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可编程控制器（PLC）在经典控制实验室中的设计与实现

Yousif I. Al Mashhadany

伊拉克安巴尔省巴格达大学工程学院电气工程系

邮箱：yousif_phd@hotmail.com

2011年10月31日收到；2011年12月1日修订；2011年12月9日受理

摘要：

在这篇论文里介绍了一种基于PLC控制系统的经典控制系统实验室的设计与实现。系统的设计与实现 ，必须生产两部分。首先是PLC的软件，第二个是硬件相关的实验程序。PLC控制系统设计中采用的是LS工业系统公司gm7-dr40a 24 / 16数字I / O和单一的模拟I/O模块，从Atonic公司引进两光电传感器：第一是与模型br100-ddt-p、第二是ben10m-tfr。一个5-sides近似的传感器检测，由CD4511B驱动四分之一CMOS bcd-7-segment，两继电器：2-poles和3-poles，六个电压和电流表测量，直流电动机和24伏直流电源和许多连接器和小齿轮。通过执行二零四个实验的经典控制理论，满足控制理论在本科阶段，并取代旧的实验PID控制器的实践系统是由PLC控制现在实现了令人满意的结果。

关键词：PLC控制，系统光电传感器。

1介绍：

PLC的开发在1960年底，以消除在改变复杂的继电器为基础的机器控制系统所涉及的巨大成本。这些系统是不灵活的。当每一次生产要求的改变和控制序列必须修改他们的主要布线或全部的布线更换是必要的。当变化频繁它将变得非常昂贵。以灵活的微处理器为基础的可编程逻辑控制器PLC取代继电器系统的想法是一个革命性的步骤，在工业控制业务[上[ 1 ]。

PLC在许多应用中已经使用多年。他们是几个子系统的主要控制元件，需要相对缓慢的数据监测：辐射控制，人身安全，火灾和烟雾报警。所有这些子系统是非常符合成本效益和可靠的。且可以很容易地由熟练的技术人员在没有任何帮助的情况下从控制软件组添加新的设备来控制或改变操作条件，实现新的控制功能。

软件开发工具和对directnet PLC设备支持的一些想法变成了一个新的控制室PLC控制软件库的基础。该软件像一directnet大师通过任何RS-232端口且由三个主要部件组成：一个PLC驱动一个状态机控制块、设备支持模块和通用串行驱动器。

基本PLC的可在一个单一的印刷电路板，如图1所示。他们有时被称为单板PLC或开放式PLC的。这些都是完全独立的（与电源除外），当安装在一个系统中，它们只安装一个控制柜内螺纹螺柱。

印刷电路板上的螺丝端子允许输入、输出和电源线的连接。这些单位一般不可扩展，这意味着额外的输入，输出和内存不能添加到基本单元。然而，一些更复杂的模型可以通过电缆连接到扩展板，可以提供额外的I / O.因此，很少有例外，当使用这种类型的PLC，系统设计者必须注意指定一个单位，有足够的输入，输出和编程能力，以处理目前需要的系统和任何未来的修改以及可能需要。单板PLC的价格低廉，易于编程，体积小，功耗小，但一般来说，他们没有大量的输入和输出，并有一个有限的指令集。它们最适合小型，相对简单的控制应用[ 4 ]。

1. 模型硬件设计

PLC的输入和输出是监视和控制过程的必要条件。这两种输入和输出可以分为两种基本类型：逻辑或连续。考虑灯泡的例子。如果它只能打开或关闭，它是逻辑控制。如果光线可以变暗到不同的水平，它是连续的。 连续值似乎更直观，但逻辑值是首选，因为它们允许更多的确定性，并简化控制。因此对于大多数控制应用程序（和PLC的）使用逻辑输入和输出[ 5 ]。

