毕业设计（论文）-基于PLC的智能窗帘控制系统设计（全套图纸三维）.pdf

基于基于 PLC 的智能窗帘控制系统设计及仿真设计说明书的智能窗帘控制系统设计及仿真设计说明书 目录 摘要摘要 . 3 Abstract . 4 第一章、绪论第一章、绪论 . 7 1.1 课题的研究背景和历史意义 . 13 1.2 智能窗帘的发展现状及应用 . 14 第二章、智能窗帘总体结构的设计第二章、智能窗帘总体结构的设计 . 15 2.1 智能窗帘控制系统的控制原理 . 16 2.2 机械传动部分的设计计算 . 17 2.2.1 智能窗帘结构系统中直流电机的选型计算 . 17 2.2.2 联轴器的选型计算 . 17 2.2.3 转轴的设计计算 . 18 2.3 光电传感器的选型计算 . 18 第三章、智能窗帘的第三章、智能窗帘的 PLC 控制系统的设计控制系统的设计 . 19 3.1 PLC 简介 . 19 3.1.1 PLC 的定义 . 20 3.1.2 PLC 的基础知识 . 22 3.1.3 PLC 的用途 . 23 3.2 PLC 的组成.23 3.2.1中央处理单元.24 3.2.2存储器.24 3.2.3输入输出单元.24 3.2.4通讯接口.25 3.2.5智能接口模块.25 3.2.6编程装置.26 3.2.7电源.26 3.3 输入输出点分配 . 27 3.4 PLC 的选择 . 27 3.5 智能窗帘 PLC 控制系统接线图 . 28 第四章、智能窗帘控制系统第四章、智能窗帘控制系统 PLC 控制程序的实现控制程序的实现 . 28 结论结论 . 29 致谢致谢 . 30 参考文献参考文献 . 31 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 摘 要 可编程序控制器（PLC）是一种新型的通用的自动控制装置，它将传统的继电 器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，是功能加强、编程简单、使用方便 以及体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。PLC 的应用领域已经拓宽到了各个领 域，PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件 进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采 集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本最广泛 的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制，顺序控制， 既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机，印刷机， 订书机，组合智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁， 石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保及文化娱乐等 各个行业，使用广泛。如今伴随着信息时代的到来，人们的生活水平日益提高，方 便、快捷、 自动、智能成为时代的主题，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不 仅 仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境，自动化 的电子产品自然成为人们追求的目标。窗是人心灵的眼睛，窗帘则是眼睛上的睫毛， 窗帘在防止强光射入，帮助 人们合理的安排时间，美化室内环境，保证个人隐私， 增强居家环境方面 有重要作用。 随着人们生活节奏的加快， 窗帘的自动化随之产生。 本产品是在学习机械原理及设计和电工学等知识，通过实践，观察，思考的基础上 设计而成的，且人性化的思想理念也体现了科学技术在人们生活中的作用。通过几 个月的努力，使我们深刻感受到了电学，力学，加工工艺，理论知识与实践相结合 在机械设计中的重要性。加强和拓展这些方面的知识对机械学子们是很有必要的。 本设计将以 PLC 为核心设计了系统结构图、程序指令、梯形图以及输入输出端子的 分配方案，在保留了原始智能窗帘的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并 简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入 PLC 的控制程序，便可改 变智能窗帘的颜色，开合，从而使得人们的家居生活不断完美。 关键字：PLC；智能窗帘；S7- 300 型；系统结构图。 absraote With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety. Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to reasonablepneumatiatcompressedneceengththdirectionprocedurework.The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non- linear, strong- co upling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new control theory and techniques. During the control process, pendulum can effect ively reflect many key problems such as equanimity, robust, follow- up and track, th erefore.This paper studies a control method of double inverted pendulum . First of a ll, the mathematical model of the double inverted pendulum is established, then ma ke a control design to double inverted pendulum on the mathematical model, and de termine the system performance index weightmatrix , by using genetic algorithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of t he system is made by . After several test matrix value the results are not satisfactor y response, then we optimize matrix by using Genetic Algorithm. Simulation result s show: The system response can meet the design requirements effectively after Ge netic Algorithm optimization. Small twisted paper broken machine for ordinarhome, not only can be used for minced meat. the system state feedback control matrix. Key word: PLC； cylinder； pneumatic loop；S7- 300type；.system strucer 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的研究背景和历史意义课题的研究背景和历史意义 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费 品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械 工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很 大的和直接的影响。