2509 电磁离合器性能测试台控制部分设计
2509 电磁离合器性能测试台控制部分设计,电磁离合器,性能,机能,测试,控制,节制,部分,部份,设计
xxxxxx毕业设计说明书题 目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 学 院: xxxxxx 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: xxxxxx 姓 名: xxxxxx 指导教师: xxxxxx 完成日期: 2012 年 5 月 28 日 xxxxxx 毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 学号: xxxxxx 姓名: xxxxxx 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 系主任: 一、主要内容及基本要求1.内容简介: 基于 PLC 的电磁离合器性能测试台控制部分设计 2.基本要求: (1)翻译一篇不少于 3000 字的外文文献(2)画出有 CPU 接线图 (3)各程序图要求清晰明了 (4)毕业设计论文,要求不少于 1.5 万字 2、重点研究的问题主要研究的问题包括以下几个方面: 1.从实际出发了解电磁离合器转矩测量系统的工作流程。 2.参考工作流程,确定控制方案及要用到的元器件。 3.了解各元器件的功能和工作原理,完成相应的硬件设计以及元器件的接线。 4.编写控制程序并对其进行模拟仿真分析结果。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅相关文献资料 二月初到二月底 2 通过阅读文献资料完成开题报告 三月上旬至三月中旬3 完成毕业设计说明书和外文文献翻译 三月下旬至四月中旬4 完成设计图的绘制和相关的仿真分析 四月下旬至五月上旬5 写出初稿 五月上旬6 修改,写出第二稿 五月中旬7 写出正式稿,定稿 五月下旬8 答辩 五月底四、应收集的资料及主要参考文献王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术M.北京航空航天大学出版社, 2008 方大千.变频器、软起动器及 PLC 实用技术问答M.人民邮电出版社,2007. 刘瑞华.S7 系列 PLC 与变频器综合应用技术M.中国电力出版社,2009. 郑凤翼.图解西门子 S7-200 系列 PLC 入门M.电子工业出版社,2009. 任国熊、任致程.特种变频器实用手册M.中国电力出版社,2006. 吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册M.高等教育出版社,2006. 熊诗波、黄长艺.机械工程测试技术基础M.机械工业出版社,2006. 殷洪义、吴建华.PLC原理与实践M.清华大学出版社,2008. 陈忠平、周少华西门子S7-200系列PLC自学手册M.人民邮电出版社,2008. 郑凤翼、金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例M.电子工业出版社,2009. 湖南湘仪动力测试仪器有限公司.JC系列转矩转速传感器使用说明书. 西门子(中国)有限公司.MICROMASTER440 通用型变频器使用大全. 李华栋.基于数字信号控制器的磁电式相位差转矩转速测量系统的研究J.重庆大学 硕士学位论文,2006. 罗稳刚.电梯PLC控制设计J.成都电子机械高等专科学校,2007. xxxxxx毕业论文(设计)评阅表学号 xxxxxx 姓名 吴 滔 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价评阅人: 年 月 日 xxxxxx毕业论文(设计)鉴定意见学号: xxxxxx 姓名: 吴 滔 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 70 页 图 表 1 张论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 内容提要: 随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、柴油机、化工机械、石油工业、冶金等多方面获得了广泛的应用。转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。因此,转矩、转速测量系统的研制和生产情况,也就表征了一个国家的基础工业和科学研究的现代化水平。本文介绍了可编程控制器的特点及工作原理,详细阐述了变频器、转矩转速传感器以及一些电器元件的特点。同时描述了西门子 S7-200 系列 PLC 在本系统中的应用,确定了以西门子 S7-200PLC 为核心的控制系统,完成了对电磁离合器转矩测量系统的集中控制。 指导教师评语指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长: 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会主任: 年 月 日目 录第 1 章绪 论 .11.1 电磁离合器概述 .11.2 课题背景及意义 .11.3 国内外基本研究情况 .11.3.1 转矩测量的国内外发展 现状 .11.3.2 PLC 控制系统的国内外发 展现状 .21.4 课题的主要研究内容 .2第 2 章 PLC 可编程 序控 制器 .32.1 PLC 的起源 和发展 .32.2 PLC 控制系统与其他工业控制系 统的比较 .52.2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 .52.2.2 PLC 控制系统与计算机系统的比较 .52.2.3 PLC 控制系统与集散型控制系统的 比较 .72.3 PLC 控制系统的组成 .72.3.1 硬件的组成 .72.3.2 软件的组 成 .102.4 PLC 控制系统的发展 趋势 .13第三章 元器件选 型 .153.1 PLC 选型 .153.1.1 输入输出(I/O)点数的估算 .153.1.2 存储器容量的估算 .153.1.3 控制功能 的选择 .16 3.1.4 机型的选择 .173.1.5 CPU226 及 EM235 介 绍 .193.2 I/O 地址分配与扩展 I/O 的地址分配 .193.2.1 本机最大 I/O 配置 .193.2.2 I/O 点数扩展 和编址 .203.2.3 本设计 I/O 地址 分配表 .213.3 变频器选型 .213.3.1 变频器介绍 .213.3.2 变频器的 调速 .223.3.3 变频器选型原则 .223.3.4 MM440 变频器介 绍 .253.3.5 MM440 特点 .253.3.6 MM440 控制端子介 绍 .273.4 传感器选 型 .293.4.1 传感器简介 .293.4.2 转矩转速传感器工作原 理 .303.4.3 转矩转速传感器选型依 据 .313.5 扭矩 仪 .33第四章 控制系统程序 设计 .344.1 程序设计说明 .344.2 转矩调零程序设计 .344.3 测量系统控制程序设 计 .364.3.1 测量系统工作流程 .364.3.2 模拟量控制编程方法 .364.3.3 转矩传感器电机控 制 .374.3.4 测量过程控制 程序 .384.4 故障报警 电路设计 .39第五章设计 总结 .435.1 本设计研究结 论 .435.2 设计存在的问题和展望 .43致谢 .44参考文献 .45附录 程序语 句 .46附录 CPU226 接 线图 .49 附录 外文文献翻译 .50附录 外文文献原 文 .58摘要随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、柴油机、化工机械、石油工业、冶金等多方面获得了广泛的应用。转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。因此,转矩、转速测量系统的研制和生产情况,也就表征了一个国家的基础工业和科学研究的现代化水平。本文介绍了可编程控制器的特点及工作原理,详细阐述了变频器、转矩转速传感器以及一些电器元件的特点。同时描述了西门子S7-200系列PLC在本系统中的应用,确定了以西门子S7-200PLC为核心的控制系统,完成了对电磁离合器转矩测量系统的集中控制。