V型滤池控制系统的设计论文

目 录 前 言 . 1 第一章 概述 . 2 1.1 V 型滤池的结构与作用 . 2 1.2 设计思路 . 3 第二章 V 型滤池控制系统的硬件设计 . 5 2.1 控制系统总体设计 . 5 2.2 控制系统主要元器件的选择 . 6 2.2.1 PLC 的选择 . 7 2.2.2 超声波水位计的原理与使用 . 10 2.2.3 开关选择 . 10 2.3 控制系统的电路设计 . 11 2.3.1 控制方式选择电路 . 11 2.3.2 阀门的开关控制电路 . 12 2.3.3 PLC 输入与水位控制电路 . 16 第三章 V 型滤池控制系统的梯形图设计 . 19 3.1 主程序的编制 . 19 3.1.1 参数的设定 . 20 3.1.2 SCP 指令与参数整定计算 . 20 3.1.3 MSG 指令与错误位的屏蔽 . 24 3.2 阀门控制子程序（ U: 3） 的编制 . 26 3.2.1 进水阀控制子程序 . 27 3.2.2 水冲阀控制子程序 . 28 3.2.3 气冲阀控制子程序 . 29 3.2.4 排污阀控制子程序 . 30 3.2.5 排气阀控制子 程序 . 31 3.2.6 反冲洗时的水位控制 . 32 3.3 过滤控制子程序（ U:4）的编制 . 33 3.3.1 PID 指令的使用 . 33 3.3.2 过滤控制基本流程 . 36 第四章 现场调试 . 39 4.1 调试步骤 . 39 4.2 主要问题与解决方案 . 40 第五章 结 论 . 42 致 谢 . 43 参考文献 . 44 附录一 V 型滤池系统电气控制原理图 . 45 附录二 V 型滤池系统梯形图程序 . 53 毕业设计说明书（论文）中文摘要 V 型滤池是我国于 20世纪 80 年代末从法国 Degremont 公司引进的 一项用于自来水厂对源头水进行过滤的技术，原滤池采用西门子公司的 PLC对滤池进行控制的， 本课题改用了 Allen-Bradley 公司的 SLC-500PLC 对滤池系统的水位控制和反冲洗过程进行自动调节，使得整个系统的稳定性得到了提高 ，并且大大减小了 PLC 机架所占空间。 此外，将系统的控制部分设计成了手动控制和自动控制两部分。其中手动控制不是通过 PLC 来实现的，而是完全由硬件电路来实现，这样就避免了因 PLC 系统出现故障而必须停止生产的情况发生。当实现自动控制的 PLC出现故障时，仍然可以通过手动控制来维持系统的基本运作 。 关键词 V 型滤池 反冲洗 水位 PID 调节 PLC 控制 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 1 页 Title The design of the V-shaped Filter control system Abstract V-shaped Filter is the technology of filtering water source for water plant which introduced from France Degremont company in the 20th century end of the 1980s. It used to use the Siemens PLC to control the filter. This topics used SLC-500PLC of the company Allen-Bradley to control the water level and anti-washing process autopilot of the Filter system, making the stability of the entire system has been improved, and reduced PLC racks shared space. In addition, the control system have became part of the design manual control and automatic control components. The part of the manual control is not controlled by PLC, but for entirely by the hardware circuit, thus avoiding a PLC system failure and must stop production happen. When the failure to achieve automatic control of the Plc, the system can still be maintained through the manual control of the basic operating. Keywords V-shaped Filter anti-washing water level PID accommodation PLC control 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 2 页 前 言 本次毕业设计我所做的题目是 V 型滤池控制系统的设计。 V 型滤池是我国 于 20世纪 80年代末从法国 Degremont公司引进的 一项用于自来水厂对源头水进行过滤的技术，大部分 90 年代后新建的水厂都采用了这项技术，它是在普通快滤池基础上发展起来的，它具有出水水质好、滤速高、节能、自动化管理等特点。 V 型滤池 的工作状态可分为以下两种： 过滤工作状态， 这时 V 型滤池是恒水位过滤， 出水 阀根据池内水位的高、低，自动调节开启程度，以保证池内的水位恒定 ； 反冲洗状态，反冲洗按照 气洗 气水 混 冲 表面扫洗 水冲洗 的步骤进行， 需要对各阀门 的开关动作进行 协调的控制 ，才能完成反冲洗工作。通过采用 PLC 对滤池的过滤状态和反冲洗状态进行控制，实现滤池控制的自动化。 