恒压供水远程监控系统.

1、1 恒压供水及工艺1.1 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。以方面要 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。1.2 工艺要求对三泵生活 / 消防双恒压供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值

2、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 3H,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）三台泵在启动时要又软启动功能；1.3 系统的组成和基本工作原理以一个三泵生活 / 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。水池的高 / 低水位信号也直接 送给PLC作为底水位报警用。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

3、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，三台泵共消防用水使用，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2 PLC 概述2.1 PLC 的组成2.1.1 PLC 的输入通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时 主要集中在开关量控制， 也就是开关量（触点的开闭状态） 如何直接接

4、入 PLC 并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝 缘问题，隔离问题和互相干扰问题。PLC就是一个计算机控制系统，在其发 展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解 决好而难以发展：一是I/O （输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场 设备连接现在了应用；二是计算机的 I/O 功能，开关逻辑处理不够丰富和强 大。现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让 PLC和外部设备直 接进行物理的连接。 计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大 的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。2.1.2 PL

5、C 的输出通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时 主要集中在开关量控制， 也就是开关量（触点的开闭状态） 如何直接接入 PLC 并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝 缘问题，隔离问题和互相干扰问题。PLC就是一个计算机控制系统，在其发 展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解 决好而难以发展：一是I/O （输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场 设备连接现在了应用；二是计算机的 I/O 功能，开关逻辑处理不够丰富和强 大。现在的PLC成功的解决

6、了这两个方面的问题，可以让 PLC和外部设备直 接进行物理的连接。 计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大 的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原2.1.3 PLC 的控制机制PLC已经完全取代继电器控制系统。只要对其控制机制有了准确的理解， 才能对其持续的开发并创造性的使用它。I/O电路已经保证了 PLC与现场设 备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。但是，为了取代继电器的 控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件 连线的目的。在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继 电器控制电路的特点在于各个控制单元是否

7、动作是由其接点条件控制的， 并 不受其前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作 （翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。这于计算 机顺序执行的工作的特点是矛盾的。主要体现在：一是乱序，只要条件满足 就执行；而另一个是顺序执行。PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高 速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继 电器的控制。具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式： Y（n）=f（x（n-1）,y（n-1）式中，丫（n）为某一时间段的输出值；丫 （n-1 ）为上一时间段的输出值；X （ n-1 ）为上一时间段某一时刻的输入值；

8、F 为他们应满足的控制关系。即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间 段的输出。至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存 器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。真实的输出已表 现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在 计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的 输出产生影响。这样只要时间段足够短，并且 PLC周而复始的运行着就完全 可以模仿继电器的控制并且取代它。由于采用集中 I/O 的思想，其 I/O 状态存储在寄存器中，可以充分 发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。如图1所示

9、，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了 I/O 功能的可与控制对象方便连接的计算机。 其完成控制的实质是按一定算法进 行 I/O 变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。（ 1 ）输入寄存器输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。CUP可以读其值，但是不可以写或进行修改。（2）输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了 PLC在下一个时间段的输出值，而程序循 环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程 序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值， 而中间的变

10、换仅仅影响寄存器的值。 只有程序执行到一个循环的尾部时的值 才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影 响。（3）存储器存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。（4）CUP单元CUP单兀控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单兀中的程序 的解释执行工作，是PLC的大脑。（5）其他单元接口其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理

11、条件图2-1 PLC的组成2.1.4 PLC 的定义最初，可编程逻辑控制器 ( Programmable Logic Controller )简称 PLC。 只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。 1987 年 2 月，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电 子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器， 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 面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入 / 输出，控制各种类型的机械 和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统 连成一个整体、易于扩

12、充功能的原则设计。2.1.5 PLC 的特点(1) 可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。 系统程序和大部分的用户程序都采用 EPRO存储，一般PLC的平均无故障工 作时间可达几万小时以上。(2) 控制功能强。PLC采用的CUP-般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。( 3)编程方便易学。第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言， 与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合 现场人员学习。( 4)使用于恶劣的工作环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐

13、蚀、有毒气体等的应用场合。( 5)与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可坼装的活动端子排， 提供不同的端子功能适合于多种电器规格。( 6)体积小、重量轻、功耗底。( 7)性价比高。( 8)模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系 统。( 9)维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因 此功能的改变非常灵活。2.1.6 PLC 的性能指标（1）存储容量 这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、 中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB2M。（ 2）I/O 点数I/O点

