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1、 國(guó)家職業(yè)資格全國(guó)統(tǒng)一鑒定維修電工高級(jí)技師論文（國(guó)家職業(yè)資格一級(jí)）論文題目：PLC在水塔供水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用 姓 名： 身份證號(hào)： 準(zhǔn)考證號(hào)： 所在省市： 廣東省佛山市 所在單位： 南海區(qū)第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校 PLC在水塔供水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用佛山市南海區(qū)第一職業(yè)技術(shù)學(xué)?！菊浚嚎删幊炭刂破?PLC)是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的一種重要的應(yīng)用技術(shù),利用PLC對(duì)水塔供水系統(tǒng)控制，由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大大減少；PLC的用戶程序大部分可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計(jì)和調(diào)試周期；在維修方面，PLC的故障率極低，維修工作量很小。本文詳述了該系統(tǒng)的控
2、制要求、采用PLC控制的設(shè)計(jì)原則及原理分析?！娟P(guān)鍵詞】： PLC 水塔 供水系統(tǒng)控制 一、 概述可編程控制器簡(jiǎn)稱PC或PLC。它是在電氣控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目前，PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制裝置，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。PLC技術(shù)之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動(dòng)化的客觀需要外，主要是因?yàn)樗哂性S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)
3、濟(jì)等問(wèn)題。其主要特點(diǎn)有：1、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是PLC最重要的特點(diǎn)之一。PLC的平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾十萬(wàn)小時(shí)，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施。（1）硬件方面 I/O通道采用光電隔離，有效地抑制了外部干擾源對(duì)PLC的影響；對(duì)供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制了高頻干擾；對(duì)CPU等重要部件采用良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，以減少空間電磁干擾；對(duì)有些模塊設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)、自診斷電路等。（2）軟件方面 PLC采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾導(dǎo)致的故障；在PLC系統(tǒng)程序中設(shè)有故障檢測(cè)和自診斷程序，能對(duì)系統(tǒng)硬件電路等故障實(shí)
4、現(xiàn)檢測(cè)和判斷；當(dāng)外界干擾引起故障時(shí)，能立即將當(dāng)前重要信息加以封存，禁止任何不穩(wěn)定的讀寫操作，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來(lái)的工作。2、編程簡(jiǎn)單、使用方便目前，大多數(shù)PLC采用的編程語(yǔ)言是梯形圖語(yǔ)言，它是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言的電路符號(hào)和表達(dá)式與電氣控制線路圖接近，形象、直觀，很容易讓廣大工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序，使用方便、靈活。同時(shí)，PLC編程器的操作和使用也很簡(jiǎn)單。這也是PLC獲得普及和推廣的主要原因之一。許多PLC還針對(duì)具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)了各種專用編程指令及編程方法，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程。3、功能完善、通用性強(qiáng)現(xiàn)代PL
5、C不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等許多功能。同時(shí)，由于PLC產(chǎn)品的系列化、模塊化，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。4、設(shè)計(jì)安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大大減少。PLC的用戶程序大部分可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計(jì)和調(diào)試周期。在維修方面，由于PLC的故障率極低，維修工作量很??；而且PLC具有很強(qiáng)的自診斷功能，如果出現(xiàn)故障，可根據(jù)PLC上的指示或編程器上提供的故障信息，迅速查明原因，維修極為方便。5、體積小
