1、基于 PLC 的雙恒壓供水控制系統設計摘 要近些年來隨著可編程控制器快速發展,可編程控制器已廣泛應用于各個領域。 本論文設計了一種基于 PLC 的雙恒壓供水系統,該系統由一臺 PLC 、一臺水泵、一 個水塔、六個液位傳感器等構成。雙恒壓供水控制系統的基本控制策略是:采用可編程控制器 (PLC 構成控制系 統,進行優化控制水泵,并自動調整水泵運行的臺數,完成水塔水位的控制。當水 塔中的液位發生變化時 , 根據液位傳感器的信號, PLC 自動控制水泵的運行臺數, 系 統的控制目標是水塔的水位。手動控制,值班人員通過按鈕手動控制水泵,使液位控制在一定的范圍之內, 實現手動恒壓供水。根據恒壓供水系統設

2、計的需求,力求做到使系統運行穩定,操 作簡便,解決水塔的雙恒壓供水的問題,保證供水安全、快捷、可靠。恒壓供水保 證了供水質量, PLC 控制系統豐富了供水系統的控制功能,提高了系統的可靠性。關鍵詞 :PLC ,恒壓供水系統,液位傳感器,水塔DESIGN OF DOUBLE CONSTANT-PRESSURE SUPPLYING WATER CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTIn recent years, with the rapid development of Programmable Logic Controller, it has been wide

3、ly used in various fields. A kind of Double Constant-pressure Supplying Water Control System is designed in this paper. The system is constituted of a PLC, three pumps, a Water Tower , six Liquid Level Sensors and so on.A relay control system is constituted of the use of Programmable Logic Controlle

4、r (PLC, it is optimizing the control of pumps. This is the basic control strategy of Constant Pressure Water Supply Control System, the pumps has been controlled. When the level is changed of the towers, the pumps are controlled by PLC automatic control signals in accordance with liquid level sensor

5、. The water level in the towers is controlling objectives. Controlling by the hands, the On Duty controls the pumps through the manual control button, so that a certain level could be controlled within the scope of. According to the requirement of the Constant Pressure Water Supply System, we could

6、achieve a stable system operation and operate easily. The problem of Constant Pressure Water Supply dual towers is solved. The quality of the water is the protection. PLC Control System enriches the control functions of the Water Supply System, and improves the reliab ility of the system.Key words:P

7、LC , constant pressure water supply system, liquid level sensor, water tower1. 緒論自動化技術是當今幾大高新技術之一, 從某種意義來說, 自動化技術已成為現代 化的代名詞。 隨著我國產業結構的調整, 現代化進程的加快, 自動化技術對現代工業 生產的推動作用將越來越重要。 隨著各類工業企業的技術進步, 工業自動化生產必將 得到廣泛的普及,電氣控制設備、自動化生產線的安裝、調試、維修;自動控制系統 的技術改造、 開發應用; 設備運行管理等方面工作量是非常巨大, 需要大量的懂原理、 能動手的專業技術人才, 而能從事一線現代

8、化生產的技術人員需求量更大。 要提高我 們自己動手能力,把理論知識和實際應用相結合,從而提高我們的綜合能力。當前住宅建筑的小區規劃趨向于更具人性化的多層次住宅組合, 不再僅僅追求立 面和平面的美觀與合理,而是追求空間上布局的流暢和設計中貫徹以人為本的理念, 特別是在市場經濟的浪潮中, 力求土地使用效率的最大化。 于是選擇一種符合各方面 規范、衛生安全而又經濟合理的供水方式,對我們給供水設計帶來了新的挑戰。 本設計的雙恒壓供水分為生活供水和消防供水, 通過在建筑物高處建造水塔使實 現雙恒壓供水即生活恒壓供水和消防恒壓供水,維持水壓的方法是在高處建造水塔, 打開水泵將水泵到水塔中, 借助水塔的水位

9、實現居民的雙恒壓供水, 水塔中的水位變 化相對水塔的高度來說很小, 也就是說水塔能維持供水管路中的水壓的基本恒定。 以 往水塔供水常采用傳統的繼電器接觸控制水泵, 使用硬件連接電器多, 可靠性差, 自 動化程度不高。目前, 已有許多企業采用先進控制器對傳統接觸控制進行改造, 大大提高了雙恒 壓供水控制系統的可靠性和自控程度,為居民提供了更可靠的生活保障。在雙恒壓供水系統的控制設備中我選用 PLC 作為控制裝備的原因, PLC 有它獨有 的特點:(1可靠性高,抗干擾能力強;(2配套齊全,功能完善,實用性強;(3 易學易用,深受工程技術人員歡迎;(4系統的設計、建造工作量小,維護方便,容易改造;(

10、5體積小,重量輕,耗能低;可以實現全自動, 無人操作, 恒壓供水系統會自動根據用戶用水量的大小, 自動 調整水泵臺數、 自行決定加減泵的時間臺數程序等, 都無需人工干預、 人工操作自動 完成。 節水節電效果明顯:當用水量大時可自動調節泵的臺數, 使泵的臺數增加, 水 塔水位很快上升,當滿足供水量時,按照“先開先停”的原則停掉先開的泵,這樣可 以避免造成了很大的能源浪費, 從而達到節能的目的。 設置靈活、 功能齊全, 通過 PLC 編程設計靈活配置系統功能,更可靠的為居民提供生活保障。1.1 設計的意義及應用背景在我國, 節電節水的潛力非常大, 據有關國際組織發布的資料顯示:中國的單位 國民經濟

