恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制

恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制,供水系統(tǒng),plc,控制,節(jié)制 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 1 頁 中文摘要 本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，說明了可編程控制器（PLC） 在恒壓供水系統(tǒng)中所擔(dān)任的角色。從系統(tǒng)的整體設(shè)計方案和實際需求分析開始，緊密的聯(lián) 系實際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，解決實際中問題，保證供水安 全、快捷、可靠。恒壓供水保證了供水質(zhì)量，以 PLC 為主機的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制 功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出。以方面要求提高供水質(zhì) 量，不要因為壓力的波動造成供水的障礙；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在 發(fā)生火災(zāi)時能可靠供水。針對這兩方面的要求，新的供水方式和控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，這就 是 PLC 控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)。恒壓無塔供水系統(tǒng)包括生活用水的恒壓控制和消防用 水的恒壓控制即雙恒壓系統(tǒng)。恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，以 PLC 為主機的控制系 統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵字: PLC；恒壓供水；變頻器 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 2 頁 ABSTRACT This text has introduced the basic principle that constant voltage supplies water and foundation that the system form , have stated the role served as of the programmable controller (PLC ) in the water -supply system of constant voltage. Since the whole design plan of the system and actual demand are analysed, the need of close life of intergrating with practice, make every effort to make sure to make the system run steadily, easy and simple to handle, solve and hit the problem actually, guarantee to supply water of the security, swift , reliable. Constant voltage has supplied water and guaranteed to support the water quality amount, the control system taking PLC as host computer has enriched the systematic control function, have improved systematic dependability Keywords: PLC (PROGRAMMABLE CONTROLLER ) CONSTANT VOLTAGE SUPPLIES WATER FREQUENCY CONVERTER 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 3 頁 目 錄 第一章 恒壓供水原理及工藝 .5 1.1 工藝要求 .5 1.2 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 .5 第二章 PLC 概述 .6 2.1 PLC 的組成 .6 2.1.1 PLC 的輸入 .6 2.1.2 PLC 的輸出 .6 2.1.3 PLC 的定義 .6 2.1.4 PLC 的特點 .7 2.1.5 PLC 的性能指標(biāo) .7 2.1.6 PLC 的分類 .7 2.2 PLC 工作原理 .8 2.2.1 循環(huán)掃描 .8 2.2.2 I/O 響應(yīng)時間 .8 2.2.3 PLC 中的存儲器 .8 2.3 PLC 的編程語言 .9 2.3.1 PLC 的編程結(jié)構(gòu)功能圖 .9 2.3.2 梯形圖編程語言 .9 2.4 PLC 的分類 .10 2.4.1 按 I/O 點數(shù)容量分類 .10 2.4.2 按結(jié)構(gòu)形式分 .11 2.5 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 .11 2.6 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .12 2.6.1 單機控制系統(tǒng) .12 2.6.2 集中控制系統(tǒng) .12 2.6.3 分散控制系統(tǒng) .12 2.7 PLC 網(wǎng)絡(luò)及特點 .13 2.7.1 網(wǎng)絡(luò)概述 .13 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 4 頁 2.7.