基于PLC的双恒压供水控制系统设计

1、基于 PLC 的双恒压供水控制系统设计摘 要近些年来随着可编程控制器快速发展,可编程控制器已广泛应用于各个领域。 本论文设计了一种基于 PLC 的双恒压供水系统,该系统由一台 PLC 、一台水泵、一 个水塔、六个液位传感器等构成。双恒压供水控制系统的基本控制策略是:采用可编程控制器 (PLC 构成控制系 统,进行优化控制水泵,并自动调整水泵运行的台数,完成水塔水位的控制。当水 塔中的液位发生变化时 , 根据液位传感器的信号, PLC 自动控制水泵的运行台数, 系 统的控制目标是水塔的水位。手动控制,值班人员通过按钮手动控制水泵,使液位控制在一定的范围之内, 实现手动恒压供水。根据恒压供水系统设

2、计的需求,力求做到使系统运行稳定,操 作简便,解决水塔的双恒压供水的问题,保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保 证了供水质量, PLC 控制系统丰富了供水系统的控制功能,提高了系统的可靠性。关键词 :PLC ,恒压供水系统,液位传感器,水塔DESIGN OF DOUBLE CONSTANT-PRESSURE SUPPLYING WATER CONTROL SYSTEM BASED ON PLCABSTRACTIn recent years, with the rapid development of Programmable Logic Controller, it has been wide

3、ly used in various fields. A kind of Double Constant-pressure Supplying Water Control System is designed in this paper. The system is constituted of a PLC, three pumps, a Water Tower , six Liquid Level Sensors and so on.A relay control system is constituted of the use of Programmable Logic Controlle

4、r (PLC, it is optimizing the control of pumps. This is the basic control strategy of Constant Pressure Water Supply Control System, the pumps has been controlled. When the level is changed of the towers, the pumps are controlled by PLC automatic control signals in accordance with liquid level sensor

5、. The water level in the towers is controlling objectives. Controlling by the hands, the On Duty controls the pumps through the manual control button, so that a certain level could be controlled within the scope of. According to the requirement of the Constant Pressure Water Supply System, we could

6、achieve a stable system operation and operate easily. The problem of Constant Pressure Water Supply dual towers is solved. The quality of the water is the protection. PLC Control System enriches the control functions of the Water Supply System, and improves the reliab ility of the system.Key words:P

7、LC , constant pressure water supply system, liquid level sensor, water tower1. 绪论自动化技术是当今几大高新技术之一, 从某种意义来说, 自动化技术已成为现代 化的代名词。 随着我国产业结构的调整, 现代化进程的加快, 自动化技术对现代工业 生产的推动作用将越来越重要。 随着各类工业企业的技术进步, 工业自动化生产必将 得到广泛的普及,电气控制设备、自动化生产线的安装、调试、维修;自动控制系统 的技术改造、 开发应用; 设备运行管理等方面工作量是非常巨大, 需要大量的懂原理、 能动手的专业技术人才, 而能从事一线现代

8、化生产的技术人员需求量更大。 要提高我 们自己动手能力,把理论知识和实际应用相结合,从而提高我们的综合能力。当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合, 不再仅仅追求立 面和平面的美观与合理,而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念, 特别是在市场经济的浪潮中, 力求土地使用效率的最大化。 于是选择一种符合各方面 规范、卫生安全而又经济合理的供水方式,对我们给供水设计带来了新的挑战。 本设计的双恒压供水分为生活供水和消防供水, 通过在建筑物高处建造水塔使实 现双恒压供水即生活恒压供水和消防恒压供水,维持水压的方法是在高处建造水塔, 打开水泵将水泵到水塔中, 借助水塔的水位

9、实现居民的双恒压供水, 水塔中的水位变 化相对水塔的高度来说很小, 也就是说水塔能维持供水管路中的水压的基本恒定。 以 往水塔供水常采用传统的继电器接触控制水泵, 使用硬件连接电器多, 可靠性差, 自 动化程度不高。目前, 已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造, 大大提高了双恒 压供水控制系统的可靠性和自控程度,为居民提供了更可靠的生活保障。在双恒压供水系统的控制设备中我选用 PLC 作为控制装备的原因, PLC 有它独有 的特点:(1可靠性高,抗干扰能力强;(2配套齐全,功能完善,实用性强;(3 易学易用,深受工程技术人员欢迎;(4系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造;(

10、5体积小,重量轻,耗能低;可以实现全自动, 无人操作, 恒压供水系统会自动根据用户用水量的大小, 自动 调整水泵台数、 自行决定加减泵的时间台数程序等, 都无需人工干预、 人工操作自动 完成。 节水节电效果明显:当用水量大时可自动调节泵的台数, 使泵的台数增加, 水 塔水位很快上升,当满足供水量时,按照“先开先停”的原则停掉先开的泵,这样可 以避免造成了很大的能源浪费, 从而达到节能的目的。 设置灵活、 功能齐全, 通过 PLC 编程设计灵活配置系统功能,更可靠的为居民提供生活保障。1.1 设计的意义及应用背景在我国, 节电节水的潜力非常大, 据有关国际组织发布的资料显示:中国的单位 国民经济