关键词:转矩转速测量,PLC,电磁离合器 ABSTRACTAlong with the progress in science and technology and the development of productive forces,torque and rotational speed measurement technology is widelyapplied in motor,automobile,marine transportation,diesel engine,chemical machinery,petroleum industry,metallurgy,etcThe torque and rotational speed measurement is necessary for mechanical productsdevelopment and research,test and analysis,quality test,pattern appraisal and energy conservation,security and optimized control.Therefore,the development and production of torque and rotational speed measuremant system also represent the modem level of a countrys basic industry and the scientific researchThis paper provides an overview of featuers and working principle of the Programmable Logic Controller, elaborated the features of iverter, sensor and other electrical componets. Also describes the Siemens S7-200 series PLC in this system, established Siemens S7-200PLC as the core control system, completed the centralized control of electromagnetic clutch torque measurement system.Keywords: Torque and tational speed measurement,PLC,Electromagnetic clutch1第 1 章绪论1.1 电磁离合器概述电磁离合器主要应用于机械传动系统中,可在主动部分运转的情况下,使从动部分与主动部分结合或分离。它有着高速响应、耐久性强、组装维护容易,使用简单、动作确实等特点。电磁离合器的动作是通过电磁线圈驱动离合盘吸合与分开。电 磁 离 合 器 可 分 为 : 干 式 单 片 电 磁 离 合 器 , 干 式 多 片 电 磁 离 合 器 ,湿 式 多 片 电 磁 离 合 器 , 磁 粉 离 合 器 , 转 差 式 电 磁 离 合 器 等 。1.2 课题背景及意义转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。通过测量机械设备的转矩、转速,可以分析研究零件、机构的受力状况和某些物理现象的机理。因此,转矩、转速测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行、节省能源、提高系统效率的重要手段。转矩、转速在线监测对减少非计划检修时间,快速分析产生事故及故障的原因,提高生产效率和经济效益都有重要意义。随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、交通、柴油机、化工机械、石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。在市场经济激烈的竞争下,许多机械新产品既要向更大功率、更高速度、更高效率的方向发展,又要向更小的设计裕度方向加速发展,转矩、转速测量能为旋转机械的设计提供科学数据;转矩、转速测量应用在自适应控制系统中,可为自适应控制系统提供控制信号;转矩、转速测量是检验各类动力机械功率输出是否达到设计标准的必要手段;对于一些大型的、关键的、无储备的动力机械设备来说,由于他们的意外停车或故障将造成极大的危害,而转矩、转速测量可对这些设备的运行进行状2态监测和故障识别,做到提前预警,避免危害。此外,转矩、转速测量在作为节能指示器,多主机系统的动力平衡指示器等方面都有着广泛应用。随着转矩、转速测量的广泛应用,市场对转矩、转速测量系统也提出了越来越高的要求:由静态测试转向动态在线检测;由间接测量转向直接测量;由单功能转向多功能,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆;要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化;要求转矩、转速的检测与动力装置的控制相结合,达到转速、转矩、输出功率的优化配置。 1.3 国内外基本研究情况1.3.1 转矩测量的国内外发展现状转矩的测量,按原理可分为:传递类(扭轴类或转矩计类),平衡力类(支反力类或测功机类),能量转换类(间接测量法)等三类。据统计,现代实验工作中,大多数都采用传递类转矩测量法。转矩测量技术主要包括两方面:一是传感器,二是测量系统。现阶段应用最为广泛的传递类转矩测量手段是采用传感器测量。国外转矩、转速测量系统总体说来发展较早,技术水平也较为先进。但近几年来,国内的转矩、转速测量系统经过广大科研技术人员的不断努力,也取得了迅速的发展。1.3.2 PLC 控制系统的国内外发展现状自从第一台 PLC 出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC,并得到了迅速的发展。目前,世界上有 200 多家 PLC 厂商,400 多品种的 PLC 产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派 PLC 产品都各具特色,如日本主要发展中小型 PLC,其小型 PLC 性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位。著名的 PLC 生产厂家主要有美国的 A-B(Allen-Bradly)公司、GE(General Electric)公司,日本的三菱电机(Mitsubishi Electric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的 AEG 公司、西门子(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等。我国的 PLC 研制、生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出。在20 世纪 70 年代末和 80 年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的 PLC。此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC 的应用逐年增多,并取3得显著的经济效益,PLC 在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B 公司等。1.4 课题的主要研究内容本次设计的大体内容是运用PLC配合变频器和转矩转速传感器来控制电磁离合器转矩测量系统。要完成以上要求,本论文具体内容包括以下几个方面:从实际出发,了解电磁离合器转矩测量系统的工作流程。参考工作流程,确定控制方案及要用到的元器件。了解各元器件的功能和工作原理,完成相应的硬件设计以及元器件的接线。编写控制程序,并对其进行模拟仿真分析结果。第 2 章 PLC 可编程序控制器2.1 PLC 的起源和发展在可编程控制器诞生之前,继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域,继电器控制系统通常可以看成由输入电路,控制电路,输出电路和生产现场这 4 个部分组成的。其中输入电路也是由按钮,行程开关,限位开关,传感器等构成。用以向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器,电磁阀等执行元件构成,用以控制各种被控制对象,如电动机,电炉,阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器,电子元器件连接起来对工业现场实施控制;生产现场是指被控制的对象(如电动机等)或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用,随着生产规模的逐步扩大,市场经济竞争日趋激烈,继电器控制系统已越来越难以适应,因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制,定时,计数等这样一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须进行重新设计,布线,装配,和调试。显然,这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统,研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。出于上述考虑,美国通用汽车公司(GM)于 1968 年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想,第二年,即 1969 年美国数字设备公司(DEC)就研4制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期,可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想,但实际上只能完成顺序控制,仅有逻辑运算,定时,计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为 PCL(Programmable Logical Controller) ,即可编程序逻辑控制器。