【正文】 換、數(shù)值運算、數(shù)據處理等功能。因此 ,它既可對開關量進行控制 ,也可對模擬量進行控制 ,既可控制 1 臺生產機械、 1 條生產線 ,也可控制 1 個生產過程。 PLC 還具有通訊聯(lián)絡功能，與上位計算機構成分布式控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)遙控功能。 可靠性高 ,抗干擾能力強。大多數(shù)用戶都將可靠性作為選擇控制裝置的首要條件。針對 PLC 是專為在工 業(yè)環(huán)境下應用而設計的 ,故采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施。硬青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 13 件方面 ,隔離是抗干擾的主要措施之一。 PLC 的輸入、輸出電路一般用光電耦合器來傳遞信號 ,使外部電路與 CPU 之間無電路聯(lián)系 ,有效地抑制了外部干擾源對 PLC 的影響 ,同時 ,還可以防止外部高電壓竄入 CPU 模塊濾波是抗干擾的另一主要措施 ,在 PLC 的電源電路和 I/O 模塊中 ,設置了多種濾波電路 ,對高頻干擾信號有良好的抑制作用。軟件方面 ,設置故障檢測與診斷程序。采用以上抗干擾措施后 ,一般 PLC 平均無故障時間高達 4萬～ 5萬 h。 編程方法簡單 ,容易掌握 PLC 配備有易于接受和掌握的梯形圖語言。該語言編程元件的符號和表達方式與繼電器控制電路原理圖相當接近。 控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試和維修方便。 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、時間繼電器、計數(shù)器等部件 ,控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。 PLC 的用戶程序大都可以在實驗室模擬調試 ,調試好后再將 PLC 控制系統(tǒng)安裝到生產現(xiàn)場 ,進行聯(lián)機統(tǒng)調。在維修方面 ,PLC 的故障率很低 ,且有完善的診斷和實現(xiàn)功能 ,一旦 PLC外部的輸入裝置和執(zhí)行機構發(fā)生故障 ,就可根據 PLC 上發(fā)光二極管或編程器上提供的信息 ,迅速查明原因。若是 PLC 本身問題 ,則可更換模塊 ,迅速排除故障 ,維修極為方便。 體積小、質量小、功耗低。由于 PLC 是將微電子技術應用于工業(yè)控制設備的新型產品 ,因而結構緊湊 ,堅固 ,體積小 ,質量小 ,功耗低 ,而且具有很好的抗震性和適應環(huán)境溫度、濕度變化的能力。因此 ,PLC 很容易裝入機械設備內部 ,是實現(xiàn)機電一體化較理想的控制設備 [12]。 PLC 的分類 目前， PLC 應用廣泛，國內外生產廠家眾多，所生產的 PLC 產品更是品種繁多，其型號、規(guī)格和性能各不相同。通常，可以按照結構形式的不同及功能的差異進 行大致的分類。 按結構形式分 按照結構形式的不同， PLC 可分為整體式和模塊式兩種。 前者具有結構緊湊、體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點，易于裝在工業(yè)設備的內部，通常適于單機工作。一般小型和超小型 PLC 多采用這種結構，如日本三菱 FX 系列的 PLC。后者配置靈活，裝載和維修方便，功能易于擴展，其缺點是結構較復雜，造價也較高。一般大、中型 PLC 都采用這種結構，如日本三菱公司的 AN 系列。 ２、按功能、點數(shù)分 按功能、輸入輸出點數(shù)和存儲器容量不同， PLC 可分為小型、中型和大型三類。 小型 PLC 又稱為低檔的 PLC。這類 PLC 的規(guī)模較小，它的輸入輸出點數(shù)一般從 20 點到 128 點。中型 PLC 的 I/O 點數(shù)通常在 120 點至 512 點之間，用戶程序存儲器的容量為青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 14 2KB8KB。大型 PLC 又稱為高檔的 PLC， I/O 點數(shù)在 512 點以上，其中 I/O 點數(shù)大于 8192點的又稱為超大型 PLC，用戶程序存儲器容量在 8KB 以上。 可編程控制器應用領域 在發(fā)達的工業(yè)國家 ,PLC 已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè)。隨著 PLC 性能價格比的不斷提高 ,一些過去使用專用計算機的場合 ,也轉向使用 PLC。 PLC 的應用范圍在不斷擴大 ,可歸納為如下幾個方面。 開關量的邏輯控制 這是 PLC 最基本最廣泛的應用領域。 PLC 取代繼電器控制系統(tǒng) ,實現(xiàn)邏輯控制。例如：機床電氣控制，沖床、鑄造機械、運輸帶、包裝機械的控制，注塑機的控制，化工系統(tǒng)中各種泵和電磁閥的控制，冶金企業(yè)的高爐上料系統(tǒng)、軋機、連鑄機、飛剪的控制，電鍍生產線、啤酒灌裝生產線、汽車配裝線、電視機和收音機的生產線控制等。 運動控制 PLC 可用于對直線運動或圓周運動的控制。