基于plc和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

问题， “ 节能 ”已经成为时下最流行的话题， 如何实现节能控制是本课题 所要研究的重点问题。 本课题主要是用 PLC实现换热站的底层控制。 换热站 的 PLC控制系统主要由可编程控制器（ PLC）、人机界面（ HMI）、各种传感器等组成。 在该控制系统中，各种传感器变送器将检测到的参数（ 供水温度 、 压力、流量 等） 传 送给 PLC，经 PLC处理后， 通过变频器控制循环泵、补水泵，控制电动调节阀从而实现换热站的自动控制。 PLC是换热站控制系统的核心环节。 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 5 2. 可编程控制器 概述 可编程控制器 的定义及发展 可编程控制器 的 定义 可编程控制器简称 PLC，是一种专为工业环境而设计的数字运算操作的电子系统。 它采用了可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算功能，用来对各种机械和生产过程进行控制。 应 该强调的是， PLC 与以往所讲的机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。 由于 PLC 引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。 可编程控制器的产生及发展 1969 年，在美国出现 了 第一台可编程控制器。 初期的 PLC 只是用于逻辑控制场合， 仅仅 代替 了 传统的 继电器控制系统。 70 年代初，随着大规模集成电路的产生与发展， PLC 采用微处理器为核心，功能得到增强。 在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模 块、远程 I/O 模块和各种特殊功能模块。 在软件方面，PLC 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。 进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微处理器的档次普遍提高，功能进一步增强，处理速度大大提高。 而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了 PLC 软、硬件功能。 PLC在编程语言、控制功能、人机接口和网络通信等方面与工 业计算机已不相上下。 至今 PLC 已渐渐成为工业控制领域的主流计算机。 经过 40 年的发展，现在已经成为 工业控制的三大支柱（ PLC、工业机器人和CAD/CAM）之一。 长期以来， PLC 在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。 这主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要。 可编程控制器的 结构及特点 可编程控制器的结构 不同种类的可编程控制器结构多种多样，但其一般结构基本相同，都是以微处理器为核心， 连接各种外围扩展电路。 整体式结构 PLC通常由中央处理单元 (CPU)、存储器 (RAM、 ROM)、输入 /输出单元 (I/O)、电源、扩展接口和通信接口等几部分构成。 可编程控制器结构图如图 21所示。 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 6 图 21 PLC结构图 1. 中央处理单元 CPU作为 PLC的核心，发挥着类似人类大脑的作用。 CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，还包括必要的控制接口电路，这些电路被封装在一个芯片上。 微处理器是可编程控制器的运算控制中心，由它实现逻辑运算、数学运算，协调控制协调内部各部分的工作。 其主要任务有以下几个。 （ 1） 控制 接收与存储用户的程序和数据； （ 2） 用扫描的方式通过不断接收现场信号的状态或数据（开关量、模拟量），并存入相应的元件映像寄存器或数据存储器； （ 3） 诊断 PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； （ 4） PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按命令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算等； （ 5） 根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，经输出部件实现输出控制或数据通信等功能； （ 6） 在双处理器协调中， CPU还与数据处理器交换信息。 2. 存储单元 存储单元主要存储程序和 数据。 PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器。 其中系统存储器用来存放由 PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM内，用户不能直接更改。 而用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和用户数据存储器（数据区）两部分。 用户程序存储器用来存放用户针对各种具体控制任务，用 PLC的编程语言编写的各种应用程序 ，其内容可由用户任意修改或增减；用户数据存储器用来存放用户程序中所使用器件的 ON/OFF状态和各种数据等，它的大小关系到用户程序容量的大小，是反映 PLC性能的重要指标之一。 3. 输入 /输出单元（ I/O单元） 输入 /输出单 元是 PLC的 CPU与现场 I/O装置或其他外部设备之间连接的接口部件。 输入 /输出单元包括两部分：一是与被控设备相连的输出接口电路和与输入器件SQ SB SA 输入单元 电源单元 存储器 通信 CPU 扩展 输出单元 KM YV HL 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 7 相连的输入接口电路；另一部分是输入和输出映像寄存器。 输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器的信号。 通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和识别的低电压信号，送给 CPU进行运算处理。 输出单元将 CPU输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动接触器、信号灯、电磁阀和电磁开关等，进行必要的功率放大。 4. 电源单元 可编程控制器电源单元包括系统的电源、保护电路及备用电池。 电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压， PLC电源一般使用 220V的交流电， 同时还向外部提供 24V直流电源，可作为某些传感器的电源。 5. 扩展接口单元 扩展接口 单元 用于将扩展模块与基本单元（ CPU主机）相连，使 PLC的配置灵活 ，以满足不同控制系统的需要。 各功能模块与 PLC主机连接只需简单的插线即可，非常方便。 6. 通信接口单元 为了实现“人 — 机”或“机 — 机”之间的对话， PLC配有多种通信接口，并且 PLC通过这些通信接口可以与编程器、人机接口 、打印机和其他的 PLC或计算机相连。 7. 编程器 PLC的编程器是用来生成 PLC的用户程序，并对程序进行编辑、修改、调试的外部专用设备，编程器实现了人 与 PLC的对话。 