基于PLC的排水系统控制设计-毕业论文.doc

鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 I 页 基于 PLC 的污水坑水位控制系统设计 摘 要 PLC 可编程逻辑控制器 是一种基于数字计算机技术 专为工业环境下应用而 设计的电子系统 它具有功能强大 使用可靠 维修简便等许多优点 由于可编程序 控制器安全性高 功能完善 性能稳定 应用广泛 因此 污水坑水位控制系统中的 控制部分采用可编程序控制器来控制 在本系统中 采用西门子 S7 200 型 PLC 控制潜 水泵的起停 其中 PLC 选用 DC24V 输入 DC24V 继电器输出 污水坑水位控制系统 的操作方式分为手动方式和自动方式 本课题主要任务是自动控制方式部分 用 4 个 水位开关检测污水坑的水位 PLC 根据水位情况控制潜水泵的起停 该设计中采用 4 台潜水泵循环工作方式取代了通常的 3 用 1 备工作方式 更加合理的分配了潜水泵的 起停 提高了每台潜水泵的利用率 避免了电动机的频繁启动 对电动机的保护也更 加完善 最后通过编程实现自动控制 关键词 水位控制 潜水泵 PLC 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 II 页 The Design of Sewage Pit Water Level Control System Based on PLC Abstract PLC programmable logic controller is one kind of electronic system based on technology of digital computer and designed specially for using in industrial environment It has many merits such as powerful function reliable use and easy mending With the rapid development of microelectronic and computer technology PLC has widely used in industrial control area Because the PLC is safe stable reliable and applied widely the PLC is used as the controller for the sewage pit water level control system In this system using Simens S7 200 PLC to control the start and stop of diving pumps in which PLC selects DC24V of input DC24V relay of outputs and has DC24V voltage stabilized source The sewage pit water level control system operating mode divides into the manual way and automatic way This topic primary mission is the automatic control way with 4 water level switch examining sewage pit water level PLC according to the water level situation control the start and stop of diving pumps To instead of past method which three pumps is working and one is for ready the new cycle work method is applied in this design It makes the start and stop of the diving pumps more reasonable And at the same time it makes the diving pumps work more efficiently and avoids to start the electric motors frequently So the electric motor can be better protected At the end the LAD program of the sewage pit water level control system is provided Key words water level control diving pumps PLC 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 III 页 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 PLC 的现状与趋势 1 1 2 PLC 的特点与应用 1 1 3 PLC 与其它工业控制系统的比较 3 1 3 1 与集散控制系统的比较 3 1 3 2 与工业微机控制系统的比较 3 1 4 变频调速技术的特点 4 1 5 设计的主要任务 4 2 可编程序控制器概述 6 2 1 可编程控制器的工作方式 6 2 1 1 可编程控制器的工作原理 6 2 1 2 可编程控制器的扫描周期 8 2 2 编程软件的简介和梯形图的设计方法 10 3 