基于plc的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究—-毕业设计论文.pdf

独创性声明本人声明，所呈交的学位论文，是在指导教师指导下，通过我的努力取得的成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已经作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果，也不包含在江西农业大学或其它教育机构获得学位或证书而使用过的材料。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如被查有一严重侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。学位论文作者亲笔期：论文使用授权的说明本人完全了解江西农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密，在年后解密可适用本授权书。口不保密，本学位论文属于不保密。口(请在方框内打“寸)学位论文作者亲笔签名：胁进护1 拈指导教师亲笔签二：里逝日摘要基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究摘要电渣重熔是2 0 世纪末的一门前沿技术，它可以将金属的凝固、合成、精炼成型等过程集中在一道工序之中，可以得到材质纯净，成分均匀，综合性能优良的铸件。而P L C 是一种集自动控制技术、计算机技术与通信技术为一体的数字运算操作电子系统。本文阐述了大型电渣重熔锭的原理、对自动控制的要求以及实现自动控制的方法。在文章中我们设计了用于电渣重熔设备的自动控制系统，该系统使用P L C，结合工控机进行控制，并通过传感器对熔铸的状态进行采样和监控，实现熔铸过程的自动，平稳的进行，同时还可以对熔铸的质量和过程进行有效的监控。文章的创新部分主要包括以下几个方面：首先，为了获得质量稳定的铸锭，需要保持电渣重熔系统中能量输入的稳定，因此我们利用P I D 算法实现了输入功率的稳定控制；其次，为了使短结晶器能够熔铸出大型铸锭，需要使铸锭以一定的抽出速度运动，以保持结晶器内金属液位的稳定，因此本文设计了一个实现金属液位稳定的P I D控制；最后，为了提高锭材的使用率，避免浪费，还使用了自动补缩技术进行完善，以达到对整个系统的良好控制。关键词：电渣重熔；P L c；自动化控制；金属液面检测A B S T R A C TD E S I G NO FA U T o M A T I CC O N T R o LS Y S T E Mo FL A R G EE L E C T R o S L A GC A S T I N GB A S Eo NP L CA B S T R A C TE S Ri saf r o n t i e rs u b j e c ti I ll a t e2 0 mc e n _ t u：阱i tc 觚t a I【es o l i d i f i c a t i o no fm e t a l s 觚ds)，I l t l l e s i sa I l dr e f i I l i n gf o m l i n gt o g e t h e ri nap r o c e s s A n dn l ep a r t sw eg e ta r ep u r em a t e r i a la I l du I l i f o 肌c o m p o s i t i o na 1 1 de x c e l l e n to V e r a l lp e r f 0 n】1 a l：I c e A n dP L Ci sas e to fa u t o m a t i cc o n 舡D lt e c l l l l o l o 鼢c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o 衄n u l l i c a t i o nt e c l l I l o l o g y 嬲o n eo ft h eE S R I nt h i sp 印e rw ed e s c r i b e l ep r i n c i p l e so fl a 唱eE S R，t l l er e q u i r e m e n t sf o ra u t o m a t i cc o n t r o la n dt h em e t h o dt oa c h i e v ec o o r d