6、、質(zhì)量輕、能耗低由于PLC采用了集成電路，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低，因而是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。二、控制要求某高層建筑住宅頂上設(shè)有高4.2m的生活水箱，由設(shè)在地下設(shè)備層中的兩臺(tái)水泵為其供水。單臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)功率為33kW，額定電壓為380V。水塔正常水位3.5m，由安裝在水箱內(nèi)的上、下液位開(kāi)關(guān)SU和SD分別對(duì)水箱的上限和下限水位進(jìn)行控制。對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的控制要求如下：( 1 ) 為了減小啟動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)均采用Y/形降壓?jiǎn)?dòng)。降壓?jiǎn)?dòng)至全壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10秒。并且兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)均設(shè)有過(guò)載保護(hù)。( 2 ) 手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA，在手動(dòng)方式工作時(shí)，由操作者分別啟動(dòng)每臺(tái)水泵，水泵之
7、間不進(jìn)行聯(lián)動(dòng)；在自動(dòng)方式下工作時(shí)，由上、下液位開(kāi)關(guān)對(duì)水泵的啟、停自動(dòng)控制，且啟動(dòng)時(shí)要聯(lián)動(dòng)。( 3 ) 兩臺(tái)水泵在正常情況下要求一開(kāi)一備，當(dāng)運(yùn)行中任一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障，備用水泵應(yīng)立即投入運(yùn)行。為了防止備用泵長(zhǎng)期閑置銹蝕，要求備用水泵可在操作臺(tái)上用按鈕任意切換。( 4 ) 在控制臺(tái)上有兩臺(tái)水泵的備用狀態(tài)，運(yùn)行、故障及上、下液位等信號(hào)指示。三、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1） 主電路設(shè)計(jì)兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)均采用Y/形啟動(dòng)方式，主電路控制線路如圖一所示。圖中M1、M2為水泵電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)用3個(gè)接觸器分別控制電源、Y形啟動(dòng)和形運(yùn)行，各電動(dòng)機(jī)均設(shè)有過(guò)載保護(hù)FR1和FR2。為了反映各水泵工作是否正常，在每臺(tái)水泵的壓力出口處設(shè)
8、置壓力繼電器SP1和SP2，將其常開(kāi)觸點(diǎn)接入PLC中。圖一（2） PLC選擇及I/O分配根據(jù)上述控制要求，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)共16個(gè)，輸出信號(hào)共12個(gè)，故選用FX2N-48MR，它可實(shí)現(xiàn)24點(diǎn)輸入，24點(diǎn)輸出的控制，在本系統(tǒng)使用尚有裕量，可供備用。其I/O分配見(jiàn)下表。輸入輸出1#泵備用按鈕SRES1X11#泵電源接觸器KM1Y02#泵備用按鈕SRES2X21#泵Y形接觸器KM2Y11#泵手動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB1X31#泵形接觸器KM3Y22#泵手動(dòng)啟動(dòng)按鈕SB2X42#泵電源接觸器KM4Y4選擇開(kāi)關(guān)SA手動(dòng)X52#泵Y形接觸器KM5Y5自動(dòng)X62#泵形接觸器KM6Y6水位上限觸點(diǎn)SUX71#泵備用指
9、示Y20水位下限觸點(diǎn)SDX102#泵備用指示Y211#泵熱保護(hù)觸點(diǎn)FR1X11水位上限報(bào)警Y222#泵熱保護(hù)觸點(diǎn)FR2X12水位下限報(bào)警Y231#泵壓力繼電器SP1X131#泵故障指示Y242#泵壓力繼電器SP2X142#泵故障指示Y251#泵停止按鈕SB3X152#泵停止按鈕SB4X16故障復(fù)位按鈕SB5X17（3） PLC外部接線圖圖二是所設(shè)計(jì)的PLC系統(tǒng)外部接線示意圖。圖中各接觸器采用交流220V電源，信號(hào)指示部分采用24V直流電源。本次開(kāi)關(guān)量信號(hào)均采用常開(kāi)形式輸入PLC，在編制I/O分配表和繪制PLC接線圖時(shí)，事先通過(guò)PLC手冊(cè)或?qū)嵨锪私馔獠慷俗拥奈恢眉熬幪?hào)。圖二四、 梯形圖設(shè)計(jì)及分析
10、圖三圖三是實(shí)現(xiàn)上述控制任務(wù)的梯形圖，以下分幾方面對(duì)其進(jìn)行分析。（1） 備用選擇控制臺(tái)上的2個(gè)備用選擇按鈕SRES1和SRES2分別與梯形圖輸入點(diǎn)X1和X2相對(duì)應(yīng)。按下任一按鈕時(shí)，可以選擇1#和2#中的任一臺(tái)水泵作備用，備用水泵可用上述按鈕任意切換。 設(shè)選擇2#水泵備用，按下SRES2，則X2為ON，輸出繼電器Y21為ON，控制臺(tái)2#備用指示燈亮。同時(shí)Y21的軟觸點(diǎn)在梯形圖內(nèi)部起控制作用。若將備用水泵改為1#，則需按下SRES1，X1為ON使輸出繼電器Y20為ON，給出1#備用指示，同時(shí)Y20常閉觸點(diǎn)使Y21為OFF，清除2#水泵以前的備用記憶。（2） 上、下液位指示 安裝在水箱內(nèi)的上、下液位開(kāi)
11、關(guān)SU/SD均為常開(kāi)型，與輸入點(diǎn)X7/X10相對(duì)應(yīng)。設(shè)水位上升到上限位置，則X7為ON，在其前沿產(chǎn)生一個(gè)掃描周期的脈沖信號(hào)，該脈沖使輸出繼電器Y22為ON，發(fā)出上限位指示，使電動(dòng)機(jī)停止工作。若水位下降到下限位置，由于觸點(diǎn)SD要斷開(kāi)，使X10為OFF，故用PLF指令在SD斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，從而使輸出點(diǎn)Y23為ON，發(fā)出下限指示。（3） 機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)方式在“自動(dòng)”工作方式下，X6為ON，選擇2#水泵備用，由上面分析可知Y21為ON。當(dāng)水位下降到下限位時(shí)，由上述可知Y23為ON，于是在Y23上升沿產(chǎn)生微分脈沖M4。M4就是用來(lái)使1#水泵首先啟動(dòng)的信號(hào)，具體啟動(dòng)過(guò)程在下面敘述。（4） 機(jī)組的啟動(dòng)及
