基于plc的恒压供水系统设计

基于plc的恒压供水系统设计内容摘要：

纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 9 PLC 的基本结构和工作原理 PLC 的基本结构 (1).PLC 的硬件组成 可编程控制器主要由 微处理器 (CPU)、存储器 (RAM、 ROM)、输入输出 接口(I/O)、电源和编程器等几个部分组成。 PLC 硬件结构如图 22所示。 图 22 PLC 硬件结构 ①、微处理器（ CPU） CPU 是 PLC 的运算控制中心， PLC 在 CPU的控制下，协调系统内部各部分的工作， 执行监控程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。 ②、存储器 可编程控制器配有两种存储器：系统存储器 (ROM)和用户存储器 (RAM)。 系统存储器：存放系统管理程序。 用户存储器：存放用户编制的应用程序和工作数据。 ③、输入输出接口 输入输出接口是 PLC 和现场输入与输出设备连接的部分。 A)输入接口 输入接口电路用来接收和采集现场输入信号，输入回路中公共点 COM 通过输入元件连接到对应的输入点上，再通过输入继电器将输入元件的状态转换成 CPU 能够识别和处理的信号，并存储 到输入映像寄存器中。 PLC 输入回路接线如图 23 所示。 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 10 图 23 PLC 输入回路接线 B)输出接口 输出接口电路就是 PLC 的负载驱动回路，通过输出接口，将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载就由 PLC 输出接口的 ON/OFF 进行控制，输出接口为 ON 时，负载得到驱动。 PLC 输出回路接线如图 24所示。 图 24 PLC 输出回路接线 (2).PLC 的软件组成 PLC 的软件由 系统监控程序和用户软件程序 组成。 1)系统监控程序是每一台 PLC 必须包括的部分，是由 PLC 的制造者编制的，用于控制 PLC 本身的运行。 系统监控程序分成管理程序、用户指令解释程序、标准程序或系统调用子程序。 2)用户程序是 PLC 的使用者编制的针对控制问题的程序。 它是用梯形图或某种 PLC 指令助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 11 其助记符形式 PLC 型号的不同而略有不同。 用户程序是线性地存储在系统监控程序指令的存储空间内的，它的最大容量也是由监控程序限制的。 PLC 的工作原理 (1)PLC 控制逻辑的实现 PLC 是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计 算机工作原理之上的，是通过执行反应控制要求的用户程序来实现控制的。 由于计算机在每一瞬间只能做一件事，其 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，所以程序的执行时按顺序依次完成相应的动作，这便形成时间上的串行，即串行工作方式。 (2)PLC 的工作方式 采用循环扫描方式。 在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 注意：由于 PLC 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。 PLC 循环 扫描过程如图 25 所示。 图 25 PLC 循环扫描过程 (3)PLC 的工作过程 内部处理 通信操作 输入处理 程序执行 输出处理 停止 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 12 PLC 的工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。 1）内部处理阶段 在此阶段， PLC 检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。 2）通信服务阶段 在此阶段， PLC 与一 些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当 PLC 处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 3）输入处理 输入处理也叫输入采样。 在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。 在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。 4）程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。 但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。 若用户程序涉及到输入输出状态时， PLC从输入映象寄存器中读出上一阶 段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。 根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。 5）输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 4A/D 及 4D/A 扩展模块 模拟量输入模块 FX2N4AD FX2N－ 4AD 的功能 FX2N－ 4AD 是 FX 系列 PLC 的模拟量输入模块，有四个输入通道，每个通道都可进 行 A/D 转换。 即将模拟量信号转换成数字信号送给 PLC,以实现对过程参数的控制。 FX2N－ 4AD 的外部接线 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 13 FX2N4AD 外部接线如图 26 所示。 图中模拟量信号采用双绞屏蔽电缆输入FX2N－ 4AD 中，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。 