污水坑水位控制设计 12 3 1 原控制系统设计方案 12 3 2 控制系统的改造设计方案 12 4 控制系统硬件选择和程序设计 15 4 1 PLC 的选型 15 4 2 S7 200 型 PLC 的特点 15 4 3 输入 输出点的确定 15 4 4 控制系统程序设计 15 4 4 1 控制系统的自动控制方式工作过程 15 4 4 2 程序设计框图 21 4 4 3 程序设计梯形图 21 结 论 23 致 谢 24 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 IV 页 参考文献 25 附录 A Introduction of Programmable Controllers 26 附录 B 可编程序控制器介绍 31 附录 C PLC 程序设计梯形图 36 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 1 页 1 绪论 1 1 PLC 的现状与趋势 国际电工委员会 IEC 1987 年 2 月将可编程控制器定义为 可编程控制器 是一 种数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用了可编程序的存 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 向用户的指令 并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械的生产过程 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 1 现代的 PLC 不仅具有逻辑运算 计时 计数 顺控等功能 而且还具有 AID DIA 转换 数值计算和数据处理等功能 因此 它即可对开关量进行控制 也可对模拟量 进行控制 即可控制一台生产机械 一条生产线 也可控制一个生产过程 PLC 还具 有通讯联网的功能 可与上位计算机构成分布式控制系统 用户只需根据控制的规模 和要求 合理选择 PLC 型号和硬件配置 就可以组成所需的控制系统 在发达的工业 国家 PLC 己经广泛应用于钢铁 石油 化工 电力 建材 机械制造 汽车 轻工 纺织 交通运输 环保以及文化娱乐等各行各业 成为工业控制的标准设备 国外专 家预言 作为工业自动化的三大技术支柱 PLC 技术 机器人 计算机辅助设计的分析 之一的 PLC 技术 将跃居主导地位 2 1 2 PLC 的特点与应用 早期的 PLC 的特点是结构紧凑 一般功能都集中在一个机笼或盒子中实现 功能 简单 一般只实现一台加工设备的顺序逻辑控制功能 速度快 采用专用处理器技术 可靠性高 价格低 但随着微型计算机技术的发展和 IPC 技术与开放软件技术的发展 PLC 也在不断提高自己的性能并不断扩展自己的应用领域 当今的 PLC 具有以下特点 1 功能丰富 当今的 PLC 己不再限于完成顺序逻辑控制功能 多数的 PLC 采用通用的高性能处 理器 有的 PLC 采用 Pentium 处理器 有的采用 Alpha 处理器芯片等 采用实时多任务 操作系统 在保证快速完成顺序逻辑运算的前提下 普遍增加了回路调节功能 代数 计算功能等 当今的 PLC 己经走出了原来的设备逻辑控制应用领域 而向 DCS 的应用 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 2 页 领域 连续过程控制和批量控制 渗透 2 网络功能增强 过去的 PLC 一般限于设备级的逻辑控制 提供简单的慢速的通信功能 只支持 RS232 485 多采用 Modbus 协议 通信速率一般在几 K 到几十 K 之间 目的是将系 统的控制状态和设备的运行状态传给一些监视设备 如显示终端或 PC 机 供操作员监视 或将操作员的修改指令传递到 PLC 一般情况下 PLC 自身完成所有的控制功能 即 使通信和监视设备都不工作 PLC 仍继续其逻辑控制工作 当今的 PLC 都提供了高速 的通信网络 如 Ethernet 等 有的 PLC 还支持快速现场总线通信 Profibus DeviceNet SDS 等 PLC 网络 PC 十 SCADA 软件己形成了一种非常流行的应用方式 3 3 开放图形软件 过去的 PLC 提供的显示功能极其简单 多数采用数值列表方式或简单的线图显示 现在 一大批的专业监控 SCADA 软件厂商 如 Intellution Wonderware 等 在 Windows 系统平台上开发了许多功能非常强的监控软件 这些软件一般支持多种 PLC 连接 具 有丰富的图形显示功能 历史数据记录与趋势显示功能 状态报警显示功能 PLC 图 形组态功能等 使得今天的 PLC 再也不是一个顺序逻辑控制黑匣子 而变成了一个集 逻辑控制 调节控制 网络通信和图形监视于一体的综合自动化系统 4 编程标准化 过去的 PLC 编程一般是由各厂家提供的 LADDER 图编程语言 它们形状相似 却不兼容 随着 DCS 开放性的发展 PLC 也在逐步走向开放 在开放方面 最大的进 步当属于 PLC 编程语言的标准化 自从 IEC1131 3 标准推出以来 各 PLC 厂商积极向 该标准靠拢 IEC1131 3 标准是为 PLC 编程标准化所制定的一套欧洲标准 该标准定 义了五种不同的控制编程语言 梯形图 SFC 顺序功能图 功能块图 结构文本语言 和指令表 5 小型化和微型化 当今 PLC 市场除了呈现高性能和网络功能竞争特征之外 另一个显著特征就是小 型再小型 价格一降再降 几年前 微型 PLC 才大量上市 许多厂家又推出了超微型 PLC 具有 16 或更少的 I O 点 一些微型 PLC 具有超微型 PLC 的体积 