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不 能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越 来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分 子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技 手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还 将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复 杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整 个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工 智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其 反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了 这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更 高的层次上开始新的一轮大发展。 智能窗帘是带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘。如根据室内环境状况 自动调光线强度。使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人眼睛的伤害为了 解决这些生活中碰到的实际问题，智能窗帘设计便应运而生。 1.2 智能窗帘的发展现状及应用智能窗帘的发展现状及应用 目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动 化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。 随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、 网络技术、控制技术的迅猛发张，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化、安全 化发展。家居智能化在这种形势下应运而生。本次设计是基于 PLC 控制技术的随光 线强弱来自动控制型智能窗帘。每个人对坏境室内光线强弱适应能力不同，室内主 人可根据自己的需求自行调节所适应的最佳光线强度， 连接电源并选择控制类型 （自 动控制/手动控制）。选择自动控制时，智能窗帘由室内光线强度的变化，而经由相 关器件接收、处理、控制信号，达到自行调节窗帘的开合程度，从而使光线的强弱 程度达到主人所预先设定的值范围。选择手动控制时，由于室内主人在黑夜白天的 特殊需求而自行来控制窗帘的开合（例如在晚上、睡觉等时候，根据主人的需要是 要求把窗帘闭合，而不影响睡眠质量，但是根据预先设定和程序设定，智能型窗帘 是会依设定值打开窗帘的，所以需要手动控制来关闭窗帘）。 第二章、智能窗帘总体结构的设计第二章、智能窗帘总体结构的设计 2.1 智能窗帘控制系统的控制原理智能窗帘控制系统的控制原理 智能窗帘控制系统是通过西门子 PLC 控制系统控制直流电机，从而带动窗帘自 动的上升和下降的系统，并且能够通过光电传感器感应到环境光度以及亮度的强弱， 反馈信号给 PLC， 然后 PLC 控制系统就会根据光电传感器反馈的信号改变智能窗帘颜 色的系统，其结构布局图如下： 2.2 机械传动部分的设计计算机械传动部分的设计计算 2.2.1 智能窗帘结构系统中直流电机的选型计算智能窗帘结构系统中直流电机的选型计算 已知整个智能窗帘控制系统中窗帘与零件的重量，我们取总重量为 10Kg，范围 为 50mm200mm，窗帘上升、下降速度为 12r/min。即： smmXXDnV NXmgG /75 . 1 4001 . 0 14 . 3 1001010 = = 具体的电机设计计算如下: N= WG 0.18(KW) G电机的负载 传动效率，取 0.75 所以根据 N0.18kw，n1500r/min，查 B1 表 10-4-1 选用 Y112M-4，再查 B1 表 10-4-2 得 Y112M-4 电机的结构。 2.2.2 联轴器的选型计算联轴器的选型计算 根据公式 30 3 960 95 . 4 112 3 nI PI 0Admin= mm 输入轴的最小直径为安装联轴器的直径 12d ，为了使所选的轴直径 12d 与联轴器 的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 2caATK T= ，查机械 设计（第八版）表 14-1，由于转矩变化很小，故取 1.3AK = ，则 2caATK T= =1.3X49.24=64012N.Mm 查机械设计课程设计表 14-4，选 Lx3 型弹性柱销联轴器其工称转矩为 1250N.m，而电动机轴的直径为 25mm 所以联轴器的孔径不能太小。取 12d =25mm， 半联轴器长度 L=82mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为 60mm。轴向滚动丝杠副 丝杠轴，选 HL1 型弹性柱销联轴器，其公称转矩为 1250000 .N mm，半联轴器的 孔径 25mm，半联轴器长度 42mm。 2.2.3 转轴的设计计算转轴的设计计算 轴是组成精密机械的重要零件之一。一切作为回转运动的零件，都必须在轴上 才能传递运动和动力。在本课题所使用的轴，承受的负荷比较小，尺寸也比较小， 制造精度高，要求材料具有足够高的机械强度和良好的加工性能。因此，选用材料 45#，传动轴最大外圆直径 30，热处理为对轴进行调质处理。 此转轴大致图形如下： 2.3 光电传感器的选型计算光电传感器的选型计算 本测量系统采用的是光穿透型光电传感器， 这里我们采用的是基恩士的 LS-7000 系列： 1) LS-7000 系列产品特性 LS-7000 系列产品是一款高速、高精度的数字测微计，无需接触目标物即可对 其尺寸进行测量。该系列用途广泛，可应用于联机测量和脱机测量。每秒 2400 次 的高速采样可以确保达到两倍于普通型号的采样速度。这样就可以对挤压制品进行 连续测量以及对运动工件进行联机测量。重复精度为 0.15 m 配备最新的光学系 统，确保两倍于普通型号的重复精度，从而为高精度产品的制造提供了有力的支持。 连接两个测量头进行双渠道同步测量结合使用两个测量头可对两个目标物进行同步 测量。利用阈值更改功能对透明目标物进行稳定的检测 DE 处理器支持阈值更改功 能，这样就可以对透明目标物进行稳定的检测。 2)测量原则 高亮度 GaN 绿色 LED 辐射光能够通过专用的散射模组和准直装置镜头变成均 匀的平行光，并照射到测量范围内的目标物上。然后目标物的影像即通过远心光学 系统显示在 HL-CCD (高速线性 CCD) 上。HL-CCD (高速线性) 的输出入射信号将由 控制器中的 DE (数字边缘检测) 处理器和 CPU 进行处理。因此，目标物的尺寸规格 就可以被显示和输出。 第三章、智能窗帘的第三章、智能窗帘的 PLC 控制系统的设计控制系统的设计 3.1 PLC 简介简介 3.1.1 PLC 的定义的定义 PLC 即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机 技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee 颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义;PLC 英文全 称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是： 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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。