电热锅炉供热系统的plc控制程序设计学士学位论文.docx
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电热锅炉供热系统的plc控制程序设计学士学位论文
xxxxxxx
机电工程系
毕业设计论文
题目
电热锅炉供热系统的PLC控制程序设计
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
绪论
现在生产线控制的主流品种是以继电器、接触器为主的控制装置。
继电器、接触器是一些电磁开关。
由励磁线圈、铁心磁路、触点等部件组成。
通过继电器接触器等其它控制元件的线路连接,可以实现一定的控制逻辑,从而实现设备的各种操作控制。
人们将由导线连接决定器件间的逻辑关系的控制方式称为接线逻辑。
随着工业自动化的程度的不断提高,使用继电器电路构成工业控制系统的缺陷不断暴露出来。
首先是复杂的系统使用成百上千个各种各样的继电器,成千上万根导线连接的密如蛛网。
只要有一个电器,一根导线出现故障,系统就不能工作,这就大大降低了这种接线逻辑的可靠性。
其次是这样的系统维修机改造很不容易,特别是技术改造,当试图改造工作设备的工作过程以改善设备各功能时,人们宁愿重新生产一套控制设备都不愿将继电器控制柜中的线路重接。
而PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采用了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
同时PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减小了控制设备的外部接线,是控制系统设计及建造的周期大大缩短了。
同时维护也变得容易起来。
更重要的是同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
本文以PLC技术在锅炉多功能供热系统为例,来阐明PLC在工业控制中发挥的巨大作用
关键词:
锅炉多功能供热;PLC;
4.3I/O模块..........................................................................................................14
5.4编程语言的形式19
5.5PLC控制系统的设计基本原则20
5.6PLC程序的内容和质量评价指标………………………………….…21
5.7PLC程序的调试方法及步骤.......................................................................22
5.8PLC的造型方法............................................................................................23
5.9经济性考虑...................................................................................................27
6基于PLC的电热锅炉供热控制系统设计....................................................28
6.1电热锅炉供热控制系统设计要求...............................................................29
6.2电热锅炉供热控制系统设计方案...............................................................30
1.1PLC的基本概念
PLC即可编程控制器(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能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。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
可编程控制器作为一种数字运算操作的电子系统,它专为工业控制应用而设计制造。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。
因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
1.2PLC的诞生
1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器,型号为PDP-14,并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。
1.2.1.PLC的发展
第一代:
从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。
其特点是:
CPU由中小规模集成电路组成,存储器为磁芯存储器;
第二代:
70年代初期到70年代末期。
其特点是:
CPU采用微处理器,存储器采用EPROM;
第三代:
70年代末期到80年代中期。
其特点是:
CPU采用8位和16位微处理器,有些还采用多微处理器结构,存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等;
第四代:
80年代中期到90年代中期。
PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片,处理速度也达到1us/步;
第五代:
90年代中期至今。
PC使用16位和32位的微处理器芯片,有的已使用RISC芯片。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.3PLC的特点
1.3.1可靠性高,抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。
。
1.3.2配套齐全,功能完善,适用性强
PLC发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
1.3.3使用方便
具体地讲,PLC有五个方面的方便:
1、配置方便:
可接控制系统的需要确定要使用哪家的PLC,那种类型的,用什么模块,要多少模块,确定后,到市场上定货购买即可。
2、安装方便:
PLC硬件安装简单,组装容易。
外部接线有接线器,接线简单,而且一次接好后,更换模块时,把接线器安装到新模块上即可,都不必再接线。
3、编程方便:
PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器,但它通过程序(软件)与系统内存,这些器件却实实在在地存在着。
4、维修方便:
这是因为:
1)PLC工作可靠,出现故障的情况不多,这大大减轻了维修的工作量。
5、改用方便:
PLC用于某设备,若这个设备不再使用了,其所用的PLC还可给别的设备使用,只要改编一下程序,就可办到。
1.3.4工作可靠
(1)在硬件方面:
PLC的输入输出电路与内部CPU是电隔离。
其信息靠光耦器件或电磁器件传递。
而且,CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。
故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰,能正常地工作。
2、软件方面:
PLC的工作方式为扫描加中断,这既可保证它能有序地工作,避免继电控制系统常出现的"冒险竞争",其控制结果总是确定的;而且又能应急处理急于处理的控制,保证了PLC对应急情况的及时响应,使PLC能可靠地工作。
2PLC介绍
2.1PLC的流派
2.1.1.美国流派
据不完全统计,现在世界上生产PLC及其网络的厂家有200多家,生产大约有400多个品种的PLC产品。
