自動供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(PLC)----畢業(yè)論文.doc

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1、摘要摘要 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷 提高;再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)， 設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 本課題用 PLC 實現(xiàn)了自動供水控制系統(tǒng)，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(yùn)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。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：PLC 恒壓供水恒壓供水 變頻器變頻器 ABSTRACT With the

2、rapid development of social economy, it is demanded the better of water supplys quality and reliability of water supply system.Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of adva

3、nced technique of automation,control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields. This subject realize the automatic water control system that used of PLC ,it introduced the basic principle that constant voltage supplies water and foundation that the syste

4、m 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 sy

5、stem 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 syste

6、matic control function, have improved systematic dependability. Key word: PLC (programmable controller ), Constant voltage, supplies water, Frequency converter I 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論1 1.1 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義.1 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀.1 1.3 本文研究的系統(tǒng)組成和工作原理.2 第二章第二章 PLC 概述概述.3 2.1 PLC 介紹3 2.2 PLC 工作原理4 2.3 PLC 的編程語

7、言6 2.4 PLC 的分類9 2.5 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)10 第三章第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計系統(tǒng)硬件的設(shè)計13 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成15 3.2 系統(tǒng)控制要求17 3.3 控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)及地址分配.18 3.4 系統(tǒng)選型19 3.5 PLC 模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用19 第四章第四章 系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計25 4.1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理25 4.2 多泵組泵站泵組管理規(guī)范25 4.3 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn)25 總結(jié)總結(jié)36 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)37 致謝致謝38 - 1 - 第一章第一章 緒論緒論 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水

8、品質(zhì)要求的不斷提高，變頻 恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活 消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水 泵） ，在對原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實踐中，往往會出現(xiàn)一些在理論上意想 不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對一個典型的水塔供水 系統(tǒng)的技術(shù)改造實踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計的，該系統(tǒng)很好的 解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢， 同時有效的節(jié)省了資金。 1.1 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己

9、成為 時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政 供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程 度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供 不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高 供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費(fèi)，同時有可能使水管爆破和用水設(shè) 備的損壞。 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。一方面要求 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(yùn)而生，

10、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(jī)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。 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由 于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、 起制動控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水 系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng) 壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器

11、和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控 - 2 - 制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控 制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可 編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實 現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技 術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電 氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器 (5.5kw22kw) ,無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、 定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器

12、將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在 變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有 數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所【1】。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于 能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的 電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待 于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生 產(chǎn)實踐。 1.3 本文研究的本文研究的工作原理工作原理和基本要求和基本要求 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

13、 水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 YV1，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(yùn)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 泵再改為生活供使用

14、。 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)低于恒壓值運(yùn)行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn) 行。 （2）三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先停”的原則介入和退出。 （3）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運(yùn)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。 - 3 - （4）三臺泵在啟動時要又軟啟動功能。 第二章第二章 PLCPLC 概述概述 2.1 PLC 介紹介紹 2.1.1 PLC 的定義的定義 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

15、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(yùn)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(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶 的指令，并通過數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。可 編程序控制器及其有關(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(kuò)充功能的原則設(shè)計【2】。 2.1.2 PLC 的特點(diǎn)的特點(diǎn) （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

16、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(qiáng)。PLC 采用的 CPU 一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)， 為了增強(qiáng)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(yùn)行方 式，使其功能得到極大的增強(qiáng)。 （3）編程方便易學(xué)。第一編程語言（梯形圖）是一種圖形編程語言，與多 年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人 員學(xué)習(xí)。 （4）使用于惡劣的工作環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、 有毒氣體等的應(yīng)用場合。 （5）與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動端子排，提 供不同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。 （6）體積小、

17、重量輕、功耗底。 （7）性價比高。 （8）模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組 裝，一種型號的 PLC 可用于控制從幾個 I/O 點(diǎn)到幾百個 I/O 點(diǎn)的控制系統(tǒng)。 - 4 - （9）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。 2.2 PLC 工作原理工作原理 2.2.1 循環(huán)掃描循環(huán)掃描 CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU 的掃描周期包括 讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行 CPU 自診斷測試及寫輸出等等內(nèi)容。 PLC 可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識周而復(fù)始的循 環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定

