S7-200PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用论文

I 摘要 可编程控制器 (PLC)是以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。 本课题研究的内容就是利用 PLC 技术实现自来水厂虹吸刮泥机的 自动 化 控制 ，设计 其 电气控制系统，将最新的控制技术应用到 工作 过程中，提高虹吸刮泥系统的稳定性、可靠性和实时性。本文综述了 PLC 控制系统的一般结构； 简述 了 PLC 控制系统设计的原则、内容和步骤 。 针对该虹吸刮泥系统的特点和性能要求，采用了德国西门子公司S7-200 系列中 S7-214 作为系统控制器，重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法，并简要分析了用计时器实现掉电自保的方法和用实时时钟功能实现自动定时刮泥的方法。 经过运行实践表明，以 PLC 控制的系统可靠性和实时性良好，完全满足系统设计要求，取得了良好的经济效益。 关键词 ： 可编程控制器 虹吸刮泥系统 掉电自保 实时时钟 II Abstract Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, taking microprocessor as its core, integrating microcomputer technology, automation technology and communication technology. It is applied very diffusely in varied field of industrial control with the characteristics such as all-round functions, flexible application, well reliability, high ratio of capability and price and easy maintenance and so on, having become a robust tool to realize industrial automation. The content that this paper studied is to make use of PLC technology to realize the intelligent transformation of the scrape mud system, design the electric control system, apply the latest control technology to the lathe transform, and improve the stability of the scrape mud system, reliability and real time nature. The paper summarizes the general structure of PLC control system； puts forward the principle, content and step of PLC control system designing. Siphon blow against the system of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-200 series systems as a S7-214 controller focuses on the systems hardware and software design methods, focuses on the systems hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve power-fail and try to keep the real-time clock function for automatic timing scratching the soil. After running, practice shows that the PLC control system reliability and good real-time, fully satisfy the design requirements, achieved good economic results. Keywords: Programmable Logic Controller Siphon scratching mud system Power down protection Real time clock 目 录 摘要 .I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1. 1 课题的来源和意义 . 1 1.2 继电器控制系统的特点及存在问题 . 1 1.2.1 继电器控制系统的特点 . 1 1.2.2 继电器控制系统存在的问题 . 1 1.3 可编程序控制器（ P LC）及其在电气控制中的应用特点 . 2 1.3.1 可编程序控制器（ PLC）的定义 . 2 1.3.2 可编程序控制器（ PLC）的特点 . 2 1.3.3 可编程序控制器（ PLC）控制虹吸刮泥机的优点 . 4 1.3.4 可编程序控制器（ PLC）的应用领域 . 4 1.3.5 可编程控制技术（ PLC）的发展趋势 . 4 1.4 课题的主要研究内容 . 6 1.5 本章小结 . 6 第二章 虹吸刮泥机设备介绍 . 8 2.1 刮泥机简介 . 8 2.1.1 刮泥机系统组成 . 8 2.1.2 刮泥机的工作状况 . 9 2.2 虹吸 刮泥机的工作原理 . 10 2.2.1 虹吸原理 . 10 2.2.2 虹吸刮泥机工作原理 . 10 2.3 刮泥机控制方式 . 11 2.4 刮泥机常规操作 . 11 2.4.1 现场自动开刮泥机操作规范 . 11 2.4.2 手动方式开刮泥机操作 . 11 2.5 本章小结 . 11 第三章 PLC 基本原理和系统设计方法介绍 . 12 3.1 PLC 基本工作原理 . 12 3.2 PLC 的一般结构 . 13 3.3 PLC 模块化结构分析 . 14 3.4 PLC 控制系统设计的基本原则 . 15 3.5 PLC 控制系统设计与调试的步骤 . 15 3.6 提高 PLC 控制系统可靠性的措施 . 18 3.7 本章小结 . 20 第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计 . 21 4.1 水厂的工艺流程 . 21 4.1.1 平流沉淀池 . 22 4.1.2 平流沉淀池的排泥 . 22 4.2 虹吸刮泥机的控制要求 . 23 4.3 虹吸刮泥机系统总体方案确定 . 23 4.4 本章小结 . 23 第五章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的硬件设 计 . 24 5.1 PLC 控制系统 I/O 点数的确定 . 24 5.2 PLC 的选择 . 24 5.2.1 机型选择 . 24 5.2.2 系统容量 . 25 5.2.3 I/0 模块 . 25 5.2.4 电源模块 . 25 5.3 西门子 S7-200 系列 PLC 简介 . 26 5.3.1 西门子 S7-200 系列 PLC 的特点 . 26 5.3.2 S7-200 系列 PLC 扩展模块和 TD20011. 26 5.3.3 SIMATIC S7-200 的主要功能 . 26 5.3.4 SIMATIC S7-200 CPU214 简介 . 27 5.3.5 S7-200 系列 PLC 编程工具 STEP 7-Micro/WIN . 27 5.4 基于 S7-200 CPU 214 的虹吸刮泥机电气原理分析 3. 27 5.4.1 控制方式的选择 . 29 5.4.2 刮泥机行程的选择 . 29 5.5 本章小结 . 30 第六章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统软件 设计 . 31 6.1 PLC 控制系统的软件设计 . 31 6.1.1 PLC 软件设计概述 . 31 6.1.2 PLC 程序设计的常用方法 . 33 6.1.3 PLC 程序设计步骤 . 35 6.2 虹吸刮泥机 PLC 控制系统软件设计 . 36 6.2.1 PLC 自动控制系统控制工艺流程图 . 36 6.2.2 虹吸刮泥机 PLC 实现的控制功能 . 37 6.2.3 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的梯形图 . 39 6.2.4 虹吸刮泥机 PLC 控制程序清单 12 . 41 6.3 本章小结 . 42 结束语 . 43 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文 献 . 44 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1. 1 课题的来源和意义 在提倡健康绿色生活的社会环境下，生活用水的质量，关系到每家每户的健康，而人们对它的水质提出更高要求。随着自动化技术、控制设备和机电仪表的发展，使水行业的自动化发展成为现实，更好保障水质量。 在自来水厂 中，沉淀设备是整个水处理工艺系统最重要的过程之一，是水处理工艺中泥水分离的重要环节，是保障水厂优质供水的关键所在，其运行状况直接影响出水水质，关系到千家万户的用水卫生和身体健康。虹吸刮泥机是水厂工艺上沉淀的一种电气设备，其能否正常运行直接影响水厂自动化的正常控制。早期刮泥机因采用常规继电器进行控制，控制线路过于烦琐复杂，不便于维护，故障率又高，因此，建立基于 PLC为核心的水厂虹吸刮泥自动控制系统的目的是对虹吸刮泥机刮泥过程的设备工况、工艺参数等现场状况进行监视和自动调控，从而保障刮泥处理过程的稳定性和运行的 连续性、可靠性。同时，如何充分发挥 PLC 丰富的逻辑、控制功能，如何采用国内外著名品牌的 PLC 软硬件产品构成的水处理自控系统，是实现一个不但可以满足工程周期的要求，更可以确保稳定性、可靠性和先进性的虹吸刮泥 机 系统的关键。 本课题欲达到的目的或预期研究的结果是采用先进的国内外计算机软、硬件技术和设备设计出一套通用的，质量可靠、成本适宜的水处理刮泥自动控制方案。 1.2 继电器控制系统的特点及存在问题 1.2.1 继电器控制系统的 特 点 a) 所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人 员和技术工人所掌握。 b) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 c) 大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。 d) 多年来我国一直生产 和运用 这类 电器 ，技术成熟，已形成系列化产品 , 技术 资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。 1.2.2 继电器控制系统存在的问题 a) 系统触点繁多接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。 b) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 2 增加，技术水平难以提高。 c) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度 难以提高。 d) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。 e) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高 ；而且检查故障困难，费时费工。 因此， 继电器控制系统故障率高，大大降低了 系统 的可靠性和安全性， 造成机械部件损坏 ， 造成 不必要的损失 ， 甚至 可能出现人身事故 。 1.3 可编程序控制器 （ P LC） 及其在电气控 制中的应用特点 1.3.1 可编程序控制器 （ PLC） 的定义 可编程控制器 (Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程 逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机 (Personal Computer )的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。 为了使 PLC 生产和发展标准化，国际电工委 (IEC)先后颁布了 PLC 标准草案第一稿，第二稿，并在 1987 年 2 月通过对它的定义 ： “可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为 在工业环境应用而设计的 1，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入 /输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入 /输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软 件需根据控制要求进行设计编制。 1.3.2 可编程序控制器 （ PLC） 的特点 为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较， PLC 机有以下特点： a) 可靠性 对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。 1) PLC 不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。 第一章 绪论 3 2) PLC 采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了 MTTR，使可靠性提 高 。 3) PLC 有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的 错误。 4) PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。 5) 在 PLC 的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件 ；采用先进的工艺制造流水线制造 ；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等 ；对电源的断电保护 ；对存储器内容的保护等。 6) PLC 的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等 ；软件自诊断 ；简化编程语言等。 b) 易操作性 PLC 的易操作性表现在 下列几个方面 ： 1) 操作方便 。 PLC 的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数 PLC 采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的 PLC 编程器采用了 CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或 CRT上显示。 2) 编程方便 。 PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。 3) 维修 方便 。 PLC 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。 c) 灵活性 PLC 的灵活性表现在以下几个方面 ： 1) 编程的灵活性。 PLC 采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。 2) 扩展的灵活性。 PLC 的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 3) 操作的灵活性。 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 4 操作十分灵活方便，监视和控制变得 十分容易 。 1.3.3 可编程序控制器（ PLC） 控制虹吸刮泥机的优点 a) 在 虹吸刮泥机 控制中采用了 PLC，用软件实现对 虹吸刮泥机 运行的自动控制，可靠性大大提高。 b) 去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。 c) PLC 可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。 d) PLC 可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。 e) 更改控制方案时不需改动硬件接线。 1.3.4 可编程序控制器（ PLC）的应用领域 随着 PLC 的性能价格比的不断提高，过去许多采用专用计算机或继电器控制的场合，都可使用 PLC 来代替 。 PLC 的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面 ： a) 开关量逻辑控制。 利用 PLC 最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是 PLC 最基本的应用，也是PLC 最广泛的应用领域。 b) 运动控制。 运动控制是指通过配用 PLC 生产厂家提供的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机和伺服电机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆周运动。 c) 闭环过程 控制。 通过配用 A/D, D/A 转换模块及智能 PID 模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环 PID 调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。 d) 数据处理。 现代 PLC 具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。 e) 通信、联网及集散控制 (TDCS)。 PLC 的通信包括 PLC 之间的通信、 PLC 和其它智能设备的通信。随着计算机控制技术的发展，现代的 PLC 可以实现工厂自动化通信网络系统。 PLC 可与智能仪表、执行装置 (如变频器等 )进行通信和联网，互相 交换数据并实施对其的控制。利用 PLC 强大的通信联网功能，把 PLC 分布到工业控制现场，并实现各站间、上下层间通信，达到分散控制、集中管理，即构成了 DCS( Distributed Control System) 系统。 1.3.5 可编程控制技术 （ PLC） 的发展趋势 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将 PLC 理解为开关量控制的时代已经过去， PLC第一章 绪论 5 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完 善。今后， PLC 将主要朝着以下两个方向发展 :一个是向超小型专用化和低价格方向发展 ；另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下 ： a) 可编程控制技术的标准化 。 在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的 PLC 产品对工业应用环境、抗 干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。 b) CPU 处理速度进一步加快 。 目前 PLC 的 CPU 与微型计算机的 CPU 相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在 80486 一级。将来会全部使用 64 位 RISC 芯片，实现多 CPU 并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC 执行指令的速度将达到纳秒级。 c) 可编程控制技术的智能化 。 提高一个系统的智能程度不仅提高系统 的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。 d) 系统的开放性和兼容性 。 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题 ；另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中 的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。 e) 通用性和专业化的结合 。 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢 ?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括 :定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。 f) 可靠性进一步提高 。 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 6 随着 PLC 进入过程控制的领域，对 PLC 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有 CPU 单元冗 余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。 MTBF(平均无故障时间 )是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其 PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 g) 控制系统分散化 。 根据分散控制、集中管理的原则， PLC 控制系统的 I/0 模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主 CPU 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。 h) 控制与管理功能一体化 。 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要， PLC 将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使 PLC 系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。 综上所述，我们不难得出下面几个结论 ： 1) 工控机、计算机集散控制系统及 PLC 正在走着一条相互融合的道路 。 