基于plc恒壓供水變頻控制系統(tǒng)設(shè)計【4張CAD圖紙】

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洛陽理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 填表時間： 2009 年 3 月2日 （指導(dǎo)教師填表） 學(xué)生姓名 郭子振 專業(yè)班級 06機(jī)電對口（1）班 指導(dǎo)教師 趙秀婷 課題類型 硬件設(shè)計 題目 基于PLC恒壓供水變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 主要研究 目標(biāo) (或研 究內(nèi)容) 1、掌握水利工程對控制，通信等的需求，提出綜合自動化系統(tǒng)方案。 2、提出綜合自動化系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化。 3、完成軟件需求的系統(tǒng)分析。 4、完成軟件的編制（PLC的編程和說明）。 5、繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)原理圖，電氣控制原理圖，軟件流程圖。 6、按期完成畢業(yè)設(shè)計說明書的撰寫。 課題要求、主要任務(wù)及數(shù)量（指圖紙規(guī)格、張數(shù)，說明書頁數(shù)、論文字?jǐn)?shù)等） 1、熟悉題目要求，查閱相關(guān)科技文獻(xiàn) 2、方案設(shè)計（包括方案論證與確定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等內(nèi)容） 3、硬件和軟件設(shè)計（其中還包括理論分析、設(shè)計計算、實驗及數(shù)據(jù)處理、設(shè)備及元器件選擇等） 4、撰寫設(shè)計說明書，繪制圖紙 5、指定內(nèi)容的外文資料翻譯 進(jìn)度計劃 第5周 查資料調(diào)研； 第6周 對課題研究的內(nèi)容進(jìn)行分析研究，確定設(shè)計方案； 第7-8周 根據(jù)設(shè)計方案作電路圖 第9-11周 根據(jù)程序畫出梯形圖 第12-15周 提交畢業(yè)設(shè)計論文初稿； 第 16 周 畢業(yè)設(shè)計論文定稿、打印。 第17周 畢業(yè)設(shè)計答辯。 主要參 考文獻(xiàn) [1] 曲麗萍.樓宇自動化系統(tǒng)，中國電力出版社2002 [2] 鐘肇新.可編程序控制器原理及應(yīng)用，華南理工大學(xué)出版社，2002 [3] 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，2004 [4] 日本三菱PLC手冊 指導(dǎo)教師簽字： 教研室主任簽字： 年 月 日 I 基于 plc 恒壓供水變頻控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提 高。再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè) 計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 基于水泵供水流量和水泵轉(zhuǎn)速的三次方成正比，論文分析了采取變壓變頻調(diào) 速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。通過對變 頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)， 根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié) 和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。 本論文依據(jù)供水要求，設(shè)計了一套由 PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺水泵 機(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動變頻恒壓供水，具有全自動變頻恒壓運行、自動工 頻運行和現(xiàn)場手動控制等功能。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題， 并具有多種輔助功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 論文分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn) 工頻運行方式的切換過程及存在的問題。給出了實現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電 氣設(shè)計方案和 PLC 控制程序設(shè)計方案。 論文還提出了一些增強(qiáng)系統(tǒng)運行可靠性的措施。 關(guān)鍵詞：可編程序控制器, 變壓變頻調(diào)速, 恒壓供水, PLC II PLC-BASED INVERTER CONTRL CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGN ABSTRACT With the rapid socio-economic development of water quality and water supply systems to improve reliability requirements. In addition, the current energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, the design of high performance, high energy, able to adapt to different areas of constant pressure water supply system has become an inevitable trend. Pumps based on water flow and pump speed is directly proportional to the third power, to take paper analyzes the way VVVF speed control constant pressure water supply compared with the traditional way of constant pressure water supply valve to control the energy-saving mechanism. Converter built by the preset parameters of PID module, using the hydraulic pressure gauge feedback FarEasTone volume, constitute