11、总产值所消耗的电是美国、德国等的 4倍左右,消耗的水使他们的 2倍左右。 我国的大量用电设备中,风机和泵类的耗电量占全国发电量的 50%左右,若推广新型 电机技术可节电 40%左右, 既可以节约全国发电量的 1/5, 由于我国人均占有水、 电资 源相对于别国又少很多, 因此, 在我国一方面水电供给紧张, 而另一方面, 水电的浪 费又十分惊人,不仅潜力巨大,而且意义深远 1。随着社会经济的飞速发展, 城市建设规模的不断扩大, 人口的增多以及人们生活 水平的不断提高, 对城市供水的数量、 质量、 稳定性提出了越来越高的要求。 我国中 小城市水厂尤其是老水厂自动化控制系统配置相对落后, 机组的控制主

12、要依赖值班人 员的手工操作。控制过程繁琐,而且手动控制无法对液位变化及时做出恰当的反应。 为了保证供水, 机组通常处于超压工作状态运行, 不但效率低, 耗电量大, 而且城市 网管长期处于超压运行状态, 爆损也十分严重。 本论文为结合我国中小城市供水厂的 现状,设计了一套基于 PLC 的双恒压供水系统。1.2 任务随着城市高层建筑供水问题日益突出, 保持供水压力的恒定, 提高供水质量是相 当重要的; 同时要求保证供水的可靠性和安全性。 本供水系统是针对上述问题设计的 供水方式和控制系统,由供水回路、一部 PLC 、一个供水池、一个水塔及泵房组成。 其中泵房有 1#3#三台水泵, 控制系统采用了已

13、具有丰富功能的 PLC 为核心的多功能 高可靠性控制系统, PLC 在恒压供水泵站中的主要任务:(1根据液位传感器的信号,经过处理控制继电器从而实现对水泵台数的调节, 来控制水位的高低,使液位达到一定的范围之内,实现稳定供水。(2控制水泵的运行与切换, 在多泵组恒压供水泵站中, 为了使设备均匀地磨损, 水泵及电机是轮换工作的。(3根据液位信号, PLC 可控制水泵按“先开先停”轮换工作,能够有效的降低 能耗,保证供水系统维持在最佳运行状况。1.3 工艺要求对三台水泵生活 /消防双恒压供水系统的基本要求是:(1供水压力恒定, 即在相应的供水条件下, 维持液位在相应的范围之内, 波动 要求一定小。

14、(2生活供水时,要求三台水泵根据水位的设定,采用“先开先停”的原则。(3设有手动和自动两种选择,手动功能为了检修和应急。(4有液位传感器检测装置,并且有报警功能。1.4 系统的组成和基本工作原理基于 PLC 的双恒压供水系统由可编程控制器、水泵机组、压力传感器、等构成。 其系统结构图如图 1-1所示。 图 1-1系统结构图系统核心部分采用 PLC 控制,输出信号通过继电器和接触器来控制 3台水泵的启 动,运行与停止,采用循环使用的方式运行。该系统能够对供水过程进行自动控制, 能够有效的降低能耗, 保证供水系统维持在最佳运行状况, 提高管理水平, 监控系统 安装维护方便,运行稳定、可靠,监控软件

15、功能齐全。PLC 根据液位传感器 SL0、 SL1、 SL2、 SL3、 SL4、 SL5的信号控制水泵 M1、 M2、 M3工作与停止以及切换,从而使液位达到一定范围,实现双恒压供水。 SL0、 SL1、 SL2是生活供水范围的液位传感器, 液位在 SL0时启动 M1、 M2, 达到一定时间即 2h 时, M2和 M3之间进行切换,当液位到 SL1时停止 M1, M2和 M3之间转换工作,当液位到 达 SL2时 M1、 M2、 M3停止工作。 SL3、 SL4、 SL5是消防供水范围的液位传感器,当 到液位到达 SL3时 M1、 M2、 M3同时工作, 当到达 SL4时 M1停止工作, 到达

16、 SL5时 M2、 M3停止工作。2. PLC 的概述2.1PLC 的产生、定义和发展2. 1. 1PLC 的产生在可编程控制器问世以前, 工业控制领域中是以继电器控制占主导地位。 这种由 继电器构成的控制系统存在明显的缺点:体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行 速度不高, 尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。 如果生产任务和工艺发生变化, 就必须重新设计, 并且要改变硬件结构, 这不仅影响了产品更新换代的周期, 而且对 于比较复杂的控制系统来说, 不但设计制造困难, 而且可靠性不高, 查找和排除故障 也往往是费时和困难。1968年,美国通用汽车公司 (GM, General Motors