14、数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以 连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量 PLC性能的重要指标之 一。（3）扫描速度扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了 计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系 统的实时性和稳定性。（4）指令的多少她是衡量PLC能力强弱的标志，决定了 PLC的处理能力、控制能力的强 弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。（5）内部寄存器的配置和容量它直接对用户编制程序提供支持，对 PLC指令的执行速度及可完成的 功能提供直接的支持。（6）扩展能力扩展能力包括I/O点数的扩展

15、和PLC功能的扩展两方面的内容。（7）特殊功能单元特殊功能单元种类多，也可以说 PLC的功能多。典型的特殊功能单元 有模拟量、模糊控制连网等功能。2.1.7 PLC 的分类不同的分类标准会造成不同的分类结果， PLC常用的分类方式有如下两 种。按其 I/O 点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024 点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从 2048点以上可达 8192点以上） 5 种。2.1.8 按结构可分为箱体式、模块式和平板式 3 种。2.2 PLC 工作原理2.2.1 循环扫描CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。 CUP的扫描周期包 括读输入、

16、执行程序、处理通讯请求、执行 CUP自诊断测试及写输出等等内 容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的 循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。 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，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用 户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的 PLC在一个周期中可以完 成以下 5 个扫描过程。（1）自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行，及时放映所出现的 故障，PLC都具有自监视功能。（2）与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上 位

17、计算机或终端设备之间的通信。（3）用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期 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，即用户可以 通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。（4）读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。 CUP 在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，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映象寄存器：一个为输入 映象寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象 寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入

18、扫描过程中，CUP把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器： 在输出扫描过程中CUPI把输出映 像寄存器的值的输出点。循环扫描有如下特点：（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是 可控的。（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CUP采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。（4） 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC 的主要缺点。在读输入阶段，CUP对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入

19、映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映 象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程 序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改 变一一输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。输入/输出采用映象寄存器的优点：（1）集中采用I/O，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统 输出。这种集中用户输出设备I/O的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更加稳定可靠。（2） 程序执行时，存取映象寄存器要比读写 I/O端点快的多，这样可 以加快

20、程序执行速度。（3）I/O点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活 的存取，增加了程序的灵活性。2.2.2 I/O响应时间由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫 描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号 滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。（1）PLC输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延 迟作用越强。输入延迟是由硬件决定的，有的PLC滤波器时间常数可调。（2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同 的输出形式，其值大小不同。它也是由硬件

21、决定的，对于不同信号的PLC可以通过查表得到。（3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序， 编程人员须对此进行现场测算，使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时 间，称为最小 I/O 响应时间。在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了 输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周 期时间，称为最大I/O响应时间。它们是由PLC的扫描执行方式决定的，与 编程方法无关。2.2.3 PLC 的存储器PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作 数据存储器。（1）系统程序存储器中

22、存放的是厂家根据其选用的 PLC的指令的系统 编写的系统程序，它决定了 PLC的功能，用户不能更改其内容。（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。（3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。2.3 PLC 的编程语言PLC的硬件系统中，与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。 计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要 知道数据的存储地址。PLC和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为 了每个存储单元编排了地址， 并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不 同的功能， 形成了专用的存储元件。 这就是前面提到过的编程的 “软”元

23、件。 为了理解方便，PLC的编程元件用“继电器”命名， 认为它们象继电器一样 具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。当然这个线圈和触点只是假 象，所谓线圈得电不过是存储单元置 1，线圈失电，不过就是存储单元置 0， 也正因为如此，我们称之为“软”元件。但是这种“软”继电器也有个突出 的好处，可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触 点，不过是读一次它的存储数据而已。2.3.1 PLC 的编程结构功能图任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言， 而功能图是理解这两种语言的基础。 如图3所示为PLC内部的结构功能示意 图。输入继电器是由外部输入驱动的，梯形

24、图中只能使用其介入点状态值， 用户不能改变输入继电器的状态。 辅助继电器的种类和多少决定了 PLC控制 功能的强弱，相当于工作寄存器的多少和功能的强弱。实际的PLC中并没有图中的物理继电器，用继电器来表示PLC的内部功 能结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解 PLC的功能， 更好的使用PLC就像他在设计继电器控制电路一样。梯形图语言是一种图形化的语言，是一种面向控制过程的“自然语言”o梯形图编程语言形象、直观、准确的描述了逻辑控制关系，容易被广大的工 程技术人员所掌握。PLC与被控对象所连接的只是I/O条件，而I/O之间的组合控制关系需 要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描