i n 劬e dc o n t r 0 1 I I lt h ea r t i c l e，w ei m r o d u c e dt h eE S Re q u i p m e n tf o ra u t o m a t i cc o n 舡o ls y S t e m，t l l es y S t e mu s e sP L C，谢t l li 1 1 d u s t r i a lm a c l l i n cc o r l t r o l，锄dc a s tb yt l l es t a t es e n s o rs 锄p l i n g 觚dm o n i t o r i n gt 0a c h i e V ei nt h ec 嬲t i n gp r o c e s so fa l l t o m a t i c、s t e a d y A tm es 锄et i m ei tc a nm o l l i t o rt l l ec a S t i n gq u a l i t)，a n dp r o c e s se 虢c t i V e l y I 姗o v a t i V ep a no ft h ea n i c l ei I l c l u d e sm ef o l l o w i n ga S p e c t s：F i r s t，i no r d e rt 0o b t a i nt：h ei n g o tq u a l i t y w en e e dt 0m a i n“ne n e r g yi n p u tE S R 虹b i l i t)，o ft h es y s t e m，s ow eu s eP I Da l g o r i t h mc o n t r o l st h e 姒b i l i t)ro ft l l ei n p u tp o w e r。S e c o n d l y，i no r d e rt os h o r to u tt h el a 玛e-s c a l em o l dt 0c a S ti l l g o t s，w eI l e e dt om a k ei n g o t so u to fac e r t a i ns p e e do fm o V e m e n t、V i t h i nt 1 1 em e t a lm o l di 1 1o r d e rt 0m a i n t a i nas 也l b l el e V e l，“sp a p e rd e s i g I l e dal e V e lt oa c h i e v eas t a b l eP I Dc o n t r o lo fm e t a l。F i n a l l y，i I lo r d e rt oi I I l p r o V et h eu t i l i z a t i o nr a t eo fi n g o tm a t e r i a l s a n d a V o i d、a S t i n g，w ea l s ou s et e c l l I l o l o g)rt 0i I I l p r o V et 1 1 ea u t o m a t e df e e d i n g，i no r d e rt oa C l l i e V eg o o dc o n t r o lo fm ew h o l es y s t e m K e yw o r d s：E S R；P L C；A u t o m a t i o n；D e t e c t i o no ft h em e t a ls u r f a c eU目录目录摘要IA B S T R A C T I I第一章绪论。l1 1 课题的提出电渣重熔概述。1 2 1 电渣重熔的基本原理1 2 2 大锭电渣重熔主要工艺特点及作用21 2 3 电渣重熔的优缺点。1 2 3 1 大锭电渣重熔的优点。41 2 3 2 传统模铸大锭的缺点。51 3P L C 在电渣重熔控制中的应用1 4 课题的意义1 5 论文的安排7第二章P L C 简介82 1P L C 的基本概念82 1 1P L C 的硬件结构。82 1 2P L C 的软件结构。1 02 2P L C 控制的优越性1 02 2 1 与继电器控制系统的比较1 02 2 2 与集散控制系统的比较1 12 2 3 与工业微机控制系统的比较1 l2 3P L C 的应用l l2 4P L C 内部运作方式2 5P L C 应用注意事项1 22 5 1 在选用P L C 进行工业控制时，应注意的几个问题1 32 5 2 选择开关量I o 模块时应注意的几个问题。