却具有更强的 功能 如 Omron SRMI 的体积只有一叠扑克牌大小 但却可支持到 256 点的 I O 能力 分散 I O 方式 Schneider 公司的 Modicon TSX Micro PLC 支持多组超微型 PLC 的分 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 3 页 散 I O 还提供 PID 调节功能 微型的 PLC 一般采用分散结构 控制器体积很小 完 成综合逻辑处理和运算功能 而 I O 采集和处理则在现场模块中实现 由于 PLC 强大的功能和众多的优点 国内 PLC 已经在机电 冶金 轻工 纺织 煤炭 铁道 交通等行业得到了广泛的应用 并取得了明显的效益 其主要功能是进 行工艺参数的采集 生产过程控制 信息处理以及设备运行状态监测等 1 3 PLC 与其它工业控制系统的比较 1 3 1 与集散控制系统的比较 PLC 由继电器逻辑控制系统发展而来 在数字处理 顺序控制方面有一定优势 初期功能以数字量的顺序控制为主 随着微电子技术 计算机技术和通信技术的发展 PLC 在逻辑运算功能的基础上 增加了数值运算和闭环调节的功能 运算速度提高 输入输出规模扩大 并开始与小型计算机联成网络 构成以 PLC 为重要部件的初级分 布式控制系统 集散控制系统由回路仪表控制系统发展而来 初期功能以回路调节为主 集散控 制系统自 70 年代初期问世之后 它的迅速发展随着微处理器 特别是单片机的出现 再加上通信技术的成熟 将顺序控制装置 数据采集装置 过程控制的模拟仪表 过 程监控装置等有机地结合在一起 产生了满足各种不同要求的集散型控制系统 4 不论是 PLC 还是集散系统 在发展过程中 二者始终是相互渗透 互为补充的 今天的可编程控制器己增强了模拟量控制功能 开发了各种智能模板 具有了 MID 调 节功能并可构成网络系统 实现分级控制功能的功能 因此 PLC 与集散控制系统的 发展越来越接近 很多工业生产的控制过程既可以用 PLC 实现 也可以用集散系统实 现 从自动化控制系统的发展趋势来看 全分布式计算机控制系统必然会得到迅速发 展 将综合 PLC 与集散系统各自的优势 并把两者有机结合起来 形成一种新型的全 分布式的计算机控制系统 5 1 3 2 与工业微机控制系统的比较 工业微机是在以往计算机与大规模集成电路的基础上发展起来的 硬件结构方面 总线标准化程度高 品种兼容性强 软件资源丰富 特别是有实时操作系统的支持 在要求快速 实时性强 模型复杂的工业控制中占有优势 但是 使用工业微机的人 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 4 页 员技术水平要求较高 一般应具有一定的计算机专业知识 另外 工业微机在整机结 构上尚不能适应恶劣的工作环境 不如 PLC 那样容易推广 6 PLC 针对工业顺序控制 在结构上采用了整体密封或插件组合型 并采用了一系 列抗干扰措施 在工业现场有很高的可靠性 PLC 采用梯形图语言编程 使熟悉电器 控制的技术人员易学易懂 易于推广 但是 PLC 的工作方式不同于工业微机的很多 软件 还不能直接应用 此外 PLC 的标准化程度低 各厂家的产品不通用 在开发 上不如工业微机 综上所述 PLC 与工业微机控制的差异为 1 PLC 可靠性较工业微机高 2 PLC 编程比工业微机简单 3 PLC 设计调试周期短 4 PLC 的输入输出响应比工业微机速度慢 5 PLC 易于操作 人员培训时间短 而工业微机培训时间较长 6 PLC 便于维修 而工业微机维修要求的技术水平较高 随着 PLC 功能的不断增强 越来越多地采用了微机技术 同时工业微机为了适应 用户需要 向提高可靠性 更耐用与便于维修的方向发展 两者间相互渗透 差异越 来越小 今后 PLC 与工业控制微机将继续共存 在一个控制系统中 使 PLC 集中在 功能控制上 使微机集中在信息处理上 两者相辅相成 共同发展 1 4 变频调速技术的特点 变频调速具有调速的机械特性好 效率高 调速范围宽 精度高 调整特性曲线 平滑 可以实现连续的 平稳的调速 体积小 维护简单方便 自动化水平高等一系 列突出的优点而倍受人们的青睐 尤其当它应用于风机 水泵等大容量负载时 可以 获得其它调速方式无法比拟的节能效果 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变 频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两大类 目前国内 大都使用交 直 交变频器 7 1 5 设计的主要任务 本次设计课题是污水坑水位控制系统设计 该系统分为自动方式 手动方式和组 态画面 该设计的主要任务是自动控制方式 即 用 4 个水位开关检测污水坑的水位 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 5 页 PLC 根据水位情况控制潜水泵的起停 该设计中采用 4 台潜水泵循环工作方式取代了 通常的 3 用 1 备工作方式 避免了电动机的频繁启动并通过编程实现自动控制 本文主要介绍潜水泵循环工作方式 软件和硬件的实现 主要内容有 第二章介 绍 PLC 概述 其中包括 PLC 的工作方式和梯形图的设计方法 第三章介绍污水坑水位 控制设计 其中包括原系统的设计方案和控制系统的改造设计方案 第四章介绍控制 系统硬件选择和编程实现 其中包括 PLC 的选型及其特点和控制系统编程实现 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 6 页 2 可编程序控制器概述 2 1 可编程控制器的工作方式 2 1 1 可编程控制器的工作原理 