25、述方法，当然还有语句等表示 其他的语言。语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中，PLC就能够直接解释并实现I/O间的控制关系。当控制关 系发生改变时，只要修改梯形图程序，重新输入到PLC的存储器即可，从而快捷的改变生产工图2-3 PLC内部的结构功能示意图2.3.2 梯形图编程语言PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其 应用领域，一定有其专用的语言。PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句 表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控 制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记 符来表示各种指

26、令的功能，是PLC用户程序的基础元素。一般而言，梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻 辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小的容易理 解的片，这些片通常被称为“梯级”或网络。程序一次扫描执行一次网络，按照从做到右、从上到下的顺序进行。一 旦CUP执行到程序的结尾，就又从上到下执行程序。在每一个网络中，指令 以列为基础被执行，从上而下、从左到右依次执行，直到本网络的最后一个 线圈列。因此为了充分利用存储器容量，使扫描时间尽可能短，利用梯形图 编程时应限制触点之间的距离，并使网络左上边这部分空白最少。其中，串 联触点较多的支路要写在上面，并联支路应写在左边，线

27、圈放于触点的右边。如图4所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机 直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。梯形图和继电器控制电路图很相似， 这是可以用PLC控制取代继电器控 制的基础，可以把经过实践证明设计是成功的继电器电路图进行转换，从而 设计出具有相同功能的PLC控制程序，充分发挥PLC的功能完善、可靠性高、 控制灵活的特点。当然，它们还是存在着本质上的区别，主要表现如下所述。图2-4梯形图（1）继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件，继电器与其他 控制电器之间的连接必须通过硬件连接线来完成。PLC中的继电器是内部的寄存器位，称为“软继电器”，它具有物理继

28、电器相似的功能。当它的“线 圈”通电时，其所属的常开触点闭合，常闭触点断开；当它的线圈断电时， 其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态。PLC梯形图中的接线称为“软接 线”这种“软接线”是通过编程来实现的，具有更改简单、调试方便等特 点。而继电器控制电路图是点线连接图，相对来素施工困难、更改费力。（2） PLC中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器，由于可以随时 不受限地读取其内容，所以，可以认为 PLC的继电器有无数个常开、常闭触 点供用户使用。PLC梯形图中的触点代表的是“逻辑”输入条件、外部的实 际开关、按钮或内部的继电器触点条件等。而物理继电器的触点个数是有限 的。（3）PLC的输入继

29、电器是由外部信号驱动的，在梯形图中只能用其触点， 这在物理继电器中是不可能的。线圈通常代表“逻辑”输出结果，如灯、电 机启动器、中间继电器、内部输出条件等。（4）继电器控制系统中是按照触点的动作顺序和是延迟逐个动作的，动作顺序与电路图的编写顺序无关。PLC按照扫描方式工作，首先采取输入 信号，然后对所有梯形图进行计算，造成了宏观与动作顺序的无关，但是微 观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一致而不是无 关的。（5）PLC梯形图中的两根母线以失去原有的意义， 它只表示一个梯形的 起始和终了，并无实际电流通过，假象的概念电流只能从左向右流。为了充分发挥CUP的逻辑运算功能，设置了大

30、量的称为盒的附加命令， 如定时器、计算器、格式转换、模拟量 I/O、PID调节或数学运算指令等， 充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成PLC的各 种复杂控制功能。2.4 PLC的分类PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时， 一般按以下原则来考虑2.4.1按I/O点数容量分类一般而言，处理I/O点数越多，贝U控制关系就 比较复杂，用户要求的 程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程 也比较快。按PLC的输入、输出点数的多少可将 PLC分为以下三类。（1）小型机小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型 PLC输入、输出点

31、数 一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K左右。现在的高性能小型PLC 还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。这类的PLC的特点是价格 低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。典型的小型机有SIEMEN公司的S7-200系列、OMRO公司的CPM2系列、 MITUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。（2）中型机中型PLC的输入、输出总点数在2562048点之间，用户程序存储器容 量达到8K字左右。中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有 更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，中型机比小 型机更丰富， 中型

32、机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控 制系统场合。典型的中型机有SIEMEN公司的S7-300系列、OMRO公司的C200H系列、 AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。（3）大型机大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达 到16K以上。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控 制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。它的监视系统采用 CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各 种曲线， PID 调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种 统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相

