PLC下的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究
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摘要：隨著社會(huì)進(jìn)步及自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化、信息化開(kāi)始普及。同時(shí)，人們對(duì)這些系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性要求也越來(lái)越高?？删幊踢壿嬁刂破骷?a href="http://articshipping.com/lunwen/fanganshejilunwen/141959.html" target="_blank">plc作為一種新出現(xiàn)的控制裝置，在解決這類(lèi)問(wèn)題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，可編程控制器（PLC）的優(yōu)勢(shì)在于體積小型化，高度集成，同時(shí)還有數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能。本課題對(duì)PLC作了簡(jiǎn)要介紹，并探討基于可編程控制器的開(kāi)關(guān)電路硬件設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。
關(guān)鍵詞：PLC開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用
1PLC簡(jiǎn)介
1.1PLC定義、特點(diǎn)
PLC控制系統(tǒng)，ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器，由輸入、輸出和控制器三部分組成，它采用可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)算與算術(shù)操作等面向用戶(hù)的指令，通過(guò)數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程。在工業(yè)控制領(lǐng)域，基于繼電器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)曾一度占據(jù)主導(dǎo)地位，但繼電器控制系統(tǒng)有很多的弱點(diǎn)，體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運(yùn)行速度慢、適應(yīng)性差等。尤其是不具有通用性、靈活性，在面對(duì)復(fù)雜邏輯控制時(shí)設(shè)計(jì)復(fù)雜，要求器件過(guò)多。從1969年第一臺(tái)PLC問(wèn)世至今，尤其是隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC在概念，設(shè)計(jì)，性能/價(jià)格比以及應(yīng)用方面都有了新的突破。運(yùn)行可靠、故障率低、維護(hù)費(fèi)用低、能耗低，運(yùn)行無(wú)噪聲。而且為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)上考慮了容錯(cuò)技術(shù)和冗余技術(shù)等。
1.2輸入輸出
一般來(lái)說(shuō)PLC控制器輸入信號(hào)有數(shù)字量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)，同樣輸出信號(hào)也有數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)之分。（1）數(shù)字輸入信號(hào)，比如按鈕開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)指令，總之采集控制條件信號(hào)，通過(guò)高低電平判斷“0”“1”兩種狀態(tài)。（2）模擬輸入信號(hào)，一般為電壓信號(hào)或電流信號(hào)，根據(jù)輸入量的性質(zhì)、大小不同，分為很多種，比如4~20mA是模擬量的一種，還有0~20mA,0~10V等。（3）數(shù)字輸出信號(hào)，一般用來(lái)控制元件，比如用高低電平來(lái)控制氣缸的電磁閥門(mén)，電動(dòng)機(jī)的交流接觸器吸合釋放等。（4）模擬量輸出信號(hào)，和模擬輸入信號(hào)相似，一般為電壓信號(hào)或電流信號(hào)，同樣電壓信號(hào)，輸出有0~10V，或0~5V，電流信號(hào)，輸出有4~20mA。此外，PLC的輸入輸出模塊根據(jù)需要采集和控制的信號(hào)數(shù)量多少選擇使用數(shù)目，常見(jiàn)的單個(gè)輸入輸出模塊可以提供16/32/64個(gè)信號(hào)端。
1.3PLC編程
PLC編程具有應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便等特點(diǎn)，可以用程序來(lái)改變控制功能。用戶(hù)通過(guò)某種標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言，就能夠使用PLC在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制功能。PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言有五種：梯形圖語(yǔ)言（LD）、指令表語(yǔ)言（IL）、功能模塊語(yǔ)言（FBD）、順序功能流程圖語(yǔ)言（SFC）、結(jié)構(gòu)文本化語(yǔ)言（ST）。