1 32 6P L C 环境技术设计1 32 6 1 环境条件对P L C 的影响1 32 6 2 改善环境的措施1 42 7P L C 的发展历史1 42 8P L C 技术发展展望1 5第三章电渣重熔自动控制设计1 73 1P L C 自动化控制系统的设计步骤。3 2 系统原理与结构概述1 83 2 1 系统原理及意义1 8I I I目录3 2 2 电渣重熔连铸机构3 3 系统的设计要求与控制任务3 3 1 设计要求3 3 2 系统控制任务3 4 系统机型、软件及参数的选择1 92 02 12 13 4 1 硬件选择。2 l3 4 1 1P L C 的选型3 4 1 2 扩展模块的选择3 4 1 3 旋转编码器2 22 23 4 2 软件选择2 33 4 3 控制系统相关参数的选择3 5 自动化控制系统设计2 32 43 5 1 系统控制总体框架图。2 43 5 2 控制目标。2 43 5 2 1 输入功率的稳定控制。2 43 5 2 2 金属液位稳定控制2 53 5 3 系统P I D 控制设计2 63 5 3 1 系统能量输入稳定的P I D 自动控制2 73 5 3 2 金属液位P I D 自动控制。2 73 5 3 3P I D 算法在重熔系统的应用效果2 73 5 4 自动补缩控制。2 83 5 4 1 补缩原理。3 5 4 2 补缩方式3 0第四章电渣重熔自动控制系统的实现3 l4 1 系统程序设计3 l4 1 1 系统控制主程序。：。3 l4 1 2 液位显示程序3 24 2 系统控制界面。3 44 2 1 熔炉液位参数设置及监控界面3 44 2 2 开关按钮状态显示界面4 2 3 归档页面设置4 3 结论3 53 63 7第五章结论与展望3 85 1 结论。5 2 展望。3 8参考文献3 9致谢4 1第一章绪论1 1 课题的提出第一章绪论电渣重熔是一门问世时间很短的新兴的跨专业技术。因为它不仅具有精炼提纯功能，而且具有顺序凝固的功能，因此成为生产优质的高强度机器零件毛坯的最新方法之一。电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热量作为热源进行熔炼的方法，其主要目的是提纯金属并获得组织均匀、致密的钢锭【l J。随着电渣重熔的发展及对金属材料要求的不断提高，钢锭大型化已成为电渣重熔发展的必然趋势。同时，电渣重熔在我国的工业制造中的地位越来越重要。但是目前我国对电渣重熔中装备优化设计、重熔过程和凝固过程可控以及计算机控制水平等方面的技术还存在一些不足之处。本研究就是针对这种情况，通过理论与实践相结合，设计出一套电渣重熔过程的自动控制系统，以提高自动化水平并实现重熔效率的提高。1 2 电渣重熔概述一1 2 1 电渣重熔的基本原理电渣重熔起源于电渣焊，其基本过程如图1 1 所示。1 自耗电极4 金属熔池7 绝缘层2 水冷结晶器5 铸件8 电源变压器图1 1电渣重熔原理图3 液态电渣6 底水箱9 短网F i g u r el lS c h e m a t i cE S R电流通过液态渣池产生电阻热使金属电极熔化，熔化的金属汇聚成滴，并穿过渣池进入到金属熔池，然后在水冷结晶器内侧凝固成铸件，其基本过程如下：基于P L c 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究在铜制异型水冷结晶器内，注入了高温的液态熔渣，自耗电极l 的一端插入熔渣内，来自短网8 的电流通过自耗电极1 进入渣中，产生电阻热将渣加热至高温，自耗电极1 顶部的渣池逐渐被加热并熔化形成金属熔滴，金属熔滴从电极的顶端脱落，穿过渣池进入金属熔池4，在水冷结晶器的冷却作用下；液态金属逐渐形成异型铸件5 1 2 J。电渣重熔工艺经过多年来的飞速发展，并显示出强劲的生命力，其优越性主要体现在以下几个方面：(1)性能优越。由于电渣重熔过程，可以细化晶粒，减少钢中非金属杂质及夹杂，获得的铸锭产品质地纯净、成分均匀、组织致密、表面光洁，因而具有优良的性能及高的可加工性。(2)生产灵活。电渣重熔产品多样，包括圆锭、方锭、扁锭是、空心锭等；所熔铸的铸件可以从几克的金属假牙到上百吨的水电水轮机转子。(3)工艺稳定。铸件质量与性能的再现性高。(4)经济合理。重熔设备相对简单、操作方便，近净成形，金属成材率高，这对于超级合金、高合金及大钢锭而言，经济效益显著。(5)过程可控性好。