33、联，组成一个集中分散 的生产过程和产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动 化控制和过程监控系统。典型的大型 PLC有SIEMENS司的S7-400、OMRO公司的CVM1和CS1 系列、AB公司的SLC5/05等系列。2.4.2 按 结构形式分根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。（1）整体式结构整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CUP板、输入板、输出板、 电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与 扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能的模块，如模拟量输入

34、/输出模块、 热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成 PLC不同的配置。整体式结构的 PLC体积小，成本底，安装方便。微型和小型PLC一般为整体式结构。如西门子的 S7-200（2）模块式结构模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CUP莫块、 输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上 和基板上即可。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵 活配置。目前大、中型PLC都采用这种方式。如西门子的S7-300和S7-400系列。 整体式PLC每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜， 在小型控制系统 中一般采用整体式结构。但是模块式 PLC的硬件组

35、态方便灵活，I/O点数的 多少、输入点数与输出点数的比例、 I/O 模块的使用等方面的选择余地都比 整体式PLC大的多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂 的、要求较高的系统一般选用模块式 PLC。2.5 PLOW继电器控制系统的区别PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致 上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。同时，信号的 输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。（1）逻辑控制 继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作

36、等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功 耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继 电器触点数目有限，每个只有 48 个对触点。因此，灵活性和扩展性很 差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变 控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线” 。因此灵活性和扩展性都 很好。（2）工作方式 电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行 工作方式。而的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属 于串行工作方式。（3）可靠性和可维护性 继电器控制逻辑使用

37、了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。 PLC 还配有自监和监督功能，能检查出自身的故障，并随 时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维 护提供了方便。（4）控制速度 继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率底，触点的开 闭动作一般在几十 MS数量级。另外，机械触点还会出现抖动问题。而 PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一 般一条用户指令执行时间在数量级，且不会出现抖

38、动。（5）定时控制 继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。一般来说，时间继电器 存在定时精度不高，定时范围窄，且易受环境湿度和温度变化的影响，调整 时间困难等问题。PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体震荡 器发生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响定时范围一般从 0.001S 到若干天或更长。用户和根据需要在程序中设定定时值，然后用软件来控制 定时时间。（6）设计和施工 使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次 进行，周期长而且修改困难。工程越大着一点就越突出。而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图 的设计）

39、可以同时进行，周期短，且调试和修改都很方便。从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特 别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、 功耗低、使用维护方便。但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系 统。2.6 PLC控制系统的结构使用PLC可以构成多种形式的控制结构，下面介绍几种常用的PLC控制 系统。2.6.1 单机控制系统单机控制系统是较普通的一种 PLC控制系统。该系统使用一台PLC控制 一个对象，控制系统要求的I/O点数和存储器容量都比较小，没有 PLC的通 讯问题，采样条件和执行结构都比较集中，控制系统的构成简单明了。如图2-5所示是一

40、个简单的单机控制系统，图中PLC可以选用任何一种类型。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一 般较明确，I/O点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中 即可。P LC4!控制对象图2-5 简单的单机控制系统2.6.2 集中控制系统集中控制系统用仪态功能强大的 PLC监视、控制多个设备，形成中央集 中式的控制系统。其中，各个设备之间的联络，连锁关系、运行顺序等统一 由中央PLC来完成，如图2-6示显然，集中控制系统比单机控制系统经济的多。但是当其中一个控制对 象的控制程序需要改变时，必须停止运行中央 PLC其他的控制对象也必须停止运行。 当各个控制对象的地理位置

41、距集中控制系统比较远时，需要大量的电缆线， 造成系统成本的增加。为了适应控制系统的改变，采用集中控制系统时，必 须注意选择I/O点数和存储器容量时要留有足够的余量，以便满足增加控制 对象的要求。图2-6集中控制系统2.6.3 分散控制系统分散控制系统的构成如图2-7所示，每一个控制对象设置一台 PLC各 台PLC可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过 数据通信总线进行通讯。分散控制系统常用于多台机械生产线的控制，各个生产线之间有数据连 接。由于各个控制对象都由自己的PLC进行控制，当其中一个PLC停止运行 时不需要停止运行其他的PLC随着PLC性能的不断提高，由PLC担当