18、好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個組成部 分，用戶程序不運(yùn)行時，PLC 也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序 和讀輸入、寫輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的 PLC 在一個周期中可以完成以下 5 個掃描過程。 （1）自診斷測試掃描過程。為保證設(shè)備的可靠行，及時放映所出現(xiàn)的故障， PLC 都具有自監(jiān)視功能。 （2）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過程。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有 網(wǎng)絡(luò)的 PLC 系統(tǒng)才有通訊掃描過程，這一過程用于 PLC 之間及 PLC 與上位計 算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。 （3）用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都 包含該掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行

19、是可控的，即用戶可以通過軟 件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長短會影響過程所用的時間。 （4）讀輸入、寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個掃描周期 都包含這個掃描過程。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU 在處理 用戶程序時，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送 到實際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映象寄存器：一個為輸入映象寄存器， 另一個為輸出映象寄存器。用戶程序所用的輸入值是輸入映象寄存器的值，運(yùn) 算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過程中，CPU 把實際輸入點(diǎn)的狀態(tài) 鎖入到輸入映像寄存器：在輸出掃描過程中 CPU 把輸出映像寄存器的值的輸出 點(diǎn)。 循環(huán)掃描有如

20、下特點(diǎn)： （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。 （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，CPU 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。 - 5 - （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(diǎn)。 在讀輸入階段，CPU 對各個輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點(diǎn) 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，CPU 按照先左后右、 先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行

21、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。 用戶輸入設(shè)備 輸入端子 輸入電路 輸入映像寄存器 輸入映像寄存器 輸出鎖存器 輸出電路 輸出端子 用戶輸出設(shè)備 Q0.2 Q0.1 輸入 輸出 Q0.1 I0.1 I0.1 圖 2-1 PLC 信號的傳遞過程 2.2.2 I/O 響應(yīng)時間響應(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每個掃描 周期的固定時間集中輸入/輸出，所以必然會產(chǎn)生輸出信

22、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(qiáng)。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)。 在最有利的情況下，輸入狀態(tài)經(jīng)過一個掃描周期在輸

23、出得到響應(yīng)的時間，稱 為最小 I/O 響應(yīng)時間。在最不利的情況下，輸入點(diǎn)的狀態(tài)恰好錯過了輸入的鎖 - 6 - 入時刻，造成在下一個輸出鎖定才能被響應(yīng)，這就需要兩個掃描周期時間，稱 為最大 I/O 響應(yīng)時間。它們是由 PLC 的掃描執(zhí)行方式?jīng)Q定的，與編程方法無關(guān) 【3】 。 2.2.3 PLC 中的存儲器中的存儲器 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

24、）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(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)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(diǎn)，并且線圈得電，觸點(diǎn)動作。當(dāng)然這個線圈和觸點(diǎn)只是假象，所謂

25、線圈得電不過是存儲單元置 1，線圈失電，不過就是存儲單元置 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(diǎn)，因此每取用一次它的觸點(diǎn)，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 2-2 所示為 PLC 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖。 輸入繼電器是由外部輸入驅(qū)動的，梯形圖中只能使用其介入點(diǎn)狀態(tài)值，用戶 不能改變輸入繼電器的狀態(tài)。輔助繼電器的種類和多少決定了 PLC 控制功能的 強(qiáng)弱，相當(dāng)于工

26、作寄存器的多少和功能的強(qiáng)弱。 - 7 - 實際的 PLC 中并沒有圖中的物理繼電器，用繼電器來表示 PLC 的內(nèi)部功能 結(jié)構(gòu)是為了使習(xí)慣于繼電器控制的工程技術(shù)人員更好的理解 PLC 的功能，更好 的使用 PLC，就像他在設(shè)計繼電器控制電路一樣。 梯形圖語言是一種圖形化的語言，是一種面向控制過程的“自然語言” 。梯 形圖編程語言形象、直觀、準(zhǔn)確的描述了邏輯控制關(guān)系，容易被廣大的工程技 術(shù)人員所掌握。 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