20 世纪 70 年代末 80 年代初,微处理器技术日趋成熟,使可编程序控制器的处理速度大大提高,增加了许多特殊,如浮点运算,函数运算,查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制,还可以对模拟量进行控制。因此,美国电气制造协会 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)将之正式命名为 PC(Programmable Controller) 。值得注意的是,因为个人计算机的简称也是 PC(Personal Computer) ,有时为了避免混淆,人们习惯上仍将可编程序控制器简称 PLC(尽管这是早期的名称) 。本书采用 PLC 的称呼。20 世纪80 年代后,随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展,以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展,使之在概念上,设计上,性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数,中断技术,PID控制等功能,同时联网通信功能也得到了加强,这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会(IEC)制定了 PLC 的标准,并给出了它的定义:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部储存执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作,并通过数字式,模拟式的输入与输出,控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则设计。 ”综上所述,PLC 是以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小,功能强,程序设计简单,灵活通用,维护方便等优点,特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力,得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后,现在已成为现代工业控制的三大支柱(PLC,机器人和CAD/CAM)之一,被广泛地应用于机械,冶金,化工交通,电力等领域中。以 PLC 作为控制器的 PLC 控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的,而 PLC 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的,不仅可以实现开关量控制,还可以进行模拟量控制,顺序控制。另外,它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多,一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器,计数器。随着计算机和通信技术的发展,现代 PLC 控制系统已远不是几5十年前的那个样子,PLC 的控制从早期的单机控制发展到多机控制,实现了工厂自动化。尽管现在的 PLC 控制系统已发生了很大的变化,但是从自动控制的角度来看,PLC 控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的 PLC 控制系统为例说明集中型 PLC 控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处,这对初学者理解 PLC 控制系统的工作原理是有帮助的。集中型 PLC 控制系统的结构。将两种系统相比,就会发现 PCL 控制系统与继电器控制系统输入,输出部分基本相同,输入电路也是由按钮,开关,传感器所构成:输出电路也好似由接触器,执行器,电磁阀等构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC 中的程序代替,这样一旦生产工艺发生变化,就只需要修改程序就可以了。正是上述原因,PLC 控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外,还可以实现模拟量控制,开环或闭环过程控制,甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展,PLC 的成本在降低,传统的继电器控制系统被PLC 控制系统代替已是发展的必然趋势。2.2 PLC 控制系统与其他工业控制系统的比较2.2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较比较项目 继电器控制系统 PLC 控制系统控制功能的实现 由许多继电器,采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更的适应性适应性差。需要重新设计,改变继电器和接线适应性强,只需对程序进行修改控制速度 低。靠机械动作实现 极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能 一般没有 有安装,施工 连线多,施工繁 安装容易,施工方便可靠性 差,触点多,故障多 高,因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施寿命 短 长可扩展性 困难 容易维护 工作量大,故障不易查找 有自诊能力,维护工作量小表 2-1 PLC 与继电器控制系统比较表6结论:由于 PLC 控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点,因此,在今后的控制系统中,传统的继电器控制系统被 PLC 控制系统所代替是大势所趋。2.2.2 PLC 控制系统与计算机系统的比较20 世纪 60 年代,由于小型计算机的出现,有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器控制系统,结果未获成功,取而代之的却是 PLC 的出现。通过计算机与 PLC 本身的工作目的,原理和方式上都存在着较大的差异,其结果比较见下表。比较项目 通用计算机系统 PLC 控制系统工作目的 科学计算,数据管理等 工业自动控制工作环境 对工作环境要求比较高 对环境要求低,可在恶劣的工业现场工作工作方式 中断处理方式 循环扫描方式系统软件 需配备功能较强的系统的软件 一般只需要简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施,自诊断,断电保护,可在线维修编程语言 汇编语言,高级语言 梯形图,助记符语言,SFC 标准化语言对操纵人员的要求需专门培训,并具有一定的计算机基础一般技术人员,稍加培训即可操作使用对内存的要求 容量大 容量小价格 价格高 价格较低其他 若用于控制,一般需自行设计 机种多,模块种类多,易于集成系统表 2-2 PLC 与计算机系统比较表结论:一般情况下,在工业自动化工程中采用 PLC 可靠,方便,易于维护。进入 20 世纪 70 年代,采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与 PLC7共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践,人们又发现,PLC 与一般的工业控制计算机相比,PLC 还是有着较强的优势,其原因是 PLC 专为在工业环境下的应用而设计,在 PLC 中采用了如下的硬件和软件措施: 光电耦合隔离和 R-C 滤波器,有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽,防止辐射干扰。 采用优良的开关电源,防止电源线引入的干扰。具有良好的自诊断功能可对 CPU 等内部电路进行检测,一旦出错,立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备,一旦断电或运行停止,有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化,排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型 PLC 还采用了双CPU 构成冗余系统,或三 CPU 构成表决式系统。 随着构成 PLC 的元器件性能的提高, PLC 的可靠性也在相应的提高。一般 PLC 的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些 PLC 的生产厂家甚至宣布,今后生产 PLC 不再标明可靠性这一指标,因为对 PCL 来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现 PLC 系统在使用中发生的故障大是由于PLC 的外部开关,传感器,执行机构引起的,而不是 PLC 本身发生的。 