毕业设计（论文）-PLC无塔供水系统与监控系统的设计.doc

毕业论文 i 摘 要 供水是城镇发展的重要基础设施，是国家建设、社会文明进步、人民生活不可缺 少的，无法替代的物质基础。随着社会的发展进步，城市高层建筑的供水问题日益突 出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求当 发生火灾时能够可靠供水，保证供水的可靠性和安全性，针对这两方面的要求，新的 供水方式和控制系统应运而生，这就是可编程序控制器（简称 plc）控制的无塔供水 系统。无塔供水系统包括生活用水和消防用水的控制。该系统保证了供水的质量，提 高了系统的可靠性。 随着 plc 技术的迅速发展，plc 在我国各个工业控制领域中得到了越来越广泛的 应用。本文采用了可编程控制器来实现无塔供水系统的自动控制，并比较详细地介绍 了 omron 公司 cpm2a 系列 plc 在无塔供水系统中的硬件配置和软件设计。本系统 使用了世纪星组态软件做为监控平台，可以进行实时监控，达到监视整个设备工作状 态、设备情况的目的，实现了对无塔供水系统的实时监控。最后，通过软硬件相互之 间的配合，使之达到工业自动化设计的要求。 关键词：无塔供水；可编程序控制器；组态软件；监控 无塔供水系统与监控系统的设计 ii abstract urban water supply is an important basis for developing the infrastructure of the country, the progress of social civilization, the peoples living standards indispensable to the irreplaceable material foundation. along with social progress and development, urban high- rise building water supply problems have become increasingly prominent. while improving the quality of the water requirements, not because of the pressure fluctuations caused water obstacles; when asked that the fire occurred when a reliable water supply to ensure that water supply reliability and safety, focus on these two aspects of the request, the new water supply and control system came into being, this is the programmable controller (plc) control tower without water supply systems. no tap water systems including water and water for fire control. the system ensures water quality, improve the reliability of the system. with plc technology and rapid development of chinas various plc in the field of industrial control has been widely used. in this paper, a programmable controller to achieve a tower water system, the automatic and more detailed presentation of the omron corporation omron plc without tap water supply system and the hardware configuration software design. the system uses a century-configuration software as a monitoring platform that can be real-time monitoring, surveillance equipment to the entire state work, the purpose of the equipment to achieve the right water tower without the real-time monitoring system. finally, the correlation between the hardware and software, so as to reach an industrial automation design. keywords : tap water supply; programmable logical controller; configuration software; monitor 目 录 摘 要.i abstract.ii 绪 论.1 1 系统概述.3 2 plc 控制系统的硬件设计4 2.1 系统硬件配置.4 2.1.1 plc 的结构4 2.1.2 中央处理单元（cpu）.4 2.1.3 i/o 电路.5 