继电器控制装置采用逻辑并行运行的方式 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 包括它的常开触点或常闭触点 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 包括它的常开触点或 常闭触点 不会立即动作 必须等扫描到该触点才会动作 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 一一扫描技术 8 PLC 的扫描既可按固定的顺序运行 也可按用户程序规定的可变顺序进行 这不 仅仅是因为有的程序不需要每扫描一次 才执行一次 而是因为在一个大型控制系统 中 需要处理的 I O 点数较多 只有通过对不同组织模块的安排 采用分时分批扫描 执行的办法 才可以缩短扫描周期和提高对控制的实时响应 1 I O 映象区 执行 PLC 控制程序时 采集现场信息的方式有两种 1 程序的执行需要哪一个信息 就到生产现场去采集该信息 这样采集到的信息 是实时的 但采集的时间可能略多 同一因素信息 由于采集的时间不同 其状态可 能会有所不同 2 定时采集在每一个巡回扫描周期内定时 一般在扫描周期的开始或结束 将现场 全部有关信息都采集到 PLC 中来 存放在系统准备好的特定区域 随机存储器的某一地 址区 这一区域称为输入映象区 执行用户程序时需要的现场信息 都在输入映象区 中取用 而不去外设取用 集中采集现场信息 虽然每个信息被采集的时间仍有先后 差异 但已很小 可以认为采集到的信息几乎是同时的 同样对输出给控制对象的控 制信息 也不采用形成一个就输出一个的控制方法 而是先把它们存放在随机存储器 的某个特定区域 输出映象区 在用户程序扫描结束后 将所存被控对象的控制信息集 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 7 页 中输出 改变被控对象的状态 上述输入映象区 输出映象区可称为 v 输入 输出 映象 区 映象区的大小随系统输入 输出信息多少 即输入 输出的点数而定 2 集中采样 集中输出的工作方式 PLC 对用户程序的执行主要按三个阶段进行 1 输入采样阶段 在这个过程中 PLC 按扫描方式扫描 PLC 装置上所有端子上 的输入信号 并将这些输入信号存入映象区中的输入映象寄存器 此时 输入映象寄 存器被刷新 接着进入程序执行阶段 在程序执行阶段或输出阶段 无论输入信号如 何变化 输入映象寄存器内容保持不变 直到下一个扫描周期的采样阶段 才重新写 入输入端的内容 2 程序执行阶段 在这个过程中 PLC 执行用户程序 对用户以梯形图方式编写 的程序按照从上到下 从左到右的顺序逐一扫描各指令 并从输入映象寄存器中取出 上一阶段采入的所有输入端子的状态 从输出映象寄存器中取出各输出元件的输出状 态 然后进行逻辑运算 并将运算结果再次存入输出映象寄存器中 但是 这个结果 在整个程序未执行前不会送至输出端口 3 输出刷新阶段 全部指令执行完毕后 将输出映象寄存器的内容 送入到输出 锁存器中 称为输出刷新 然后由锁存器去驱动线圈 最后成为可编程控制器的实际输 出 PLC 采用集中采样与集中输出的工作方式 在采样周期中 将所有输入信号一起 读入 此后在整个程序处理过程中 PLC 系统与外界隔开 直至输出控制信号 并在下 一个工作周期再与外部交换信息状态 从而从根本上提高了系统的抗干扰能力和工作 的可靠性 3 PLC 对输入输出的处理原则 1 输入映象寄存器的数据取决于输入端子板上各输入开关在上一个刷新期间的接 通 断开状态 2 程序执行是对用户所编程序和输入 输出映象寄存器的内容及其它各元件映象 寄存器的内容进行逻辑运算和处理 3 输出映象寄存器的数据取决于程序运算的执行结果 4 输出锁存器中的数据 由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中的数据决定 5 输出端子接通 断开状态 由输出锁存器决定 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 8 页 PLC 的工作方式是巡回扫描执行用户程序 由于建立了输入映象区 因此程序在 执行时 系统工作只涉及到映象寄存器中的内容 只是在扫描周期的适当时刻将输出 映象寄存器的信息全部输出给外设 同时也从所有外设读入信息 这种周期性的与外 界交换信息 对一般外设来讲是可以满足要求的 但是随着可编程控制器功能的扩展 特别是许多特殊模板智能模板被作为外设以及中断控制时 对响应的及时性提出了新 的要求 正常的周期性的输入输出交换信息很难满足要求 系统的周期性扫描与外设 希望的及时响应矛盾的解决方法是将有关要输入或输出的信息分离出来 即这一部分 信息的输入或输出与系统 CPU 的周期扫描脱离 利用专门的硬件模板 如利用定区 I O 服务指令使定区内的信息及时输入或输出 即取得立即执行 所以 PLC 的循环扫描工 作方式对外设希望及时响应要求的实现有一定困难 2 1 2 可编程控制器的扫描周期 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备 它一直在周而复始地循环扫 描并执行由系统软件规定好的任务 我们定义从扫描过程中的一点开始 顺序扫描后 又回到该点的过程为一个周期 用户程序只是扫描周期的一个组成部分 用户程序不 运行时 可编程控制器也在扫描 只不过在一个周期中删除了用户程序和输入输出服 务这两部分任务 典型的 PLC 在一个周期中完成六个扫描过程 1 自监视扫描过程为保证设备的可靠性 出现故障及时反应 PLC 都具有自监视 功能 自监视功能主要由时间监视器 WDT Watchdog Timer 完成的 