另外,PLC 程序设计简单,易学易懂易维护,更适合于工程技术人员。因此,PLC 在工业控制方面获得了极大成功,成为工业控制中的主流。但是必须指出的是:计算机在信息处理方面还是优于 PLC,所以在一些自动化控制系统中,常常将两者结合起来,PLC 做下位机进行现场控制,计算机做上位机信息处理。计算机与 PLC 之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成,构成一个功能较强的完整的控制系统。2.2.3 PLC 控制系统与集散型控制系统的比较由前所述可知,PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统 DCS(Distribution Control System)是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统,它在模拟量处理,回路调节等方面有一定的优势。而 PLC 随微电技术,计算机技术和通信技术的发展,无论在功能上,速度上,智能化模块以及联网通信上,都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络,构成了以 PLC 为重要部件的分布式控制系统。随着 PLC 网络通信功能不断增强,PLC与 PLC 及计算机的互联,可以形成大规模的控制系统,在数据高速公路上(Data Highway)挂接在线通用计算机,实现在线组态,编程和下装,进行在8线监控整个生产过程,这样就已具备了集散控制系统的形态,加上 PLC 的价格和可靠性优势,使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。2.3 PLC 控制系统的组成PLC 控制系统像一般的计算机控制系统一样,也是由硬件和软件两个部分组成的,硬件是指 PLC 本身及其外围设备,软件是指管理 PLC 的系统软件,PLC的应用程序,编程语言和程序支持工具软件。图 2-1 典型 PLC 控制系统的硬件组成图2.3.1 硬件的组成PLC 控制系统的硬件是由是由输入/输出(I/O)电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定,可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。 (1)主控模块除了早期生产的整体式 PLC(PLC 的各个部件都在同一机壳内)外,目前市场多数的 PLC 都已采用模块化的结构(PLC 的各个部件独立封装,称之为模块) 。在 PLC 中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块(也称 CPU) ,它包括:CPU,存储器,通信接口等部分。CPU:CPU 是 PLC 的控制中枢,它由控制器和运算器组成。其中,控制器是用来统一指挥和控制 PLC 工作的部件。运算器则是进行逻辑,算术等运算部件。PLC 在 CPU 的控制下使整个机器有条不紊的协调工作,以实现对现场各个设备的控制。CPU 的具体作用如下:执行接受,存储用户程序的操作指令。9用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息,并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理,产生相应的内部控制信号,完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备(如编程器,打印机)的请求。PLC 中所采用的 CPU 随机型的不同而不同,通常有 3 种:通用微处理器(如 8086,80286,80386 等) ,单片机芯片,位片式处理器。一般来说,小型PLC 大采用 8 位微处理器或单片机作为 CPU,如 Intel8086,Inter96 系列单片机,具有集成度高,运算速度快,可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H 型 PLC 采用的是 Motorola 公司生产的 MC68B09 的 CPU 芯片。这是一种增强型 8 位微处理器。对大型 PLC,大多采用高速位片式微处理器,它具有灵活性强,速度快,效率高的优点。目前,一些厂家生产的 PLC 中,还采用了冗余技术,即采用双 CPU 或三CPU 工作,进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使 PLC 的平均无故障工作时间达几十万小时以上。存储器:PLC 系统中的存储器主要用于存放系统程序,用户程序和工作状态数据。系统程序存储区:采用 PROM 或 EPROM 芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的,永久存储的程序和指令,称为监控程序。监控程序和 PLC 的硬件组成与专用部件的特性有关,用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。存储器区:工作数据是 PLC 运行过程中经常变化的,需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存,因此采用随机存储器 RAM。数据存储区包括输入,输出数据映象区,定时器/计数器预置和当前数值的数据。用户程序存储区:用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存储器,用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表 PLC 的标称容量。通常,小型机小于 8KB,中型机小于 50KB,而大型机可以在 50KB 以上。通信接口:主控模块通常有一个或一个以上的通信接口(简称通信口) ,用以与计算机,编程器相连,实现编程,调试,运行,监视等功能。 (2)输入/输出模块 PLC 的控制对象是工业生产过程,它与工业生产过程的联系是通过 I/O 模块实现的。生产过程有许多控制变量,如温度,压力,液位,速度,电压,开关量,继电器状态等,因此,需要有相应的 I/O 模块作为 CPU 与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前,生产厂家已开发出各种10型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有:数字量输入 /输出模块,开关量输入/输出模块,模拟量输入/输出模块,交流信号输入/输出模块,220V 交流输入/输出模块。还有智能模块,它本身带 CPU,存储器和监控系统,可独立完成各种运算。智能模块的种类很多,如高速计数模块,PID 调节的模拟量控制模块,阀门控制模块,智能存储模块和智能 I/O 模块。(3)电源模块该模块将交流电源转换成供 CPU 存储器所需的直流电源,是整个 PLC 系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到 PLC 的功能和可靠性。目前,大多数PLC 采用高质量的开关式稳压电源,与普通电源相比,PLC 的电源工作稳定性好,抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外,还向外提供24VDC 的稳压电源,用于外部传感器的需要,这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。I/O 电路PLC 的基本功能就是控制,它采集被控对象的各种信号。经过 PLC 处理后,通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象(需要进行控制的机器,设备和生产过程)进行检测,采集,转换和输入。另外,安装在控制台上的按钮,开关等也可以向 PLC 送控制指令。输出电路的功能就是接受 PLC 输出的控制信号,对被控对象执行控制任务。PLC 外围设备PLC 的外围设备很多,但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器,可编程终端,打印机,条码读入机等等。编程器 PLC 的重要外围设备之一,它可以将用户编写的程序送到 PLC 的用户程序存储器。因此,它的主要任务是输入程序,调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有 I/O 功能的 PLC 人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入 PLC 中同样可编程终端也可以将 PLC 的输入数据和信息显示在屏幕上。112.3.2 软件的组成PLC 控制系统的软件主要是系统软件,应用软件,编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。(1)PLC 系统软件与工作过程PLC 系统软件是 PLC 工作所必须的软件。在系统软件的支持下,PLC 对用户程序进行逐条的解释,并加以执行,直到用户程序结束,然后返回到程序的始又开始新的一轮扫描。PLC 的这种工作方式就称之为循环扫描。