27、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【4】。 COM 401 402 403 404 405 406 407 408 431 431 433 432 432 433 434 434 Sb 輸出繼電器 X402 X404 Y431 Y431 X402 M101 T451 K11 Y431 Y432 Y433 Y434 輔助繼電器 外部輸出觸點(diǎn) 輸入繼電器 SQ SP 輸出信號 外部輸入 設(shè)備 輸出信號 外部 負(fù)載設(shè)備 圖 2-2 PLC 內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖 2.3.2 梯形圖編程語言梯形圖編程語言 PLC 是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制的，作為一

28、種專用計算機(jī)，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(diǎn)；語句表編程語言類似計算機(jī)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。 一般而言，梯形圖程序讓 PLC 仿真來自電源的電流通過一系列的輸入邏輯 條件，根據(jù)結(jié)果決定邏輯輸出的允許條件。邏輯通常被分解成小的容易理解的 片，這些片通常被稱為“梯級”或網(wǎng)絡(luò)。 - 8 - 程序一次掃描執(zhí)行一次網(wǎng)絡(luò)，按照從做到右、從上到下的順序進(jìn)行。一旦 CPU 執(zhí)行到程序的結(jié)尾，就又從上到下執(zhí)行程序。在

29、每一個網(wǎng)絡(luò)中，指令以列 為基礎(chǔ)被執(zhí)行，從上而下、從左到右依次執(zhí)行，直到本網(wǎng)絡(luò)的最后一個線圈列。 因此為了充分利用存儲器容量，使掃描時間盡可能短，利用梯形圖編程時應(yīng)限 制觸點(diǎn)之間的距離，并使網(wǎng)絡(luò)左上邊這部分空白最少。其中，串聯(lián)觸點(diǎn)較多的 支路要寫在上面，并聯(lián)支路應(yīng)寫在左邊，線圈放于觸點(diǎn)的右邊。 如圖 2-3 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(jī) 直接起、停（起、保、停）繼電器控制電路圖相同的功能。 梯形圖和繼電器控制電路圖很相似，這是可以用 PLC 控制取代繼電器控制 的基礎(chǔ)，可以把經(jīng)過實踐證明設(shè)計是成功的繼電器電路圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計 出具有相同功能的 PLC 控制程

30、序，充分發(fā)揮 PLC 的功能完善、可靠性高、控制 靈活的特點(diǎn)。當(dāng)然，它們還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別，主要表現(xiàn)如下所述。 按鈕 的常開觸點(diǎn) 按鈕 的常 閉觸點(diǎn) 繼電器 的線圈 繼電器 的常開觸點(diǎn) 圖 2-3 梯形圖 （1）繼電器控制電路中使用的繼電器是物理的元器件，繼電器與其他控制 電器之間的連接必須通過硬件連接線來完成。PLC 中的繼電器是內(nèi)部的寄存器 位，稱為“軟繼電器” ，它具有物理繼電器相似的功能。當(dāng)它的“線圈”通電時， 其所屬的常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開；當(dāng)它的線圈斷電時，其所屬的常開觸 點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)均恢復(fù)常態(tài)。PLC 梯形圖中的接線稱為“軟接線” ，這種“軟接線” 是通過編程來實現(xiàn)的，具

31、有更改簡單、調(diào)試方便等特點(diǎn)。而繼電器控制電路圖 是點(diǎn)線連接圖，相對來素施工困難、更改費(fèi)力。 （2）PLC 中的每一個繼電器都對應(yīng)著一個內(nèi)部的寄存器，由于可以隨時不 受限地讀取其內(nèi)容，所以，可以認(rèn)為 PLC 的繼電器有無數(shù)個常開、常閉觸點(diǎn)供 用戶使用。PLC 梯形圖中的觸點(diǎn)代表的是“邏輯”輸入條件、外部的實際開關(guān)、 按鈕或內(nèi)部的繼電器觸點(diǎn)條件等。而物理繼電器的觸點(diǎn)個數(shù)是有限的。 （3）PLC 的輸入繼電器是由外部信號驅(qū)動的，在梯形圖中只能用其觸點(diǎn)， 這在物理繼電器中是不可能的。線圈通常代表“邏輯”輸出結(jié)果，如燈、電機(jī) 啟動器、中間繼電器、內(nèi)部輸出條件等。 - 9 - （4）繼電器控制系統(tǒng)中是按照