当初我国引进的 V 型滤池控制系统采用的是德国西门子的 PLC 控制，之后也有人改用三菱或是欧姆龙的 PLC 进行控制，在本次设计中，我采用了Allen-Bradley 公司的 SLC-500 型 PLC 来对滤池系统进行控制。 Allen-Bradley 公司所生产的 SLC-500 系列处理器，体积小，功能强，配置灵活，性价比高，特别适合中、小型应用，它可以控制单个机架中的全部I/O 端口，并且有一个非常强大的控制器装置。它使用的 I/O 机架的尺寸比它前一代的 PLC-5 系列的更小，所以所需要的控制面板空间也要比 PLC-5 系列中所使用的标准尺寸的机架小得多。因此这一系列的 PLC 已经成为目前大多数新项目的首选。 在本次毕业设计中，整个 V 型滤池系统的硬件电路设计以及滤池的过滤控制和阀门控制的 PLC 梯形图设计是由我完成的。而在阀门控制部分的梯形图程序中，反冲洗条件和反冲洗的四个步骤的条件判定是由苏州学院李云同学完成设计的，在论文中我直接引用了其结果，在此表示感谢。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 3 页 第一章 概述 1.1 V 型滤池的结构与作用 V 型滤池 （图 1-1） 是我国于 20 世纪 80 年代末从法国 Degremont 公司引 图 1-1 V 型滤池结构示意图 进的 一项用于自来水厂对源头水进行过滤的技术，我国大部分 90 年代后新建的水厂都采用了这项技术，它是在普通快滤池基础上发展起来的。在进行水处理时， 从平流池流入的经过加矾和初步沉淀处理的水从进水阀流入 V 型滤池 ，在此处再经过池底部的石英砂层的过滤就直接进入地底的清水库中，再经过加氯后通过管道向外界供水。由于它采用了较粗、较厚的 颗粒均匀的石英砂滤层，并使用不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗，又具有待滤水表面扫洗的功能，因此它 具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。 每一格 V 型滤池都有进水阀、气冲阀、水冲阀、出水阀、排污阀、排气阀各一个，共 6 个阀门；反冲洗系统配有反冲水泵和风机。在正常过滤状态下，该滤池的水位要求稳定在 120cm，这主要是由出水阀的控制来实现的，当水位过高时，出水阀就加大开度，当水位过低时，出水阀就减小开度，通过这样不断的来调节出水阀的开度，从而实现滤池的恒水位控制。当滤池使用时间过 长时，滤池中因过滤而产生的杂质含量就会过高，因此要定期对滤池进行反冲洗，南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 4 页 一般是每隔 48 小时就要冲洗一次，反冲洗的过程可分为以下几个阶段： （ 1）气冲阶段 在该阶段，进水阀、水冲阀和排气阀关闭，气冲阀和排污阀打开； （ 2）气水混冲阶段 在该阶段，进水阀关闭，水冲阀打开，气冲阀打开，排气阀关闭，排污阀打开； （ 3）表面扫洗阶段 在该阶段，进水阀关闭，水冲阀打开，气冲阀打开，排气阀关闭，排污阀打开； （ 4）水冲阶段 在该阶段，进水阀和气冲阀关闭，水冲阀、排气阀和排污阀打开。 这里气水混冲和表面扫洗时的阀门 状态是相同的，但前者是在对底层冲洗，后者是在对表层冲洗，两者是不同的。此外，在反冲洗时还必须使水位下降到 60cm。 1.2 设计思路 V 型滤池的工作状态分为正常过滤状态和反冲洗状态两种。在正常过滤状态下进水阀是打开的，气冲阀、水冲阀、排污阀、排气阀均关闭，只需要控制出水阀的开度，使水位能稳定在 120cm 即可；而在反冲洗状态时，除了要控制出水阀开度，使水位下降到 60cm，还要适时地控制其它各阀门的开关，只有在各阀门的协调控制下才能完成反冲洗工作。由此可以知， V 型滤池控制系统就是控制上述的六个阀门。 对上述阀门的控制可分为自动控制和手动控制。自动控制是由 PLC 编程来实现的，在这里我们选用了 Allen-Bradley 公司的 SLC-500 型 PLC，它又可分为两种状态：全自动控制。在这种控制方式下，无需人工参与，所有操作都由 PLC 自动实现；半自动控制（键控）。它也属于自动控制，当全自动控制方式出现问题时，可以通过这种方式来人为地使 PLC 梯形图中的一些梯级条件满足，达到控制的目的。在手动控制方式下，工作人员通过开关按钮直接控制各阀门的开关，显然这样的直接控制是无法精确的对系统实现控制，但这种方式还是必 要的，当自动控制设备发生故障时，就可以通过这种方式来维持系统运行。 在自动控制部分，编制 PLC 流程图时可以根据滤池的工作状态分成两个南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 5 页 子程序：正常过滤时控制水位的过滤子程序；反冲洗时控制各个阀门的阀门控制子程序。而对于一些参数还有通讯方面的设置则放在主程序中，便于管理和进行设置。在过滤子程序中，水位的控制需要用到 PID 调节才能真正实现精确水位的控制。此外，在通过水位来调节出水阀开度时还必须将水位与阀门的开度整定到一个相同的范围内，这样两者才能进行对比。 在手动控制部分，利用中间继电器控制开 关的通断来控制阀门的线圈，从而达到控制阀门的目的。这里没有采用 PLC 来控制，以避免当 PLC 发生故障导致自动和手动控制同时失效的情况。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 6 页 第二章 V 型滤池控制系统的硬件设计 所设计的控制系统的接入为 220V 电源，频率为 50Hz。 PLC 机架部分直接采用接入的 220V 电源， PLC 模块与阀门的继电器部分采用 24V 直流电源供电。 2.1 控制系统总体设计 V 型滤池控制系统的整体设计如图 2-1 所示： 图 2-1 V 型滤池控制系统设计框图 整个系统的控制部分分为手动控制和自动控制两部分，系统的控制对象 为进水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀、排气阀和出水阀这六个阀门。