1、實(shí)用可編程序控制器的典型電氣控制 王青龍 摘 要 可編程控制器在現(xiàn)代 工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著及其重要的作用：它和CAD.機(jī)器人技術(shù)一起，已成為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱。可編程控制器是20世紀(jì)60年代末，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的工業(yè)通用控制器。它通過傳統(tǒng)的繼電器控制手段，滿足現(xiàn)代企業(yè)尋求高生產(chǎn).低成本和強(qiáng)靈活性的迫切需求?？删幊炭刂破鹘柚诠こ碳夹g(shù)人員非常熟悉的繼電器梯形圖設(shè)計(jì)方法，以滿足不同設(shè)備多變的控制要求，從而使所設(shè)計(jì)飛控制系統(tǒng)具有通用化.標(biāo)準(zhǔn)化和柔性化以及高可靠性等特點(diǎn)，可縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).安裝和調(diào)試以及升級更新周期，降低生產(chǎn)成本。自20世紀(jì)60年代末美國首先研制成功可編程控制器后，其應(yīng)用范圍

2、迅速拓廣?？删幊炭刂破饔捎谄湓诳刂品矫娴囊饬x日趨明顯，并在發(fā)電、化工、等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用。它具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡單等許多優(yōu)點(diǎn)，并且在很多地方已逐步取代了繼電器電路的邏輯控制。與此同時(shí),智能化中央空調(diào)也正被廣泛地應(yīng)用,在將其倆雙雙結(jié)合的情況下,不僅促進(jìn)了的,也提高了人民生活水平。 關(guān)鍵詞 PLC 控制系統(tǒng) 智能化 編程 控制器1.1 引言 隨著我國的不斷發(fā)展，高度信息化，新的高科技技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)方面中，使得智能化已成為一種發(fā)展的必然趨勢。智能化也往往是從設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)開始。本文主要針對我們本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)智能化小型中央空調(diào)闡述PLC控制設(shè)計(jì)與智能化中央空調(diào)(

3、冷凍站)系統(tǒng)的關(guān)系。 1.2 系統(tǒng)及工藝簡介 現(xiàn)介紹如下：我們本次的設(shè)計(jì)中有兩套中央空調(diào)系統(tǒng)，由三臺(tái)冷卻水泵、三臺(tái)冷凍水泵、一臺(tái)冷卻塔風(fēng)機(jī)、兩臺(tái)冷水機(jī)組等主要設(shè)備組成兩套制冷系統(tǒng)（因系統(tǒng)小，冷卻塔功率大，實(shí)驗(yàn)室要求等，本系統(tǒng)較一般兩套制冷系統(tǒng)不同的是兩臺(tái)冷水機(jī)組卻只選擇一個(gè)冷卻塔，經(jīng)核定，這并不其效果）其中冷水機(jī)組是由設(shè)備生產(chǎn)廠成套供應(yīng)的。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室要求，我們選擇了2*5匹全封閉式壓縮機(jī)冷水機(jī)組。它一般是根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理及等由微處理器自動(dòng)控制。冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷機(jī)進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻

4、塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)吸收熱量，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量。 如此循環(huán)不已，把室內(nèi)的熱量帶出，達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的。因此，中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)的工藝控制要求為： （1）測量冷凍水供回水溫度及流量，從而計(jì)算空調(diào)實(shí)際的冷負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷來決定冷水機(jī)組的開啟臺(tái)數(shù)，達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。 （2）各設(shè)備的程序聯(lián)動(dòng)：啟動(dòng)：冷卻塔風(fēng)機(jī)冷卻水泵冷凍水泵冷水機(jī)組。停止：冷水機(jī)組冷凍水泵冷卻水泵冷卻塔風(fēng)機(jī)。當(dāng)其中一臺(tái)冷卻水泵/冷凍水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用冷卻水泵/冷凍水泵會(huì)自動(dòng)投入工作。 （3）測量冷凍水系統(tǒng)供回水管的壓差P=P1P2控制其旁通閥(TV)的開口度，使