2.1.4 电源模块6 2.1.5 外部设备6 2.2 plc 控制与监控系统的硬件连线.7 2.2.1 计算机与 plc 间的通信.7 2.2.2 plc 系统的硬件连接8 3 plc 控制系统的软件设计10 3.1 plc 的工作原理10 3.1.1 系统的流程图11 3.1.2 plc 选型及 i/o 分配.12 3.2 程序设计13 3.2.1 主水池注水部分的实现13 3.2.2 生活供水部分的控制.14 3.2.3 消防供水部分的控制.15 4 实时监控系统的设计.17 4.1 上位机与 plc 的连接17 4.2 世纪星主画面的设计20 4.3 无塔供水系统内部变量的设定.22 4.4 监控系统的动画连接及命令语言编写23 4.4.1 监控系统的动画连接部分的设计.23 4.4.2 监控系统命令语言的编写26 结 论.28 致 谢.29 参考文献.30 毕业论文 1 绪 论 我国城市供水系统经过十多年来的高速发展时期，供水能力大幅度提高，供水需 求矛盾已基本解决，城市供水发展战略目标已由提高水量向提高水质转移。以保障水 质卫生安全为目标的“城市无塔供水系统”的构建已经启动，这正是企业把多年来在 “城市无塔供水系统”课题研究中的几项成果转化为生产力的大好契机，这是企业的 荣幸。广大人民真诚地期望能与城市供水、水科技、水工业的企业和人士携手合作， 为改善水质，保障饮用水卫生安全，为了人民的健康和优质的生活做出微薄的贡献。 在充满挑战和蕴含机遇的 21 世纪，众所周知，供水企业是城镇发展的重要基础设 施，是国家建设、社会文明进步，人民生活不可缺少的，无法替代的物质基础，有着 建设的超前性、产品的不可替代性、经营的垄断性、价格的相对稳定性等特点。几年 来无塔供水给水设备的市场营销工作困难重重。首先是建筑给水设计师没有设计依据， 不知道管网是否允许直接抽水；没有设计规范、方法和设计数据，不知道管网供水量 能否不间断地满足设计流量；也不清楚应当如何计算进水罐容积，该不该叠加上管网 压力来选泵？因此，拒绝在设计中选用该类设备是在情理之中的。再说管网方面，城 镇供水条例、饮用水卫生监督管理条例、二次供水设施规范等国家和地方的行政法规 和文件，均不准在管网上连接二次供水设施。即使可以网开一面准你连接，城市供水 企业也会顾虑到管网能力和管网安全等具体技术性问题而不能放心地推广使用。当在 总结、反思这段过程时认识到如果产品不能在供水系统中定位或定位错误，产品的推 广必然会举步维艰。过去，把该产品作为建筑给水的一种新产品，和传统的供水产品 一样，把物产业主作为一个个具体的客户，产品的研发背景、设计理念、营销策略也 必然是面向这样的顾客群体定位。而对于管网方面来说，只提出了一个定性的“无塔 供水”的概念，就强调说只要是“无塔供水”管网就应该准许连接，用户就可自由地 抽水。 通过上述分析我们认识到，其实无塔供水给水产品的真正顾客是城市供水系 统。该类产品的市场需求是缘于城市供水系统的发展，对产品的具体要求、期望也是 由供水系统提出。尽管用水户、物业主是设备的购买者，是设备的产权人，但它必须 被供水系统接纳和使用，使它成为供水系统中的一部分才能具有产品功能。 随着可编程序控制器（简称 plc）技术的迅速发展，plc 在我国各个工业控制领 域中得到了越来越广泛的应用。plc 是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、 无塔供水系统与监控系统的设计 2 自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置， 具有编成容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点、是 专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器，近年来在工业生产的许多领域，如冶 金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业 部门得到了广泛的应用，已经成为工业自动化的三大支柱之一。经过长期的工程实践， plc 的上述特点越来越为广大技术人员所认识和接受，已经应用到各个领域，包括从单 机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。 这里本次课题实际采用计算机监测、控制系统，可实现可视化风格界面。现场操 作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以 获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产效率和生产质量。目前，在监控 系统软件的开发中，大部分是利用组态软件来完成的。利用组态软件提供的硬件驱动 功能直接访问硬件进行通信，同时利用其图形化工具实现监控界面。所谓工业监控组 态软件，就是为用户提供一个简捷的操作平台的软件，用户只需在此平台上做一些简 单的二次开发即可完成用户对工程项目的监视和控制功能。世纪星组态软件是在 pc 机上开发的智能型人机接口软件系统，它以 microsoft windows 95/98/nt/2000 中文 平台作为其操作系统，充分利用了 windows 图形功能完备、界面一致性好、易学易用 的特点。在开发和设计过程中，采用国际先进的组态思想，吸收当前国际国内先进组 态软件的优秀成果，经过严格的实验测试和各行业众多现场实践，已经充分证明了 “世纪星”组态软件的高可靠性（稳定性） 、先进性、通用性、方便性。它比以往使用 专用机开发的工业控制系统更有通用性，并且可以利用 pc 机丰富的软件资源进行二次 开发。 