11、總產值所消耗的電是美國、德國等的 4倍左右,消耗的水使他們的 2倍左右。 我國的大量用電設備中,風機和泵類的耗電量占全國發電量的 50%左右,若推廣新型 電機技術可節電 40%左右, 既可以節約全國發電量的 1/5, 由于我國人均占有水、 電資 源相對于別國又少很多, 因此, 在我國一方面水電供給緊張, 而另一方面, 水電的浪 費又十分驚人,不僅潛力巨大,而且意義深遠 1。隨著社會經濟的飛速發展, 城市建設規模的不斷擴大, 人口的增多以及人們生活 水平的不斷提高, 對城市供水的數量、 質量、 穩定性提出了越來越高的要求。 我國中 小城市水廠尤其是老水廠自動化控制系統配置相對落后, 機組的控制主

12、要依賴值班人 員的手工操作。控制過程繁瑣,而且手動控制無法對液位變化及時做出恰當的反應。 為了保證供水, 機組通常處于超壓工作狀態運行, 不但效率低, 耗電量大, 而且城市 網管長期處于超壓運行狀態, 爆損也十分嚴重。 本論文為結合我國中小城市供水廠的 現狀,設計了一套基于 PLC 的雙恒壓供水系統。1.2 任務隨著城市高層建筑供水問題日益突出, 保持供水壓力的恒定, 提高供水質量是相 當重要的; 同時要求保證供水的可靠性和安全性。 本供水系統是針對上述問題設計的 供水方式和控制系統,由供水回路、一部 PLC 、一個供水池、一個水塔及泵房組成。 其中泵房有 1#3#三臺水泵, 控制系統采用了已

13、具有豐富功能的 PLC 為核心的多功能 高可靠性控制系統, PLC 在恒壓供水泵站中的主要任務:(1根據液位傳感器的信號,經過處理控制繼電器從而實現對水泵臺數的調節, 來控制水位的高低,使液位達到一定的范圍之內,實現穩定供水。(2控制水泵的運行與切換, 在多泵組恒壓供水泵站中, 為了使設備均勻地磨損, 水泵及電機是輪換工作的。(3根據液位信號, PLC 可控制水泵按“先開先停”輪換工作,能夠有效的降低 能耗,保證供水系統維持在最佳運行狀況。1.3 工藝要求對三臺水泵生活 /消防雙恒壓供水系統的基本要求是:(1供水壓力恒定, 即在相應的供水條件下, 維持液位在相應的范圍之內, 波動 要求一定小。

14、(2生活供水時,要求三臺水泵根據水位的設定,采用“先開先停”的原則。(3設有手動和自動兩種選擇,手動功能為了檢修和應急。(4有液位傳感器檢測裝置,并且有報警功能。1.4 系統的組成和基本工作原理基于 PLC 的雙恒壓供水系統由可編程控制器、水泵機組、壓力傳感器、等構成。 其系統結構圖如圖 1-1所示。 圖 1-1系統結構圖系統核心部分采用 PLC 控制,輸出信號通過繼電器和接觸器來控制 3臺水泵的啟 動,運行與停止,采用循環使用的方式運行。該系統能夠對供水過程進行自動控制, 能夠有效的降低能耗, 保證供水系統維持在最佳運行狀況, 提高管理水平, 監控系統 安裝維護方便,運行穩定、可靠,監控軟件

15、功能齊全。PLC 根據液位傳感器 SL0、 SL1、 SL2、 SL3、 SL4、 SL5的信號控制水泵 M1、 M2、 M3工作與停止以及切換,從而使液位達到一定范圍,實現雙恒壓供水。 SL0、 SL1、 SL2是生活供水范圍的液位傳感器, 液位在 SL0時啟動 M1、 M2, 達到一定時間即 2h 時, M2和 M3之間進行切換,當液位到 SL1時停止 M1, M2和 M3之間轉換工作,當液位到 達 SL2時 M1、 M2、 M3停止工作。 SL3、 SL4、 SL5是消防供水范圍的液位傳感器,當 到液位到達 SL3時 M1、 M2、 M3同時工作, 當到達 SL4時 M1停止工作, 到達

16、 SL5時 M2、 M3停止工作。2. PLC 的概述2.1PLC 的產生、定義和發展2. 1. 1PLC 的產生在可編程控制器問世以前, 工業控制領域中是以繼電器控制占主導地位。 這種由 繼電器構成的控制系統存在明顯的缺點:體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行 速度不高, 尤其是對生產工藝多變的系統適應性更差。 如果生產任務和工藝發生變化, 就必須重新設計, 并且要改變硬件結構, 這不僅影響了產品更新換代的周期, 而且對 于比較復雜的控制系統來說, 不但設計制造困難, 而且可靠性不高, 查找和排除故障 也往往是費時和困難。1968年,美國通用汽車公司 (GM, General Motors

17、 根據市場形勢與生產發展的需 要,提出了“多品種、小批量、不斷翻新汽車品牌型號”的戰略。為了盡可能的減少 重新設計和重新安裝接線的工作, 從而降低成本、 縮短周期, 提出了研制新型邏輯順 序控制 裝置 來取代 繼電 器控 制裝 置。第 二年 ,美 國數字 設備 公司 (DEC, Digital Equipment Corporation 就研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置, 并將其應用 于美國通用汽車自動裝配生產線上, 這是首次用程序化的手段應用于電器控制, 這臺 控制裝置就是第一臺 PLC 1。PLC 的定義:PLC 是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子 裝置。它采