42、低层控制任务，通过网络连接， PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。与集中控制系统相比，分散控制系统的可靠性大大加强。具有相同I/O点数时，虽然分散控制系统中多用了一台或几台PLC，导致价格偏高，但是从维护、试运转或增设控制对象等方面来看，其灵活性要大的多，总的成本 核算是合理的。上机位PLC APLC BPLC C11 Ti LiLi II frf控制对象A控制对象 B控制对象C图2-7分散控制系统2.7 PLC网络及特点2.7.1 网络概述分散控制系统的控制思想就是集中操作、分散操作。一个实际的工业控 制过程中是比较复杂的，一个控制过程可能由多个控制任务完成。这

43、些控制 任务既有独立性，有与其他任务有联系，而这些相对独立的任务需要构成一 个整体。当控制系统达到一定规模时，分散控制系统解决方案并不理想，因 此许多厂家开发了自己的网络系统。 虽然现在对网络的系统结构等问题还没 有同意的标准，但是很显然，网络控制系统比分散控制系统更能准确的描述 现实控制系统，并且控制、改变更加灵活，组态也更容易，能够实现管控一 体化的控制思想。2.7.2 网络工厂随着低层控制单元PLC价格的减低、技术的成熟，以及各种行业的 I/O 标准化，必然会导致网络工厂的实现成为现实。在工厂里，每台设备都带有 标准的网络接口，可以随时随地接入网络，而每台设备都处于网络的不同层 次中，各

44、个操作控制点可根据不同组态时分配给它的功能发挥不同的作用。网络控制系统的特点（1）对大、中、小控制任务都具有适应性；（2）与现存系统有可连接性；（3）保证系统有长期的使用价值。2.7.3 网络控制系统PLC的影响PLC网络控制系统的发展，使 PLC的应用更加广泛。许多PLC产品都在 PLC上加上了具有网络功能的硬件和软件，因此，组成 PLC网络非常方便。 PLC网络系统对任何一个站的操作都和使用同 PLC样方便，并且在网络中 任何一个站都可以对其他站的元件及数据乃至程序进行操作。2.7.4 网络控制系统的设计在辅助继电器（位） 、数据继电器（字）专门开辟一个地址范围，将其 分配个各台PLC使得

45、台PLC可以写其中一些元件而其他所有的站都可以读 这些元件，然后再由这些元件去驱动其本身的软件，以达到通讯的目的。各 站主机之间元件状态信息的交换是由 PLC系统自己去完成的，不需要用户管理，这是现在比较通用的设计思想。由于各个 PLC厂家各自开发自己的网络 通讯系统，采用自己的通行协议和接口，设备的不兼容想限制的PLC的进一步发展，为此美国通用汽车公司编制了一个工厂自动化协议（ MAP。希望各 个厂家生产的设备能用一种同意的语言标准进行通讯。MAP的体系结构是以估计标准化组织（ISO）推荐的开发系统互连（OSI）参考模型为基础，对参 考模型的每一层都列出了合适于工业应用的特定标准。2.7.5

46、 访问控制系统最常用的访问控制技术有：查询、冲突检测和令牌传递。一般查询和令 牌传递没有冲突检测的速率高，但是可靠性好，最大延迟时间可以控制，控 制网络经常采用这种控制技术；冲突检测通讯效率较高，速度较快，但各个 站点通讯机会不均，在商务网络中使用较多。3系统硬件设计学习PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，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

47、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

48、 以及这些 I/O 点的性质。 I/O 点是性质主 要是指他们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与PLC 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

49、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。图3-8 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

50、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 用上诉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试。现在 PLC的主流产品都可以在P 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

51、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。产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压就越高。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 是说水塔能够维持供水管路中水呀的基本恒定。但是建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。不用水塔，而 要解决水压随用水量大小变化

52、的问题。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。建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么可不可以不 借助水塔来实现恒压供水？答案是肯定的， 但是要解决水压随用水量的大小 变化的问题。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

53、度以保持管网中水压的不变，用水量小时又需要做出相反的调节。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以想 象的，但是在今天办到这一切已经边的很容易了。3.1 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。配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少十开一 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呀的 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

54、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 是数台电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水 泵变频运行，其余水泵共频运行，以满足不同用水两的需求。下图为恒压供水泵站的示意图。如图 3-9所示，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。压力传感器图3-9变频恒压供水站的基本组成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

55、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。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

56、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，420m/变化的电流信号或010V 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。下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过 程，如图3-10所示，市网来水用高

57、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。水池 的高/低水位信号也直接送给PLC作为底水位报警用。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 泵共消防用水使用，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图3-10生活消防双恒压供水系统构成图3