PLC控制恒压无塔供水系统.doc

I 摘 要 本文设计了 PLC 控制双恒压无塔供水系统的软 硬件功能 介绍了双恒压 供水系统的原理及工艺 双恒压无塔供水系统能够为生活及消防保证恒定的水 压 恒压供水保证了供水质量 保证供水安全 快捷 可靠 免除了传统水塔 供水水量有限 压力波动大的弱点 本文系统硬件选择了西门子 S7 系列 319 PLC 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 系统进行了模拟调试和联机调试 确立了输入 输出点代码以及地址编号 给出了外围接线图 硬件接线图 着 重说明了模拟控制模块 ET200S 的硬件以及应用 最后给出了电气控制的软硬件 应用程序 在系统的程序设计中 对与工作水泵数量的控制管理 规定了元器件的地 址及功能 为了实现控制功能 设计了梯形图 包括消防报警启动 水位下限 报警故障以及指示灯功能的实现 以及在消防用水与生活用水不同情况下水泵 运行频率的选择 实现了在不同情况下水泵数量选择以及工作时间控制功能 经过模拟运行后 证明系统稳定 关键字关键字 西门子 PLC 恒压供水系统 ET200S 烟台南山学院学士学位毕业论文 II Abstract This article is designed PLC control tower dual constant pressure water supply system without the software and hardware features introduced the principle of dual pressure water supply system and process Double constant pressure water supply system can no tower and fire for life assurance constant pressure constant pressure water supply to ensure water quality ensuring water supply safe efficient and reliable Eliminating the traditional water tower water is limited the pressure fluctuation major weaknesses This paper chose the Siemens S7 hardware series 319 PLC the PLC control system for the wealth of the host system control functions improve system reliability The simulation system debugging and online debugging set the input and output point code and address number given the external wiring diagram wiring diagram of the hardware ET200S analog control module hardware and applications are illustrated Finally the electrical control hardware and software applications Program in the system design the number of pumps to control and work management and provides the address components and functions in order to achieve control the design of the ladder including the fire alarm started water level lower limit alarm function failure and the realization of light and the fire water and domestic water pumps under different circumstances the choice of operating frequency Implemented in different situations and choose the number of working hours the pump control functions After a simulation run prove the system stability Keywords PLC Constant pressure water supply system ET200S 烟台南山学院学士学位毕业论文 III 目 录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目目 录录 III 1 绪绪 论论 1 1 1 生活用水和消防用水的发展历史 1 1 2 双恒压无塔供水系统与传统供水的比较 1 1 3 PLC 的控制特点 2 1 3 