18、用可以編制程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、 計時、 計數和算術運算等操作的指令, 并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出, 控制 各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統 形成一個整體,易于擴展其功能的原則而設計 1。2. 1. 2PLC 的發展歷程雖然 PLC 問世時間不長,但隨著計算機技術、半導體集成技術、控制技術和通信 網絡技術等高新技術的迅速發轉, PLC 也迅速發展。 PLC 的發展過程大致經歷一下四個階段:第一階段,從第一臺 PLC 問世到 20世紀 70年代中期,是 PLC 的初創階段。該時期 PLC 產品的主要功能只是執

19、行原先有繼電器完成的順序控制、邏輯運算、 定時和計數等。該階段的代表產品有 MODICON 公司的 084、 AB 公司的 PDQII 、 DCE 的 PDP-14和日立公司的 SCY-022等。第二階段,從 20世紀 70年代中期到末期,是 PLC 的實用化發展階段。20世紀 70年代。 微處理器的出現使 PLC 發生了巨大的變化。 該階段的代表產品有 MODICON 公司的 184、 284、 384,西門子公司的 SIMATIC S3 系列,富士電機公司 的 SC 系列等。第三階段,從 20世紀 70年代末期到 80年代中期,是 PLC 通信功能的實現階段。 與計算機通信的發展相聯系,

20、PLC 在通信方面也有了很大的發展, 初步形成了分 布式的通信網絡體系。該階段的代表產品有富士電機公司的 MI-CREX S7系列和德州 儀器公司的 TI530等。第四階段,從 20世紀 80年代中期開始,是 PLC 的開放階段。由于開放系統的提出, 使 PLC 也得到了較大的發展, 主要表現為通信系統的開放, 使個生產廠家的產品可以相互通信, 通信協議的標準化使得用戶得到了好處。 該階段 的代表產品有西門子公司的 SIMATIC S7系列和 AB 公司的 PLC-5等 1。2. 1. 3PLC 的發展趨勢PLC 從誕生至今,雖然只有 40年的歷史,但其發展勢頭時分迅猛。如今在工業自 動化領域

21、中, PLC 已經無處不在,隨著技術的發展和市場的需求的增加, PLC 的結構 和功能得到不斷改進,生產廠家不斷推出功能更強的 PLC 產品,平均 3-5年更新換代 一次,今后 PLC 的發展可歸納于以下幾方面 3:(1人機界面更加友好;(2 PLC的應用范圍越來越廣泛;(3計算機與 PLC 之間,以及各個 PLC 之間的聯網和通信功能不斷增強;(4開放性和互操作性逐漸發展;(5網絡通信能力不斷增強;以太網的發展對 PLC 有重要影響:以太網應用非常廣泛, 與工業網絡相比, 其成本非常低。 為此, 人們致力于將以 太網引進控制領域 . 但是目前的挑戰在于: 硬件上如何適應惡劣的工業環境。 通信

22、機制如何提高可靠性、以太網能否順利進入工控領域,還存在爭議,但 以太網在工控系統的應用卻日益增多。 為適應這一過程, 各 PLC 廠商紛紛推出適應以 太網的產品或中間產品。2. 2PLC 的組成PLC 控制系統的硬件簡化框圖如圖 2-1所示,其中點劃線部分為 PLC 的基本組 成,可以將其分為四部分:中央處理器 (CPU 、存儲器、輸入輸出 (I/O 模塊和電源。圖 2-1PLC 硬件簡化框圖2. 2. 1PLC 的中央處理器CPU 是 PLC 的核心,其神經中樞的作用,每套 PLC 至少有一個 CPU 它按 PLC 的系 統程序賦予的功能接收并存儲用戶程序和數據。 用掃描的方式采集由現場輸入

23、裝置送 來的狀態或數據, 并存入規定的寄存器中, 同時診斷電源和 PLC 內部電路的工作狀態 和編程過程中的語法錯誤等, 進入運行后, 從用戶程序存儲器中逐條讀取指令, 經分 析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號,去指揮有關的控制電路。CPU 由控制器、 運算器和寄存器組成, 這些電路集成在一個芯片上。 內存主要用 于存儲程序及數據,是 PLC 不可缺少的組成單元, CPU 的控制器控制 CPU 工作,有它 讀取指令、 解釋指令及執行指令。 運算器用于進行數學或邏輯運算, 在控制器指揮下 工作,寄存器參與運算,并存儲運算的中間結果,它也是在控制器的指揮下工作, CPU 通過地址總線、 數據

24、總線與 I/O接口電路相連接。 CPU 速度和內存容量是 PLC 的重 要參數,它們決定著 PLC 的工作速度, I/O數量及軟件容量等,因此先知控制規模。 2. 2. 2PLC 的存儲器存儲器是具有記憶功能的半導體電路, 是 PLC 存放系統程序、 用戶程序和運行數 據的單元。 它包括隨機存儲器 (RAM 和只讀存儲器 (ROM , 隨機存儲器 (RAM 在使 用過程中隨時可以讀取和存儲;而只讀存儲器 (ROM 在使用過程中智能讀取,不能 存儲。 RAM 有靜態 RAM (SRAM 和動態 RAN (DRAM 兩種; ROM 按其編程方式不同, 可分為掩膜 ROM 、可編程 ROM (PRO