手动控制部分由进水阀控制电路、水冲阀控制电路、气冲阀控制电路、排污阀控制电路、排气阀控制电路和出水阀控制电路所组成，它们分别对上述六个阀门实现控制；在自动控制部分则是利用 PLC 来控制阀门，在滤池工作现场安装的 PLC称之为子站 PLC，利用它来现场控制各阀门的开关，同时它又通过光缆与一个远程的主站 PLC 相连，该主站 PLC 能对现场的子站 PLC 进行数据的读 /写操作，从而对滤池实现远程监控。 所设计的控制面板示意图如图 2-2 所示。当转换开关 SA1 打到自动档时 ，整个滤池的操作都由 PLC 来自动控制，控制面板上的所有按钮都失效；而当SA1 打到手动档时，操作人员可以根据具体的需要利用按钮 SB1SB10 来控制南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 7 页 进水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀和排气阀的开关，对于出水阀则可以通过调图 2-2 控制面板示意图 节 RP 来控制其开度，从而达到控制水位的目的。阀门开度计和水位数显计则分别显示了当前的出水阀阀门开度和水位高度。 2.2 控制系统主要元器件的选择 在设计的电气原理图中，所用到的一些主要电器原件清单见表 2-1： 表 2-1 电器元件清单 序号 名称 数量（个） 图纸 代号 备注 1 空气开关 3 -QF1 -QF3 2 熔断器 10 FU1FU10 额定电流 1A 3 中间继电器 18 -KA1-KA17 220V 2A 4 中间继电器 5 -K1-K5 DC24V 2A 5 三位转换开关 1 -SA1 带 3NO 触点 6 按钮 10 -SB1-SB10 红绿各 5 个 7 指示灯 10 -HL1-HL10 8 开度数显计 1 -P1 0100%/420mA 输入 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 8 页 （续） 序号 名称 数量（个） 图纸 代号 备注 9 水位数显计 1 -P2 04m/420mA 输入 10 电位器 1 -RP 01K 11 电阻变送器 1 -V1 01K 输入 /420mA 输出 12 出水阀门调节器 1 -EBF 420mA 输入 /420mA输出 13 差压计 1 -P4 14 超声波水位计 1 -P3 15 开关量输入模块 1 1746-IB16 16 开关量输出模块 1 1746-OB16 17 模拟量输入模块 1 1746-NI4 18 模拟量输出模块 1 1746-NO4I 19 CPU 1 1746-L532 2.2.1 PLC 的选择 在 PLC 市场，罗克韦尔自动化的可编程逻辑控制器技术非常成熟，是业内最值得信赖的品牌之一。它旗下的 Allen-Bradley 公司所生产的 SLC-500 系列处理器，体积小，功能强，配置灵活，性价比高，适用与多种场合，从环保、水处理、造纸到石化产业，从单机应用到分步式控制应用，都可以看到它的踪影。 SLC-500系列是一种中间控制器，它可以控制单个机架中的全部 I/O 端口，并且有一个非常强大的控制器装置。它使用的 I/O 机架的尺寸比它前一代的PLC-5 系列的更小，所以所需要的控制面板空 间也要比 PLC-5 系列中所使用的南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 9 页 标准尺寸的机架小得多。这一系列的 PLC 是大多数新项目的首选。 这种 PLC 集成了大量的固定 I/O 模块（最多可达 40 个 I/O 端口，还加一个双插槽的扩展机架）和几个多插槽机架式单元。这种机架式的SLC-500/03/04/05 能操控多个 I/O 机架，如此一来，它们能处理的 I/O 端口就大大增加，其存储容量也相应的增加。大多数的单元都有一个 DH-485 或 RS232编程端口，用于连接作为编程终端的 PC 机。 1开关量 I/O 模块 Allen-Bradley（以下简称 A-B） SLC-500 型 PLC 的开关量 I/O 模块种类丰富，目前已有的模块种类有 4、 8、 16 或 32 个端口几种，并可连接到交流、直流或 TTL 电平。为了增加灵活性，还有 2 输入 /2 输出， 4 输入 /4 输出和 6 输入 /6 输出等多种形式的混合模块可供选择，其质量非常可靠。这些模块还提供输入滤波、光电隔离以及内置式浪涌保护，以保证在工业环境下的抗干扰和可靠性。其主要有以下几个特点： 1） LED 指示每个 I/O 的状态，并为故障诊断提供帮助。当输入点得到正确的信号时，或处理器让输出点使能时，相应 LED 就会点亮。 2）模块上所带端子标识示意图使端子标识很容易被 理解。 3）所有模块均在内部线路和现场之间提供光电隔离，提高了抗干扰能力，并且避免了由于现场连线电气故障而导致的系统受损。 4）带熔丝和电子保护功能的固态输出模块，免除了用户替换因短路或过载而损坏的模块的需要。 5）可拆卸的端子块允许用户无需重新接线就可替换模块 (并非任何模块都适用 )。模块前部提供一个匹配色码，以便用户连接正确的端子块。 6）所有模块的配备均为遮闭型端子块，以防止现场接线时的意外短路。 7）自锁式装置保证模块紧紧的固定在框架上，而且在把模块装入框架或取下时不需任何工具帮助 。 在系统中，开关 量输入模块采用的是 1746-IB16(图2-3)，开关量输出模块采用的是 1746-OB16，它们各自的参数见表 2-2： 图 2-3 1746-IB16 模块 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 10 页 表 2-2 1746-IB16 和 1746-OB16 参数 产品名称 电压种类 输入 数目 每个公共端点数 背板电流要求 5Vdc 24Vdc 1746-IB16 24Vdc 16 16 85mA 0mA 1746-OB16 24Vdc 16 16 280mA 0mA 2模拟量 I/O 模 块 AB 的 SLC-500 PLC 的模拟量 I/O 模块主要有以下几个特点： 1）用户可选的输入模块允许用户配置每个通道，以连接来自现场的各类电压或电流信号。 