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) PLC 的影響 .13 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .14 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 .14 3.2 系統(tǒng)控制要求 .15 3.3 控制系統(tǒng)的 I/O 點及地址分配 .15 3.4 系統(tǒng)選型 .16 3.5 PLC 模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 .17 3.5.1 校準(zhǔn)及配置 .17 3.5.2 EM235 工作程序編制 .17 3.5.3 電氣控制系統(tǒng)原理圖 .17 第四章 系統(tǒng)程序設(shè)計 .19 4.1 由“恒壓” 要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 .19 4.2 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn) .19 參考文獻(xiàn) .28 致謝 .28 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 5 頁 第一章 恒壓供水原理及工藝 1.1 工藝要求 對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： （1）生活供水時，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運行； （2）三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先?！钡脑瓌t介入和退出； （3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行的時間超過 3H，則要切換到下一臺 泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能” ，避免某一臺泵工作時間過長； （4）三臺泵在啟動時要又軟啟動功能； 1.2 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 以一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，市網(wǎng)來水用高低水 位控制器 EQ 來控制注水閥 TV1，它們自動把水注滿儲水池，只要水位低于高水位，則自 動往水箱中注水。水池的高/ 低水位信號也直接送給 PLC，作為底水位報警用。為了保障 供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺 泵，平時電磁閥 YV2 處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一 定的控制邏輯運行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生 時，電磁閥 YV2 得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的大 小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后三臺泵再改為生 活供水使用。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 6 頁 第二章 PLC 概述 2.1 PLC 的組成 2.1.1 PLC 的輸入 通過對繼電器控制特點的介紹和最初通用汽車公司提出的要求分析。PLC 要想取 代繼電器控制，首先要解決外部設(shè)備的直接輸入問題。由于當(dāng)時主要集中在開關(guān)量控制， 也就是開關(guān)量（觸點的開閉狀態(tài)）如何直接接入 PLC 并被 PLC 所識別，對此就需要解決 以下幾個問題：有源接入，無源接入，絕緣問題，隔離問題和互相干擾問題。 2.1.2 PLC 的輸出 輸出問題主要是接點的驅(qū)動能力問題，或者說是帶負(fù)載能力和輸出方式的問題。 輸出動作次數(shù)的限制，是保證 PLC 的輸出接點能否驅(qū)動接觸器、電磁閥這樣的控制執(zhí)行 元器件的問題至少要能直接驅(qū)動中間繼電器。 2.1.3 PLC 的定義 最初，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC。只能進(jìn)行計數(shù)、 定時及開關(guān)量的邏輯控制。1987 年 2 月，國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義 是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它 采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計 數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機械 和生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、 易于擴充功能的原則設(shè)計。 2.1.4 PLC 的特點 （1）可靠性高。在 I/O 環(huán)節(jié)， PLC 采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程序和 大部分的用戶程序都采用 EPROM 存儲，一般 PLC 的平均無故障工作時間可達(dá)幾萬小時以 上。 （2）控制功能強。PLC 采用的 CUP 一般是具有較強位處理功能的為處理機，為了增 強其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙 CPU 的運行方式，使其功能得 到極大的增強。 （3）體積小、重量輕、功耗底。 （4）性價比高。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 7 頁 （5）模塊化結(jié)構(gòu)，擴展能力強。根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行不同功能的擴展和組裝，一種 型號的 PLC 可用于控制從幾個 I/O 點到幾百個 I/O 點的控制系統(tǒng)。 （6）維修方便，功能更靈活。程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的改變 非常靈活。 2.1.5 PLC 的性能指標(biāo) （1）存儲容量 這里專指用戶存儲器的存儲容量，它決定了用戶所編程序的長短。大、中、小型 PLC 的存儲容量變化范圍一般為 2KB2MB。 （2）I/O 點數(shù) I/O 點數(shù)，即 PLC 面板上的 I/O 端子的個數(shù)。I/O 點數(shù)越多，外部可以連接的 I/O 器 件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。 （3）指令的多少 她是衡量 PLC 能力強弱的標(biāo)志，決定了 PLC 的處理能力、控制能力的強弱。限定了 計算機發(fā)揮運算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 （4）內(nèi)部寄存器的配置和容量 它直接對用戶編制程序提供支持，對 PLC 指令的執(zhí)行速度及可完成的功能提供直接 的支持。 （5）擴展能力 擴展能力包括 I/O 點數(shù)的擴展和 PLC 功能的擴展兩方面的內(nèi)容。 （6）特殊功能單元 特殊功能單元種類多，也可以說 PLC 的功能多。典型的特殊功能單元有模擬量、模 糊控制連網(wǎng)等功能。 