电渣重熔工艺中的过程控制参量较少，且目标参量易于达到，对产品的化学成分、夹杂物性质及形态、结晶方向、枝晶间距、显微偏析、碳化物颗粒度等均可以不同程度予以控制，外围环境及工作参数能够准确检测，便于实现微机闭环控制。(6)可以生产超大型钢锭。通过对电渣重熔设备进行简单改造，即可生产大型、超大型电渣铸件，投资低，效益显著【3 j。虽然电渣重熔技术具有很多优越性，但不足也很明显，主要表现在以下几方面：(1)电耗较高。世界各国的电渣重熔电耗一般为1 3 0 0 1 6 0 0 K W M，电渣重熔空心管件电耗更高，而且电渣重熔属于二次精炼，这也增加了钢材的生产成本，因此通过采用大填充比，通过提高热效率以降低电耗是国内外研究的一个重点。(2)氟的污染。电渣渣料中含较多的C a F 2，重熔过程中，会逸出H F、S i F 4、S F 6、A l F 3、C F 4 等有害气体，危害工人健康，造成环境污染，因此需要开发无氟渣或低氟渣。(3)批量少，管理不便。电渣重熔一炉一个钢锭，批量小，检验量大，不便管理【4】。1 2 2 大锭电渣重熔主要工艺特点及作用大型铸锻件的特点，总的说来是技术要求高、规格大、形状复杂，其特点主要有以下几个方面：(1)纯净度均匀度高。超纯净汽轮机低压转子锻件，必须采用真空精炼和真空浇注钢锭。(2)体积大，重量大。如7 0 万千瓦机组是目前世界上最大功率等级的水轮机组，其不锈钢水轮机转轮直径达到了9 8 m，重量达5 0 0 t。(3)组织致密，晶粒度高，晶粒度是影响核电锻件内部质量的关键因素之一。2第一章绪论(4)需要整体锻造形状较复杂的构件。如核电站核岛部分压力容器整体顶盖、下封头、锥形筒体等。(5)大型筒体锻件由空心钢锭制作。如图1 2 所示。图1 2 采用大温差冷却技术成形的大型空芯钢锭F i g u r e1 2B i a J lc o o l i n gt e c l l n O l o 野w i mal a 唱et e m p e r a t u r ed i 仃e r e n c eb 咖e e nt h el a 唱eh o l l o w 啪r es t e e l i n 9 0 tf o 册i n g(6)形状相对简单，一般为园柱形，筒状类。如汽轮机、电机的低压转子。支撑辊等属园柱形构件。随着我国制造业的发展，大型的铸造锻件在我国的国民经济中起着越来越重要的作用。可以预见，在未来1 0 1 5 年，石化、冶金、电力、船舶等行业的高速发展，将极大地刺激大型的铸造锻件的需求。如电力行业，虽然已经开发了许多新能源，但是我国现阶段仍然以火力发电为主，在火电的装备领域，虽然按照长期的发展趋势来看，未来的建设速度将会有一定程度的放缓，但每年我国的装机量仍然会维持在5 0 兆千瓦的水平上，也就是说每年火电锻件需求量约有2 万吨左右；同时，在核电方面，由于核电是我国今后将大力发展的一种能源，根据我国核电中长期发展规划，其装机容量在2 0 2 0 年将达到4 0 兆千瓦，一套兆千瓦压水堆核电机组，其核岛部分反应堆所需的蒸汽发生器、压力容器和稳压器的壳体及主管道、管板锻件预计需3 亿元左右；另外，水电是一种清洁能源，按我国水电发展规划，将在1 5 年内新增近4 0 0 台单机容量在5 0 万千瓦及以上大型机组，其中大型锻件的需求量为每台大型水电机组在2 0 0 2 4 0 吨，按年均新装3 0 台计，则年需锻件在6 0 0 0 7 0 0 0 吨例。在石化装备领域，预计在2 0 2 0 年我国原油加工能力将达到5 亿吨左右，涉及的千万吨级大型炼油厂的新建或改造项目，其中千吨级以上加氢反应器需要锻焊结构的厚壁重型容器；煤化装备领域，大型煤液化工程、煤制烯烃、甲醇等需要的大型加氢反应器等也对大型锻件市场有旺盛的需求【6】。在船舶装备领域，目前我国已经成为全球最大的造船国，这将需要大量大型船用曲轴，这些大型曲轴重量可达3 0 0 t，长度可达1 8 米。基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究与这种旺盛的大型铸锻件需求不匹配的是我国的自主技术水平与生产能力的严重不足。当前日本、韩国、欧洲和中国是世界上大型铸锻件的主要生产国，与发达国家的先进技术相比，在大型铸锭生产上我国还有很多技术难关有待攻克。1 2 3 电渣重熔的优缺点1 2 3 1 大锭电渣重熔的优点当前已有多种工艺方法可获得优质大型钢锭，这些工艺中，电渣重熔为质量最可靠的方法之一。利用电渣重熔工艺生产的大型钢锭，除了具有传统电渣重熔工艺纯净钢液、近净成形、钢锭利用率高、工艺灵活等优点外，还将在以下方面具有明显优势：(1)投资省。电渣炉设备简单，比大型电弧炉投入低。如可以采用小型电弧炉结合电渣重熔，以小炼大，实现优质特大型锻造钢锭的生产。