世纪星组态软件作为一个实时界面实用程序生成器，可以产生在管理级别上 的监控和数据采集程序。 世纪星组态软件集强大功能和使用方便于一体。可视化 ie 风格界面、丰富的工具栏，使用它，操作人员可以直接进入开发状态，节省宝贵的时 间；上百种图形控件，既提供所需的组件，又是画面制作向导；强大的全屏幕编辑功 能，提供更大的制作空间。因此，该设计可以达到相当完美的成果。 毕业论文 3 1 系统概述 无塔供水系统的 plc 控制与监控系统的设计与通信示意图如图 1.1 所示,按动启动 按钮，系统启动后，系统工作指示灯亮，主水池开始注水，水池内置有传感器，控制 水位，当水位高于量程时自动停止注水，低于量程时，自动向谁池注水。当需要供水 时，按动生活供水按钮，同时生活供水监视指示灯亮，一号泵首先开始工作，同时一 号泵工作指示灯亮。工作一段时间后，一号泵停止工作，指示灯熄灭，同时自动启动 二号泵工作，二号泵工作指示灯亮。二号泵工作一段时间后，自动停止工作，指示灯 熄灭。同时自动启动三号泵工作，三号泵工作指示灯亮。三号泵工作一段时间后，再 停止工作，启动一号泵工作，如此，生活供水时三台水泵轮流工作，起到倒泵功能， 避免一台水泵长时间工作。当发生火灾时，火灾指示灯亮，三台水泵同时工作，提供 消防用水，防止一台泵单独工作引起消防用水供水不足，同时发生火灾时，自动切断 生活供水，集中水供消防使用。火灾停止后，自动恢复生活供水。如果设备需要停止 检查时，按停止按钮，可停止整套设备工作。再次启动时，直接按启动按钮启动供水 设备。 图 1.1 无塔供水系统示意图 无塔供水系统与监控系统的设计 4 2 plc 控制系统的硬件设计 无塔供水系统是以 plc 为主体设计，结合组态软件进行实时监控，达到更好的应 用效果。plc 的产品型号很多，发展非常迅速，应用日益广泛，不同的产品在硬件结 构、资源配置方面各不相同。但从总体来看，不同型号的 plc 在硬件结构和指令系统 等方面大同小异。我们这里主要对本系统应用的 omron 型 plc 进行系统了解。 2.1 系统硬件配置 2.1.1 plc 的结构 plc 从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在组成上基本相同。整体式 plc 一般由 cpu 板、i/o 板、显示面板、内存和电源等组成，一般按 plc 性能又分为 若干型号，并按 i/o 点数又分有若干规格。模版式 plc 一般由 cpu 模块、i/o 模块、 内存模块、电源模块、底板或机架组成。无论哪种结构类型的 plc，都属于总线式的 开放结构，其 i/o 能力可按用户需要进行扩展与组合1。plc 的组成如图 2.1 所示。 存储器 cpu 电源 i/o 接口通信接口智能接口扩展接口 打印机 监视器编程器 系统总线 图 2.1 plc的组成 毕业论文 5 2.1.2 中央处理单元（cpu） 与通用计算机中的 cpu 一样，plc 中的 cpu 也是整个系统得核心部件，主要由 运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成， 此外还有外围芯片、总线接口及有关电路。cpu 在很大程度上解决了 plc 的整体性能， 如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。 cpu 中的控制器控制 plc 工作，由它读取指令，解释并执行指令，工作的时序则 由振荡信号控制。cpu 中的运算器用于完成算术或逻辑运算，在控制器的指挥下工作。 cpu 中的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器的指挥下工作。 作为 plc 的核心，cpu 的功能主要包括以下几个方面。 （1）cpu 接受从编程器或计算机输入的程序和数据并送入用户程序存储器中存储。 （2）监视电源、plc 内部电路的工作状态等。 （3）诊断编程过程中的语法错误，对用户程序进行编译。 （4）plc 进入运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，并分析执行该指 令。 （5）采集由现场输入装置送来数据，并存入指定的寄存器中。 （6）按程序进行处理，根据运算结果，更新有关标志为的状态和输出状态或数据 寄存器的内容。 （7）根据输出状态或数据寄存器的有关内容，将结果送到输出接口。 （8）影响各种外围设备（如打印机、编程器等）的任务处理请求。 存储器(内存)主要用于存储程序及数据，是 plc 不可缺少的组成单元。plc 中的 存储器一般包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统程序存储器用于存储 整个系统的监视程序，一般为 rom，具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用 于存储用户根据工艺要求设计的控制程序，早期一般采用 ram，需要后备电池在掉电 后保持程序，目前则倾向于采用 eeprom 或闪存，免去了后备电池的麻烦。有些 plc 的存储器容量固定，不能扩展，有的则可以扩展存储器。 cpu 模块的外部表现就是具有相应的工作状态或显示、各种接口及设定或控制开 关。cpu 模块一般都具有相应的状态指示灯，如电源指示、运行指示和故障指示等。 箱体式 plc 的面板上也有这些显示。总线接口用于连接 i/o 模版或底板，内存接口用 于安装内存，设备接口用于接外部设备，通信接口则用于通信。cpu 模块上还有许多 设定开关，用以对 plc 进行设定，如设定工作方式和内存区等2-4。 