2.1.6 PLC 的分類 不同的分類標(biāo)準(zhǔn)會造成不同的分類結(jié)果，PLC 常用的分類方式有如下兩種。 按其 I/O 點數(shù)一般分為微型（ 32 點以下） 、小型（128 點以下） 、中型（1024 點以下） 、 大型（2048 點以下） 、超大型（從 2048 點以上可達(dá) 8192 點以上）5 種。 按結(jié)構(gòu)可分為箱體式、模塊式和平板式 3 種。 2.2 PLC 工作原理 2.2.1 循環(huán)掃描 CUP 連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CUP 的掃描周期包括讀輸入、 執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行 CUP 自診斷測試及寫輸出等等內(nèi)容。 循環(huán)掃描有如下特點： （1）掃描周期周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 8 頁 （2）輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個周期內(nèi)輸入映 像寄存器的值保持不變，CUP 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像寄存器的值來 控制程序的執(zhí)行。 （3）對同一個輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。 （4）各個電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要缺點。 在讀輸入階段，CUP 對各個輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點的狀態(tài)鎖入 映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，CUP 按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ?條指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時將執(zhí) 行結(jié)果寫入輸出映象寄存器。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄 存器的內(nèi)容也不會改變輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個周期的輸入階段才被集中讀入。 2.2.2 I/O 響應(yīng)時間 由于 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，而且對輸入和輸出信號只在沒個掃描周期的固 定時間集中輸入/輸出，所以必然會產(chǎn)生輸出信號相對輸入信號滯后的現(xiàn)象。掃描周期越長， 滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。 響應(yīng)時間有輸入延遲、輸出延遲和程序執(zhí)行時間部分決定。 （1）PLC 輸入電路設(shè)置了濾波器，濾波器的常數(shù)越大，對輸入信號的延遲作用越強。 輸入延遲是由硬件決定的，有的 PLC 濾波器時間常數(shù)可調(diào)。 （2）從輸出鎖存器到輸出端子所經(jīng)歷的時間稱為輸出延遲，對于不同的輸出形式，其 值大小不同。它也是由硬件決定的，對于不同信號的 PLC 可以通過查表得到。 （3）程序執(zhí)行時間主要由程序長短來決定，對于一個實際的控制程序，編程人員須對 此進(jìn)行現(xiàn)場測算，使 PLC 的響應(yīng)時間控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。 2.2.3 PLC 中的存儲器 PLC 中的存儲器按用途分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數(shù)據(jù)存儲器。 （1）系統(tǒng)程序存儲器中存放的是廠家根據(jù)其選用的 PLC 的指令的系統(tǒng)編寫的系統(tǒng)程 序，它決定了 PLC 的功能，用戶不能更改其內(nèi)容。 （2）用戶程序存儲器用來存儲根據(jù)控制要求而編制的用戶應(yīng)用程序。 （3）用來存儲工作數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為工作數(shù)據(jù)區(qū)。 2.3 PLC 的編程語言 PLC 的硬件系統(tǒng)中，與 PLC 的編程應(yīng)用關(guān)系最直接的要算數(shù)據(jù)存儲器。計算機運行 處理的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在存儲區(qū)中，找到待處理的數(shù)據(jù)一定要知道數(shù)據(jù)的存儲地址。 PLC 和其他的計算機一樣，為了使用方便，數(shù)據(jù)存儲器都作了分區(qū)，為了每個存儲單 元編排了地址，并且經(jīng)機內(nèi)系統(tǒng)程序為每個存儲單元賦予了不同的功能，形成了專用的存 儲元件。這就是前面提到過的編程的“軟”元件。為了理解方便，PLC 的編程元件用“繼 電器”命名， 認(rèn)為它們象繼電器一樣具有線圈以及觸點，并且線圈得電，觸點動作。當(dāng) 然這個線圈和觸點只是假象，所謂線圈得電不過是存儲單元置 1，線圈失電，不過就是存 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 9 頁 儲單元置 0，也正因為如此，我們稱之為“軟”元件。但是這種“軟”繼電器也有個突出 的好處，可以認(rèn)為它們具有無數(shù)多對動合動斷觸點，因此每取用一次它的觸點，不過是讀 一次它的存儲數(shù)據(jù)而已。 2.3.1 PLC 的編程結(jié)構(gòu)功能圖 任何語言都有編程的對象和基礎(chǔ)，重要介紹梯形圖語言和語句表語言，而功能圖是理 解這兩種語言的基礎(chǔ)。如圖 3 所示為 PLC 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖。 PLC 與被控對象所連接的只是 I/O 條件，而 I/O 之間的組合控制關(guān)系需要用軟件的方 法來描述清楚，梯形圖是一種描述方法，當(dāng)然還有語句等表示其他的語言。語言的支持取 決于廠家開發(fā)的系統(tǒng)程序只要將其輸入 PLC 的用戶程序存儲器中， PLC 就能夠直接解釋 并實現(xiàn) I/O 間的控制關(guān)系。