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 。 3.1.1 PLC概述 可编程控制器，英文称Progammable Controller,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（International Electrotechnical Commission，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： u 逻辑处理功能； u 数据运算功能； u 准确定时功能； u 高速计数功能； u 中断处理（可以实现各种内部中断）功能； u 程序与数据存储功能； u 联网通信功能； u 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。 3.1.2 PLC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。 电源 指示灯 电磁阀 控制器 电源 按钮 限位开关 选择开关 CPU 模块 输入磨块 可编程控制器 输出模块 编程装置 图3-1 PLC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CPU 224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3-1 PLC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 CPU CPU224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