基于PLC的排水系统控制设计

1、基于PLC的排水系统控制设计基于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

2、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。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III页Keywords：waterlevelcontrol,divingpumps,PLCTheDesignofSewagePitWaterLevelControlSystemBasedonPLCAbstractPLC(programmablelogiccontroller)isonekindofelectronicsystembasedonte

3、chnologyofdigitalcomputer,anddesignedspeciallyforusinginindustrialenvironment.Ithasmanymeritssuchaspowerfulfunction,reliableuseandeasy-mending.Withtherapiddevelopmentofmicroelectronicandcomputertechnology,PLChaswidelyusedinindustrialcontrolarea.BecausethePLCissafe,stable,reliable,andappliedwidely,th

4、ePLCisusedasthecontrollerforthesewagepitwaterlevelcontrolsystem.Inthissystem,usingSimensS7-200PLCtocontrolthestartandstopofdivingpumps,inwhichPLCselectsDC24Vofinput,DC24Vrelayofoutputs,andhasDC24Vvoltage-stabilizedsource.Thesewagepitwaterlevelcontrolsystemoperatingmodedividesintothemanualwayandautom

5、aticway.Thistopicprimarymissionistheautomaticcontrolway,with4waterlevelswitchexaminingsewagepitwaterlevel,PLCaccordingtothewaterlevelsituationcontrolthestartandstopofdivingpumps.Toinsteadofpastmethodwhichthreepumpsisworkingandoneisforready,thenewcycleworkmethodisappliedinthisdesign.Itmakesthestartan

6、dstopofthedivingpumpsmorereasonable.Andatthesametime,itmakesthedivingpumpsworkmoreefficientlyandavoidstostarttheelectricmotorsfrequently.Sotheelectricmotorcanbebetterprotected.AttheendtheLADprogramofthesewagepitwaterlevelcontrolsystemisprovided.鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第IV页目录摘要nAbstractIIITOC o 1-5 h z HYPE

7、RLINK l bookmark2 1绪论1 HYPERLINK l bookmark4 11PLC的现状与趋势1 HYPERLINK l bookmark6 1.2PLC的特点与应用113PLC与其它工业控制系统的比较3131与集散控制系统的比较3132与工业微机控制系统的比较314变频调速技术的特点415设计的主要任务4 HYPERLINK l bookmark8 2可编程序控制器概述621可编程控制器的工作方式6211可编程控制器的工作原理6212可编程控制器的扫描周期822编程软件的简介和梯形图的设计方法10 HYPERLINK l bookmark10 3污水坑水位控制设计1231原

8、控制系统设计方案1232控制系统的改造设计方案12 HYPERLINK l bookmark12 4控制系统硬件选择和程序设计15 HYPERLINK l bookmark14 41PLC的选型15 HYPERLINK l bookmark16 42S7-200型PLC的特点1543输入、输出点的确定1544控制系统程序设计15441控制系统的自动控制方式工作过程15442程序设计框图22443程序设计梯形图22 HYPERLINK l bookmark34 结论25 HYPERLINK l bookmark36 致谢26鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第V页TOC o 1-5 h z HY

9、PERLINK l bookmark38 参考文献27附录AIntroductionofProgrammableControllers28 HYPERLINK l bookmark46 附录B可编程序控制器介绍33附录CPLC程序设计梯形图38鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第 页1绪论1.1PLC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，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机

10、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。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

11、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。1.2PLC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性能并不断扩展自己的应用领域。当今的PLC具有以下特点: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釆用通用的高性能处理器（有的PLC釆用Pen

12、tium处理器，有的采用Alpha处理器芯片等），釆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。2、网络功能增强过去的PLC一般限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

13、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（Profbus,DeviceNet,SDS等）。PLC+网络+PC十SCADA软件己形成了一种非常流行的应用方式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

14、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。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。5、小型化和微型化当今PLC市场除了呈现

15、高性能和网络功能竞争特征之外，另一个显著特征就是小型再小型，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，却具有更强的功能，如OmronSRMI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ModiconTSXMicroPLC支持多组超微型PLC的分散UO,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采集和处理则在现场模块中实现。由于PLC强大的功能和众多的优点，国内PLC已经在机电、冶

16、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。1.3PLC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。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

17、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。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。ID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，具有了M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

18、，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。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。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

19、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，在开发上不如工业微机。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

20、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集中在功能控制上，使微机集中在信息处理上，两者相辅相成，共同发展。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直交变频器7。1.5设计的主要任务本次设计

21、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。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，其中包括PLC的选型及其特点和控制系统编程实现。可编程序控制器概述可编