12、聯(lián)動(dòng) 每臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)接觸器的動(dòng)作順序?yàn)殡娫唇佑|器 Y形連接接觸器 形連接接觸器，梯形圖中，Y0，Y4分別控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的電源；Y1，Y5分別控制2個(gè)Y形連接接觸器；Y2，Y6分別控制2個(gè)形連接接觸器；軟件定時(shí)器T0，T1分別控制每臺(tái)電動(dòng)機(jī)Y/轉(zhuǎn)換時(shí)間10s。 設(shè)“自動(dòng)”方式下選擇2#水泵備用。當(dāng)水位到下限時(shí)，由上面分析可知M4 ，于是有如下過(guò)程：“ ”表示ON狀態(tài)。 Y1 (Y形連接)M4 Y0 (電源引入) T0啟動(dòng)定時(shí)，延時(shí)10s后 Y2 （1#電動(dòng)機(jī)Y/轉(zhuǎn)換完成）T0 Y1斷開(kāi)（5） 機(jī)組的故障檢修 當(dāng)任何一臺(tái)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止該水泵運(yùn)行，并使備用水泵自動(dòng)投入運(yùn)行。為
13、此應(yīng)把發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)在梯形圖中反映出來(lái)。 供水系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障很多，為了盡量全面而又簡(jiǎn)單地表示故障的發(fā)生，可以把出現(xiàn)以下兩種情況之一確定為出現(xiàn)故障的條件： 1）某機(jī)在進(jìn)入正常運(yùn)行后，水泵出水壓力仍然很低。例如：將裝設(shè)在該出水管處的壓力繼電器SPi（i=1,2）的動(dòng)作壓力整定為電動(dòng)機(jī)Y形連接啟動(dòng)時(shí)的壓力。如果進(jìn)入形連接運(yùn)行后管路壓力仍不能使該繼電器動(dòng)作，則說(shuō)明存在各種機(jī)械或電氣故障，使水泵不能正常工作，因此視為故障出現(xiàn)。 2）水泵電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中過(guò)載。裝設(shè)于電動(dòng)機(jī)主電路的熱繼電器可以反映出由于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷工作或由于缺相引起的過(guò)載現(xiàn)象。這時(shí)壓力繼電器不一定動(dòng)作。但屬不正常狀態(tài)，因此也應(yīng)視為故
14、障。 將上述兩種情況相“或”，即可得到任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的故障條件。梯形圖中用輸出繼電器Y24和Y25分別表示1#，2#水泵機(jī)組的故障狀態(tài)，則梯形圖中對(duì)應(yīng)的故障邏輯表達(dá)式為： Y24=Y0*Y2*X13+X11 Y25=Y4*Y6*X14+X12 上式中，X13，X14是與2臺(tái)機(jī)組壓力繼電器輸入信號(hào)（常開(kāi)）相對(duì)應(yīng)的輸入繼電器常閉觸點(diǎn)，當(dāng)出水壓力正常時(shí)，它們均會(huì)斷開(kāi)。X11、X12是與2臺(tái)電動(dòng)機(jī)熱繼電器輸入信號(hào)（常開(kāi)）相對(duì)應(yīng)的輸入繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，它們將會(huì)閉合。 例如1#水泵進(jìn)入正常時(shí)運(yùn)行后，Y0為ON，Y2為ON。這時(shí)若該水泵供水壓力繼電器仍不動(dòng)作（水壓太低），常閉觸點(diǎn)X13將不會(huì)斷
15、開(kāi)。因此，1#水泵故障標(biāo)志Y24為ON。從圖三可見(jiàn)，輸出繼電器Y24接通后一方面發(fā)出燈光或聲音報(bào)警信號(hào)；另一方面其常開(kāi)觸點(diǎn)使Y0和Y2斷開(kāi)，這樣就切斷了1#水泵的電源和形連接狀態(tài)，從而使其停止工作。2#水泵故障時(shí)的處理過(guò)程與1#水泵相同。（6） 故障情況下備用水泵的自動(dòng)投入 當(dāng)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障時(shí)，備用水泵投入運(yùn)行，這時(shí)首先解除備用狀態(tài)，然后才完成備用水泵的投入過(guò)程。a) 備用過(guò)程的解除，梯形圖中的內(nèi)部輔助繼電器M5、M7分別為1#、2#水泵備用情況下解除備用的條件。從它們的邏輯組合關(guān)系可以清楚地看出，任一臺(tái)水泵要解除備用狀態(tài)，條件就是另外一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障，例如當(dāng)常開(kāi)觸點(diǎn)Y24接通（1#機(jī)組出現(xiàn)
16、故障）時(shí)，會(huì)使M9繼電器接通，并用PLS指令轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)M6，則M6可以使2#水泵的備用狀態(tài)Y21復(fù)位，即解除了2#水泵備用。b) 備用水泵自動(dòng)投入設(shè)“自動(dòng)”工作方式下，選擇2#水泵備用。由前面分析可知，由于Y21為ON，2#水泵不會(huì)啟動(dòng)運(yùn)行。如果此時(shí)1#水泵故障，則2#水泵應(yīng)當(dāng)投入工作。若1#水泵在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，則Y24為ON，發(fā)出聲、光報(bào)警，并使Y0為OFF，Y2為OFF。同時(shí)，通過(guò)M9輔助繼電器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，使M6為ON，從而使輸出繼電器Y21為OFF，解除了備用狀態(tài)。但此時(shí)2#機(jī)組尚未啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間繼電器T2啟動(dòng)延時(shí)2秒，T2為ON，這樣2#水泵即備用水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投入。（7） 手動(dòng)