早期直接用開關量 I/O 模塊連接位置傳感器與 執(zhí)行機構 ,現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家生產的 PLC 幾乎都有運動控制功能。 PLC 的運動控制功能廣泛地用于各種機械。例如 :金屬切削機床、金屬成型機械、配裝機械、機器人和電梯等。 閉環(huán)過程控制 過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。 PLC 通過模擬量 I/O模塊實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間的 A/D,D/A轉換 ,并對模擬量進行閉環(huán) PID 控制 ,可用 PID 子程序來實現(xiàn) ,也可使用專用的 PID 模塊。 PLC 的模擬量控制功能已經廣泛應用于塑料擠壓成型 機、加熱爐、熱處理爐、鍋爐等設備，還廣泛地應用于輕工、化工、機械、冶金、電力和建材等行業(yè)。 數(shù)據處理 現(xiàn)代的 PLC 具有數(shù)學運算、數(shù)據傳遞、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據的采集、分析和處理。這些數(shù)據可以與存貯在存儲器中的參考值比較 ,也可以用通訊功能傳送到別的智能裝置，或將其打印制表。數(shù)據處理一般用在大、中型控制系統(tǒng) ,如柔性制造系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等。 機器人控制 機器人作為工業(yè)過程自動生產線中的重要設備，已成為未來工業(yè)生產自動化的 3 大支青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 15 柱之一?，F(xiàn)在許多機器人制造公司，選用 PLC 作為機器人控制器來控制各種機械動作。隨著 PLC 體積進一步縮小，功能進一步增強， PLC 在機器人控制中的應用必將更加普遍。 通訊聯(lián)網 PLC 的通訊包括 PLC 之間的通訊、 PLC 與上位計算機和其他智能設備之間的通訊。PLC 和計算機具有接口，用雙絞線、同軸電纜或光纜將其聯(lián)成網絡，以實現(xiàn)信息的交換，并可構成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)。目前 PLC 與 PLC 的通訊網絡是各廠家專用的。 PLC 與計算機之間的通訊，一些 PLC 生產廠家采用工業(yè)標準總線 ,并向標準通訊協(xié)議靠攏 [13]。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 16 第三章 熱水器控制系統(tǒng)的設計方案 太陽能本身是一個不斷變化、而影響其變化的因素又較多、極其復雜的非線性變量，太陽熱水系統(tǒng)工程是一個非線性系統(tǒng)，很難建立精確的數(shù)學模型，因此采用傳統(tǒng)的控制方法難以得到較佳的控制效果。而模糊控制是以模糊數(shù)學為基礎發(fā)展起來的一種新的控制方法。這種控制方法是一種智能的、非線性的控制方法，對那些無法取得數(shù)學模型或數(shù)學模型相當粗糙的系統(tǒng)可以取得較滿意的控制效果，解決一些用傳統(tǒng)控制方法無法解決的問題。太陽能熱水器控制器采用 PID 控制算法，這種算法對固定參數(shù)的 線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調整 PID 控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果。 系統(tǒng)硬件的設計方案 根據控制系統(tǒng)要求 ,首先確定 PLC 的控制規(guī)模 ,估算出所需要的 I/O 點數(shù) (數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入 /輸出量 ) ,再增加 10%～ 20%的備用量 ， 以便隨時增加控制功能 ， 保證系統(tǒng)投入運行后能夠替換個別故障點或彌補遺漏的點數(shù)。統(tǒng)計出 I/O 總點數(shù)后即可以確定 PLC 的控制規(guī)模 從而確定存儲器 (用于存儲用戶程序和數(shù)據 )的容量。存儲器容量除了根據 PLC 的控制規(guī)模確定 。 也可以按照如下方法計算 ， 再增加 25%～ 30 %的備用量 ， 以便隨時增加用戶程序。 一種方法是根據編程實際使用的節(jié)點數(shù)計算 ， 即編完程序之后 ， 根據節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。另一種方法是估算法 ， 只有開關量時 ， 所需內存總數(shù) =開關量 (輸入 /輸出 )總數(shù) 10 ； 只有模擬量輸入時 ,所需內存總數(shù) =模擬量路數(shù) 120 在模擬量輸入、輸出同時存在時 ， 所需內存總數(shù) =模擬量路數(shù) 250 ； 同時 ,應考慮 PLC 提供的內部繼電器和寄存器的數(shù)量 ,以便節(jié)省資源 [14]。 PLC 的選型 因為本系統(tǒng)是對開關量控制的應用系統(tǒng) ,并對控制速度要求不高 ,選用核心部件為 三菱 公司的 FX_2n32MRES/UL 系列 32 點編程控制器 ,該編程控制器具有自診斷功能 ,采用循環(huán)掃描工作方式 ,這完全能滿足要求。 FX_2n32MRES/U 屬微型編程控制器、輸入輸出控制方式為循環(huán)掃描方式、編程語言為梯形圖語言、 32 點的編程控制器具有 16 點輸入 ,16點輸出 。 考慮到該 PLC 所需的輸入、輸出點數(shù)及類型，選用三菱 FX_2n32MRES/UL 可編程控制器作為該系統(tǒng)的核心，它含有 16 個輸入點（漏型）和 16 個輸出點（繼電器型），足夠設計所用 [15]。 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 17 ① FX_2n32MRES/UL 簡介 FX_2n32MRES/UL 屬于 FX2N系列 PLC， FX2N系列 PLC 是 FX系列中高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點， FX2N是從 16 到 256路輸入、輸出的多種應用的選擇方案。 ② FX_2n32MRES/UL 的特點 FX_2n32MRES/UL 屬于 FX2N系列 PLC， FX2N系列 PLC 是 FX 系列中最高級的模塊。它擁有無以匹及的速度、高級的功能、邏輯選件以及定位控制等特點， FX2N是從 16 到 256路輸入、輸出的多種應用的選擇方案。 PLC 硬件控制框圖 上位機采 用 PC 機，下位機選用日本三菱公司的 FX2n 系列的 32 點可編程控制器，實現(xiàn)對太陽能熱水器的控制，完成太陽能熱水器的溫度、液位等控制功能。為提高系統(tǒng)的安全性，需要有報警點輸入并且用聲光信號顯示故障類型，同時發(fā)出警報提醒值班人員及時處理事故。當故障出現(xiàn)時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起，操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍，直到故障消除，故障指示燈才停止閃爍。 系統(tǒng)控制框圖如圖 3— 1。 圖 3— 1 系統(tǒng)控制框圖 各單元功能作用介紹 電機類型的選擇 電機類型選擇的 原則如下：對于有特定要求的工作機械，應優(yōu)先選擇專用電機。如可工作于高濕度，有鹽霧、霉菌、凝露等環(huán)境的船用電動機；有較高的效率及節(jié)能指標的紡織電動機；有作為激振動力源，如用于糧食加工機械或振動篩、振動輸送機的振動異步電青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 18 動機；在化工、橡膠、紡織、造紙等工業(yè)中有時要求軟機械特性和寬調速范圍的電動機，當負載增加時電動機的出軸轉速隨之降低而輸出力矩增加，保持與負載平衡，并允許較長時間堵轉的三相力矩電動機等。 對于一般生產機械，在滿足生產機械要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、工作可靠、價格便宜、維護方便的電動機。從一般要 求看，交流電動機優(yōu)于直流電動機，交流異步電動機優(yōu)于交流同步電動機，鼠籠式異步電動機優(yōu)于繞線式異步電動機。 對于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒有特殊要求的生產機械，應優(yōu)先采用普通鼠籠異步電動機，它廣泛用于各種機床、水泵和風機等。大中功率的空壓機和皮帶輸送機等生產機械要求有較大的起動轉矩，應采用深槽式或雙鼠籠式異步電動機 [17]。 由于太陽能熱水器屬于連續(xù)運行，負載平穩(wěn)，對起動制動沒特殊要求，綜合各方面考慮，本系統(tǒng)微型電機選用 Y 系列三相異步電動機。 電壓為 220V。 頻率 為 50HZ。 功率 為 10w。 交流接觸器 的選擇 本系統(tǒng)選用正泰公司生產的 CJX1 系列交流接觸器，該接觸器為雙斷點觸頭的直動式運動結構，動作機構靈活，手動檢察方便，結構緊湊。觸頭，磁系統(tǒng)采用封閉結構，能提高壽命。接線端均有防護罩覆蓋，使用安全可靠。安裝可用螺釘緊固，也可扣裝在 35 毫米的安裝軌上，裝卸方便。 CJX1 系列交流接觸器適用于交流 50Hz（或 60Hz），額定電壓至 660V，在 AC3 使用類別下工作電壓為 380V，供遠距離和分斷電路及頻繁起動和控制交流電動機，并可與適合的熱繼電器組成電磁起動器，以保護可能發(fā)生操作過負荷電路。 熱繼電器的選 擇 本系統(tǒng)所用的熱繼電器為正泰公司生產的 NR4(JRS2)系列， NR4(JRS2)系列熱過載繼電器適用于交流 50Hz/60Hz、額定電壓 690V、 1000V，電流 的長期工作或間斷長期工作的交流電動機的過載與斷相保護。該熱繼電器具有斷相保護、溫度補償、動作指示、自動與手動復位，該產品動作可靠。另外，該產品符合： 、 、IEC6094741 等標準，可靠性較高。該熱繼電器可與 CJX1 系列交流接觸器接插安裝，其實物圖如圖 3－ 2 示 [18]。 圖 3－ 2 NR4(JRS2)系列熱過載繼電器 電磁閥的選擇 青島農業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計 19 電磁閥選用 SSF