25、M 、可擦除可編程 ROM (EPROM 和電擦除可 編程 ROM (EEPROM 等。2. 2. 3PLC 的輸入輸出模塊I/O模塊式 CPU 與現場 I/O設備或其他外部設備通信的橋梁, I/O模塊集成了 PLC 的 I/O電路,其輸入暫存器反映輸入信號狀態,輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊 將電信號轉換成數字先好進入 PLC 系統,輸出模塊相反。 PLC 提供了具有各種操作電 平與輸出驅動能力的 I/O模塊和各種用途的功能模塊提供用戶選用。I/O模塊分為開關量輸入 (DI 、開關量輸出 (DO 、模擬量輸入 (AI 、模擬量輸出 (AO 等模塊。常用的 I/O分類如下:對于開關量 I/

26、O來說,按電壓高低分:有 AC 220V、 AC 110V、 DC 24V等;按隔 離方式分:有繼電器隔離和晶體管隔離。對于模擬量 I/O來說,按信號類型分:有直 流型 (420mA , 020mA 、電壓型 (010V , 05V , -1010V 等;按精度分:有 12bit , 14bit , 16bit 等,除了上述通用 I/O外,還有特殊 I/O模塊,如熱電阻、熱電偶、 脈沖等模塊 2。一般 PLC 均配置 I/O電平轉換及電氣隔離,輸入電平轉換是用來將輸入端的不同 電壓或電流信號源轉換成微處理器所能接收的低電平信號; 輸出電平轉換是用來將微 處理器的低電平控制信號轉換為控制設備所需

27、要的電壓或電流信號; 電氣隔離是在微 處理器與 I/O回路之間采用的防干擾措施,常用的電器隔離是由兩個發光二極管和光 敏晶體管組成的光耦合器。 I/O模塊既可以與 CPU 放置在一起,也可以遠程放置。一 般 I/O模塊具有 I/O狀態顯示和接線端子排。 另外, 有些 PLC 還具有一些其他功能的 I/O模塊,如串 /并行變換,數據傳送, A/D或 D/A轉換及其他功能控制等。2. 2. 4 PLC的電源模塊PLC 配有開關式穩壓電源模塊,用來給 PLC 各模塊的集成電路提供工作電源。同 時,有的還為輸出電路提供 24V 的工作電源,電源輸入類型有:交流電源 (AC 220V或 AC 110V

28、,直流電源 (DC 24V 。2. 3PLC 的功能特點和分類PLC 具有面向工業控制的鮮明功能特點, PLC 發展到今天已經有多種形式,其功 能也不盡相同。2.3.1 PLC的功能隨著計算機技術、 工業控制技術、 電子技術和通信技術的發展, PLC 已從小規模 的單片機順序控制, 發展到包括過程控制、 位置控制等場合的所有控制領域, 能組成 工程自動化的 PLC 綜合控制系統。如今的 PLC 一般都有如下豐富的功能:(1信號采集功能;(2開關量邏輯控制功能;(3定時 /計數控制功能;(4數據處理功能;(5監控、故障診斷功能;(6步進控制功能;(7 A/D、 D/A轉換功能;(8停電記憶功能;

29、(9遠程 I/O功能;(10 通信聯網功能;(11 擴展功能;PLC 的豐富功能為其廣泛應用提供了可能, 同時, 也為工業系統的自動化、 遠程 化、信息化及智能化創造了條件。2.3.2 PLC的特點PLC 能如此迅速發展的原因, 除了工業自動化的客觀需要外, 還有許多獨特的優 點。它較好地解決了工業控制領域中普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問 題。它具有一下主要優點 3:(1可靠性高,抗干擾能力強高可靠性是 PLC 最突出的特點之一。由于工業生產過程是晝夜連續的,一般的 生產裝置需要幾個月、 甚至幾年才大修一次, 這就對用于工業生產過程的控制器提出了高可靠性的要求。 PLC 采用微電子

30、技術, 大量的開關動作由無觸點的半導體電路來 完成, 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器, 僅僅剩下與輸入輸出有關的少量 硬件,接線可減少到繼電器控制系統的 1/101/100,因觸點接觸不良造成的故障大 為減少。此外, PLC 還采取了屏蔽、濾波、隔離、故障檢測與診斷等抗干擾措施,具 有很強的剛干擾能力, 平均無故障時間達到數萬小時以上, 可以直接用于有強烈干擾 的工業現場。大型的 PLC 還可以采用由雙 CPU 構成冗余系統或由三個 CPU 構成表 決系統, 使可靠性更進一步提高。 PLC 已被廣大用戶公認為是最可靠的工業控制設備 之一。(2編程、操作簡易方便、程序修改靈活PLC 采用

31、面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程,容易掌握。目前, PLC 的編程大多采用, 類似于繼電器控制線路的梯形圖形式, 既繼承了傳統控制線路的清 晰直觀感,又易于編程,程序改變時易于修改。(3硬件配置齊全,用戶使用方便,適應性強PLC 產品已經標準化、 系列化、 模塊化, 配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶 選用。 用戶能靈活方便地進行系統配置, 組成不同功能、 不同規模的系統。 PLC 具有 豐富的 I/O接口,針對不同的工業現場信號 (交流或直流、電壓或電流、開關量或模 擬量、脈沖或電位 有相應的 I/O模塊與工業現場的器件或設備 (按鈕、行程開關、接 近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、

