plc控制自来水.doc

华北科技学院毕业设计（论文）1 绪论1.1选题背景近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。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）有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。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的水位要求变化较大，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水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,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）。采用PLC控制不仅可减少人的工作量，还可以降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。1.2 国内外研究现状和趋势自来水生产过程自动化控制系统的发展状态:水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器(PLC)的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。目前大部分水厂都是采用的这种模式。第63页 共 63 页在这基础上，对水厂自动化又提出了新要求:即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。水厂工业自动化领域的发展趋势是管理控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管理控制一体化铺平道路。信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管理控制一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。1.3设计原则这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑控制自来水的工作环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如电器设计、电路原理、电机拖动、阀门控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。1.4研究的内容及设计的安排本论文主要介绍以可编程控制器PLC为核心，提出具体实现自来水厂的生产自动化基本思路和方法。本论文研究的主要内容包括:基于PLC自来水控制系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、重点探讨PLC控制系统硬件、软件的设计方法，综合对比经验设计法、逻辑设计法、时序图设计法和顺序控制设计法，对PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题，如:电源干扰问题、扩展I/O点数和系统连锁问题等，提出了具体解决方案。本论文是基于该工程项目的电气控制系统设计与实现展开的，采用可编程控制器PLC，完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标，实现了自来水生产的自动化。2 PLC的概述2.1 PLC的定义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制(ProgrammableLogic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大的超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委(IEC)先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义：它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。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2 PLC的构成从结构上分，PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。叠装式PLC是将整体式和模块式两种结构的优点结合起来。这种结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接仅用电缆即可，并且各模块可以叠装在一起。2.2.1 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由振荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2.2.2 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按I/O点数确定模块规格及数量，模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.2.3 电源模块现代PLC一般配有开关式稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比，开关电源的输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。