WDT 是一个硬件 计时器 该计时器有一个设定值 扫描周期开始前计时器复位 然后开始计时 如果 复位前 扫描时间超过 WDT 的设定时间 CPU 将停止运行 复位输入输出 并给出 报警信号 这种故障称为 WDT 故障 WDT 故障可能由 CPU 硬件引起 也可能由用户 程序执行时间太长 使扫描周期时间超过 WDT 的设定时间而引起 用编程器可以清掉 WDT 故障 一般机器给 WDT 的设定值在 100 200ms 在有些 PLC 中用户可以对 WDT 时间进行修改 修改方法在说明书上查阅 2 与编程器进行信息交换的扫描过程在 PLC 中 用户程序是通过编程器写入的 调试过程中 用户也通过编程器进行在线监视和修改 在这一扫描过程中 CPU 把总 线权交给编程器 自己变成被动状态 当编程器完成处理工作或达到信息交换所规定 时间 CPU 重新得到总线权 并恢复到主动状态 在此过程中 用户可以利用编程器 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 9 页 修改内存程序 读 CPU 状态 封锁或开放输入输出 对逻辑变量和数字量进行读写 3 与数字处理器进行信息交换的过程 当配有数字处理器时 一个扫描周期中才 包含了这一过程 该过程主要是数字处理器同 CPU 进行信息交换 4 与网络进行通信的扫描过程 一般小型系统没有这一扫描过程 配有网络的 PLC 系统才有通信扫描过程 这一过程用于 PLC 之间以及 PLC 与上位计算机或一些终 端设备 5 用户程序扫描过程 机器处于正常运行状态下 每一扫描周期内都包含该扫描 过程 该过程在机器运行中是否执行是可控的 随用户程序的长短 这个过程所用时 间也是变化的 6 输入输出服务扫描过程 机器在正常运行状态下 每一扫描周期内都包含这个 扫描过程 该过程在机器运行中是否执行是可控的 CPU 在处理用户程序时 使用的 输入值不是直接从实际输入点读得的 运算的结果也不直接送到实际输出点 而是在 内存中设置了两个暂存区 一个输入暂存区 一个输出暂存区 用户程序中所用的输 入值是输入状态暂存区的值 运算结果放在输出状态暂存区中 在输入服务扫描过程 中 CPU 把实际输入点的状态读入到输入状态暂存区 在输出服务扫描过程中 CPU 把 输出状态暂存区的值传送到实际输出点 为了现场调试方便 PLC 具有输入输出控制 功能 用户可以通过编程器封锁或开放输入输出 封锁输入输出就是关闭了输入输出 服务扫描过程 从以上对扫描周期的分析可知 扫描周期基本上由三部分组成即保证系统正常运 行的公共操作 系统与外部设备的交换和用户程序的执行 第一部分的扫描时间基本上是固定的 随机器类型而有不同 第二部分并不是每 个系统或系统的每次扫描都有的 占用的扫描时间也是变化的 第三部分随控制对象 工艺复杂性决定的用户控制而变化 因此这部分占用的扫描时间不仅对不同系统其长 短不同 而且对同一系统的不同时间也占用着不同的扫描时间 所以系统扫描周期的 长短 除了因是否运行用户程序而有较大的差别外 在运行用户程序时也不是完全固 定不变的 这是因为执行程序中随变量状态的不同 一部分程序段可能不执行而形成 的 用户程序的扫描时间主要由 CPU 的运算速度和程序的长短决定 CPU 的运算速度 由系统硬件和系统软件决定 通常用执行 1K 字程序所需的时间长短来衡量 由于程序 中所用语句的复杂程度不同 执行 1K 字程序所需的时间差异很大 厂家应给出每条语 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 10 页 句所用的时间 或简单给出执行 1K 字逻辑运算程序所需时间和 1K 字数字运算程序所 需的时间 目前比较慢的为 2 2ms 1K 字逻辑运算程序 60ms 1K 字数字运算程序 较 快的为 1ms IK 字逻辑运算程序 10ms 1K 字数字运算程序 目前最快的为 0 75ms 1K 字逻辑运算程序 为了保证生产系统正常运行 必须做到最长的扫描周期小于系统电 器改变状态的时间 实际上扫描周期是不固定的 正因为这一点 给机器实现某些控 制带来一些困难 2 2 编程软件的简介和梯形图的设计方法 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7 编程软件开发 基于 WINDOWS 的应用软件 该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言 即语句表 STL 语言 梯形图 LAD 语言 功能块图 FWD 语言 语句表 STL 语言类似于计算机的汇编语言 特别 适合于来自计算机领域的工程人员 它使用指令助记符创建用户程序 属于面向机器 硬件的语言 梯形图 LAD 语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图 是应用最多的一种编程语言 与计算机语言相比 梯形图可以看作是 PLC 的高级语言 几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑 因此 它很容易被一般的电气工程 设计和运行维护人员所接受 是初学者理想的编程工具 功能块图 FWD 的图形结构 与数字电路的结构极为相似 功能块图中每个模块有输入和输出端 输出和输入端的 函数关系使用与 或 非 异或逻辑运算 模块之间的连接方式与电路的连接方式基 本相同 该设计主要采用梯形图 LAD 语言 梯形图的基本绘制规则 1 编程顺序 梯形图按照从上到下 从左到右的顺序控制 每个逻辑行开始于左母线 一般来 说 触点要放在左侧 线圈和指令盒放在右侧 线圈和指令盒右侧不能有触点 整个 梯形图形成阶梯形结构 2 编号分配 对于外接电路的各元件分配编号 