32、觸點(diǎn)的動作順序和是延遲逐個動作的，動作 順序與電路圖的編寫順序無關(guān)。PLC 按照掃描方式工作，首先采取輸入信號， 然后對所有梯形圖進(jìn)行計算，造成了宏觀與動作順序的無關(guān)，但是微觀上在一 個時間段上的是實際執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致而不是無關(guān)的。 （5）PLC 梯形圖中的兩根母線以失去原有的意義，它只表示一個梯形的起 始和終了，并無實際電流通過，假象的概念電流只能從左向右流。 為了充分發(fā)揮 CPU 的邏輯運(yùn)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(yùn)算指令等，充分的 發(fā)揮了計算機(jī)的強(qiáng)大計算功能，他們與內(nèi)部繼電器一起完成 PLC 的各種

33、復(fù)雜控 制功能【5】。 2.4 PLC 的分類的分類 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 按按 I/O 點(diǎn)數(shù)容量分類點(diǎn)數(shù)容量分類 一般而言，處理 I/O 點(diǎn)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(diǎn)數(shù)的多少可將 PLC 分為以下三類。 （1）小型機(jī) 小型機(jī) PLC 的功能一般以開關(guān)量控制為主，小型 PLC 輸入、輸出點(diǎn)數(shù)一般 在 256 點(diǎn)以下，用戶程序存儲器容量在 4K 左右。現(xiàn)在的高性能小型 PLC 還具 有一定

34、的通訊能力和少量的模擬量處理能力。這類的 PLC 的特點(diǎn)是價格低廉， 體積小巧，適合于控制單臺設(shè)備和開發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。 典型的小型機(jī)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(jī) 中型 PLC 的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在 2562048 點(diǎn)之間，用戶程序存儲器容量 達(dá)到 8K 字左右。中型 PLC 不僅具有開關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強(qiáng) 的數(shù)字計算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強(qiáng)大，中型機(jī)比小型機(jī)更 豐富，中型機(jī)適用于更復(fù)雜的邏輯控制系

35、統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過程控制系統(tǒng)場 合。 典型的中型機(jī)有 SIEMENS 公司的 S7-300 系列、OMRON 公司的 C200H 系 - 10 - 列、AB 公司的 SLC500 系列等模塊式 PLC 產(chǎn)品。 （3）大型機(jī) 大型 PLC 的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)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(jī)相當(dāng)，它具有計算、控制和 調(diào)節(jié)的能力，還具有強(qiáng)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。它的監(jiān)視系統(tǒng)采用 CRT 顯示，能夠表示過程的動態(tài)流程，記錄各種曲線， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成一臺多功能系統(tǒng)。這種系

36、統(tǒng)還可以 和其他型號的控制器互聯(lián)，和上位機(jī)相聯(lián)，組成一個集中分散的生產(chǎn)過程和產(chǎn) 品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備自動化控制、過程自動化控制和過程監(jiān)控 系統(tǒng)。 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【6】。 2.4.2 按結(jié)構(gòu)形式分按結(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(diǎn)是將 PLC 的基本部件，如 CPU 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(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個整體，組成 PLC 的一個基 本單元（

37、主機(jī)）或擴(kuò)展單元。基本單元上設(shè)有擴(kuò)展端口，通過擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展 單元相連，配有許多專用的特殊功能的模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶、 熱電阻模塊、通信模塊等，以構(gòu)成 PLC 不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 體積小， 成本底，安裝方便。 微型和小型 PLC 一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的 S7-200 系列。 （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 CPU 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(dú)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