可编程控制器的特点 随着电子技术和计算机技术的迅速发展， PLC 的功能得到大大的增强，具有以下特点： （ 1） 可靠性高 PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 这是 PLC首要的特点。 （ 2） 具有丰富的 I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，有相应的 I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 （ 3） 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC以外，绝大多数 PLC均采用模块化结构。 PLC的各个部件，包括 CPU、电源、 I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 （ 4） 通用性强 PLC及外围扩展模块种类繁多，可由各种模块灵活组成各种大小和不同要求的控制系统。 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 8 （ 5） 编程简单 PLC采用梯形图语言，具有与继电器控制逻 辑线路类似的结构，并且梯形图语言形象直观，因此很容易被初学者掌握。 （ 6） 功能完善 在 PLC内部由于采用了微处理器，能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制 I/O等诸多功能，使输入 /输出系统功能完善、性能可靠。 可编程控制器的工作原理 可编程控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上，即通过执行反应控制要求的用户程序来实现的。 PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。 CPU从第一次指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到结束，然后返回第一条指令开 始新一轮的扫描。 PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 PLC工作过程的中心内容如图 22所示，分为输入采样、程序执行和输出刷新 3个阶段。 1. 输入采样 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，一次性读入所有输入端子的通电状态，并将读入信息存入内存中相应的映像寄存器。 输入映像寄存器被刷新后进入程序执行阶段。 程序执行阶段和输出刷新阶段输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其映像寄存器内容均保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段， 才重新写入输入 端的新内容。 所以，一般情况下输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失。 图 22 PLC工作过程的中心内容图 2. 程序执行 根据 PLC梯形图程序扫描原则， PLC按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。 当指令中涉及输入、输出状态时， PLC就会从输入映像寄存器中读入对应输入端子状态，从元件映像寄存器读入对应元件的当前状态。 然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。 对于每个元件来说，元件映像寄存器中所寄存的内容会随着程序执行过程而变化。 对元件映像寄存器来说，每一个元件的状态会随着程序执 行输入采样 程序执行 输出刷新 用户输入设备 输入端子 输入电路 输入映像寄存器 输出映像寄存器 读 读 写 写 读 输出锁存器 输出端子 输出电路 用户输出设备 扫描周期 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 9 过程而变化。 3. 输出刷新 在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 /断开）在输入刷新阶段转存到输出锁存器中，通过隔离电路，最后经过输出端子驱动外部负载。 在用户程序执行阶段 PLC对输入、输出的处理必须遵循以下规则。 1) 输入映像寄存器内容，由上一个扫描周期输入端子在输入采样期间状态决定 ； 2) 输出映像寄存器状态，由程序执行期间输出指令的执行结果决定 ； 3) 输出锁存器的状态，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的状态决定； 4) 输出端子的状态，由输出锁存器来决定； 5) 执行程序时所用的 I/O状态值，取决于输 入、输出映像寄存器的状态。 总之， PLC是以扫描的方式处理信息，连续地、顺序地、循环地逐条地执行程序，在任何时刻它只能执行一条指令，即以“串行”处理方式进行工作。 PLC 采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型 PLC 还增加了中断工作方式。 用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入 PLC 的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用 图 2 PLC循环顺序扫描工作流程图 基于 PLC 和变频器的集中供热换热站节能控制系统设计 10 PLC 的控制开关使其处于运行工作方式， PLC 就以循环扫描的工作方式进行工作。 在输入信号、用户程序的控制上，产生相应的输 出信号，完成预期的控制任务。 PLC的典型的循环顺序扫描 工 作过程如图 2 所示。 从图 2 中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。 从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。 进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。 目前， PLC 应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的 PLC 产品更是品种繁多，其型号、规格和性能各不相同。 通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异进行大致的分类。 按结构形式分 按照结构形式的不同， PLC 可分为 整体式 、 模块式 、分散式三 种。 （ 1） 整体式结构 PLC 是将输入 /输出接口路、 CPU、存储器、稳压电源封装在一个壳体内，壳体外侧封装有 I/O 接线端子、电源接线端子、扩展接口、和通信接口。 S7200 就属于整体式结构 PLC。 （ 2）模块式结构 PLC 为总线结构，在总线板上有若干个总线插槽，每个插槽上课安装一个 PLC 模块。 不同的模块实现不同的控制功能，根据控制系统的要求配置相应的模块如： CPU 模块、电源模块、输入模块、输出模块、通信模块以及其他特殊功能模块等。 S7300 和 S7400 属于模块 PLC。 （ 3） 分散式结 构是将 PLC 的 CPU、电源、存储器集中存放在控制室内，将各扩展模块分散放置在各个工作站，用通信接口进行连接，由 CPU集中控制。 按 I/O 点数分 类 按功能、输入输出点数和。