电气自动化专业课程设计--基于plc的太阳能热水器自动控制系统的设计

电气自动化专业课程设计--基于plc的太阳能热水器自动控制系统的设计内容摘要：

LC 自产生至今只有 30 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。 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 [9]。 PLC 的发展历史 20 世纪 70 年代大规模集成电路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）产品。 这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。 随着集成电路和计算机技术的发展，现在己 诞生了第五代 PLC 产品。 而从应用角度看， PLC 大概经历了如下几个阶段： 单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是 PLC 应用的主流。 数台 PLC 与 1 台 PC相连， PC 完成编程和在运行中作为人机界面（ 80 年代后期）。 90 午代，随着系统集成能力的提高， PLC 提供系统通信的能力，构成可编程控制系统 PCS（ Programmable Control System），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。 随着近代现场总线、网络、工业 PC 机（ IPC）、软 PLC 技术的发展，以及系统开放性 、电控仪控一体化、管控一体化、 IT 技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的 PCS 正在形成。 可编程序控制器的工作原理 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。 循环扫描即可按固定顺序，也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。 因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的 I/O 点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性 [10]。 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 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土作过程如图 2－ 4 所示。 图 2－ 可编程控制器的的特点 通用性强 ,使用方便。 由于 PLC 产品的系列化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。 当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便快速地适应工艺条件的变 化。 功能性强 ,适应面广。 现代 PLC 不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能 ,而且还具有 A/D 和 D/A 转换、数值运算、数据处理等功能。 因此 ,它既可对开关量进行控制 ,也可对模拟量进行控制 ,既可控制 1 台生产机械、 1条生产线 ,也可控制 1 个生产过程。 PLC 还具有通讯联络功能，与上位计算机构成分布式控制系统 ,实现遥控功能。 可靠性高 ,抗干扰能力强。 大多数用户都将可靠性作为选择控制装置的首要条件。 针对 PLC 是专为在工业环境下应用而设计的 ,故采取了一系列硬件和软件抗干扰措施。 硬件方面 ,隔 离是抗干扰的主要措施之一。 PLC 的输入、输出电路一般用光电耦合器来传递信号 ,使外部电路与 CPU 之间无电路联系 ,有效地抑制了外部干扰源对 PLC的影响 ,同时 ,还可以防止外部高电压窜入 CPU模块滤波是抗干扰的另一主要措施 ,在 PLC 的电源电路和 I/O 模块中 ,设置了多种滤波电路 ,对高频干扰信号有良好的抑制作用。 软件方面 ,设置故障检测与诊断程序。 采用以上抗干扰措施后 ,一般 PLC 平均无故障时间高达 4 万～ 5 万 h。 编程方法简单 ,容易掌握 PLC 配备有易于接受和掌握的梯形图语言。 该语言编程元件的符号和表达方式与继 电器控制电路原理图相当接近。 控制系统的设计、安装、调试和维修方便。 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等部件 ,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。 PLC 的用户程序大都可以在实验室模拟调试 ,调试好后再将 PLC 控制系统安装到生产现场 ,进行联机统调。 在维修方面 ,PLC 的故障率很低 ,且有完善的诊断和实现功能 ,一旦 PLC 外部的输入装置和执行机构发生故障 ,就可根据 PLC上发光二极管或编程器上提供的信息 ,迅速查明原因。 若是 PLC本身问题 ,则可更换模块 ,迅速排除故障 ,维修极为 方便。 体积小、质量小、功耗低。 由于 PLC 是将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品 ,因而结构紧凑 ,坚固 ,体积小 ,质量小 ,功耗低 ,而且具有很好的抗震性和适应环境温度、湿度变化的能力。 因此 ,PLC 很容易装入机械设备内部 ,是实现机电一体化较理想的控制设备 [12]。 PLC 的分类 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 可分为整体式和模块式两种。 前者具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装在工业设备的内部，通常适于单机工作。 一般小型和超小型 PLC 多采用这种结构，如日本三菱FX 系列的 PLC。 后者配置灵活，装载和维修方便，功能易于扩展，其缺点是结构较复杂，造价也较高。 一般大、中型 PLC 都采用这种结构，如日本三菱公司的AN 系列。 ２、按功能、点数分 按功能、输入输出点数和存储器容量不同， PLC 可分为小型、中型和大型三类。 小型 PLC 又称为低档的 PLC。 这类 PLC 的规模较小，它的输入输出点数一般从 20 点到 128 点。 