第三章 花式喷泉系统硬件设计

第三章花式喷泉系统硬件设计3.1可编程控制器（PLC）的选择PLC产品的种类繁多，PLC的型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。3.1.1PLC概述可编程控制器，英文称ProgammableController,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。l987年国际电工技术委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）颁布的PLC标准草案对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。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制，因而具有以下基本的功能：逻辑处理功能；数据运算功能；准确定时功能；高速计数功能；中断处理（可以实现各种内部中断）功能；程序与数据存储功能；联网通信功能；自检测、自诊断功能。可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到。3.1.2PLC的机型选择在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。如下图所示为PLC控制系统示意图。图3-1PLC控制系统示意图（1）输入输出（I/O）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%~20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。（2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来代替。（3）控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理可编程控制器输出模块编程装置输入磨块CPU模块控制器电磁阀指示灯电源按钮选择开关限位开关电源速度等特性的选择。根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。1.控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。2.编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式降低系统成本，但使用和调试不方便。在离线编程方式：CU和编程器有各自的CPU，主机CPU负载现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。五种标准化编程语言：顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。3.诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题，目前，生产PLC的厂家很多，如西门子，三菱，松下，欧姆龙，LG，ABB公司等，不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能，价格及使用的编程指令和编程软件都不想同，而同一厂家生产的PLC产品又不同系列，同一系类中又有不同的CPU型号，PLC的功能应强大，要具有开关量逻辑运算，定时，计数，数据处理等基本功能，鉴于本设计对控制速度要求不是很高，主要是开关量控制的应用系统。选用小型PLC就可满足要求。PLC的结构主要有整体性和模块式，本设计属于单片机控制系统宜选用整体式PLC结构。小型PLC一般使用简单编程器，它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，通过编程器上的方式开关选择PLC的编程，监控和运行工作状态，这种方法就是“离线编程”。简单编程器结构简单，体积小，携带方便，很适合在生产现场调试，修改程序用。现在很多PLC都有相应的编程软件，与个人计算机或笔记本电脑相配合，就可以实现“在线编程”。综合以上西门子S7-200系类的CPU224型PLC可满足设计要求。运用西门子STEP7-Micro/WIN32编程软件编写，调试程序并下载到PLC中，让PLC完成响应的控制任务。还可以在PLC运行的模式下调试程序，非常的方便。如下表3-1为PLC选型模块名称及工作环境条件表3-1PLC选型模块名称及工作环境条件模块名称及工作环境条件型号和说明电源AC200V，允许变化范围为-15%~+15%，频率为47~53HZ，瞬间停电保持10ms。开关量输入模块输入点为12点输入，工作电压为24V直流输入开关量输出模块10点晶体管输出，工作电压24V的EM222开关量I/O输出模块CPUCPU224型，水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95%，8K字节/典型值为2.6K条指令的程序存储，2.5K字的数据存储，一个RS485通信接口湿度工作温度0~55℃，最高为60℃存储温度存储温度：-40℃~+85℃湿度相对湿度为5%~95%（无凝结霜）振动和冲击满足国际电工委员会标准3.1.3PLCI/O模块及内存容量的选择I/O模块：本设计中的现场执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量I/O。根据要求选择合适的I/O点数。①开关量输入模块种类很多，按输入点：常用的有8点，12点，16点，32点；按工作电压分：常用的有直流5V，12V，24V，48V几种。开关量输入模块工作电压等级主要根据现场检测原件与模块之间的距离来选择，该设计控制距离要求不是很远，可选择24V即可，为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平是指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也越远。②开关量输出模块的输出方式的选择继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，使用于动作不频繁的直流负载。晶体管输出方式属于无触点开关输出，使用寿命长，开关频率高适用于通断频繁的场合基于以上因素，I/O模块确定为12点输入，10点晶体管输出，工作电压24V的EM222开关量I/O模块。③根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表3-2.所示内存容量：每个I/O点及有关功能原件占用的内存量大致为：开关量输入原件：10~20B/点；开关量输出原件：5~10B/点；定时器/计数器：2B/个；通信接口：一个接口一般需要300B以上。表3-2I/O分配表输入输出符号地址功能描述符号地址功能描述SB1I0.0启动按钮HLQ0.0电源指示灯控制SB2I0.1停止按钮YV1Q0.1控制中心喷水管SB3I0.2电源开关YV2Q0.2控制内环喷水管SB4I0.3花样1选择开关YV3Q0.3控制次外环喷水管SB5I0.4花样2选择开关YV4Q0.4控制外环喷水管SB6I0.5花样3选择开关LRQ0.5红色彩灯SB7I0.6花样4选择开关LGQ0.6绿色彩灯SB8I0.7单步/连续选择开关LYQ0.7黄色彩灯LBQ1.1蓝色彩灯PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际要求的10%~25%考虑裕量。对于开关控制系统，存储字数为开关量I/O*8。3.1.4PLC工作原理PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。为使PLC的输出及时图3-2扫描过程的响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务（见图3-2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。1.读取输入在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器。2.执行用户程序PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺利排列。在RUN模式的程序执行阶段，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序。3.信号处理在处理信号请求阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传递给通信请求方。4.CPU自诊断测试自诊断测试包括定期检测CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将检测定期器复位，以及完成一些别的内容工作。5.改写输出CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的0/1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出过程映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，起常开触电闭合。使外部负载通电工作。读取输入执行用户程序处理信号请求自诊断检查改写输出读取输入自诊断检查处理信号请求改写输出RUN模式STOP模式3.2变频器的选择变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频（50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态。占全国耗电2/3的交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动，运行效率只有60%左右。为了提高效率，所以在本设计中用到变频器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交——直——交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三桥式不可控整流器，逆变比分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。（2）变频器的负载类型;如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。（3）变频器与负载的匹配问题：1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。2.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。