38、 S7-300 和 S7-400 系列。 整體式 PLC 每一個 I/O 點(diǎn)的平均價格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中 一般采用整體式結(jié)構(gòu)。但是模塊式 PLC 的硬件組態(tài)方便靈活，I/O 點(diǎn)數(shù)的多少、 輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、I/O 模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式 PLC 大的多，維修時更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此較復(fù)雜的、要求較高 的系統(tǒng)一般選用模塊式 PLC。 - 11 - 2.5 PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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)。 2.5.1 單機(jī)控制系統(tǒng)單機(jī)控制系統(tǒng) 單機(jī)控制系統(tǒng)是較普通的一種 PLC

39、 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(diǎn)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 2-4 所示是一個簡單的單機(jī)控制系統(tǒng)，圖中 PLC 可以選用任何一種類 型。在單機(jī)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(diǎn)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 2-4 簡單的單機(jī)控制系統(tǒng) 2.5.2 集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng) 集中控制系統(tǒng)用儀態(tài)功能強(qiáng)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、

40、運(yùn)行順序等統(tǒng)一由中 央 PLC 來完成，如圖 2-5 示【7】。 顯然，集中控制系統(tǒng)比單機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的多。但是當(dāng)其中一個控制對象 的控制程序需要改變時，必須停止運(yùn)行中央 PLC，其他的控制對象也必須停止 運(yùn)行。當(dāng)各個控制對象的地理位置距集中控制系統(tǒng)比較遠(yuǎn)時，需要大量的電纜 線，造成系統(tǒng)成本的增加。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的改變，采用集中控制系統(tǒng)時， 必須注意選擇 I/O 點(diǎn)數(shù)和存儲器容量時要留有足夠的余量，以便滿足增加控制 對象的要求。 P L C 控 制 對 象 - 12 - 圖 2-5 集中控制系統(tǒng) 2.5.3 分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng) 分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 2-6 所示，每一個控制對象設(shè)置一

41、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(jī)通過數(shù)據(jù) 通信總線進(jìn)行通訊。 分散控制系統(tǒng)常用于多臺機(jī)械生產(chǎn)線的控制，各個生產(chǎn)線之間有數(shù)據(jù)連接。 由于各個控制對象都由自己的 PLC 進(jìn)行控制，當(dāng)其中一個 PLC 停止運(yùn)行時不需 要停止運(yùn)行其他的 PLC。 隨著 PLC 性能的不斷提高，由 PLC 擔(dān)當(dāng)?shù)蛯涌刂迫蝿?wù)，通過網(wǎng)絡(luò)連接， PLC 與過程控制相結(jié)合的分散控制系統(tǒng)將是計算機(jī)控制的重要發(fā)展方向。 與集中控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)的可靠性大大加強(qiáng)。具有相同 I/O 點(diǎn) 數(shù)時，雖然分散控制系統(tǒng)中多用了一臺或幾臺 PLC，導(dǎo)致價格偏高，但是從維 護(hù)、試運(yùn)轉(zhuǎn)或增設(shè)控

42、制對象等方面來看，其靈活性要大得多，總的成本核算是 合理的。 上機(jī)位 PLC APLC BPLC C 控制對象 A控制對象 B控制對象 C 圖 2-6 分散控制系統(tǒng) P L C 控制對象 A控制對象 B控制對象 C - 13 - 第三章第三章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計系統(tǒng)硬件的設(shè)計 學(xué)習(xí) PLC 的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對于設(shè)計一個較大的 PLC 控制系統(tǒng)時，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計的控制系統(tǒng)的大小，一般 都要用以下設(shè)計步驟來進(jìn)行系統(tǒng)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

43、，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(qiáng)。所以在 很多情況下也可以取代工業(yè)控制計算機(jī)（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(yùn)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。 一方面是選擇多大容量的 PLC，另一方面是選擇什么公司的 PLC 以及外設(shè)。 對第一個問題，首先要對控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的 I/O

44、 點(diǎn)找出 來，包括開關(guān)量 I/O 模擬量 I/O 以及這些 I/O 點(diǎn)的性質(zhì)。I/O 點(diǎn)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。控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)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(diǎn)有可能大于實際點(diǎn)數(shù)。因為 PLC 的輸出點(diǎn)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。 對于第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： - 14 - （1）功能方面。所有 PLC 一般都具有常規(guī)的功能，但是對于某些特殊要 求，就要知道所選用的 PLC 是否有能力完成控制任務(wù)。如對 PLC