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 1 3 2 实现成本低 2 1 3 3 范围广 2 1 3 4 高速率 PLC能够提供高速的传输 2 1 3 5 配套齐全 功能完善 适用性强 3 1 4 本课题研究内容 3 2 恒压供水原理及工艺恒压供水原理及工艺 4 2 1 任务 4 2 2 工艺要求 4 2 3 系统的组成和基本工作原理 4 2 4 恒压供水系统的基本构成 5 3 系统硬件设计系统硬件设计 7 3 1 PLC 选型 7 3 2 控制系统的 I O 点及地址分配 10 3 3 硬件外围接线情况 11 3 4 系统配置 11 3 5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用 11 3 5 1 ET200S模拟量工作单元性能指标 11 3 5 2 ET200S模块工作程序编制 13 3 5 3 ET200S的安装使用 13 3 5 4 校准及配置 13 3 5 5 电气控制系统原理图 14 4 系统程序设计系统程序设计 16 4 1 工作泵组数量控制管理 16 4 2 多泵组泵站泵组管理规范 16 4 3 程序梯形图设计 17 结束语结束语 24 致致 谢谢 25 参考文献参考文献 26 1 1 绪 论 1 1 生活用水和消防用水的发展历史 古往今来 水在城市建设和发展中占据着重要的地位 与人们的生活密切相关 自 来水的使用更是人类社会进步的一个重要的标志 当前农村的饮用水很多化学指标 毒理学指标和细菌学指标都超过国家农村饮用水 标准 长期饮用既不卫生又不安全 多种疾病 会给农村群众造成不同程度健康危害 影响农村经济的发展和社会进步 近年来 广大农村群众逐渐认识改水的重要性 改变 使用饮用不合格普通井水 饮用卫生达标 安全的深井自来水 防止由于水传染疾病造 成的家庭贫困 人类从古代的打井取水 逐步过渡到了今天使用自来水 是人类智慧水平的体现 更是人类对于健康卫生的绿色生活不断追求的追求结果 自来水的使用 方便了人们的 日常生活 节省了宝贵的时间 使得人们足不出户即可使用上干净卫生的生活用水 对于自来水的使用历史可以追溯到从一开始的建造水塔来提供水压从而对社区 甚 至楼房内的居民用水来提供水压 但是随着近年来我国中小城市发展迅速 集中用水量 急剧增加 以及居住楼房的高度增加 传统的水塔供水已经渐渐的满足不了人们对于水 压的需求 据统计 从 1990 年到 1998 年 我国人均日生活用水量 包括城市公共设施 等非生产用水 由 175 7 升增加到 241 1 升 增长了 37 2 与此同时 我国城市家庭人 均日生活用水量也在逐年提高 1 在用水量高峰期时 供水量普遍不足 造成城市公用管 网水压浮动较大 由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大 仅仅靠供水厂值 班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的 这种情况造成用水高峰期 时供水压力不足 用水低峰期时供水压力过高 不仅十分浪费能源而且存在事故隐患 例如压力过高容易造成爆管事故 自来水不仅供公众饮用 而且在消防灭火中发挥了重要作用 灭火方式一般分为用 水压灭 二氧化碳灭火和沙土灭火等 而用大量的水灭火 适应于火势比较大的情况 据不完全统计 全球每年约发生火灾 700 多万起 每年有 70 000 人左右死于火灾 并 且中国城市火灾发生乘逐年上涨的趋势 农村和县城集镇共发生火灾 7 5 万起 死亡 923 人 受伤 349 人 直接财产损失 7 4 亿元 无论对于国民的人身安全以及经济都造成了极 大的危害 逐年上升的火灾发生频率 使得传统的有塔供水系统面临到严峻的考验 在火灾发 生时 消防灭火车所接的消防带 需要充足的水源 更需要充足的水压 而传统的有塔 供水系统水源的限制性 和水压的不稳定性 使得一种可以在不同情况下满足人们不同 需求的控制系统急需出现 此时此刻基于 PLC 控制的双恒压无塔控制系统就能够解决压 力恒定的问题 2 1 2 双恒压无塔供水系统与传统供水的比较 传统的维持水压的方法就是建造水塔 水泵开者时将水打到水塔中 水泵休息时借 助水塔的水位继续供水 水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小 也就是说在生活 用水中水塔能够维持供水管路中水压的基本恒定 但是一旦遇到如火灾等紧急情况 水 塔供水则不能满足人们在紧急情况下对于高水压的需求 并且建造水塔需花费财力 还会造成水的二次污染 而采用双恒压无塔供水系统就 可以不用水塔 通过不同情况下增减水泵数量来维持水压的恒定 通常的办法是 用水 量大时 增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保证管网中的水压不变 用水量小时 又需作出相反的调节 这就是恒压供水的基本思路 这在电动机速度调节技术不发达的 年代是不可设想的 但是今天办到这一点已经变的很容易了 交流变频的诞生为水泵转 2 速的平滑连续调节提供了方便 交流变频器是改变交流电源频率的电子设备 输入三相 工频交流电后 可以输出频率平滑变化的三相交流电 3 随着社会的发展和进步 城市高层建筑高度增加以及人们对于供水量需求的日益突 