a closed-loop system, in accordance with changes in water consumption, the way to take PID regulator, the flow in the whole range of the continuous use of pump-conditioning pump frequency and adjust the combination of the classification, to achieve constant pressure water supply and effective energy conservation. In this paper, based on water requirements, the design of a set by the PLC, frequency converter, Far EasTone pressure, multi-pump unit consisting of major equipment such as automatic frequency conversion constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency run and on-site features such as manual control. System to effectively solve the traditional way of water supply problems, and have a variety of auxiliary functions, and enhance the reliability of the system. Paper analyzes the various ways water pump the state water supply and conversion conditions, analysis of the motor to change jobs by the frequency of the switching frequency operation and problems of the process. Given the state of the cycle to achieve an effective change of control of the electrical design and PLC control program design. III Also made a number of papers to enhance system reliability measures. KEY WORDS: programmable logic controller, VVVF speed control, constant pressure water supply, PLC IV 目 錄 前 言 .1 第 1 章 恒壓供水原理及工藝 .2 1.1 任務(wù) .2 1.2 工藝要求 .2 1.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 .2 第 2 章 PLC 概述 .3 2.1 PLC 組成 .3 2.1.1 LC 的輸入 .3 2.1.2 PLC 的輸出 .3 2.1.3 PLC 的控制機(jī)制 .3 2.1.4 PLC 的定義 .5 2.1.5 PLC 的特點 .5 2.1.6 PLC 的性能指標(biāo) .6 2.1.7 PLC 的分類 .7 2.2 PLC 工作原理 .7 2.2.1 循環(huán)掃描 .7 2.2.2 I/O 響應(yīng)時間 .8 2.2.3 PLC 中的存儲器 .9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .10 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 .11 3.2 系統(tǒng)控制要求 .13 3.3 控制系統(tǒng)的 I/O 點及地址分配 .14 3.4 系統(tǒng)選型 .17 3.5 PLC 模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 .17 3.5.1 EM235 模擬量工作單元性能指標(biāo) .18 3.5.2 校準(zhǔn)及配置 .18 V 3.5.3 EM235 的安裝使用 .18 3.5.4 EM235 工作程序編制 .18 3.5.5 電氣控制系統(tǒng)原理圖 .20 第 4 章 系統(tǒng)程序設(shè)計 .23 4.1 由“恒壓 ”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 .23 4.2 泵組泵站泵組管理規(guī)范 .23 4.3 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn) .23 結(jié) 論 .33 致 謝 .34 參考文獻(xiàn) .35 外文資料翻譯 .36 1 前 言 隨著各住宅小區(qū)的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應(yīng)的生活用水量也大幅 度增加。人們對提高供水質(zhì)量的要求越來越高，另外人們的節(jié)能意識及對運行的 可靠性的要求越來越強(qiáng)。采用變頻器及 PLC 技術(shù)實現(xiàn)的無塔恒壓供水系統(tǒng)，不僅 能提高供水質(zhì)量，而且在節(jié)約能源和運行可靠性具有較好的改善。其中，采用變 頻調(diào)速的主要目的是通過調(diào)速來恒定用水管道的壓力以達(dá)到節(jié)能的目的，恒壓供 水則是為了滿足用戶對流量的要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小 區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備 （如水泵） ，在對原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實踐中，往往會出現(xiàn)一些在理論 上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對一個典型的水塔 供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計的，該系統(tǒng)很好 的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢， 同時有效的節(jié)省了資金。 應(yīng)用 PLC 技術(shù)是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，減少手動操作或撫慰操作，同時替 代部分繼電器減少機(jī)械觸點的故障，增強(qiáng)可靠性。