基于PLC的排水系统控制设计-毕业论文

1、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

2、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。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 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 聞創沟 燴鐺險爱氇谴净。 Abstract PLC (programmable logic co

3、ntroller) 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

4、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

5、 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 ac

6、cording 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

7、 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.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 Key words： water level control, diving pumps, PLC 鞍山科技大学本科生

8、毕业设计（论文） 第 III 页 目录 摘 要 酽 I锕极額閉镇桧猪訣锥。 Abstract 彈II贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1 绪论 1.謀 荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.1 PLC 的现状与趋势 1. 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 1.2 PLC 的特点与应用 1. 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 1.3 PLC与其它工业控制系统的比较 3. 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 1.3.1 与集散控制系统的比较 3. 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 1.3.2 与工业微机控制系统的比较 4. 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 1.4 变频调速技术的特点 4. 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 1.5 设计的主要任务 5. 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 2

9、可编程序控制器概述 6. 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 2.1 可编程控制器的工作方式 6. 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 2.1.1 可编程控制器的工作原理 6. 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 2.1.2 可编程控制器的扫描周期 8. 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 2.2 编程软件的简介和梯形图的设计方法 1. 0 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 3 污水坑水位控制设计 1.2 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 3.1 原控制系统设计方案 1.2 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 3.2 控制系统的改造设计方案 1. 2 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 4 控制系统硬件选择和程序设计 1. 5 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 4.1 PLC 的选型 1.5.

10、 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 4.2 S7-200型 PLC 的特点 1.5 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 4.3 输入、输出点的确定 1.5 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 4.4 控制系统程序设计 1.5 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。 4.4.1 控制系统的自动控制方式工作过程 1. 5 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。 4.4.2 程序设计框图 2.2 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。 4.4.3 程序设计梯形图 2.2 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。 结 论 2.4. 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。 致 谢 2.5. 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。 鞍山科技大学本科生毕业设计（论文） 第 IV 页 参考文献 2.6. 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。 附录 A

11、Introduction of Programmable Controllers2 7 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。 附录 B 可编程序控制器介绍 3.2 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。 附录 C PLC 程序设计梯形图 3.7 谚辞調担鈧谄动禪泻類。 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

12、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。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。 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

13、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 。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。 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

14、性能并不断扩展自己的应用领域。当今的 PLC 具有以下特点 :鶼渍螻 偉阅劍鲰腎邏蘞。 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 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第2 页 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 的应用领 域（连续过程控制和批量控制 ）渗透。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。 2、网络功能增强 过去的 PLC 一般限

15、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

16、非常流行的应用方式 3 。颖刍莖蛺饽亿顿裊 赔泷。 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。 濫驂膽閉驟羥

17、闈詔寢賻。 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。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。 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

18、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 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第3 页 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

19、在现场模块中实现。 挤貼綬电麥结鈺贖哓类。 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。 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。 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

20、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。 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。 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。 裊樣祕廬廂颤 谚鍘羋蔺。 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，

21、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 。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第4 页 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

22、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。 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。 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

23、不如工 业微机。 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 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

24、控制上，使微机集中在信息处理上，两者相辅相成，共同发展。 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。 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 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第5 页 直交变频器 。 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。 1.5 设计的主要

25、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， 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。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶 锬。 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

26、，其中包括 PLC的选型及其特点和控制系统编程实现。 辔烨棟剛殓攬瑤 丽阄应。 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

27、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 。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 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。 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。 1、I/

28、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。 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。 （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

29、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中输出， 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第7 页 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。 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 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

30、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。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 (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

31、在整个 程序未执行前不会送至输出端口。 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 (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。 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 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。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 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

32、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。 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。 (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

33、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

34、。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 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。 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 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 （Watchd

35、og 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。 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。 2、与编程器进行信息交换的扫描过程在 PLC

36、 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修改内存 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第9 页 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。 莹谐龌蕲賞组靄 绉嚴减。 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。 麸肃鹏镟轿騍镣缚

37、縟糶。 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。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 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。 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 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

38、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。 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。 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

39、行。 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。 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

40、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 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 10 页 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

41、因为这一点，给机器实现某些控制带来一些困难。 攙閿频 嵘陣澇諗谴隴泸。 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

42、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： 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。 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

43、令盒右侧不能有触点，整个梯形图 形成阶梯形结构。 夹覡闾辁駁档驀迁锬減。 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。 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。 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 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第 11 页 次，否则，容易引发系统出现意外的事故。 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 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

44、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。 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 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

45、。 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。 騅憑钶銘 侥张礫阵轸蔼。 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。 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 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 A

46、TV68C15N4 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。 镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 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。 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。 (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 鞍山科技大学

47、本科生毕业设计 (论文 ) 第 13 页 电位计。 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。 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。 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。 (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

48、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。 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 (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。 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。 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

49、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。 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。 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： 鰻順褛悦漚縫冁

50、屜鸭骞。 (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。 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。 (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 隶誆荧鉴 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 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 14 页 獫纲鴣攣駘賽。 3、改造后的控制系统性能预测： (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，

51、会明显地降低泵站的故障率。 浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 (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，

52、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。 鈀燭罚 櫝箋礱颼畢韫粝。 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

53、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。 惬執 缉蘿绅颀阳灣熗鍵。 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

54、场设备数量加 以确定。输入、输出端口地址的分配见表 4.1 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。 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： 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。 表 4.1 可编程控制器输入输出端口（ I/0 ）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

55、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

56、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 I2.43变频器故障 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第 17 页 AO073#泵 25Hz 工作Q3.34泵泄漏 I3.04泵手动启动 / 停止 AO084#泵 25Hz工作Q3.44泵变频器故障

57、 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

58、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

59、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）。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。 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）。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。 鞍山科技大学本科生毕业设计 （论文 ） 第 18 页 图 4.2 超高水位潜水泵循环工作图 图 4.1 超高水位自动控制原理

60、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