PLC 是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体 方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC。 PLC 的发展历程在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条 件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数 据采集。在传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。PLC 最基本 最广泛的用于开关量的逻辑控制，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制， 顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑 机，印刷机，订书机，智能窗帘，磨床，包装等。目前，PLC 在国内外已广泛应 用于钢铁，石油，化工，电力，建材，机械制造，汽车，轻纺，交通运输，环保 及文化娱乐等各个行业，使用广泛。 随着应用领域的日益扩大，PLC 技术及其 产品仍在继续发展，主要朝着以下的方面发展。 1）微型化、网络化、开放性； 2）智能模块化； 3）编程语言的标准化和高级化； 4）网络通信功能标准化。 5.7PLC 的选型及硬件配备 根据上述控制特点，采用小型 PLC 即可满足功能要求。由于西门子 S7-200 系列属于小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 的一 样。特别是 S7-2000PU22*系列 PLC，由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择， 所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC 网络。可用梯形图、语句表 和功能图三种语言来编程。 且指令功能强， 易于掌握、 操作方便。 近年来， S7-200PLC 已在工业各领域得到了广泛的应用。S7-200 CPU22*系列 PLC 共有五种 CPU 模块其 各自的技术指标见表 3.2。，由于存在模拟量输入输出，需要增加模拟量输入输出模 块，在西门子 S7-200 系列 PLC 中有专门的模拟量 I/O 扩展模块。 3.1.2 PLC 的用途的用途 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类。 1、开关量的逻辑控制 这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控 制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑。 2、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速 度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和 数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3、运动控制 PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于 开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用 16 路的运动控制模块。 如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家 的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、智能窗帘、机器人、电梯等场 合。 4、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机， PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统 中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功 能模块。PID 处理一般是运行 16 路的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、 锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5、数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数 据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数 据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号 与设定的压力信号经过 PID 运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转 速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;自动检 测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏 显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力 和泵的工作状态等信息;可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。 该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水， 且可以做到无人值守。 2、工作原理 该系统具有手动和自动两种运行方式： 2.1 手动运行方式 选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。 这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 2.2 自动运行方式 2.2.1 启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设 定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从 0Hz 开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈 PLC，由 PLC 经 PID 运算后控制变 频器的频率输出;如压力不够，则频率上升至 50Hz，延时一定时间后，将 1#泵切换 为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动 2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压 力达到设定压力，依次类推增加水泵。 2.2.2 水泵切换程序 如用水量减小，出水压力超过设定压力，则 PLC 控制变频器降低输出频率，减少 出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般 为 25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC 开始计时，若在一定时间内，出 水压力降低到设定压力，PLC 放弃计时，继续变频调速运行;若在一定时间内出水压 力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC 将停止正在运行的水泵中运行时间最 长的工频泵，直至出水压力达到设定值。 2.2.3 启动小流量泵 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水 泵。