编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际 提供的 而且可以用来编程 两个设备不能共用一个输入 输出点 3 触点的使用次数和线圈的使用次数 在 PLC 的梯形图中 触点的使用次数可能用无数次 而线圈的使用次数只能是一 次 否则 容易引发系统出现意外的事故 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 11 页 4 线圈的连接 使用一个条件驱动多个线圈时 不能串联 只能并联 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 12 页 3 污水坑水位控制设计 3 1 原控制系统设计方案 冷轧硅钢厂污水坑 30KW 泵站有 4 台 30KW 潜水泵 由 1 台小型 PLC 作为逻辑管 理 电动机由接触器直接起停 水位由 4 个浮球水位开关检测 电动机的保护由电源 侧自动开关作为过流保护 电动机侧热继电器作为过负载保护 电机上安装有热元件 作为潜水泵温度报警 潜水泵安装有泄漏 渗漏保护装置作为潜水泵泄漏 渗漏报警 等构成 操作方式分为自动方式和手动方式 1 自动方式 4 个水位开关检测污水坑的水位 PLC 根据水位情况控制水泵的起 停 2 手动方式 在控制柜操作面板上利用起 停按钮对潜水泵进行操作 冷轧硅钢厂积水坑 110KW 泵站有 4 台 110KW 潜水泵 控制系统构成及操作方式 与 30KW 泵站相似 不同的只是由于电动机容量较大 采用自藕变压器降压启动 由于采用接触器启动方式 而且电动机启动频繁 对电网和功率元件的冲击较大 故障率较高 经常造成主接触器 自藕变压器等元器件的损坏 从而影响生产线的正 常运行 3 2 控制系统的改造设计方案 鉴于上述原系统的控制缺陷 现对其进行改造 具体如下 每台潜水泵由 1 台施耐德高转矩变频器控制 其中 30KW 潜水泵采用 ATV58HD46N4X 变频器 110KW 潜水泵采用 ATV68C15N4 变频器 逻辑管理各采用 一台 S7 200 PLC 上位机系统 进行管理和操作等 1 保护及操作 1 保护 电源侧采用 2 级自动开关保护 变频器本身包含有过电压 过电流 过 负载 电源缺相 电动机缺相等保护 保留了原系统中的电动机温度 潜水泵泄漏 渗漏的保护功能 2 操作 控制柜面板上安装有进线电源电压表 电流表 电动机工作电流表 频 率表 潜水泵工作指示灯 变频器故障指示灯 潜水泵温度过高指示灯 潜水泵渗漏 指示灯 泄漏指示灯 安装有自动 手动选择开关 各个泵的起停按钮 各个泵的手动 给定电位计 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 13 页 2 控制系统简介 每个泵站安装有 1 台 S7 200 PLC 利用 PROFIBUS DP 网络与原上位机系统进行 通讯 每个泵站均有 4 台潜水泵 设计为 3 用 1 备的循环工作方式 潜水泵的操作分 为手动和自动两种方式 两种操作方式的选择由控制柜上的 自动 手动 转换开关实 现 主接触器为直接上电方式 即系统在无故障情况下 上电主接触器吸合 发生故 障时 主接触器跳闸 1 手动方式 将控制柜柜门上的 远程 自动 本地 手动 转换开关打到 本地 手动 位置 S7 200 PLC 将潜水泵的操作切换到控制柜柜门上的按钮和电位计 这 时 就可以使用控制柜上的启动 停止按钮和电位计对没有故障的潜水泵进行任意启 动 停止 在控制柜柜门上安装的仪表和指示灯 上位机系统操作画面中指示系统工 作的各种状态 2 自动方式 将控制柜柜门上的方式选择转换开关打到 远程 自动 位置 并 且将操作画面中的方式选择开关切换到 自动 方式 这时整个系统进入自动工作状 态 潜水泵的启动 停止以及工作频率完全由 S7 200 的软件根据 4 个浮球式水位开关 检测到的水位高低进行控制 4 个浮球水位开关设置为 4 个水位检测点 即低位 中位 高位和超高位 其中低 位为正常水位点 也就是潜水泵的停止工作点 中位为第一台潜水泵的启动点 也是 第二台潜水泵的频率改变点 高位是第二台潜水泵的启动点 也是第三台潜水泵的频 率改变点 超高位是上限报警点 也是第三台潜水泵的启动点 当三台潜水泵同时以 50Hz 的频率工作时 完全可以控制水位 使水位下降 让系统停止报警 4 台潜水泵每一轮次工作 每次水位到达中位以上 均为 3 用 1 备 即第一轮次为 1 2 3 潜水泵投入工作 4 备用 第二轮次为 2 3 4 投入工作 1 备用 依 次循环 如果某台水泵有故障 则这台水泵在故障没有排除前均为备用 1 当检测到水位到达中位时 将第一台潜水泵以 50Hz 频率投入运行 水位上升 到高位 第二台潜水泵以 50Hz 频率投入运行 水位上升到超高位 第三台潜水泵以 50Hz 频率投入运行 2 当水位下降到高位以下时 第三台潜水泵频率降为 25Hz 当水位下降到中位 以下时 第二台潜水泵频率降到 25Hz 当水位下降到低位以下时 水泵停止工作 3 改造后的控制系统性能预测 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 14 页 1 由于采用了高性能变频器替代了接触器 使电动机的启动更加平稳 并且对电 动机的保护更加完善 会明显地降低泵站的故障率 2 由于采用了更加合理的工作分配方式 使各台潜水泵的利用律得到了提高 降 低了潜水泵的起停次数 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 15 页 4 控制系统硬件选择和程序设计 4 1 PLC 的选型 根据控制系统实际所需端子数目 考虑 PLC 端子数目要有一定的预留量 