2）高分辨率的输出模块有助于实现高精度的控制。 3）模块上的输入滤波功能有效防止电磁干扰的影响。 4）背板隔离保证了输入信号干扰不会对背板产生影响。 5）可拆卸端子块允许用户无需重新连线就可快速替换模块。 6）通过开路和超量程的故障状态信息，用户可以及时了解现场情况既能提高机器的正常运行时问，还能有效减少故障恢复时问。此外模块还带有模块状态指示灯和通道状 态指示灯。 7）通过控制组态程序，用户对通道分别配置，并可在不干扰 CPU 运行的情况下重新配置。结合易于使用的通道配置表，用户可根据需要选择相应的输入类型、数据格式、滤波频率和状态参数。 在系统中，模拟量输入模块采用了 1746- NI4 (图 2-4)，模拟量输出模块采用的是 1746- NO4I， 图 2-4 1746- NI4 模块它们各自的参数见表 2-3： 表 2-3 1746- NI4 和 1746- NO4I 参数 产品名称 每个模块的输入通道 背板电流需求量 5Vdc 24Vdc 1746- NI4 4 路差分，电压或电流可选 25mA 85mA 1746- NO4I 4 路电流输出 55mA 195mA 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 在所设计的 V 型滤池控制系统的 PLC 柜中，四个 I/O 模块的现场安装如图 2-5 所示，从左到右分别为 PLC 电源、 CPU、输入模块 1746-IB16、开关量 图 2-5 现场安装的 I/O 模块 输出模块 1746-OB16、模拟量输入模块 1746- NI4、模拟量输出模块 1746- NO4I，还剩下的 4 个为备用模块，可供以后扩展使用。 2.2.2 超声波水位计的原理与使用 超声波水位计在滤池系统中，是用来测 量滤池的水位，并将测量值以电流的形式传送至 PLC 模拟量输入模块。 在这里，选用了河海大学水文水利自动化研究所的 JH2300 型超声波水位计，其输出为 420mA 电流。 超声波水位计的主要部件就是一个超声式传感器，其工作原理是发出一个声音脉冲并计算声音返回传感器的时间，因为声音具有非常稳定的传播速率，所以可以利用它来测得目标的距离。超声式传感器的基本结构如图 2-6 所示。 超声式传感器有数字和模拟两种输出格式。在数字类型的设备中，在感应范围内可调节传感器的测量距离，如果设备接受 图 2-6 超 声式传感器的基本结构 到的返回信号处于距离范围之内，则输出被激活。模拟类型的设备会提供对应于一组距离测量值的电流或电压值。 PLC 控制器可以通过数字输入模块或者模拟量输入模块读出这些传感器的输出。 所选用的超声式传感器发出频率在 25KHz 到 50KHz 之间的声波，在低频阶段，能精确测量到 40ft 远的距离，而在高频阶段，只能限制在测量小于 1ft以内的距离。在发射器正前方的较小距离之内所有部件都有一个盲区，该盲区大小为 0.75in，在使用时要注意。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 2.2.3 开关选择 1按钮的选择 在系统中，由于采用的电压 输入较低，且结构不是太复杂，因此从设计的结构紧凑方面以及节约成本方面考虑，采用了 16mm 的小按钮，如图 2-7 所示。按钮数总共 10 个，红色与绿色各 5 个，用于在手动方式下控制进水阀、气冲阀、排气阀、水冲阀、排污阀 5 个阀门的开关，按下红色按钮后阀门关闭，按下绿色按钮阀门 图 2-7 16mm 按钮 打开。 2转换开关的选择 转换开关又叫选择开关，它在这里是用来实现对滤池系统的控制方式进行选择，使系统处于手动或是自动方式下工作。转换开关的式样很多，市面上见的比较多的有钥匙式、手柄式和长手柄式等，在此处，选用了 16mm 标准手柄式旋钮的转换开关（图 2-8）。选用带 3 个触点的开关，其中两个触点分别是自动和手动 图 2-8 16mm 手柄式转换开关 方式，第三个触点备用。 3限位开关 限位开关是用来探测一个对象或条件的有无。对象通常是指在机械循环运动中移动的对象，在进行编程以控制机械循环运动时，控制程序需要知道机械装置何时会处在某个确切的位置，这时就需要用到限位开关。在该滤池系统中，限位开关用于探测进水阀、气冲阀、水冲阀和排污阀的开关状态。限位开关安装在上述 4 个阀门的阀门口，每个阀门装两个，分别用来探测阀门开到位（完全打 开）和关到位（完全关闭）。 2.3 控制系统的电路设计 该电气原理图可分为 3 个主要部分，分别是：控制方式选择部分，阀门的开关控制部分， PLC 输入与水位控制部分。下面将按照这 3 个部分来进行介绍。完整的电器原理图请参见附录一中图 1图 8。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 2.3.1 控制方式选择电路 在该电气原理图中，转换开关 SA1 是用来选择系统处于手动还是自动状态的（图 2-9）。当 SA1 处于位置 1 时为手动档，当 SA1 处于位置 3 时为自动档。当处于手动档的时候中间继电器 KA1 和 KA2 得电，而当处于自动档的时候中间继电器 KA3和KA4 得电 。 KA1 所对应的开关在原理图中的位置为：附录一图 1 中的C6、 C8和附录一图 2 中的 C1 和 C4；KA2 所对应的开关在原理图中的位置在附录一图 2 中的 C6； KA3 所对应的开关在原理图中的位置为：附 图 2-9 控制方式选择电路 录 1 图 1 中的 C7、 C9 和附录一图 2 中的 C3、 C5； KA4 所对应的开关在附录一图 2 中的 C7 和附录一图 6 中的 D4、 E4。 2.3.2 阀门的开关控制电路 该部分主要是对进水阀、气冲阀、水冲阀、排污阀和排气阀这 5 个阀门进行控制。 1.进水阀开关电路 如图 2-10 所 示，在正常过滤情况下，进水阀阀门处于打开状态，当需要进水阀关闭时，如果处在手动方式下时， KA1 开关闭合，操作人员可以按下 SB2 红色按钮，则 KA5 继电器得电， SB2按钮被锁住，同时在附录一图 7 中 C3 位置的 KA5开关闭合，进水阀阀门就会关闭；当需要阀门再次打开时，可以按下 SB1 绿色按钮， KA5 继电器失电，附录一图 7 中 C3 位置的 KA5 开关断开，从而阀门打开。