增加 一方面要求提供高供水质量 不要因为压力的波动造成供水故障 另一方面 要 求保证供水质量的可靠性和安全性 在发生火灾时能够可靠供水 针对这两方面的要求 新的供水和控制系统应运而生 这就是 PLC 控制的双恒压无塔供水系统 恒压供水包括 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 目前来讲 国内外在城市供水上所用的基本上包苦熬全自动双恒压无塔供水设备 自动变频恒压设备 消防供水设备以及消防生产 生活 两用供水设备等 我国生产的 无塔供水设备采用先进的焊接工艺 储水设备内壁仅采用新型反腐材料 环保无污染 设备规格齐全 容积 2 100 立方 该设备具有投资少 安装快 操作便捷 比建造高水位 水塔介于投资 15 60 的国有资源 广泛用于工厂 农村 住宅区 高层建筑 学校 部队的生活用水和消防用水 供水高度达 300 多米 即一百层楼房 双恒压供水系统设 备的发展在我国的发展基本上已经趋于成熟 在国外许多发达国家早已经用上这种设备 4 这种系统的设备不仅大大减少了许多故障的发证 保障了生活用水的质量 而且保证了 供水质量的可靠性和安全性 在发生火灾时能够可靠供水 消除了去多安全隐患 1 3 PLC 的控制特点 PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 5 它采用可 以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术 运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的机械或生 产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩 展其功能的原则而设计 PLC 的种种优点造就了目前双恒压无塔供水系统的迅速发展 其主要优点如下 1 3 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采 用严格的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 例如 三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时 6 一些使用冗余 CPU 的 PLC 的平均无故障工作时间则更长 从 PLC 的机外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自我检测功能 出现故障时可及时发出警 报信息 7 在应用软件中 应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 1 3 2 实现成本低 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路 所以不用进行额外布线 从而大 大减少了网络的投资 降低了成本 1 3 3 范围广 电力线是覆盖范围最广的网络 它的规模是其他任何网络无法比拟的 PLC 可以轻 松地渗透到每个家庭 为互联网的发展创造极大的空间 8 1 3 4 高速率 PLC 能够提供高速的传输 目前 其传输速率依设备厂家的不同而 4 5M 45Mbps 之间 远远高于拨号上网和 ISDN 比 ADSL 更快 足以支持现有网络上的各种应用 因此 PLC 控制双恒压无塔供水系统的产生 大大的降低了再在生活和消防两方面 的压力 它的产生是社会发展的必然 3 1 3 5 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种规 模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 9 1 4 本课题研究内容 本文对 PLC 控制双恒压无塔供水系统进行设计 内容分以下四章 绪论开篇介绍传统城市供水与现代新型 PLC 控制双恒压无塔供水系统的比较 介绍 无塔供水系统的优点 后通过对传统供水系统分析对比 得出 PLC 控制双恒压无塔供水 系统在应用中更为安全适宜 第二章着重介绍恒压供水原理及工艺 PLC 选择了德国西门子公司生产的 S7 300 PLC 对于无塔供水系统中水压的控制 使用了较为先进的西门子变频器 10 第三章是系统硬件设计 首先设计了整个无塔供水系统的硬件接线 以及整体的系 统原理图 PLC 控制的输入输出端口 计算了变频器的容量 在 PLC 机制系统设计中 规范了信号机制系统的功能 电机数量的选择以及与变频器的联结方式 第四章的软件设计针对在居民日常生活和遇到火灾等紧急情况下系统做出的不同反 应 对内指令外召唤信号 如何登记消除报警显示 也做出了具体描述 一 在平时系 统控制两台电机运行 每次间隔四个小时更换一台电机 使每台电机都有时间得到休息 在水位低于低水位时 三台水泵同时运行 水位达到正常时 恢复到原来两台电机同时 运行的状况 二 在遇到火灾等紧急情况时 则三台水泵通过变频器的控制 同时高频 率运行 确保了在危急情况下人们对于水压的需求 11 2 恒压供水原理及工艺 4 2 1 任务 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 一方面要求提高供水 