45、 與 PLC、PLC 與智能儀表以及上位機(jī)之間靈活方便的通訊要求；或?qū)?PLC 的計算速度、用戶 程序容量有特殊要求的；或?qū)?PLC 的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對 市場上流行的 PLC 品種有一個詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。 （2）價格方面。不同廠家的 PLC 產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì) 量相當(dāng)、I/O 點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)?PLC 的價格能相差 40%以上。在使用 PLC 較多的情況 下，這樣的差價必須是需要考慮的。 （3）個人喜好方面。有些工程技術(shù)人員對某種品牌的熟悉，所以一般比較 喜歡使用這種產(chǎn)品。 - 15 - 分析評估控制任務(wù) PLC 機(jī)選型，I/O 設(shè)備選擇 I/O 地

46、址分配 程序設(shè)計電氣系統(tǒng)安裝 調(diào)試程序設(shè)計硬件系統(tǒng)接線圖和控制柜檢查修改程序 檢查硬件接線 聯(lián)機(jī)調(diào)試 交付使用 現(xiàn)場安裝調(diào)試 編制技術(shù)文件 滿足要求 滿足要求 NN Y N Y 圖 3-1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 輸入/輸出信號在 PLC 接線端子上的地址分配是進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的 基礎(chǔ)。對軟件設(shè)計來說，I/O 地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對控制柜和 PLC 的外圍接線來說，只有 I/O 地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖， 讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試。 硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分 是否正確。

47、- 16 - 軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開關(guān)和 PLC 輸出端的輸出指示燈進(jìn)行。 需要模擬量信號 I/O 時，可用電位器和萬用表配合進(jìn)行。調(diào)試時?？衫蒙显V 外圍設(shè)備模擬各種現(xiàn)場開關(guān)和傳感器狀態(tài)，然后觀察 PLC 的輸出邏輯是否正確。 如果有錯誤則修改后反復(fù)調(diào)試?，F(xiàn)在 PLC 的主流產(chǎn)品都可以在 PLC 機(jī)上編程， 并可以在電腦上直接進(jìn)行模擬調(diào)試。 聯(lián)機(jī)調(diào)試時，可以把編制好的程序下載到現(xiàn)場的 PLC 中。有時 PLC 也許只 有這一臺，這時就要把 PLC 安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時一定要先將主 電路斷電，只對控制電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)即可。通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)信號的接入常常還會發(fā) 現(xiàn)軟件以及硬件中的一

48、些問題，有時廠家還需要對某些控制功能進(jìn)行改進(jìn)，這 種情況下，都要經(jīng)過反復(fù)測試系統(tǒng)后，才能最后交付使用。 產(chǎn)生水壓的設(shè)備是水泵，水泵轉(zhuǎn)動的越快，產(chǎn)生的水壓就越高。傳統(tǒng)的維 持水壓的方法就是建造水塔，水泵開者時將水打到水塔中，水泵休息時借助水 塔的水位繼續(xù)供水。水塔中的水位變化相對水塔的高度來說很小，也就是說水 塔能夠維持供水管路中水壓的基本恒定【8】。 但是建造水塔需花費(fèi)財力，水塔還會造成水的二次污染。不用水塔，而要 解決水壓隨用水量大小變化的問題。通常的辦法是：用水量大時，增加水泵的 數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度以保證管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時又需作出相 反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路。這在

49、電動機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年 代是不可設(shè)想的，但是今天辦到這一點(diǎn)已經(jīng)變的很容易了，交流變頻的誕生為 水泵轉(zhuǎn)速的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。交流變頻器是改變交流電源頻率的電子 設(shè)備，輸入三相工頻交流電后，可以輸出頻率平滑變化的三相交流電。 建造水塔需要花費(fèi)財力，水塔還會造成水的二次污染。那么可不可以不借 助水塔來實現(xiàn)恒壓供水？答案是肯定的，但是要解決水壓隨用水量的大小變化 的問題。通常的辦法是：用水量大時，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度 以保持管網(wǎng)中水壓的不變，用水量小時又需要做出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供 水的基本思路，這在電動機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可以想象的，但是 在今天辦到這一切已經(jīng)