17、 根据市场形势与生产发展的需 要,提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。为了尽可能的减少 重新设计和重新安装接线的工作, 从而降低成本、 缩短周期, 提出了研制新型逻辑顺 序控制 装置 来取代 继电 器控 制装 置。第 二年 ,美 国数字 设备 公司 (DEC, Digital Equipment Corporation 就研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置, 并将其应用 于美国通用汽车自动装配生产线上, 这是首次用程序化的手段应用于电器控制, 这台 控制装置就是第一台 PLC 1。PLC 的定义: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。它采

18、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 1。2. 1. 2PLC 的发展历程虽然 PLC 问世时间不长,但随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术和通信 网络技术等高新技术的迅速发转, PLC 也迅速发展。 PLC 的发展过程大致经历一下四个阶段:第一阶段,从第一台 PLC 问世到 20世纪 70年代中期,是 PLC 的初创阶段。该时期 PLC 产品的主要功能只是执

19、行原先有继电器完成的顺序控制、逻辑运算、 定时和计数等。该阶段的代表产品有 MODICON 公司的 084、 AB 公司的 PDQII 、 DCE 的 PDP-14和日立公司的 SCY-022等。第二阶段,从 20世纪 70年代中期到末期,是 PLC 的实用化发展阶段。20世纪 70年代。 微处理器的出现使 PLC 发生了巨大的变化。 该阶段的代表产品有 MODICON 公司的 184、 284、 384,西门子公司的 SIMATIC S3 系列,富士电机公司 的 SC 系列等。第三阶段,从 20世纪 70年代末期到 80年代中期,是 PLC 通信功能的实现阶段。 与计算机通信的发展相联系,

20、PLC 在通信方面也有了很大的发展, 初步形成了分 布式的通信网络体系。该阶段的代表产品有富士电机公司的 MI-CREX S7系列和德州 仪器公司的 TI530等。第四阶段,从 20世纪 80年代中期开始,是 PLC 的开放阶段。由于开放系统的提出, 使 PLC 也得到了较大的发展, 主要表现为通信系统的开放, 使个生产厂家的产品可以相互通信, 通信协议的标准化使得用户得到了好处。 该阶段 的代表产品有西门子公司的 SIMATIC S7系列和 AB 公司的 PLC-5等 1。2. 1. 3PLC 的发展趋势PLC 从诞生至今,虽然只有 40年的历史,但其发展势头时分迅猛。如今在工业自 动化领域

21、中, PLC 已经无处不在,随着技术的发展和市场的需求的增加, PLC 的结构 和功能得到不断改进,生产厂家不断推出功能更强的 PLC 产品,平均 3-5年更新换代 一次,今后 PLC 的发展可归纳于以下几方面 3:(1人机界面更加友好;(2 PLC的应用范围越来越广泛;(3计算机与 PLC 之间,以及各个 PLC 之间的联网和通信功能不断增强;(4开放性和互操作性逐渐发展;(5网络通信能力不断增强;以太网的发展对 PLC 有重要影响:以太网应用非常广泛, 与工业网络相比, 其成本非常低。 为此, 人们致力于将以 太网引进控制领域 . 但是目前的挑战在于: 硬件上如何适应恶劣的工业环境。 通信

22、机制如何提高可靠性、以太网能否顺利进入工控领域,还存在争议,但 以太网在工控系统的应用却日益增多。 为适应这一过程, 各 PLC 厂商纷纷推出适应以 太网的产品或中间产品。2. 2PLC 的组成PLC 控制系统的硬件简化框图如图 2-1所示,其中点划线部分为 PLC 的基本组 成,可以将其分为四部分:中央处理器 (CPU 、存储器、输入输出 (I/O 模块和电源。图 2-1PLC 硬件简化框图2. 2. 1PLC 的中央处理器CPU 是 PLC 的核心,其神经中枢的作用,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储用户程序和数据。 用扫描的方式采集由现场输入

23、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, 从用户程序存储器中逐条读取指令, 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 由控制器、 运算器和寄存器组成, 这些电路集成在一个芯片上。 内存主要用 于存储程序及数据,是 PLC 不可缺少的组成单元, CPU 的控制器控制 CPU 工作,有它 读取指令、 解释指令及执行指令。 运算器用于进行数学或逻辑运算, 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,它也是在控制器的指挥下工作, CPU 通过地址总线、 数据

24、总线与 I/O接口电路相连接。 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,因此先知控制规模。 2. 2. 2PLC 的存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路, 是 PLC 存放系统程序、 用户程序和运行数 据的单元。 它包括随机存储器 (RAM 和只读存储器 (ROM , 随机存储器 (RAM 在使 用过程中随时可以读取和存储;而只读存储器 (ROM 在使用过程中智能读取,不能 存储。 RAM 有静态 RAM (SRAM 和动态 RAN (DRAM 两种; ROM 按其编程方式不同, 可分为掩膜 ROM 、可编程 ROM (PRO