22、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

23、型计算机的运行方式，一一扫描技术8。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。1、I/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。（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

24、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

25、小随系统输入、输出信息多少，即输入、输出的点数而定。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:输入采样阶段，在这个过程中，PLC按扫描方式扫描PLC装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。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

26、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，这个结果在整个程序未执行前不会送至输出端口。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。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。3、PLC对输入输出的处理原则输入映象寄存器的数据取决于

27、输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。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。输出映象寄存器的数据取决于程序运算的执行结果。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。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 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

28、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（如利用定区則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。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

29、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。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（WatchdogTimer）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

30、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100200ms。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。2、与编程器进行信息交换的扫描过程在PLC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程序、读CPU状态、封锁或开放输入输出、对

31、逻辑变量和数字量进行读写。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。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。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。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

32、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。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

33、程序的执行。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，通常用执行1K字程序所需的时间长短来衡量。由

34、于程序中所用语句的复杂程度不同，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鞍山科技大学本科生毕业设计（论文）第 页鞍山科技大学本科生毕业设计(论文)第 页时间，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075ms/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，正因为这一点，给机器实现某些控制带来一些困难。编程软件的简介和梯

35、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

36、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：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，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。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。3、触点的

37、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次，否则，容易引发系统出现意外的事故。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 页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

38、方式和手动方式。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。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。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。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A

39、TV58HD46N4X变频器、110KW潜水泵采用ATV68C15N4变频器；逻辑管理各采用一台S7-200PLC上位机系统，进行管理和操作等。1、保护及操作：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。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、各个泵的手动给定电位计。2、控制系统简介每个泵站安装有1台S7-200PLC

40、,利用PROFIBUSDP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。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，S7-200PLC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。自

41、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。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。

42、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：(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。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。3、改造后的控制系统性能预测：(1)由于采用了高性能变

43、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，会明显地降低泵站的故障率。(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 页控制系统硬件选择和程序设计4.1PLC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，扩展模块选择的是一个E

44、M223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。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

45、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。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场设备数量加以确定。输入、输出端口地址的分配见表4.1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的软件根据4个浮球式水

46、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：表4.1可编程控制器输入输出端口（U0）地址分配表端口注释端口注释端口注释I001#泵手I314#泵渗Q011#泵I0.11泵渗I3.24#泵过Q0.21#泵I0.21#泵过I3.34#泵泄Q0.31#泵I0.31#泵泄I3.44#泵变Q0.41#变I0.41#变频I4.0积水坑低Q1.12#泵I1.02#泵手I4.1积水坑中Q1.22#泵I1.12#泵渗I4.2积水坑高Q1.32#泵I1.22#泵过I4.3积水坑超Q1.42#变I1.32#泵泄AO011#泵Q

47、2.13#泵I1.42#变频AO022#泵Q2.23#泵I2.03#手动AO033#泵Q2.33#泵I2.13#泵渗AO044#泵Q2.43#变I2.23#泵过AO051#泵Q3.14#泵I2.33#泵泄AO062#泵Q3.24#泵I2.43变频AO073#泵Q3.34泵I3.04泵手AO084#泵Q3.44泵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

48、，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

49、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）。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）。盖一土i-3H=克二兰细Hr1

50、1111超高傥高位中位低位箕斗OHi;當二兰5叭共三兰用HzZI亠Z:H:H5HJJ-tj2厶一-.=-.亠一_一二三旦_当5吐骨二台忑Hz旦三兰21Hzt：t；t3Utj图4.1超高水位自动控制原理图1#.2W.3#潜木泵正常工作1萨.It1-.Jr1眉二轰婷上二年2#、3#.4#潜水泵正常工作4牡r1-2斗1*.2#潜水泵正常工作3S1-.4吕，1吕谊停二H作图42超高水位潜水泵循环工作图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

51、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t,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t,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的频率运行，第二台潜水泵的频率降为25Hz，在t4到t5时间段内第一台潜水泵以50Hz的频率运行，第二台潜水泵以25Hz的频率运行；到t5时刻水位下降到低位以下，为正常水位，两台潜水泵都停止运行（见图4.3）。在上述工作过程中4台潜水泵每一轮次工作均为两用两备，

52、即第一轮次为1#、2#潜水泵投入工作，3#、4#备用，第二轮次为2#、3#投入工作，4#、1#备用，依次循环（见图44）。3、水位由中位以下升到中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：&时刻水位由中位以下上升到中位，第一台潜水泵启动，在到t2时间段内第一台潜水泵以50Hz的频率运行；到t2时刻水位下降到中位以下，第一台潜水泵仍以50Hz的频率运行，并在t2到t3时间段内继续以50Hz的频率运行；到t3时刻水位下降到低位以下，为正常水位，此台潜水泵停止运行（见图45）。水位超高陆高位中位低位|1|谎兰査導止二非IIIIIt：t2t4bt6t图43高水位自动控制原理图