50、邊的很容易了。 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水系統(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(jī)，這比設(shè)單臺水泵及電機(jī)節(jié)能而可 靠。配單臺電機(jī)和水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少十開一臺大 電機(jī)肯定是浪費(fèi)，電機(jī)選小了用水量大時供水不足。而且水泵和電機(jī)都有維修 的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管壓網(wǎng)水壓的恒定，水 泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也 - 17 - 有兩種配置方式，一是為每臺水泵電機(jī)配一臺變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變 頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺電機(jī)陪一 臺變頻器，變頻器與電機(jī)見可以切

51、換，供水運(yùn)行時，一臺水泵變頻運(yùn)行，其余 水泵共頻運(yùn)行，以滿足不同用水兩的需求。 下圖為恒壓供水泵站的示意圖。如圖 3-2 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 【9】 。 水箱 調(diào)節(jié)器 變頻器 電動機(jī) 水泵 壓力傳感器 用戶 圖 3-2 變頻恒壓供水站的基本組成 調(diào)節(jié)器是一種電子裝備,在系統(tǒng)中完成以下幾種功能: (1)設(shè)定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越 遠(yuǎn)，用水地點(diǎn)越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒 壓值，另外有些

52、供水系統(tǒng)可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用 一個泵站，水壓的設(shè)定值可能不只一個，一般消防用水的水壓要高一些，調(diào)節(jié) 器具有給定值設(shè)定功能，可以以數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式 設(shè)定。 （2）接受傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制 裝置稱為反饋，調(diào)節(jié)器實反饋的接受點(diǎn)。 （3）根據(jù)給定值和實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。 調(diào)節(jié)器接受了實測水壓的反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實測 值之差。如果給定值大于實測值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電 機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié) - 18 -

53、 器的輸出信號控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)工作中還有 個調(diào)節(jié)規(guī)律的問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID 調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如 PID 參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的，PID 調(diào)節(jié)過 程視調(diào)節(jié)器的的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微型計算機(jī)調(diào)節(jié) 器多為數(shù)字調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一般式模擬信號，420mA 變化的電流信號或 010V 間 變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備工 作。 下面以一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，如 圖 3-3 所示，市網(wǎng)來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水

54、閥 YV1，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，作為低水位報警用。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(yùn)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。 火災(zāi)結(jié)束后三臺泵再改為生活供水使用【10】。 水池 yv1 1# 2

55、# 3# 消防用水 生活用水 市網(wǎng)來水 EQ 圖 3-3 生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 3.2 系統(tǒng)控制要求系統(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)低于恒壓值運(yùn)行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn) - 19 - 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(yùn)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

56、制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)及地址分配點(diǎn)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(diǎn)、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

57、濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成 CPU 能夠接受和處理的信號。輸出 單元將經(jīng)過 CPU 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(qiáng)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 3-3 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。 表 3.1 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號 名 稱代 碼地址編號 手動和自動消防信號SA1I0.0 水池水位下限信號SLLI0.1 水池水位上限信號SLHI0.2 變頻器報警信號SUI0

58、.3 消鈴按鈕SB9I0.4 試燈按鈕SB10I0.5 輸 入 信 號 遠(yuǎn)程壓力表模擬量變壓值UAIW0 輸 1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1，HL1Q0.0 - 20 - 1#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2，HL2Q0.1 2#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3，HL3Q0.2 2#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4，HL4Q0.3 3#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.4 3#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6，HL6Q0.5 出 信 號 生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q1.0 3.4 系統(tǒng)選型系統(tǒng)選型 從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn) 6 個、開關(guān)量輸出點(diǎn) 12 個；模擬 量輸出點(diǎn)

59、1 個模擬量輸出點(diǎn) 1 個。如果選用 CPU 224 PLC，也需要擴(kuò)展單元； 如果選用 CPU 226 PLC 則價格較高，浪費(fèi)較大。參照 S7 200 的產(chǎn)品目以及市 場實際價格，選用主機(jī)為 CPU222（8 輸入/6 輸出繼電器）一臺，加上一臺擴(kuò)展 模塊 EM222（8 繼電器輸出） ，再擴(kuò)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 3-4： 圖 3-4 PLC 系統(tǒng)組成 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