25、M 、可擦除可编程 ROM (EPROM 和电擦除可 编程 ROM (EEPROM 等。2. 2. 3PLC 的输入输出模块I/O模块式 CPU 与现场 I/O设备或其他外部设备通信的桥梁, 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 将电信号转换成数字先好进入 PLC 系统,输出模块相反。 PLC 提供了具有各种操作电 平与输出驱动能力的 I/O模块和各种用途的功能模块提供用户选用。I/O模块分为开关量输入 (DI 、开关量输出 (DO 、模拟量输入 (AI 、模拟量输出 (AO 等模块。常用的 I/O分类如下:对于开关量 I/

26、O来说,按电压高低分:有 AC 220V、 AC 110V、 DC 24V等;按隔 离方式分:有继电器隔离和晶体管隔离。对于模拟量 I/O来说,按信号类型分:有直 流型 (420mA , 020mA 、电压型 (010V , 05V , -1010V 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 2。一般 PLC 均配置 I/O电平转换及电气隔离,输入电平转换是用来将输入端的不同 电压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号; 输出电平转换是用来将微 处理器的低电平控制信号转换为控制设备所需

27、要的电压或电流信号; 电气隔离是在微 处理器与 I/O回路之间采用的防干扰措施,常用的电器隔离是由两个发光二极管和光 敏晶体管组成的光耦合器。 I/O模块既可以与 CPU 放置在一起,也可以远程放置。一 般 I/O模块具有 I/O状态显示和接线端子排。 另外, 有些 PLC 还具有一些其他功能的 I/O模块,如串 /并行变换,数据传送, A/D或 D/A转换及其他功能控制等。2. 2. 4 PLC的电源模块PLC 配有开关式稳压电源模块,用来给 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同 时,有的还为输出电路提供 24V 的工作电源,电源输入类型有:交流电源 (AC 220V或 AC 110V

28、,直流电源 (DC 24V 。2. 3PLC 的功能特点和分类PLC 具有面向工业控制的鲜明功能特点, PLC 发展到今天已经有多种形式,其功 能也不尽相同。2.3.1 PLC的功能随着计算机技术、 工业控制技术、 电子技术和通信技术的发展, PLC 已从小规模 的单片机顺序控制, 发展到包括过程控制、 位置控制等场合的所有控制领域, 能组成 工程自动化的 PLC 综合控制系统。如今的 PLC 一般都有如下丰富的功能:(1信号采集功能;(2开关量逻辑控制功能;(3定时 /计数控制功能;(4数据处理功能;(5监控、故障诊断功能;(6步进控制功能;(7 A/D、 D/A转换功能;(8停电记忆功能;

29、(9远程 I/O功能;(10 通信联网功能;(11 扩展功能;PLC 的丰富功能为其广泛应用提供了可能, 同时, 也为工业系统的自动化、 远程 化、信息化及智能化创造了条件。2.3.2 PLC的特点PLC 能如此迅速发展的原因, 除了工业自动化的客观需要外, 还有许多独特的优 点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问 题。它具有一下主要优点 3:(1可靠性高,抗干扰能力强高可靠性是 PLC 最突出的特点之一。由于工业生产过程是昼夜连续的,一般的 生产装置需要几个月、 甚至几年才大修一次, 这就对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。 PLC 采用微电子

30、技术, 大量的开关动作由无触点的半导体电路来 完成, 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器, 仅仅剩下与输入输出有关的少量 硬件,接线可减少到继电器控制系统的 1/101/100,因触点接触不良造成的故障大 为减少。此外, PLC 还采取了屏蔽、滤波、隔离、故障检测与诊断等抗干扰措施,具 有很强的刚干扰能力, 平均无故障时间达到数万小时以上, 可以直接用于有强烈干扰 的工业现场。大型的 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或由三个 CPU 构成表 决系统, 使可靠性更进一步提高。 PLC 已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备 之一。(2编程、操作简易方便、程序修改灵活PLC 采用

31、面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。目前, PLC 的编程大多采用, 类似于继电器控制线路的梯形图形式, 既继承了传统控制线路的清 晰直观感,又易于编程,程序改变时易于修改。(3硬件配置齐全,用户使用方便,适应性强PLC 产品已经标准化、 系列化、 模块化, 配备有品种齐全的各种硬件装置供用户 选用。 用户能灵活方便地进行系统配置, 组成不同功能、 不同规模的系统。 PLC 具有 丰富的 I/O接口,针对不同的工业现场信号 (交流或直流、电压或电流、开关量或模 拟量、脉冲或电位 有相应的 I/O模块与工业现场的器件或设备 (按钮、行程开关、接 近开关、传感器及变送器、电磁线圈、