有的PLC还向外提供DC24V的直流电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 2.2.4 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.5 PLC的通信联网 依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使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，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。2.3 PLC的基本工作 PLC虽然具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或1/O扫描方式，有键按下或1/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。这个工作过程分为五个阶段:自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序的执行，输出刷新。其工作过程框图如图2.1所示。l、每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。2、 PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。 2.1 PLC的工作原理3、PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。4、中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。5、当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行，扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素(与编程器等通信)时，扫描周期T见公式(2.1) 。T=(读入一点时间X输入点数)+(运算速度X程序步数)+(输出一点时间X输出点数)+故障诊断时间 (2.1)显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没什么影响。但对控制要求严格，响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应的时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的不良影响。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作，而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的最大特点，使用者应特别注意。特别注意的是:在PLC的程序中，前面逻辑行的执行结果在本次扫描过程中，影响后面逻辑行的执行结果:而后面逻辑行的执行结果在本次扫描中不影响前面逻辑行的果。2.4 PLC的特点及其优缺点可编程序控制器的特点主要包括以下几个方面:1、编程方法简单易学。PLC中配备了易于接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的20多条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器的功能。2、硬件配套齐全，用户使用方便。PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。PLC的安装接线也很方便，PLC一般用接线端子连接外部接线。3、通用性强，适应性强。由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速的适应工艺条件的变化。4、可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触电和接线。除此之外，PLC还采取了一系列抗干扰的措施。5、系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。由于PLC 具有一系列特点，因此，它已被广泛应用于矿山、冶金、机械、石油、化工、汽车制造、电力、造纸、印刷、轻工、纺织、交通、通讯、邮政、建筑、建材、环保、娱乐、食品加工、家电等各行各业。按照控制类型不同，它主要应用在以下几个方面：1、开关量控制。取代传统继电器控制系统，实现开关量的逻辑控制和顺序控制。2、模拟量控制。通过模拟量I/O模块可对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行控制。3、数字量控制。利用PLC能接收和发送高速脉冲的功能，在配备相应的传感器和脉冲伺服装置就可实现数字量控制。4、集散控制。PLC的通信联网能力很强。除了相互之间可以进行通信联网以外，PLC与计算机之间也可以进行通信联网，由计算机来实现对其监控和管理。3 PLC控制自来水系统的总体设计3.1 概况系统本次毕业设计的自动供水系统仿真示意图如图3.1所示。该系统通过2台抽水泵（另外2台备用）分别将1#和2#两口水井中的井水抽到清水池中，加药处理后由2台（另外1台备用）和1台（另外1台备用）加压泵分别向饮用水和生活用水自动供水，以保证居民的用水需求。 3.1 PLC控制自动供水仿真图3.2 PLC控制自来水系统要求、组成及功能自动供水控制系统主要是控制4台抽水泵和5台加压泵的启停，保证用户供水，控制系统设“手动”和“自动”两种工作方式。手动方式是一种备用方式，它是在自动方式不能正常运行的情况下启用，自动方式可以实现无人值班，无需人为干预，正常情况下自动供水，保证用户有水可用即可。3.2.1 PLC控制自来水系统控制要求(1) 1#或2#水井液位低于最低水位时，自动停止相应的抽水泵，在操作台显示液位值，并向上位机发出警报信号。