2) 系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强 。 3) 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。 4) 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 1.4 课题的主要研究内容 课题所研究的内容主要是用可编程控制器 (PLC)设计 水厂虹吸刮泥机自动控制系统。 针对老式 虹吸刮泥机 采用的继电器逻辑控制方式存在功能差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、弱、故障 少 、可靠性高的可编程控制器 (PLC)来控制 刮泥机 。 论文的主要内容如下 ： 首先对虹吸刮泥机系统及可编程控制器（ PLC）作了比较全面的总结和介绍。简述了虹吸刮泥机的工艺流程，分析了自来水厂虹吸刮泥机过程对控制系统的控制要求，确定了虹吸刮泥机 PLC 控制系统的总体控制方案，完成了可编程控制器（ PLC）的选择。然后，完成了 PLC 的选型， I/O 点数分配，完成了虹吸刮泥机基于 PLC 控制的 电气 接线 图。在分析虹吸刮泥机 的软件基础上，设计出了软件流程图，控制系统的梯形图，编写了程序。 1.5 本章小结 第一章 绪论 7 本章阐述了课题的来源和意义，对常规继电器和 PLC 作了分析和比较，提出了 PLC控制虹吸刮泥机的优点，也确定了本课题讨论的主要内容。本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 8 第二章 虹吸刮泥机设备 介绍 2.1 刮泥 机 简介 沉淀池的排泥是运转中的重要问题，它关系到沉淀池的正常运行。排泥设备有两种，一种是穿孔排泥管，另一种是刮泥机。穿孔排泥是一种较为简易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反应池，它是利用沉淀池的水压力，做到无需停池排泥，简单、 方便。 刮泥机是机械排泥的一种形式，它主要由电动机、变速箱、钢桁架、轴流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等组成。它是原理也相当简单，电动机拖动钢桁架，桁架沿着导轨运动，刮泥板将池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口处，轴流泵将压力水充满虹吸管产生虹吸，虹吸管就能将池底的淤泥连续不断地吸到池外了。 由此得知，刮泥机是自来水厂制水工艺上的 一种重要的电气设备，其能否正常运行是直接影响到生产运作，影响到自来水厂自动化的正常控制。 2.1.1 刮泥机系统组成 a) 刮泥机 刮泥机布置在水下，采用 V 型刮板，刮板高 0.45m。为防止池底不平 整和减少磨损，下衬 10mm 厚， 400mm 高橡胶板。刮泥机跨度约 7 米，车轮直径 D 200mm。轨道高出池底 15cm，滚轮中心距池底 40cm，形成悬挂式刮泥机。这样可使滚轮轴套等离开泥浆区，减少泥砂进入 2。如图 2.1 所示： 第二章 虹吸刮泥机设备介绍 9 水下滑轮和刮泥机车轮均采用滚动轴承装置 ，为防止污泥进入轴承箱，采用石棉盘根密封装置，见图 2.2。这样，只需要五年更换一次轴承箱内的润滑油脂。 b) 钢丝绳 刮泥机通过钢丝绳牵引，由于长期浸于水下，不宜采用镀锌钢丝绳，因镀锌层出现裂纹时反而会由于双金属的电化学作用而加速腐蚀。故选用 10mm不锈钢钢丝绳 4 根。但干、湿交替运行，腐蚀和温度仍是其重要影响因素。 c) 慢动式卷扬机 慢动式卷扬机两台，布置在池中部的走道平台上，各台传动功率 1.0Kw。在两根钢丝绳的牵引下，保持两台卷扬机同步，使两端受力均匀，以防刮泥机出轨。 2.1.2 刮泥机的工作 状况 刮泥机运行方向垂直于水流方向，行驶速度为 0.8m/min。在沉淀池两侧沿池长方向布置集泥槽两条。喇叭口吸泥管（ DN250）放置槽中，穿孔排泥管与刮泥机联动，当刮泥板将泥刮至集泥槽边缘时，大量污泥拥入集泥槽，开启快开排泥阀，将稀释的泥水抽吸输送至池外排泥 渠。如图 2.3 所示： 1 一套刮泥机（池底轨道上） 2 四套水下导向滑轮组（与池壁预埋件定位） 3 四套水上导向张紧滑轮组（与池壁预埋件定位） 4 两套卷筒装置（池顶走道板上） 5 两套减速电机（池顶走道板上） 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 10 6 四根不锈钢钢丝绳（连接刮泥机与卷扬筒） 2.2 虹吸刮泥机的工作原理 2.2.1 虹吸原理 就是连通器的原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。而虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，出水口用手掌或其他物体封闭住。此时管内压强处处相等。一切安置好后，打开出水口，虽然两边的大气 压相等，但是来水端的水位高，压强大，推动来水不断流出出水口。 2.2.2 虹吸刮泥机工作原理 安装在沉淀池上的刮泥机是采用虹吸进行吸泥的，故称之为虹吸刮泥机。刮泥机主要由虹吸管、轴流泵、行走电动装置、刮泥机体等主要部件组成。起动轴流泵抽水，水灌射入虹吸管，从另一端射出，从而产生虹吸吸力，慢慢地吸走虹吸管中的空气，当虹吸管形成比较强的真空吸力后，就可以把沉积在沉淀池底的淤泥与水的混合物吸入虹吸管，排放到沉淀池外的排污沟，这个过程称之为虹吸刮泥 3。当虹吸形成之后，刮泥机开始向前运行吸泥，当刮泥机到达预定的行程 之后，开始破坏虹吸，即打开破坏虹吸电磁阀，让空气进入虹吸管，破坏虹吸管内的真空度，从而使虹吸管停止吸泥。当虹吸被破坏后，刮泥机往初始的方向返回，到初始位置后停止运行，就完成了一次的虹吸刮泥过程。 第二章 虹吸刮泥机设备介绍 11 2.3 刮泥机控制方式 虹吸刮泥机控制系统分手动和自动两种控制方式。行程开关与卷扬机相连，自动控制其往复行程 ，并采用变频调速控制速度。手动控制采用现场电控箱，进行开 /停控制；自动系统由微型计算机和 PLC 站组成，两级分布式集中管理、分散控制的 SCADA。 PLC通过编制程序直接控制刮泥机运行，监控计算机通过组太软件可 控制刮泥机运行，并对运行速度和时间等工艺参数进行实时显示、记录、存储、分析、打印，并对事故状态进行报警。 2.4 刮泥机常规操作 2.4.1 现场自动开刮泥机操作 规范 a) 送上刮泥机的电源（电源灯亮）； b) 将切换开关“程 /点 /运”切换到“运”状态； c) 用选择开关“ I/III/II”，选择刮泥机的行程； d) 点按“运行”按钮，刮泥机自动刮泥。 2.4.2 手动方式开刮泥机操作 a) 送上刮泥机的电源（电源灯亮）； b) 将切换开关“程 /点 /运”切换到“点”状态； c) 用选择开关“ I/III/II，选择刮泥机的行程； d) 按住“开虹吸泵”按钮， 开启虹吸泵，直到真空表为 -0.035MPa 时止； e) 虹吸形成后，按住“行车向前”按钮，使刮泥机向前刮泥； f) 刮泥完成后，按住“破坏虹吸”按钮，破坏虹吸； g) 按住“行车后退”按钮，使刮泥机返回到原位。 2.5 本章小结 简述了刮泥机系统的组成和虹吸刮泥机的工作原理，介绍了刮泥机的控制方式和操作规范。本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 12 第三章 PLC 基本原理 和 系统设计 方法介绍 3.1 PLC 基本工作原理 PLC 虽然具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或 I/O 扫描方式，有键按 下或 I/O 动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。 PLC 则采用循环扫描工作方式，在 PLC中，用户程序按先后顺序存放， CPU 从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。这个工作过程分为五个阶段 :自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序的执行，输出刷新 4。其工作过程框图如图 3.1 所示。 图 3.1 PLC 的工作过程 框图 a) 每次扫描用户程序之一前，都先执 行故障自诊断程序。自诊断内容为 I/0 部分、存储器、 CPU 等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。 b) PLC 检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。 c) PLC 的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。 d) 中央处理器 CPU 将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态 (这些状态统称为数据 )进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。 e) 当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。 PLC 经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后， 又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。 PLC 与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按并第三章 PLC 基本原理和系统设计方法介绍 13 行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电 器同时动作，而 PLC 是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说 PLC 是以串行方式工作。这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。 3.2 PLC 的一般结构 用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是 PLC 实施控制的两个基本点，而输入输出变换实际上就是信息处理。物理实现要求 PLC 的输入应当排除干扰信号适应于工业现场，而输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使 用。这就要求 I/O系统电路专门设计。根据 PLC 实施控制的基本点的分析， PLC 采用了典型的计算机结构，主要是 CPU, RAM, ROM 和专门设计的输入输出接口电路等组成 5。如图 3.2 所示。 图 3.2 PLC 的一般结构 图 a) 中央处理机 中央处理机是 PLC 的大脑，它由中央处理器 (CPU)组成。 中央处理器 (CPU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。 CPU 通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出 (VO)接口电路相连接。 b) 存储器 存储器是具有一记忆功能的半导体电 路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。 系统程序是用来控制和完成 PLC 各种功能的程序，这些程序是由 PLC 制造厂家用本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 14 相应 CPU 的指令系统编写的，并固化到 ROM 中。 用户程序存储器用来存放由编程器或计算机输入的用户程序。用户程序是指使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可以通过编程器或计算机修改或增删。 c) 输入接口电路 现场输入接口电路一般有光电祸合电路和微电脑输入接口电路组成。 1) 光 耦 合电路 ： 由于输入和输出端是靠光信号祸合的，在电气上是完全隔离的，因此输出的信号不会反馈到输入端，也不 会产生地线干扰或其它串扰。同时，由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于 PLC在现场信号的输入环节采用了光电 耦 合，因而增强了抗干扰能力。 2) 微电脑输入接口电路 ： 它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电 耦 合送到数据寄存器，然后通过数据总线送给 CPU。 d) 输出接口电路 一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。 1) 微电脑输出接口电路 ： 一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请 求电路集成而成。 CPU 通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。 2) 功率放大电路 ： 是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。 PLC 一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。 除了上面介绍的几个主要部件外， PLC 还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及 A/D , D/A 串行通信模块等，可以方便地用电缆进行连接 。 3.3 PLC 模块 化 结构 分析 可编程控制器都采用模块化设计，模块化可编程控制器采用搭积木的方式组成系统。即把 CPU、信号的 采集和输出都做成一个一个相对独立的模块，模块之间需要用机架将各模块联乘整体 。 一个 PLC 系统可包括以下几种模块类型 ： a) 电源模块 现代 PLC 一般都配有开关式稳定电源，可供内部电路使用，也有一部分电源还可以向外提供 24V 的直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用，或给外部传感器供电，应当说明的是，要用多大功率的电源是根据内部电路和外部供电的电流数之和来决定的 。 即先确定模块的个数和种类，也就确定它们所消耗的电流之和，从而才第三章 PLC 基本原理和系统设计方法介绍 15 能确定使用什么样的电源。 b) 中央处理器模块 CPU 板是整个 PLC 的中央处理单元，是 PLC 的运算控制中心 。 CPU 板由微处理器 、存储器、系统控制电路、 I/O 控制接口电路、编程器接口及通信接口电路组成，其中存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用于存放 PLC 的系统程序和系统工作的参数。用户存储器用于存放用户编制的程序和工作数据。 c) 通讯处理器（ CP）模块 当今较为先进的 PLC 的结构基本上都是属于总线型结构 。 即无论是上位机还是下位机都被看作总线上一个一个处理单元。它们都是通过通信处理器串联在总线上的。总线的大量数据都是通过通信处理器来进行通信。 d) 信号模块 实际生产中的信号电平是多种多样的。而可编 程控制器的 CPU 所处理的只能是标准电平，正式通过 I/O 接口实现了这种信号电平的转换。 e) 扩展模板 用于中央控制器和扩展单元的连接。为了便于以后的扩展，还提供通讯接，口存储接口，编程接口。当用户所需要的 I/O 点数或类型超出主机上的点或类型时，可以通过加接 I/O 扩展单元来解决。主机与 I/O 扩展单元是通过扩展口连接的。 f) 编程接口 PLC 的设定以及监视控制处理程序的编写一般都由一台编程计算机 (PG)来完成。所谓的编程实际上既可以是一台单独的计算机，也可以是上位机。但它们都有一个相同的特点，就是装有 PLC 的编程组态软件 。所有的组态和 PLC 的编程都是由编程计算机来处理，然后通过编程接口下载到 PLC 中去。编程计算机也可以通过编程接口读出下位机的组态数据和程序。 3.4 PLC 控制系统设计的基本原则 任何一种电器控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量，因此在设计 PLC 控制系统时，应遵循以下基本原则： a) 最大限度地满足被控对象的控制要求 6，设计前应深入现场进行调查研究，收集资料，并与工艺的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案。 b) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单 ,经济 ,使用和维 修方便。 c) 保证控制系统的安全与可靠。 d) 考虑到生产的发展和工艺的改进 ,在选择 PLC 容量时 ,应适当留有裕量。 3.5 PLC 控制系统设计与调试的步骤 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 16 PLC 控制系统设计的一般步骤如图 3.3 所示： 确定用户 I/O 设备 选择 PLC 分配 I/O，设计 I/O 连接图 绘制流程图 设计控制台 设计梯形图 调试 现场连线 修改 联机调试 满足要求 YES NO NO PLC 程序设计 YES 编制技术文件 交付使用 图 3.3 PLC 控制系统设计步骤 工艺流程 分析控制要求 满 足要求 NO 第三章 PLC 基本原理和系统设计方法介绍 17 在编写和实现一个控制方案时，组织是关键。项目越大，组织工作越多，尤其当多人参与编程时，更要注意各方面的规划，对于具体的控制功能，解决问题的方法有很多种，但是如果以系统方式完 成应用程序，出错的可能性就会减少。所以，设计好系统的步骤是很重要的。 步骤如下所示： a) 分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对 PLC 控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。 b) 确定输入输出设备 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与 PLC 有关的输入 /输出设备，以确定 PLC 的 I/O 点数。 c) 选择 PLC PLC 选择包括对 PLC 的机型、容量、 I/O 模块、电源等的选择 . d) 分配 I/O 点并设计 PLC 外围硬件线路 1) 分配 I/O 点 画出 PLC 的 I/O 点与输入输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第步中进行。 2) 设计 PLC 外围硬件线路 画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入 PLC 的控制电路等。由 PLC的 I/O 连接图和 PLC 外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。 e) 程序设计 1) 程序设计 根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计 PLC 程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现 各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容： 初始化程序。 在 PLC 上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生错误动作 , 初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等 . 检测、故障诊断和显示等程序。 这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。 保护和连锁程序。 保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 18 作而 引起的控制逻辑混乱 . 2) 程序模拟调试 程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式 . 硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台 PLC 或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到 PLC系统的输入端，其时效性较强。 软件模拟法是在 PLC 中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。 f) 硬件实 施 硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有： 1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。 2) 设计系统各部分之间的电气互连图。 3) 根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。 g) 联机调试 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从 PLC 只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可 h) 整理和编写技术文献 技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、 PLC 程序以及使用说明书等。 3.6 提高 PLC 控制系统 可靠性的措施 虽然 PLC 具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起 PLC 内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高 PLC 系统运行的可靠性，使用时应注意以下几个方面的问题。 a) 适合的工作环境 1) 环境温度适宜。 各生产厂家对 PLC 的环境温度都有一定的规定。通常 PLC 允许的环境温度约在055 C。因此，安装时不要把发热量大的元件放在 PLC 的下方； PLC 四周要有足够的通风散热空间；不要把 PLC 安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等第三章 PLC 基本原理和系统设计方法介绍 19 发热器件很近的场所；安装 PLC 的控制柜最好有通风的百叶窗，如果控制柜温度太高，应该在柜内安装风扇强迫通风。 2) 注意环境污染。 不宜把 PLC 安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐烛性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。如果只能安装在这种场所，在温度允许的条件下，可以将 PLC 封闭；或将 PLC 安装在密闭性较高的控制室内，并安装空气净化装置。 3) 远离振动和冲击源。 安装 PLC 的控制柜应当远离有强烈振动和冲击场所，尤其是连 续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。 4) 远离强干扰源。 PLC 应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC 还应该远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。 b) 合理的安装与布线 1) 注意电源安装。 电源是干扰进入 PLC 的主要途径。 PLC 系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源是用来驱动 PLC 输出设备 (负载 )和提供输入信号的，外部电源的容量与性能由输出设备和 PLC 的输入电路决定。由于 PLC 的 I O 电路都具有滤波、隔离功能，所以外 部电源对 PLC 性能影响不大 7。因此，对外部电源的要求不高。内部电源是 PLC的工作电源，即 PLC 内部电路的工作电源。它的性能好坏直接影响到 PLC 的可靠性。因此，为了保证 PLC 的正常工作，对内部电源有较高的要求。一般 PLC 的内部电源都采用开关式稳压电源或原边带低通滤波器的稳压电源。在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对 PLC 系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串接 LC 滤波电路。同时，在安装时还应注意以下问题：隔离变压器与 PLC 和 I/O 电源之间最好采用双绞线连接，以控制串模干扰；系统的 动力线应足够粗，以降低大容量设备起动时引起的线路压降； PLC 输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。否则可能使 PLC 接收到错误的信号。 2) 远离高压。 PLC 不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内 PLC 应远离高压电源线，二者间距离应大于 200mm。 合理的布线。 I/O 线、动力线及其它控制线应分开走线，尽量不要在同一线槽中布线。交流线与直流线、输入线与输出线最好分开走线。开关量与模拟量的 /线最好分开走线，对于传送模拟量信号的 /线最好用屏 蔽线，且屏蔽线的屏敝层应一端接地。 PLC 的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频率高，很容易受干扰，不能与其它的连线敷埋本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 20 在同一线槽内。 PLC 的 I/O 回路配线，必须使用压接端子或单股线，不宜用多股绞合线直接与 PLC 的接线端于连接，否则容易出现火花。 c) 正确的接地。 良好的接地是 PLC 安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰， PLC 一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置，也可以采用公共接地。 PLC 的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近 PLC。 d) 必须的安全保护环节 1) 短路保护。 当 PLC 输出设备短路时，为了避 免 PLC 内部输出元件损坏，应该在 PLC 外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。 2) 互锁与联锁措施。 除在程序中保证电路的互锁关系， PLC 外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行，如电动机正、反转控制，要利用接触器 KM1、 KM2 常闭触点在 PLC 外部进行互锁。在不同电机或电器之间有联锁要求时，最好也在 PLC 外部进行硬件联锁。采用 PLC 外部的硬件进行互锁与联锁，这是 PLC 控制系统中常用的做法 3) 失压保护与紧急停车措施。 e) 必要的软件措施 有时硬件措施不一定完全消除 干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC 控制系统的抗干扰能力和可靠性起到很好的作用。 1) 消除开关量输入信号抖动。 在实际应用中，有些开关输入信号接通时，由于外界的干扰而出现时通时断的“抖动”现象。这种现象在继电器系统中由于继电器的电磁惯性一般不会造成什么影响，但在 PLC 系统中，由于 PLC 扫描工作的速度快，扫描周期比实际继电器的动作时间短得多，所以抖动信号就可能被 PLC 检测到，从而造成错误的结果。因此，必须对某些“抖动”信号进行处理，以保证系统正常工作。 2) 故障的检测与诊断。 PLC 的可靠性很高且本身 有很完善的自诊断功能，如果 PLC 出现故障，借助自诊断程序可以方便地找到故障的原因，排除后就可以恢复正常工作 8。 3.7 本章小结 本章介绍了 PLC 的工作原理和结构组成，也阐述了 PLC 系统设计的原则、步骤 ，另外讲述了 PLC 系统可靠性的提高。第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计 21 第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计 4.1 水厂的工艺流程 水厂水处理基本过程如下图 4.1 所示： 水厂的源水通过干渠输送到水厂。源水进入厂区后，先进行前加氯，接着进入净水处理系统，该系统是水厂的核心部分， 由净水构筑物及投加系统组成。净水构筑物指的是反应池、沉淀池、滤池、清水池等一系列的工艺水池；而净水处理所需投放的净水剂及其投放设备、控制系统构成了水厂投加系统的主体。从工艺流程上看，净水处理通常包括澄清和消毒两大部分。澄清的重要流程为：在源水中投入适量的混凝剂，在混合槽中经过快速搅拌后，混合了混凝剂的水进入折板反应池，水中均匀分布的杂质颗粒逐步凝结形成较大的、易于沉降的颗粒，颗粒经过沉淀池时，被沉淀、收集、排除。这一过水库 调节水库 混合槽 折板反应池 平流沉淀池 滤池 源水 回收水 排淤系统 后投氯点 清水池 吸水井 清水泵 城市供水管网wang 网 出厂水 投矾点 前投氯点 水厂 图 4.1 水厂工艺流程图 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 22 程使浑浊的河水变成较清澈的待滤水。待滤水进入滤池后，残余的杂质颗粒被过滤掉，过滤后的水随即 进入消毒流程，即投加适量的消毒剂，用以杀灭水中的细菌，并使自来水出厂后仍保留一定的消毒能力。成品水进入清水池后，最后经吸水井由清水泵房的泵机加压进入城市供水管网，则可以饮用。 4.1.1 平流沉淀池 平流式沉淀池的表面为矩形水池，如图 4.2 所示。其上部为沉淀区，下部为污泥区，原水经混凝过后的水从前部的进水区进入沉淀池，缓缓向前流动，固体悬浮物 (矾花 )慢慢地沉到池底，最后从出水区流出，利用重力达到固液分离的效果 9。 图 4.2 平流式沉淀池立面图 一般来说，为了达到较好的沉淀效果，给水处理厂沉淀池一般都 会采用整流措施，使得整个沉淀池内的水流流动平稳以有利于沉淀。如图 2 中的穿孔花墙，以便水流能在进入时在整个截面上均匀分布，达到整流的目的。 平流式沉淀池多用混凝土筑造，也可用砖石圬工结构，或用砖石衬砌的土池。平流式沉淀池构造简单，沉淀效果好，工作性能稳定，使用广泛，但占地面积较大。若加设刮泥机或对比重较大沉渣采用机械排除，可提高沉淀池工作效率。 4.1.2 平流沉淀池的排泥 沉淀过程是大量去除水中悬浮物和杂质的重要过程。沉淀过程的好坏直接关系到整个水处理工艺的优劣。沉淀过后出水浊度的高低，对后续进行的过滤过程影 响很大，沉淀过后出水浊度较大将加重过滤的负荷，导致经济成本的提高和出水效果的不理想 ；若沉淀效果良好，大量的悬浮物和杂质在沉淀中被去除，这样就能提高出水质量，降低成本。 沉淀所积累的污泥 需要 连续或定期被排出池外。 所以沉淀池的排泥是运转中的重要问题，它关系到沉淀池的正常运行。 排泥设备有两种，一种是穿孔排泥管，另一种是刮泥机。穿孔排泥是一种较为简易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反应池， 和沉淀池的进口处 。它是利用沉淀池的水压力，做到无需停池排泥，简单、方便。 刮泥机是机械排泥的一种形式，它主要由电动机、变速箱、钢桁架、轴 流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等组成。它是原理也相当简单，电动机拖动钢桁架，桁架沿着导轨运动，刮泥板将池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口处，轴流泵将压力水充满虹吸管产生虹吸，虹吸管就能将池底的淤泥连续不断地吸到池外了 9。 第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计 23 4.2 虹吸刮泥机的控制要求 虹吸刮 泥机控制系统分手动和自动两种控制方式。行程开关与卷扬机相连，自动控制其往复行程 ，并采用变频调速控制速度。手动控制采用现场电控箱，进行开 /停控制；自动系统由微型计算机和 PLC 站组成，两级分布式集中管理、分散控制的 SCADA。 PLC通过编制程序直接控制 刮泥机运行，监控计算机通过组太软件可控制刮泥机运行，并对运行速度和时间等工艺参数进行实时显示、记录、存储、分析、打印，并对事故状态进行报警。 具体控制如下： a) 刮泥机实现手动 /自动两种控制方式的切换； b) 以硬接点的形式向远方监视系统传送刮泥机的运行状态以及故障信号； c) 虹吸刮泥机系统 自诊断功能，包括 PLC 本身； d) 故障提示报警功能，实现故障停机； e) 运行行程的控制和 定时工作功能。 4.3 虹吸刮泥机系统总体方案 确定 虹吸刮泥机系统设计需要考虑几个方面：系统性能稳定，运行可靠；操作简单，维护方便；运行经济节能，维护费用 低；性价比高；适应以后发展的需要。 基于以上的考虑，和系统本身的控制要求，决定采用 本自控系统采用了 PC+PLC模式。可编程序控制器 PLC 具有可靠、灵活、功能齐全等优点，适用于包含逻辑控制、顺序控制和批处理控制等许多复杂算法的系统。 PLC 主要任务是进行运行过程数据的采集及处理。它通过相应的模拟量，开关量通过输入卡采集一次仪表以及反应各类执行设备状态的电信号数据，并对其中的一些数据进行处理，一方面将数据通过自身的通讯借接口上传到本站的 PC 机，另一方面将有关数据通过相应的模拟量，开关量输出卡传送到个执行机构，控制 执行机构的动作。上位 PC 机的主要任务是借助于组态软件和 PLC内的控制程序完成数据统计，分析和计算功能，保证和维持执行级中各个 PLC 的正常运行，从而实现对工艺工程的连锁保护及整个运行过程的控制。 4.4 本章小结 本章介绍了水厂工艺过程，提出了虹吸刮泥机系统控制要求，确定了虹吸刮泥机系统的总体设计方案。本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 24 第五章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的 硬件 设计 5.1 PLC 控制系统 I/O 点数的确定 根据前面对虹吸刮泥机的工作状况和设备对 PLC 控制系统要求的分析，确定出虹吸刮泥机 PLC 控制系统所需 I/O 点数，下面是 统计结果： 数字量输入控制点数（即 DI 点数）为： 9 数字量输出控制点（ DO 点数）为： 5 数字量输入控制信号分别为： 启动开机信号 ； 虹吸已被破坏信号 ； 虹吸已形成信号 ；前进到位信号 ； 后退到位信号 ； 刮泥机故障信号 ； 预设 1/3 行程信号 ； 预设 2/3 行程信号 ； 现场 PLC 自动控制信号 。 数字输出 命令分别为： 虹吸形成命令 ； 刮泥机后退命令 ； 刮泥机前进命令 ； 开虹吸泵命令 ； 破坏虹吸命令 。 5.2 PLC 的选择 PLC 是 虹吸刮泥 控制系统的核心， PLC 的选择十分重要。 PLC 的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价 格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高 PLC 控制系统的技术经济指标起着重要作用。 PLC 的选择应包括机型的选择、容量的选择、 I/O 模块的选择、电源模块的选择等几个方面。 5.2.1 机型选择 机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。 结构合理 ： 对于工艺过程比较固定、环境条件较好 (维修量较小 )的场合，选用整体式结构 PLC； 其他情况则选用模块式结构 PLC。 功能、 规模相当 ： 对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的 低档机就能满足要求 ； 对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的工程项目，可选用带A/D, D/A 转换，加减运算、数据传送功能的低档机 ；对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现 PID 运算、闭环控制、通信联网等 。 可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机，其中高档机主要用于大规模过程控制、分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。 机型统一 ： 作为大型企业，应尽量做到机型统一。因为同一机型的 PLC，其模块可互为备用，便于备件的采购和管理 ；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培一训、技术水平的提高和功 能的开发 ；其外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可第五章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的硬件设计 25 把控制各独立系统的多台 PLC 联成一个多级分布式控制系 统， 相互通讯，集中管理。 是否在线编程 ： 当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的 PLC， 反之，可考虑选用在线编程的 PLC。 5.2.2 系统容量 PLC 的容量指用户存贮器的存贮容量 (字数 )和 I/0 点数两方面的含义。在选择存贮容量时，一般按实际需要的 25%考虑裕量， I/0 点数可按实际需要的 10%-15%考虑裕量。 5.2.3 I/0 模块 不同的 I/0 模块的电路和性能不同，它直接影响着 PLC 的应用范围和价格， 应该根据实际情况合理选择。 输入模块的作用是接收现场的输入信号，并将输入的高电平信号转换为 PLC 内部的低电平信号。选择输入模块应注意 ： (1)电压的选择 ： 应根据现场设备与模块之间的距离来考虑。一般 5V， 12V， 24V属低电平，其传输距离不宜太远。如 5v 模块最远不得超过 l0m，距离较远的设备应选用较高电压的模块。 (2)同时接通的点数 ： 高密度的输入模块，如 32 点、 64 点，同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般来讲，同时接通的点数不要超过输入点数的 60%。 (3)门槛电平 ： 为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。 输出模块的作用是将 PLC 的输出信号传递给外部负载，并将 PLC 内部的低电平信号转换为外部所需电平的输出信号。输出模块按输出方式不同分为继电器输出、晶体管输出及双向可控硅输出 3 种。此外，输出电压和输出电流也各有不同。选择输出模块应注意 ： (1)输出方式的选择 ： 继电器输出的价格便 宜，适用电压范围较宽，导通压降小。但它原有触点元件，其动作速度较慢，寿命较短，因此适用于不频繁通断的负载。当驱动感性负载时其最大通断频率不得超过 1Hz。对于频繁通断的低功率因数的电感负载，应采用无触点开关元件，即选用晶体管输出 (直流输出 )或双向可控硅输出 (交流输出 )。 (2)输出电流 ： 电流的规格很多，输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。模块输出应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。 (3)同时接通的点数 ： 端所允许通过的电流值。输出模块同时接通点数的是电流累计值必须小于公共一般来讲，同时 接通的点数不要超过输出点数的 60%。 5.2.4 电源模块 电源模块的选择主要考虑输出电流的大小。电源模块的额定输出电流必须大于 CPU模块、 I/0 模块、专用模块等消耗电流的总和。 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 26 5.3 西门子 S7-200 系列 PLC 简介 SIMATIC S7-200 系列可编程序控制器 (PLC)是德国西门子公司的产品，是 SIMATIC S7 家族中的小型可编程序控制器， S7-200 凭借其强大的组网能力、友好易用的编程软件、极高的性价比和不断的创新成为市场上众多小型可编程序控制器的领跑者。 5.3.1 西门子 S7-200 系列 PLC 的特点 a) 小型机身，占用空间小，有丰富的扩展模块。 b) 可靠性高 ： 以微处理器为核心，结构紧凑，采用光电隔离等措施，抗干扰能力强，输入输出独立于控制单元，具有极高的可靠性和稳定性。 c) 响应速度快 ： 它的指令处理周期短、减少了循环时间，它的高速高数计数器、高速中断器可以分别响应过程事件。 d) 灵活性高 10： 它的模块结构可用于各种性能的扩展，脉冲输出可控制步进电机和直流电机，丰富的指令集可以快速方便地解决复杂的任务。 e) 功能强大 ： 它具有点对点接口 (PPI)可连接编程设备、操作员界面和串行设备接口，具有用户友好的 STEP7 编 程软件和功能极强的编程器，方便了编程和组网。 f) 便于调试维护 ： 有丰富的指令集和内置集成功能，可以在线编程调试，对于较复杂的故障，可以用 PC 机在线检测 PLC 的运行状态，从而查出故障的原因。对于外部输入输出，在 PLC 上都有相应的显示，只要 PLC 上的对应 I/0 指示灯，即可知道输入输出的状态。 5.3.2 S7-200 系列 PLC 扩展模块和 TD20011 S7-200 系列 PLC 提供了一系列丰富的扩展模块，有数字量扩展模块 EM221， EM222和 EM223； 模拟量扩展模块 EM231, EM232 和 EM235； 测温模块 EM231 热电阻模块和EM231 热电偶模块 ； PROFIBUS-DP 模块 EM 277； AS-i接口模块 CP 243. 2 等。 TD200 文本显示器是所有 SIMATIC S7-200 系列操作员界面问题的最佳解决方法。TD200 可用于显示信息、在控制系统中起设定和修正参数等。目前西门子公司又推出了新一代 TD 200C 产品，增加了一些功能。 5.3.3 SIMATIC S7-200 的主要功能 S7-200 提供了多种功能，使得编程控制时更加灵活方便： a) 执行指令速度高。 CPU214 执行每条二进制指令时间仅为 0.81 s。 b) 丰富的指令功能。 S7-200 几乎包括了一般计算所具有的各基本操作指令。如 ，变量赋值，数据存贮、传送、比较，子程序调用，循环等。它还有良好的用户功能，如，脉宽调制（ PWM），位控（ PTO）， PID 等功能。 c) 灵活的中断功能。中断触发有几种形式，可用软件设定为中断输入信号的上升沿或下降沿，以便作出快速响应，可设为时间控制的自动中断；可由内置高速计数器自动触发中断。 第五章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的硬件设计 27 d) 输入和输出的直接查询与赋值。 e) 严格的口令保护。 S7-200 系统有三级不同的口令保护级别，以便用户对程序做有效保护，三级口令分别是自由存取 、只可读取、完全保护。 f) 友好的调试和故障诊断功能。包括整个用户程序可在用户规定的周数期内做运行和分析，同时可记录位存贮器、定时器、计数器状态。 g) 输入或输出的强制功能。 h) 通讯功能。通讯是 S7-200PLC 的一个重要功能，它为用户提供了很强的灵活的通讯功能，用点对点接口（ PPI）作数据通讯，用 RS485 接口实现高速用户可编程接口。接口方式 12： 1) 点对点接口方式（ PPI）； 2) 用户可编程接口方式； 3) DP 方式。 5.3.4 SIMATIC S7-200 CPU214 简介 CPU 214 内存 8k 字节，位操作执行时间 0.8us7KHZ。本机集成 14 入 /10 出数字输入 /输出点，可扩展最多 7 个扩展模块。数字量输入 /输出可扩展至 62 点入， 58 点出；模拟输入 /输出可扩展到 12 路入， 4 路出；或 8 路输出。 2 路高速脉冲输出，脉宽可调，2 个高速计数器，速度高达 7KHZ。 CPU 214 是一位全能选手，由于内存扩大，输入 /增多并集成了许多特殊功能，使其成为能够完成精密任务的控制器。可提供 DC/DC/DC， AC/P 型 DC/继电器、 AC/N 型 DC/继电器、 AC/AC/AC/， AC/24VAC/AC 共 5 种类型 CPU。 5.3.5 S7-200 系列 PLC 编程工具 STEP 7-Micro/WIN 通过 STEP 7-Micro/WIN 软件可以对 S7-200 的所有功能进行编程和硬件设置。 CPU通过 PC/PPI 电缆或通过插在 PG/PC 上的 CP 5511 或 CP 5611 与 PG/PC 连接。通过 PC/PPI电缆可以在 Windows 操作系统下实现多主站模式。 STEP7-Micro/WIN 提供了 LAD, FBD以及 STL 三种编程语言，具有简单的程序结构，易学的指令集，易于使用的组态向导 12。STEP 7-Micro/WIN 32 是在 Windows 平台 上运行的 SIMATIC S7-200 软件， 简单、易学。 通过对以上几个方面的比较 分析 ， 和根据本系统所需要的数字输入、输出点的数量和实时功能，决定采用功能比较齐全、又有很高性能价格比的微型 SIMATIC S7-200 系列的 CPU-214 型 PLC。 它有 14 个数字输入点、 10 个数字输出点，并具有实时时钟个功能；另外，它还带有一个大容量的电容，当系统掉电时，依靠电容放电则可以保证 RAM存贮器中的用户数据完整地保存 25 天。 5.4 基于 S7-200 CPU 214 的虹吸刮泥机电气原理 分析 3 根据工艺流程和控 制要求 得 出基于 PLC控制的虹吸刮泥机控制系统的电气 接线 图。