32、电动机启动器、控制阀 直接连接。另外,为 了提高操作性能, PLC 还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络, 它还有多种通信联网的接口模块。 PLC 有较强的带负载能力, 可以直接驱动一般的电 磁阀和交流接触器。 硬件配置确定后, 可以通过修改程序, 方便快速地适应工艺条件 的变化。(4安装简单,调试和维护方便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。PLC 可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过 PLC 上的发光二 极管可观察输出信号的状态。 用户程序不需要专门的机房, 可以在各种

33、工业环境下直 接运行。使用时只需将现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决, 系统的调试时间比继电器系统要少得多。PLC 的故障率很低,且由于采用模块化结构, PLC 有完善的自诊断和显示功能, 可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因。 因此, 一旦某模块发生故障, 用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。(5体积小、质量轻、功能低、响应快由于 PLC 时将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品, 其体积小、 质量轻、 功耗低、 响应快。 PLC 的配线比继电器控制系统的配线少得多, 故

34、可以省下大量的配 线和附件, 减少大量的安装接线工时, 加上开关柜体积的缩小, 可以节省大量的费用。 传统继电器节点的响应时间一般需要几百毫秒,而 PLC 得节点反应很快,内部是微 秒级的,外部是毫秒级的 3。2.3.3 PLC的分类PLC 的种类很多, 其功能、 内存容量、 控制规模、 外形等方面均存在较大的差异, 且还没有一个权威的统一的分类标准。 通常根据其结构形式的不同、 功能的差异和 I/O点数的多少等进行大致分类如下:(1按结构形式分根据 PLC 的结构形式,可将 PLC 分为整体式和模块式。整体式 PLC 时将电源、 CPU 、 I/O接口等部件都集中装在一个机箱内,具有结构 紧

35、凑、体积小、价格低的特点。模块式 PLC 时将 PLC 各组成部分,分别做成若干个单元的模块,如 CPU 模块、 I/O模块、电源模块 (有的含在 CPU 模块中 以及各种功能模块。模块式 PLC 由框架 或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是 配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、 中型 PLC 一般采用模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓的叠装式 PLC 。叠 装式 PLC 的 CPU 、 电源、 I/O接口等也是各种独立的模块, 但它们之间是靠电缆进行 连接, 并且各模块可以一层

36、一层的叠装。 这样, 不但系统可以灵活配置, 还可以做得 体积小巧。(2按功能分类按 PLC 功能强弱来分,可分为低档机、中档机和高档机三类。抵挡 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还 可有少量模拟量 I/O、算术运算、数据传输和比较、通信功能。主要用于逻辑控制、 顺序控制或少量模拟控制的单机控制系统。中档 PLC 除具有抵挡 PLC 的功能外,还具有较强的模拟量 I/O、算术运算、数 据传输和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断 控制、 PID 控制等功能,使用于复杂控制系统。高档机 PLC 除具有中档机的功能外,可进行函数运

37、算、矩阵运算、完成数据管 理工作, 有更强的通信能力, 还具有模拟调节、 联网通信、 监视、 记录和打印等功能, 使 PLC 的功能更多更强。能进行智能控制、远程控制、大规模控制,构成分布式生 产过程综合控制管理系统,成为整个工厂的自动化网络。(3按 I/O点数分类为了适应不同工业生产过程的应用要求, PLC 能够处理的输入 /输出信号数是不 一样的, 一般讲一路信号成为一个点。 PLC 按控制规模分类主要以开关量计算, 模拟 量的路数可折算成开关量的点数,一般一路相当于 8点或 16点。根据 I/O点数的多 少,可将 PLC 分为微型机、小型机、中型机、大型机、超大型机。 微型机I/O点数小

38、于 100点, 内存容量为 256B 1KB 。 微型机特点是体积小, 功能简单, 是实现小型机械自动化的理想控制器。 小型机I/O点数在 100500点左右,内存容量为 13.6KB 。小型机主要用于中等容量 的开关量控制,具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能,是替代继电器 接触器控制的理想控制器,应用非常广泛。 中型机I/O点数在 50010000点左右, 内存容量 3.613KB 。 中型机除具有小型机, 超 小型机 PLC 的功能外,还曾加了数据处理能力,适用于小规模的综合控制系统。 大型机I/O点数在 1000点以上,内存容量在 13KB 以上,大型 PLC 用于大规模过程

39、控 制或分布式控制系统。 超大型机I/O点数可达几千点,甚至几万点,内存容量在 13KB 以上。大型 PLC 的应用已 经从逻辑控制发展到过程控制、数字控制、集散控制等广阔领域。大型 PLC 使用 32为微处理器,多 CPU 并行工作,并具有大容量存储器。PLC 按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。 一般来说:大型机、 超大型 机都是高档机。 急性和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系, 大型机一般都是模块式机,都有很大的内存容量。2. 4PLC 的工作原理PLC 虽然同微机有许多相同的地方, 但它的工作方式却与微机有很大不同。 PLC 则采用循环扫描的工作方式, 整个扫描