5、其維持壓差。 （4）因我們本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室的目的是為給同學(xué)們更形象生動(dòng)的理解中央空調(diào)系統(tǒng)，所以設(shè)計(jì)過程中，我們還會(huì)考慮到在合適并重要的位置處裝上便于觀察制冷劑或水流情況的窺視鏡。 1.3 PLC原理及應(yīng)用 中央空調(diào)冷凍系統(tǒng)的控制有3種控制方式：早期的繼電器控制系統(tǒng)、直接數(shù)字式控制器DDC以及PLC(可編程序控制器)控制系統(tǒng)。繼電器控制系統(tǒng)由于故障率高，系統(tǒng)復(fù)雜，功耗高等明顯的缺點(diǎn)已逐漸被人們所淘汰，直接數(shù)字式控制器DDC雖然在智能化方面有了很大的發(fā)展。但由于DDC其本身的抗干擾能力和分級分步式結(jié)構(gòu)的局限性而限制了其應(yīng)用范圍。相反，PLC控制系統(tǒng)以其運(yùn)行可靠、使用與維護(hù)均很方便，抗干擾能力強(qiáng)，適

6、合新型高速結(jié)構(gòu)這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使其逐步得到廣泛的應(yīng)用。 可編程控制器是計(jì)算機(jī)家族中的一員。于上個(gè)世紀(jì)中后葉被發(fā)明后，在機(jī)床、各種流水線的輸送機(jī)械、發(fā)電、化工、電子等行業(yè)工藝設(shè)備的電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用，早期的可編程控制器被稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）, 即簡稱為PLC。 PLC具有功能強(qiáng)大、使用可靠、維修簡便等許多優(yōu)點(diǎn)。對于傳統(tǒng)的繼電器電路來說，它難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能的和數(shù)字式控制，而且要實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的邏輯控制功能不僅設(shè)計(jì)繁瑣，難以實(shí)現(xiàn)升級，并易發(fā)故障，維修復(fù)雜，現(xiàn)在已被大中型設(shè)備的控制系統(tǒng)所拋棄。而PLC正被廣泛的應(yīng)用并且已逐步取代了

7、繼電器電路的邏輯控制。隨著技術(shù)不斷的飛躍發(fā)展，PLC也不斷得到完善和強(qiáng)大，同時(shí)它的功能也大大超過了邏輯控制的范圍，如聯(lián)網(wǎng)通信功能和自診斷功能等。因此今天這種裝置被我們稱作可編程控制器，不過我們還是習(xí)慣簡稱這種裝置為PLC。 2 PLC的體系結(jié)構(gòu)2.1 PLC結(jié)構(gòu)圖 PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)是基本一致的。如圖所示： 圖2.1.1 PLC硬件的基本結(jié)構(gòu) PLC主要是模塊式的，包含CPU模塊、I/O模塊等，PLC一端接傳感器，另一端接執(zhí)行器，從傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)PLC讀、運(yùn)算等處理下達(dá)給執(zhí)行器，執(zhí)行器動(dòng)作。PLC相當(dāng)于 繼電器的作用，其好處是可靠性高，自動(dòng)化程度高

8、、可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化等。 2.2 PLC的選型及設(shè)置 為了滿足以上所介紹的空調(diào)工藝要求，整個(gè)控制系統(tǒng)需要可編程序控制器的輸入、輸出點(diǎn)分別是112點(diǎn)和32點(diǎn)，其中模擬量輸入、輸出為6點(diǎn)和4點(diǎn)。根據(jù)PLC的I/O原理使用原則，即留出一定的I/O點(diǎn)以做擴(kuò)展時(shí)使用，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)際所需的I/O點(diǎn)數(shù)。選用華光電子工業(yè)有限公司的SU5/B型。主機(jī)：SU5/B；輸入模塊：U25N、U01AD；輸出模塊：U05T、U01DA。這種機(jī)型的I/O點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)，有RS422通訊端口，其編程指令有143條，并配有相應(yīng)的編程軟件S62P，不僅可以通過手持編程器對其編程。而且可以通過PC機(jī)對其進(jìn)行編程輸入。該軟件還能在PL