12图 2-2 PLC 内部工作示意图值得注意的是在继电器控制系统中,一个继电器的线圈被接通或断开,继电器的所用触点(常开触点和常闭触点)都会立即动作。但在 PLC 中,由于采用的是循环扫描的工作方式,所用只有扫描到”线圈”的触点时,才会动作,没有扫描到时,触点就不会动。并且 PLC 扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关,一般为 1ms 至几十毫秒。现以 OMRONP型机为例来说明 PLC 扫描的工作过程,如上图在没有扫描之前,PLC 首先应保证自身的完好性。接通电源之后,为消除各元件状态的随机性,进xxxxxx毕业设计说明书题 目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 学 院: xxxxxx 专 业: 机械设计制造及其自动化 学 号: xxxxxx 姓 名: xxxxxx 指导教师: xxxxxx 完成日期: 2012 年 5 月 28 日 xxxxxx 毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 学号: xxxxxx 姓名: xxxxxx 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 系主任: 一、主要内容及基本要求1.内容简介: 基于 PLC 的电磁离合器性能测试台控制部分设计 2.基本要求: (1)翻译一篇不少于 3000 字的外文文献(2)画出有 CPU 接线图 (3)各程序图要求清晰明了 (4)毕业设计论文,要求不少于 1.5 万字 2、重点研究的问题主要研究的问题包括以下几个方面: 1.从实际出发了解电磁离合器转矩测量系统的工作流程。 2.参考工作流程,确定控制方案及要用到的元器件。 3.了解各元器件的功能和工作原理,完成相应的硬件设计以及元器件的接线。 4.编写控制程序并对其进行模拟仿真分析结果。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅相关文献资料 二月初到二月底 2 通过阅读文献资料完成开题报告 三月上旬至三月中旬3 完成毕业设计说明书和外文文献翻译 三月下旬至四月中旬4 完成设计图的绘制和相关的仿真分析 四月下旬至五月上旬5 写出初稿 五月上旬6 修改,写出第二稿 五月中旬7 写出正式稿,定稿 五月下旬8 答辩 五月底四、应收集的资料及主要参考文献王永华.现代电气控制及 PLC 应用技术M.北京航空航天大学出版社, 2008 方大千.变频器、软起动器及 PLC 实用技术问答M.人民邮电出版社,2007. 刘瑞华.S7 系列 PLC 与变频器综合应用技术M.中国电力出版社,2009. 郑凤翼.图解西门子 S7-200 系列 PLC 入门M.电子工业出版社,2009. 任国熊、任致程.特种变频器实用手册M.中国电力出版社,2006. 吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册M.高等教育出版社,2006. 熊诗波、黄长艺.机械工程测试技术基础M.机械工业出版社,2006. 殷洪义、吴建华.PLC原理与实践M.清华大学出版社,2008. 陈忠平、周少华西门子S7-200系列PLC自学手册M.人民邮电出版社,2008. 郑凤翼、金沙.图解西门子S7-200系列PLC应用88例M.电子工业出版社,2009. 湖南湘仪动力测试仪器有限公司.JC系列转矩转速传感器使用说明书. 西门子(中国)有限公司.MICROMASTER440 通用型变频器使用大全. 李华栋.基于数字信号控制器的磁电式相位差转矩转速测量系统的研究J.重庆大学 硕士学位论文,2006. 罗稳刚.电梯PLC控制设计J.成都电子机械高等专科学校,2007. xxxxxx毕业论文(设计)评阅表学号 xxxxxx 姓名 吴 滔 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价评阅人: 年 月 日 xxxxxx毕业论文(设计)鉴定意见学号: xxxxxx 姓名: 吴 滔 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 70 页 图 表 1 张论文(设计)题目: 电磁离合器性能测试台控制部分设计 内容提要: 随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、柴油机、化工机械、石油工业、冶金等多方面获得了广泛的应用。转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。因此,转矩、转速测量系统的研制和生产情况,也就表征了一个国家的基础工业和科学研究的现代化水平。本文介绍了可编程控制器的特点及工作原理,详细阐述了变频器、转矩转速传感器以及一些电器元件的特点。同时描述了西门子 S7-200 系列 PLC 在本系统中的应用,确定了以西门子 S7-200PLC 为核心的控制系统,完成了对电磁离合器转矩测量系统的集中控制。 指导教师评语指导教师: 年 月 日答辩简要情况及评语答辩小组组长: 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会主任: 年 月 日目 录第 1 章绪 论 .11.1 电磁离合器概述 .11.2 课题背景及意义 .11.3 国内外基本研究情况 .11.3.1 转矩测量的国内外发展 现状 .11.3.2 PLC 控制系统的国内外发 展现状 .21.4 课题的主要研究内容 .2第 2 章 PLC 可编程 序控 制器 .32.1 PLC 的起源 和发展 .32.2 PLC 控制系统与其他工业控制系 统的比较 .52.2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较 .52.2.2 PLC 控制系统与计算机系统的比较 .52.2.3 PLC 控制系统与集散型控制系统的 比较 .72.3 PLC 控制系统的组成 .72.3.1 硬件的组成 .72.3.2 软件的组 成 .102.4 PLC 控制系统的发展 趋势 .13第三章 元器件选 型 .153.1 PLC 选型 .153.1.1 输入输出(I/O)点数的估算 .153.1.2 存储器容量的估算 .153.1.3 控制功能 的选择 .16 3.1.4 机型的选择 .173.1.5 CPU226 及 EM235 介 绍 .193.2 I/O 地址分配与扩展 I/O 的地址分配 .193.2.1 本机最大 I/O 配置 .193.2.2 I/O 点数扩展 和编址 .203.2.3 本设计 I/O 地址 分配表 .213.3 变频器选型 .213.3.1 变频器介绍 .213.3.2 变频器的 调速 .223.3.3 变频器选型原则 .223.3.4 MM440 变频器介 绍 .253.3.5 MM440 特点 .253.3.6 MM440 控制端子介 绍 .273.4 传感器选 型 .293.4.1 传感器简介 .293.4.2 转矩转速传感器工作原 理 .303.4.3 转矩转速传感器选型依 据 .313.5 扭矩 仪 .33第四章 控制系统程序 设计 .344.1 程序设计说明 .344.2 转矩调零程序设计 .344.3 测量系统控制程序设 计 .364.3.1 测量系统工作流程 .364.3.2 模拟量控制编程方法 .364.3.3 转矩传感器电机控 制 .374.3.4 测量过程控制 程序 .384.4 故障报警 电路设计 .39第五章设计 总结 .435.1 本设计研究结 论 .435.2 设计存在的问题和展望 .43致谢 .44参考文献 .45附录 程序语 句 .46附录 CPU226 接 线图 .49 附录 外文文献翻译 .50附录 外文文献原 文 .58摘要随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、柴油机、化工机械、石油工业、冶金等多方面获得了广泛的应用。转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。因此,转矩、转速测量系统的研制和生产情况,也就表征了一个国家的基础工业和科学研究的现代化水平。本文介绍了可编程控制器的特点及工作原理,详细阐述了变频器、转矩转速传感器以及一些电器元件的特点。同时描述了西门子S7-200系列PLC在本系统中的应用,确定了以西门子S7-200PLC为核心的控制系统,完成了对电磁离合器转矩测量系统的集中控制。