无塔供水系统与监控系统的设计 6 2.1.3 i/o 电路 输入模块和输出模块通常称为 i/o 模块或 i/o 单元。plc 的对外功能主要是通过各 种 i/o 接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是 plc 与现场 i/o 装置或 设备之间的连接部件，起着 plc 与外部设备之间传递信息的作用。通常 i/o 模块上还 有状态显示和 i/o 接线端子排，以便于连接和监视。i/o 模块既可通过底板总线与主控 模块放在一起，构成一个系统，又可通过插座用电线引出远程放置，实现远程控制以 及联网功能。 有些 plc 厂家还提供了中断控制、高精度定位控制、阀位控制、远程 i/o 控制、 联网等专用型或智能型的 i/o 模块供用户选用。i/o 模块的类型、品种与规格越多，系 统的灵活性越高，模块的 i/o 容量越大，系统的适应性就越强。 plc 提供了各种工作电平、连接形式和驱动能力的 i/o 模块，有各种功能的 i/o 模 块供用户选用，如电平转换、电气隔离、串/并行变换、开关量输入/输出、模数 （a/d）和数模（d/a）转换以及其他功能模块等。按 i/o 点数确定模块的规格及数量， i/o 模块可多可少，但其最大数受 plc 所能管理的配置能力，即底板或机架槽数的限 制。 plc的基本功能就是控制，它的主要功能是采集被控对象的各种信号。经过plc处 理后，通过执行装置实现控制。它包括输入和输出两部分电路：输入电路就是被控对 象进行检测、采集、转换和输入，这里主要用传感器、按钮、开关向plc送控制指令； 输出电路的功能就是接受plc输出的控制信号，对被控对象执行控制任务，本系统输 出连着中继器拖动电动机等设备。 2.1.4 电源模块 plc 一般都配有开关式稳压电源，用于给 plc 的内部电路和各模块的集成电路提 供工作电源。有些机型还向外提供 24v 的直流电源，用于给外部输入信号或传感器供 电，避免了由于电源污染或电源不合格而引起的故障，同时也减少了外部连线，方便 了用户。有些 plc 中的电源与 cpu 模块合二为一，有些是分开的。从输入类型上，有 220v 或 110v 的交流输入，也有 24v 的直流输入。 2.1.5 外部设备 外部设备是 plc 系统不可分割的一部分，主要包括以下几种类型。 （1） 编程设备 毕业论文 7 常见的编程设备有简易编程器、智能图形编程器和基于 pc 的专用编程软件，用 于输入以及编辑程序，对系统做一些设定，监控 plc 及 plc 所控制的系统的工作状况。 编程设备是 plc 的开发应用、监控运行和检查维护不可缺少的部分，但不直接参与现 场控制。 （2） 监控设备 监控设备有数据监视器和图形监视器，直接监视数据或通过画面监视数据。 （3） 存储设备 存储设备有存储卡、磁盘或只读存储器，用于永久地存储用户程序，使用户程序 不丢失，如 eprom 和 eeprom 存储卡及其写入器等。 （4） 输入/输出设备 输入/输出设备用于接收现场的输入信号或送出输入信号，一般有条码读入器、 输入模拟量的电位器和打印机等。 （5）网络通信设备 plc 具有通信联网的功能，借助于网络通信设备，如调制解调器模块、现场总线 通信模块等使 plc 与 plc 之间、plc 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信 息，形成一个统一的整体，实现集散式控制。现在几乎所有的 plc 新产品都通信联网 功能，和计算机一样具有 rs-232c 或 rs-422 接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆实现 通信5。 2.2 plc 控制与监控系统的硬件连线 2.2.1 计算机与 plc 间的通信 通信是指计算机之间或计算机与外设之间的信息传送，这种信息是由数字“1”和 “0”组成的具有一定规则并反映确定信息的一个数据或一批数据。基本的数据通信方 式有并行通信和串行通信两种。 并行通信比较简单，根据cpu的字长和总线特点以及外设数据口的宽度分为不同 位数的并行通信，如8位、16位并行通信等。并行通信的特点是并行传送数据的每一位 都同时传送，而串行通信的数据是逐位传送的，即数据是一位一位的顺序传送，在相 同条件下比并行传送慢。尽管并行通信的传递数据速度快，但并行传送的数据有多少 位，传递线就得有多少根，不适宜远距离通信。串行通信比并行通信慢，但采用串行 通信，不管发送或接收的数据是多少，一般只需要两根传送线，一根用来发送，一根 无塔供水系统与监控系统的设计 8 用来接收。甚至根据串行通信方式的不同，还可以将发送和接收合二为一，成为发送/ 接收复用线。虽然实际应用中还需附加一些信号线，但在多字节数据通信中比并行通 信节省传送线，降低系统的成本。 rs-232c接口是电子工业协会1962年公布的一种标准化接口，传递的波特率一般为 19200bps、9600bps、4800bps、2400bps、1200bps、600bps、300bps.omron 型plc及 其兼容机通常均配有rs-232c接口。在通信距离较近且波特率要求不高的场合可以直接 采用，即简单又方便。但由于rs-232c接口采用单端发送、单端接受，在使用中有通信 速率低、通信距离近、抗共模干扰能力差等缺点。 cpm2a cpu 支持多样的通信协议：点到点（point-to-point）接口（ppi） 、多点接 口（multi-point） （mpi） 。都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。 