當(dāng)控制關(guān)系發(fā)生改變時，只要修改梯形圖程序，重新輸入到 PLC 的存儲器即可，從而快捷的改變生產(chǎn)工 C O M 4 0 1 4 0 2 4 0 3 4 0 4 4 0 5 4 0 6 4 0 7 4 0 8 4 3 1 4 3 1 4 3 3 4 3 2 4 3 2 4 3 3 4 3 4 4 3 4 S b 輸出繼電器 X 4 0 2 X 4 0 4 Y 4 3 1 Y 4 3 1 X 4 0 2 M 1 0 1 T 4 5 1 K 1 1 Y 4 3 1 Y 4 3 2 Y 4 3 3 Y 4 3 4 輔助繼電器 外部輸出觸點 輸入繼電器 S Q S P 輸出信號 外部輸入 設(shè)備 輸出信號 外部 負(fù)載設(shè)備 圖 3 PLC 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖 2.3.2 梯形圖編程語言 PLC 是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制的，作為一種專用計算機，為了適應(yīng)其應(yīng)用領(lǐng)域，一 定有其專用的語言。PLC 的編程語言有多種，如梯形圖、語句表、功能圖、邏輯方程等。 梯形圖編程語言是一種圖形語言，具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點；語句表編程語 言類似計算機的匯編語言，用助記符來表示各種指令的功能，是 PLC 用戶程序的基礎(chǔ)元 素。 如圖 4 所示是用 PLC 控制的梯形圖程序，可完成與繼電器控制的電動機直接起、停 （起、保、停）繼電器控制電路圖相同的功能。 按鈕 的常開觸點 按鈕 的常 閉觸點 繼電器 的線圈 繼 電器 的常開觸點 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 10 頁 圖 4 梯形圖 為了充分發(fā)揮 CUP 的邏輯運算功能，設(shè)置了大量的稱為盒的附加命令，如定時器、 計算器、格式轉(zhuǎn)換、模擬量 I/O、PID 調(diào)節(jié)或數(shù)學(xué)運算指令等，充分的發(fā)揮了計算機的強 大計算功能，他們與內(nèi)部繼電器一起完成 PLC 的各種復(fù)雜控制功能。 2.4 PLC 的分類 PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)有了多種形式，而且功能也不盡相同，分類時，一般按以下原 則來考慮 2.4.1 按 I/O 點數(shù)容量分類 一般而言，處理 I/O 點數(shù)越多，則控制關(guān)系就 比較復(fù)雜，用戶要求的程序存儲器容 量比較大，要求 PLC 指令及其他功能比較多，指令執(zhí)行的過程也比較快。按 PLC 的輸入、 輸出點數(shù)的多少可將 PLC 分為以下三類。 （1）小型機 小型機 PLC 的功能一般以開關(guān)量控制為主，小型 PLC 輸入、輸出點數(shù)一般在 256 點 以下，用戶程序存儲器容量在 4K 左右。 典型的小型機有 SIEMENS 公司的 S7-200 系列、OMRON 公司的 CPM2A 系列、 MITUBISH 公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整體式 PLC 產(chǎn)品。 （2）中型機 中型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)在 2562048 點之間，用戶程序存儲器容量達(dá)到 8K 字 左右。典型的中型機有 SIEMENS 公司的 S7-300 系列、OMRON 公司的 C200H 系列、AB 公司的 SLC500 系列等模塊式 PLC 產(chǎn)品。 （3）大型機 大型 PLC 的輸入、輸出總點數(shù)在 2048 點以上，用戶程序儲存器容量達(dá)到 16K 以上。 大型 PLC 的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計算機相當(dāng)，它具有計算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有 強大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些 PLC 還具有冗余能力。典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7-400、OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列、AB 公司的 SLC5/05 等系 列。 2.4.2 按結(jié)構(gòu)形式分 根據(jù) PLC 結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC 主要可分為整體式和模塊式兩類。 （1）整體式結(jié)構(gòu) 整體式結(jié)構(gòu)的特點是將 PLC 的基本部件，如 CUP 板、輸入板、輸出板、電源板等緊 湊的安裝在一個標(biāo)準(zhǔn)的機殼內(nèi)，構(gòu)成一個整體，組成 PLC 的一個基本單元（主機）或擴 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 11 頁 展單元。微型和小型 PLC 一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的 S7-200 （2）模塊式結(jié)構(gòu) 模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC 是由一些模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)模塊如 CUP 模塊、輸入模塊、 輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個模塊 功能是獨立的，外型尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。 目前大、中型 PLC 都采用這種方式。如西門子的 S7-300 和 S7-400 系列。 2.5 PLC 與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 PLC 梯形圖與繼電器控制電路圖非常相似，主要原因是 PLC 梯形圖大致上沿用了繼 電器控制的元件符號和術(shù)語，僅個別之處有不同。同時，信號的輸入/輸出形式及控制功能 也基本上是相同的，但是 PLC 的控制與繼電器的控制又有根本的不同之處，主要表現(xiàn)在 以下幾個方面。 （1）邏輯控制 繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時繼電器 的滯后動作等組合成控制邏輯，其接線多而復(fù)雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng) 構(gòu)成后，想改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點數(shù)目有限，每個只有 48 個 對觸點。因此，靈活性和擴展性很差。而 PLC 采用存儲器邏輯，其控制邏輯以程序方式 存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線” 。