其中美国是PLC生产大国,有100多家PLC厂商,著名的有A-B公司、通用电气(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(TI)公司、西屋公司等。
2.1.2.日本流派
日本有60~70家PLC厂商,也生产200多个品种的PLC产品;日本的小型PLC最具特色,在小型机领域中颇具盛名,某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制,日本的小型机就可以解决。
在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机,所以格外受用户欢迎。
日本有许多PLC制造商,如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等,在世界小型PLC市场上,日本产品约占有70%的份额。
2.1.3.欧洲流派
德国的西门子(SIEMENS)公司、AEG公司、法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。
德国的西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。
在中、大型PLC产品领域与美国的A-B公司齐名。
西门子PLC主要产品是S5、S7系列。
S7系列是在S5系列PLC基础上近年推出的新产品,其性能价格比高,其中S7-200系列属于微型PLC、S7-300系列属于于中小型PLC、S7-400系列属于于中高性能的大型PLC。
2.2PLC的结构和工作原理
2.2.1PLC的基本结构
图2-3PLC结构示意图
PLC实际上是一种工业控制计算机。
它的硬件结构与一般微机相似,主要由主机、I/O扩展机、外围设备三部分组成,如图2-3所示。
1.主机
主机由CPU(微处理器)、存储器、输入/输出单元、电源等部分组成。
CPU是PLC的核心,其作用类似于人的大脑。
它能够识别用户按特定格式输入的指令,并按照指令完成预定的控制任务。
另外,它还能识别用户所输入的指令序列的格式和语法错误,还具有系统测试与诊断功能。
PLC的存储器有两种:
系统程序存储器和用户程序存储器。
输入输出(I/O)单元是PLC与输入控制信号和被控制设备连接起来的部件,输入单元接收从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号,并将这些信号转换成CPU能接收和处理的数字信号。
输出单元接收经过CPU处理过的输出数字信号,并把它转换成被控制设备或显示装置所能接收的电压或电流信号,以驱动接触器、电磁阀和指示器件等。
根据输入信号形式的不同,可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。
电源单元的作用是把外部电源(220V的交流电源)转换成内部工作电压。
PLC还有各种外设接口电路,用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成PLC的控制网络。
PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接,可以实现编程、监控、连网等功能。
2.I/O扩展机
每种PLC都有与主机相配的扩展模块,用来扩展输入、输出点数,以便根据控制要求灵活组合系统。
PLC扩展模块内不设CPU,仅对I/O通道进行扩展,不能脱离主机独立实现系统的控制要求。
3.外部设备
外部设备包括编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、图形监控系统等。
其中编程器是PLC必不可少的重要外围设备,由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口等部件组成,主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改,并用来监视PLC的工作状态。
2.2.2PLC的工作原理
1.PLC的等效电路
PLC的工作酷似一个继电器系统,其等效电路可分为三部分:
输入部分、内部控制电路和输出部分,如图2-4所示。
图2-4PLC的等效电路
①输入部分----这部分的作用是收集被控设备的信息或操作命令。
输入端子外接行程开关、按钮等的触头,内连输入继电器线圈。
输入继电器由外部信号通过输入端子驱动,可提供无限多对常开、常闭的软触点供内部使用。
②内部控制电路----由用户根据控制要求编制的程序所组成,其作用是按用户程序的控制要求对输入信号进行运算处理,判断哪些信号需要输出,并将得到的结果输出给负载。
③输出部分----这部分的作用是驱动外部负载,所以输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子,其内连输出继电器(Q)的一对常开触点。
输出继电器除提供一对常开触点驱动负载以外,还可以提供无数对常开、常闭触点供内部使用。
2.PLC的周期工作方式
PLC是通过一种周期工作方式来完成控制的,每个周期包括输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
①输入采样阶段----PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的状态读入到输入状态寄存器中存储,这一过程称为采样。
在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变,而且将在PLC执行程序时被使用。
②程序执行阶段----PLC按顺序对程序进行扫描,即从上到下、从左到右地扫描每条指令,并分别从输入状态寄存器和输出状态寄存器中获得所需的数据进行运算、处理,再将程序执行的结果写入输出状态寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。
③输出刷新阶段----在所有用户程序执行完毕后,PLC将输出映像寄存器中的内容送入输出锁存器中,通过一定的方式输出,驱动外部负载。
PLC重复执行输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段,每重复一次的时间称为一个扫描周期。
PLC的一个扫描周期一般为40~100ms之间。
2.2.3PLC的分类
1.按结构形式分:
整体式:
将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内。
模块式:
将PLC各部分分成若干个单独的模块。
2.按I/O点数分:
小型PLC:
I/O点数在256点以下,其中小于64为超小型或微型PLC。
中型PLC:
I/O点数在256~2048点之间。
大型PLC:
I/O点数在2048点以上,其中超过8192点为超大型PLC。
3.按功能分:
低档机:
具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能。
中档机:
比低档机多了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送比较等功能。
高档机:
比中档机多了矩阵运算等特殊功能函数运算、通信联网等功能。
3PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、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个行业,使用情况大致可归纳为如下几类。
3.1.开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
3.2模拟量控制
在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。
3.3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说,早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