当处在自动方式下时， KA3 开关闭合，此时，如果从 PLC 输入模块的输入端口输入的测量值经过 PLC 程序运算或者所编制的 PLC南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 程序在运行过程中满足了进水阀阀门关闭的 条件， 图 2-10 进水阀开关电路 则在 PLC 输出模块的输出端口（附录一图 5 中的 OUT:2/0 端口） 就会输出一个信号，使得 K1继电器得电，从而使 K1 开关闭合， KA5 继电器得电，附录一图 7 中 C3 位置的 KA5 开关闭合，实现进水阀阀门的关闭；当 PLC 程序中进水阀阀门关闭条件失去时，附录一图 5 中的 OUT:2/0 端口输出的信号就会消失， K1 继电器失电， K1 开关打开， KA5 继电器就会失电，附录一图 7 中 C3位置的 KA5 开关断开，从而阀门打开。 2.水冲阀开关电路 如图 2-11 所示， 在正常过滤情况下， 水冲 阀阀门处于关闭 状态，当需要水冲阀打开时，如果处在手动方式下时， KA1 开关闭合，操作人员可以按下SB3 绿色按钮，则 KA6 继电器得电， SB3 按钮被锁住，同时在附录一图 7 中C4 位置的 KA6 开关闭合，水冲阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下 SB4 红色按钮， KA6 继电器失电，附录一图 7 中 C4 位置的 KA6 开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时， KA3 开关闭合，此时，如果从PLC 输入模块的输入端口输入的测量值经过 PLC 程序运算或者所编制的 PLC程序在运行过程中满足了水冲阀阀门打开的条件，则在 PLC 输出模块的输出端口（附录 一图 5 中的 OUT:2/1 端口） 就会输出一个信号，使得 K2 继电器得电，从而使 K2开关闭合， KA6 继电器得电，附录一图 7 中 C4 位置的 KA6开关闭合，实现水冲阀阀门的打开；当 PLC 程序中水冲阀阀门打开条件失去时，附录一图 5 中的 OUT:2/1 端口输出的信号就会消失， K2 继电器失电， K2开关打开， KA6 继电器就会失电，附录一图 7 中 C4 位置的 KA6 开关断开，从而阀门关闭。 3.气冲阀开关电路 如图 2-12 所示， 在正常过滤情况下， 气冲 阀阀门处于关闭状态，当需要气冲阀打开时，如果处在手动方式下时， KA1 开关闭合，操作 人员可以按下 SB5绿色按钮，则 KA7 继电器得电， SB5 按钮被锁住，同时在附录一图 7 中 C5位置的 KA7 开关闭合，气冲阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下 SB6 红色按钮， KA7 继电器失电，附录一图 7 中 C5 位置的 KA7 开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时， KA3 开关闭合，此时，如果从 PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过 PLC 程序运算或者所编制的 PLC 程序南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 在运行过程中满足了气冲阀阀门打开的条件，则在 PLC 输出模块的输出端口（附录一图 5 中的 OUT:2/2 端口） 就会输出一个信号，使得 K3继电器得电 ，从而使 K3开关闭合， KA7 继电器得电，附录一图 7 中 C5 位置的 KA7 开关闭合，实现气冲阀阀门的打开；当 PLC 程序中气冲阀阀门打开条件失去时，附录一图 5 中的 OUT:2/2 端口输出的信号就会消失， K3 继电器失电， K3 开关打开， KA7 继电器就会失电，附录一图 7 中 C5 位置的 KA7 开关断开，从而使得阀门恢复关闭状态。 图 2-11 水冲阀开关电路 图 2-12 气冲阀开关电路 4.排污阀开关电路 如图 2-13 所示 ， 在正常过滤情况下， 排污 阀阀门处于关闭状态 ，当需要排污阀打开时，如果处在手动方式下时， KA1 开关闭合，操作人员可以按下SB7 绿色按钮，则 KA8 继电器得电， SB7 按钮被锁住，同时在附录一图 7 中C6 位置的 KA8 开关闭合，排污阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下 SB8 红色按钮， KA8 继电器失电，附录一图 7 中 C6 位置的 KA8 开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时， KA3 开关闭合，此时，如果从PLC 输入模块的输入端口输入的测量值经过 PLC 程序运算或者所编制的 PLC南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 程序在运行过程中满足了排污阀阀门打开的条件，则在 PLC 输出模块的输出端口（附录一图 5 中的 OUT:2/3 端口） 就会输出一个信号，使得 K4 继电器得电，从而使 K4开关闭合， KA8 继电器得电，附录一图 7 中 C6 位置的 KA8开关闭合，实现排污阀阀门的打开；当 PLC 程序中排污阀阀门打开条件失去时，附录一图 5 中的 OUT:2/3 端口输出的信号就会消失， K4 继电器失电， K4开关打开， KA8 继电器就会失电，附录一图 7 中 C6 位置的 KA8 开关断开，从而阀门关闭。 5.