因此靈活性和 擴展性都很好。 （2）工作方式 電源接通時，繼電器控制電路中各個繼電器都同時處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)該吸 合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合，它屬于并行工作方式。而的控制邏輯中， 各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描過程中，屬于串行工作方式。 （3）可靠性和可維護(hù)性 繼電器控制邏輯使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點開閉時會受到電弧的損壞，并 有機械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。而 PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān) 動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，體積小、壽命長、可靠性高。PLC 還配有自監(jiān)和監(jiān)督 功能，能檢查出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情 況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)提供了方便。 從以上幾個方面的比較可知，PLC 在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、 通用性強、設(shè)計施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便。但是 在很小的系統(tǒng)中使用時，價格要高于繼電器系統(tǒng)。 2.6 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 使用 PLC 可以構(gòu)成多種形式的控制結(jié)構(gòu)，下面介紹幾種常用的 PLC 控制系統(tǒng)。 2.6.1 單機控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 12 頁 單機控制系統(tǒng)是較普通的一種 PLC 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺 PLC 控制一個對象， 控制系統(tǒng)要求的 I/O 點數(shù)和存儲器容量都比較小，沒有 PLC 的通訊問題，采樣條件和執(zhí)行 結(jié)構(gòu)都比較集中，控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡單明了。 如圖 5 所示是一個簡單的單機控制系統(tǒng)，圖中 PLC 可以選用任何一種類型。在單機 控制系統(tǒng)中由于控制對象比較確定，因此系統(tǒng)要完成的功能一般較明確，I/O 點數(shù)、存儲 器容量等參數(shù)的余量適中即可等參數(shù)的余量適中即可。 圖 5 簡單的單機控制系統(tǒng) 2.6.2 集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)用儀態(tài)功能強大的 PLC 監(jiān)視、控制多個設(shè)備，形成中央集中式的控制 系統(tǒng)。其中，各個設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)，連鎖關(guān)系、運行順序等統(tǒng)一由中央 PLC 來完成，如 圖 6 示 P L C 控制對象 A 控制對象 B 控制對象 C 圖 6 集中控制系統(tǒng) 2.6.3 分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 7 所示，每一個控制對象設(shè)置一臺 PLC，各臺 PLC 可以通 過信號傳遞進(jìn)行內(nèi)部連鎖、響應(yīng)或發(fā)令等，或者由上位機通過數(shù)據(jù)通信總線進(jìn)行通訊。 P L C 控 制 對 象 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 13 頁 上機位 PLC A PLC B PLC C 控制對象 A 控制對象 B 控制對象 C 圖 7 分散控制系統(tǒng) 2.7 PLC 網(wǎng)絡(luò)及特點 2.7.1 網(wǎng)絡(luò)概述 分散控制系統(tǒng)的控制思想就是集中操作、分散操作。一個實際的工業(yè)控制過程中是 比較復(fù)雜的，一個控制過程可能由多個控制任務(wù)完成。這些控制任務(wù)既有獨立性，有與其 他任務(wù)有聯(lián)系，而這些相對獨立的任務(wù)需要構(gòu)成一個整體。當(dāng)控制系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模時， 分散控制系統(tǒng)解決方案并不理想，因此許多廠家開發(fā)了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。雖然現(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò) 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題還沒有同意的標(biāo)準(zhǔn)，但是很顯然，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比分散控制系統(tǒng)更能準(zhǔn) 確的描述現(xiàn)實控制系統(tǒng)，并且控制、改變更加靈活，組態(tài)也更容易，能夠?qū)崿F(xiàn)管控一體化 的控制思想。 2.7.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) PLC 的影響 PLC 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展，使 PLC 的應(yīng)用更加廣泛。許多 PLC 產(chǎn)品都在 PLC 上加上 了具有網(wǎng)絡(luò)功能的硬件和軟件，因此，組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)非常方便。 PLC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對任何一 個站的操作都和使用同 PLC 一樣方便，并且在網(wǎng)絡(luò)中任何一個站都可以對其他站的元件 及數(shù)據(jù)乃至程序進(jìn)行操作。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 14 頁 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 隨著 PLC 功能的不斷完善和提高，PLC 幾乎可以完成工業(yè)領(lǐng)域的所以控制任務(wù)。