40、过程可分为输入采样、 内部处理、 用户程序执 行、 输出刷新 4个阶段所用的时间称为一个扫描周期 (或称循环周期、 工作周期 。 而 内部处理阶段实际上就是运行 PLC 内部系统的管理程序,它由下面 4个过程组成: (1系统自检测PLC 检测 CPU 模块内部硬件是否正常,如果超时复位监视计时器 (看门狗, watchdog 则停止中央处理器工作,以及完成一些其它检测。(2与编程器交换信息这在使用编程器输入和调试程序时才执行。(3与数据处理器交换信息这只有在 PLC 中配置有专用数字处理器时才执行。(4外部通信当 PLC 配置有通信接口或模块时,与外部通信对象 (如磁带机、其他 PLC 或计

41、算机等 进行数据交换。内部处理阶段是运行 PLC 内部系统的管理程序,该程序是厂家在 PLC 出场时就 已经固化好了的, 与用户的控制程序无关, 一般比较固定, 其运行时间与用户程序时 间相比,要短得多。通常忽略内部处理,而认为 PLC 的工作过程为 3个的阶段:输 入采样阶段、 用户程序执行阶段、 输出刷新阶段, 并近似地认为每重复一次这 3个阶 段所用的时间为一个扫描周期 2。其工作过程如图 2-1。 图 2-1PLC 的工作过程图2.4.1 输入采样阶段在输入采样阶段, PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据, 并将它们存 入 I/O映像区中的相应单元内,这一过程称为采样,输入采

42、样结束后,转入用户程序 执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化, I/O映像区 中的相应单元的状态和数据也不会改变,而且这个采样结果将在 PLC 执行程序时被 使用。 如果输入是脉冲信号, 则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期, 才能保证 在任何情况下,均能被读入。2.4.2 程序执行阶段在用户程序执行阶段, PLC 总是按顺序对程序进行扫描, 即从上到下、 从左到右 地顺序依次扫描用户程序 (梯形图 ,并分别从输入映像寄存器、内部元件寄存器 (内 部继电器、定时器、计数器 和输出映像寄存器中获得所有的数据进行运算、处理, 再将程序执行的结果写入寄存执行结果的映像寄存

43、器中保存, 但这个结果在整个程序 存储器中所存储的内容,会随着程序执行的进程而变化,当所有程序全部执行完后, 输出单元映像寄存器的内容固定下来。注意, 当执行控制程序时, 如果程序要求某个输出继电器动作, 此时这个动作要 求并没有直接实时的进程而变化, 当所有程序全都执行完毕后, 才将全部程序执行后 产生的输出结果 (输出映像存储器的内容 一次送到输出锁存器。2.4.3 输出刷新阶段在执行完所有用户程序后, PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间, CPU 按照 I/O映像区内对应得状态和数据刷新所有的输出锁存电路, 再经输出电路驱动相应的用户 设备。这才是 PLC 的真正输出。PLC 重复执行

44、上述三个阶段,每重复一次的时间即为一个扫描周期,用符号 T 表示。PLC 在一个扫描周期内输入刷新之前, 如外部输入信号状态没有变化, 则此次的 输入没有变化, 经运算处理后, 相应的输出刷新业务变化, 输出的控制信号也没有变 化, 只是重新被刷新一次, 一个扫描周期内, 输入刷新之前, 输入的外部输入信号状 态发生了变化, 则此次输入刷新就有了变化, 经运算处理后, 其输出刷新也可能有变 化, 输出的控制信号亦可能有变化。 不管输出控制信号有无变化, 一个扫描周期内对 所有输出只刷新一次, 即前一次和后一次输出状态的变化, 至少要经历一个扫描周期的时间。PLC 工作的主要特点是输入信号集中批

45、量处理、执行过程集中批量处理和输出 控制也集中批量处理。 PLC 的这种“串行”工作方式,可以避免继电器 -接触器控制 系统中触点竞争和时序失配的问题, 并增强系统的抗干扰能力。 由于干扰常常是脉冲 式的、短时的,只要 PLC 不是正好工作在输入刷新阶段,就不会受到干扰的影响。 因此, 瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少, 从而增加了系统的抗干扰能力, 这是 PLC 可靠性的原因之一, 但是这种工作方式又导致输出对输入在时间上的滞后, 对于 要求快速响应的控制系统,这也是 PLC 的缺点之一。2. 5PLC 的主要技术指标PLC 的性能指标较多,主要介绍与 PLC 控制系统有关的几个指标:(1