其中 ppi 方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根 rs-232c 线进行数据信号的传 递，不需要额外再配置模块或软件。因此，本系统选择 ppi 方式，简单且能满足通信 要求。cpm2a 型 plc 上配有 rs-232c 的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下， 可以很方便地将 plc 和计算机的通信端口 com1 和 com2 连接，实现计算机与 plc 间的通信。 计算机与 plc 之间通过 rs-232 连接构成 host link 协议进行通信。rs-232 又 称为 eia-232c 或 rs-232c，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方 式，只能连接两个通信设备。19200 波特率时，最大距离为 75 米；9600 波特率时，最 大距离为 900 米。计算机的串口即为标准的 rs-232 接口。使用 rs-232 转换器可以免 掉一个 rs-422 串行接口板6。 所以cpm2a型plc可通过rs-232c通信接口与计算机的com1或com2连接，波特 率射定为9600。数据位为7位，停止位为2位。并设为偶效验6-8。 2.2.2 plc 系统的硬件连接 根据设计要求，本系统选用了 omron cpm2a plc，为了完成无塔供水任务，系 统共有 5 个开关量输入信号，6 个开关量输出信号，逻辑关系明确，系统硬件接线图如 图 2.2 所示。 毕业论文 9 图 2.2 plc 系统硬件接线图 无塔供水系统与监控系统的设计 10 3 plc 控制系统的软件设计 一个实际的 plc 控制系统是以 plc 为核心组成的电气控制系统，以实现对生产设 备和工业过程的自动控制。plc 控制系统设计的好坏直接影响着产品的质量和企业的 生产效率，关系到企业的经济效益。因此，在设计 plc 控制系统时要全面了解被控对 象的机构和运行过程，明确动作的逻辑关系，最大限度地满足生产设备和生产过程的 控制要求，同时力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便，并保证控制系统的安 全可靠。 无塔供水系统一方面提供高供水质量，不因为压力的波动造成供水障碍；另一方 面保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水，针对这两方面无塔供水 的设计充分满足了实际的需要。无塔供水系统包括生活用水和消防用水的控制。该系 统保证了供水的质量。 3.1 plc 的工作原理 plc 要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来 完成的。这一点是和计算机的工作原理一致的，所以 plc 工作的基本原理是建立在计 算机工作原理的基础上的。从广义上讲，plc 实质上是一种计算机控制系统，只不过 它具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适应于控制要求的编程语言。 由于它是作为继电器控制盘的替代物，其核心为计算机芯片，因此与继电器控制的工 作原理有很大差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行的方式，即如果一个继电器的线 圈通电或断电，该继电器的所有触点（包括常开触点和常闭触点）不论在继电器线路 的哪个位置上，都会立即同时动作。然而 plc 的 cpu 则采用顺序逐条地扫描用户程序 的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包 括常开触点和常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除 两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的 动作时间一般在 100ms 以上，而 plc 扫描用户程序的时间一般均小于 100ms，因此， plc 采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技术。这样，对于 i/o 响 毕业论文 11 应要求不高的场合，plc 与继电器控制装置在 i/o 的处理结果上就没有什么差别了。 plc 在工作时采用循环扫描的工作方式。用户程序按先后顺序存放，在没有中断 或跳转指令时，plc 从第一条指令开始顺序执行，直道程序结束符后又返回到第一条 指令，如此不断循环执行程序。这种顺序扫描工作方式简单直观，简化程序设计，并 为 plc 可靠运行提供保证。有些情况下也插入中断方式，允许中断正在扫描运行的程 序，以处理紧急任务。plc 最基本的工作方式是循环扫描的方式，就是在具有快速处 理的高性能 plc 中，程序也是以循环扫描的工作方式执行，这一点是理解掌握 plc 十 分重要的。 扫描周期是 plc 的重要参数之一，它反映 plc 对输入信号的灵敏度或滞后程度。 通常工业控制要求 plc 的扫描周期在 630ms 以下8。 在程序设计中，输入/输出影响滞后不仅与扫描方式和硬件电路的延时有关，还与 程序设计的指令安排有关。为了缩短扫描周期，提高响应速度，可采用分时、分批设 计的程序设计方法。 3.1.1 系统的流程图 根据系统的自动控制要求，无塔供水系统的流程图如图 3.1 系统的流程图所示。 无塔供水系统与监控系统的设计 12 启动 生活供水？ 