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 水池 yv1 1 2 3 消防用水 生活用水 市网来水 EQ 图 2 1 生活消防双恒压供水系统构成图 2 2 工艺要求 如图 2 1 为生活消防双恒压供水系统构成图 图中有 1 2 3 三台泵 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 系统应低恒压值运行 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 4 小时 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 三台泵在启动时要有软启动功能 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 2 3 系统的组成和基本工作原理 以某三泵生活 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 12 水池的高 低水位信号也直接送给 PLC 作为低水位报警用 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 三台泵供消防用水使用 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 13 2 4 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 配单 5 台电机和水泵时 它们的功率必须足够的大 在用水量方面 开一台大电机肯定是浪费 电机选小了用水量大时供水不足 而且水泵和电机都有维修的时候 备用泵是必要的 恒压供水的主要目标是保持管压网水压的恒定 水泵电机的转速套跟随用水量的变化而 变化 这就要用变频器为水泵供电 这也有两种配置方式 一是为每台水泵电机配一台 变频器 这当然方便 电机与变频器间不需要切换 但是购买变频器的费用较高 另一 种方案是数台电机配一台变频器 变频器与电机间可以切换 供水运行时 一台水泵变 频运行 其余水泵共频运行 以满足不同用水量的需求 14 水箱 调节器 变频器 电动机 水泵 压力传感器 用户 图 2 2 变频恒压供水站的基本组成 图 2 2 为恒压供水泵站的示意图 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 15 调节器是一种电子装备 在系统中完成以下几种功能 1 设定水管压力的给定值 恒压供水水压的高低依需要设定 供水距离越远 用水 地点越高 系统所需供水压力越大 给定值即是系统正常工作时的恒压值 另外有些供 水系统可能有多种供水目的 如将生活用水与消防用水共用一个泵站 水压的设定值可 能不只一个 一般消防用水的水压要高一些 调节器具有给定值设定功能 可以以数字 量进行设定 也有的调节器以模拟量方式设定 2 接受传感器送来的管网水压的实测值 管网实测水压回送到泵站控制装置称为反 馈 调节器实反馈的接受点 3 根据给定值和实测值的综合 依一定的调节规律发出系统调节信号 16 调节器接 受了实测水压的反馈信号后 将它与给定值比较 得到给定值与实测值之差 如果给定 值大于实测值 说明系统水压低于理想水压 要加大水泵电机的转速 如果水压高于理 想水压 要降低水泵电机的转速 这些都是由调节器的输出信号控制 为了实现调节的 快速性与系统的稳定性 调节工作中还有个调节规律的问题 传统调节器的调节规律多 是比例 积分 微分调节 俗称 PID 调节 调节器的调节参数 如 P I D 参数均是可以由 使用者设定的 PID 调节过程视调节器的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类 以微 型计算机调节器多为数字调节器 调节器的输出信号一般式模拟信号 4 20mA 变化的电流信号或 0 10V 间变化的电 压信号 信号的量值与前面提到的差值成正比 用于驱动执行设备工作 17 图 2 3 为用 PLC 控制供水系统的整体构成图 通过 PLC 接收到的信号调整变频器的 6 频率 来控制三台水泵在生活 消防两种不同情况下市网中的水压 通过手 自动切换 PLC 控制变频器 进而控制三台泵的转速 以调整水压 图 2 3 PLC 控制双恒压无塔供水系统整体构成 3 系统硬件设计 3 1 PLC 选型 对于设计一个较大的 PLC 控制系统时 要全面考虑多种因素 不管所设计的控制系 7 统的大小 一般都要用以下设计步骤来进行系统设计 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 一方面是 选择多大容量的 PLC 另一方面是选择什么公司的 PLC 以及外设 对第一个问题 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 点的性质主要是指各点信号是直流信号 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 对于第二个问题 则有以下几个方面要考虑 1 功能方面 所有 PLC 一般都具有常规的功能 但是对于某些特殊要求 就要知 道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务 