17、控制 手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA是一個(gè)用動(dòng)觸點(diǎn)完成兩種工況切換的開(kāi)關(guān)，因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”位置時(shí)，X5為ON，同時(shí)必有X6為OFF，即手動(dòng)方式建立，自動(dòng)方式自然解除。這時(shí)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)是通過(guò)手動(dòng)按鈕（對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)X3，X4）完成啟動(dòng)任務(wù)的。根據(jù)控制要求，這種工作方式不進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，因此用手動(dòng)狀態(tài)X5的常閉觸點(diǎn)封鎖T2，即解除了各臺(tái)水泵的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。用手動(dòng)按鈕（對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)X3、X4）和手動(dòng)停止按鈕（對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)X15、X16）可以分別對(duì)1#、2#水泵單獨(dú)進(jìn)行控制，具體過(guò)程就不再詳述。五、結(jié)束語(yǔ) 以上分析了水塔供水泵站PLC控制梯形圖的主要功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程雖然以2臺(tái)機(jī)組為背景，但只要留有一定的I/O點(diǎn)裕量，同樣的
18、控制環(huán)節(jié)很容易擴(kuò)展到由多臺(tái)水泵組成的泵群控制中去，顯然，與繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性。PLC與繼電器控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)比較比較項(xiàng)目繼電器控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)由許多繼電器采用接線方式來(lái)完成相應(yīng)的控制功能對(duì)PLC進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)所需控制要求對(duì)生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與接線、適應(yīng)性差只需對(duì)程序進(jìn)行修改，適應(yīng)性強(qiáng)可靠性元器件多、觸點(diǎn)多，容易出現(xiàn)故障采用大規(guī)模集成電路，絕大部分是軟繼電器，可靠性高可擴(kuò)展性困難具有種類齊全的擴(kuò)展單元，擴(kuò)展靈活控制的適時(shí)性機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大，實(shí)時(shí)性差微處理器控制，實(shí)時(shí)性好占用空間與安裝控制柜體積大、笨重，安裝施工工作量大體積小，
19、重量輕，安裝工作量小使用壽命短長(zhǎng)復(fù)雜控制能力差很高測(cè)試、維護(hù)工作量大，不易查找故障有自診能力，維護(hù)工作量小硬件成本較低較高六、 致 謝 在參加維修電工高級(jí)技師的培訓(xùn)過(guò)程中，得到了佛山市高級(jí)技工學(xué)校諸多老師的悉心教導(dǎo)，通過(guò)幾個(gè)月的學(xué)習(xí)，我在自動(dòng)控制理論、PLC、變頻器、觸摸屏方面的知識(shí)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，對(duì)我今后的學(xué)習(xí)工作將起到很大幫助！在此，真誠(chéng)地感謝各位老師，祝各位老師身體健康！事業(yè)順利！家庭幸福！ 參考文獻(xiàn)：1可編程序控制器過(guò)程控制技術(shù)曹輝 霍罡編著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.112可編程序控制器選擇設(shè)計(jì)與維護(hù) 殷洪義主編 ，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.113PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用 周萬(wàn)珍 高鴻斌編著 北京：電子工業(yè)出 2004.14 西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程 吳志敏 陽(yáng)勝峰編著 北 京：中國(guó)電力出版社，20095 變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù) 岳慶來(lái)主編 北京：機(jī) 械工業(yè)出版社，2006.46 自動(dòng)控制技術(shù) 肖建章主編 北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，20047 電氣控制與PLC 楊亞萍主編 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200919
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