(2) 清水池水位低于下限水位时，1#和2#两口水井中的各自一台水泵向清水池送水，同时根据设定值自动启动加药泵进行加药处理；当高于上限水位时，两台水泵和加药泵同时停止，要求各台备用水泵在相应水泵出现故障时，自动投入运行。(3) 左岸或右岸水塔水位低于下限水位时，如果清水池中的水位不低于下限水位，各主加压泵同时向水塔送水；当水塔水位高于上限水位时，主加压泵停止送水；要求各台备用加压泵在相应加压泵出现故障时，自动投入运行。(4) 通过上位机监控系统运行状态和报警，并实时显示水井、清水池、水塔的液位。(5) 本系统要求运行安全可靠，手动操作、自动操作转换方便、可行。3.2.2 PLC控制自来水系统控制组成本PLC控制自来水系统由按钮操作系统、电动阀门控制系统、PLC电气控制系统和上位机监控系统四个部分组成。(1)按钮操作系统实现手动和自动两种工作方式的转换；手动操作时，通过按钮控制任意一台抽水泵、加压泵、加药泵和加压泵电动阀们的启、停。(2) 电动阀门控制系统它控制5台加压泵电动阀门的打开与关闭，可以实现自动控制与远程控制。(3) PLC电气控制系统实现4台抽水泵和5台加压泵的自动/手动通电与断电的电气控制，利用PLC实现功能要求的逻辑适时控制和信息向上位机的传送。(4) 上位机监控系统监控4台抽水泵和5台加压泵的状态，并实时显示水井、清水池、水塔的水位，并显示报警信息。3.3 PLC控制自来水系统设计本自来水控制系统的设计包括：系统结构框图的设计；系统控制的工艺流程图的设计；系统信号的传输关系的设计；PLC及其它元器件的选择；PLC的I/O地址分配；系统控制硬件电路的设计；PLC的流程图和梯形图的软件设计；最后还要进行人机交互的上位机的设计。3.3.1 PLC控制系统的设计步骤PLC控制系统的设计分为硬件选型及PLC软件编制两个方面。现介绍控制系统的设计步骤。1、根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作时序、条件、必要的保护和联锁等）、操作（手动、自动、连续、间断等）。2、在明确了控制任务和要求后，选择电气传动方式和确定系统所需的用户输入、输出设备。3、选择合适的PLC类型（包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择等）。4、分配I/O点，设计I/O端子接线图。5、进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。6、将编写好的程序输入PLC中去，并对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。7、联机调试。在PLC软硬件设计和控制台、柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统联机调试，调试中发现的问题，要逐一排除，直到调试成功。8、编制技术文件。（包括说明书、电气原理图、电气布置图、电气元件明细表、PLC程序清单）。9、交付使用。 以上是一个PLC控制系统设计的一般步骤，可根据控制系统的规模、控制要求的繁简、控制程序步序的多少，根据实际情况有的步骤可以省略。3.3.2 PLC控制系统结构框图 图3.2 PLC控制系统基本框图 图3.2 PLC控制系统结构框图 根据控制系统要求，PLC控制器主要是对两个取水泵站的四台水泵和两个液位传感器、加药站的加药泵、加压站的五台加压泵进行控制及向上位监控机传送各种信息。由此，自来水工程PLC控制系统的基本结构框图，如图3.2所示。3.3.3 PLC自动控制系统控制工艺流程图根据自来水控制系统控制工艺要求，由其相互逻辑关系，可以得到各个水泵和加压泵的自动控制流程图，如图3.3所示。图3.3 PLC系统控制自来水工艺流程图4 自来水控制系统的硬件设计4.1 PLC机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。4.1.1 结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC;否则，选用模块式结构的PLC。 4.1.2 功能、规模相当对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般选用低档的PLC。 如西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。如西门子公司的S7-300或S7-400。对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。4.1.3 机型统一一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理;另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训;其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中协调管理。4.1.4 PLC的环境适应性由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下，可靠地工作。尽管如此每种PLC都有自己的环境技术条件，我们在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。4.1.5 是否在线编程PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。4.2 PLC容量选择PLC容量包括两个方面:一是I/O的点数;二是用户存储器的容量(字数)。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8;对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。 I/O点数应留有适当余量。由于目前I/O点数较多的PLC价格高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%15%考虑备用量。