排气阀开关电路 如图 2-14 所示，在正常过滤情况下，排气阀阀门处于打开状态，当需要排气阀关闭时，如果处在手动方式下时， KA2 开关闭合，操作人员可 以按下 SB10红色按钮，则 KA9 继电器得电， SB10 按钮被锁住，同时在附录一图 7 中 C9位置的 KA9 开关闭合，排气阀阀门就会关闭；当需要阀门再次打开时，可以按下 SB9 绿色按钮， KA9 继电器失电，附录一图 7 中 C9 位置的 KA9 开关断 图 2-13 排污阀开关电路 图 2-14 排气阀开关电路 开，从而阀门打开。当处在自动方式下时， KA4 开关闭合，此时，如果从 PLC输入模块的输入端口输入的测量 值经过 PLC 程序运算或者所编制的 PLC 程序南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 在运行过程中满足了排气阀阀门关闭的条件，则在 PLC 输出模块的输出端口（附录一图 5 中的 OUT:2/4 端口） 就会输出一个信号，使得 K5继电器得电，从而使 K5开关闭合， KA9 继电器得电，附录一图 7 中 C9 位置的 KA9 开关闭合，实现排气阀阀门的关闭；当 PLC 程序中排气阀阀门关闭条件失去时，附录一图 5 中的 OUT:2/4 端口输出的信号就会消失， K5 继电器失电， K5 开关打开， KA9 继电器就会失电，附录一图 7 中 C9 位置的 KA9 开关断开，从而阀门打开。 2.3.3 PLC 输入与水位控 制电路 该部分主要是用来对滤池系统的 PLC 开关量输入模块输入阀门的开关信息，以及对出水阀进行阀门开度控制，从而达到恒水位控制的目的。 1.PLC 开关量输入模块的信号输入 对开关量输入模块 1746-IB16 所输入的信号是进水阀、水冲阀、气冲阀和排污阀的开关信号，以及排气阀的打开信号。 在进水阀、水冲阀、气冲阀和排污阀这 4 个阀门的阀门口各装有 2 个限位开关（参见附录一图 3），用来检测阀门开到位（完全打开）和关到位（完全关闭）。在每个限位开关后都连接一个中间继电器，而在输入模块的每个输入端口又装有与中间继电器相关联 的开关（参见附录一图 5），当阀门开到位或关到位时，限位开关闭合，所连接的中间继电器就得电，输入端口的关联开关就会闭合，阀门的开关信息就输入到了 PLC 中。各阀门开关状态的 PLC 输入端口、开关位置的限位开关与所对应的中间继电器情况见表 2-4。 对于排气阀门，它一般是处于打开状态，在 PLC 中用不到排气阀关闭状 态下的信息，因此在 PLC 输入端口 I:1/9 安排了一个常闭的 KA9 开关，也就是说在正常状态下一直有排气阀阀开信号输入，而当排气阀关闭的时候就没有信号输入了。 表 2-4 阀门开关状态输入地址表 阀门 进水阀 水 冲阀 气冲阀 排污阀 开关状态 全开 全关 全开 全关 全开 全关 全开 全关 限位开关 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 SQ8 中间继电器 KA10 KA11 KA12 KA13 KA14 KA15 KA16 KA17 输入端子号 I:1/1 I:1/2 I:1/3 I:1/4 I:1/5 I:1/6 I:1/7 I:1/8 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 18 页 2.出水阀开度控制部分与模拟量输入模块的输入（附录一图 6） 出水阀开度的调节是通过调节输入出水阀电流的大小来实现的。对出水阀输入 420mA 的电流 ，所对应的阀门开度大小为 0100%。 在手动方式下，阀门开度的调节主要是由电阻变送器 V1 来实现的。如图 2-15 所示，在手动方式下，由于 KA4 继电器不通电，因此 KA4 开关处于打开状态，它与电阻变送器的两个输出端相连，同时又连到出水阀调节器的输入 I+和 I-两端。电阻变送器实际就是一个滑 动变阻器，当需要调节阀门 图 2-15 出水阀手动控制电路 开度大小时，操作人员调节滑动变阻器的电阻大小，从而输出相应大小的电流输入到出水阀调节器中，出水阀调节器根据所输入电流的大小调节阀门的开度，达到控制水位的效 果。 在自动方式下，阀门的开度是由PLC 来控制的。如图 2-16 所示，在自动方式下， KA4 继电器得电，图中的KA4 开关闭合，出水阀调节器（ EBF）的输入端 I+和 I-分别连到了模拟量输出模块 1746-NO4I 的 OUT 0 和 ANL COM 端口。 1746-NO4I 的 OUT 0 即为梯形图中的 OUT:4.0 信号地址，它可根据梯形图程序的运行情况来输出420mA 的电流，输出的电流从出水阀调节器的 I+端输入，从而达到了控 图 2-16 出水阀自动控制电路 制出水阀阀门开度的目的。 此外，开度计（ P1）一端连接到 出水阀调节器的 0+端，用于记录出水阀南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 19 页 的开度，另一端连到了模拟量输入模块 1746-NI4 的 IN 0+端，用于将出水阀当前的开度输入到 PLC 中。超声波水位计（ P3）连接到水位数显表（ P2）后再连接到 1746-NI4 的 IN 1+端，将测得的水位输入 PLC。差压计连接到 1746-NI4的 IN 2+端，将测得的差压值输入到 PLC。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 20 页 第三章 V 型滤池控制系统的梯形图设计 罗克韦尔公司为它旗下的 A-B SLC-500 型 PLC 开发了两种不同的开发软件，它们分别是基于 DOS 平台的 PLC-500-AI 和基 于 Windows 平台的RSLogix-500，这里我们选用了基于 Windows 平台的 RSLogix-500 来编制 V 型滤池控制系统的梯形图。所编制的 I/O 地址表见表 3-1。 