(2)电渣重熔具有连续性。通过更换自耗电可实现连续生产，从而可以实现用较小功率的设备生产较大的构件。(3)电渣冶金设备具有叠加性。可以通过多台设备同时连续生产一个大型构件，如上海重型机械厂的2 0 m 级电渣炉【7 J。电渣重熔的这些优势在生产大型铸锻件方面具有重要作用，用电渣重熔工艺已经生产出许多的大型构件，如图1 3 所示。(a)上重研发大型电渣重熔技术(b)沈阳铸造研究所电渣熔铸大型水轮机导叶图1 3 已开发的电渣重熔大型铸件F i g u r e1-3h a Sb e e n d e V e l o p e d b ya l a 唱ec a S t E S R大锭电渣重熔生产工艺与中、小型铸锭电渣重熔在原理上是相同的，但随着铸锭体积的增大以及采用的电功率的大幅度增加，将会带来一些诸如电效率降低、渣稳定性下降以及氢、氧对金属液的污染等问题，因此在电渣重熔过程中，这些问题必须得到解决。尤其是电渣重熔铸件产品的最终质量易受渣制度、电制度、冷却制度等因素的影响而产生较大波动，尤其是当最终铸件大型化后，这些因素的影响就更突出【引。因此，电渣重熔过程中，稳定、可控的工艺参数对于产品质量的优良与稳定，具有积极贡献，这使自动控制系统在整个生产工艺流程中显得十分重要。由于电渣重熔4第一章绪论过程处于高温、大电流、强电磁干扰的环境下，因此在获取自动控制系统所需要的反馈信息，如金属液位等，具有困难例。1 2 3 2 传统模铸大锭的缺点与中、小型钢锭相比，大型铸锻件产品有其自身特点，如火电和核电设备的转子采用大型钢锭制作，要求其在长期的高速运行过程中，能承受大的工作应力，并具有高可靠性；核电站的压力容器工作中会受到中子辐射，这将导致钢材脆化，等等。这些极端的工作条件对大型锻件的质量提出了更严格的要求，包括控制杂质元素以及低的气体和夹杂物含量，减小偏析，使钢锭化学成分均匀等【l0 1。然而，钢锭愈大，上述要求就愈难达到。传统的铸造条件下，由于铸锭的体积变大，而易于产生如下缺陷：(1)白点和发纹；(2)大型夹杂；(3)偏析等导致的不均匀性。这些缺陷将随着钢锭体积的增大，而越加严重，在制造过程中无法影响这些现象的发生【l l】。因此为了满足钢材质量、特别是整个断面组织均匀性的要求，只好有意降低钢锭的利用率，使钢锭中只有具备合格性能的那一部分才能使用，然而，随着钢锭尺寸的增大，合格部分急剧减少，如现代电力企业所需的发电机转子净重将在l O o t 以上，则必须具备1 5 0 t 3 0 0 t、直径约为3 0 0 0 m m 的巨大钢锭才能制造这样的巨大锻件，这使得金属利用率很低【l2。，1 3P L C 在电渣重熔控制中的应用可编程控制器(P L C)是一种基于数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计的，它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、定时、顺序控制、算术运算和计数等操作指令，并通过模拟式或数字式的输入和输出，控制各种类型的机械的动作过程引。在计算机技术与微电子技术的结合下，P L C 的功能变得更加强大，通过可编程控制的实现，为P L C 增添了使用的灵活性。目前P L C 应用范围广泛，在工业自动化控制中发挥着无可取代的重要作用，石油、钢铁、化工、汽车、机械制造等领域对P L C 的依赖程度也日益增高。控制模式的多样化发展是P L C 进步的成果之一，也是P L C 功能强大的一个体现I l 训。P L C 在工业中的控制主要体现在以下几个方面。(1)顺序控制随着技术的进步，顺序控制已经不再是传统的继电器触点式控制模式了，而是通过P L C 触点的状态信息来实现。只需要一些简单的执行指令就可以进行有序的控制，这是P L C 设计的初衷，也是P L C 基本功能优势的体现，在顺序控制领域，P L C 已经遥遥领先于其他技术，在工业领域发挥着无可取代的作用【l5 1。(2)过程控制过程控制是针对模拟量的工作过程，通过对连续变化的电压、电流、温度、压力5基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究等模拟量的历史与当前输入状况的分析，产生用户所要求韵开关量，使系统工作参数按一定要求工作。过程控制的代表类型是闭环控制与开环控制，这种控制手段在化工、合金、锅炉控制等方面的应用效果都非常显著【l。(3)运动控制机械本身的运动特性，对P L C 的控制提出了新的要求，控制对象在直线运动或圆周运动等的情况下，P L C 利用对脉冲量的控制来实现对机械运动的控制。