這五標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言符合邏輯設(shè)計(jì)思路，簡(jiǎn)單易學(xué)，相對(duì)于其它計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，在語(yǔ)句表達(dá)及語(yǔ)句種類(lèi)等方面都進(jìn)行了簡(jiǎn)化。以使用最多的梯形圖為例，沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變而來(lái)，形象、直觀(guān)、實(shí)在。PLC梯形編程示意圖如圖1所示，左、右母線(xiàn)類(lèi)似于繼電器與接觸器控制電源線(xiàn)，輸出線(xiàn)圈類(lèi)似于負(fù)載，輸入觸點(diǎn)類(lèi)似于按鈕。梯形圖由若干階級(jí)構(gòu)成，自上而下排列，每個(gè)階級(jí)起于左母線(xiàn)，經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)與線(xiàn)圈，止于右母線(xiàn)。用戶(hù)可用過(guò)需要控制的設(shè)備及機(jī)械動(dòng)作情況，把梯形圖中各觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系與實(shí)際線(xiàn)路設(shè)備對(duì)應(yīng)起來(lái)，并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到所要求的輸出結(jié)果。目前，PLC用于開(kāi)關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)等，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)。
1.4PLC運(yùn)行方式
PLC有內(nèi)置存儲(chǔ)器和處理器，可以通過(guò)控制軟件下載編程好的軟件到存儲(chǔ)器，然后由PLC自動(dòng)運(yùn)行；也可以配備路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在遠(yuǎn)程用工控機(jī)相應(yīng)軟件來(lái)操作使用，這樣實(shí)現(xiàn)使用方式的多樣化、方便、靈活，以匹配不同的使用環(huán)境和場(chǎng)景。
2PLC應(yīng)用方案
2.1系統(tǒng)整體方案概述
PLC應(yīng)用系統(tǒng)中常分為PLC本機(jī)，遠(yuǎn)程工控機(jī)，本地控制，輸入信號(hào)，輸出信號(hào)這幾部分。PLC系統(tǒng)整體方案概圖如圖2所示。其中PLC本機(jī)就是系統(tǒng)核心，這里可根據(jù)實(shí)際需要選擇輸入輸出模塊的類(lèi)型，是數(shù)字輸入、模擬輸入還是數(shù)字輸出、模擬輸出，需要估算輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量以及控制功能選擇，是否需要通訊模塊與遠(yuǎn)程工控機(jī)聯(lián)系。輸入信號(hào)就是需要采集的條件信號(hào)，可以用數(shù)字信號(hào)直接輸入，或者經(jīng)過(guò)變送器采集模擬信號(hào)后輸入。輸出信號(hào)就是經(jīng)PLC邏輯程序判斷后輸出信號(hào)，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，或者輸出模擬信號(hào)后再經(jīng)過(guò)變送器送到驅(qū)動(dòng)端。本地控制常適用于穩(wěn)定性和可靠性更嚴(yán)格的場(chǎng)合要求下，在遠(yuǎn)程控制或通訊故障時(shí)用于輔助操作。遠(yuǎn)程工控機(jī)用于遠(yuǎn)程操作，可通過(guò)相應(yīng)的編程軟件聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化、智能化。同時(shí)在具體方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則。（1）保證PLC本身運(yùn)行安全穩(wěn)定比如采用UPS供電，盡量使用附加繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC的輸出輸入與實(shí)際控制元器件、設(shè)備的電隔離。軟件編程上需要考慮周全，含括到非正常情況下程序的運(yùn)行穩(wěn)定。（2）最大限度滿(mǎn)足使用要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要事先收集好現(xiàn)場(chǎng)資料和使用要求，考慮完備，重復(fù)發(fā)揮PLC的性能，最大限度滿(mǎn)足使用要求。（3）力求簡(jiǎn)單、使用及維修方便在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)要注意系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔和設(shè)備的安裝擺放調(diào)理，便于后期使用和維護(hù)，在選擇PLC具體性能如輸入/輸出模塊數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，在留有裕量和現(xiàn)有使用規(guī)模中平衡選擇。
2.2通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