32、電動機啟動器、控制閥 直接連接。另外,為 了提高操作性能, PLC 還有多種人機對話的接口模塊;為了組成工業局部網絡, 它還有多種通信聯網的接口模塊。 PLC 有較強的帶負載能力, 可以直接驅動一般的電 磁閥和交流接觸器。 硬件配置確定后, 可以通過修改程序, 方便快速地適應工藝條件 的變化。(4安裝簡單,調試和維護方便PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、 時間繼電器、 計數 器等器件,使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。PLC 可以在實驗室模擬調試,輸入信號用小開關來模擬,通過 PLC 上的發光二 極管可觀察輸出信號的狀態。 用戶程序不需要專門的機房, 可以在各種

33、工業環境下直 接運行。使用時只需將現場的統調過程中發現的問題一般通過修改程序就可以解決, 系統的調試時間比繼電器系統要少得多。PLC 的故障率很低,且由于采用模塊化結構, PLC 有完善的自診斷和顯示功能, 可編程序控制器或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時,可以根據 PLC 上的發光二極管或編程器提供的信息迅速地查明產生故障的原因。 因此, 一旦某模塊發生故障, 用戶可以通過更換模塊的方法,使系統迅速恢復運行。(5體積小、質量輕、功能低、響應快由于 PLC 時將微電子技術應用于工業控制設備的新型產品, 其體積小、 質量輕、 功耗低、 響應快。 PLC 的配線比繼電器控制系統的配線少得多, 故

34、可以省下大量的配 線和附件, 減少大量的安裝接線工時, 加上開關柜體積的縮小, 可以節省大量的費用。 傳統繼電器節點的響應時間一般需要幾百毫秒,而 PLC 得節點反應很快,內部是微 秒級的,外部是毫秒級的 3。2.3.3 PLC的分類PLC 的種類很多, 其功能、 內存容量、 控制規模、 外形等方面均存在較大的差異, 且還沒有一個權威的統一的分類標準。 通常根據其結構形式的不同、 功能的差異和 I/O點數的多少等進行大致分類如下:(1按結構形式分根據 PLC 的結構形式,可將 PLC 分為整體式和模塊式。整體式 PLC 時將電源、 CPU 、 I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內,具有結構 緊

35、湊、體積小、價格低的特點。模塊式 PLC 時將 PLC 各組成部分,分別做成若干個單元的模塊,如 CPU 模塊、 I/O模塊、電源模塊 (有的含在 CPU 模塊中 以及各種功能模塊。模塊式 PLC 由框架 或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式 PLC 的特點是 配置靈活,可根據需要選配不同規模的系統,而且裝配方便,便于擴展和維修。大、 中型 PLC 一般采用模塊式結構。還有一些 PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來,構成所謂的疊裝式 PLC 。疊 裝式 PLC 的 CPU 、 電源、 I/O接口等也是各種獨立的模塊, 但它們之間是靠電纜進行 連接, 并且各模塊可以一層

36、一層的疊裝。 這樣, 不但系統可以靈活配置, 還可以做得 體積小巧。(2按功能分類按 PLC 功能強弱來分,可分為低檔機、中檔機和高檔機三類。抵擋 PLC 具有邏輯運算、定時、計數、移位以及自診斷、監控等基本功能,還 可有少量模擬量 I/O、算術運算、數據傳輸和比較、通信功能。主要用于邏輯控制、 順序控制或少量模擬控制的單機控制系統。中檔 PLC 除具有抵擋 PLC 的功能外,還具有較強的模擬量 I/O、算術運算、數 據傳輸和比較、數制轉換、遠程 I/O、子程序、通信聯網等功能。有些還可增設中斷 控制、 PID 控制等功能,使用于復雜控制系統。高檔機 PLC 除具有中檔機的功能外,可進行函數運

37、算、矩陣運算、完成數據管 理工作, 有更強的通信能力, 還具有模擬調節、 聯網通信、 監視、 記錄和打印等功能, 使 PLC 的功能更多更強。能進行智能控制、遠程控制、大規模控制,構成分布式生 產過程綜合控制管理系統,成為整個工廠的自動化網絡。(3按 I/O點數分類為了適應不同工業生產過程的應用要求, PLC 能夠處理的輸入 /輸出信號數是不 一樣的, 一般講一路信號成為一個點。 PLC 按控制規模分類主要以開關量計算, 模擬 量的路數可折算成開關量的點數,一般一路相當于 8點或 16點。根據 I/O點數的多 少,可將 PLC 分為微型機、小型機、中型機、大型機、超大型機。 微型機I/O點數小

38、于 100點, 內存容量為 256B 1KB 。 微型機特點是體積小, 功能簡單, 是實現小型機械自動化的理想控制器。 小型機I/O點數在 100500點左右,內存容量為 13.6KB 。小型機主要用于中等容量 的開關量控制,具有邏輯運算、定時、計數、順序控制、通信等功能,是替代繼電器 接觸器控制的理想控制器,應用非常廣泛。 中型機I/O點數在 50010000點左右, 內存容量 3.613KB 。 中型機除具有小型機, 超 小型機 PLC 的功能外,還曾加了數據處理能力,適用于小規模的綜合控制系統。 大型機I/O點數在 1000點以上,內存容量在 13KB 以上,大型 PLC 用于大規模過程

