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PLC 低压控制系统的原理和调试低压控制系统的原理和调试 2004 年年 4 月月 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 1 页 目录目录 一 一 PLC 工作的基本原理工作的基本原理 2 1 PLC 的由来的由来 2 2 2 PLCPLC 的特点的特点 2 3 3 PLCPLC 的分类的分类 3 4 4 PLCPLC 的工作原理的工作原理 3 5 5 PLCPLC 的发展趋势的发展趋势 4 二 二 DDPX 系统简介系统简介 4 1 1 系统的主要构成系统的主要构成 5 2 2 MZDMZD 电磁振打控制基本原理电磁振打控制基本原理 5 3 3 电机控制基本原理电机控制基本原理 7 4 4 电加热控制基本原理电加热控制基本原理 8 5 5 其它其它 9 三 三 DDPX 系统的调试系统的调试 9 1 1 电磁振打控制系统电磁振打控制系统 9 2 2 电机和加热控制系统电机和加热控制系统 10 四 四 DDPX 系统的操作系统的操作 10 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 2 页 一 一 PLC 工作的基本原理工作的基本原理 1 PLC 的由来的由来 可编程控制器 Programmable Controller 是计算机家族中的一员 是一种 数字运算操作的电子系统 是为工业控制应用而设计制造的 早期的可编程控 制器称作可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 它主 要用来代替继电器实现逻辑控制 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 Personal Computer 的简称混淆 所以将可编程控 制器简称 PLC 2 2 PLCPLC 的特点的特点 PLC 的主要具有以下特点 2 1 高可靠性高可靠性 1 所有的 I O 接口电路均采用光电隔离 使工业现场的外电路与 PLC 内部 电路之间电气上隔离 2 各输入端均采用 R C 滤波器 其滤波时间常数一般为 0 2 6 4ms 3 各模块均采用屏蔽措施 以防止辐射干扰 4 良好的自诊断功能 一旦电源或其他软 硬件发生异常情况 CPU 立即 采用有效措施 以防止故障扩大 5 大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统 使可靠性更进一步提高 2 2 丰富的丰富的 I O 接口模块接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号 如 交流或直流 开关量或模拟量 电压 或电流 脉冲或电位 强电或弱电等 有相应的 I O 模块与工业现场的器件或 设备 如 接触器 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈等直接 连接 另外为了提高操作性能 它还有多种人 机对话的接口模块 为了组 成工业局部网络 它还有多种通讯联网的接口模块 等等 2 3 采用模块化结构采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要 除了单元式的小型 PLC 以外 绝大多数 PLC 均采用模块化结构 PLC 的各个部件 包括 CPU 电源 I O 等均采用模 块化设计 由机架及电缆将各模块连接起来 系统的规模和功能可根据用户的 需要自行组合 2 4 编程简单易学编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式 对使用者来说 不需要具备计算机的专门知识 因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握 2 5 安装简单 维修方便安装简单 维修方便 PLC 不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将 现场的各种设备与 PLC 相应的 I O 端相连接 即可投入运行 各种模块上均有 运行和故障指示装置 便于用户了解运行情况和查找故障 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 3 页 由于采用模块化结构 因此一旦某模块发生故障 用户可以通过更换模块 的方法 使系统迅速恢复运行 2 6 PLC 的功能的功能 逻辑控制 PLC 的基本功能 定时 计数 控制 步进 顺序 控制 PID 控制 数据控制 PLC 具有较强数据处理能力 通信和联网 可以实现 PLC 间的对等链接或主从链接 其它 PLC 还有许多特殊功能模块 适用于各种特殊控制的要求 如 定 位控制模块 CRT 模块 3 3 PLCPLC 的分类的分类 3 1 根据根据 I O 点数分类点数分类 小型小型 PLC 小型 PLC 的 I O 点数一般在 256 点以下 其特点是体积小 结构紧凑 整个硬件融为一体 除了开关量 I O 以外 还可以连接模拟量 