但 是 PLC 還是有最適合它的應(yīng)用場合，所以接到一個控制任務(wù)以后，要分析被控對象的控 制過程和要求，看看用什么控制設(shè)備來完成該任務(wù)最合適。其實現(xiàn)在的可編程不僅處理開 關(guān)量，而且對模擬量的處理能力也很強。所以在很多情況下也可以取代工業(yè)控制計算機 （IPC）作為主控器 控制對象以及控制裝置確定后，還要進(jìn)一步確定 PLC 的控制范圍。一般來說，能夠 反映生產(chǎn)過程的運行情況，能用傳感器直接測量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由 PLC 控制來完成。 當(dāng)某一個控制任務(wù)決定由 PLC 來完成后。選擇 PLC 就成為最重要的事情。選擇多大 容量的 PLC,首先要對控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的 I/O 點找出來，包括開關(guān)量 I/O 模擬量 I/O 以及這些 I/O 點的性質(zhì)。I/O 點是性質(zhì)主要是指他們是直流信號還是交流信號， 它們的電源電壓?？刂葡到y(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流 220V 的接觸 器、電磁閥，又有直流 24V 的指示燈，則最后選用的 PLC 的輸出點有可能大于實際點數(shù)。 因為 PLC 的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組的輸出只能有一個電源的種 類和等級。 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。下圖為 恒壓供水泵站的示意圖。如圖 9 所示，圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在 泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的 變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 水箱 調(diào)節(jié)器 變頻器 電動機 水泵 壓力傳感器 用戶 圖 9 變頻恒壓供水站的基本組成 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 15 頁 3.2 系統(tǒng)控制要求 對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： （1）生活供水時，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運行； （2）三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先?！钡脑瓌t介入和退出； （3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行的時間超過 3H，則要切換到下一臺 泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能” ，避免某一臺泵工作時間過長； （4）三臺泵在啟動時要又軟啟動功能； （5）要有完整的報警功能； （6）對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。 3.3 控制系統(tǒng)的 I/O 點及地址分配 PLC 要能夠識別和接受描述現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量，同時要能夠發(fā)出控制信號控制一些執(zhí) 行設(shè)備，以便對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。PLC 是通過 I/O 單元完成此工作的。I/O 單元是 PLC 與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅(qū)動能力的信號，以實現(xiàn)被控設(shè)備與 PLC 的 I/O 接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換等功能。輸入 單元接受現(xiàn)場設(shè)備向 PLC 提供信號，包括人為的控制信號和能描述現(xiàn)場狀態(tài)的開關(guān)量信 號，例如由按鈕、限位開關(guān)、繼電器觸點、接近開關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量。這些信號 經(jīng)過輸入電路進(jìn)行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成 CUP 能夠接受和處理的信 號。輸出單元將經(jīng)過 CUP 處理的弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部 設(shè)備所需要的強電信號，以驅(qū)動各種執(zhí)行元器件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、 調(diào)速裝置等。 根據(jù)圖 10 及以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如 下表所示。水位上下限信號分別位 I0.1、I0.2 ，它們在水淹沒時為 0，露出時為 1。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 16 頁 表 1 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 手動和自動消防信號 SA1 I0.0 水池水位下限信號 SLL I0.1 水池水位上限信號 SLH I0.2 變頻器報警信號 SU I0.3 消鈴按鈕 SB9 I0.4 試燈按鈕 SB10 I0.5 輸 入 信 號 遠(yuǎn)程壓力表模擬量變壓值 U AIW0 1#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM1，HL1 Q0.0 1#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM2，HL2 Q0.1 2#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM3，HL3 Q0.2 2#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM4，HL4 Q0.3 3#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM5，HL5 Q0.4 3#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM6，HL6 Q0.5 輸 出 信 號 生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥 YV2 Q1.0 續(xù)表 1 輸入輸出點代碼及地址編號 水池水位下限報警指示燈 HL7 Q1.1 變頻器故障報警指示燈 HL8 Q1.2 火災(zāi)報警指示燈 HL9 Q1.3 報警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復(fù)位控制 KA Q1.5 輸 出 信 號 控制變頻器頻率用電電壓 UF AQW0 3.4 系統(tǒng)選型 從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點 6 個、開關(guān)量輸出點 12 個；模擬量輸出點 1 個、模擬量輸出點 1 個。