9、C運(yùn)行時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀況。 2.3 軟件設(shè)計(jì) 制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止是用于制冷系統(tǒng)的手動(dòng)啟動(dòng)/停止控制。也可以通過溫度設(shè)定，依據(jù)冷負(fù)荷的需要自動(dòng)開啟制冷系統(tǒng)。每臺(tái)設(shè)備均設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)、備用三種運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)用于聯(lián)鎖集中控制；手動(dòng)用于調(diào)試或檢修；備用狀態(tài)用于熱備用。三臺(tái)水泵二工一備。其中備用泵循環(huán)輪換，提高設(shè)備的保養(yǎng)率。各臺(tái)設(shè)備按工藝要求順序自動(dòng)啟動(dòng)/停止時(shí)，采用每臺(tái)設(shè)備啟動(dòng)后經(jīng)15s左右延時(shí)，再啟動(dòng)下一臺(tái)設(shè)備。一是考慮水泵穩(wěn)定運(yùn)行有個(gè)過程，二是避免數(shù)臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，沖擊變壓器，影響供電質(zhì)量。 為提高中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及可維護(hù)性，需采用控制產(chǎn)品對中央空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。早期的中央

10、空調(diào)控制器多為就地式專用控制器和DDC控制器，它們具有控制功能簡單、不易聯(lián)網(wǎng)及信息集成度不高等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的中央空調(diào)系統(tǒng)都傾向于采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的可編程控制器(PLC)來進(jìn)行控制。 3 PLC控制系統(tǒng)主要功能與特點(diǎn) 3.1 PLC控制系統(tǒng)功能說明 如空氣處理機(jī)PLC控制原理簡圖所示： 1. 當(dāng)啟動(dòng)空氣處理機(jī)時(shí)，PLC發(fā)出控制指令。首先開戶回風(fēng)門和新風(fēng)門到設(shè)定位置，然后啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)，同時(shí)通過控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2. 露點(diǎn)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后,用PID方式調(diào)節(jié)冷水電動(dòng)閥,控制冷水流量, 使送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。 3. 送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢是由回

11、風(fēng)溫度與系統(tǒng)設(shè)定值相比較后，用PID方式控制變頻器，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)回風(fēng)溫度的目的。 4當(dāng)過濾網(wǎng)前后壓差超出設(shè)定值時(shí)，PLC發(fā)出過濾堵塞報(bào)警信號。 5當(dāng)空氣處理機(jī)停止運(yùn)行后，新風(fēng)門、回風(fēng)門和冷水電動(dòng)閥回復(fù)到全關(guān)位置，并關(guān)停冷水環(huán)泵。 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成對工藝參數(shù)的檢測、各機(jī)組的協(xié)調(diào)控制以及數(shù)據(jù)的處理、等任務(wù)，下位PLC主要完成數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場設(shè)備的控制及連鎖等功能。除此以外，PLC系統(tǒng)還有如下功能： 數(shù)據(jù)顯示功能 顯示機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，包括冷水出口溫度、冷水入口溫度、冷卻水出口溫度、冷卻水入口溫度、蒸汽壓力、蒸汽閥門開度，以及溶液泵、冷劑泵等所有屏蔽泵的運(yùn)行狀態(tài)和各種故障報(bào)警的詳細(xì)

12、信息。 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及檢索功能 對重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間最長為10年?？梢酝ㄟ^歷史報(bào)表或者歷史趨勢曲線的方式檢索歷史數(shù)據(jù)。 控制功能 根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，并考慮經(jīng)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，PLC應(yīng)用反饋數(shù)據(jù) (如室內(nèi)溫度等)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以保證運(yùn)行參數(shù)滿足系統(tǒng)要求。控制系統(tǒng)有三種運(yùn)行方式：就地手動(dòng)、軟手動(dòng)和自動(dòng)。就地手動(dòng)就是通過就地手動(dòng)操作設(shè)備對機(jī)組進(jìn)行控制，軟手動(dòng)是通過PLC對機(jī)組進(jìn)行手動(dòng)控制，自動(dòng)則是根據(jù)編好的控制程序自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備的啟、停及調(diào)節(jié)量。采用程序控制方式，杜絕冷劑污染，有效便捷地實(shí)現(xiàn)冷水、冷卻水的變頻控制。通過有效合理地開、?？刂?，達(dá)到啟動(dòng)速度快、停機(jī)時(shí)間短的目的，即能節(jié)省能耗