例如在晚上 12 点到凌晨 5 点，居民生活用水很少，一台 30kW 的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在 25Hz 左右，电动机不仅要消耗十几个 千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设 置一台 5KW 左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅 电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率 一般是主水泵功率的 1/4 到 1/6，扬程和主泵相同。 2.2.4 水池水位检测 在自动供水的过程中，PLC 实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时， 蜂鸣器发出缺水报警信号;若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止 水泵干抽，并发出停机报警信号;若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断 水池给水管电动阀门。 2.2.5 自动启动 有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为 此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC 会发出指令，蜂鸣器 发出警告，然后按自动运行方式变频启动 1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。 2.2.6 消防报警 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。 2.2.7 故障处理 变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。 当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC 发指令使全部水泵停机，然后 1#泵工频 运行（若水泵功率大于 37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时 后根据压力变化情况再使 2#泵工频运行。此时，PLC 切换泵则根据实际水压的变化 在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情 况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加 MODEM 模块，变频器、 电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。 所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。 3.1.1 PLC 的选择 可编程序控制器采用 SIEMENS 的 S7-300 系列 CPU-226 主机，I/O 点数为 40 点（24 个输入点和 16 个输出点），具有 2 个 RS-485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是 S7-200 PLC 的一个很有特色的功能，它使 S7-200 PLC 可以由用户自己定义通讯协议。 利于自由通讯口方式，在本系统中 PLC 可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟 量输入采用 4 路 12 位 A/D 模拟量输入的 EM231 模块，具有较高的精度。PLC 编程采用 STEP7-Micro/WIN 编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离 线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。 3.1.2 变频器及控制方式选择 在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由 PLC 通过开关量输出控制， 变频器频率是由 PLC 通过模拟量输出端口输出 05（10）V 或 420mA 信号 控制的，这需要购买 PLC 比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检 测是只是由 PLC 读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具 体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才 知道，这对于一般值班人员来说太难了。 因此在本系统中 PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用 SIEMENS 的 MM 系列或 ABB 的 ACS-400 系列风机/泵类 16 路变频器，它们具有 RS-485 通讯接口， 性价比较高。 PLC 通过自由通讯口方式与变频器通讯， 控制变频器的运行， 读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷 等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的 运行具有较高的可靠性，节省了 PLC 宝贵的 I/O 端口，又获的了大量变频器的信息。 3.1.3 触摸屏 触摸屏选用台湾 HITCH 公司生产的 PWS 系列，它具有丰富的驱动程序， 可方便地通过串口与 S7-200 系列 PLC 通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵 的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种 故障信息等参数;操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防 供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸 屏控制各水泵的运行。 3.1.4 控制电路设计 在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频 接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变 频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路 3.2 PLC 软件编程 整个系统 PLC 既有开关量和模拟量的输入/输出，又有与变频器和触摸屏的 通讯，因此在 PLC 控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过 主程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。 在主程序中，PLC 上电初使化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息 则首先发出警告，若无报警信息，则开始从 1#泵（1#泵被切除出系统，则从泵 号最小的在线泵）变频启动，实时检测出水压力并进行 PID 运算，控制变频器的输 出频率，保持供水压力恒定;变频器频率达到 50Hz 延时几秒后，出水压力仍低于设 定压力，则将 1#泵切换为工频，变频启动 2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出水 压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率低 于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一 段时间后根据先投先 停的原则，停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵，至出水压力达到设定值。 若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频 运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。 