如果選用 CPU 224 PLC，也需要擴展單元；如果選用 CUO 266 PLC 則價格較高，浪費較大。參照 S7 200 的產(chǎn)品目以及市場實際價格，選用主機為 CUP222（8 入 /6 繼電器輸出）一臺，加上一臺擴展模塊 EM222（8 繼電器輸出） ，再擴展 一臺模擬量模塊 EM235（4AI/1AO） 。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個 PLC 系統(tǒng)的配置如圖 11 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 17 頁 S7-200PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)德一種小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 一樣，因此，它一經(jīng)退出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是 S7-200CUP22*系列 PLC。由于它具有多種功能模塊和人機界面（ HMI）可供選擇，所以 系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。 3.5 PLC 模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 PLC 的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，了使 PLC 能完成模擬量的處理,常見 的方法是為整體式 PLC 加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)化為 PLC 可處理的數(shù)字量及將 PLC 內(nèi)部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機外可以使用的模擬量。模擬 量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù) /轉(zhuǎn)換的，也兼有模 /數(shù)和數(shù)/模兩種功能的， 以下介紹 S7-200 系列 PLC 的模擬量擴展模塊 EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬 量輸入，可以用于恒壓供水控制中。 3.5.1 校準(zhǔn)及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實際需接入的信號類型 對模塊進(jìn)行一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡單的理解為儀器儀表使用前的調(diào)零以及調(diào)滿度。 3.5.2 EM235 工作程序編制 EM235 的工作程序編制包括以下的內(nèi)容： （1）設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預(yù)置頂及采樣和單元清零的 工作，為開始工作做好準(zhǔn)備。 （2）設(shè)置模塊檢測子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的正確 性。 （3）設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計算工作。 （4）工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。 （5）處理后模擬量的輸出工作。 S7-200PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機包含一定數(shù)量的輸入/ 輸 出（I/O ）點，同時還可以擴展 I/O 模塊和各種功能的模塊。 3.5.3 電氣控制系統(tǒng)原理圖 電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及 PLC 外圍接線圖。 （1）主電路圖 如下圖 13 所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺電機分別為 M1、M2、M3。接觸 KM1、 KM3、 KM5 分別控制 M1、M2、M3 的工頻運行；接觸器 KM2、KM4、KM6 分別 控制 M1、M2 、 M3 的變頻運行，F(xiàn)R1、FR2、FR3 分別為三臺水泵電機過載保護(hù)用的熱繼 主機單元 CUP222 AC/DC 繼電器 擴展單元 EM222 8 點繼電器 模擬量單元 EM235 4AI/1AO 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 18 頁 電器；QS1、QS2、QS3 、QS4 分別為變頻器喝三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU1 為 主電路的熔斷器，VVVF 為簡單的一般變頻器。 圖 13 電控系統(tǒng)主電路 （2）控制電路圖 圖 14 所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA 打在 1 的位置為 手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕 SB1SB2 控制三 臺泵的啟/停和電磁閥 YV2 的通 /斷；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC 程序控制下運行。 圖中的 HL10 為自動運行狀態(tài)的電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時只提供一個干 觸點信號，由于 PLC 為 4 個輸出點為一組共用一個 COM 端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的 COM 端輸出組，所以通過一個中間繼電器 KA 的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的 Q0.0Q0.5 及 Q1.0Q1.5 為 PLC 輸出繼電器觸點，它們旁邊的 4、6、8 等數(shù)字為接線編號， 可結(jié)合 PLC 外圍接線圖一起讀圖。