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1、南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文5第 2 章 基于 PLC 的教学楼照明节能控制系统硬件设计2.1 PLC 的选择及设计2.1.1 PLC 的简介可编程控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller）,是指在继电器控制的基础上，以微处理器为核心，将自动控制技术、计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。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
2、整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC 的特点有：1.使用方便，编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2.功能强，性能价格比高一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC 的安装接线也很方便，
3、一般用接线端子连接外部接线。PLC 有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。4.可靠性高，抗干扰能力强PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。5.系统的设计、安装、调试工作量少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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容
4、易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC 上南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文6的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。6.维修工作量小，维修方便PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故PLC
5、的基本结构与微型计算机相同，由硬件系统和软件系统两部分构成。如图 2-1 PLC 硬件系统结构框图所示，主要由，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与 CPU 的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。图 2-1 PLC 硬件系统结构框图PLC 的工作方式为循环扫描方式，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。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。其工作过程大致分为 3 个阶段：输入采样、程序执行和输入采样、程序执行和输出
6、刷新 。PLC 的编程语言分为五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC） 、梯形图（LD） 、功能模块图（FBD）三种图形化语言和指令表（IL ） 、结构文本（ST）两种文本语言。顺序功能图是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能模块图是图形化语言，指令表、结构文本两种文本语言，梯形图的应用直观，与指令表可以相互转换。南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文72.1.2 PLC 的选择PLC 的选择原则是以工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。可编程逻辑控制器及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，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，明确
7、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、确定可编程逻辑控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程逻辑控制器和设计相应的控制系统。一、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。二、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。按数字量I/O 点数的 1015 倍，加上模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的
8、总字数（16 位为一个字） ，另外再按此数的 25%考虑余量。三、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。四、可编程逻辑控制器的类型可编程逻辑控制器按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按 CPU 字长分为 1 位、4 位、8 位、16 位、32 位、64 位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。五、 转换原理1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。2. 模数转换器是将
9、模拟信号转换成数字信号的系统，是一个滤波、采样保持和编码的过程。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。PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一南
10、京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文8等因素。一、合理的结构型式PLC 主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式 PLC 的每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小；而模块式 PLC 的功能扩展灵活方便,在 I/O 点数、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般于较复杂的控制系统。二、安装方式的选择PLC 系统的安装方式分为集中式、远程 I/O 式以及多台 PLC 联网的分布式。三、相应的功能要求一般小型(低档)PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主,带少量模拟量控制的系统,可
11、选用能带 A/D 和 D/A 转换单元,具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档 PLC。对于控制较复杂,要求实现PID 运算 、闭环控制、通信联网等功能,可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档 PLC。但是中、高档 PLC 价格较贵,一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。四、响应速度要求PLC 是为工业自动化设计的通用控制器,不同档次 PLC 的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用 PLC,或者某些功能或信号有特殊的速度要求时,则应该慎重考虑 PLC 的响应速度,可选用具有高速 I/O 处理功能的 PLC,或选用具有快速响应模块和中断输入模块的 PLC 等。五
12、、系统可靠性的要求对于一般系统 PLC 的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。六、机型尽量统一一个企业,应尽量做到 PLC 的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：1)机型统一 ,其模块可互为备用,便于备品备件的采购和管理。2)机型统一 ,其功能和使用方法类似,有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3)机型统一 ,其外部设备通用,资源可共享,易于联网通信,配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。三菱公司是日本生产 PLC 的主要厂家之一，先后推出的小型、超小型 PLC 有F、F1、F2、 FX2、FX1 、 FX2C、FX0N、FX2N、 FX2NC
13、 而 FX2n 系列是 FX 系列PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。综上所述，再根据本课题设计 4X4 的教学楼共有 16 间教室，需要的 IO 点数。按南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文9照要求是要选择 FX2N-64MR，可是学校中实验室都为 FX2N-48MR。所以本课题研究选择 FX2N-48MR 型号的 PLC。2.1.3 PLC 的输入输出分配表及接线图1、下表 2-1 为 P
14、LC 的输入输出分配表，左边为输入部分，右边为输出部分，将设备名称、代号、编号都列入表格内中。表 2-1 PLC 输入输出分配表输 入 输 出设备名称 代号 输入点编号 设备名称 代号 输出点编号启动按钮 SB1 X000 101 照明控制继电器 KM1 Y000停止按钮 SB2 X001 102 照明控制继电器 KM2 Y001时间调节按钮 SB3 X003 103 照明控制继电器 KM3 Y002101 光电传感器 SB4 X004 104 照明控制继电器 KM4 Y003102 光电传感器 SB5 X005 201 照明控制继电器 KM5 Y004103 光电传感器 SB6 X006 2
15、02 照明控制继电器 KM6 Y005104 光电传感器 SB7 X007 203 照明控制继电器 KM7 Y006201 光电传感器 SB8 X010 204 照明控制继电器 KM8 Y007202 光电传感器 SB9 X011 301 照明控制继电器 KM9 Y010203 光电传感器 SB10 X012 302 照明控制继电器 KM10 Y011204 光电传感器 SB11 X013 303 照明控制继电器 KM11 Y012301 光电传感器 SB12 X014 304 照明控制继电器 KM12 Y013302 光电传感器 SB13 X015 401 照明控制继电器 KM13 Y014
16、303 光电传感器 SB14 X016 402 照明控制继电器 KM14 Y015304 光电传感器 SB15 X017 403 照明控制继电器 KM15 Y016401 光电传感器 SB16 X020 404 照明控制继电器 KM16 Y017402 光电传感器 SB17 X021403 光电传感器 SB18 X022404 光电传感器 SB19 X023101 门外 A 点红外 SB20 X024南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文102、下图 2-2 为 FX2N-48MR 的 PLC 外部接线图，左边为输入端，右边为输出端，共同连接一个外部电源 24V。101 门内 B 点红外 SB21 X025年、日、秒切换按钮 SB22 X026月、分、星期切换按钮SB23 X027南京师范大学电气自动化工程学院毕业设计论文11图 2-2 PLC 外部接线图2.2 红外传感器及光电传感器的选择2.2.1 红外传感器及光电传感器的选择一、红外传感器热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸
