恒压供水系统的PLC控制论文

-共 28页 第 1 页 中文摘要 本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（ PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以 PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。 随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。以方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时 能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是 PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制 即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以 PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。 关键字 : PLC；恒压供水；变频器 -共 28页 第 2 页 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 -共 28页 第 3 页 目 录 第一章 恒压供水原理及工艺 . 5 1.1 工艺要求 . 5 1.2 系统的组成和基本工作原理 . 5 第二章 PLC 概述 . 6 2.1 PLC 的组成 . 6 2.1.1 PLC 的输入 . 6 2.1.2 PLC 的输出 . 6 2.1.3 PLC 的定义 . 6 2.1.4 PLC 的特点 . 6 2.1.5 PLC 的性能指标 . 7 2.1.6 PLC 的分类 . 7 2.2 PLC 工作原理 . 7 2.2.1 循环 扫描 . 7 2.2.2 I/O 响应时间 . 8 2.2.3 PLC 中的存储器 . 8 2.3 PLC 的编程语言 . 8 2.3.1 PLC 的编程结构功能图 . 9 2.3.2 梯形图编程语言 . 9 2.4 PLC 的分类 . 10 2.4.1 按 I/O 点数容量分类 . 10 2.4.2 按结构形式分 . 10 2.5 PLC 与继电器控制系统的区别 . 11 2.6 PLC 控制系统的结构 . 11 2.6.1 单机控制系统 . 11 2.6.2 集中控制系统 . 12 2.6.3 分散控制系统 . 12 2.7 PLC 网络及特点 . 13 2.7.1 网络概述 . 13 -共 28页 第 4 页 2.7.2 网络控制系统 PLC 的影响 . 13 第三章 系统硬件设计 . 14 3.1 恒压供水系统的基本构成 . 14 3.2 系统控制要求 . 15 3.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 . 15 3.4 系统选型 . 16 3.5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用 . 17 3.5.1 校准及配置 . 17 3.5.2 EM235 工作程序编制 . 17 3.5.3 电气控制系统原理图 . 17 第四章 系统程序设计 . 19 4.1 由“恒压 ”要求出发的工作泵组数量控制管理 . 19 4.2 程序 的结果以及程序功能的实现 . 19 参考文献 . 28 致谢 . 28 -共 28页 第 5 页 第一章 恒压供水原理及工艺 1.1 工艺要求 对三泵生活 /消防双恒压供水系统的基本要求是： （ 1）生活供 水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （ 2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； （ 3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； （ 4）三台泵在启动时要又软启动功能； 1.2 系统的组成和基本工作原理 以一个三泵生活 /消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高 /低 水位信号也直接送给 PLC，作为底水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 YV2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。 -共 28页 第 6 页 第二章 PLC概述 2.1 PLC的 组成 2.1.1 PLC的输入 通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。 PLC 要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入 PLC 并被 PLC 所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。 2.1.2 PLC的输出 输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证 PLC 的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的 控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。 2.1.3 PLC的定义 最初，可编程逻辑控制器（ Programmable Logic Controller）简称 PLC。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。 1987 年 2 月，国际电工委员会（ IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入 /输出，控制各种类型的机械和生 产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。 2.1.4 PLC的特点 （ 1）可靠性高。在 I/O 环节， PLC 采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用 EPROM 存储，一般 PLC 的平均无故障工作时间可达几万小时以上。 （ 2）控制功能强。 PLC 采用的 CUP 一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双 CPU 的运行方式，使其功能得到极大的增强。 （ 3）体积小、重量轻、功耗底。 （ 4）性价比 高。 （ 5）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型 -共 28页 第 7 页 号的 PLC 可用于控制从几个 I/O 点到几百个 I/O 点的控制系统。 （ 6）维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。 2.1.5 PLC的性能指标 （ 1）存储容量 这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型 PLC的存储容量变化范围一般为 2KB2MB。 （ 2） I/O 点数 I/O 点数，即 PLC 面板上的 I/O 端子的个数。 I/O 点数越多，外部可以连接的 I/O 器件就越多 ，控制规模就越大。它是衡量 PLC 性能的重要指标之一。 （ 3）指令的多少 她是衡量 PLC 能力强弱的标志，决定了 PLC 的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。 （ 4）内部寄存器的配置和容量 它直接对用户编制程序提供支持，对 PLC 指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。 （ 5）扩展能力 扩展能力包括 I/O 点数的扩展和 PLC 功能的扩展两方面的内容。 （ 6）特殊功能单元 特殊功能单元种类多，也可以说 PLC 的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。 2.1.6 PLC的分类 不同的分类标准会造成不同的分类结果， PLC 常用的分类方式有如下两种。 按其 I/O 点数一般分为微型（ 32 点以下）、小型（ 128 点以下）、中型（ 1024 点以下）、大型（ 2048 点以下）、超大型（从 2048 点以上可达 8192 点以上） 5 种。 按结构可分为箱体式、模块式和平板式 3 种。 2.2 PLC工作原理 2.2.1 循环扫描 CUP 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。 CUP 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行 CUP 自诊断测试及写输出等等内容。 循环扫描有如下特点： （ 1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。 （ 2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映 -共 28页 第 8 页 像寄存器的值保持不变， CUP 采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。 （ 3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。 （ 4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是 PLC 的主要缺点。 在读输入阶段， CUP 对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接 着转入用户程序执行阶段， CUP 按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变 输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。 2.2.2 I/O响应时间 由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入 /输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。 响应时间 有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。 （ 1） PLC 输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。输入延迟是由硬件决定的，有的 PLC 滤波器时间常数可调。 （ 2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。它也是由硬件决定的，对于不同信号的 PLC 可以通过查表得到。 （ 3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使 PLC 的响应时间控制在系统允许的范围内。 2.2.3 PLC中的存储器 PLC 中的 存储器 按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。 （ 1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 PLC 的指令的系统编写的系统程序，它决定了 PLC 的功能，用户不能更改其内容。 （ 2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。 （ 3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。 2.3 PLC的编程语言 PLC 的硬件系统中，与 PLC 的编程应用关系最直接的要算数据存储器。计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。 PLC 和其他的计算机一样，为 了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用的存储元件。这就是前面提到过的编程的“软”元件。为了理解方便， PLC 的编程元件用“继电器”命名， 认为它们象继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置 1，线圈失电，不过就是存储单元置 0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。但是这种“软”继电器也有个突出的好处， -共 28页 第 9 页 可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不 过是读一次它的存储数据而已。 2.3.1 PLC的编程结构功能图 任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言，而功能图是理解这两种语言的基础。如图 3 所示为 PLC 内部的结构功能示意图。 PLC 与被控对象所连接的只是 I/O 条件，而 I/O 之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入 PLC 的用户程序存储器中， PLC 就能够直接解释并实现 I/O 间的控制关系。当控制关系发生改变时，只要修改梯形图程序，重 新输入到 PLC 的存储器即可，从而快捷的改变生产工 C O M4 0 14 0 24 0 34 0 44 0 54 0 64 0 74 0 84 3 14 3 14 3 34 3 24 3 24 3 34 3 44 3 4S b输 出 继 电 器X 4 0 2X 4 0 4Y 4 3 1Y 4 3 1X 4 0 2M 1 0 1T 4 5 1K 1 1Y 4 3 1Y 4 3 2Y 4 3 3Y 4 3 4辅 助 继 电 器外 部 输 出 触 点输 入 继 电 器S QS P输出信号外 部 输 入设 备输出信号外 部负 载 设 备图 3 PLC 内部的结构功能示意图 2.3.2 梯形图编程语言 PLC 是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。 PLC 的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能， 是 PLC 用户程序的基础元素。 如图 4 所示是用 PLC 控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。 按 钮 的 常 开 触 点按 钮 的 常闭 触 点 继 电 器 的 线 圈继 电 器 的 常 开 触 点图 4 梯形图 -共 28页 第 10 页 为了充分发挥 CUP 的逻辑运算功能，设置了大量的称为盒的附加命令，如定时器、计算器、格式转换、模拟量 I/O、 PID 调节或数学运算指令等，充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成 PLC 的各种复杂控制功能。 2.4 PLC的分类 PLC 发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也 不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑 2.4.1 按 I/O点数容量分类 一般而言，处理 I/O 点数越多，则控制关系就 比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求 PLC 指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。按 PLC 的输入、输出点数的多少可将 PLC 分为以下三类。 （ 1）小型机 小型机 PLC 的功能一般以开关量控制为主，小型 PLC 输入、输出点数一般在 256 点以下，用户程序存储器容量在 4K 左右。 典型的小型机有 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 系列等整体式 PLC 产品。 （ 2）中型机 中型 PLC 的输入、输出总点数在 2562048 点之间，用户程序存储器容量达到 8K 字左右。典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7-300 系列、 OMRON 公司的 C200H 系列、 AB公司的 SLC500 系列等模块式 PLC 产品。 （ 3）大型机 大型 PLC 的输入、输出总点数在 2048 点以上，用户程序储存器容量达到 16K 以上。大型 PLC 的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些 PLC 还具 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 按结构形式分 根据 PLC 结构形式的不同， PLC 主要可分为整体式和模块式两类。 （ 1）整体式结构 整体式结构的特点是将 PLC 的基本部件，如 CUP 板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成 PLC 的一个基本单元（主机）或扩展单元。微型和小型 PLC 一般为整体式结构。如西门子的 S7-200 （ 2）模块式结构 模块式结构的 PLC 是由一 些模块单元构成，这些标准模块如 CUP 模块、输入模块、 -共 28页 第 11 页 输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。 目前大、中型 PLC 都采用这种方式。如西门子的 S7-300 和 S7-400 系列。 2.5 PLC与继电器控制系统的区别 PLC 梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是 PLC 梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。同时，信号的输入 /输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是 PLC 的控制与继电器的控制又有 根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。 （ 1）逻辑控制 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有 4 8 个对触点。因此，灵活性和扩展性很差。而 PLC 采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。因此灵活性和扩展性都很好。 （ 2）工作方式 电源接通时，继电器控制电路中各个继电 器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。 （ 3）可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而 PLC 采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。 PLC 还配有自监和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情 况，为现场调试和维护提供了方便。 从以上几个方面的比较可知， PLC 在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。 2.6 PLC控制系统的结构 使用 PLC 可以构成多种形式的控制结构，下面介绍几种常用的 PLC 控制系统。 2.6.1 单机控制系统 单机控制系统是较普通的一种 PLC 控制系统。该系统使用一台 PLC 控制一个对象，控制系统要求的 I/O 点数和存储器容量都比较小，没有 PLC 的通讯问题 ，采样条件和执行结构都比较集中，控制系统的构成简单明了。 -共 28页 第 12 页 如图 5 所示是一个简单的单机控制系统，图中 PLC 可以选用任何一种类型。