13、，還能避免結(jié)晶，從而提高中央空調(diào)系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 連鎖與保護(hù)功能 各機(jī)組相關(guān)設(shè)備的啟、停具有一定的連鎖關(guān)系和時(shí)間順序，該功能由PLC的連鎖程序完成。同時(shí)，為保證機(jī)組的可靠運(yùn)行，對相關(guān)參數(shù)采取了一定的保護(hù)措施，如冷水、冷卻水與機(jī)組的連鎖控制、冷卻水系統(tǒng)與冷卻塔的連鎖控制等。 3.2 系統(tǒng)特點(diǎn) 靈活性 本控制系統(tǒng)選用可利用公司的小型一體化PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)空調(diào)主機(jī)控制系統(tǒng)中的單片機(jī)，較大程度地提高了系統(tǒng)配置及控制的靈活性，能更好地滿足不同用戶的不同需求。同時(shí)，明顯縮短了程序開發(fā)周期。 高可靠性 PLC控制核心能夠在惡劣的環(huán)境中長期可靠、無故障運(yùn)行，并且易接線、易維護(hù)、隔離性好、抗腐蝕能力強(qiáng)，能適

14、應(yīng)較寬的溫度變化范圍，平均無故障時(shí)間間隔(MTBF)大于15年。 強(qiáng)大的功能用PLC改造門的電氣控制系統(tǒng) 用PLC改造老式繼電器接觸式大門的電路接線，是現(xiàn)代普遍采用的技術(shù)。該門的控制電動(dòng)機(jī)過去是正反轉(zhuǎn)工作，使用的久留接觸器，現(xiàn)在改造電路是全部采用PLC控制。 1.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。能在惡劣的環(huán)境中可靠的工作，控制設(shè)備具有很強(qiáng)的抗干擾能力（如電磁干擾，電源電壓波動(dòng)，機(jī)械震動(dòng)，溫度變化等）。PLC的平均無故障間隔時(shí)間（MTBF）高，如日本三菱公司的F1，F(xiàn)2系列PLC平均無故障間隔時(shí)間長達(dá)30萬小時(shí)。與繼電器相比，采用PLC控制后，大量的開關(guān)動(dòng)作有無觸點(diǎn)的電子線路來完成，用軟件程序代替了繼電

15、器的復(fù)雜連線，既方便靈活，可靠性也大大提高了。 2.控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，通用性強(qiáng)。PLC是一種存儲(chǔ)程序控制器，其輸入和輸出設(shè)備與繼電接觸器控制系統(tǒng)類似，但他們可連接在PLC的I/O端。例如，對開關(guān)量的輸入，可將無源觸點(diǎn)開關(guān)接到PLC的輸入端，而PLC的輸出具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器等執(zhí)行元件。由于PLC是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當(dāng)控制要求改變要改變控制系統(tǒng)時(shí)，不必改變PLC的硬件設(shè)備，只要改變編程軟件的程序，當(dāng)同一臺(tái)PLC用于不同的控制對象時(shí)，也只是輸入與輸出的不同，應(yīng)用軟件不同，因此說PLC有很好的通用性。 3.編程簡單，使用，維護(hù)方便。目前大多的PLC均采用與實(shí)

16、際電路接線圖非常相近的梯形圖編程（LadderProgramming）,這種編程語言形象直觀，易于掌握。而且PLC具有故障檢測，自診斷等功能，能及時(shí)檢查出報(bào)警顯示，使操作人員能迅速的檢查，判斷，排除故障，具有較強(qiáng)的在線編程能力，維修十分方便。 4.模塊化，體積小，功耗低，性價(jià)比 PLC采用了半導(dǎo)體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時(shí)功耗也很低，空載功耗大約1.2W。由于PLC的結(jié)構(gòu)緊密，抗干擾能力強(qiáng)，很方便的將其裝在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部。 PLC的編程語言遵從易學(xué)、易懂、易用的標(biāo)準(zhǔn)。除了具備傳統(tǒng)PLC助記符和梯形圖編程功能外，還具有結(jié)構(gòu)化語言和順序功能圖編程功能。PLC提供各種功能模塊，包括各種通訊功