39、控 制或分布式控制系統。 超大型機I/O點數可達幾千點,甚至幾萬點,內存容量在 13KB 以上。大型 PLC 的應用已 經從邏輯控制發展到過程控制、數字控制、集散控制等廣闊領域。大型 PLC 使用 32為微處理器,多 CPU 并行工作,并具有大容量存儲器。PLC 按功能劃分及按點數規模劃分是有一定聯系的。 一般來說:大型機、 超大型 機都是高檔機。 急性和機器的結構形式及內部存儲器的容量一般也有一定的聯系, 大型機一般都是模塊式機,都有很大的內存容量。2. 4PLC 的工作原理PLC 雖然同微機有許多相同的地方, 但它的工作方式卻與微機有很大不同。 PLC 則采用循環掃描的工作方式, 整個掃描

40、過程可分為輸入采樣、 內部處理、 用戶程序執 行、 輸出刷新 4個階段所用的時間稱為一個掃描周期 (或稱循環周期、 工作周期 。 而 內部處理階段實際上就是運行 PLC 內部系統的管理程序,它由下面 4個過程組成: (1系統自檢測PLC 檢測 CPU 模塊內部硬件是否正常,如果超時復位監視計時器 (看門狗, watchdog 則停止中央處理器工作,以及完成一些其它檢測。(2與編程器交換信息這在使用編程器輸入和調試程序時才執行。(3與數據處理器交換信息這只有在 PLC 中配置有專用數字處理器時才執行。(4外部通信當 PLC 配置有通信接口或模塊時,與外部通信對象 (如磁帶機、其他 PLC 或計

41、算機等 進行數據交換。內部處理階段是運行 PLC 內部系統的管理程序,該程序是廠家在 PLC 出場時就 已經固化好了的, 與用戶的控制程序無關, 一般比較固定, 其運行時間與用戶程序時 間相比,要短得多。通常忽略內部處理,而認為 PLC 的工作過程為 3個的階段:輸 入采樣階段、 用戶程序執行階段、 輸出刷新階段, 并近似地認為每重復一次這 3個階 段所用的時間為一個掃描周期 2。其工作過程如圖 2-1。 圖 2-1PLC 的工作過程圖2.4.1 輸入采樣階段在輸入采樣階段, PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據, 并將它們存 入 I/O映像區中的相應單元內,這一過程稱為采樣,輸入采

42、樣結束后,轉入用戶程序 執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中,即使輸入狀態和數據發生變化, I/O映像區 中的相應單元的狀態和數據也不會改變,而且這個采樣結果將在 PLC 執行程序時被 使用。 如果輸入是脈沖信號, 則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期, 才能保證 在任何情況下,均能被讀入。2.4.2 程序執行階段在用戶程序執行階段, PLC 總是按順序對程序進行掃描, 即從上到下、 從左到右 地順序依次掃描用戶程序 (梯形圖 ,并分別從輸入映像寄存器、內部元件寄存器 (內 部繼電器、定時器、計數器 和輸出映像寄存器中獲得所有的數據進行運算、處理, 再將程序執行的結果寫入寄存執行結果的映像寄存

43、器中保存, 但這個結果在整個程序 存儲器中所存儲的內容,會隨著程序執行的進程而變化,當所有程序全部執行完后, 輸出單元映像寄存器的內容固定下來。注意, 當執行控制程序時, 如果程序要求某個輸出繼電器動作, 此時這個動作要 求并沒有直接實時的進程而變化, 當所有程序全都執行完畢后, 才將全部程序執行后 產生的輸出結果 (輸出映像存儲器的內容 一次送到輸出鎖存器。2.4.3 輸出刷新階段在執行完所有用戶程序后, PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間, CPU 按照 I/O映像區內對應得狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路, 再經輸出電路驅動相應的用戶 設備。這才是 PLC 的真正輸出。PLC 重復執行

44、上述三個階段,每重復一次的時間即為一個掃描周期,用符號 T 表示。PLC 在一個掃描周期內輸入刷新之前, 如外部輸入信號狀態沒有變化, 則此次的 輸入沒有變化, 經運算處理后, 相應的輸出刷新業務變化, 輸出的控制信號也沒有變 化, 只是重新被刷新一次, 一個掃描周期內, 輸入刷新之前, 輸入的外部輸入信號狀 態發生了變化, 則此次輸入刷新就有了變化, 經運算處理后, 其輸出刷新也可能有變 化, 輸出的控制信號亦可能有變化。 不管輸出控制信號有無變化, 一個掃描周期內對 所有輸出只刷新一次, 即前一次和后一次輸出狀態的變化, 至少要經歷一個掃描周期的時間。PLC 工作的主要特點是輸入信號集中批

45、量處理、執行過程集中批量處理和輸出 控制也集中批量處理。 PLC 的這種“串行”工作方式,可以避免繼電器 -接觸器控制 系統中觸點競爭和時序失配的問題, 并增強系統的抗干擾能力。 由于干擾常常是脈沖 式的、短時的,只要 PLC 不是正好工作在輸入刷新階段,就不會受到干擾的影響。 因此, 瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少, 從而增加了系統的抗干擾能力, 這是 PLC 可靠性的原因之一, 但是這種工作方式又導致輸出對輸入在時間上的滯后, 對于 要求快速響應的控制系統,這也是 PLC 的缺點之一。2. 5PLC 的主要技術指標PLC 的性能指標較多,主要介紹與 PLC 控制系統有關的幾個指標:(1