AI AO 以及其他各种特殊功能模块 它能执行包括逻辑运算 计时 计数 算 术运算 数据处理和传送 通讯联网以及各种应用指令 中型中型 PLC 中型 PLC 采用模块化结构 其 I O 点数一般在 256 1024 点 之间 I O 的处理方式除了采用一般 PLC 通用的扫描处理方式外 还能采用直 接处理方式 即在扫描用户程序的过程中 直接读输入 刷新输出 它能联接 各种特殊功能模块 通讯联网功能更强 指令系统更丰富 内存容量更大 扫 描速度更快 大型大型 PLC 一般 I O 点数在 1024 点以上的称为大型 PLC 大型 PLC 的 软 硬件功能极强 具有极强的自诊断功能 通讯联网功能强 有各种通讯联 网的模块 可以构成三级通讯网 实现工厂生产管理自动化 大型 PLC 还可以 采用三 CPU 构成表决式系统 使机器的可靠性更高 3 2 根据结构 形状分类 根据结构 形状分类 整体式 PLC 模块式 PLC 3 3 根据生产厂家分类 根据生产厂家分类 由于 PLC 的生产厂家很多 目前我们公司比较常用的 PLC 品牌有 日本欧 姆龙 OMRON 三菱 MITSUBISHI 德国西门子 SIEMENS S7 200 300 400 AB 公司 SLC500 施耐德 TWIDO 和 MODICON 等 4 4 PLCPLC 的工作原理的工作原理 与传统的继电器控制装置相比较 传统的继电器控制装置采用的是硬逻辑 并行运行方式 而 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式 即 如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开 该线圈的所有触点 包括其常开或 常闭触点 不会立即动作 必须等程序扫描到该触点后 在输出刷新阶段才会动 作 4 1 扫描技术扫描技术 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 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 4 页 行期间 PLC 的 CPU 以一定的扫描速度周而复始的执行上述三个阶段 4 1 1 输入采样阶段输入采样阶段 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 冲信号的宽度必须大于一个扫描周期 才能保证在任何情况下 该输入均能被 读入 4 1 2 用户程序执行阶段用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段 PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 梯 形图 在扫描每一条梯形图时 又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控 制线路 并按先左后右 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运 算 然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位 的状态 或者刷新该输出线圈在 I O 映象区中对应位的状态 或者确定是否要 执行该梯形图所规定的特殊功能指令 即 在用户程序执行过程中 只有输入 点在 I O 映象区内的状态和数据不会发生变化 而其他输出点和软设备在 I O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化 而且排在上面 的梯形图 其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图 起作用 相反 排在下面的梯形图 其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到 下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用 4 1 3 输出刷新阶段输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后 PLC 进入输出刷新阶段 在此期间 CPU 按照 I O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路 再经输出电路驱动相应 的外设 这时 才是 PLC 的真正输出 5 5 PLCPLC 的发展趋势的发展趋势 长期以来 PLC 始终战斗在工业自动化控制行业的主战场 但随着科学技 术的不断发展 尤其是工业 PC 带来的冲击 PLC 需解决的问题依然是新技术 的应用 通讯技术 系统的开放性和价格的降低 我认为 PLC 应继续向开放式 控制系统方向转移 主要有两方面原因 一方面是系统功能集成的需要 另一 方面是一些工业用户对功能的过分苛求所致 当前 在所有的过程控制领域 最大的发展趋势是 Ethernet 技术的发展 PLC 也不例外 现在越来越多的 PLC 供应商提供以太网的接口 向 Ethernet 的 另一个目的在于通过 Internet 能够连到所希望的任何地方 