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu),因此一旦某模塊發(fā)生故障,用戶可以通過更換模塊的方法,使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。為適 應(yīng)用戶的不同應(yīng)用要求,很多廠家均開發(fā)生產(chǎn)了相互有 關(guān)聯(lián) 的系列產(chǎn)品 , 為區(qū)別 PLC的綜合特性,通常以下述兩種辦法分類 : ( 1) 按 I/O點數(shù)及存 儲器容量分類 ① 小 型:最多 I/O為 40/40,用戶存儲器 IKB; 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 7 ② 中型:最多 I/O為 128/128,用戶存儲器 4KB; ③ 大型: I/O128/128,用戶存儲器 4KB。 ( 2) 按 I/O點總數(shù)分類 隨著微型 PLC技術(shù)的發(fā)展日趨成熟,售價也趨向合理,每臺約 ( 200~400) 美元。 ① 微型: I/O 總點數(shù) ( 20~64) 點,后上移到 128 點。 其特點是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,整個硬件融為一體,除了開關(guān)量 I/O 以外,還可以連接模擬量 I/O 以及其他各種特殊功能模塊。 I/O 的處理方式除了采用一般 PLC 通用的掃描處理方 式外,還能采用直接處理方式,即在掃描用戶程序的過程中,直接讀輸入,刷新輸出。 大型 PLC 的軟、硬件功能極強。通訊聯(lián)網(wǎng)功能強,有各種通訊聯(lián)網(wǎng)的模塊,可以構(gòu)成三級通訊網(wǎng),實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理自動化。 PLC的另一個發(fā)展方向是大型和超大型,這 些PLC具有上萬個輸入輸出量,用于石化、冶金、汽車制造等領(lǐng)域。主要使用于不連續(xù) I/O狀況,不需在通信與其它先進(jìn)功能,如應(yīng)用于單臺機床控制等場所;二是隨著 PLC技術(shù)的不斷發(fā)展,劃分 PLC規(guī)模的 I/O點數(shù)的界限不斷向上增移。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 8 PLC 的應(yīng)用 及發(fā)展階段 PLC 的應(yīng)用 隨著 PLC 技術(shù)的飛躍發(fā)展 , PLC 系統(tǒng)已成為一種綜合的控制系統(tǒng),特別是 PLC己經(jīng)深入到智能控制領(lǐng)域中 , 如在機械手控制、機器人控制 [8]、實現(xiàn)離散數(shù)學(xué)模型等方面都獲得廣泛應(yīng)用,使 PLC 技術(shù)已大大超出了過去僅代替繼電器電路的范疇。 ( 1) 取代繼電器控制:在燈光照明、機床電控、食品加工、印刷機械、電梯、自動化倉庫、生產(chǎn)流水線等方面進(jìn)行邏輯控制。 ( 3) 位置、速度控制:在機器人、機床、電機調(diào)速等領(lǐng)域進(jìn)行位置、速度控制。 ( 5) 組成分散控制系統(tǒng):把 PLC 作為下位機,與上位機的計算機共同組成分散控制系統(tǒng)。 PLC 的發(fā)展階段 雖然 PLC 問世時間不長,但是隨著微處理器的出現(xiàn),大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷進(jìn)步, PLC 也迅速發(fā)展,其發(fā)展過程大致可分三個階段: ( 1)早期的 PLC( 60 年代 末- 70 年代中期) 早期的 PLC 一般稱為可編程邏輯控制器。它在硬件上以準(zhǔn)計算機的形式出現(xiàn),在 I/O 接口電路上作了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。另外還采取了一些措施,以提高其抗干擾的能力。因此, 早期的 PLC 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置,其優(yōu)點包括簡單易懂,便于安裝,體積小,能耗低,有故障指使,能重復(fù)使用等。 ( 2)中期的 PLC( 70 年代中期- 80 年代中,后期) 在 70 年代,微處理器的出現(xiàn)使 PLC 發(fā)生了巨大的變化。 這樣,使 PLC 的功能大大增強。在硬件方面,除了保持其原有的開關(guān)模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊、各種特殊功能模塊。 ( 3)近期的 PLC( 80 年代中、后期至今) 進(jìn)入 80 年代中、后期,由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,微處理器的市場價格大幅度下跌,使得各種類型的 PLC 所采用的微處理器的檔次普遍提高。這樣使得 PLC 軟、硬 件功能發(fā)生了巨大變化。如果將 PLC 看作一個系統(tǒng),該系統(tǒng)由輸入變量和輸出變量組成。 PLC 系統(tǒng)各部分的作用說明如下: 圖 21 PLC 結(jié)構(gòu)簡化框圖 ( 1) 中央處理單元 ( CPU) 中央處理單元 ( CPU) 是 PLC 的控制中樞。當(dāng) PLC 投入運行時,首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù),并分別存入 I/O 映像區(qū),然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序,經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入 I/O 映像區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性,近年來對大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng),或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。 ( 2) 存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路,用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其它一些信息, PLC 使用兩種存儲器: ROM 和 RAM。 RAM 中存放用戶程序、邏輯變量和供內(nèi)部程序使用的工作單元。 ① 系統(tǒng)程序存儲器 該存儲器存放系統(tǒng)程序 ( 系統(tǒng)軟件 ) 。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、解釋程序、故障自診斷程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序庫及其他各種管理程序等。系統(tǒng)程序用來管理、協(xié)調(diào) PLC 各部分的工作,翻譯、解釋用戶程序,進(jìn)行故障診斷等。用戶程序是用戶為解決實際問題并根據(jù) PLC 的指令系統(tǒng)而編制的程序,它通過編程器輸入 ,經(jīng) CPU 存放入用戶存儲器。 ③ 變量 ( 數(shù)據(jù) ) 存儲器 變量存儲器存放 PLC 的內(nèi)部邏輯變量,如內(nèi)部繼電器、 I/O 寄存器、定時器 /計數(shù)器中邏輯變量的現(xiàn)行值等,這些現(xiàn)行值在 CPU 進(jìn)行邏輯運算時需隨時讀出、更新有關(guān)內(nèi)容,所以,變量存儲器也采用 RAM。通常 PLC 產(chǎn)品資料中所指的內(nèi)存儲器容量,是針對用戶程序存儲器而言的,且以字 ( 16 位 / 字 ) 為單位來表示存儲器的容 量。輸入接口的主要作用是接收指令元件,檢測元件傳來的信號。接口電路內(nèi)部有濾波,電平轉(zhuǎn)移及信號鎖存電路。 輸出單元也是 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的連接部件,負(fù)責(zé)把輸出信號送給控制對象的輸出接口。