46、用戶存儲器容量PLC 中的用戶存儲器由用戶程序和數據存儲器組成, 該存儲器的容量大, 可以編 制出復雜的程序。 一般來說, 小型機的用戶存儲器容量為幾千字, 而大型機的用戶存 儲器容量為幾萬字。(2掃描速度掃描速度是指 PLC 掃描 1K (1K=1024 子用戶程序所需的時間,通常以 ms/K字 為單位。掃描速度越快越好,目前掃描速度比較慢的為 2.2ms/K字邏輯。(3 I/O點數輸入 /輸出 (I/O 點數是 PLC 可以接受的輸入信號和輸出信號的總和, 是衡量 PLC 性能的重要指標。 I/O點數越多,外部可接的輸入設備和輸出設備就越多,控制規模 就越大。(4指令的功能與數量指令功能的

47、強弱、數量的多少也是衡量 PLC 性能的重要指標。編程指令的功能 越強、 數量越多, PLC 的處理能力和控制能力也越強, 用戶編程也越簡單和方便, 越 容易完成復雜的控制任務。(5內部元件的種類與數量在編制 PLC 程序時,需要用到大量的內部元件來存放變量、中間結果、保持數 據、定時計數、模塊設置和各種標志位等信息。這些元件的種類與數量越多,表示 PLC 的存儲和處理各種信息的能力越強。(6特殊功能單元特殊功能單元種類的多少與功能的強弱是衡量 PLC 產品的一個重要指標。近年 來各 PLC 廠商非常重視特殊功能單元的開發,特殊功能單元種類日益增多,功能越 來越強,使 PLC 的控制功能日益擴

48、大。(7可擴展能力PLC 的可擴展能力包括 I/O點數的擴展、 存儲容量的擴展、 聯網功能的擴展、 各 種功能模塊的擴展等。在選擇 PLC 時,經常需要考慮 PLC 的可擴展能力。3. 雙恒壓供水系統的硬件設計3. 1恒壓供水系統的基本構成基于 PLC 的雙恒壓供水系統是由可編程控制器 (PLC 、水泵機組、液位傳感器、 水塔和下水箱等構成。系統組成框圖如圖 3-1所示。PLC 是德國 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-300 PLC ,水泵機組 M1、 M2、 M3是相同功率的水泵,因為 M1、 M2、 M3之間需要頻繁切換,液位傳感器用于檢查水 塔中水位的位置, 水塔置于建筑物

49、的最高層, 水塔中水位的高低決定水壓的高低, 來 控制不同供水模式的供水需要。 下水箱是地下水的存儲設備, 地下水源源不斷的裝入 下水箱, 為水塔提供水源。 通過用戶管道把水送入建筑物的供水管道, 當水位太高時 通過溢出管道把多余的水返回到下水箱, 這樣可有效地利用水資源, 盡可能的減少資 源的浪費。 圖 3-1系統組成框圖系統核心部分采用 PLC ,輸出信號通過繼電器和接觸器來控制 3臺水泵的啟動, 運行與停止, 采用循環使用的方式運行。 該系統能夠對供水過程進行自動控制, 能夠 有效的降低能耗, 保證供水系統維持在最佳運行狀況, 提高管理水平, 監控系統安裝 維護方便,運行穩定、可靠 ,

50、監控軟件功能齊全。3.2 控制系統 I/O點及地址分配表 3-1I/O地址分配表輸 入 輸 出代號 輸入名稱 輸入地址 代號 輸出名稱 輸出地址SB1 系統啟動 I0.0KA1 蜂鳴器 1Q3.0SB2 系統關閉 I0.1KA2 蜂鳴器 2 Q3.1SB3 模式 1 I0.2KA3 生活供水 Q4.0SB4 模式 2 I0.3KA4 消防供水 Q4,1SB5 液位 SL0輸入 I0.4KA5 HL1 Q5.0SB6 液位 SL1輸入 I0.5KA6 HL2Q5.1SB7 液位 SL2輸入 I0.6KA7 HL3 Q5.2SB8 液位 SL3輸入 I0.7KA8 HL4 Q5.3SB9 液位 S

51、L4輸入 I1.0KA9 HL5 Q5.4SB10液位 SL5輸入 I1.1KA10 HL6 Q5.5KA11 HL7 Q5.6KA12 HL8 Q5.7KA13 控制水泵 1 Q6.0KA14 泵 M2、 M3輪換 Q6.1KA15 泵 M2、 M3輪換 Q6.2在 STEP 7 中 HW CONFIG-SIMATIC 300 STATION 下進行系統的硬件組態,組 態過程如下。在菜單中 View 選項下點擊 Catalog 項,則在組態界面的右側出現硬件元件庫。 在 SIMATIC 300子目錄下 PS-300中選取 PS 307 10A 電源模塊添加到 0號機架 1號槽 位;在 CPU