1#泵工作 y 到 15 分钟? 2#泵工作 y n 到 15 分钟? 3#泵工作 y n 到 15 分钟? n 消防供水? n 停止生活供水，1#、2#、3#泵同时工作 y n 图 3.1 系统的流程图 3.1.2 plc 选型及 i/o 分配 plc 是一种通用的智能化工业控制设备，其档次和功能面向各种各样的应用，目前常见 的国内外plc 产品有几百种型号。 plc 的选型前提是在功能上应满足生产过程的工艺 要求。 对于只含有开关量控制的系统，一般的小型 plc 即可满足要求，不需要特别考虑 plc 的扫 描速度。 对开关量输入模块，主要是选择点数和输入电压的形式，输入电压一般有24v 的直流 和110v 或220v 的交流。输出模块的输出电压（电流）必须大于负载电压（电流）的额定 值，并留有足够的余量。因此 输入电压应尽可能与现场有源输入设备一致，这样可免去 转换的麻烦。如果是无源输入信号例如按钮、行程开关等，可以根据现场与 plc 的距 离远近来选择电压的高低。应注意模块与外部接线的方式、输出电压（电流）的额定 限度、外部输出点同时接通的影响、选择输出方式等。 输入/输出点数（i/o 点数）的估算是根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，在 考虑15%20%的备用量，以便以后的调整和扩充。 本程序输入信号有开关5 个， 共5 个输入信号。考虑留有15的备用点，即 5*（1+15）=5.75 , 取整数6，因此共需6 个输入点。 输出信号有6 个输出点，考虑留15的备用点，则6*（1+15）=6.9 , 取整后共需 7 个输出点。 可选用omrom 公司的cpm2a 型可编程序控制器 ，满足本题要求 。 本系统的 plc 输入/输出变量分配见表 3.1 i/o 分配表。 表 3.1 i/o 分配表 输入地址名称输出地址名称 0000系统启动按钮1002系统启动电磁阀 0001生活供水按钮1003生活供水指示灯 y 毕业论文 13 0002消防供水按钮10041#泵电磁阀 0003火灾解除10052#泵电磁阀 0004停止按钮10063#泵电磁阀 1007消防供水指示灯 3.2 程序设计 在进行 plc 程序设计时，一般遵循以下几个原则：完全满足被控对象的工艺要求。 在满足控制要求和技术指标的前提下，尽量使控制系统简单、经济。控制系统要安全 可靠。在设计时要给控制系统的容量和功能预留一定的裕度，便于以后的调整和扩充9。 3.2.1 主水池注水部分的实现 该系统在启动运行后，设备首先向主水池注水，为了满足水池内水供应量的大小， 注水量的多少有具体限制要求，池内水量定为 800 立方米，在 800 量程处设有液位传 感器，水位高于 800 时，停止向主水池注水，水位低于 800 时，自动向主水池注水。 程序如图 3.2 主水池注水部分的梯形图所示。 图 3.2 主水池注水部分的梯形图 当按下系统启动按钮 0000，系统启动后，按钮 0004 处于常闭状态，中间继电器 20000 得电，该段程序 20000 得电有自保功能，一直处于得电状态，系统启动电磁阀 1002 接通，即完成启动系统。然后应用传送指令 mov（21） ，向系统输入水位值，即 无塔供水系统与监控系统的设计 14 向地址 dm2000 传送水位数据，再通过 bcd 递增指令 inc（38） ，控制主水池注水。 通过比较指令 cmp（20）确定主水池注水的量程，即对水池内水量（即 dm2000 通道 存储的数据）和水池限制水量 800 进行比较。根据实际工艺控制要求当水池内水量高 于限制水量 800 时，系统停止向主水池注水，低于 800 时，自动向主水池注水。主水 池注水部分即设计完毕。 3.2.2 生活供水部分的控制 我国城市生活供水系统经过十多年来的高速发展时期，供水能力大幅度提高，供 水需求矛盾已基本解决，城市生活供水发展战略目标已由提高水量向提高水质转移。 以保障水质卫生安全为目标的“城市无塔供水系统”的构建已经启动，这正是企业把 多年来在“城市无塔供水系统”课题研究中的几项成果转化为生产力的大好契机，这 是广大人民的荣幸。广大人民真诚地期望能与城市供水、水科技、水工业的企业和人 士携手合作，为改善水质，保障饮用水卫生安全，为了人民的健康和优质的生活做出 微薄的贡献。 本系统具有完整实用的生活供水功能，生活供水时，系统应三台泵单独、轮流工 作，三台泵根据实际控制的需要，采用“先开先停”的原则接入和退出。在生活供水 情况下，如果一台泵连续运行时间超过 15 分钟，则要自动切换到下一台泵，即系统具 有“倒泵功能” ，避免某一台泵工作时间过长。 程序如图 3.3 生活供水部分的梯形图所示。 当按下生活供水按钮 0001，中间继电器 20004 得电，启动生活供水（生活供水指 示灯 1003 亮） ，生活供水首先启动一号泵工作，定时器 tim000 开始计时。15 分钟后 中间继电器 20007 得电，自动启动二号泵工作，同时使中间继电器 20006 断电，一号 泵停止工作，定时器 tim001 开始计时。15 分钟后中间继电器 20008 得电，自动启动 三号泵工作，同时使中间继电器 20007 断电，二号泵停止工作，定时器 tim002 开始 计时。15 分钟后中间继电器 20006 得电，自动启动一号泵工作，同时使中间继电器 20008 断电，三号泵停止工作，定时器 tim000 开始计时。三台泵如此循环工作，不仅 构成“倒泵功能” 。而且满足先开先停的工艺要求。并且当发生突发事件时，系统可以 及时停止工作，防止如电机损坏，电压超额式等故障对供水系统造成严重的破坏。 