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 19 頁 第四章 系統(tǒng)程序設(shè)計 硬件條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制要求，對 泵站軟件設(shè)計分析如下： 4.1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 前面已經(jīng)說過了，為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺 泵不能滿足要求時，需啟動第 2 臺或第 3 太泵。判斷需啟動新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻 率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可以同過比較指令來實現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá) 到上限的確定性，應(yīng)該濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取 時間濾波。 4.2 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn) 由于 PLC 在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，本程序可分為 3 部分：主程序、子程序 和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。 主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合以及報警處理 都在主程序。 邏輯運算及報警處理等放在豬程序。利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及 輸出控制。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P ）和積分（I）控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過 工程計算初步確定，但還要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益時間常數(shù)為 增益 采樣時間 積分時間 程序中使用的 PLC 元器件及其功能如下表 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 20 頁 表 3 程序中使用的元器件及功能 器件地 址 功能 器件 地址 功能 VD100 過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T38 工頻泵減泵濾波時間控 制 VD104 壓力給定值 T39 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI 計算值 M0.0 故障結(jié)束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) M0.1 泵變頻啟動脈沖 VD116 積分時間 M0.3 復(fù)位當(dāng)前變頻運行泵脈 沖 VD120 積分時間 M0.4 復(fù)位當(dāng)前變頻運動泵脈 沖 VD124 微分時間 M0.5 當(dāng)前泵工頻運動啟動脈 沖 續(xù)表 3 程序中使用的元器件及功能 功能 器件 地址 功能 VD204 變頻起運動頻率下限值 M0.6 新泵變頻啟動脈沖 VD208 生活供水變頻器運動頻率上 限值 M2.0 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控 制 VD212 消防供水變頻器運動頻率上 限值 M2.1 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控 制 VD250 PI 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 M2.2 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控 制 VD300 變頻工作泵的泵號 M3.0 故障信號總匯 VD301 工頻運行的泵的總臺數(shù) M3.1 水池水位下限故障邏輯 VD310 倒泵時間存儲器 M3.2 水池水位下限故障消鈴 邏輯 T33 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.3 變頻器故障消鈴邏輯 T34 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.4 火災(zāi)消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖程序以及程序注釋如下圖。對該程序有幾點說明： （1）因為程序較長，所以讀圖時請按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的順序進(jìn)行； （2）本程序的控制邏輯設(shè)計針對的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。 畢業(yè)設(shè)計用紙 -共 28 頁 第 21 頁 S B R _ _ 0 E N M O V _ R E N E N O I N O U T M O V _ R E N E N O I N O U E N E N O I N O U 網(wǎng)絡(luò)1 上電初始化, 調(diào)試初始化子程序 S M 0 . 1 網(wǎng)絡(luò)2 消防/ 生活供水壓力給定值設(shè)置 I 0 . 0 N O T 0 . 9 V D 1 0 4 網(wǎng)絡(luò) 上電和故障結(jié)束時重新激活變頻信號存儲器 . . . 網(wǎng)絡(luò) 4 變頻器上限時增泵濾波 I0.0 VD250 .M0.1 T37 =D VD212 +50 VD250 I0.0 =D VD208 網(wǎng)絡(luò) 5 符合泵條件時，工頻泵運行數(shù)加 1 T37 VB301 =P P VB301 VB301 網(wǎng)絡(luò) 6 頻率下限時減泵濾波 VD250 M0.2 T38 B P （ ） 0 VB301 VB301 網(wǎng)絡(luò) 8 變頻泵增泵或倒泵時，置位 M2.0 M0.1 M2.0 IN TON PT INC-B EN ENO IN OUT OUT IN TON PT DEC-B EN ENO IN OUT 畢業(yè)設(shè)計用紙