执行器的输出允许PLC在某个过程中发生某些事情。按相对流行的顺序下面给出流行的致动器的一个简短的列表。

• 电磁阀--逻辑输出，可以切换液压或气动流。
• 电动机起动器--电动机起动时经常会产生大量电流，所以它们需要电动机启动器，电机启动器基本上是大的继电器。
• 伺服电机--从PLC的连续输出可以命令一个可变的速度或位置。

从PLC的输出通常是继电器，也可以是固体电子如直流输出晶体管或交流输出双向晶闸管，连续输出需要特殊的数字模拟转换器输出卡，或者可以用另一个模块的PLC模拟O / P。

输入来自传感器，将物理现象转化为电信号。普及传感器的典型例子如下所列的相对顺序。

• 接近开关--使用电感，电容或光来检测对象逻辑。
• 开关--机械机制将打开或关闭电气触点的逻辑信号。
• 电位器 --使用电阻，测量角位置连续。
• LVDT（线性可变差动变压器）--利用磁耦合连续测量线性位移。
• 光电传感器利用超声波信号检测有限范围内的任何中断。

PLC的输入有几个基本的类型；最简单的是交流和直流输入。源型输入和漏型输入也受欢迎。此输出方法规定设备不提供任何电源。相反，该设备只打开或关闭电流，像一个简单的开关[ 6 ]。

窗体顶端

PLC输入必须将各种逻辑电平转换为数据总线上使用的5VDC逻辑电平。 这可以用类似于图2所示的电路来完成。基本上，电路条件是输入驱动光耦合器。 这将外部电路与内部电路电隔离。 其他电路组件用于防止过电压或反向电压极性。

窗体顶端

PLC输出端必须将PLC数据总线上的5VDC逻辑电平转换为外部电压电平。 这可以用类似于图3所示的电路来完成。基本上，电路使用光耦合器来切换外部电路。 这将外部电路与内部电路电隔离。 其他电路组件用于防止过电压或反向电压极性[7]。

该模型的整体设计如图4所示。本设计的原理图如图5所示。此设计的连接的完整描述是非常复杂的，它有许多细节，因此，我将描述的主要部分的连接只。

1. PLC教练机模型的硬件设计

该教练机的硬件设计由三个主要部分组成：

• PLC模型及其电源主单元

窗体顶端

本设计中使用的PLC模型包含两部分。 第一个提供主要数字PLC，其中包含：RS232连接器将软件程序应用于PLC，24个数字输入通过I00→I23,16的数字输入，O00→O15采用6个公共端口和25针适配器执行 PLC的附加模块。 图6显示了带有电源的PLC的主机。

本单元的第二部分是一个单一的模拟PLC包含所绘制的符号输入模拟双通道（CH0（输入）（0，0，COM0）、CH1（输入）（I1，V1，COM1）），一个模拟输出通道（CH0（输出）（V，V–，I，I–）和25针适配器添加另一个模块（见图6）。

该单元的电源为24 VDC / 5 A包含两个电源端口（见图6）。连接的I/O，PLC通过套齿轮实现板和LED的显示（开/关）。图7给出了PLC单元与实验板之间的连接。

• 传感器，继电器，以及其他一些部分

窗体顶端

教练机包含两种类型的传感器; 具有型号为TURCK Bi15-cp40 APcx sn：15 mm的五面检测的近似传感器，以及BR100-DDT-P和BEN10M-TFR两种型号的光电传感器。 第一个检测到8米范围内的任何中断，第二个检测到8米范围内某个晶体表面的反射。

电路板采用两种继电器：双极和三极24VDC。 图8显示了两个继电器，传感器和电路板中的连接。

许多其他组件用于广泛连接实验，如四个7段，三个数字电流表和三个数字电压表，三个可变电阻20欧姆，执行模数转换器（A / D）和相反（D / A）和两个12VDC端口，两个5VDC端口和四个24 VDC端口的电源。 图9给出了电路板上的电源端口。 图10显示了电流表和转换器A / D。