作為常見(jiàn)的溫度控制系統(tǒng)，通風(fēng)系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，下面我們介紹一個(gè)簡(jiǎn)單的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。PLC的通風(fēng)系統(tǒng)方案概圖如圖3所示。智能通風(fēng)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)室外溫度。當(dāng)室外溫度低于某個(gè)設(shè)定值，控制器開(kāi)啟新風(fēng)機(jī)引入室外新風(fēng)，關(guān)閉機(jī)房空調(diào)達(dá)到節(jié)能效果。在確保機(jī)房環(huán)境的前提下，依據(jù)室內(nèi)外溫度，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)室內(nèi)外溫差達(dá)到某個(gè)設(shè)定值且室內(nèi)溫度高于某設(shè)定值，控制器開(kāi)啟風(fēng)機(jī)。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。（1）為保證PLC工作環(huán)境的穩(wěn)定性，特意使用UPS對(duì)PLC進(jìn)行不間斷供電。（2）PLC通常和遠(yuǎn)程工控機(jī)端相距較遠(yuǎn)，需要添加光電轉(zhuǎn)換器利用光纖來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送。（3）PLC模擬量輸入通常為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，而對(duì)于溫度、壓力、流量等不同的物理量，需要通過(guò)變送器將其模擬量的最小值與最大值進(jìn)行變化，轉(zhuǎn)換為電壓或電流二種信號(hào)輸入。同時(shí)，輸入模塊也應(yīng)選用模擬量輸入模塊。（4）因?yàn)镻LC驅(qū)動(dòng)功率較小，對(duì)于大功率風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，不能直接驅(qū)動(dòng)，因此末端執(zhí)行部分大多需要中間繼電器，通過(guò)再到接觸器來(lái)完成。如果是定頻風(fēng)機(jī)，可以直接選用數(shù)字量輸出模塊來(lái)控制中間繼電器，再通過(guò)接觸器來(lái)完成對(duì)風(fēng)機(jī)的控制。此外，出于節(jié)能環(huán)保的理念，有的環(huán)境需要使用變頻風(fēng)機(jī)，可以選用模擬量輸出模塊，通過(guò)PLC的輸出直接控制變頻器加速或減速。（5）本地控制可提供手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)操作方式的多樣性，提高系統(tǒng)的保障能力。（6）出于相同的設(shè)計(jì)思路和理念，通風(fēng)設(shè)計(jì)方案同樣可用于水路閥門(mén)、開(kāi)關(guān)電路、信號(hào)指示等應(yīng)用設(shè)計(jì)。
2.3環(huán)境控制系統(tǒng)
工業(yè)環(huán)境中，溫度，濕度都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有時(shí)還為了防塵、防盜，加裝有風(fēng)閥控制，或者還需要與空調(diào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。基于PLC的濕度控制系統(tǒng)概圖如圖4所示。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。（1）同樣采用UPS保障PLC運(yùn)行環(huán)境的溫度，以防夏季雷電天氣或電壓波動(dòng)影響PLC。（2）增加了濕度采集信號(hào)，溫濕度都經(jīng)過(guò)變送器送入模擬輸入模塊，這樣同時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度變化，滿(mǎn)足對(duì)環(huán)境的高要求。（3）通風(fēng)閥位置和本地控制為簡(jiǎn)單“0”“1”開(kāi)關(guān)量控制，可以通過(guò)數(shù)字輸入模塊輸入。（4）風(fēng)機(jī)直接設(shè)計(jì)采用變頻風(fēng)機(jī)，因此需要模擬輸出模塊來(lái)控制變頻器，而通過(guò)數(shù)字輸出模塊來(lái)間接控制風(fēng)機(jī)三相電輸入。（5）通風(fēng)閥通過(guò)數(shù)字輸出模塊來(lái)控制，這樣可以利用室內(nèi)外的環(huán)境溫差引入室外清潔的冷空氣進(jìn)行自然降溫，同時(shí)排出熱空氣，從而達(dá)到在常年大多數(shù)條件下替代空調(diào)制冷的效果，避免了空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行所造成的電能浪費(fèi)，有效降低機(jī)房空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，降低電能消耗。（6）系統(tǒng)增加了與空調(diào)聯(lián)動(dòng)的功能。通風(fēng)控制系統(tǒng)優(yōu)先啟動(dòng)，以保證空調(diào)的節(jié)能。當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足室內(nèi)熱負(fù)荷要求時(shí)，空調(diào)停止運(yùn)行；在通風(fēng)仍不能滿(mǎn)足室內(nèi)熱負(fù)荷條件下，發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)空調(diào)。至于空調(diào)控制方式，智能空調(diào)可以采用控制空點(diǎn)電源，非智能空調(diào)，可采用控制面板開(kāi)關(guān)的方式。
作者：王立 單位： 國(guó)家廣播電視總局 572 臺(tái)