3.2 PLC 的组成的组成 PLC 的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接 口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU 是 PLC 的核心，输入单元与输出单元是连 接现场输入/输出设备与 CPU 之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机 等外设连接。 对于整体式 PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图 1 所示；对于模 块式 PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其 组成框图如图所示。 无论是哪种结构类型的 PLC， 都可根据用户需要进行配置与组合。 尽管整体式与模块式 PLC 的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下 面对 PLC 主要组成各部分进行简单介绍。 3.2.1 中央处理单元（CPU） 同一般的微机一样，CPU 是 PLC 的核心。PLC 中所配置的 CPU 随机型不同而 不同，常用有三类：通用微处理器（如 Z80、8086、80286 等）、单片微处理器（如 8031、8096 等）和位片式微处理器(如 AMD29W 等) 。小型 PLC 大多采用 8 位通用 微处理器和单片微处理器；中型 PLC 大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器； 大型 PLC 大多采用高速位片式微处理器。 目前，小型 PLC 为单 CPU 系统，而中、大型 PLC 则大多为双 CPU 系统，甚至 有些 PLC 中多达 8 个 CPU。对于双 CPU 系统，一般一个为字处理器，一般采用 8 位或 16 位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理 器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理 字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于 处理位操作指令和实现 PLC 编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了 PLC 的速度，使 PLC 更好地满足实时控制要求。 在 PLC 中 CPU 按系统程序赋予的功能，指挥 PLC 有条不紊地进行工作，归 纳起来主要有以下几个方面： 1）接收从编程器输入的用户程序和数据。 2） 诊断电源、PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 3） 通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存 器中。 4） 从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。 5） 根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过 输出单元实现输出控制。有些 PLC 还具有制表打印或数据通信等功能。 3.2.2 存储器 存储器主要有两种： 一种是可读/写操作的随机存储器 RAM， 另一种是只读存储 器 ROM、PROM 、EPROM 和 EEPROM。在 PLC 中，存储器主要用于存放系统程 序、用户程序及工作数据。 系统程序是由 PLC 的制造厂家编写的，和 PLC 的硬件组成有关，完成系统诊 断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提 供 PLC 运行的平台。系统程序关系到 PLC 的性能，而且在 PLC 使用过程中不会变 动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM、PROM 或 EPROM 中，用户不 能访问和修改。编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控 PLC 内部状态和参数，与 PLC 进行人机对话。它是开发、应用、维护 PLC 不可缺少的工 具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。 专用编程器是由 PLC 厂家生产，专供该厂家生产的某些 PLC 产品使用，它主要由键 盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器 两类。 简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形 图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插 在 PLC 的编程插座上，或者用专用电缆与 PLC 相连，以方便编程和调试。有些简易 编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的 FX- 20P- E 简易编程器。 智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的 GP- 80FX- E 智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯 形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程 器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。 用户程序是随 PLC 的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而 编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对 RAM 中 程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器 EPROM 中。现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为用户存储器。 工作数据是 PLC 运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在 RAM 中， 以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、 辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程 序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持 其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。 由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在 PLC 产品样本或使用手册 中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当 PLC 提供的用户存储器容量不 够用，许多 PLC 还提供有存储器扩展功能。 3.2.3 输入/输出单元 输入/输出单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业生产现场之间的连 接部件。 PLC 通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据；同时 PLC 又通过输出接口将处理结果送给被控制对 象，以实现控制目的。 由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而 PLC 内部 CPU 的处理的信息只能是标准电平，所以 I/O 接口要实现这种转换。I/O 接口一般都具有 光电隔离和滤波功能，以提高 PLC 的抗干扰能力。另外，I/O 接口上通常还有状态 指示，工作状况直观，便于维护。 PLC 提供了多种操作电平和驱动能力