4.3 I/O模块的选择PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过1/0接口模块来实现的。根据PLC输入量和输出量的点数和性质，可以确定I/O模块的型号和数量，每一模块点数可能有4、8、16、32和64点，点数多的每点平均价格低一些。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。4.3.1 确定I/O点数I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/0点数就可能有所不同。4.3.2 开关量I/O接口开关量I/O接口按外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式，隔离式的每点平均价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选后两种。(1)选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑:一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过l0m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。(2)选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑:一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式:继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，抗干扰能力强，使用电压范围广，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开关频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载，响应速度快。但其负载驱动能力较差（负载电流为0.30.5 A）感性负载在断开瞬间会产生较高压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块允许电流值。4.3.3 模拟量I/O接口模拟量I/O接口是用来传输传感器产生的信号的。这些接口能测量流量、温度和压力等模拟量的数值，并用于控制电压或电流输出设备。PLC的典型接口量程，对于双极性电压为-10+10V、单极性电压为0+l0V、电流为420mA或1050mA。主要考虑以下两点：1、模拟量输入模块的参数指标，即模拟量输入模块的分辨率、精度和转换时间等参数指标必须满足现场的要求。2、抗干扰措施。主要方法有：输入信号必须与交流信号和可能产生干扰源的供电电源保持一定的距离；模拟量输入信号线要采取屏蔽措施；采取补偿技术以减少环境变化对模拟量输入信号的影响。4.4 电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流和总和。以下步骤为选择电源的一般规则:1、确定电源的输入电压;2、将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算I/O模块所需的总背板电流值;3、I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流:(1)框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值;(2)框架中带有远程适配器或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。4、电源模块的输出功率：其额定的输出功率必须大于CPU模块、各种智能模块等总的消耗功率之和，并且要留有30%左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。 4.5 自来水控制系统的检测、控制、显示、执行的分布和信号的传输关系根据自来水供水系统控制要求，其检测、控制、显示、执行机构的分布和信号传输关系示意图如图4.1所示。 图4.1 自来水供水系统检测、控制、显示、执行示意图4.6 自来水控制系统的I/O点数分布和所需其他各电气元器件由自来水工程PLC自动控制系统原理框图工艺组成可得：电气控制系统要求5个液位传感器分别检测两个水井液位、清水池液位、右岸生活水池液位和左岸生活水池液位；5个出水辅助电接点压力表来控制五台加压泵电动阀门的开启和检测五台加压泵电机运行是否正常，除此之外，电气控制系统还要求一些水泵电机运行指示灯和按钮等元器件，各元器件功能及所占PLC输入输出点数见表4.2。表4.2 所需各元器件功能及所占PLC输入输出点数表4.2项目名称模拟量输入点数备注总点数水井液位变送器2模拟量：水井液位I点：7清水池液位变送器1模拟量：清水池液位饮用水和生活用水液位变送器2模拟量：生活用水和饮用水液位饮用水和生活用水流量变送器2模拟量：生活用水和饮用水流量项目名称数字量输出点数备注总点数14#抽水泵电机4运行及显示O点：1015#加压泵电机5运行及显示15#加压泵电动阀门-正、反运行及显示加药电机1运行及显示运行模式显示-自动与手动分别显示续表1项目名称数字量输入点数备注总点数14#抽水泵电机-手动按钮：起动与停止I点：2315#加压泵电机-手动按钮：起动与停止15#加压泵电动阀门-手动按钮：正转、反转与停止14#抽水泵出水辅助电接点压力表4-15#加压泵出水辅助电接点压力表10行程开关：极限压力检测和低压检测12#水井液位变送器2数字量：水井低液位清水池液位变送器2数字量：清水池高、低液位生活用水水池液位变送器2数字量：右岸生活水池高、低液位饮用水水池液位变送器2数字量：左岸生活水池高、低液位手动与自动切换1旋钮：手动与自动切换4.7 控制系统PLC和液位变送器的选型及I/O地址分配4.7.1 SIMATIC S7系列PLCSIMATIC S7系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200/300/400系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆可。