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确， I/O 点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中即可。 图 5 简单的单机控制系统 2.6.2 集中控制系统 集中控制系统用仪态功能强大的 PLC 监视、控制多个设备，形成中央集中式的控制系统。其中，各个设备之间的联络，连锁关系、运行顺序等统一由中央 PLC 来完成，如图 6示 图 6 集中控制系统 2.6.3 分散控制系统 分散控制系统的构成如图 7 所示，每一个控制对象设置一台 PLC，各台 PLC 可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通讯。 P L C 控制对象 A 控制对象 B 控制对象 C P L C 控 制 对 象 -共 28页 第 13 页 图 7 分散控制系统 2.7 PLC网络及特点 2.7.1 网络概述 分散控制系统的控制思想就是集中操作、分散操作。一个实际 的工业控制过程中是比较复杂的，一个控制过程可能由多个控制任务完成。这些控制任务既有独立性，有与其他任务有联系，而这些相对独立的任务需要构成一个整体。当控制系统达到一定规模时，分散控制系统解决方案并不理想，因此许多厂家开发了自己的网络系统。虽然现在对网络的系统结构等问题还没有同意的标准，但是很显然，网络控制系统比分散控制系统更能准确的描述现实控制系统，并且控制、改变更加灵活，组态也更容易，能够实现管控一体化的控制思想。 2.7.2 网络控制系统 PLC的影响 PLC 网络控制系统的发展，使 PLC 的应用更加广泛。 许多 PLC 产品都在 PLC 上加上了具有网络功能的硬件和软件，因此，组成 PLC 网络非常方便。 PLC 网络系统对任何一个站的操作都和使用同 PLC 一样方便，并且在网络中任何一个站都可以对其他站的元件及数据乃至程序进行操作。 上机位 PLC A PLC B PLC C 控制对象 A 控制对象 B 控制对象 C -共 28页 第 14 页 第三章 系统硬件设计 随着 PLC 功能的不断完善和提高， PLC 几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是PLC 还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理 能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（ IPC）作为主控器 控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定 PLC 的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由 PLC 控制来完成。 当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后。选择 PLC 就成为最重要的事情。 选择多大容量的 PLC,首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 模拟量 I/O 以及这些 I/O 点的性质。 I/O 点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统 输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流 220V 的接触器、电磁阀，又有直流 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点有可能大于实际点数。因为PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。 3.1 恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。下图为恒压供水泵站的示意图。如图 9 所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压 的变化送给调节器。 水 箱调 节 器 变 频 器电 动 机水 泵压 力 传 感 器用 户图 9 变频恒压供水站的基本组成 -共 28页 第 15 页 3.2 系统控制要求 对三泵生活 /消防双恒压供水系统的基本要求是： （ 1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （ 2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； （ 3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； （ 4）三台泵在启动时要又软启动功能； （ 5）要有完整的报警功能 ； （ 6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。 3.3 控制系统的 I/O点及地址分配 PLC 要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。 PLC 是通过 I/O 单元完成此工作的。 I/O 单元是 PLC与外部设备相互联 系的通道，能输入 /输出多种形式和驱动能力的信号，以实现被控设备与PLC 的 I/O 接口之间的电平转换、电气隔离、串 /并转换、 A/D 与 D/A 转换等功能。输入单元接受现场设备向 PLC 提供信号，包括人为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等处理后，变成 CUP 能够接受和处理的信号。输出单元将经过 CUP 处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触 器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。 根据图 10 及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示。水位上下限信号分别位 I0.1、 I0.2，它们在水淹没时为 0，露出时为 1。 -共 28页 第 16 页 表 1 输入输出点代码及地址编号 名 称 代 码 地址编号 输 入 信 号 手动和自动消防信号 SA1 I0.0 水池水位下限信号 SLL I0.1 水池水位上限信号 SLH I0.2 变频器报警信号 SU I0.3 消铃按钮 SB9 I0.4 试灯按钮 SB10 I0.5 远程压力表模拟量变压值 U AIW0 输 出 信 号 1#泵工频运行接触器及指示灯 KM1， HL1 Q0.0 1#泵变频运行接触器及指示灯 KM2， HL2 Q0.1 2#泵工频运行接触器及指示灯 KM3， HL3 Q0.2 2#泵变频运行接触器及指示灯 KM4， HL4 Q0.3 3#泵工频运行接触器及指示灯 KM5， HL5 Q0.4 3#泵变频运行接触器及指示灯 KM6， HL6 Q0.5 生活 /消防供水转换电磁阀 YV2 Q1.0 续表 1 输入输出点代码及地址编号 输 出 信 号 水池水位下限报警指示灯 HL7 Q1.1 变频器故障报警指示灯 HL8 Q1.2 火灾报警指示灯 HL9 Q1.3 报警电铃 HA Q1.4 变频器频率复位控制 KA Q1.5 控制变频器频率用电电压 UF AQW0 3.4 系统选型 从上面分析可知，系统共有开关量输入点 6 个、开关量输出点 12 个；模拟量输出点 1个、模拟量输出点 1 个。如果选用 CPU 224 PLC， 也需要扩展单元；如果选用 CUO 266 PLC则价格较高，浪费较大。参照 S7 200 的产品目以及市场实际价格，选用主机为 CUP222（ 8 入 /6 继电器输出）一台，加上一台扩展模块 EM222（ 8 继电器输出），再扩展一台模拟量模块 EM235（ 4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个 PLC 系统的配置如图 11 主机单元 CUP222 AC/DC 继电器 扩展单元 EM222 8 点继电器 模拟量单元 EM235 4AI/1AO -共 28页 第 17 页 S7-200PLC 是德国西门子公司生产德一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 一样，因此，它一经退出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CUP22*系列 PLC。由于它具有多种功能模块和人机界面（ HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成 PLC 网络。 3.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用 PLC 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，了使 PLC 能完成模拟量的处理 ,常见的方法是为整体式 PLC 加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转化为 PLC 可处理的数字量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模 /数转换的，单独用于数 /转换的，也兼有模 /数和数 /模两种功能的，以下介绍 S7-200 系 列 PLC 的模拟量扩展模块 EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。 3.5.1 校准及配置 模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。 3.5.2 EM235工作程序编制 EM235 的工作程序编制包括以下的内容： （ 1）设置初始化主程序。在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。 （ 2）设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接的正确性 以及模块工作的正确性。 （ 3）设置子程序完成采样以及相关的计算工作。 （ 4）工程所需的有关该模拟量的处理程序。 （ 5）处理后模拟量的输出工作。 S7-200PLC 硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量的输入 /输出（ I/O）点，同时还可以扩展 I/O 模块和各种功能的模块。 3.5.3 电气控制系统原理图 电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图以及 PLC 外围接线图。 （ 1）主电路图 如下图 13 所示为电控系统主电路图。三台电机分别为 M1、 M2、 M3。接触 KM1、 KM3、KM5 分别控制 M1、 M2、 M3 的工频运行；接触器 KM2、 KM4、 KM6 分别控制 M1、 M2、M3 的变频运行， FR1、 FR2、 FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器； QS1、 QS2、QS3、 QS4 分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关； FU1 为主电路的熔断器， VVVF为简单的一般变频器。 -共 28页 第 18 页 图 13 电控系统主电路 （ 2）控制电路图 图 14 所示电控系统控制电路图。图中 SA 为手动 /自动转换开关， SA 打在 1 的位置为手动控制状态 ；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮 SB1SB2 控制三 台泵的启 /停和电磁阀 YV2 的通 /断；自动运行时，系统在 PLC 程序控制下运行。 图中的 HL10 为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于 PLC 为 4 个输出点为一组共用一个 COM 端，而本系统又没有剩下单独的COM 端输出组，所以通过一个中间继电器 KA 的触点对变频器进行复位控制。图中的Q0.0Q0.5 及 Q1.0Q1.5 为 PLC 输出继电器触点，它们旁边的 4、 6、 8 等数字为接线编号，可结合 PLC 外围接线图一起读图 。 -共 28页 第 19 页 第四章 系统程序设计 硬件条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下： 4.1 由“恒压 ”要求出发的工作泵组数量控制管理 前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵不能满足要求时，需启动第 2 台或第 3 太泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以同过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑 采取时间滤波。 4.2 程序的结果以及程序功能的实现 由于 PLC 在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为 3 部分：主程序、子程序和中断程序。系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。主程序的功能最多，如泵切换信号