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本科论文
论可编程控制器的
应用与发展
单位
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专业
可编程控制器的应用与发展
----------以MODICON984为例
可变程控制器(ProgrammaableController),简称PC,因早期主要应
用于开关量的逻辑控制,因此也称为PLC(ProgrammableLogicController),
即可变程逻辑控制器。
现代的可变程控制器是以微处理器为基础的,高度集成化的新型工业控制装置,是计算机技术与工业控制技术相结合的产物。
一:
可编程控制器的产生及定义
在可编程控制器诞生前,继电器控制系统广泛应用于顺序型的生产过程控制中,在一个复杂的控制系统中,可能要使用成百上千的继电器,如果控制工艺及要求发生变化,则控制柜内的继电器和接线也要做相应的变化,有时这种变化是非常大的,其改造的费用高、工期长、容易出错,甚至不得不做新的继电器控制柜。
60年代末期,美国的汽车制造工业发展迅速、竞争激烈,汽车更新换代快,相应的汽车生产线亦得改变,整个生产线的继电器控制系统就必须重新设计、重新安装。
为了尽可能地减少重新设计继电器控制系统和接线+所需的费用和时间,1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标研制新的工业控制器,并提出了不得10条指标,即:
◆编程方便,可在现场修改程序;
◆维护方便,最好是插件式;
◆可靠性高于继电器控制柜;
◆体积小于继电器控制柜;
◆可将数据直接送入管理计算机;
◆在成本上可与继电器控制柜竞争;
◆输入为交流115V;
◆输出为交流产115V/2A以上,能直接驱动电磁阀、接触器等;
◆在扩展时原有系统改变最少;
◆用户程序存储器至少可扩展到4MB。
1969年美国数字设备公司(DEC)根据这边10条指标,研制出世界上第一台可编程控制器,并在GM公司汽车生产线上应用,获得成功。
从此,可编程控制器技术就迅速发展起来。
1971年,日本从美国引进了这项新技术,很快研制成了日本第一台可编程控制器DSC-8。
1973年,西欧国家也研制出他们的第二步一台可编程控制器。
我国从表面上看1974年开始研制,1977年开始工业应用。
1976年美国电气制造商协会(NEMA)经过4年的调查工作,于己于于1980年正式命名可编程控制器为PC(ProgrammaableController),并给PC作了如下定义:
PC是一个数字式的电子装置,它使用了可编程序的记忆体来存储指令,用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数与演算等功能,并通过数字或类似的输入/输出模件,来控制各种机械或工作程序。
一部数字电子计算机若是用来执行PC的功能,亦被视同为PC,但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。
国际电工委员会(IEC)曾于己于人1982年报11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿,1985年1月又发表了第2稿,1987年2月颁布了第3稿,该草案中对可编程控制器的定义是:
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统,是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
定义强调了可编程控制器是进行数字运算的电子系统,能直接应用与工业环境下的计算机;是以微处理器为基础,结合计算机技术、自动控制技术和通信技术,用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程;是一种简单易懂,操作方便,可靠性高的新一代通用工业控制装置。
二、可编程控制器的分类及特点
(一)可编程控制器的分类
可编程控制器发展很快,全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。
从组成结构形式上可以将这些PLC分为两类:
一类是一体化整体式PLC,另一类是模块式结构化的PLC。
OMRON公司的C20P,C40P,C60P;三菱公司的F1系列;东芝公司的EX20/40系列等都属前者。
其特点是电源、CPU中央处理系统、I/O接口都集成在一个机壳内。
OMRON公司的C200H,C1000H,C2000H;西门子公司的S5-115U,S7-300,S7-400系列;施耐德公司的984-685,984-785,QUANTUM系列等属于后者。
它们的电源模块、CPU模块、开关量I/O模块、模拟量I/O模块等在结构上是相互独立的,可根据具体的应用要求,选择合适的模块,安装在固定的机架或导轨上,构成一个完整的PLC应用系统。
按I/O点数及内存容量可将PLC分为以下几类:
⑴超小型PLC:
I/O点数小于64点,内存容量在256BYTE~1KB。
⑵小型PLC:
I/O点数在65~128点,内存容量在1~⒊6KB。
小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的,主要用于中等容量的开关量控制,具有逻辑运算、定时、计数、顺序、通讯等功能。
⑶中型PLC:
I/O点数范围在129~512点,内存容量在⒊6~13KB。
中型PLC除具有小型及超小型PLC的功能外,还增加了数据处理能力,适用于小规模的综合控制系统。
⑷大型PLC:
I/O点数范围在513~896点,内存容量在13KB以上。
⑸超大型PLC:
I/O点数在896点以上,内存容量在13KB以上
大型和超大型PLC除具有中、小型PLC的功能外,增强了编程终端的处理能力和通讯能力,适用与多级自动控制和大型分散控制系统。
(二)可编程控制器的特点
PLC之所以高速发展,除了工业自动化的客观需要外,还有许多独特的优点。
它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
其主要特点如下:
1、可靠性高、抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的,可靠性高、抗干扰能力强是他的最重要的特点之一。
PLC的平均故障间隔时间可达成协议几十万小时。
一般由程序控制器的数字电子设备产生的故障常有两种:
一种是软故障,由于外界恶劣环境,如电磁干扰、超高温、超低温、过电压等引起的未损坏系统硬件的暂时性故障,另一种是由多种因素而导致元器件损坏所引起的故障,称为硬故障。
PLC的循环扫描工作方式能在很大程度上减少软故障的发生。
一些高档PLC采用双CPU模块并行工作(如OMRONC2000H),即使有一个CPU模块出现故障,系统也能正常工作,同时可修复或更换故障CPU模块。
西门子S5-115HPLC不仅CPU模块是冗余的,系统中用的所有模块也都可以是冗余的,这样就极大地增加了应用系统的整体可靠性。