3.4过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛应用。
3.5数据处理
现代PLC具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
4PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机,其硬件结构基本上与微型计算机相同。
从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
4.1中央处理单元(CPU)
4.1.1CPU的构成
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。
内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。
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。
4.1.2CPU的工作机制
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是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据;检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态,并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时,首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据,并分别存入I/O映象区,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,从用户程序存储器中逐条读取用户程序,经过命令解释后按指令的规定执行逻辑产生相应的控制信号或将算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后,最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置,去指挥有关的控制电路。
如此循环运行,直到停止运行。
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。
4.2存储器
具有记忆功能的半导体电路。
分为系统程序存储器和用户存储器。
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。
系统程序存储器用以存放系统程序,包括管理程序,监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的,内容不可更改,断电不消失。
用户存储器:
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器(RAM)组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源,寿命一般为3~5年。
4.3I/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。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。
4.3.1输入接口
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
4.3.2发光二级管
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号,发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
4.3.3光电三级管
在光信号的照射下导通,导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内,输出信号与输入信号有线性关系。
4.3.4输出接口
PLC的继电器三种类型:
继电器输出:
有触点、寿命短、频率低、交直流负载
晶体管输出:
无触点、寿命长、直流负载
晶闸管输出:
无触点、寿命长、交流负载
4.3.5输出接口电路工作过程:
当内部电路输出数字信号1,有电流流过,继电器线圈有电流,然后常开触点闭合,提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0,则没有电流流过,继电器线圈没有电流,然后常开触点断开,断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
4.3.6输入接口电路工作过程:
当开关合上,二极管发光,然后三极管在光的照射下导通,向内部电路输入信号。
当开关断开,二极管不发光,三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
4.3.7常用的I/O分类:
开关量输入/出(DI/O):
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。
模拟量输入/出(AI/O):
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。
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。
4.4电源
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。
在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的,因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内,可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
电源输入类型有:
交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VDC)。
4.5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。
4.6PLC系统的其它设备
4.6.1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。
编程器分为两种,一种是手持编程器,方便。
我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口。
与计算机相连。
然后敲击键盘。
通过GX-DEVELOPER软件向PLC内部输入程序。
4.6.2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。
4.6.3PLC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。
因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信现在主要采用通过485的数据通讯、cclink或工业以太网进行联网。
5PLC的基本工作原理
5.1扫描技术
PLC采用“顺序扫描,不断循环”的工作方式
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。
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。
5.1.1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
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