PLC控制系统的可靠性分析及关键技术的研究 毕业论文.doc
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1、上海建峰职业技术学院 SHANGHAI JIANFENG VOCATIONAL COLLEGE 电子工程系毕业设计电子工程系毕业设计 课题名称课题名称: PLCPLC 控制系统的可靠性分析及关键控制系统的可靠性分析及关键 技术的研究技术的研究 专专 业业: 数控技术数控技术 姓姓 名名: 学学 号号: 指导教师指导教师: 完成日期:完成日期: 装 订 线 PLCPLC 控制系统的可靠性分析及其关键技术研究控制系统的可靠性分析及其关键技术研究 摘要摘要:分析了 PLC 控制系统在可靠性上存在的问题,主要从抗干扰和稳定性方面入手,利用 硬件与软件相结合的方式,解决了一些 PLC 系统中存在的问题。
2、提出了一些克服影响 PLC 可靠性 因素的措施,重点分析了一种普遍采用的冗余设计方法的可行性和有效性,并提出了一种更有效 的冗余设计方案,为工业控制中 PLC 可靠性设计提供了一定的依据。 关键词关键词:PLCPLC,抗干扰,可靠性,冗余技术,抗干扰,可靠性,冗余技术 装 订 线 PLC control system reliability analysis and research of key technique Abstract:Analysis of the PLC control systemreliability,mainly from the interference and s
3、tability-pronged approach to the use of hardware.This paper puts forward some measures of the facotr that overcome to affect the reliability of PLC.,the focus of the analysis is the feasility and effectiveness of a redundancy design method .And finally this paper puts forward a kind of more valid re
4、dundancy design project for PLC reliability design which provided some basis in industrial control. Key words: :PLC;interference immunity;reliability;redundancy 上海建峰职业技术学院 目录 装 订 线 目目 录录 1 1 绪绪 论论.1 1.11.1 研究课题的来源研究课题的来源 .1 1.21.2 国内外先进水平国内外先进水平.1 1.1.3 3 本课题所做工作本课题所做工作.2 1.1.3.13.1 本课的应达目的本课的应达目的 .
5、2 1.1.3.23.2 本课题的内容和要求本课题的内容和要求 .2 2 2 可编程控制器可编程控制器 .3 2 2.1.1 概述概述 3 2.1.12.1.1 可编程控制器的产生和功能特点可编程控制器的产生和功能特点 3 2.1.22.1.2 可编程控制器的应用可编程控制器的应用 4 2.1.32.1.3 可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构 4 2.1.42.1.4 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 5 2 2. .2 2 PLCPLC 控制的特点控制的特点 5 2.2.12.2.1 PLCPLC 与继电器控制系统比较与继电器控制系统比较 .5 2.2.22.2.2 P
6、LCPLC 与微型计算机的比较与微型计算机的比较6 3 PLC 控制系统可靠性分析 .8 3 3.1.1 干扰来源的分析干扰来源的分析 8 3.23.2 增强增强 PLCPLC 可靠性的方案可靠性的方案 9 3.23.2 1 1 电源的抗干扰措施电源的抗干扰措施 9 3.2.23.2.2 安装与布线的方案安装与布线的方案 .9 3.2.33.2.3 输入、输出端的抗干扰措施输入、输出端的抗干扰措施 10 3.2.43.2.4 电源和感性负载的处理电源和感性负载的处理 .10 3.2.53.2.5 接地和接线的抗干扰措施接地和接线的抗干扰措施 10 3.2.63.2.6 软件抗干扰措施软件抗干扰
7、措施 .11 3.2.73.2.7 电磁干扰的抗干扰措施电磁干扰的抗干扰措施 12 4 PLC系统冗余技术 13 4.14.1 冗余技术的配置冗余技术的配置 14 4.24.2 冗余技术的具体分类冗余技术的具体分类 .13 4.34.3 冗余设计在冗余设计在 PLCPLC 控制系统中的应用控制系统中的应用 .14 上海建峰职业技术学院 目录 装 订 线 4.3.14.3.1 处理器冗余处理器冗余 14 4.3.24.3.2 通信冗余通信冗余 .14 4.3.34.3.3 I/OI/O 冗余冗余 15 4.3.44.3.4 电源冗余电源冗余 .15 4.44.4 改进的冗余设计方案改进的冗余设计
8、方案 .15 致谢致谢 .17 参考文献参考文献 18 上海建峰职业技术学院 目录 装 订 线 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 - 1 - 装 订 线 1 绪 论 1.1 研究课题的来源 近年来,PLC(可编程序控制器)在其发展过程中,技术功能不断扩展,增加了数值运算、 闭环调节等功能。可编程序控制器的运算速度提高,输入输出规模扩大,并开始与网络和小型机 相连,构成以可编程序控制器为重要部件的控制系统。目前的可编程序控制器已加强了模拟量控 制功能,可以配备各种控制摸板,具有了 PID 调节功能和构成网络系统、组成分级控制功能,实 现了集散控制所完成的功能。 可编程控制器是以微处理