如对 PLC 之间 PLC 与智能仪表以及上位机 之间灵活方便的通讯要求 或对 PLC 的计算速度 用户程序容量有特殊要求的 或对 PLC 的位置控制有特殊要求等 这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了 解 以便做出正确的选择 2 价格方面 不同厂家的 PLC 产品价格相差很大 有些功能类似 质量相当 I O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40 以上 在使用 PLC 较多的情况下 这样的差价必 须是需要考虑的 3 个人喜好方面 有些工程技术人员对某种品牌的 PLC 熟悉 所以一般比较喜欢 使用这种产品 综合各方面的需求与实际情况 本文选取的是西门子 S7 系列 319 PLC 该型号的 PLC 以起优异的品质 合适的价格 在本文介绍的双恒压无塔供水系统中作为核心的控 制元件 其控制系统设计步骤如图 3 1 所示 8 分析评估控制任务 PLC机选型 I O设备选择 I O地址分配 程序设计电气系统安装 检查修改程序调试程序设计硬件系统接线图和控制柜 满足要求 检查硬件接线 连机调试 满足要求 编制技术文件 现场安装调试 交付使用 N Y NN Y 图 3 1 PLC 控制系统设计步骤 输入 输出信号在 PLC 接线端子上的地址分配 是进行 PLC 控制系统设计的基础 对 软件设计来说 I O 地址分配以后才可以进行编程 对控制柜和 PLC 的外围接线来说 只 有 I O 地址确定以后 才可以绘制电气接线图 装配图 让装配人员根据线路图和安装图 安装控制柜 系统调试分模拟调试和联机调试 硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下 主要试一试手动控制部分是否正确 软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和 PLC 输出端的输出指示灯进行 需要模拟 量信号 I O 时 可用电位器和万用表配合进行 调试时 可利用上述外围设备模拟各种现 场开关和传感器状态 然后观察 PLC 的输出逻辑是否正确 如果有错误则修改后反复调 9 试 现在 PLC 的主流产品都可以在 PC 机上编程 并可以在电脑上直接进行模拟调试 联机调试时 可以把编制好的程序下载到现场的 PLC 中 有时 PLC 也许只有这一台 这时就要把 PLC 安装到控制柜相应的位置上 调试时一定要先将主电路断电 只对控制 电路进行联调即可 通过现场联调信号的接入常常还会发现软件以及硬件中的一些问题 有时厂家还需要对某些控制功能进行改进 这种情况下 都要经过反复测试系统后 才 能最后交付使用 表 3 1 输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编号 手动和自动消防信号SA1I0 0 水池水位下限信号SLLI0 1 水池水位上限信号SLHI0 2 变频器报警信号SUI0 3 消铃按钮SB9I0 4 试灯按钮SB10I0 5 输 入 信 号 远程压力表模拟量变压值UAIW0 1 泵工频运行接触器及指示灯KM1 HL1Q0 0 1 泵变频运行接触器及指示灯KM2 HL2Q0 1 2 泵工频运行接触器及指示灯KM3 HL3Q0 2 2 泵变频运行接触器及指示灯KM4 HL4Q0 3 3 泵工频运行接触器及指示灯KM5 HL5Q0 4 3 泵变频运行接触器及指示灯KM6 HL6Q0 5 生活 消防供水转换电磁阀YV2Q1 0 水池水位下限报警指示灯HL7Q1 1 变频器故障报警指示灯HL8Q1 2 火灾报警指示灯HL9Q1 3 报警电铃HAQ1 4 变频器频率复位控制KAQ1 5 输 出 信 号 输 出 信 号 控制变频器频率用电电压UFAQW0 10 图 3 2 硬件外围接线图 3 2 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 CPU 能够接受和处 理的信号 输出单元将经过 CPU 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 11 根据图 3 1 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 表 3 1 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 3 3 硬件外围接线情况 图 3 2 为双恒压无塔供水系统的硬件外围接线图 在图 3 2 中有 CPU319 8DI 6DO ET200S 4AI 1AO ET200M 三个模块 它们均采用 24V 直流电源 共用一个接地点 详 细的接线硬件与符号对照表 3 1 3 4 系统配置 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 300 PLC 也需要扩展单元 如果选用大型 PLC则价格较高 浪费较大 参照 S7 300 的产品目以及市场实际价格 选用主机为 C319 8 入 6 继电器输出 一台 加上一台扩展模块 ET200S 8 继电器输出 再扩展 一台模拟量模块 ET200M 4AI 1AO 这样的配置是最经济的 整个 PLC 系统的配置如 