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系统硬件设计自动发油控制的硬件构成(一)-自动

2013-06-20 01:25

3 系统硬件设计
3.1管理监控系统的硬件构成
    管理系统主要完成发油过程的监控及配方管理、报表显示、查询、打印等功能。工控机性能可靠，抗干扰能力强，在工控领域被广泛应用。工控机可以根据控制要求，进行板卡的选型设计，从而更好的满足设计要求，因此，在对控制要求高的系统中，选用工控机较为合理，但是，工控机的价格比较昂贵，投资成本比较高。随着电子技术的不断发展，计算机技术的日益成熟，通用PC机的性能完全满足使用要求，所以在设计选型时，监控PC机和管理PC机都选用品牌机。品牌机价格适中，操作方便，内存大，人机界面友好，带有标准的RS-232通信口、打印机接口，易于和外设相连。
3.2自动发油控制的硬件构成
    自动发油控制的主要任务是接收上位机指令并对现场设备和仪表进行控制，是控制系统的核心。我们选用性能可靠、抗干扰能力强的可编程控制器。可编程控制器又称PLC（Programmable Logic Controller）是专为在工业环境下应用而设计。PLC问世以来很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，PLC已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛应用。
3.2.1 PLC特点
   （1）可靠性高、抗干扰能力强PLC不仅CPU模块可以设计冗余，而且系统中的模块也可以是冗余的，这样就极大地增加了应用系统的可靠性，除此之外，PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。此外，对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。当故障条件出现，立刻存储当前状态信息，软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作。从而PLC的可靠性、抗干扰能力大大提高，一般PLC平均故障间隔时间可达几十万小时。

 （2）编程简单、使用方便考虑到企业一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微机的水平，目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式。这是一种面向生产、面向用户的编程方式，比较容易被操作人员所接受并掌握。配套的简易编程器的操作和使用也很简单。
   （3）设计、安装容易，维护工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可通过PLC上的发光二极管指示得知。模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机调试，既安全，又快速方便。大大缩短了应用设计和调试周期。PLC故障率极低，维修工作量很小。
 (4)功能完善、通用性强PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D、D/A转换，数值运算和数据处理等功能。因此，它既可对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制；PLC还具有通信联网功能，可与相同或不同类型的PLC联网，并可与上位机通信构成分布式的控制系统。
   总之，PLC系统的基本特点是：可靠、方便、通用、低廉。
3.2.2 PLC的基本组成
 PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机，因此它的组成部分与一般的微机装置类似。整体式PLC逻辑框图如图3-1所示。它主要由中央处理单元CPU、输入/输出部件、存储器、通信接口、I/O扩展口等部分组成。其中CPU是PLC的核心，它通过输入装置读入外设的状态，由用户程序去处理，并根据处理结果通过输出装置去控制外设。输入/输出亦称I/O部件，是连接现场设备与CPU之间的接口电路。存储器主要存储系统程序、用户程序及工作数据。通信接口用于与编程器和上位机连接。I/O扩展口是连接I/O扩展单元与PLC本机的接口电路，主要用来扩展I/O点数。 （科教范文网 lw.nSeAc.com编辑发布）
 
 

图3-1 整体式PLC逻辑框图
Fig.3-1 Logic diagram of integral PLC
 3.2.3 PLC的工作原理
 PLC运行时，内部要进行一系列操作，大致可以分为四大类：以故障诊断、通信处理为主的公共操作，联系工业现场的数据输入和输出操作，执行用户程序的操作，以及服务于外部设备的操作。
 PLC的工作过程与其它计算机系统一样，CPU采用分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，随着时间的延伸一个动作接着一个动作顺序地进行。这种分时操作进程称为CPU对程序的扫描。PLC在一个扫描周期的开始，首先将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中；CPU根据映像寄存器中的输入状态从头至尾执行应用程序指令并将程序执行的结果存入输出映像寄存器中；处理通讯请求和CPU自诊断测试相继执行；在每个扫描周期的结尾,CPU把存储在映像寄存器中的数据写到物理输出点上，然后开始新的一轮扫描。PLC就是这样周而复始地重复扫描循环[4]。         
3.2.4自动发油控制的S7-200PLC配置
 在本课题中，根据自动发油控制系统的特点和要求，我们选择西门子公司的S7-200CPU226作为下位机。S7-200PLC配置有以下几点：
   （1）本机I/O和扩展I/OS7-200系列CPU本身具有一定数量的I/O点（24I/16O），同时大部分型号的PLC支持外加的数字和模拟扩展I/O模块。CPU模块提供的本机I/O具有固定的I/O地址。可以把扩展I/O模块接至CPU右边以增加I/O点数。
   （2）输入滤波器可以为本机开关量输入点选择输入滤波器，并可定义延迟时间（0.2-12.8ms）。这个延迟时间有助于滤除输入噪声，以免引入输入状态不可预测的变化。输入滤波器是CPU配置数据的一部分，可下装而且存储在CPU存储器中，可以通过STEP7下的System Block选项来选择输入滤波器选项。

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 （3）脉冲捕捉，每个本机开关量都具有脉冲捕捉功能。它可以让PLC捕捉到持续时间很短的高电平脉冲或低电平脉冲。在正常扫描下，CPU不是总能读取到这样的开关量输入。当一个输入端子设置为脉冲捕捉时，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描循环刷新周期。用这样的方法，一个持续时间很短的脉冲信号被捕捉到，并保持到CPU读到该输入信号为止，以确保不丢失脉冲。
 （4）设置输出状态，在PLC的循环扫描执行过程中，随机或突然的不明原因的停机是不可避免的，此时要求PLC停机后的输出状态要能够保证被控设备处于安全状态。为此，S7-200PLC为输出点提供了两种保持性能：一种是预置开关量输出点在CPU变为STOP方式后为已知值；另一种是设置开关量输出保持CPU变为STOP方式之前的状态。
 （5）高速I/OS7-200为控制高速事件提供了高速I/O。S7-200CPU具有高速计数器功能,这些计数器可以记录20kHz的事件，并不影响CPU的性能[5]。
 CPU226提供了6个高速计数器，每个