（1）S7-200系列可编程序控制器SIMATIC S7-200系列PLC适用于各种场合中的检测、监测及控制的自动化口S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂的控制功能，尤其在集散自动化系统中更能充分发挥其强大的功能。其主要特点为：1、丰富的指令集;2、丰富的内置集成功能;3、实时特性;4、强大的通讯能力;5、丰富的扩展模块。（2）S7-300系列可编程序控制器S7-300是一种模块化的小型PLC系统，其优越的性能价格比，使之成为中小规模控制系统理想的选择。其主要特点为：1、多种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装;2、高速的指令处理，可满足快速程序控制要求;3、浮点数运算，可有效地实现更为复杂的数学运算;4、 CPU内集MPI接口，多种通讯模块能用来连接AS-1接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统;5、具有时间/中断驱动、开环定位和PID等高级控制功能:6、 I/O模块采用前连接器方式，维修或更换十分方便;7、系统自行组态，信号或通讯模块不受限制地随意安放;8、具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的UO模块;9. STEP7编程语言具有大量的以STEPS为基础的指令集，使程序的编制简单快捷。（3）S7-400系列可编程序控制器S7-400是为大中型自动化任务而设计的可编程序控制器系统，是各种复杂应用控制的理想解决方案。其主要特点为;1、强大的1/O容量，数字量I/O各128K、模拟量I/O各8192;2、高速的程序处理速度:二进制指令的运行时间仅为0.08ms/lk;3、内置MPI. SINECL2-DP等多种通讯网络接u;4、基板安装，背板采用高速并行1/O总线，用于CPU和信号模块&功能模块之间进行数据交换;5、可扩充性，集中或分布式扩展可以使系统扩展多达21个单元;6、多CPU可安放与同一基板，可完成实时多任务控制:7、具有完善的通用型I/O及特殊功能I/O设计;8、完整强大的指令集，可实现复杂的浮点、三角函数和其他函数运算;9、灵活多样的编程软件、应用组态软件可为您的应用提供极大的方便。因为所设计的控制系统比较简单，I/O点数不多，根据工程实际，考虑成本因素，选择S7-200CPU就可以满足设计要求。4.7.2 系统PLC和液位变送器的选型由控制系统参数以及对PLC输入输出点数、性质的要求，以及前面所论述的PLC控制系统设计原则，对控制系统的关键元器件：PLC、液位变送器和变送器传送屏蔽电缆线，进行必要的选型。1、S7-200CPU性能指标CPU221价格低廉，可用于小型开关量控制系统。CPU222成本低，可处理模拟量，用于要求较高的小型控制系统。CPU224具有更多的输入输出点，可处理开关量、模拟量，用于要求高的小型控制系统。CPU226为功能最强的单元，可满足一些中小型复杂控制系统的要求。表4.3型号本机I/O点数数据存储空间和程序存储器容量I/O扩展能力30kHZ/20kHZ高速计数器通信功能模拟量I/O模块CPU2216/ 46KB无独立4个/2个1个RS485通讯口无CPU2228/66KB2个扩展独立4个/2个1个RS485通讯口可扩展至10路CPU22410/1416KB7个扩展独立6个/2个1个RS485通讯口可扩展至35路CPU224XP10/1422KB7个扩展2个RS485通讯口可扩展至38路CPU22624/1626KB7个扩展独立6个/2个2个RS485通讯口可扩展至35路2、模拟量扩展模块性能指标表4.4型号输入点输出点I/O总线功率损耗L+功率损耗L+电压范围EM2314无10mA60mA20.428.8VEM232无2100mA70mA20.428.8VEM2354210mA60mA20.428.8V因为所设计的自来水控制系统所用PLC的输入点数为23点，输出点数为10点，模拟量输入点数为5点，根据上述要求，结合工程实际，选择S7-200CPU226型号PLC，EM231模拟量扩展模块，就符合要求。其选型明细表如表4.5所示。表4.5 自来水工程PLC控制系统主要元器件明细表序号器件名称规格数量生产厂家备注1水井液位变送器SBP2881C5KBOB12北京富邦2清水池液位变送器SBP2881A4KB2M1B113167m生活用水水池液位变送器FB3051LTEA222M114饮用水水池液位变送器FB3051LTEA222M115变送器传送屏蔽电缆线RVVP31.0只作为信号线6S7-200CPU单元CPU2266ES7216-2BD22-0XB01西门子2424VDC输入、16继电器输出7S7-200模拟扩展模块EM2316ES7231-OHC22-0XA024模拟量输入8S7-200手持编程器1系统的其它各元器件，如：指示仪表、按钮、指示灯、继电器、接触器等等，在此就不进行选型，只对其数量和用途加以说明。（1）仪表指示类：7个仪表 12#水井液位指示、清水池液位指示、饮用水水池液位指示、生活用水水池液位指示、饮用水用水流量指示、生活用水流量指示；（2）运行信号灯类：21个信号灯电源指示（1）、运行模式指示（2）、水井抽水指示（22）、搅拌机运行指示（21）、消毒剂添加指示（21）、加压泵运行指示（5）、电动阀门运行指示（5）；（3）手动指令开关类：1个转换开关、1个旋钮开关、41个按钮（共43个开关） 电源空气或自动开关（1）、运行模式指令（1）、水井抽水指令（2（2+2）、搅拌指令（2（1+1）、消毒剂添加指令（2（1+1）、加压泵指令（5（1+1）、电动阀指令（5（1+1+1）；4.7.3控制系统PLC的I/O地址分配 根据控制系统要求利用PLC控制的信号的分布情况，综合考虑各输入、输出点的电压、电流和性质，对各输入、输出点进行分组分配。