46、用户存储器容量PLC 中的用户存储器由用户程序和数据存储器组成, 该存储器的容量大, 可以编 制出复杂的程序。 一般来说, 小型机的用户存储器容量为几千字, 而大型机的用户存 储器容量为几万字。(2扫描速度扫描速度是指 PLC 扫描 1K (1K=1024 子用户程序所需的时间,通常以 ms/K字 为单位。扫描速度越快越好,目前扫描速度比较慢的为 2.2ms/K字逻辑。(3 I/O点数输入 /输出 (I/O 点数是 PLC 可以接受的输入信号和输出信号的总和, 是衡量 PLC 性能的重要指标。 I/O点数越多,外部可接的输入设备和输出设备就越多,控制规模 就越大。(4指令的功能与数量指令功能的

47、强弱、数量的多少也是衡量 PLC 性能的重要指标。编程指令的功能 越强、 数量越多, PLC 的处理能力和控制能力也越强, 用户编程也越简单和方便, 越 容易完成复杂的控制任务。(5内部元件的种类与数量在编制 PLC 程序时,需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结果、保持数 据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多,表示 PLC 的存储和处理各种信息的能力越强。(6特殊功能单元特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量 PLC 产品的一个重要指标。近年 来各 PLC 厂商非常重视特殊功能单元的开发,特殊功能单元种类日益增多,功能越 来越强,使 PLC 的控制功能日益扩

48、大。(7可扩展能力PLC 的可扩展能力包括 I/O点数的扩展、 存储容量的扩展、 联网功能的扩展、 各 种功能模块的扩展等。在选择 PLC 时,经常需要考虑 PLC 的可扩展能力。3. 双恒压供水系统的硬件设计3. 1恒压供水系统的基本构成基于 PLC 的双恒压供水系统是由可编程控制器 (PLC 、水泵机组、液位传感器、 水塔和下水箱等构成。系统组成框图如图 3-1所示。PLC 是德国 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-300 PLC ,水泵机组 M1、 M2、 M3是相同功率的水泵,因为 M1、 M2、 M3之间需要频繁切换,液位传感器用于检查水 塔中水位的位置, 水塔置于建筑物

49、的最高层, 水塔中水位的高低决定水压的高低, 来 控制不同供水模式的供水需要。 下水箱是地下水的存储设备, 地下水源源不断的装入 下水箱, 为水塔提供水源。 通过用户管道把水送入建筑物的供水管道, 当水位太高时 通过溢出管道把多余的水返回到下水箱, 这样可有效地利用水资源, 尽可能的减少资 源的浪费。 图 3-1系统组成框图系统核心部分采用 PLC ,输出信号通过继电器和接触器来控制 3台水泵的启动, 运行与停止, 采用循环使用的方式运行。 该系统能够对供水过程进行自动控制, 能够 有效的降低能耗, 保证供水系统维持在最佳运行状况, 提高管理水平, 监控系统安装 维护方便,运行稳定、可靠 ,

50、监控软件功能齐全。3.2 控制系统 I/O点及地址分配表 3-1I/O地址分配表输 入 输 出代号 输入名称 输入地址 代号 输出名称 输出地址SB1 系统启动 I0.0KA1 蜂鸣器 1Q3.0SB2 系统关闭 I0.1KA2 蜂鸣器 2 Q3.1SB3 模式 1 I0.2KA3 生活供水 Q4.0SB4 模式 2 I0.3KA4 消防供水 Q4,1SB5 液位 SL0输入 I0.4KA5 HL1 Q5.0SB6 液位 SL1输入 I0.5KA6 HL2Q5.1SB7 液位 SL2输入 I0.6KA7 HL3 Q5.2SB8 液位 SL3输入 I0.7KA8 HL4 Q5.3SB9 液位 S

51、L4输入 I1.0KA9 HL5 Q5.4SB10液位 SL5输入 I1.1KA10 HL6 Q5.5KA11 HL7 Q5.6KA12 HL8 Q5.7KA13 控制水泵 1 Q6.0KA14 泵 M2、 M3轮换 Q6.1KA15 泵 M2、 M3轮换 Q6.2在 STEP 7 中 HW CONFIG-SIMATIC 300 STATION 下进行系统的硬件组态,组 态过程如下。在菜单中 View 选项下点击 Catalog 项,则在组态界面的右侧出现硬件元件库。 在 SIMATIC 300子目录下 PS-300中选取 PS 307 10A 电源模块添加到 0号机架 1号槽 位;在 CPU

52、-300中选取 订货号 为 6ES7 314-1AF10-0AB0的 CPU 模块 添加到 2号槽 位;在 SM-300中选取 DI-300 SM 321 DI16×DC24V 数字量输入模块添加到 4号槽 位; 在 SM-300中选取 DO-300 SM 322 DO16×DC24V/0.5A数字量输出模块添加到 5号槽位;在 SM-300中选取 AI-300 SM 331 AI8×12Bit 模拟量输入模块添加到 6号 槽位; 在 SM-300中选取 AO-300 SM 332 AO2×12Bit 模拟量输出模块添加到 7号槽 位, CPU 是 PL