本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 28 如图 5.1(a)、 5.1(b)所示： 图 5.1（ a）虹吸刮泥机电气接线图 L1 N FU2 FU1 1SB 2SB 3SB 4KA 1HL 6KA 2HL 8KA 1SL 2SL 3SL 1KA 2KA 3KA 7KA 3HL 1FR 8SB 4SB 4KA 1KM 1FR 5SB 2KM 1KA 3KM 2KM 2FR 3KA 4KA 6SB 3KM 2KA 2KM 3KM 4KA 7SB 4KA YV 5KA 29 39 49 55 57 电源 手动 /自动 前进到位 后退到位 刮泥机越位 故障 开虹吸泵 刮泥机前 进 破坏虹吸 虹吸形成 刮泥机后退 15 远程控制 2FR 3KA 9KA 9KA 10KA BP1 13 11 107 109 111 59 61 17 19 63 21 23 25 27 9KA 105 12 33 31 35 37 16 14 43 41 45 47 51 53 N L L- L+ 108 BP2 U1 +24V. 第五章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统的硬件设计 29 现场 PLC 的 各输入输出 端 定义为 ： 在数字输入模块中 ： I0.0 启动开机信号， I0.1 为虹吸已被破坏信号， I0.2 为虹吸已形成信号， I0.3 为前进到位信号， I0.4 为后退到位信号， I0.5 为刮泥机故障信号， I0.6为预设 1/3 行程信号， I0.7 为预设 2/3 行程信号， I1.0 为现场 PLC 自动控制信号。 在数字输出模块中： O0.1 为虹吸形成命令， O0.2 为刮泥机后退命令， O0.3 为刮泥机前进命令， O0.4 为开虹吸泵命令， O0.5 为破坏虹吸命令。 5.4.1 控制方式的选择 刮泥机设有远程自动、现场 PLC 自动、现场自动、和现场手动四种控制方式，此四种控制方式通过选择开关 2SB 和 3SB 的结合来实现的。 5.4.2 刮泥机行程的选择 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1L 0.0 0.1 0.2 2L 0.3 输入 输出 0.5 0.6 0.7 1.0 1.1 0.4 0.5 PE LC 15 57 39 29 55 虹吸形成 刮泥机后退 N 49 刮泥机前进 开虹吸泵 破坏虹吸 9SB 6KA 1KA 2KA 7KA 10SBB 图 5.1 (b) 虹吸 刮泥机 电气接线图 N 0.6 3L L1 0.7 1.0 1.1 1.5 L+ 1.2 1.3 1.4 2M M 10KA 9KA 3SB +24V 79 70 71 72 73 74 75 78 150 152 启动 虹吸已破坏 虹吸形成 前进到位 后退到位 故障 1/3 行程 全程 PLC 自动 2/3 行程 151 220VAC - N PLC SIMATIC S7-200 (CPU214) 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 30 由于每个季度进厂源水浊度的不同，造成了沉积在沉淀池的淤泥数量也不同，因此，有必要控制刮泥机刮泥路程的长短。本系统可通过选择开关 10SB 可设置 1/3 行程、 2/3行程和全程。 5.5 本章小结 本章确定了 PLC 控制系统 I/0 点数， 简述了 S7-200 的技术参数和特点等等， 确定了 PLC 选用的型号 为 S7-200 CPU 214， 画 出了虹吸刮泥机 PLC 控制系统 的电气 接线 图 。第六章 虹吸刮泥机系统 PLC 控制系统软件设计 31 第六章 虹吸刮泥机 PLC 控制系统软件设计 6.1 PLC 控制系统的软件设计 6.1.1 PLC 软件设计概述 PLC 控制系统软件开发的过程与任何软件的开发一样，先要进行可行性研究，然后，还要经历需求分析、软件设计、编码实现、软件测试和运行维护等几个环节。要想使开发的 PLC 应用系统达到 预期的结果，能够安全、可靠并令用户满意，都要依赖于一个好的软件开发过程。 PLC 软件开发过程主要包括几个环节 ： 1、需求分析 ； 2、软件设计 ； 3、编程实现 ； 4、软件测试。 PLC 应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求既要有 PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的知识，还要有一定的现场实践经验。 首先，必须深入现场， 了解并熟悉被控对象 (机电设备或生产过程 )的控制要求，明确 PLC 控制系统必须具备的功能和性能，为应用软件的编制提出明确的要求和技 术指标。在此基础上再进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们之间在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁，流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完全性和一致性。然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编程语言进行程序设计，对每一个程序模块进行单元测试、确认 (功能 )测试和集成测试，并通过调试来修改错误。 a) PLC 软件需求分析 需求分析是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约束等方面的期望。通过对应用问题及其环境的理解与分析 ，建立信息、功能及系统行为的模型，将用户需求精确化、完全化，最终形成需求规格说明。这一阶段是软件开发的重要阶段，它是后续设计、实现、测试直至维护的主要基础。在 PLC 软件需求分析中主要包括以下几个方面 ： 1) 功能分析 PLC 软件功能的分析是 PLC 控制系统中软件设计的一个重要组成部分。对于控制系统的整体功能要求，可以通过硬件的途径、软件的途径及软硬结合的途径来实现。因此，在未正式编写程序之前，必须要进行的第一件事，就是站在控制系统的整体高度上，进行系统功能要求的分配，弄清楚哪些功能是要通过软件的执行来实现的 ，即明确应用本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 32 软件所必须具备的功能。对于一个实用的软件，大体上可以从 3 个方面来考虑 ： (1)控制功能 控制功能是 PLC 控制系统的根本，控制系统最基本的要求就是如何通过 PLC 对被控对象实施人们所希望的控制。其主要的依据是根据被控对象和生产工艺要求而定。分析时一定要进行详尽的调查和研究，搞清被控设备的动作时序、控制条件、控制精度等，对系统要完成的功能及要实现的技术参数 (响应时间、控制精度等 )做出明确、具体的规定，并分析这些规定是否合理、可行。 (2)操作功能 (人一机界面 ) 操作功能对于 PLC 控制系统是必须的。随着 PLC 应用的不断深入， PLC 不再采用单机控制，为了实现车间或工厂的自动化，往往采用的是包括上位计算机、 PLC 的多级分布式控制系统。这时，为便于操作，就需要有友善的人机对话界面。 (3)自诊断功能 自诊断功能对于系统维护人员了解系统当前的运行状态有着非常重要的作用。自诊断功能包括 PLC 自身工作状态的自诊断和系统中被控设备工作状态的自诊断两部分。对于前者可利用 PLC 自身的一些信息和手段来完成。对于后者，则可以通过分析被控设备接收到的控制指令及被控动作的反馈信息，来判断被控设备的工 作状态 ；如果有故障发生，则以电、声、光等方式报警，并通过计算机显示发生故障的原因及处理故障的方法和步骤。 2) I/O 信号及数据结构分析 PLC 的工作环境是工业现场，工业现场的检测信号是多种多样的，有模拟量，也有开关量， PLC 对 I/O 信息的分析，就是对后面编程所需要的 I/O 信号进行详细的分析和定义，并以 I/O 信号表的形式给出。 I/O 信号分析的主要内容有 ： (1)定义每一个输入信号并确定它的地址。可以以输入模板接线图的方式给出，图中应包含对每一输入点的简洁说明。同样也可以以 I/O 信号表的形 式给出。 (2)定义每一个输出信号并确定它们的地址。可以以输出模板接线图的方式给出，图中也应包含对每一输出点的简洁说明。同样也可以以 I/O 信号表的形式给出。 (3)审核上述的分析设计是否能满足系统规定的功能要求。若不满足，则需修改，直至满足为止。 b) 软件设计 软件设计过程是对程序结构、数据结构和过程细节逐步求精的过程。软件设计是将需求规格说明逐步转化为源代码的过程。软件设计主要包括两个部分 ： 一是根据需求确定软件和数据的总体框架 ； 二是将其精化成软件的算法表示和数据结构。 1) 程序结构设计 模块化的程序设计方法，是 PLC 程序设计和编制的最有效、最基本的方法。程序第六章 虹吸刮泥机系统 PLC 控制系统软件设计 33 结构设计的基本任务就是以模块化程序结构为前提，以系统功能要求为依据，按照相对独立的原则，将全部应用程序划分为若干个“软件模块”，并对每一“模块”提供软件要求和规格说明。 软件设计常采用“自顶而下”的设计方法 (Top To Down )，只给出软件模块的定义和说明。 2) 数据结构设计 数据结构设计的任务，就是对程序中所用的数据结构进行具体的规划和设计，合理地对内存进行估算，提高内存的利用率。 数据结构设计的主要内 容有 ： (1)按照软件设计的要求，将 PLC 的数据空间做进一步的划分，分为若干个子空间，并对每一子空间进行具体的定义。当然这要以功能算法、硬件设备要求、预计的程序结构和占有量为依据，综合考虑来决定。 (2)规定子空间的数据存放方式、编码方式和更改时的保护方法。 (3)在采用模块化程序设计时，最好对每一个程序规定独立的中间结果存放区域，以防混用。当然，对于公用的数据也应考虑它的存放区域。 (4)为了清晰起见，数据结构的设计可以以数据结构表的形式给出，其中明确规定各子空间的名称、起 始地址、编码方式、存放格式等。 I/O 信号及数据结构的分析与设计为 PLC 编程提供了重要的依据。 3) 软件过程设计 程序结构考虑软件总体结构中模块之间的控制分层关系，而软件过程设计的任务主要是描述算法的细节，以及模块间的处理顺序。可用流程图、框图、梯形图等工具来描述。常采用结构化程序设计技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口、单出口的控制构件。 6.1.2 PLC 程序设计的常用方法 在工程中，对 PLC 应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大差异。现将常用的几 种应用程序的设计方法简要进行介绍。 a) 经验设计法 在 PLC 发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图。即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善 梯形图。 经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的 13。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。对于较复杂的系统，经验法一般设计周期长，不易掌握，系统交付使用后，维护困难。所以，经验法 一般只适合于较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 34 b) 时序图设计法 如果 PLC 各输出信号的状态变化有一定的时间顺序，可用时序图法设计程序。因为在画出各输出信号的时序图后，容易理顺各状态转换的时刻和转换的条件，从而建立清晰的设计思路。 时序图设计法归纳如下 ： 1) 把时序图划分成若干个时间区段，确定各区段的时间长短。找出区段间的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。 