17、能選擇、通訊參數(shù)設(shè)置，以及可以具體到某年、某月、某日、某個(gè)時(shí)刻的多種定時(shí)器和超長定時(shí)器等，方便了各種功能的實(shí)現(xiàn)，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)省程序容量。 優(yōu)良的開放性 上位軟件Focsoft3.1支持DDE、OPC、ODBC、SQL，并提供豐富的API編程接口，方便接入其它系統(tǒng)。 4 控制4.1 對于冷凍水系統(tǒng)，其出水溫度取決于蒸發(fā)器的設(shè)定值，而回水溫度取決于蒸發(fā)器接收的熱量，中央空調(diào)冷凍水出水溫度與冷凍水的回水溫度設(shè)計(jì)最大溫差為：5（比如：出水7，回水12），現(xiàn)采用在蒸發(fā)器出水管和回水管上裝有檢測其溫度的變送器、PID溫差調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水溫差（如：T=5）控制，即可使冷凍

18、水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。4.2 對于冷凍水系統(tǒng)，由于低溫冷凍水的溫度取決于冷卻塔的工作情況，我們只需控制高溫冷凍水（ 冷凝器出水）的溫度，即可控制溫差?，F(xiàn)采用溫差變送器、 PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，冷凝器出水的溫度控制在 T2 （ 如： 37），使冷卻水泵的轉(zhuǎn)速相應(yīng)于熱負(fù)載的變化而變化。 4.3 在管道中取壓力信號采樣和溫差變送器，通過PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化，通過PLC控制變頻器，以此控制3臺(tái)水泵電機(jī)的運(yùn)行，系統(tǒng)啟動(dòng)開始工作，當(dāng)?shù)?臺(tái)電機(jī)運(yùn)行至工頻狀態(tài)時(shí)，如管網(wǎng)壓力不夠，變頻器控制第2臺(tái)電機(jī)開始工作，若工作到工頻狀態(tài)時(shí)管網(wǎng)管壓仍不夠時(shí)，變頻器自動(dòng)切換至第3泵使其變頻運(yùn)行

19、，第1、2臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行，直至管網(wǎng)所需管壓。當(dāng)外部需求降低，管網(wǎng)管壓提高時(shí)，第3臺(tái)運(yùn)行停止，變頻器自動(dòng)切換至第2泵，使其工作在變頻狀態(tài)下若還達(dá)不到要求，再切換至第1電機(jī)，如此周而復(fù)始，始終讓系統(tǒng)工作在最優(yōu)、最佳、最省的工作狀態(tài)。 5 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在逐步籌劃和建設(shè)的過程中，許多設(shè)計(jì)還處于探討之中，眾多功能還未付諸實(shí)施。 現(xiàn)在本文就系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)情況作簡單介紹：本文的系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)分為兩步，設(shè)備電氣控制系統(tǒng)調(diào)試和中心系統(tǒng)調(diào)試。我們就已完成的設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試及使用情況作一下說明：針對實(shí)驗(yàn)室的要求：要求電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，感溫精確度高，維護(hù)方便壽命長，并能聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理。除此之外在實(shí)際使用中系統(tǒng)的故障報(bào)警部分設(shè)計(jì)還不夠完善，許多功能還未開發(fā)。本文經(jīng)過對設(shè)備狀況和同學(xué)們對中央空調(diào)認(rèn)識(shí)的調(diào)研，本文認(rèn)為可采用三菱公司的A系列PLC作為設(shè)備的控制系統(tǒng)核心。它不僅具備普通PLC可編程控制器的各種優(yōu)點(diǎn)，而且能夠利用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊（B2/B5）組建MELSECNET網(wǎng)絡(luò)，最終達(dá)到建成先進(jìn)的分布式控制系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管理。PLC硬件電路的設(shè)計(jì) 1.PLC的I/O地址分配如表1所示。 L、N