为以后 新设备的介入或设备调整留有余地 因此选用了 S7 200 型 PLC 的主模块为 CPU226 开关量输入为 24 点 输入形式为 24V 直流输入 开关量输出为 16 点 输出形式为 DC24V 继电器输出 由于实际的开关量输入有 32 点 所以需要扩展 扩展模块选择 的是一个 EM223 型模块 该模块有 6 种输入输出 选择其中一种 16 点输入 16 点输出 组合 其输出为模拟量输出 有 8 点 故选择 6 个 EEM232 模拟量扩展模块 该模块 有 2 个模拟量输出 如此 PLC 总共有 40 个数字信号输入 32 个数字信号输出 12 个 模拟量输出 开关量输入输出和模拟量输出均有余量 可以满足日后系统扩充的要求 4 2 S7 200 型 PLC 的特点 由于污水坑水位控制系统的控制设备相对较少 因此 PLC 选用德国 SIEMENS 公 司的 S7 200 型 S7 200 型 PLC 的结构紧凑 价格低廉 具有较高的性价比 广泛适 用于一些小型控制系统 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 可扩展性好 又有较 丰富的通信指令 且通信协议简单等优点 PLC 可以上接工控计算机 对自动控制系 统进行监测控制 PLC 和上位机的通信采用 PC PPI 电缆 支持点对点接口 PPI 协 议 PC PPI 电缆可以方便实现 PLC 的通信接口 RS485 到 PC 机的通信接口 RS232 的转 换 通信传输速率为 9 6KB 或 19 2KB 用户程序有三级口令保护 可以对程序实施安 全保护 4 3 输入 输出点的确定 PLC 的输入 输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量 加以确定 输入 输出端口地址的分配见表 4 1 4 4 控制系统程序设计 4 4 1 控制系统的自动控制方式工作过程 整个系统以自动控制方式工作时 潜水泵的启停以及工作频率完全由 S7 200 的软 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 16 页 件根据 4 个浮球式水位开关检测到的水位进行控制 在整个自动控制方式工作过程中 水位的变化是不预知的 以下为 4 台潜水泵均能正常工作时的几个水位变化的典型情 况 表表 4 1 可编程控制器输入输出端口 可编程控制器输入输出端口 I 0 地址分配表 地址分配表 端口地址注释端口地址注释端口地址注释 I0 0 1 泵手动启动 停止 I3 1 4 泵渗漏 Q0 1 1 泵渗漏显示 I0 1 1 泵渗漏 I3 2 4 泵过温 Q0 2 1 泵过温 I0 2 1 泵过温 I3 3 4 泵泄漏 Q0 3 1 泵泄漏 I0 3 1 泵泄漏 I3 4 4 泵变频器故障 Q0 4 1 变频器故障 I0 4 1 变频器故障 I4 0 积水坑低位 Q1 1 2 泵渗漏 I1 0 2 泵手动启动 停止 I4 1 积水坑中位 Q1 2 2 泵过温 I1 1 2 泵渗漏 I4 2 积水坑高位 Q1 3 2 泵泄漏 I1 2 2 泵过温 I4 3 积水坑超高位 Q1 4 2 变频器故障 I1 3 2 泵泄漏 AO01 1 泵 50Hz 工作 Q2 1 3 泵渗漏 I1 4 2 变频器故障 AO02 2 泵 50Hz 工作 Q2 2 3 泵过温 I2 0 3 手动启动 停止 AO03 3 泵 50Hz 工作 Q2 3 3 泵泄漏 I2 1 3 泵渗漏 AO04 4 泵 50Hz 工作 Q2 4 3 变频器故障 I2 2 3 泵过温 AO05 1 泵 25Hz 工作 Q3 1 4 泵渗漏 I2 3 3 泵泄漏 AO06 2 泵 25Hz 工作 Q3 2 4 泵过温 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 17 页 I2 4 3 变频器故障 AO07 3 泵 25Hz 工作 Q3 3 4 泵泄漏 I3 0 4 泵手动启动 停止 AO08 4 泵 25Hz 工作 Q3 4 4 泵变频器故障 1 水位由中位以下升到超高位再降到低位以下并且水位在上升和下降过程中无其 他变化 具体过程如下 t1时刻水位由中位以下上升到中位 第一台潜水泵启动 在 t1到 t2时间段内第一 台潜水泵以 50Hz 的频率运行 到 t2时刻水位从中位上升到高位 第一台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 同时第二台潜水泵启动 在 t2到 t3时间段内第一台潜水泵和第二台 潜水泵同时以 50Hz 的频率运行 到 t3时刻水位从高位上升到超高位 系统报警 第一 台潜水泵和第二台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 同时第三台潜水泵启动 在 t3到 t4时 间段内三台潜水泵均以 50Hz 的频率运行 由于三台潜水泵同时以 50Hz 的频率运行时一 定可以使水位下降到报警水位以下 所以到 t4时刻水位一定能下降到超高位以下 即 系统停止报警 为了使水位不会立刻超过报警水位 故三台潜水泵在 t4到 t5时间段内 仍以 50Hz 的频率运行 到 t5时刻水位下降到高位以下 第一台潜水泵和第二台潜水泵 仍均以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵的频率降为 25Hz 在 t5到 t6时间段内第一台潜 水泵和第二台潜水泵都以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵以 25Hz 的频率运行 到 t6 时刻水位下降到中位以下 