毕业论文 15 图 3.3 生活供水部分的梯形图 3.2.3 消防供水部分的控制 本无塔供水系统控制要求当发生火灾，需要紧急供水时，三台泵必须同时工作运 行，停止生活供水，全力供应消防用水，有明显的火灾指示功能，火灾结束后系统自 动转为生活供水。 程序如图 3.4 消防供水部分的梯形图所示。 无塔供水系统与监控系统的设计 16 图 3.4 消防供水部分的梯形图 当发生火灾时，按动 0002 火灾按钮，系统启动消防供水，同时停止生活供水，中 间继电器 20005 得电，火灾指示灯 1007 亮，显示火灾的发生，三台泵同时供应消防用 水。火灾排出后，按动火灾解除按钮 0003，中间继电器 20005 断电，火灾指示灯 1007 熄灭，并且结合生活供水的设计，火灾排除后自动启动生活供水。这样，程序设计充 分了系统的控制要求。 毕业论文 17 4 实时监控系统的设计 随着计算机技术的不断发展，计算机已能实现很多功能，例如可以用计算机来编 程，而放弃传统的用手持式编程器编程；可以用计算机来控制 plc，而不用传统的开 关控件；现在还可以用计算机来模拟系统的运行情况，方便进行设置和调试。这里采 用的组态软件是北京世纪佳诺科技有限公司生产的世纪星监控组态软件。 世纪星是通用工业自动化监控组态软件，运行于 windows98/nt 平台上的人机接 口（hmi）应用组态软件系统。实际星作为一个实时的人机界面实用程序生成器，可 以产生在管理级别上的监控和数据采集（scada）系统。 世纪星系统集强大功能和使用方便的特点于一体。可视化风格界面、丰富的工具 栏，使用它，操作人员可以直接进入开发状态，节省宝贵的时间；上百种图形控件， 既提供所需的组件，又是画面制作的向导；强大的全屏幕编辑功能，提供更大的制作 空间；渐进颜色的使用，将用户带入三维动画世界；终身技术支持及软件升级服务， 使用户系统永远保持最新的技术，有效地保护用户的投资。 世纪星的网络功能能使企业的基层和其它部门建立起联系，现场操作人员和工厂 管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历 史数据，优化控制现场作业，提高生产效率和生产质量。 世纪星可用于电力、通讯、制冷、化工、石油、钢铁、机械制造、建筑等多种工 程领域。 本文用工业自动化监控组态软件-世纪星对无塔供水系统的全过程进行了现场模拟 演示，下面将详细介绍整个模拟过程。 4.1 上位机与 plc 的连接 将计算机与控制系统中的 plc 连接起来，计算机作为上位机，plc 作为下位机进 行通信。这样就构成了 plc 网络的上为连接系统。计算机作为上位机可以提供良好的 人机界面，进行全系统的监控和管理；plc 作为下位机，可以执行可靠有效的分散控 制。在计算机与 plc，plc 与 plc 之间通过通信网络实现信息的传送和交换，在控制 系统中，一般计算机仅用于编成、参数设定和修改、图形和数据的在线显示，并没有 直接参与现场控制，现场上的控制执行者是 plc。因此，即使是计算机出现了故障， 也不会影响整个生产过程的正常进行。大大地提高了系统的可靠性。世纪星是通过电 无塔供水系统与监控系统的设计 18 脑的通信端口 com1 和 com2（这里选择 com1 口）与 plc 的通信口 rs232 连接的. i/o 驱动设备的安装可以按照“设备安装向导”的提示安装设备驱动程序，设置必要的 参数即可。在连接过程中，依照与电脑连接的端口选择 com1 或 com2。 打开世纪星开发系统，双击设备安装向导。在其中选择 plc欧姆龙host link 系列串口，然后点击下一步按钮10。世纪星与 plc 的连接方法见图 4.1。 图 4.1 设备安装向导对话框图 再点击“下一步” ，弹出如图 4.2 所示的对话框。 图 4.2 设备安装向导对话框图 毕业论文 19 按照实际要求填写各个对话栏。设备对象名称：要安装的串口通信设备的名称。 通信端口：串口设备与计算机相连的串口号，共有 32 个串口号供用户选择。 （在实际 中我选择了 com1 口）设备地址：串口通信设备的设备地址。尝试恢复间隔：如果有 一台 plc 发生了故障，则世纪星能够自动诊断并停止采集与该设备相关的数据，但会 每隔一段时间尝试恢复与该设备的通信。最后再点击“下一步” ，弹出如图 4.3 所示的 设备安装向导对话框。 图 4.3 设备安装向导对话框图 此时即完成了计算机与 plc 的连接工作。 在进行联机通信之前还有一个重要步骤，就是串口参数的设定，如图 4.4。 图 4.4 串口参数的设定 无塔供水系统与监控系统的设计 20 4.2 世纪星主画面的设计 在开发系统 csmaker 中设计开发的应用程序必须在 csviewer 运行环境中才能运 行。csmaker 是其应用程序的集成开发环境。软件开发者在这个环境中完成界面的设 计、数据库定义、动画连接等。利用图形控件功能可以大大减少设计界面的时间，从 整体上提高工控软件的质量。 首先要新建立一个工程项目，单击“工程项目管理/新建”菜单选项，在对话框中 键入工程项目名称、选择工程项目路径及分辨率即可。用鼠标左键单击“文件/新画面” 菜单选项，弹出“新画面”对话框，如图 4.5 创建“新画面”对话框图所示： 图 4.5 创建“新画面”对话框图 设置应用程序目录后，就可以为每个应用程序建立数目不限的画面，在每个画面 上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由世纪星提供的类型丰富的图 素组成的。 世纪星为用户提供了直线、矩形（圆角矩形）、椭圆（圆）、点位图、多边形、 文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口等复杂的图形对象。