目前 有一些 PLC 已经内藏了 Web 服务器 二 二 DDPX 系统简介系统简介 DDPX 即电除尘低压 PLC 控制系统的简称 DDPX 新型电除尘低压集控 系统以 PLC 为主控部分 通过通讯 可以向上位机传送电除尘器振打 电 加热 卸 输灰等的实时运行参数和状态 也可接受来自上位机的各种参数 的设定命令 可以满足 BE 型 BEL 型电除尘器所有低压设备的控制要求 可 实现电磁振打器控制 侧部振打或卸灰各种电机控制 电加热恒温控制等功能 该系统具有可靠性高 易操作 易维护 人机界面友好等特点 并可与上位机 构成电除尘器智能控制系统 而且在实现低压控制功能的基础上 可以实现断 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 5 页 电振打 电磁振打器分组振打等新功能 从而实现了振打最优化 对提高除尘 效率及满足用户需求方面起到了积极作用 1 1 系统的主要构成系统的主要构成 DDPX 系统主要包括 MZD 电磁振打控制子系统 电机控制子系统和电加 热控制子系统等 实际设计中根据每套低压系统控制设备的数量情况 一套低 压控制系统可能采用一台或数台 S7 200 系列 PLC 每台 PLC 配置若干 I O 模 块 每台 PLC 对配套一个 TD200 型中文显示操作终端 可以用于显示运行状 态和修改运行参数 当有电磁振打控制时 PLC 的 I O 模块与综合板 MZD 01 联接 由综合 板驱动相控板 行选和列选板实现电磁振打器的控制 电加热恒温控制 设计中采用 DUT3000 来实现温度的多路巡回检测 一个典型的 PLC 控制器方框图如下图所示 下面分别介绍系统各部分的工作原理 2 2 MZDMZD 电磁振打控制基本原理电磁振打控制基本原理 MZD 电磁振打系统主要由以下部分组成 SIEMENS PLC CPU226 DC DC DC 终端 TD200 24V 开关电源 综合板 MZD ZH 相控板 MZD XK 行选板 8 MZD HX 列选板 MZD LX 电源板 MZD DY 行选板 4 MZD HX4 显示板 MZD XS 可选 面板 可选 下面分别介绍各部分的功能 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 6 页 2 1 PLC 的功能的功能 其中 SIEMENS PLC 为控制器的核心 起指挥控制作用 它向综合板 MZD ZH 提供各种控制信号 经综合板转换后向相控板提供相控信号 向行 列板提供选择振打器的行 列选信号以及处理来自综合板的电流和电压信号 MZD 电磁振打控制系统有两种工作方式 1 矩阵方式 2 分组方式 下面将分别介绍两种方式的基本工作原理 在矩阵方式下 振打间隔一致 各振打器的振打周期相同 对于 N 个振打 器 振打周期为 N 振打间隔 振打器的导通角有两种工作方式 即单独导通 角 缺省 和统一导通角 统一导通角即所有投入运行的振打器的导通角都相等 单个导通角即所有投入运行的振打器均按各自振打器的导通角运行 在分组方式下 在出厂时已将振打器分组 所有组共用一个大周期 每 组共用一个起始时间 振打周期和分组导通角 仅分组方式才有 在运行时 根据设定的导通角方式 选择是统一导通角 单个导通角或分组导通角来运 行 同时在该组振打器工作时还可以输出一个减功率振打信号送给高压设备 使高压设备降低输出功率 进行断电振打 或减功率振打 实现真正意义上 的振打最优化 起始时间振打周期振打周期 某组振打某组振打 振打间隔振打间隔 分组 1 分组 2 起始时间 1 振打周期 大周期 起始时间 2 分组方式时序图 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 7 页 2 22 2 综合板 综合板 MZD ZHMZD ZH 的功能 的功能 综合板的功能主要有三部分功能 译码部分 译码部分的主要功能是将 PLC 送给综合板 MZD ZH 的行列 编码信号转化为实际需要的行列信号 送给行选板和列选板 相控部分 相控部分的主要功能是将 PLC 送给综合板的调频脉冲和振打同 步信号经过一系列的转化产生相控信号 送给相控板 MZD XK 来触发 可控硅 通过控制可控硅的导通时间进而控制振打高度 取样部分 取样部分的主要功能有两种 对每次的振打电流信号进行数字化处理 供 PLC 来判断振打器的工作状态 对电网电压进行检测 当高于正常电网电压 5 时使出过压 1 信号送给 PLC 当高于正常电网电压 10 时输出过压 2 信号送给 PLC 其中 5 和 10 可以通过电位器 RP2 和 RP9 来改变 2 32 3 电源板 电源板 MZD DYMZD DY 的功能 的功能 电源板的功能是提供三组直流电源及一组电网交流信号 综合板上使用的 5V 和 15V 以及交流电网信号均由电源板来提供 2 42 4 相控板的功能相控板的功能 相控板 MZD XK 的功能是整流和相控 电网 220V 交流电压经过板上 的可控硅整流桥整流及相控后加在被选中的振打器线圈上 驱动振打器工作 2 5 行选板 行选板 MZD HX 和列选板 和列选板 MZD LX 的功能 的功能 行选板和列选板必须一起配合使用 通过板上的可控硅 相当于开关 的 导通和关断 来选中某一个振打器 其中行选板上的可控硅是共阳极接法 列 选板上的可控硅是共阴极接法 不可混用 行 列 选板上的发光二极管用于 指示是否有行 列 选信号输入 2 6 显示板 显示板 MZD XS 和面板 和面板 显示板的功能是将综合板的行 列选信号转变成面板的发光二极管矩阵的 显示信号 供面板显示 3 3 电机控制基本原理电机控制基本原理 在 DDPX 系统中 电机控制主要包括振打电机控制和卸输灰电机控制 而它 们又有一个共同点 即都是时序控制 下图为电机工作的时序图 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 8 页 3 1 振打电机的工作原理振打电机的工作原理 振打电机的控制只有在自动运行方式下才按照时序来工作 若有 IPC 时 在 IPC 的操作界面上还有运行方式的设定 即自动 手动和停止三种运行方式 其中手动和停止的优先极高于时序的运行 3 2 卸输灰电机的工作原理卸输灰电机的工作原理 卸输灰电机在自动运行方式下按照时序来运行 若有高 低料位控制的则 按照设定的工作方式运行 有高料位则工作一个工作时间 有低料位则停止一 个停止时间 有 IPC 时 在 IPC 上还可进行运行方式的设定 其中手动和停止 的优先级最高 4 4 电加热控制基本原理电加热控制基本原理 由于电除尘器的特点和工艺要求 对加热器需采取恒区间温度控制 主要 包括两部分 一是温度的采集 二是对加热器的控制 4 14 1 温度采集部分温度采集部分 温度采集设备主要采用的是 DUT 3000 系列采集模块 该模块提供 8 路温度 采集 PLC 通过无条件半字节的方式对 DUT3000 的温度数据进行采集 每次输 出 4 位二进制数 每个通道分 4 次输出 8 个通道 32 次 每次传送的周期为 2 16s 其中传送数据的时间为 640ms 当要选用多个 DUT 来采集温度时 也可以采 用选通的方式来采集温度 即只有 PLC 发出请求信号时 DUT 才发送数据 8 路温度 下图为 DUT3000 的无条件半字节输出上升沿选通时序图 DUT3000 与 SIEMENS PLC 的硬件连接图如下所示 S7 226 DUT 3000 24 GN D M1 V GN D D0 D1 D2 D3 I0 0 STB 无条件半字节输出方式 I1 0 I1 1 I1 2 I1 3 L1 640ms C7H2C7H1C0L2C0H1 C0H2C0L1 10ms 10ms OFF ON OFF ON 无条件半字节输出上升沿选通时序 D0 D3 STB 起始时间 起始时间 大周期 停止时间起始时间 停止时间起始时间工作时间 工作时间 工作时间 工作时间 工作时间 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 9 页 4 24 2 加热器控制加热器控制 加热器工作原理 根据电除尘器的特点和工艺要求 加热器采用恒区间控 制 即以设定温度的上 下振幅为工作区间来控制加热器的启停 具体为当测 量温度低于设定温度的下偏差时 加热器开始工作 一直加热到测量温度高于 设定温度的上偏差时 加热器开始停止工作 一直停止到测量温度低于设定温 度的下偏差 则又加热器又开始工作 5 5 其它其它 除了上述几类控制系统之外 还包括一些开关量和模拟量的显示 其中开 关量部分主要包括隔离开关的到位指示等 模拟量部分主要包括进出口烟温和 变压器油温的显示等 三 三 DDPX 系统的调试系统的调试 由于 PLC 模块本身的高可靠性 使 PLC 本身的设备故障率几乎为 0 因此 维护极其简单 当设备发生故障时 首先通过 PLC 的输入输出点来判断是 PLC 的问题还是外围器件的问题 然后在进一步来判断具体是那里的问题 1 1 电磁振打控制系统电磁振打控制系统 1 1 对于电磁振打系统需注意的几点说明 对于电磁振打系统需注意的几点说明 对于具体的项目振打器的组数是固定的 并且每个振打器的物理位置也 是固定的 用户不能进行修改 根据实际测量的高度通过调整综合板上的 RP6 使 TD200 上显示的高度与 振打器的实际高度相一致 过压信号的调整 通过调整综合板上的 RP2 和 RP9 来调整实际过压等级 出厂时 过压 1 信号已调整为 220V 5 过压 2 信号调整为 220V 10 在 现场时也可以根据实际情况来调整过压的范围 时间 上限设置值 上限设置值 实际温度 温度 设定温度 振幅 PLC 低压控制系统的原理和调试 龙净环保电控设备研究院共 12 页 第 10 页 调整综合板上的 RP10 来提高或降低过流比较电平的大小 出厂时已调整 为 5V 振打器导通角实际的工作范围为 35 70 注意 综合板上的 RP1 RP3 RP4 RP7 和 RP8 请不要调整 否则会造成电磁 振打系统工作不正常 1 2 对电磁振打故障问题的处理 对电磁振打故障问题的处理 电磁振打控制系统的主要工作信号均由 PLC 和综合板产生 其中关键的几 个工作信号如下 过零信号 调频脉冲 同步信号 行列信号 相控信号 2 2 电机和加热控制系统电机和加热控制系统 2 1 电机控制 电机控制 由于电机的工作方式主要为时序控制 因此 可以从