如果输入电压有波动，或在外部接线中有电气干扰，可以接一个 ～ 的平滑电容。 FX2N4AD 的 4 个输入通道（ CH1～ CH4）通过输入端子接线，可以选择为电压输入或电流输入。 如果是电流输入，应将端子 V+和 I+连接。 FX2N4AD 接地端应与 PLC 主单位接地端连接，如果存在过多的电气干扰，还应将外壳地端 FG 和 FX2N4AD 接地端连接。 其外部接线如图 26所示。 屏蔽V+I+VIFG屏蔽V+I+VIFG24+24 电流输入20 +20mA 电压输入10 +10V输入通道4 CH4输入通道1 CH1 外接电源 DC24V177。 10 55mA接地电阻小于100 ?扩展电缆250 ?100K ?100K ?CH4AG250 ?100K ?100K ?CH4DC/DC转换器AG+15V15V模拟量输入模块FX2N4AD 图 26 FX2N4AD 外部接线 在 A/D 转换过程中，输入的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，而输出的则是时间上，幅值上均离散的数字量，因此，要把模拟量转换成数字时需经采样、保持、量化、编码四个步骤。 A/D 转换原理框图 如图 27所示。 图 27 A/D 转换原理框图 模拟量输出模块 FX2N4DA 模 拟 量 采样 保持 量化 编码 数字量 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 14 FX2N－ 4DA 的功能 FX2N－ 4DA 是 FX 系列 PLC 的模拟量输出模块，有四个输入通道，每个通道都可进行 D/A 转换，即将 PLC 处理后的数字信号转换成模拟量信号输出，以实现对现场过程参数的控制。 FX2N4DA 的外部接线 FX2N－ 4DA 的外部接线 如图 28 所示。 图中模拟量输出信号采用双绞屏蔽电缆传输，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。 如果输出电压波动或在外部接线中有电气干扰，可以接一个 ～ 的平滑电容。 FX2N－ 4DA 的 4个输出通道（ CH1～ CH4） 通道输出端子接线，可以独立的选择为电压输出或电流输出。 电压输出端子为 V+和 VI；电流输出端子 I+和 VI。 FX2N－ 4DA 接地端应与 PLC 主单元接地端连接；双绞屏蔽电缆应在负载端使用单点接地。 其外部接线如图 28所示。 24 +24 V+VI V+VI I+I+变频器等记录仪等+1 5VAG1 5V模拟量输出模块FX 2N 4DAPL CDC 24 V, 20 0m A外接电源DC /D C转换器CH 1电压 输出CH 2电流 输出 图 28 FX2N－ 4DA 的外部接线 在 D/A转换过程中， 输入的是幅值上均离散的数字量，输出 的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，因此，要把 数字 量转换成 模拟量 时需经 控制对象、检测对象、 A/D 转换、数字系统、 D/A 转换、执行机构六个步骤。 D/A 转换原理框图如图 29 所示。 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 15 控制指令 中间直流环节 AC 控制指令 控制指令 网侧变流器 整流器 逆变器 AC M 运行指令 图 29 D/A 转换原理框图 变频器 变频器的工作原理及其组成结构 从频率变换的形式来说， 变频器分为交 交和交 直 交两种形式。 交 交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。 而交 直 交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。 然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。 市售通用变频器多是交直 交变频器，其基本结构图 如图 210所示 . 图 210 变频器基本结构 由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下： （ 1）整流器 电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相 (也可以是单相 )交流整流成直流。 （ 2）直流中间电路 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。 由于逆变器的负载多为异控制对象 检测 对象 A/D转换 数字 系统 D/A转换 执行机构 南通纺织职业技术学院毕业设计 基于 PLC的 恒压供水系统 设计 16 步电动机，属于感性负载。 无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为 1。 因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的 交换。 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件 (电容器或电抗器 )来缓冲。 所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。 （ 3）逆变器 负载侧的变流器为逆变器。 逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。 逆变电路的输出就是变频器的输出。 （ 4）控制电路 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。 其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。 控制电路是变频器的核心部分 ，其 性 能的优劣决定了变频器的性能。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成．直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。 为了电动机制动的需要，中间。