提供了 对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全 面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、阴影图案进行改变的操 作工具。世纪星采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。 用户构图时可以象搭积木一样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画 面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。 毕业论文 21 在绘制主画面时，大量的构件可以在自定义图库中找到，因此我们要熟练理解自 定义图库中图形的选择，方法如下，选择“绘图绘制自定义图库”菜单，或绘图工 具栏中的自定义图库按钮，下面列举出本次设计一些常用的控件的选择： 按钮的绘制：选择“按钮”菜单命令，此时鼠标光标变为十字形，将鼠标光标置 于一个起始位置。按下鼠标左键并拖动鼠标，此时屏幕上出现一个随鼠标移动而变化 的矩形框，此矩形框表示所绘制按钮的大小，移动鼠标到新的位置，然后松开左键。 完成按钮绘制。绘制时，按住shift 键，可画出正方形按钮。在绘制过程中，如果需要 取消绘制，同时按下鼠标右键即可11。绘制的按钮如图4.6 所示： 图 4.6 按钮 供水泵的绘制如图4.7所示：选中后，单击确定即可。 图 4.7 泵 针对无塔供水系统的特点，对整个画面的不同图形控件进行有机排序，要在界面 上把无塔供水系统的上艺过程表示出来。争取达到对整个画面空间的最优利用，最终 世纪星的主画面如图 4.8 世纪星主画面图所示： 无塔供水系统与监控系统的设计 22 图 4.8 世纪星主画面图 4.3 无塔供水系统内部变量的设定 世纪星提供的变量数据库是一个实时数据库。在运行系统中，数据库中保存的是 所有变量的实时数据。运行系统将数据库中的数据同用户输入的数据以及工业现场传 送来的数据进行实时处理，再将数据送回工业现场，同时更新变量数据库中变量的实 时数据。在变量数据库中定义变量时，用户必须为每个变量定义一种数据类型，这样 用户才能使用该变量。本系统提供四大类型变量：系统变量、内存变量、i/o 变量和 特殊变量。 在对无塔供水系统进行画面连接，主要将各变量定义为i/o变量，i/o 变量是能其 他应用程序进行数据交换的变量。本系统的i/o 变量能以多种数据交换协议同外部应 用程序进行数据交换，如windows 动态数据交换（dde）协议、opc、网络、串口、 总线、板卡等通讯协议。具有读写属性的i/o 变量数据变化时，系统立即将i/o 变量的 值写到外部应用程序。i/o 变量的值也可以由外部应用程序更新。i/o 变量又分为i/o 离散变量、i/o 整数变量、i/o 实数变量、i/o 信息变量四种。 i/o 离散变量又称布尔（bool）型变量。i/o 离散变量的值只能为：0（关， off，false）和 1（开、on，true）两种，一般用于表示开关量，符合本设计要求。 毕业论文 23 而生活供水工作开关正是开关量输入，主要用于控制生活供水的进行，将其初始状态 设置为关（0） ，为了与 plc 主程序中的生活供水工作开关相联接，在设备对象栏中， 设备对象名选为无塔供水新，寄存器一栏中写为 ir10.03(与 plc 主程序中生活供水开 关的地址 1003 相对应)，这样就完成了对生活供水开始开关的变量定义过程。变量的 定义如图 4.9 变量定义对话框图所示。 图 4.9 变量定义对话框图 该系统涉及的变量数据库如图 4.10 变量数据库管理所示。 4.4 监控系统的动画连接及命令语言编写 4.4.1 监控系统的动画连接部分的设计 动画连接就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。这样，工业现场的数据， 比如温度、液面高度等，当它们变化时，通过 i/o 接口，将引起实时数据库中变量的 变化，如果设计者曾经定义了一个画面图素（比如指针）与这个变量相关，我们将会 看到指针在同步偏转。动画连接的引入是设计者人机接口的一次突破，它把程序员从 重复的图形编程中解放出来，为程序员提供了标准的工业控制图形界面，并且有可编 程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象与变量之间有丰富的连接类型， 给程序员设计图形界面提供了极大的方便。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、 尺寸、位置、填充百分数等，一个图形对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连 无塔供水系统与监控系统的设计 24 接组合起来，应用软件将呈现出令人难以想象的图形动画效果。 图 4.10 变量数据库管理 变量定义之后，还不能使模拟演示画面直观地反映整个无塔供水系统的全过程， 还需要编写对应的命令语言及加入对应的动画连接。给图形对象定义动画连接是在连 接定义对话框中进行的。在csmaker 中双击图形对象（不能有多个图形对象同时被 选中），弹出动画连接对话框。不同类型的图形对象弹出的对话框大致相同。对于特 定对象，有些按钮变成灰色表明此动画连接不适应于该对象，或者该对象定义了与此 动画连接不相容的其他动画连接。 本次设计主要监测的是无塔供水系统的生活供水和消防供水，而控制这些的是供 水泵。需要对水流进行实时