表 3-1 I/O 地址表 I/O 类型 地址 作用 输 入 I:1.0/0 滤池自动 I:1.0/1 进水阀开到位 I:1.0/2 进水阀关到位 I:1.0/3 水冲阀开到位 I:1.0/4 水冲阀关到位 I:1.0/5 气冲阀开到位 I:1.0/6 气冲阀关到位 I:1.0/7 排污阀开到位 I:1.0/8 排污阀关到位 I:1.0/9 排气阀开 I:3.0/0 出水阀开度 I:3.1/0 滤池液位 I:3.2/0 水头损失（差压） 输 出 O:2.0/0 进水阀控制 O:2.0/1 水冲阀控制 O:2.0/2 气冲阀控制 O:2.0/3 排污阀控制 O:2.0/4 排气阀控制 O:4.0/0 出水阀开度控制 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 21 页 3.1 主程序的编制 主程序部分主要是用于对程序中需要用到的参数进行设置，并把子站 PLC中的一些数据传送至主站 PLC 中。完整的主程序梯形图 参见附录二的主程序部分。 在主程序的第一梯级中 First Pass 指令是 SLC-500 PLC 梯形图的起始指令，规定所有 SLC-500 PLC 的梯形图都必须以它开头，之后的一条 MOV 指令将参数 1025 放入内部寄存单元 S:15 是设定波特率。 3.1.1 参数的设定 参数的设置主要是由 MOV 指令来实现的， MOV 指令允许程序员将一个位置中的内容移到另一个位置。源位置中的内容不会改变，但目的位置中的内容将被移来的值取代。主程序中设置的一些重要参数有以下一些： 1.PID 设定点 SP（用户希望的控制点），设定值为水位 120 的整定值，存入 N11:32； 2.PID增益，设定值 63，存入内存单元 N11:33； 3.PID 积分时间常数，设定值为 9，存入内存单元 N11:34； 4.PID 微分时间常数，设定值为 4，存入内存单元 N11:35；5.PID 给定最大值，设定值为 16383，存入内存单元 N11:37； 6.PID 给定最小值，设定值为 0，存入内存单元 N11:38； 7.滤池过滤周期设定，设定值为 48，存入内存单元 N10:14； 8.滤池水头损失（差压），设定值 200，存入内存单元N10:15； 9.滤池水位控制值，设定值为 120，存入内存单元 N10:16。 3.1.2 SCP 指令与参数整定计算 V 型滤池系统根据超声波水位计所测得的水位值实时地调节出水阀的开度，从而实现水位的恒定。出水阀阀门开度的调节是通过向出水阀调节器 输入范围为420mA 的电流来实现的，也就是说需要模拟量输出模块 1746-NO4I 的 OUT0端口和 ANL COM 端口输出范围为 420mA 的电流。而对于 SLC-500 型 PLC的模拟量输入 /输出模块，罗克韦尔公司对其输入 /输出的模拟量电流或电压值都规定了相应的十进制范围，如表 3-2 和表 3-3 所示。 表 3-2 模拟量参数整定范围 1 参 数 4 到 20mA 0 到 5V 0 到 10V 输入最小值 0 0 0 输入最大值 16384 16384 32767 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 22 页 整定最小值 0 0 0 整定最大值 16383 16383 16383 表 3-3 模拟量参数整定范围 2 参数 4 到 20mA 0 到 5V 0 到 10V 输入最小值 3277 0 0 输入最大值 16383 16383 16383 整定最小值 6242 0 0 整定最大值 31208 16384 32764 在本次设计中选用的是表 3-3 中 420mA 电流的那组参数。对于输入的水位值和出水 阀开度值都必须整定到 327716383 的范围之内，因为 只有这两者都处于相同的范围之内才能进行对比，也就是说才能使相应的水位值对应于相应的出水阀开度值。 为了实现整定的目的，就需要使用 SCP 数据整定指令， SCP 指令的基本模块如图 3-1 所示，用 SCP 指令能产生一个整定输出值，输入与整定值之间呈线性关系。这一指令支持整数和浮点数。 编程该指令时输入下列参数： 输入值（ Input value）可以是一个字地址或浮点数元素地址。 输入最小值（ Input Min.）和输入最大值（ Input Max.）该值确定出现在 输入值参数的数据范围。这一值可以是一个字地址，一个整数常数，浮点数元素， 或浮点数常数。 整定最小值（ Scaled Min.）和整定最大值（ Scaled Max）该值确定了出现在整定输出参数的数据范围。 图 3-1 SCP 指令模块 这一值可以是一个字地址，一个整数常数，浮点数元素，或浮点数常数。 整定输出（ Scaled Output）该值可以是一个字地址或一个浮点数元素。 下列方程示出在输入值与得出的整定值之间的线性关系： Scaled value=( input value slope)+ offset Slope=（ scaled max scaled min） / (input max input min) 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 23 页 Offset= scaled min （ input min slope） 公式中 Slope 为斜率，显然，在系统的输入值范围不变的情况下，增大整定值范围可以是 Slope 变大，从而提高系统的响应速度； Offset 为系统的偏差。 在主程序中，对要求恒定的水位值进行整定的程序段为梯级 0004，如图 3-2 所示。它的输入值input value = 120，最大输入值 input max = 200，最小输入值 input min = 0，最大整定值 scaled max = 16383，最小整定值 scaled min = 3277，由此可得： Slope =（ scaled max scaled min） / (input max input min) =（ 16383 3277） /（ 200 0） = 65.53 图 3-2 水位值的设定 Offset = scaled min （ input min slope） = 3277 （ 0 65.53） = 3277 Scaled value = (input value slope) + offset = （ 120 65.56） + 3277 = 11140.6 在指令中，以上运算过程是自动进行的，程序员只需指定输出（ Output）的单元地址， SCP 指令既会把运算的结果存入所指定的内存单元中去。