其对应PLC输入/输出地址分配如表4.6所示。表4.6 PLC输入/输出地址分配I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4工作方式选择饮用水水位高饮用水水位低生活用水水位高生活用水水位低1自动、0手动1水位高1水位低1水位高1水位低I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1清水池水位高清水池水位低1#水井低2#水井低1#井电接点11水位高1水位低1水位低1水位低0代表有水I1.2I1.3I1.4I1.5I1.61#井电接点22#井电接点12#井电接点21#水泵高压电接点2#水泵高压电接点 续表20代表有水0代表有水0代表有水1代表压力高1代表压力高I1.7I2.0I2.1I2.2I2.33#水泵高压电接点4#水泵高压电接点5#水泵高压电接点1#水泵有水电接点2#水泵有水电接点1代表压力高1代表压力高1代表压力高0代表有水0代表有水I2.4I2.5I2.63#水泵有水电接点4#水泵有水电接点5#水泵有水电接点0代表有水0代表有水0代表有水Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.41#水泵2#水泵3#水泵4#水泵5#水泵Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.11#取水泵2#取水泵3#取水泵4#取水泵加药电机AIW0AIW2AIW4AIW6AIW8 续表生活用水水位仪清水池水位仪1#井水位仪2#井水位仪饮用水流量仪VW20VW22VW24VW26VW28AIW10AIW12生活用水流量仪饮用水水池液位仪4.7.4 主要元器件简介(1)、3051/1151LT系列法兰式变送器 图4.7 3051/1151LT系列法兰式变送器表4.8名称型号测量范围（kPa）最大工作压力（Mpa）准确度等级法兰式液位变送器1151LT406.237.42.50.2、0.51151LT60117690主要特点a品种齐全、精度高、稳定性好、价格比同类进口仪表便宜；b量程和零位可在外部连续调节；c正迁移可达500%，负迁移可达600%（最小量程时）； d阻尼可调；工作原理被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两隔离膜片上，通过隔离膜片和元件内的填充液传送到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器的电容量相等。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过检测此电容极板上的差动电容，再由电子线路把差动电容转换放大成4-20mADC的二线制电流信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同,所不同的是低压室压力是大气压或真空。 a）其它型室 b）AP型室图3.2 元件的结构图功能范围使用对象：液体、气体和蒸气。输出信号：420mADC。（特殊可为四线制010mADC输出）。 供电电源：供电电源为1245VDC，带数字显示器为1545VDC，一般为24VDC。负 载： 与供电电源有关，在某一电源电压时带负载能力见图4.9，负载阻抗R与电源电压V的关系式为R50(V-12)。（带表头时负载能力有所降低） 图4.9 电源负载特性图 (2) WP311型投入式液位变送器图5.0 WP311型投入式液位变送器WP311型投入式液位变送器（也称 静压式液位变送器 ）选用进口带防腐膜片敏感组件，将芯片装入一个不锈钢（或聚四氟乙烯）壳体内。顶部的钢帽起保护传感器的作用，也能使被测液体流畅地接触到膜片。该产品采用特制的通气电缆，使感压膜片的背压腔与大气良好相通，测量液位不受外界大气压变化的影响，测量准确，长期稳定性好，并具有优良的密封及防腐性能，符合船用标准，可直接投入到水、油等液体中长期使用。聚四氟乙烯材料的外壳及电缆可测量多种强腐蚀性液体。技术指标量 程： 0 0.5200mH 过 载： 150% FS测量介质： 与不锈钢 (1Cr18Ni9Ti) 或聚四氟乙烯兼容的介质 工作温度： 20 85 综合精度： 0.1 ， 0.25 ， 0.5 级保护等级： IP68 稳 定 性： 0.2%FS / 年 4.8 控制系统电路设计考虑到PLC控制系统的可靠性问题，电源是控制系统引入干扰的主要途径之一，特别是对于系统中存在大接触器、大电机等的场合，更易引入干扰信号。在系统设计过程中，采用了隔离变压器对PLC供电，并在一次侧采用380VAC供电。对系统中，要求有常用和备用、手动和自动两种运行状态不允许同时运行，由连锁可靠性要求，除了在PLC内部进行软件连锁外，同时还利用接触器的辅助触点进行了必要的电气连锁，以提高系统的可靠性。从系统要求出发，系统要求在PLC不能正常工作时，能够利用手动按钮，进行正常供水控制，故在系统设计时，对手动控制没有采用PLC控制，而是采用继电器触点控制。系统电动阀控制器，由电动阀生产厂家配套生产，在此只对其进行改装，以实现远程控制。整体PLC控制系统电气原理图，如附录A和B所示。5 自来水控制系统的软件设计5.1 PLC程序设计的常用方法在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大差异。现将常用的几种应用程序的设计方法简要进行介绍。5.1.1 经验设计法在PLC发展的初期，沿用了设计继电器电路图