53、图4.4高水位潜水泵循环工作图在上述工作过程中4台潜水泵每一轮次工作均为一用三备，即第一轮次为1#潜水泵投入工作，2#、3#、4#备用，第二轮次为2#潜水泵投入工作，3#、4#、1#备用，第三轮次为3#潜水泵投入工作，4#、1#、2#备用依次循环（见图46）。i超高陆高位低位I1此m辱止二榨上Utst|t图4.5中水位自动控制原理图图4.6中水位潜水泵循环工作图4、水位由中位以下升到超高位再降到低位以下但是水位在上升和下降过程中也在变化，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

54、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

55、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；由于进水量大，到t6时刻水位再次升到超高位，系统报警，在t6到t8时间段内三台潜水泵均以50Hz的频率运行，直到水位下降到高位以下即t,时刻第三台潜水泵的频率降到25Hz,在此过程中t7时刻水位下降到超高位以下，报警停止，在t,到t9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；在t,时刻水位下降到中水位以下，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，第二台潜水泵的频率降为25Hz，在到如时间

56、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t10时刻水位再次上升到高位，第二台潜水泵的频率变为50Hz,在t10到t11时间段内第一台潜水泵和第二台潜水泵以50Hz的频率运行，第三台潜水泵以25Hz的频率运行；到t11时刻水位由高位上升到超高位，同时系统又再一次报警，第三台潜水泵的频率也变为50Hz,到t12时刻水位下降到超高位以下，报警停止，在t11到t13时间段内三台潜水泵同时以50Hz的频率运行倒t13时刻水位下降到高位以下，第三台潜水泵的频率也降为25Hz，在t13到t14时间段内第一台潜水泵和第二台潜水泵以50Hz的频率运行，第三台潜水

57、泵以25Hz的频率运行；到t14时刻水位下降到中位以下，第二台潜水泵的频率降为25Hz，在t14到t15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t15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4.7）o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4.20o中位低位I年一台50Hz弟一台50Hz年一今50Hz咒二吕沁Hz笠三吕50Hz芦二U胃三U5OHz50Hz負二冒三兰50Hzg-5OHz算二刍50H

58、z負二色50Hz月二兰刃H二胃三冗一兰5OHi111111徉一士刃Hz芦二兰25Hi芦三士山Hz水位超高陆高位月_咅5血芦二兰曲芦三tgt：ot：tl2tist：t2tst4t5t6t7图4.7水位控制图当4台潜水泵中有一台出现故障时，其余3台将循环工作，工作过程与4台潜水泵都无故障时的工作过程基本相同，只是当3台潜水泵都需要工作时，没有潜水泵作为替换与4台潜水泵均能正常工作时不同。4.4.2程序设计框图程序框图（见图4.8）4.4.3程序设计梯形图程序梯形图（见附录C图C1）图4.8程序框图结论PLC是西门子全集成自动化系统中的控制核心，是其集成与开放特性的重要体现。凭借集成统一的通讯，PL

59、C在实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中间作用。本系统将先进的PLC控制技术应用于污水坑水位控制系统，系统的自动化程度大大提高，安全性得到加强，控制精度明显增强，取得了良好的效果。本控制系统在水位控制上采用的是通过由4个浮球水位开关检测水位，PLC根据水位情况控制潜水泵的起停，4台潜水泵采用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。由于时间仓促和本人水平有限，在本次设计中难免存在错误和疏漏的地方，敬请老师批评指正。致谢在本次毕业设计

60、过程中，要特别感谢我的毕业设计指导老师徐少川老师，徐老师严谨的工作态度，渊博的学识和敬业精神一直教导着我，应该如何奋发图强。在专业课学习和毕业设计的过程中，徐老师总是鼓励我既要努力打好基础，学好专业知识，又要大胆创新，勤于钻研；在学习上和生活上，给予我悉心的指导和无微不至的关怀。在我的论文撰写的过程中，徐老师也给予了细心的指导和修正。在大学生活和本次设计过程中，我的好朋友刘彬彬同学也给了我很大的帮助，在此表示衷心的感谢！回顾这四年的学习和生活，收获很多，我不仅丰富了知识，更学会了该如何建立起良好的人际关系。在即将离校之际，我要感谢自动化02.4班全体同学四年来的帮助和勉励。同窗之谊和手足之情，