中型 PLC 的 I/O 点数通常在 120 点至 512 点之间，用户程序存储器的容量为 2KB8KB。 大型 PLC 又称为高档的 PLC， I/O 点数在 512 点以上，其中 I/O 点数大于 8192 点的又称为超大型 PLC，用户程序存储器容量在 8KB 以上。 可编程控制器应用领域 在发达的工业国家 ,PLC 已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各行各业。 随着 PLC 性能价格比的不断提高 ,一些过去使用专用计算机的场合 ,也转向使用 PLC。 PLC的应用范围在不断扩大 ,可归纳为如下几个方面。 开关量的逻辑 控制 这是 PLC 最基本最广泛的应用领域。 PLC 取代继电器控制系统 ,实现逻辑控制。 例如：机床电气控制，冲床、铸造机械、运输带、包装机械的控制，注塑机的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，电镀生产线、啤酒灌装生产线、汽车配装线、电视机和收音机的生产线控制等。 运动控制 PLC 可用于对直线运动或圆周运动的控制。 早期直接用开关量 I/O 模块连接位置传感器与执行机构 ,现在一般使用专用的运动控制模块。 世界上各主要 PLC 厂家生产的 PLC 几乎都有 运动控制功能。 PLC 的运动控制功能广泛地用于各种机械。 例如 :金属切削机床、金属成型机械、配装机械、机器人和电梯等。 闭环过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 PLC 通过模拟量 I/O 模块实现模拟量与数字量之间的 A/D,D/A 转换 ,并对模拟量进行闭环 PID 控制 ,可用 PID 子程序来实现 ,也可使用专用的 PID 模块。 PLC 的模拟量控制功能已经广泛应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，还广泛地应用于轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。 数据处理 现代的 PLC 具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 这些数据可以与存贮在存储器中的参考值比较 ,也可以用通讯功能传送到别的智能装置，或将其打印制表。 数据处理一般用在大、中型控制系统 ,如柔性制造系统、过程控制系统等。 机器人控制 机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备，已成为未来工业生产自动化的 3 大支柱之一。 现在许多机器人制造公司，选用 PLC 作为机器人控制器来控制各种机械动作。 随着 PLC 体积进一步缩小，功能进一步增强， PLC 在机器人 控制中的应用必将更加普遍。 通讯联网 PLC 的通讯包括 PLC 之间的通讯、 PLC 与上位计算机和其他智能设备之间的通讯。 PLC 和计算机具有接口，用双绞线、同轴电缆或光缆将其联成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统。 目前 PLC与 PLC 的通讯网络是各厂家专用的。 PLC 与计算机之间的通讯，一些 PLC 生产厂家采用工业标准总线 ,并向标准通讯协议靠拢 [13]。 第三章 热水器控制系统的设计方案 太阳能本身是一个不断变化、而影响其变化的因素又较多、极其复杂的非线性变量，太阳热水系统工 程是一个非线性系统，很难建立精确的数学模型，因此采用传统的控制方法难以得到较佳的控制效果。 而模糊控制是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制方法。 这种控制方法是一种智能的、非线性的控制方法，对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得较满意的控制效果，解决一些用传统控制方法无法解决的问题。 太阳能热水器控制器采用 PID控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。 通过调整 PID控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果。 系统硬件的设计方案 根据控制系统要求 ,首先确定 PLC 的 控制规模 ,估算出所需要的 I/O 点数 数字输入 /输出量、模拟输入 /输出量 ,再增加 10%～ 20%的备用量以便随时增加控制功能保证系统投入运行后能够替换个别故障点或弥补遗漏的点数。 统计出I/O 总点数后即可以确定 PLC 的控制规模 从而确定存储器 用于存储用户程序和数据 的容量。 存储器容量除了根据 PLC 的控制规模确定也可以按照如下方法计算再增加 25%～ 30 %的备用量以便随时增加用户程序。 一种方法是根据编程实际使用的节点数计算即编完程序之后根据节点数计算出实际使用容量。 另一种方法是估算法只有开关量时所 需内存总数 开关量 输入 /输出 总数 10 只有模拟量输入时 ,所需内存总数 模拟量路数 120 在模拟量输入、输出同时存在时所需内存总数 模拟量路数 250 同时 ,应考虑 PLC 提供的内部继电器和寄存器的数量 ,以便节省资源。 因为本系统是对开关量控制的应用系统 ,并对控制速度要求不高 ,选用核心部件为公司的 FX_2nMRES/UL 系列 3点编程控制器 ,该编程控制器具有自诊断功能 ,采用循环扫描工作方式 ,这完全能满足要求。 FX_2nMRES/U 属微型编程控制器、输入输出控制方式为循环扫描方式、编程语言为梯形图语言、点的 编程控制器具有点输入 ,1 点输出FX_2n32MRES/UL 可编程控制器作为该系统的核心，它含有 16 个输入点（漏型）和 16 个输出点（继电器型），足够设计所用 [15]。 ① FX_2n32MRES/UL 简介 FX_2n32MRES/UL 属于 FX2N 系列 PLCFX2N 系列 PLC 是 FX 系列中高级的模块。 它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点， FX是从 16 到 25FX_2n32MRES/UL 的特点 FX_2n32MRES/UL 属于 FX2N 系列 PLCFX2N 系列 PLC 是 FX 系列中最 高级的模块。 它拥有无以匹及的速度、高级的功能、逻辑选件以及定位控制等特点， FX是从 16 PLC 硬件控制框图 上位机采用 PC 机，下位机选用日本三菱公司的 FX2n 系列的 32 点。