图 3 3 图 3 3 PLC 系统硬件组成 S7 300PLC 是德国西门子公司生产的一种小型 PLC 其许多功能达到大 中型 PLC 的水平 而价格却和中小型 PLC 一样 因此 它一经推出 即受到了广泛的关注 特别 是 S7 300 的 CPU319 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 为使 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 模转换的 也兼有模 数和数 模两种 功能的 以下介绍 S7 300 系列 PLC 的模拟量扩展模块 ET200S 的硬件设置 它具有四路 模拟量输入及一路模拟量输出 可以用于恒压供水控制中 3 5 1 ET200S 模拟量工作单元性能指标 主机单元 CPU222 AC DC 继电器 扩展单元 ET200S 8 点继电器 模拟量单元 ET200M 4AI 1AO 12 表 3 2 模拟量扩展模块 ET200S 输入 输出技术规范 输 入 技 术 规 范输 出 技 术 规 范 最大输出电压30VDC隔离 现场到逻 辑 无 最大输入电压32mA 输入滤波衰减 3dB 3 1kHz 分辨率12 位 A D 转换器 信号范围 电压输出 电流输出 10V 0 20 mA 隔离否 输入类型差分 输入范围 分辨率 满量程 电压 电流 12 位 11 位 电压单极性0 10V 0 5V 0 1V 0 500mV 电压 电流 32000 32000 0 32000 精度 最差情况 0 55 电压输 出 电流输 出 2 满量程 2 满量程 电压双极性 电流 0 100Mv 0 50mV 10V 5V 2 5V 1V 500mV 250Mv 100mV 50mV 25mv 0 20mA 输入分辨率 AD 转换时间 250s 模拟输入阶跃响应1 5 mS 到 95 共模抑制4dB DC 到 60Hz 共莫电压信号电压加共加模电压 12V 精度 最差情况 0 55 电压输出 电流输出 典型 25 电压输出 电流输出 2 满量程 2 满量程 5 满量程 5 满量程 24VDC 电压范围20 4 28 8V设置时间 电压输出 电流输出 100s 2ms 13 数据字格式 双极性 满量程 单极性 满量程 32000 32000 0 32000 为能适用各种规格的输入及输出 模拟量处理模块都设计成可编程修改 而转换生 成的数字量一般具有固定的长度及格式 模拟量输出则希望将一定范围的数字量转换为 标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口 表 3 2 中 输入 输出信号范围栏给出 了 ET200S 的输出 输入信号规格 以供选用 3 5 2 ET200S 模块工作程序编制 ET200S 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 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 3 5 3 ET200S 的安装使用 1 根据输入信号的类型及变化范围设置 DIP 开关 完成模块的配置工作 必要 时进行校准工作 2 完成硬件的接线工作 注意输入 输出信号的类型不同 采用不同的接入方式 为防止空置端对接线端的干扰 空置端应短接 接线还应注意传感器的线路尽可能短 且应使用屏蔽双绞线 要保证 24VDC 传感器电源无噪声 稳定可靠 3 确定模块安装入系统时的位置 并由安装位置确定模块的编号 S7 300 扩展单 元安装时在主机的右边依次排列 并从模块 0 开始编号 模块安装完毕后 将模块自带 的接线排插入主机上的扩展总线插口 4 为了在主机中进行输入模拟量转换后数字处理 及为了输出需要在模拟量单元 中转换为模拟量的数字量 要在主机中安排一定的存储单元 一般使用模拟量输入 AIW 及模拟量输出 AQW 单元安排由模拟量模块送来的数字量及待入模块转变为模拟量输出的 数字量 而在主机的变量存储区 V 区存放处理产生的中间数据 3 5 4 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 S7 300PLC 硬件系统的配置方式采整体式和积木式 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 一个完整的系统组成如图 3 4 所示 14 编程工具 CUP主机扩展模块 功能模块 人机界面通讯设备 图 3 4 S7 300 PLC 系统组成 1 基本单元 有时又称 CPU 模块 也有的称之为主机或本机 它包括 CPU 存 储器 基本输入 输出点和电源等 是 PLC 的主要部分 实际上它就是一个完整的控制系 统 可以单独完成一定的控制任务 2 扩展单元 主机 I O 点数量不能满足控制系统的要求时 用户可以根据需要扩 展各种 I O 模块 所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的 I O 点数时由多种因素共 同决定的 3 特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务 需要扩展功能模块 它 们是完成某些特殊控制任务的一些设置 4 相关设备 