关键词:转矩转速测量,PLC,电磁离合器 ABSTRACTAlong with the progress in science and technology and the development of productive forces,torque and rotational speed measurement technology is widelyapplied in motor,automobile,marine transportation,diesel engine,chemical machinery,petroleum industry,metallurgy,etcThe torque and rotational speed measurement is necessary for mechanical productsdevelopment and research,test and analysis,quality test,pattern appraisal and energy conservation,security and optimized control.Therefore,the development and production of torque and rotational speed measuremant system also represent the modem level of a countrys basic industry and the scientific researchThis paper provides an overview of featuers and working principle of the Programmable Logic Controller, elaborated the features of iverter, sensor and other electrical componets. Also describes the Siemens S7-200 series PLC in this system, established Siemens S7-200PLC as the core control system, completed the centralized control of electromagnetic clutch torque measurement system.Keywords: Torque and tational speed measurement,PLC,Electromagnetic clutch1第 1 章绪论1.1 电磁离合器概述电磁离合器主要应用于机械传动系统中,可在主动部分运转的情况下,使从动部分与主动部分结合或分离。它有着高速响应、耐久性强、组装维护容易,使用简单、动作确实等特点。电磁离合器的动作是通过电磁线圈驱动离合盘吸合与分开。电 磁 离 合 器 可 分 为 : 干 式 单 片 电 磁 离 合 器 , 干 式 多 片 电 磁 离 合 器 ,湿 式 多 片 电 磁 离 合 器 , 磁 粉 离 合 器 , 转 差 式 电 磁 离 合 器 等 。1.2 课题背景及意义转矩、转速测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全与优化控制等工作中所必不可少的内容。通过测量机械设备的转矩、转速,可以分析研究零件、机构的受力状况和某些物理现象的机理。因此,转矩、转速测量及分析是保证各种生产及辅助设备安全正常运行、节省能源、提高系统效率的重要手段。转矩、转速在线监测对减少非计划检修时间,快速分析产生事故及故障的原因,提高生产效率和经济效益都有重要意义。随着科学技术的进步和生产力的发展,转矩、转速测量技术已在电机、汽车、船舶运输、交通、柴油机、化工机械、石油、冶金等多方面获得了广泛的应用。在市场经济激烈的竞争下,许多机械新产品既要向更大功率、更高速度、更高效率的方向发展,又要向更小的设计裕度方向加速发展,转矩、转速测量能为旋转机械的设计提供科学数据;转矩、转速测量应用在自适应控制系统中,可为自适应控制系统提供控制信号;转矩、转速测量是检验各类动力机械功率输出是否达到设计标准的必要手段;对于一些大型的、关键的、无储备的动力机械设备来说,由于他们的意外停车或故障将造成极大的危害,而转矩、转速测量可对这些设备的运行进行状2态监测和故障识别,做到提前预警,避免危害。此外,转矩、转速测量在作为节能指示器,多主机系统的动力平衡指示器等方面都有着广泛应用。随着转矩、转速测量的广泛应用,市场对转矩、转速测量系统也提出了越来越高的要求:由静态测试转向动态在线检测;由间接测量转向直接测量;由单功能转向多功能,包括自补偿、自修正、自适应、自诊断、远程设定、状态组合、信息存储和记忆;要求系统微型化、数字化、智能化、虚拟化和网络化;要求转矩、转速的检测与动力装置的控制相结合,达到转速、转矩、输出功率的优化配置。 1.3 国内外基本研究情况1.3.1 转矩测量的国内外发展现状转矩的测量,按原理可分为:传递类(扭轴类或转矩计类),平衡力类(支反力类或测功机类),能量转换类(间接测量法)等三类。据统计,现代实验工作中,大多数都采用传递类转矩测量法。转矩测量技术主要包括两方面:一是传感器,二是测量系统。现阶段应用最为广泛的传递类转矩测量手段是采用传感器测量。国外转矩、转速测量系统总体说来发展较早,技术水平也较为先进。但近几年来,国内的转矩、转速测量系统经过广大科研技术人员的不断努力,也取得了迅速的发展。1.3.2 PLC 控制系统的国内外发展现状自从第一台 PLC 出现以后,日本、德国、法国等也相继开始研制 PLC,并得到了迅速的发展。目前,世界上有 200 多家 PLC 厂商,400 多品种的 PLC 产品,按地域可分成美国、欧洲、和日本等三个流派产品,各流派 PLC 产品都各具特色,如日本主要发展中小型 PLC,其小型 PLC 性能先进,结构紧凑,价格便宜,在世界市场上占用重要地位。著名的 PLC 生产厂家主要有美国的 A-B(Allen-Bradly)公司、GE(General Electric)公司,日本的三菱电机(Mitsubishi Electric)公司、欧姆龙(OMRON)公司,德国的 AEG 公司、西门子(Siemens)公司,法国的TE(Telemecanique)公司等。我国的 PLC 研制、生产和应用也发展很快,尤其在应用方面更为突出。在20 世纪 70 年代末和 80 年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的 PLC。此后,在传统设备改造和新设备设计中,PLC 的应用逐年增多,并取3得显著的经济效益,PLC 在我国的应用越来越广泛,对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前,我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B 公司等。1.4 课题的主要研究内容本次设计的大体内容是运用PLC配合变频器和转矩转速传感器来控制电磁离合器转矩测量系统。要完成以上要求,本论文具体内容包括以下几个方面:从实际出发,了解电磁离合器转矩测量系统的工作流程。参考工作流程,确定控制方案及要用到的元器件。了解各元器件的功能和工作原理,完成相应的硬件设计以及元器件的接线。编写控制程序,并对其进行模拟仿真分析结果。第 2 章 PLC 可编程序控制器2.1 PLC 的起源和发展在可编程控制器诞生之前,继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域,继电器控制系统通常可以看成由输入电路,控制电路,输出电路和生产现场这 4 个部分组成的。其中输入电路也是由按钮,行程开关,限位开关,传感器等构成。用以向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器,电磁阀等执行元件构成,用以控制各种被控制对象,如电动机,电炉,阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器,电子元器件连接起来对工业现场实施控制;生产现场是指被控制的对象(如电动机等)或生产过程。继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用,随着生产规模的逐步扩大,市场经济竞争日趋激烈,继电器控制系统已越来越难以适应,因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制,定时,计数等这样一些简单的控制,一旦动作顺序或生产工艺发生变化,就必须进行重新设计,布线,装配,和调试。显然,这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统,研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。出于上述考虑,美国通用汽车公司(GM)于 1968 年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想,第二年,即 1969 年美国数字设备公司(DEC)就研4制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期,可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想,但实际上只能完成顺序控制,仅有逻辑运算,定时,计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为 PCL(Programmable Logical Controller) ,即可编程序逻辑控制器。20 世纪 70 年代末 80 年代初,微处理器技术日趋成熟,使可编程序控制器的处理速度大大提高,增加了许多特殊,如浮点运算,函数运算,查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制,还可以对模拟量进行控制。