直流电机型号GMN-3MX027A DC24V，驱动器用于交流和直流电机启动/停止，直流电机和速度控制交流电机的方向和应急控制。 图11给出了电路板和电机驱动器的连接。

窗体底端

• 实验板

该板设计用于实现许多实验，一些实验将连接图绘制在板上，如交通灯控制，I / O PLC测试直流电机和7段。 图12显示了整体电路板设计。

4.PLC培训师模型软件设计

LS工业系统公司GM7-DR40 PLC使用IEC（国际电工技术委员会）公布的国际标准语言。 国际标准语言如LD，SFC，IL可用于选择语言很容易适用于系统。 我用LD（梯形图）来构建实验程序。 图13显示了在通过RS232连接器写入PLC的存储器之前构建程序和模拟指令的主窗口。

在将过程代码写入PLC的存储器之前，必须编写程序中的每个指令。 编译后，我们可以通过该程序模拟程序来检查和解释实际PLC的工作，可以手动进行仿真过程的输入，所有这些过程如图13所示。

5.PLC教练机实验

该教练机旨在实施经典控制实验室的实验，通过PLC控制器代替PID控制器，最终在工业应用中具有广泛的应用。 本实验室实施的实验可根据经典控制方法的应用领域分为三大组：逻辑过程，电力系统和交互式过程控制，其中通过使用该培训师，可以在逻辑过程中进行六个实验，十个实验 在电力系统和八个实验中进行交互式过程控制。 每个实验都有一个板子连接程序和用PLC写入程序，然后运行连接。 例如，交通灯控制的实施可以通过以下程序来讨论：

窗体顶端

1）关闭主电源220VAC并切断24VDC。

2）将（24VDC）从电源连接到（O00 ... O11）的（COM）。

3）按照表1所示的图表，将（O00 ... O11）连接到电路板上的交通灯图。

4）打开主电源220VAC。

5）将交通灯控制梯形图程序下载到PLC。 该程序类似于上一页所示的程序（图13）。

6）接通24VDC时，必须按照表2所示的顺序激活交通灯LED。注意：本实验中的时间值很快用于解释所有过程。

该实验的连接如前一页所示（图12）。

窗体顶端

6.结论

实际结果是实际实现实验中的所有实验和LD程序的仿真结果，可以看出，具有经典控制系统的PLC控制器的实现是必要的。 与古典控制器相比，该实现具有高性能，高精度和更快的响应速度。

教练机为许多实际系统提供实践模拟; 因此非常适合本科生的经典实验室。

7.致谢

特别感谢AL安巴尔大学/工程学院支持我实施PLC培训实验室。

参考文献：

[1] P. Chevtsov, S. Higgins, S. Schaffner and D. Seidman, “PLC Support Software at Jefferson Lab,” Jefferson Lab, Newport News, 2002.

[2] J. R. Hackworth and F. D. Hackworth, “Programmable Logic Controllers: Programming Methods and Applications,” Prentice Hall, Upper Saddle River, p. 13.

[3] L. A. Bryan and E. A. Bryan, “Programmable Controllers Theory and Implementation,” 2nd Edition, Industrial Text Company Publication, Atlanta, 1997.

[4] H. Jack, “Automating Manufacturing Systems with PLCs, Version 4.7,” Copyright (c) 1993-2005 Hugh Jack, 2005.

[5] S. Yurkovich and K. M. Passino, “A Laboratory Course on Fuzzy Control,” IEEE Transactions on Education, Vol. 42, No. 1, 1999, pp. 15-21. [6] A. Sirinterlikci, “Development of a Comprehensive Industrial Controls Course in a Manufacturing Engineering Program,” American Society for Engineering Education, Washington DC, 2006.

[7] X. Yu, X. Feng, C. Xiong and S. Jiaotong, “The Design and Implementation of Elevator Group Control System Research Platform,” Proceedings of the 2009 International Workshop on Information Security and Application, Qingdao, 21-22 Novemb

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