9、器为基础,专门为工业而设计的,操作方便的数字式电子装置。 PLC 最初仅仅是为了地带继电器控制系统而存在,随着科学技术的发展,它渐渐综合了计算机、 自动控制、网络通信等技术,其功能远远超出了继电器系统的功能,在钢铁、化工、制造等领域 得到了越来越广泛的应用,极大的促进了现代工业生产的自动化程度。而 PLC 控制系统的可靠性 直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的 关键。在现代工业控制系统中,虽然 PLC 在设计和制造过程是厂家一采取了多层次的抗干扰措施, 具有一定的稳定性和可靠性,但由于 PLC 的应用范围越来越广,应用区域越来越复杂,所以受到 的
10、干扰也就越来越多,过于恶劣的环境或安装使用不当的情况下,都有可能引起 PLC 内部信息的 破坏。因此,研究 PLC 控制系统干扰的来源问题,以及如何确保其可靠性等问题尤其具有现实意 义。 1.2 国内外先进水平 PLC 在现代工业控制领域中早已得到了广泛的应用。比如在工厂污水处理方面,国外在 80 年 代初期、中期,PLC 系统也已在工厂污水处理设备中应用。仅以 PLC 的控制功能而言,PLC 是严 谨、方便、易编程、易安装、可靠性极高的应用软件平台。PLC 具有丰富的逻辑控制指令和高级 应用指令;PLC 即有自身的网络体系又有开放 I/O 及通讯接口,而且几乎已经发展到了尽善尽美 的地步。在
11、工厂污水处理的过程控制方面,在远程数据通讯和控制方面都具有无可争 议的优势。 我国工厂污水处理技术开发、产品和装备起步较晚,企业规模小,品种单一重复,可控性差, 技术水平落后,用于工厂污水处理的仪表和系统更是寥寥无几。污水处理数据往往采用人工抄写、 人工汇总、人工传递的方法。80 年代后期,我国利用外资引进了国外成套的污水处理设备,从仪 表和控制的可靠性和先进性方面来看,比国产仪表设备具有明显的优势,但国外仪表价格昂贵, 售后服务困难。同时,成套引进的污水处理设备,其仪表和控制系统的技术水平 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 - 2 - 装 订 线 也仅仅是国外 80 年代初期、中
12、期传统的 DCS 和 PLC 系统。 随着微电子技术、通讯技术和控制技术的进步,工业发达国家 90 年代新建的 城市污水处理 厂已普遍采用现场总线技术的网络监控装置及其智能化、数字化现场仪表。 现场总线是用于现场仪表、控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、 互连、多变量、多点、多站的通讯系统。其技术特点是信号传输数字化,控制功能分散化,系统 开发与可互操作,符合环境保护要求,节能节材,造价低廉,维护成本低。 据调查,目前即使一些工厂采取了 PLC,但绝大部分还都只利用了其传统的 控制方式,并 没有充分利用 PLC 的远传功能,部具备环保功能。所以污水处理系统最好具有这方面的功
13、能,本 系统中以 PLC 为主要控制设备并利用了 PLC 的远传功能这样就节省了一大笔费用。 1.3 本课题所做工作 1.3.1 本课题应达目的 本课题是 PLC 控制系统的可靠性分析与关键技术研究,查阅相关资料与书籍,了解 PLC 控制 系统的可靠性,进一步掌握 PLC 控制系统的关键技术。通过这次的课题研究,能够使自身经过设 计的全过程体会如何应用所学知识,并进行一定的自学训练,使其掌握自学方法。为今后的科研 工作打下良好基础。 1.3.2 本课题的内容和要求 PLC 控制系统的可靠性分析,要求:1.了解什么是 PLC 控制系统;2.影响、干扰 PLC 控制系 统可靠性来源;3.针对干扰源
14、分析相应的解决方案。 PLC 控制系统的关键技术分析,要求:1.了解 PLC 控制系统的关键技术;2.分析 PLC 关键技 术在系统中的作用;3.分析了解 PLC 控制系统关键技术的特点。 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 - 3 - 装 订 线 2 可编程控制器 2.1 概述 2.1.1 可编程控制器的产生和功能特点 可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理 器为核心,把自动化技术、计算机技术、通讯技术容为一体的新型工业自动控制装置。目前以被 广泛的应用于生产机械和生产过程自动控制中。 继电接触控制能完成逻辑“与” 、 “非”等功能,实现弱
15、电对强电的控制,且由于结构简单, 价格便宜,掌握容易等优点,因而几十年来已得到了广泛的应用,并在工业控制领域中曾经占据 过主导地位。但继电接触控制系统存在如下缺点:设备体积大,开关动作慢,功能较少,接线复 杂,触电容易损坏,改接麻烦,灵活性较差等。 随着社会的发展,科技的进步,新的控制器件及其控制系统不断涌现。1968 年美国通用汽 车公司(GM)公开招标研制功能更强,使用更方便,价格便宜,可靠性更高的新型控制器。1969 年,美国数字设备公司(DEC)根据 GM 公司的招标要求,研制出世界第一台可编程控制器,型号 为 PDP-14,并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好的使继电接