52、-300中選取 訂貨號 為 6ES7 314-1AF10-0AB0的 CPU 模塊 添加到 2號槽 位;在 SM-300中選取 DI-300 SM 321 DI16×DC24V 數字量輸入模塊添加到 4號槽 位; 在 SM-300中選取 DO-300 SM 322 DO16×DC24V/0.5A數字量輸出模塊添加到 5號槽位;在 SM-300中選取 AI-300 SM 331 AI8×12Bit 模擬量輸入模塊添加到 6號 槽位; 在 SM-300中選取 AO-300 SM 332 AO2×12Bit 模擬量輸出模塊添加到 7號槽 位, CPU 是 PL

53、C 中最重要的元件,以上為硬件組態過程,可在 STEP 7中方便的完 成,在 STEP 7中 HARDWARE-CONFIG 中可以地看出系統分配的地址,完成保存并退出,進行程序設計。本設計按系統需要數字量輸入 10點,數字量輸出 16點,不需要模擬模塊。按 各自的功能類型分好,并與 PLC 的 I/O端一一對應,編排好地址。列出外部 I/O信 號與 PLC 的 I/O端子地址編號對照表如表 3-1。3. 3系統選型在雙恒壓供水系統的設計中, 需要選擇 PLC 、 電機的型號以及水塔、 水箱、 管道 的材料,最為重要的是 PLC 和電機的選擇, PLC 日益成為工廠自動化基本技術平臺 的時代,

54、如何選用一部適用的 PLC 以達到真正需要,而又能符合經濟效益,是一項 重要課題。 PLC 本身強調的特色是:體積小、功能高、性能強、操作簡便、程序設計 簡易、模塊擴充有彈性、聯機容易等。針對上述特色說明,選擇符合功能需求與經濟 效益的 PLC 系統。本文雖然基于臺達系列 PLC 論述,但是引用原則適合一般的選購 選型設計。3. 3. 1PLC 的選型S7-300 PLC 的選型原則是據生產工藝所需的功能和容量進行選型,并考慮維護 的方便性、 備件的通用性, 以及是否易于擴展和有無特殊功能等要求。 選型時具體注 意以下幾方面:(1有關參數確定。一是輸入 /輸出點數 (I/O點數 確定。這是確定

55、 PLC 規模的 一個重要依據,一定要根據實際情況留出適當余量和擴展余地。二是 PLC 存儲容量 確定。 注意當系統有模擬量信號存在或要進行大量數據處理時, 其存儲容量應選大一 些。(2系統軟硬件選擇。一是擴展方式選擇, S7-300 PLC 有多種擴展方式,實際 選用時,可通過控制系統接口模塊擴展機架、 PROFIBUS-DP 現場總線、通信模塊、 運程 I/O及 PLC 子站等多種方式來擴展 PLC 或預留擴展口; 二是 PLC 的聯網, 包括 PLC 與計算機聯網和 PLC 之間相互聯網兩種方式。 因 S7-300 PLC的工業通信網絡淡 化了 PLC 與 DCS 的界限,聯網的解決方案

56、很多,用戶可根據企業的要求選用;三是 CPU 的選擇, CPU 的選型是合理配置系統資源的關鍵,選擇時必須根據控制系統對 CPU 的要求 (包括系統集成功能、程序塊數量限制、各種位資源、 MPI 接口能力、是 否有 PROFIBUS-DP 主從接口、 RAM 容量、 溫度范圍等 , 并最好在西門子公司的技 術支持下進行, 以獲得合理的選型; PLC 選購選型是一個多目標綜合優化的過程, 合理選用 PLC ,對于提高 PLC 控制系統的技術和經濟指標有著重要意義。 PLC 的選擇 主要應從 PLC 的機型、容量、 I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等 方面加以綜合考慮。對本文設計的

57、供水系統,在進行 PLC 選型時應考慮以下事項:(1價格便宜,體積較小,工作可靠,維護方便的中小型機。(2以開關量控制為主,帶少量模擬量控制,自帶 A/D和 D/A轉換單元。 綜合以上的因素, 在本文設計的雙恒壓供水系統中選用了德國 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-300 PLC。它是模塊化的中小型 PLC 系統,各種單獨的模塊之間可進行 廣泛組合以用于擴展, 能滿足中等性能要求的應用; 大范圍的各種功能模塊可以非常 好地滿足和適應自動控制任務; 由于簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力, 使得 應用十分靈活; 方便用戶和簡易的無風扇設計; 當任務增加時, 可自由擴展; 由于大

58、范圍的集成功能,使其功能非常強勁。 S7-300的系統組成:(1中央處理單元 (CPU 各種 CPU 有各種不同的性能,例如,有的 CPU 上集成有 PROFI-BUS-DP 通訊 接口。(2接口模塊 (IM 用于多機架配置時連接主機架 (CR 和擴展機架 (ER 。 S7-300通過分布式的主機 架和 3個擴展機架,可以操作多達 32個模塊。(3信號模塊 (SM 用于數字量和模擬量的輸入輸出。(4功能模塊 (FM 用于高速計數,定位操作 (開環或閉環控制 和閉環控制。(5通訊處理器 (C P用于連接網絡和點對點連接。(6負載電源模塊 (PS 用于將 SIMATIC S7-300連接到 120/230V AC電源。3. 3. 2水泵的工作原理及分類(1離心泵的工作原理水泵開動前, 先將泵和進水管灌滿水, 水泵運轉后, 在葉輪高速旋轉而產生的離 心力的作用下, 葉輪流道里的水被甩相四