除此之外,PLC采用了如下一系列的硬件和软件的抗干扰措施。
硬件方面:
隔离是抗干扰的主要手段之一。
在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,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进入CPU模块。
滤波是抗干扰的又一主要措施。
对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波,可消除或抑制高频干扰。
用良好的导电、导磁材料屏蔽CPU等主要部件可减弱空间电磁干扰。
此外,对有些模块还设置了连锁保护、自诊断电路等。
软件方面:
①设置故障检测与诊断程序。
PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间,检测系统硬件是否正常,锂电池电压是否过低,外部环境是否正常,如掉电、欠电压等;②当软故障条件出现时,立即把现状态重要信息存入指定存储器,软硬件配合封闭存储器,禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作,以防存储信息被冲掉。
这样,一旦外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的程序工作。
由于采用了以上抗干扰措施,PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高,可以承受幅值为本1000V、上升时间为本1ns、脉冲宽度为1μs的干扰脉冲。
2、编程简单、使用方便
这是PLC的又一重要特点。
考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微机的实际水平,目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式,这是一种面向生产、面向用户的编程方式,与常用的微机语言相比更容易被操作人员所接受并掌握。
通过阅读PLC的使用手册或短期培训,电气技术人员可以很快熟悉梯形图语言,并用来编制一般的用户程序。
配套的简易编程器的操作很使用也很简单,这也是PLC近年来获得迅速普及和推广的原因之一。
一些PLC还针对具体问题,设计了诸如步进梯形指令、功能图及功能指令等,进一步简化了编程。
3、设计、安装容易、维护工作量少
由于PLC已实现了产品的系列化、标准化和通用化,用PLC组成控制系统,在设计、安装、调试和维修等方面,表现出了明显的优越性,设计部门能在规格繁多、品种齐全的系列PLC产品中,选出高性能价格比的产品。
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、计数器等器件,控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。
PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试,用模拟实验开关代替输入信号,其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示得知。
模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场,
4、功能完善、通用性强
现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能,而且还具有A/D、D/A转换,数值运算和数据处理等功能。
因此,它既可对开关量进行控制,也可对模拟量进行控制;既可以控制单台设备,也可以控制一条生产线或全部生产工艺过程。
PLC还具有通讯联网功能,可与相同或不同类型的PLC联网,并可与上位机通讯构成分布式的控制系统。
由于PLC产品的系列化和模块化,PLC配备有品种齐全的多种硬件装置供用户选用,可以组成能满足各种控制要求的控制系统。
5体积小,耗能低
6性能价格比高
总之,PLC系统的基本特点是:
可靠,方便,通用,价廉
三可编程控制器的应用
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,环保以及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用范围不断扩大,大致可归纳为以下几类:
(1)开关量的逻辑控制
这是PLC最基本,最广泛的应用领域,它取代传统继电器系统,实现逻辑控制。
炼铁一高炉分别在上料系统,热风系统和喷煤系统应用了由MODICON公司生产二台984-685E,一台984-785E。
在炉顶上料和一号站装料的整个工艺流程中只用了一台984-785E,就实现了整个系统的自动化控制,效果非常好。
上料984共有9个站,前5个站及新加的9号站放在住控室,主要对炉顶翻板,上密,下密,截流,放散及事故放散等阀进行控制。
9号站主要对а、в、γ角进行控制。
第6、7、8站放在一号站值班室内,主要控制21个料罐的振动筛、下闸口及N1皮带和驱动站,下面简单介绍以下984-785E的应用:
①每台主机可配32个远程站,每站最多5个机架,最多32个模块,每个机架最多11模块,每块模块最多16个点。
②本地站最多办2048点(开关量入1048点,开关量出1048点)
最多64点AI,64点AO。
③远程站:
共65535个开关量,只能用前16K(8192DI,8192DO)
每站最多1024点(512入,512出)
模拟量〈2048点
④本地站与远程站通讯:
S908-J890,中间通过同轴电缆和分支器,每个远程主机架必须加P810和J890。
每个远程站通过J890设定地址。
⑤配有专门的监控软件:
MODSOFT,可在离线情况下编程。
(2)位置控制
一炉上料探尺电机,都是通过PLC984和OMRONC60P去控制模拟硅而得到控制。
而а、в、γ角电机则通过984-785E去控制数字归而得到控制
(3)过程控制
高炉炼铁的三大调节顶压、混风、富氧都是对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控制。
(4)数据处理
(5)通讯联网。
(6)在计算机集成制造系统(CIMS)中的应用
四可编程控制器的发展
我国PLC的发展前景,今后几年我国市场需求将迅速增加,应用领域将迅速扩大,国内自行研制开发的小型PLC将有可能逐渐占领市场,而中大型高档PLC仍将以进口和合资产品为主。
现代PLC的发展趋势:
主要有两个,其一是向体积更小,速度更快,功能更强,价格更低的微小型PLC方面发展;其二是向大型网络化,高可靠性,好的兼容性,多功能方面发展。
(1)大型网络化
(2)多功能
(3)高可靠性
(4)好的兼容性
(5)小型化,低成本,简单易用
(6)编程语言向高层次发展
现代可编程控制器在工业生产中起着越来越重要的作用,应用越来越广泛,所以我们一定要重视它,学好它。
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