因此,美国电气制造协会 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)将之正式命名为 PC(Programmable Controller) 。值得注意的是,因为个人计算机的简称也是 PC(Personal Computer) ,有时为了避免混淆,人们习惯上仍将可编程序控制器简称 PLC(尽管这是早期的名称) 。本书采用 PLC 的称呼。20 世纪80 年代后,随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展,以 16 位和 32 位微处理器构成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展,使之在概念上,设计上,性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数,中断技术,PID控制等功能,同时联网通信功能也得到了加强,这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会(IEC)制定了 PLC 的标准,并给出了它的定义:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计,它采用可编程序的存储器,用来在其内部储存执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术运算等操作,并通过数字式,模拟式的输入与输出,控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充功能的原则设计。 ”综上所述,PLC 是以微处理器为基础,综合了计算机技术,自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小,功能强,程序设计简单,灵活通用,维护方便等优点,特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力,得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后,现在已成为现代工业控制的三大支柱(PLC,机器人和CAD/CAM)之一,被广泛地应用于机械,冶金,化工交通,电力等领域中。以 PLC 作为控制器的 PLC 控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的,而 PLC 控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的,不仅可以实现开关量控制,还可以进行模拟量控制,顺序控制。另外,它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多,一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器,计数器。随着计算机和通信技术的发展,现代 PLC 控制系统已远不是几5十年前的那个样子,PLC 的控制从早期的单机控制发展到多机控制,实现了工厂自动化。尽管现在的 PLC 控制系统已发生了很大的变化,但是从自动控制的角度来看,PLC 控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的 PLC 控制系统为例说明集中型 PLC 控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处,这对初学者理解 PLC 控制系统的工作原理是有帮助的。集中型 PLC 控制系统的结构。将两种系统相比,就会发现 PCL 控制系统与继电器控制系统输入,输出部分基本相同,输入电路也是由按钮,开关,传感器所构成:输出电路也好似由接触器,执行器,电磁阀等构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC 中的程序代替,这样一旦生产工艺发生变化,就只需要修改程序就可以了。正是上述原因,PLC 控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外,还可以实现模拟量控制,开环或闭环过程控制,甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展,PLC 的成本在降低,传统的继电器控制系统被PLC 控制系统代替已是发展的必然趋势。2.2 PLC 控制系统与其他工业控制系统的比较2.2.1 PLC 控制系统与继电器控制系统的比较比较项目 继电器控制系统 PLC 控制系统控制功能的实现 由许多继电器,采用接线的方式来完成控制功能各种控制功能是通过编制的程序来实现的对生产工艺过程变更的适应性适应性差。需要重新设计,改变继电器和接线适应性强,只需对程序进行修改控制速度 低。靠机械动作实现 极快。靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能 一般没有 有安装,施工 连线多,施工繁 安装容易,施工方便可靠性 差,触点多,故障多 高,因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施寿命 短 长可扩展性 困难 容易维护 工作量大,故障不易查找 有自诊能力,维护工作量小表 2-1 PLC 与继电器控制系统比较表6结论:由于 PLC 控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点,因此,在今后的控制系统中,传统的继电器控制系统被 PLC 控制系统所代替是大势所趋。2.2.2 PLC 控制系统与计算机系统的比较20 世纪 60 年代,由于小型计算机的出现,有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器控制系统,结果未获成功,取而代之的却是 PLC 的出现。通过计算机与 PLC 本身的工作目的,原理和方式上都存在着较大的差异,其结果比较见下表。比较项目 通用计算机系统 PLC 控制系统工作目的 科学计算,数据管理等 工业自动控制工作环境 对工作环境要求比较高 对环境要求低,可在恶劣的工业现场工作工作方式 中断处理方式 循环扫描方式系统软件 需配备功能较强的系统的软件 一般只需要简单的监控程序采用的特殊措施掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施,自诊断,断电保护,可在线维修编程语言 汇编语言,高级语言 梯形图,助记符语言,SFC 标准化语言对操纵人员的要求需专门培训,并具有一定的计算机基础一般技术人员,稍加培训即可操作使用对内存的要求 容量大 容量小价格 价格高 价格较低其他 若用于控制,一般需自行设计 机种多,模块种类多,易于集成系统表 2-2 PLC 与计算机系统比较表结论:一般情况下,在工业自动化工程中采用 PLC 可靠,方便,易于维护。进入 20 世纪 70 年代,采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与 PLC7共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践,人们又发现,PLC 与一般的工业控制计算机相比,PLC 还是有着较强的优势,其原因是 PLC 专为在工业环境下的应用而设计,在 PLC 中采用了如下的硬件和软件措施: 光电耦合隔离和 R-C 滤波器,有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽,防止辐射干扰。 采用优良的开关电源,防止电源线引入的干扰。具有良好的自诊断功能可对 CPU 等内部电路进行检测,一旦出错,立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备,一旦断电或运行停止,有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化,排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型 PLC 还采用了双CPU 构成冗余系统,或三 CPU 构成表决式系统。 随着构成 PLC 的元器件性能的提高, PLC 的可靠性也在相应的提高。一般 PLC 的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些 PLC 的生产厂家甚至宣布,今后生产 PLC 不再标明可靠性这一指标,因为对 PCL 来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现 PLC 系统在使用中发生的故障大是由于PLC 的外部开关,传感器,执行机构引起的,而不是 PLC 本身发生的。 另外,PLC 程序设计简单,易学易懂易维护,更适合于工程技术人员。因此,PLC 在工业控制方面获得了极大成功,成为工业控制中的主流。但是必须指出的是:计算机在信息处理方面还是优于 PLC,所以在一些自动化控制系统中,常常将两者结合起来,PLC 做下位机进行现场控制,计算机做上位机信息处理。计算机与 PLC 之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成,构成一个功能较强的完整的控制系统。