第一台潜水泵以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵以 25Hz 的频率运行 第二台潜水泵的频率降为 25Hz 在 t6到 t7时间段内第一台潜水泵以 50Hz 的频率运行 第二台潜水泵和第三台潜水泵均以 25Hz 的频率运行 到 t7时刻水 位下降到低位以下 为正常水位 三台潜水泵都停止运行 见图 4 1 在上述工作过程中 4 台潜水泵每一轮次工作均为 3 用 1 备 即第一轮次为 1 2 3 潜水泵投入工作 4 备用 第二轮次为 2 3 4 投入工作 1 备用 依 次循环 见图 4 2 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 18 页 图 4 1 超高水位自动控制原理图 图 4 2 超高水位潜水泵循环工作图 2 水位由中位以下升到高位再降到低位以下并且水位在上升和下降过程中无其他 变化 具体过程如下 t1时刻水位由中位以下上升到中位 第一台潜水泵启动 在 t1到 t2时间段内第一 台潜水泵以 50Hz 的频率运行 到 t2时刻水位从中位上升到高位 第一台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 同时第二台潜水泵启动 在 t2到 t3时间段内第一台潜水泵和第二台 潜水泵同时以 50Hz 的频率运行 到 t3时刻水位下降到高位以下 为保持水位平稳不能 立刻升高故在 t3到 t4时间段内第一台潜水泵和第二台潜水泵仍均以 50Hz 的频率运行 到 t4时刻水位下降到中位以下 第一台潜水泵以 50Hz 的频率运行 第二台潜水泵的频 率降为 25Hz 在 t4到 t5时间段内第一台潜水泵以 50Hz 的频率运行 第二台潜水泵以 25Hz 的频率运行 到 t5时刻水位下降到低位以下 为正常水位 两台潜水泵都停止运 行 见图 4 3 在上述工作过程中 4 台潜水泵每一轮次工作均为两用两备 即第一轮次为 1 2 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 19 页 潜水泵投入工作 3 4 备用 第二轮次为 2 3 投入工作 4 1 备用 依次循环 见图 4 4 3 水位由中位以下升到中位再降到低位以下并且水位在上升和下降过程中无其他 变化 具体过程如下 t1时刻水位由中位以下上升到中位 第一台潜水泵启动 在 t1到 t2时间段内第一 台潜水泵以 50Hz 的频率运行 到 t2时刻水位下降到中位以下 第一台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 并在 t2到 t3时间段内继续以 50Hz 的频率运行 到 t3时刻水位下降 到低位以下 为正常水位 此台潜水泵停止运行 见图 4 5 图 4 3 高水位自动控制原理图 图 4 4 高水位潜水泵循环工作图 在上述工作过程中 4 台潜水泵每一轮次工作均为一用三备 即第一轮次为 1 潜水 泵投入工作 2 3 4 备用 第二轮次为 2 潜水泵投入工作 3 4 1 备用 第 三轮次为 3 潜水泵投入工作 4 1 2 备用依次循环 见图 4 6 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 20 页 图 4 5 中水位自动控制原理图 图 4 6 中水位潜水泵循环工作图 4 水位由中位以下升到超高位再降到低位以下但是水位在上升和下降过程中也在 变化 具体过程如下 t1时刻水位由中位以下上升到中位 第一台潜水泵启动 在 t1到 t2时间段内第一 台潜水泵以 50Hz 的频率运行 到 t2时刻水位从中位上升到高位 第一台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 同时第二台潜水泵启动 在 t2到 t3时间段内第一台潜水泵和第二台 潜水泵同时以 50Hz 的频率运行 到 t3时刻水位从高位上升到超高位 系统报警 第一 台潜水泵和第二台潜水泵仍以 50Hz 的频率运行 同时第三台潜水泵启动 在 t3到 t4时 间段内三台潜水泵均以 50Hz 的频率运行 由于三台潜水泵同时以 50Hz 的频率运行时一 定可以使水位下降到报警水位以下 所以到 t4时刻水位一定能下降到超高位以下 即 系统停止报警 为了使水位不会立刻超过报警水位 故三台潜水泵在 t4到 t5时间段内 仍以 50Hz 的频率运行 到 t5时刻水位下降到高位以下 第一台潜水泵和第二台潜水泵 仍均以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵的频率降为 25Hz 在 t5到 t6时间段内第一台潜 鞍山科技大学本科生毕业设计 论文 第 21 页 水泵和第二台潜水泵都以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵以 25Hz 的频率运行 由于 进水量大 到 t6时刻水位再次升到超高位 系统报警 在 t6到 t8时间段内三台潜水泵 均以 50Hz 的频率运行 直到水位下降到高位以下即 t8时刻第三台潜水泵的频率降到 25Hz 在此过程中 t7时刻水位下降到超高位以下 报警停止 在 t8到 t9时间段内第一 台潜水泵和第二台潜水泵都以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵以 25Hz 的频率运行 在 t9时刻水位下降到中水位以下 第一台潜水泵以 50Hz 的频率运行 第三台潜水泵以 25Hz 的频率运行 第二台潜水泵的频率降为 25Hz 在 t9到 t10时间段内第一台潜水泵 以 50Hz 的频率运行 第二台