2) 根据时间区段的个数确定需要的定时器数量，分配定时器号，确定各定时器的设定值，明确各定时器开始定时和定时时间到这两个关键时刻对 各输出信号状态的影响。 3) 明确各 I/O 信号之间的时序关系，画出各 I/O 信号的工作时序图。 4) 根据定时器的功能明细表、时序图和 I/O 分配画出梯形图。 c) 顺序控制设计法 所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。顺序控制设计法又称步进控制设计法 。 对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法规律性很强，虽然编出的程序偏长，但程序结构清晰、可读性强。 在用顺序控制 设计法编程时，功能表图是很重要的工具。功能表图能清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。 用顺序控制设计法编程的基本步骤是 ： 1) 分析控制要求。将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向进行 (单序列 )还是多向进行 (选择或并行序列 )的，确定步的转换条件 (可能是多个信号的“与”、“ 或 ”等逻辑组合 )，必要时可画一个工作流程图。 2) 为每个步设定控制位。控制位最好使用同一个内存单元的若干连续位。若用定时器 /计数器的输出作为转换条件，则应确定各定时器 /计数器的编号和设定值。 3) 确定所需输入和输出点的点数。确定所需输入和输出点的个数，选择 PLC 机型，做出 I/O 分析。 4) 在前两步的基础上画出功能表图、画梯形图 。 5) 添加某些特殊要求的程序 。 顺序控制设计法有一定的规律可循，所编写的程序易读、易检查、易修改，是常用的设计方法之一。使用顺序控制设计法的关键有三条 ： 一是理顺动作顺序，明确各步的转换条件 ； 二是准确地画出功能表图 ；三是根据功能表图正确地画出相应的梯形图，最后再根据某些特殊功能要求，添加部分控制程序。 第六章 虹吸刮泥机系统 PLC 控制系统软件设计 35 d) 逻辑设计法 逻辑设计方法是根据数字电子技术中的逻辑设计方法进行 PLC 程序的设计。该 方法使用逻辑表达式描述实际问题。在得出逻辑表达式后根据逻辑表达画梯形图，或者直接用逻辑表达式写助记符程序。该方法在纯粹的条件控制系统中，非常好用。因为纯粹的条件控制系统相当于组合逻辑电路，逻辑表达式书写简单。但是在和时间有关的控制系统中，就显得复杂。因为，这时的控制问题就相当于顺序逻辑问题，不仅要考虑条件，还要考虑时间。用逻辑设计法设计 PLC 应用程序的一般步骤如下 ： 1) 列出执行元件动作节拍表 ； 2) 绘制电气控制系统的状态转移图 ； 3) 进行系统的逻辑设计 ； 4) 编写程序 。 6.1.3 PLC 程序设计步骤 根据 PLC 系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是程序设计。 a) 程序设计步骤 PLC 程序设计一般分为以下几个步骤 14： 1) 程序设计前的准备工作 ； 2) 程序框图设计 ； 3) 编写程序 ； 4) 程序测试 ； 5) 程序调试 ； 6) 编写程序说明书。 b) 程序设计前的准备工作 1) 了解系统概况，形成整体概念 这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明书了解控制系统的全部功能、控制规模、控制方式、输入 /输出信号种类和数量、是否有特殊功能接口、与其他设备的关系、通信 内容与方式等 。 2) 熟悉被控对象、编制出高质量的程序 这一步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或控制区域划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模，以及其间的关系和预见以后可能出现的问题，使程序有的放矢。 3) 充分利用手头的硬件和软件工具 例如，硬件工具有 ： 编程器、 GPC(图形编程器 )、 FIT(工厂智能终端 )。编程软件有 ：西门子 STEP7 等。利用计算机编程，可以大大提高编程的效 率和质量。 本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 36 c) 程序框图设计 这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。如果有人已经做过这步工作，最好借鉴一下。有的系统的应用软件已经模块化，那就要对相应程序模块进行定义，规定其功能，确定各模块之间连接关系，然后再绘制出各模块内部的详细框图。框图是编程的主要依据，要尽可能详细。如果框图是别人设计的，一定要设法弄清楚其设计思想和方法。这步完成之后，就会对全部控制程序的功能实现 有一个整体概念。 d) 编写程序 编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。如果有编程支持软件如 ： STEP7, SSS, CPT 等，应尽量使用。梯形图语言是最普遍使用的编程语言，再来编写用户应用程序。在编写程序的过程中，可以借鉴现成的标准程序，但必须弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难和损失。另外，编写程序过程中要及时地对编出的程序进行注释，以免忘记其间相互关系，要随编随注。注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、设计思想、信号的来源和去向，以便阅读和调试。 e) 程序测 试 程序测试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试中修改和完善的。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，必要时可以借用某些仪器、仪表。各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，测试各部分的接口情况，赶到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将可编程序控制器系统与现场信号隔离，可以使用暂停输入 /输出服务指令，也可以切断输入 /输出模板的外部电源，以免引起 不必要的、甚至可能造成事故的机械设备动作。 f) 程序调试 程序调试与程序测试不同，它是在成功地进行了程序测试之后才开始的工作。软件测试试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。 6.2 虹吸刮泥机 PLC 控制系统 软件 设计 6.2.1 PLC 自动控制系统控制工艺流程图 根据 PLC 编程的特点，程序运行至“结束”之后，自动返回至“开始”进行下一次扫描运行。 PLC 的程序设计采用了模块化的结构，将每一个功能独立的模块作为一个子程序 15。 虹吸刮泥机 PLC 控制系统主要包括以下几 个环节：主程序部分、初始化部分、第六章 虹吸刮泥机系统 PLC 控制系统软件设计 37 现场控制方式 主程序入口 初始化程序 远程 /现场 运行 /停机 自动 /手动 运行方式 END 现 场自动程序 运行方式的选择 PLC 程序 现场手动程序 上位机控制方式 RUN 自动 手动 STOP 控制方式选择、运行方式等。主程序的基本流程图如图 6.1 所示： 图 6.1 PLC 控制系统主程序的流程图 6.2.2 虹吸刮泥机 PLC 实现的控制功能 a) 虹吸形成 按下启动按钮 9SB， Q0.4 得电输出， 1KM 得电，启动虹吸泵，当刮泥机虹吸管内形成真空后，真空压力表的触点 BP2 断开， BP1 闭合， 9KA 得电，虹吸形成， Q0.1 得电，同时 01KM 失电，虹吸泵停止运行。 b) 刮泥机前进 虹吸形成后， Q0.1 输出 05KA 得电， Q0.3 输出 02KM 得电，刮泥机前进刮 泥。当到达预设的行程时， T5（或 T6、 T7）动作，触使 M0.3 动作， Q0.3 失电， 02KM 失电，刮泥机停止前进。 c) 延时 20 秒破坏虹吸 当刮泥机到达预定的位置后，立即触发 PLC 的 M0.3，然后 Q0.5 输出， YV 电磁阀本科毕业（设计）论文： S7-200PLC 在水厂虹吸刮泥机系统中的应用 38 得电，开始破坏虹吸，计时数 T38 开始计时，延时 20 秒后，真空压力表的触点 BP1 断开， BP2 闭合， Q0.5 失电， VY 电磁阀失电，虹吸破坏过程完成。 d) 刮泥机后退的实现 延时 20 秒后， Q0.2 输出， 03KM 得电，刮泥机返回，到达初始位置时，行程开关2SL 动作，刮泥机停止运行。 e) 故障停机的实现 当刮泥机 处于现场 PLC 自动控制方式、现场自动控制方式、远程控制方式时，为了能对刮泥机的电机过载或行走越位等故障作出准确迅速的判断处理，同时又为了防止PLC 内部出现异常，本系统就在常规控制回路加入了相关的控制触点，加强保护刮泥机。 当虹吸泵过载时，其主回路的热继电器 1FR 的保护触点动作， 1KM 失电，虹吸泵故障停机，报警，同时 7KA 得电， I0.5 动作， PLC 立即复位 Q0.4，中断虹吸泵运行命令，等待技术人员的处理。 当刮泥机两侧的行走电机过载时，其对应的热继电器 2FR 的保护触点动作， 2KM或 3KM 失电，刮泥机立即故 障停机， PLC 立即中断刮泥机运行命令。 当刮泥机前进或后退越位时，行程开关 3SL 动作， 3KA 得电， 2KM 或 3KM 失电，刮泥机立即故障停机， PLC 立即中断刮泥机运行命令。 当虹吸管道发生漏气，虹吸泵运行时间已超过 T37 预定的 1800 秒时，虹吸还没有形成，则虹吸泵停止运行，刮泥机停止刮泥。 f) 1/3 行程、 2/3 行程和全程刮泥的实现 刮泥机从沉淀池的初始位置行走到全程位置大约需要 3600 秒，因此本系统设定 1/3行程为 1200 秒， 2/3 行程为 2400 秒，全程为 3600 秒。当系统选择到 1/3 行程时，用时基脉冲为 100 毫秒的计时器 T5 来实现，当计时器计时达 1200 秒，即 1/3 行程已到， PLC开始做相应的工序；同样， 2/3 行程的实现是按 1/3 行程的原理，用 T6 计时 2400 秒；当选择全程时，接近开关 1SL 动作，促使 1KA 得电，输入一个已到全程的开关信号给PLC，触发 T7，再由 PLC 处理。 g) 掉电自保的实现 本系统采用的计时器 T5、 T6、 T7 是 TONR 延时积分型，是具有掉电自保的功能，即系统掉电后，保存在 RAM 存储器中 T5、 T6、 T7 当前累加值，仍可依赖 PLC 自带的大容量电容保存 25 天。 当正在前进刮泥时，系统突然掉电，虽然 PLC 停止工作，外部的常规接触器或继电器掉电复归了，但是外部的真空压力表的触点 BP1 仍处于闭合状态，当系统重新恢复供电后， PLC 又重新扫描，此时只有刮泥机前进的条件满足，因而只有 Q0.1 与 Q0.3有输出，刮泥机继续前进刮泥；同时计时器 T5（或 T6、 T7）再在掉电前的累加积算值的基础上进行累加计时，从而保证预设定的行程不受系统短时掉电的影响。 当正在破坏虹吸或返回时，系统突然掉电后又恢复供电，根据条件判断，条件满足，第六章 虹吸刮泥机系统 PLC 控制系统软件设计 39 T39 开始计时，延时 10 秒，加一个时基脉冲给本来已到达预设值的计时器 T5（或 T6或 T7），重新 触发击活它们，使得 M0.3 再吸合，破坏虹吸继续进行， 20 秒后， Q0.2 输出，刮泥机继续返回。当刮泥机返回到初始位置后，则计时器 T5、 T6、 T7 自动清零复位。 h) 每天自动定时刮泥的实现 本系统采用的 S