16、触控制简单易懂,使 用方便,价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强,通用性好的优点结合起来,并将继电接触 控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐渐变为现实。可编程控制器出现以后, 名称很不一致。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制,因此被称为可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller) ,简称 PLC。它只是用来取代继电接触控制,仅有执行继电 器逻辑、定时、技术等较少功能。 20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机,人们把微机技术应用到可编程序控制器 中,使得它兼有计算机的一些功能,不但能用逻辑编程去取代硬连线逻辑,还增加了运算
17、、数据 传送与处理及对模拟量进行控制等功能,使之真正成为一种电子计算机工业控制设备。 1980 年美国电器制造协会把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器 PC。但为了与个 人计算机的专称 PC 相区别,故常常把可编程序控制器简称为 PLC。1987 年,美国电气制造协会 给出的可编程 控制器的定义为:“可编程控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟 I/O 接 口,以位运算为主,能完成逻辑顺序定时计数和算术运算功能,用于控制机器或生产过程 的自动控制装置。 ”随着科学技术的进步和可编程序控制器的不断发展,功能不断增强,其定义 也会发生变化。 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 -
18、4 - 装 订 线 可编程控制器的主要优点:1、编程简单,使用简单;2、可靠性高,抗干扰能力强;3、通 用性好;4、功能强;5、使用方便;6、设计、施工和调试周期短;7、体积小、重量轻、功耗低。 从上述 PLC 的功能特点可见,PLC 控制系统比传统的继电接触控制系统具有许多优点,在许多方 面可以取代继电接触控制。 2.1.2 可编程控制器的应用 长期以来,PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供 了非常可靠的控制应用。但 PLC 也必须依靠采用其他新技术来应对市场份额逐渐减小所带来的冲 击,特别是 IPC(工控机)所带来的冲击。 在全球 IPC 领域,围绕开
19、放与再开放过程控制系统,开放式过程控制软件,开放性数据通信 协议,已经发生巨大变革,几乎到处都有 PLC,但这种趋势不会发展下去。随着 Soft PLC(软 PLC)控制组态软件技术的诞生与进一步发展,安装有 Soft PLC 组态软件和基于 IPC 和过程控制 系统的份额正在逐步得到增长,这些事实传统 PLC 的技术发展与提高方面做出更加开放的姿态。 对于控制软件来讲,这是 PLC 控制器的核心,PLC 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态 工具软件,而且对于工业用户表现的非常积极。此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结 果是将PLC 融入更加开放的工业控制行业。 PLC 及其应用的
20、发展,与信息化,数字化,智能化的世界潮流相联系,与微电子技术的发展 密切发展相关,与控制技术,计算机技术,网络技术,显示技术的发展互为因果,互相补充与促 进,互相融合和渗透. 2.1.3 可编程控制器的基本结构 1. 输入与输出部件: 这是 PLC 与输入控制系统和被控制设备连接起来的部件,输入部件接受从开关、按钮、继电 器触点和传感器等输入的现场控制信号。并将这些信号转换成中央处理器能接受和处理的数字信 号。输出部件接受经过中央处理器处理过的输出数字信号,并将它转换成被控制设备或显示装置 所能接受的电压或电流信号,以驱动接触器、电磁阀、指示器件等。 2.中央处理单元: 中央处理单元包括微处理
21、器、系统程序处理器和用户程序处理器。微处理器是 PLC 的核心部 件,整个 PLC 的工作过程都是在中央处理器的统一指挥和协调下进行的,它的主要任务是按一定 的规律和要求读入被控对象的各种工作状态,然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关 数据,最后再向被控对象送出相应的控制(驱动)信号。存储器是保存系统程序和用户程序的器 件。系统存储器主要用于存放系统正常工作所必需的程序,如管理、监控、指令解释 上海建峰职业技术学院 毕业设计(论文)报告纸 - 5 - 装 订 线 程序,这些程序与用户无直接的关系,已由厂家直接固化进 EPROM 中。用户存储器主要用于存放 用户按控制要求所编制的程序,可
22、通过编程器进行必要的修改。 3. 电源部件: 电源部件是把交流电转换成直流电源的装置,它向 PLC 提供所需要的高质量直流电源。 4. 编程器: 编程器是 PLC 必不可少的重要外围设备。它主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修 改,并用来监视 PLC 的工作状态。 图 2-1 PLC 基本结构图 2.1.4 可编程控制器的工作原理 CPU 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU 的扫描周期包括读输入、执行程序、 处理通信请求、执行 CPU 自诊断测试及写输出等内容。 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他一直周而复始地扫描并执行由系统软 件规定好的任务。用户程序只
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