輸出接口電路也采用光電耦合,每一點輸出都有一個內(nèi)部電路,由指示電路,隔離電路,繼電器組成。 ( 4) 電源 PLC 的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動在 +10%( +15%) 范圍內(nèi),可以不采取其它措施而將 PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。微機一般采用等待命令的工作方式,如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式,有鍵按下或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序,無鍵按下則繼續(xù)掃描。即 CPU 從第一條指令開始執(zhí)行,直到遇到結(jié)束符又返回第一條執(zhí)行,如此周而復(fù)始不斷循環(huán) [10]。除此之外,為提高工作的可靠性和及時地接收外來的控制命令,每個掃描周期還要進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計算機的通信請求,因此, PLC 工作過程分為以下五步: ( 1) 自診斷 自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然,而在發(fā)生故障時能盡快的修復(fù),為此PLC 每次掃描用戶程序以前都對 CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進(jìn)行故障診斷,若自診斷正常便繼續(xù)進(jìn)行掃描,而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?,F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序,保留現(xiàn)行工作狀態(tài),關(guān)閉全部輸出,然后停機并顯示出錯的信息。在與編程器通信過程中,編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機,主機把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進(jìn)行相應(yīng)指示,編程器還可以向主機發(fā)送運行、停止、大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 12 清內(nèi)存等監(jiān)控命 令。 ( 3) 輸入現(xiàn)場狀態(tài) 完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個輸入點,讀入各點的狀態(tài)和數(shù)據(jù),如開關(guān)的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內(nèi)存映象。 ( 4) 解算用戶邏輯 即執(zhí)行用戶程序。解算過程中所用的計數(shù)器、定時器、內(nèi)部繼電器等編程元件為相應(yīng)存儲單元的即時值,而輸入繼電器、輸出繼電器則用的是內(nèi)存映象值。 ( 5) 輸出結(jié)果將本次掃描過程解算得到的最新結(jié) 果 送到輸出模塊 圖 22 PLC 的工作過程 取代前一次掃描解 算 結(jié)果,也稱為輸出刷新。 在依次完成上述五個步驟操作后 PLC 又開始進(jìn)行 下一次掃描。 PLC 的工作過程如圖 22 所示。第一部分介紹了 PLC 的由來及定義。第三部分介紹了它的應(yīng)用 及三個發(fā)展階段。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 14 第 3 章 PLC 控制系統(tǒng)及程序的設(shè)計方法 可編程控制器技術(shù)最主要是應(yīng)用于自動 化控制工程中,如何綜合地運用前面學(xué)過知識點,根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng), 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法 [11]。技術(shù)條件一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定,它是整個設(shè)計的依據(jù); ( 2)選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu); ( 3)選定 PLC 的型號; ( 4)編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線圖; ( 5)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書,然后再用相應(yīng)的編程語言(常用梯形圖)進(jìn)行程序設(shè)計; ( 6)了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué),重視人機界面的設(shè)計,增強人與機器之間的友善關(guān)系; ( 7)設(shè)計操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件; ( 8)編寫設(shè)計說明書和使用說明書; 根據(jù)具體任務(wù),上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整。而正確,規(guī)范地使用各種指令,正確合理地使用各類部件,則是程序正確的重要因素。可靠性反映了 PLC 在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性,這也是對程序設(shè)計的基本要求。所以 為保證 PLC 的正常工作,使 PLC 能應(yīng)付各種非正常的突發(fā)事件,提高實際應(yīng)用中的可靠性是非常重要的。 ④ 可讀性 系統(tǒng)的可讀性好,是指程序要層次清晰,結(jié)構(gòu)合理 ,指令使用得當(dāng),并按模塊化,功能化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計 [12];在輸入 / 輸出點及內(nèi)部器件的分配和使用上要有規(guī)律性;還應(yīng)在一些功能段以一些特殊指令后作一些注釋,以方便記憶和理解。 ⑤ 可塑性 程序的可塑性是指當(dāng)控制方案稍作改動時,只需對已設(shè)計好的程序略作修改即可,程序容易修改或控制方案容易改變是 PLC 的一大特點。 系統(tǒng)設(shè)計的 基本步驟 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟,如圖 31 所示。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng),還可將控制任務(wù)分成幾個獨立部分,這種可化繁為簡,有利于編程和調(diào)試。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、傳感器等,常用的輸 出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。 ( 4)分配 I/O 點 分配 PLC 的輸入輸出點,編制出輸入 / 輸出分配表或者畫出輸入 / 輸出端子的接線圖。 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 16 圖 31 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟 大慶石油學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文) 17 ( 5)設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序 根據(jù)工作功能圖表或狀態(tài)流 程圖等設(shè)計出梯形圖即編程。 (
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