脉冲控制的位移量很小，因此，P L C 运动控制的精确度相对也很高。(4)信息控制信息控制实现的主要功能是对数据处理，通过对信息的采集、处理、传输与存储，实现对信息控制的目的，同时兼具数据分析能力。信息时代的发展要求，赋予P L C 的控制工作一些新的信息属性，信息控制的实现也标志着P L C 功能向信息化的方向转变。(5)远程控制利用P L C 的联网模块的通信功能与通信接口，实现P L C 的远程控制。控制方式主要是P L C 和P L C 控制网的远程互连，P L C 与智能终端的互连来实现远程控制功能，还有P L C 与以太网、计算机终端的连接控制方式等l l。在本研究的实现中也是通过可编程控制器，设计一个电渣重熔过程的控制系统，来实现在电渣重熔过程的系统输入功率，金属液位等的自动控制及调节。1 4 课题的意义在调查和分析本课题的技术关键后，我们从事了大量的资料收集工作。从收集到的资料显示，目前国内外对电渣重熔设备的自动控制和金属液面检测有较多的研究，并取得了一定的成果。但它们所取得的成果并不能完全适于本课题，一些技术问题完全只能依靠自己来解决。本研究针对抽锭式大型电渣重熔连铸机构的特点，设计的自动控制系统，可以较好的满足生产流程中对于工艺参数可控、稳定的要求，且对于类似的应用，只需要在软件或控制节点作少量修改，就可适应新的应用环境。电渣重熔方法作为特种熔炼领域中产量最大特种熔炼方法，通过提高整个个熔铸过程的自动化控制水平，对于提高工作效率、节能减耗、稳定产品品质、降低工人工作强度等方面具有十分重要的意义。因此在对现有设备进行实地考察后，结合电渣重熔工艺的特点进行分析。发现现有的电渣重熔设备比较简单落后。要实现微机控制有较大的难度，必须全面改变现有的设备结构。要实现电渣重熔过程的自动化控制，需要解决以下几个的问题：(1)实现自耗电极连续、自动、安全地送给；保证电渣重熔连续进行；(2)实现渣料的连续、自动、均匀地送给；使渣池能够得到充分利用；(3)实现供水系统的自动控制与调节；实现逐层供水及逐层切断供水，并且使水温，水压可调节；(4)实现整台设备的微机控制；(5)综上所述，实现整个曲轴铸件生产过程的自动化。6第一章绪论为了完成上述任务，首先必须对下述三项任务进行科技攻关：(1)实现控制过程的P I D 控制。P I D 是当前工业控制中最常用的控制方法，且S 7 _ 之0 0 系列P L C 中内置P I D 模块，因此实现简单。(2)实现控制过程系统输入功率的自动控制。在电渣重熔过程中保持输入功率的稳定，对于铸锭的质量具有重要的意义。(3)实现控制过程的金属液位的自动控制。以上三个大问题是实现电渣重熔自动化所必须首先解决的。1 5 论文的安排本论文根据实际的设计与实现过程共分为四章，具体安排如下：第一章阐述了课题的提出背景，并概述了电渣重熔的发展、基本原理以及特点并阐述了课题意义。第二章介绍了P L C 的概况，优越性及发展趋势并与几种常见的控制方式进行比较。第三章对整个自动控制系统的各个模块进行阐述并介绍了设计的详细过程。第四章主要是对电渣重熔自动控制系统的实现，主要包括实现代码和控制界面两方面。第五章总结了本论文所做的工作，并分析了不足之处及后续改进和完善工作的展望。最后是致谢与参考文献。7基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究第二章P L C 简介随着计算机技术和电子技术的不断进步，P L C 也经历了突飞猛进的发展，P L C 应用领域的扩大和对P L C 功能需求的提高，不但使得P L C 的功能更加完善，也使得其实际应用中存在的问题得到深入的讨论和研究。P L C 通信功能的日益完善为工业生产中的远程控制提供了更加可靠的数据传输，从而适合更加复杂的工业生产场合。P L C在工业领域作用的日益重大，不但是今后工业自动化发展的有力支撑，也是工业化生产的主要依托【1 8 1。2 1P L C 的基本概念P L C=P r o g r 舭1 I I l a b l el o g i cC o n t r o l l e r，可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计的。它采用一系列可编程的存储器，在其内部存储程序，顺序控制，执行逻辑运算，计数与算术操作，定时等面向用户的指令，并通过模拟式或数字输入输出控制各种类型的机械或生产过程。P L C 是工业控制的核心部分。可编程序逻辑控制器(简称P L C)是6 0 年代末期在传统的继电器控制的基础上发展起来的一种新型的工业自动化控制装置I l 引。