相关设备是为了充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和 使用的一些设备 主要有编程设备 人机操作界面和网络设备等 5 工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的 程序 它主要由标准工具 工程工具 运行软件和人机借口软件等几大类构成 S7 300 PLC 的电源电压有 20 4V 28 8V DC 和 85V 264V AC 两种 主机上 还集成了 24V 直流电源 可以直接用与连接传感器和执行机构 它的输出类型有晶体管 DC 继电器 DC AC 两种输出方式 它可以用普通输入端子 以捕捉比 CPU 扫描 周期更快的脉冲信号 实现高速记数 2 路最大可达 20kHz 的高频脉冲输出 可用以驱动 步进电机和伺服电机以便实现准确定位任务 可以用模块上的电位器来改变它对应的特 殊寄存器的数值可以实现更改程序应用中的一些参数 如定时器 计数器的设定值过程量 的控制参数等 3 5 5 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 如图 3 5 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 分别为变频器和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 15 图 3 5 电控系统主电路图 2 控制电路图 1 20 SB1 KM1 SB2 Q0 0 Q0 1 KM2 KM2 KM1 HL1 KM2 HL2 FR1 4 6 PLC SB4 Q0 2 Q0 3 KM4 KM2 KM3 8 10 SB6 Q0 4 Q0 5 KM6 KM2 KM5 12 14 SB3 KM3 FR2 HL3 KM4 HL4 FR3 HL5 KM6 HL6 KM5 SB5 SB7 YV2 SB8 YV2 HL7 HL8 HL9 HA KA HL10 Q1 0 Q1 1 Q1 2 Q1 3 Q1 4 Q1 5 N1 N L1 FU2 图 3 6 电控系统控制电路图 如图 3 6 所示 为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 SB1 SB2 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 16 图 3 6 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 3 6 中的 Q0 0 Q0 5 及 Q1 0 Q1 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 17 4 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 工作泵组数量控制管理 表 4 1 程序中使用的元器件及功能 器件地址 功能器件地址 功能 VD100过程变量标准化值T38工频泵减泵滤波时间控制 VD104压力给定值T39工频 变频转换逻辑控制 VD108PI 计算值M0 0故障结束脉冲信号 VD112比例系数M0 1泵变频启动脉冲 VD116积分时间M0 3复位当前变频运行泵脉冲 VD120积分时间M0 4复位当前变频运动泵脉冲 VD124微分时间M0 5当前泵工频运动启动脉冲 VD204变频起运动频率下限值M0 6新泵变频启动脉冲 VD208生活供水变频器运动频率上限值M2 0泵工频 变频转换逻辑控制 VD212消防供水变频器运动频率上限值M2 1泵工频 变频转换逻辑控制 VD250PI 调节结果存储单元M2 2泵工频 变频转换逻辑控制 VD300变频工作泵的泵号M3 0故障信号总汇 VD301工频运行的泵的总台数M3 1水池水位下限故障逻辑 VD310倒泵时间存储器M3 2水池水位下限故障消铃逻辑 T33工频 变频转换逻辑控制M3 3变频器故障消铃逻辑 T34工频 变频转换逻辑控制M3 4火灾消铃逻辑 T37工频泵增泵滤波时间控制 为了恒定水压 在水压降落时要升高变频器的输出频率 且在两台泵不能满足要求 时 需启动第三台泵 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 这一功能可以通过比较指令来实现 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 多泵组泵站泵组管理规范 由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动 又规定各台水泵必须交替使用 18 多泵组泵站泵组的投运要有一个管理规范 控制要求中规定任意一台泵连续运行时间不 得超过 3 小时 因此每次需要启动新泵或切换变频泵时 以新运行泵为变频泵是合理的 具体的操作时 将现行运行的变频泵从变频器上切除 并接上工频电源运行 将变频器 复位并用于新运行泵的启动 除此之外 泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制 这里我们使用泵号加 1 的方法来实现变频泵的循环控制 3 加 1 等于零 用工频泵的总 数结合泵号实现工频泵的轮换工作 4 3 程序梯形图设计