2.2.3 PLC 控制系统与集散型控制系统的比较由前所述可知,PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统 DCS(Distribution Control System)是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统,它在模拟量处理,回路调节等方面有一定的优势。而 PLC 随微电技术,计算机技术和通信技术的发展,无论在功能上,速度上,智能化模块以及联网通信上,都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络,构成了以 PLC 为重要部件的分布式控制系统。随着 PLC 网络通信功能不断增强,PLC与 PLC 及计算机的互联,可以形成大规模的控制系统,在数据高速公路上(Data Highway)挂接在线通用计算机,实现在线组态,编程和下装,进行在8线监控整个生产过程,这样就已具备了集散控制系统的形态,加上 PLC 的价格和可靠性优势,使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。2.3 PLC 控制系统的组成PLC 控制系统像一般的计算机控制系统一样,也是由硬件和软件两个部分组成的,硬件是指 PLC 本身及其外围设备,软件是指管理 PLC 的系统软件,PLC的应用程序,编程语言和程序支持工具软件。图 2-1 典型 PLC 控制系统的硬件组成图2.3.1 硬件的组成PLC 控制系统的硬件是由是由输入/输出(I/O)电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定,可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。 (1)主控模块除了早期生产的整体式 PLC(PLC 的各个部件都在同一机壳内)外,目前市场多数的 PLC 都已采用模块化的结构(PLC 的各个部件独立封装,称之为模块) 。在 PLC 中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块(也称 CPU) ,它包括:CPU,存储器,通信接口等部分。CPU:CPU 是 PLC 的控制中枢,它由控制器和运算器组成。其中,控制器是用来统一指挥和控制 PLC 工作的部件。运算器则是进行逻辑,算术等运算部件。PLC 在 CPU 的控制下使整个机器有条不紊的协调工作,以实现对现场各个设备的控制。CPU 的具体作用如下:执行接受,存储用户程序的操作指令。9用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息,并存入相应的数据存储区。执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理,产生相应的内部控制信号,完成用户指令规定的各种操作。响应外部设备(如编程器,打印机)的请求。PLC 中所采用的 CPU 随机型的不同而不同,通常有 3 种:通用微处理器(如 8086,80286,80386 等) ,单片机芯片,位片式处理器。一般来说,小型PLC 大采用 8 位微处理器或单片机作为 CPU,如 Intel8086,Inter96 系列单片机,具有集成度高,运算速度快,可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H 型 PLC 采用的是 Motorola 公司生产的 MC68B09 的 CPU 芯片。这是一种增强型 8 位微处理器。对大型 PLC,大多采用高速位片式微处理器,它具有灵活性强,速度快,效率高的优点。目前,一些厂家生产的 PLC 中,还采用了冗余技术,即采用双 CPU 或三CPU 工作,进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使 PLC 的平均无故障工作时间达几十万小时以上。存储器:PLC 系统中的存储器主要用于存放系统程序,用户程序和工作状态数据。系统程序存储区:采用 PROM 或 EPROM 芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的,永久存储的程序和指令,称为监控程序。监控程序和 PLC 的硬件组成与专用部件的特性有关,用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。存储器区:工作数据是 PLC 运行过程中经常变化的,需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存,因此采用随机存储器 RAM。数据存储区包括输入,输出数据映象区,定时器/计数器预置和当前数值的数据。用户程序存储区:用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用 EPROM 或 EEPROM 存储器,用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表 PLC 的标称容量。通常,小型机小于 8KB,中型机小于 50KB,而大型机可以在 50KB 以上。通信接口:主控模块通常有一个或一个以上的通信接口(简称通信口) ,用以与计算机,编程器相连,实现编程,调试,运行,监视等功能。 (2)输入/输出模块 PLC 的控制对象是工业生产过程,它与工业生产过程的联系是通过 I/O 模块实现的。生产过程有许多控制变量,如温度,压力,液位,速度,电压,开关量,继电器状态等,因此,需要有相应的 I/O 模块作为 CPU 与工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前,生产厂家已开发出各种10型号的模块供用户选择。对于输入/输出模块有:数字量输入 /输出模块,开关量输入/输出模块,模拟量输入/输出模块,交流信号输入/输出模块,220V 交流输入/输出模块。还有智能模块,它本身带 CPU,存储器和监控系统,可独立完成各种运算。智能模块的种类很多,如高速计数模块,PID 调节的模拟量控制模块,阀门控制模块,智能存储模块和智能 I/O 模块。(3)电源模块该模块将交流电源转换成供 CPU 存储器所需的直流电源,是整个 PLC 系统的能源供给中心。它的好坏直接影响到 PLC 的功能和可靠性。目前,大多数PLC 采用高质量的开关式稳压电源,与普通电源相比,PLC 的电源工作稳定性好,抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外,还向外提供24VDC 的稳压电源,用于外部传感器的需要,这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。I/O 电路PLC 的基本功能就是控制,它采集被控对象的各种信号。经过 PLC 处理后,通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象(需要进行控制的机器,设备和生产过程)进行检测,采集,转换和输入。另外,安装在控制台上的按钮,开关等也可以向 PLC 送控制指令。输出电路的功能就是接受 PLC 输出的控制信号,对被控对象执行控制任务。PLC 外围设备PLC 的外围设备很多,但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器,可编程终端,打印机,条码读入机等等。编程器 PLC 的重要外围设备之一,它可以将用户编写的程序送到 PLC 的用户程序存储器。因此,它的主要任务是输入程序,调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有 I/O 功能的 PLC 人机界面产品。人可以通过触摸屏幕将信息输入 PLC 中同样可编程终端也可以将 PLC 的输入数据和信息显示在屏幕上。112.3.2 软件的组成PLC 控制系统的软件主要是系统软件,应用软件,编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。(1)PLC 系统软件与工作过程PLC 系统软件是 PLC 工作所必须的软件。在系统软件的支持下,PLC 对用户程序进行逐条的解释,并加以执行,直到用户程序结束,然后返回到程序的始又开始新的一轮扫描。PLC 的这种工作方式就称之为循环扫描。12图 2-2 PLC 内部工作示意图值得注意的是在继电器控制系统中,一个继电器的线圈被接通或断开,继电器的所用触点(常开触点和常闭触点)都会立即动作。但在 PLC 中,由于采用的是循环扫描的工作方式,所用只有扫描到”线圈”的触点时,才会动作,没有扫描到时,触点就不会动。并且 PLC 扫描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关,一般为 1ms 至几十毫秒。现以 OMRONP型机为例来说明 PLC 扫描的工作过程,如上图在没有扫描之前,PLC 首先应保证自身的完好性。接通电源之后,为消除各元件状态的随机性,进
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