它把顺序控制、逻辑运算、算术运算、计数、计时等功能用特定的指令记忆在存储器中，通过模拟式或数字式的输入、输出，对生产过程和各类机械实现自动化控制。P L C 不仅具有计算机的通用性强、功能完善、使用灵活等优点；而且在编程上又采用了工程技术人员比较熟悉的面向问题、面向控制过程的“自然语言梯形图、流程图，形象直观而且容易掌握；并且还具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、可靠性高、便于维修和调整等优点；使它在各类工业控制中得到越来越广泛的应用。2 1 1P L C 的硬件结构P L C 实质上是一种专门用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型机相同，基本构成成分为：硬件部分由主机、编程器、I o 扩展机和电源组成。其结构示意图见图l。8第二章P L C 简介圉lm 结构示意框田P L C 主要有以下几个部分所构成：(1)电源P L C 的电源在整个系统中起着非常重要的作用。如果没有一个可靠的、良好的电源系统是无法正常工作的，因此P L C 的产商对电源的设计和制造十分重视。一般交流电压波动都在+l O(+1 5)范围内，可以不采取其它措施而直接将P L C 连接到交流电网上去。(2)中央处理单元(C P U)C P U 包括控制器和运算器，它是整个P L C 控制和运算的核心。C P U 按照存储器中的系统程序所赋予的功能，主要完成扫描、接收指令、执行程序、诊断、刷新状态等任务，是P L C 的控制中枢【1 9 1。它按照P L C 系统程序赋予的功能接收并存储操作人员从编程器键入的用户程序和数据；检查存储器、电源、I o 以及警戒定时器的状态，并能够诊断用户程序中的语法错误。当P L C 投入运行时，它首先以扫描的方式接收现场各输入装置的数据和状态，并分别存入I o 的映象区，然后从用户程序存储器中逐一读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行数字或逻辑运算并将结果送入数据寄存器或I o 映象区内。等所有的用户程序执行完毕后，再将I o 映象区的输出寄存器内的数据和各输出状态传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高P L C 的可靠性，近年来对大型P L C 还采用双C P U 或三C P U 构成冗余系统或表决式系统。这样，即使某个C P U 出现故障，整个系统仍然能够正常运行。(3)存储器存储器用来存储系统程序和用户程序。主要分为两种：系统程序存储器：存放系统软件的存储器。用户程序存储器：存放应用软件的存储器。(4)输入输出接口电路9基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究现场输入接口电路由微机的输入接口电路和光耦合电路构成，作用是构成P L C 与现场控制的接口界面的输入通道。现场输出接口电路由输出数据寄存器、和中断请求电路集成，作用是P L C 通过现场输出接口电路向现场执行部件输出相应的控制信号。(5)编程器编程器用于用户程序的编辑、编制、监视和调试，还可通过键盘去显示和调用P L C的一些内部状态及系统参数。它通过接口与C P U 连接，突现人机“对话”。(6)I o 扩展机I O 扩展机主要用来扩展输入、输出的点数。当用户所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，可用它来扩展。2 1 2P L C 的软件结构P L C 软件是指P L C 所使用的各种程序的集合，它包括用户程序和系统程序。系统程序由P L C 厂商提供并固化在系统程序(E P R O M)中。系统程序包括编译、监控及诊断等程序，用来翻译语言，管理整个机子，诊断故障【2 们。用户程序是用户根据实际需要，用P L C 程序语言自己编制的应用程序，由若干形式的数据和操作指令所组成，用来实现各种控制过程。用户程序由用户利用编程器键入P L C 的R A M 中。2 2P L C 控制的优越性2 2 1 与继电器控制系统的比较传统继电器控制只能进行开关量的控制，而P L C 不仅可以进行开关量控制，而且可以进行模拟量的控制，还能与计算机连成网络，实现分级控制。在P L C 的编程语言中，梯形图是使用最广泛的语言。梯形图与继电器控制原理图非常相似，沿用了继电器控制电路的一些元件符号，仅个别的地方有略微不同。P L C与继电器控制系统相比主要有以下几点区别：(1)组成的器件不同。