热工联锁保护系统配置优化方案五章文档格式.docx

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第二节热工保护控制设备

1、可编程控制器（PCL）

1、1PLC系统概述

可编程控制器（Programmable?

Logical?

Controller）简称为PLC，是60年代末发明的工业控制器件。

国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：

一种数字运算操作的电子系统、专为在工业环境下应用而设计。

它参用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，时序、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

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形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

?

PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微机计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可编程控制器由于抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、、控制灵活、操作维护简单和性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。

可编控制器PLC进入国内工业控制领域己近十年了，早期的PLC由于受硬件的构成及软件环境的局限，其应用范围受到二定的限制。

近几年来，随着微电子技术及计算机技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最新进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能上指标上得以大大的丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大的扩展了其应用范围。

在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。

PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。

从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作，也就是对整个程序进行一遍又一遍的扫描，直到停机为止。

之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU的扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的办法就可以解决其中的矛盾。

循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

目前，由于PLC把专用的数据高速公路改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢，使得PLC有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC系统具备了DCS的形态，这样，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。

1、2PLC主要特点

1、2、1抗干扰能力强，可靠性高

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。

实验表明一般的PLC产品可抗1000V、1μS的窄脉冲干扰，其平均无故障时间（MTBF）一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

1、2、2模块化组合灵活

可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合，使系统构成十分灵活。

I/O从8～8192点，有不同档次的多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。

1、2、3功能强，范围广

PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能;

基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等;

复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、多处理器和高速数据处理能力。

1、2、4编程简单易学

PLC编程方法采用面向控制过程容易理解的编程语言，例如梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC），简单直观、易学易记，不需要太多的计算机编程知识。

新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。

1、2、5安装、维修简单

与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。

使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。

然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。

　　一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率（RF高频）电磁干扰、防火等。

1、2、6运行速度快

随着微处理器的不断发展和增强，PLC的运行速度不断提高，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。

1、2、7性能价格比高

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。

另外，采用PLC有相当一部分工作可通过编程设备在实验中进行，可以节省了大量的时间、人力和资金，较大缩短设计、编程和投产周期，随着电子技术的不断发展，PLC的功能在不断增强，使总价格不断的进一步降低。

1、3PLC的构成

　　虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备（I/O）、电源模块、底板或机架，和其他可选部件组成。

其他的可选部件包括编程器，外存储器，模拟I/O盘，通信接口，扩展接口等。

1、3、1CPU的构成

　　　CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的存储器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

它用于输入各种指令，完成预定的任务，起到了大脑的作用，自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用；

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

　　在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。

CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。

但工作节奏由震荡信号控制。

运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。

寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

　　CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

1、3、2存储器

存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元，存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM。

PLC常用的存储器类型：

1）RAM（RandomAssessMemory）这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度最快，为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，由锂电池支持。

2）EPROM（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种可擦除的只读存储器。

在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。

3）EEPROM（ElectricalErasableProgrammableReadOnlyMemory）这是一种电可擦除的只读存储器。

使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中。

1、3、3I/O模块

　　PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO），脉冲量输入（PI）等模块。

　　开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

　　开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

　　模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等，位数和精度可以根据用户要求选择。

　　除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

　　按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

1、3、4电源模块

　　PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。

电源输入类型有：

交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。

1、3、5底板或机架

　　大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：

电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

1、3、6　PLC系统的其它设备

　　1）、编程设备：

编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。

小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

　　2）、人机界面：

最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

　　3）、输入输出设备：

用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

1、3、7PLC的通信联网

　　依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

　　通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

如西门子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。

　　在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。

通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

1、4可编程控制器基本原理

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。

它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。

PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。

特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。

1、4、1扫描技术

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

扫描周期的长短取决于系统的配置、I/O通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

如图5-1所示。

图5-1扫描周期过程

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。

输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。

在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。

因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。

在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；

或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；

或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；

相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。

这时，才是PLC的真正输出。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图5-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

输入刷新--运行用户程序--输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。

有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；

经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；

再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。

又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。

图5-2所示的过程是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。

除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。

公共处理工作有：

循环时间监控、外设服务及通讯处理等。

外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.

网络服务是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。

图5-2PLC工作过程

1、4、2PLC的I/O响应时间

用PLC设计一个控制系统时，必须知道有了一个输入信号后，PLC经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确和精确地解决系统各部件之间的配合问题。

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC收到的一个输入信号变化开始，到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间。

其最小的I/O响应时间如图5-3所示与最大的I/O响应时间如图5-4所示。

图5-3最小I/O响应时间

图5-4最大I/O响应时间

　以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。

在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。

1、5PLC的应用

早期的PLC仅是替代传统的继电器逻辑控制系统，主要用于顺序控制上。

所谓顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作，PLC的应用大大促进了流水线技术的发展。

　　现在通过的PLC编制程序、执行简单的逻辑控制指令就能实现方便、灵活的控制。

，已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。

PLC是应用面很广的工业自动化装置，PLC具有以下基本功能:

1、5、1控制功能

1）逻辑控制：

PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能。

　　2）定时控制：

它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定。

　　3）计数控制：

用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。

　　顺序控制：

在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。

1、5、2数据采集、存储与处理功能

1、5、3数学运算功能：

基本算术、扩展算术、比较、数据处理和拟数据处理。

1、5、4输入/输出接口调理功能：

具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。

位数和精度可以根据用户要求选择。

1、5、5通信、联网功能：

通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

1、5、6人机界面功能：

提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。

允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。

1、5、7编程、调试功能：

使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。

1．6提高PLC控制系统的可靠性

1、6、1安全隔离

　　PLC系统所有数字量I/0信号通道与现场之间均采取继电器隔离措施，以排除现场恶劣工况的影响。

如果没有采取继电器隔离措施，感应电以及现场高等级电压的误接，可能会干扰正常的信号采集甚至直接烧毁I/0模块。

　　系统中分布在不同位置的I/0站分别负责不同区域设备的数据采集和控制，个别I/0站或者个别设备的故障不会影响其余站点和设备的正常控制和运行，从而将局部故障造成的不良后果降到最小。

　　控制系统的电源也采取了隔离措施。

控制系统配有一套在线UPS电源，上位机、PLC主机、各I/0站的电源集中由UPS电源供电。

当外部供电电源消失时，UPS电源的蓄电池装置能维持30min的供电，操作员此时可进行应急操作，比如可以将所有设备按照流程顺序切换到跳闸位置。

另外，UPS电源装置还具备滤波整流和稳压功能，可以减少或避免控制系统设备受到外部供电电源质量的影响。

控制系统中每套设备的电源供电均通过相应容量的空气开关实现，从而可以减少或避免系统不同设备电源之间的相互影响。

1、6、2热备冗余

　　PCL控制系应采用双机双缆热备冗余。

下位机PLC主机站内配备双CPU热备冗余系统，2台CPU中的控制程序在工作中保持同步运行，当一台CPU出现故障时，备用CPU能自动投入，保证整个PLC程控系统的正常运行，并且可以随意选择一台进行控制操作。

　　PLC主机与各I/0站的通讯网络采用双通道、双缆热备冗余配置。

　　PCL控制系统接受外部两路独立的220VAC电源，当一路电源失去时，另一路电源能通过无扰切换装置瞬间自动投入，不会影响控制系统的运行。

即使外部两路电源同时消失，UPS电源的蓄电池装置也能维持30min供电，起到短时备用的作用。

1、6、3正确选择接地点

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。

完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

对PLC控制系统而言，它属高速低电平控