因此，所指定的恒定水位 120 经过整定，变为 11141 后存入了内存单元 N11:32。 在梯级 0006（图 3-3）中， SCP 指令是将当前由阀门开度计所输入的值转换位实际的阀门开度。阀门开度计输入模拟量输入模块测得的一个模拟量（实际是一个 420mA 的电流），根据罗克韦尔公司所给的参数表，在 SLC 500 PLC中，该模拟量所在的范围是 327716383 之间。在这里由 I:3.0 端口的输入值为 8718，需要将它整定到0100 的范围之内。根据理论值的计算如下： Slope =（ scaled max scaled min） / (input max input min) =（ 100 0） /（ 16383 3277） 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 24 页 = 0.00763， Offset = scaled min （ input min slope） = 0 （ 3277 0.00763） 图 3-3 出水阀开度值的整定 = -25.00351 Scaled value = （ input value slope） + offset =（ 8718 0.00763） 25.00351 = 41.5 而在实际生产过程中发现根据这套给定参数运算所得出的理论值与实际值不相吻合，而将参数 16383 改为 16100 后，实际值与运算值较为符 合，因此实际编程时将 16383 改为了 16100，根据改动后参数的计算结果如下： 斜率 Slope = 0.0078，偏移 Offset= -25.5606，整定值Scaled value = 42.7。 在梯级 0008（图 3-4）中， SCP 指令是将当前由超声波液位计所输入的值转换位实际的液位值。超声波液位计输入模拟量输入模块一个测得的模拟量，根据罗克韦尔公司所给的参数表在 SLC 500 PLC 中该模拟量所在的范围是 327716383 之间。在这里由I:3.1 端口的输入值为 11206，需要将它整定到 0200的 范围之内，根据理论值计算结果为： 图 3-4 实际水位的整定 Slope =0.01526， Offset= -50， Scaled value = 121。 需要注意的是，在梯级 0008 中还有一个 SCP 指令（图 3-5）与上述 SCP 指令相并联，这个 SCP指令的整定仅仅是给从 I:3.1 端口输入的模拟量增加了一个偏移量，但它的非常重要，它把整定后的值放入了内存单元 N10: 56,在后续的过滤控制子程序中该内存单元被设定成了 PID 模块的过程变量（ Proc ess Variable） 输入单元，为了保证 PID 调节的准确性，因此在这里使用了一个 SCP 整定指令将I:3.1 端口的输入值再次整定后存入 N10:56 单元， 图 3-5 PID 过程变量设定 而不是简单的使用一条 MOV 指令将 I:3.1 端口的输入值移入 N10:56 单元。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 25 页 此外，在梯级 0010 中还有一段 SCP 指令用于对从 I:3.1 端口输入的滤池水头损失（差压）模拟量进行整定后存入 N10:3 内存单元中，根据理论值它的范围应该是 327716383，而在实际使用中使用的范围是 327716384，所要求整定到的范围是 0500，整定的计算过程就不在此赘述。 3.1.3 MSG 指令与错误位的屏蔽 在 V 型滤池控制系统中，子站 PLC 需要将一些重要的数据写入主站 PLC中，同时，有时也需要从主站 PLC 中读出一些参数，这时就需要用到 MSG 信息读 /写指令，其基本模块如图 3-6 所示。 使用这条指令时，目标设备可以是另一个 SLC 500 系列处理器，或一个非 SLC 500 的设备。需要 注意的是，当该指令使能时，与信息写有关的数据并不被发送，确切的说，它只有在 PLC 程序运行到该指 图 3-6 MSG 指令模块 令的扫描周期末尾，或者说是梯形图中的通讯服务指令被刷新时才发送，这意味着有些情况在运行程序时必须先缓存要读 /写的数据。当选择 SLC 500 系列处理器作为目标设备时，通讯也可以在 SLC 5/02 处理器或其它 SLC 500 系列处理器之间进行。 1 MSG 指令的参数设置 该指令的参数设置情况如下： （ 1）读 /写（ Read/Write） 读是指本地处理器（指令驻留的处理器是本地处理 器）接收数据；写是指本地处理器发送数据。 （ 2）目标设备（ Target Device） 指将要接收数据的设备类型，有效选择如下： - 500CPU，目标设备是另一个 SLC 系列处理器 - 485CIF，目标设备是一个非 SLC 系列设备（ PLC2 仿真） （ 3）控制块（ Control Block） 它是一个地址单元，一般包含了状态位，目标文件地址，及与通讯指令有关的其它数据等 7 个字，分别是字 0字 6。 （ 4）控制块长度（ Control Block Length） 一般固定为 7 个字。如果从 SLC 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 26 页 5/02 处理器转 变到 SLC5/03 或更高系列处理器，控制块长度要从 7 个字增加到 14 个字。编程时应确定在 MSG 控制块后至少有 7 个字没有被使用。 2 MSG 指令状态位介绍 状态位是控制块的字 0，下面是几个比较重要的状态位： （ 1）超时位 TO（位 08） 在应用程序中置位该位，就可以从处理器控制中取消现行的通讯指令。应用程序必须提供自己的超时值。 （ 2）无响应位 NR（位 09） 如果处理器不响应第一次信息请求，该位置位。当 ER、 DN，或者 ST 位被置位时，该位被复位。 （ 3）使能和等待位 EW（位 10） 在使能位置位之后，且