继电器控制线路由许多硬件继电器组成，而P L C 则由许多“软继电器”组成。传统的继电器控制系统具有很强的抗干扰能力，但由于其使用了大量的机械触点，因尘埃的隔离性，物理性能疲劳及电弧的影响，系统可靠性大大地降低【2 9】。P L C 采用的是无机械触点的逻辑运算微电子技术，复杂的控制由P L C 内部运算器完成，故而寿命长，可靠性也较高。(2)触电的数量不同。继电器的触点数量相对较少，一般只有4 8 对；而“软继电器”可供编程的触点数原则上有无数对。(3)控制方法不同。继电器控制系统是通过硬接线来实现的，控制功能就固定在线路中。P L C 控制功能是通过软件编程来实现的，只要改变程序，即可改变功能，控制非常的灵活。(4)工作方式不同。在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受约束状态。在P L C 中，各“软继电器”都处于周期循环扫描接通中，每个“软继电l O第二章P L C 简介器”受制约接通的时间比较短暂【2。2 2 2 与集散控制系统的比较P L C 由继电器逻辑控制系统发展而来，而集散控制系统则是由回路仪表控制系统发展而来。不论是P L C 还是集散系统，在发展过程中，始终是相互渗透，相互补充的。因此，P L C 与集散控制系统的发展也越来越接近，很多工业生产的控制过程既可以用集散系统实现，也可以用P L C 实现。2 2 3 与工业微机控制系统的比较工业微机在快速，模型复杂，实时性强的工业控制中占有优势。但是，使用工业微机人员的技术水平要求比较高，一般应当具有一定的计算机专业知识。另外，工业微机在整机结构上目前还不能够适应恶劣的工作环境，适应能力及抗干扰能力差，这是工业微机用在现场工业控制的致命弱点。工业生产现场的电磁辐射干扰，机械振动，湿度及温度的变化以及超标的粉尘，每一项都足以使工业微机不能正常运行【2 2】。P L C 针对工业的顺序控制，在工业现场具有很高的可靠性。P L C 在机械结构，电路布局及软件设计各方面决定了它的高抗干扰能力。电路布局方面的主要模块都采用大规模和超大规模集成电路，在输入输出系统中采用完善隔离等通道保护功能，在电路结构上对防潮，耐热，防震及防尘等各方面都做了周密的考虑，在电路硬件方面采用了屏蔽，隔离，接地及滤波等抗干扰技术，在软件上采用数字滤波及成批输入，循环扫描，成批输出处理技术【2 3 1。所有这些都使其具有非常高的抗干扰能力，从而使P L C 不会出现死机现象。P L C 采用梯形图语言编程，使熟悉电气控制的技术人员更加容易看懂与学习，便于推广。随着P L C 功能的增强，越来越多的采用了微机技术，同时为了适应用户需要，向提高耐用性，可靠性与便于维修的方向发展，两者之间相互渗透，差异也越来越小。今后，P L C 与工业微机还将继续共存，在一个控制系统中，使P L C 集中在功能控制上，而使微机集成在信息处理上，两者相辅相成，共同发展。2 3P L C 的应用P L C 是一种以微机技术为基础的通用性的工业控制装置，具有许多上述的优点，近年来已成为工业自动化控制的首选产品，它与C A D C 蝴技术、机器人并称为工业自动化的三大支柱。因为它具有抗干扰能力强、功能强大、高可靠性、灵活，易学易用、重量轻、体积小、价格便宜的特点【2 4 J。所以P L C 广泛应用于各个领域，凡是需要程序控制的工业领域，都能使用P L C。在一些先进的工业国家中，P L C 已经成为标准的设备，它的应用面几乎涵盖了所有工业企业。目前P L C 已经广泛应用于石油、钢铁、电力、化工、机械制造、建材、轻纺、交通运输、汽车、文化娱乐及环保等各个行业。而在我国，也中小型P L C 已成批应用于食品、电力、机械制造、冶金、交通、化工、轻工等领域。基于P L C 的大型电渣连铸自动控制系统的设计研究2 4P L C 内部运作方式虽然P L C 所使用的梯形图方程中往往用到许多继电器、计数器与计时器等名称，但P L C 内部并非具有这些实体上的硬件，而是以编程与内存方式做逻辑控制的编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做为实体控制。因此能大大的减少控制器所需的硬件空间。实际上P L C 执行梯形图代码的运行方式是逐行的将梯形图代码以扫描方式读入到C P U 中并执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入刷新”、“程序执行”、“输出刷新”说明如下：输入信号采样阶段又称为输入刷新阶段。P L C 以扫描的方式顺序读入外界信号的输入状态(断开或接通状