60、廣泛 的關(guān)注。特別是 S7-200CPU22*系列 PLC。由于它具有多種功能模塊和人機(jī)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(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)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(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外 可以使用的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/轉(zhuǎn)換 的，也兼有模/數(shù)和數(shù)/模兩種功能的，以

61、下介紹 S7-200 系列 PLC 的模擬量擴(kuò)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 主機(jī)單元 CUP222 AC/DC 繼電器 擴(kuò)展單元 EM222 8 點(diǎn)繼電器 模擬量單元 EM235 4AI/1AO - 21 - 制中【11】。 3.5.1 EM235 模擬量工作單元性能指標(biāo)模擬量工作單元性能指標(biāo) 表 3.2 模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 輸入/輸出技術(shù)規(guī)范 輸 入 技 術(shù) 規(guī) 范輸 出 技 術(shù) 規(guī) 范 最大輸出電壓30VDC隔離（現(xiàn)場到邏 輯） 無 最大輸入電壓32mA 輸入濾波衰減-3dB，3.1kHz 分辨率12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 信號范圍

62、電壓輸出 電流輸出 10 020 mA 隔離否 輸入類型差分 輸入范圍 分辨率，滿量程 電壓 電流 12 位 11 位 電壓單極性010V，05V 01V，0500mV 電壓 電流 -32000+32000 0+32000 精度 最差情況 055 電壓輸出 電流輸出 2%滿量程 2%滿量程 電壓雙極性 電流 0100Mv,050mV 10V，5V，2.5V 1V，500mV，250Mv 100mV, 50mV, 25mv 020mA 輸入分辨率 AD 轉(zhuǎn)換時間 250s 模擬輸入階躍響應(yīng)1.5 mS 到 95% 共模抑制4dB,DC 到 60Hz 共莫電壓信號電壓加共加模電壓 12V 精度 最

63、差情況 055 電壓輸出 電流輸出 典型，25 電壓輸出 電流輸出 2%滿量程 2%滿量程 5%滿量程 5%滿量程 24VDC 電壓范圍20.428.8V 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿量程-32000+32000 設(shè)置時間 電壓輸出 電流輸出 100s 2ms - 22 - 單極性，滿量程032000 為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設(shè)計成可編程，而轉(zhuǎn) 換生成的數(shù)字量一般具有固定的長度及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的 數(shù)字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、 輸出信號范圍欄給出了 EM235 的輸出、輸入信號規(guī)格，以供選用。 3.5.2 校準(zhǔn)及配置校

64、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。 3.5.3 EM235 的安裝使用的安裝使用 （1）根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設(shè)置 PID 開關(guān)，完成模塊的配置工作。 必要時進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 （2）完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的 接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感 器的線路盡可能短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證 24VDC 傳感器電源無噪聲、 穩(wěn)定可靠。 （3）確定模塊安裝入系統(tǒng)時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。S7

65、- 200 擴(kuò)展單元安裝時在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊 0 開始編號。模塊安裝 完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。 （4）為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬 量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲單元。一般使用 模擬量輸入 AIW 及模擬量輸出 AQW 單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待 入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲區(qū) V 區(qū)存放處理產(chǎn)生 的的中間數(shù)據(jù)【12】。 3.5.4 EM235 工作程序編制工作程序編制 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)和預(yù)置

66、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 - 23 - 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(jī)包含一定數(shù) 量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，同時還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能的模塊。 一個完整的系統(tǒng)組成如圖 編程工具 CUP主機(jī)擴(kuò)展模塊 功能模塊 人機(jī)界面通訊設(shè)備 圖 3-5 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 （1）基本單元?；締卧˙asic Unit）有時又稱 CPU 模塊，也有的稱之 為主機(jī)或本機(jī)。它包括 CPU、存儲器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等，是 PLC 的 主要部分。實際上它就是一個完整