53、C 中最重要的元件,以上为硬件组态过程,可在 STEP 7中方便的完 成,在 STEP 7中 HARDWARE-CONFIG 中可以地看出系统分配的地址,完成保存并退出,进行程序设计。本设计按系统需要数字量输入 10点,数字量输出 16点,不需要模拟模块。按 各自的功能类型分好,并与 PLC 的 I/O端一一对应,编排好地址。列出外部 I/O信 号与 PLC 的 I/O端子地址编号对照表如表 3-1。3. 3系统选型在双恒压供水系统的设计中, 需要选择 PLC 、 电机的型号以及水塔、 水箱、 管道 的材料,最为重要的是 PLC 和电机的选择, PLC 日益成为工厂自动化基本技术平台 的时代,

54、如何选用一部适用的 PLC 以达到真正需要,而又能符合经济效益,是一项 重要课题。 PLC 本身强调的特色是:体积小、功能高、性能强、操作简便、程序设计 简易、模块扩充有弹性、联机容易等。针对上述特色说明,选择符合功能需求与经济 效益的 PLC 系统。本文虽然基于台达系列 PLC 论述,但是引用原则适合一般的选购 选型设计。3. 3. 1PLC 的选型S7-300 PLC 的选型原则是据生产工艺所需的功能和容量进行选型,并考虑维护 的方便性、 备件的通用性, 以及是否易于扩展和有无特殊功能等要求。 选型时具体注 意以下几方面:(1有关参数确定。一是输入 /输出点数 (I/O点数 确定。这是确定

55、 PLC 规模的 一个重要依据,一定要根据实际情况留出适当余量和扩展余地。二是 PLC 存储容量 确定。 注意当系统有模拟量信号存在或要进行大量数据处理时, 其存储容量应选大一 些。(2系统软硬件选择。一是扩展方式选择, S7-300 PLC 有多种扩展方式,实际 选用时,可通过控制系统接口模块扩展机架、 PROFIBUS-DP 现场总线、通信模块、 运程 I/O及 PLC 子站等多种方式来扩展 PLC 或预留扩展口; 二是 PLC 的联网, 包括 PLC 与计算机联网和 PLC 之间相互联网两种方式。 因 S7-300 PLC的工业通信网络淡 化了 PLC 与 DCS 的界限,联网的解决方案

56、很多,用户可根据企业的要求选用;三是 CPU 的选择, CPU 的选型是合理配置系统资源的关键,选择时必须根据控制系统对 CPU 的要求 (包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、 MPI 接口能力、是 否有 PROFIBUS-DP 主从接口、 RAM 容量、 温度范围等 , 并最好在西门子公司的技 术支持下进行, 以获得合理的选型; PLC 选购选型是一个多目标综合优化的过程, 合理选用 PLC ,对于提高 PLC 控制系统的技术和经济指标有着重要意义。 PLC 的选择 主要应从 PLC 的机型、容量、 I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等 方面加以综合考虑。对本文设计的

57、供水系统,在进行 PLC 选型时应考虑以下事项:(1价格便宜,体积较小,工作可靠,维护方便的中小型机。(2以开关量控制为主,带少量模拟量控制,自带 A/D和 D/A转换单元。 综合以上的因素, 在本文设计的双恒压供水系统中选用了德国 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-300 PLC。它是模块化的中小型 PLC 系统,各种单独的模块之间可进行 广泛组合以用于扩展, 能满足中等性能要求的应用; 大范围的各种功能模块可以非常 好地满足和适应自动控制任务; 由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力, 使得 应用十分灵活; 方便用户和简易的无风扇设计; 当任务增加时, 可自由扩展; 由于大

58、范围的集成功能,使其功能非常强劲。 S7-300的系统组成:(1中央处理单元 (CPU 各种 CPU 有各种不同的性能,例如,有的 CPU 上集成有 PROFI-BUS-DP 通讯 接口。(2接口模块 (IM 用于多机架配置时连接主机架 (CR 和扩展机架 (ER 。 S7-300通过分布式的主机 架和 3个扩展机架,可以操作多达 32个模块。(3信号模块 (SM 用于数字量和模拟量的输入输出。(4功能模块 (FM 用于高速计数,定位操作 (开环或闭环控制 和闭环控制。(5通讯处理器 (C P用于连接网络和点对点连接。(6负载电源模块 (PS 用于将 SIMATIC S7-300连接到 120/230V AC电源。3. 3. 2水泵的工作原理及分类(1离心泵的工作原理水泵开动前, 先将泵和进水管灌满水, 水泵运转后, 在叶轮高速旋转而产生的离 心力的作用下, 叶轮流道里的水被甩相四