下面筆者根據(jù)這方面的工作經(jīng) 驗談?wù)勗诤銐汗┧到y(tǒng)設(shè)計和實踐過程中的一些思路和做法。 2 第 1 章 恒壓供水原理及工藝 1.1 任務(wù) 隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出。以方面要求提 高供水質(zhì)量，不要因為壓力的波動造成供水的障礙；另一方面要求保障供水的可 靠性和安全性，在發(fā)生火災(zāi)時能可靠供水。針對這兩方面的要求，新的供水方式 和控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，這就是 PLC 控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)。恒壓無塔供水系統(tǒng) 包括生活用水的恒壓控制和消防用水的恒壓控制即雙恒壓系統(tǒng)。恒壓供水保 證了供水的質(zhì)量，以 PLC 為主機(jī)的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng) 的可靠性。 1.2 工藝要求 對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： 1. 生活供水時，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運行； 2. 三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先停” 的原則介入和退出； 3. 在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行的時間超過 3H，則要切換到 下一臺泵，即系統(tǒng)具有“ 倒泵功能 ”，避免某一臺泵工作時間過長； 4. 三臺泵在啟動時要又軟啟動功能； 1.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 以一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，市網(wǎng)來水 用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 TV1，它們自動把水注滿儲水池，只要水位 低于高水位，則自動往水箱中注水。水池的高/低水位信號也直接送給 PLC，作為 底水位報警用。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很 大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥 YV2 處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消 防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活用水的恒 壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥 YV2 得電，關(guān) 閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也 在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后三臺泵再改為生活供水使 3 用。 第 2 章 PLC 概述 2.1 PLC 組成 2.1.1 PLC 的輸入 通過對繼電器控制特點的介紹和最初通用汽車公司提出的要求分析。PLC 要 想取代繼電器控制，首先要解決外部設(shè)備的直接輸入問題。由于當(dāng)時主要集中在 開關(guān)量控制，也就是開關(guān)量（觸點的開閉狀態(tài)）如何直接接入 PLC 并被 PLC 所 識別，對此就需要解決以下幾個問題：有源接入，無源接入，絕緣問題，隔離問 題和互相干擾問題。PLC 就是一個計算機(jī)控制系統(tǒng)，在其發(fā)展過程，人們曾將計 算機(jī)直接用于工業(yè)控制，但是由于以下兩大問題沒有解決好而難以發(fā)展：一是 I/O（輸入 /輸出）問題，計算機(jī)不能直接和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備連接現(xiàn)在了應(yīng)用；二是 計算機(jī)的 I/O 功能，開關(guān)邏輯處理不夠豐富和強(qiáng)大。現(xiàn)在的 PLC 成功的解決了這 兩個方面的問題，可以讓 PLC 和外部設(shè)備直接進(jìn)行物理的連接。計算機(jī)的內(nèi)部提 供了豐富的從位邏輯到雙字運算的強(qiáng)大的運算功能，使其能夠完成復(fù)雜的控制功 能，這也是 PLC 能夠迅速發(fā)展的原因 1。 2.1.2 PLC 的輸出 輸出問題主要是接點的驅(qū)動能力問題，或者說是帶負(fù)載能力和輸出方式的問 題。輸出動作次數(shù)的限制，是保證 PLC 的輸出接點能否驅(qū)動接觸器、電磁閥這樣 的控制執(zhí)行元器件的問題至少要能直接驅(qū)動中間繼電器?，F(xiàn)在的 PLC 產(chǎn)品已經(jīng)完 全有能力驅(qū)動這些元器件,并提供了多種輸出方式且動作次數(shù)可保證萬次無故障的 產(chǎn)品。 2.1.3 PLC 的控制機(jī)制 PLC 已經(jīng)完全取代繼電器控制系統(tǒng)。只要對其控制機(jī)制有了準(zhǔn)確的理解，才 能對其持續(xù)的開發(fā)并創(chuàng)造性的使用它。I/O 電路已經(jīng)保證了 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備的直 接連接，并在內(nèi)部寄存器存儲了這些狀態(tài)。但是，為了取代繼電器的控制，更重 要的是如何組織和使用這些開關(guān)量，從而達(dá)到軟件程序代替硬件連線的目的。在 這里通過對繼電器的控制的電路的特點的介紹，已經(jīng)知道繼電器控制電路的特點 在于各個控制單元是否動作是由其接點條件控制的，并不受其前后位置的影響。 4 同一時刻，可有多個不同的控制單元繼電器的動作（翻轉(zhuǎn)） ，控制的結(jié)果、邏輯 動作順序也是由接點條件來控制的。這于計算機(jī)順序執(zhí)行的工作的特點是矛盾的。 主要體現(xiàn)在：一是亂序，只要條件滿足就執(zhí)行；而另一個是順序執(zhí)行。PLC 充分 利用了計算機(jī)存儲程序的思想和高速的特點，采用了控制系統(tǒng)中的離散控制方式， 使它的控制能夠完全代替繼電器的控制。具體的說就是將連續(xù)的控制用離散的控 制代替，如下式： Y(n)=f(x(n-1),y(n-1) 式中，Y（n）為某一時間段的輸出值； Y（n-1）為上一時間段的輸出值； X（n-1）為上一時間段某一時刻的輸入值； F 為他們應(yīng)滿足的控制關(guān)系。 即某一時間段的輸出完全取決于上一時間某一時刻的輸入和上一時間段的輸出。 至于上一時間段的輸出，在參加計算的時候，只是存儲在映像寄存器中的輸 出結(jié)果，執(zhí)行運算過程中并不修改端子的輸出值。真實的輸出已表現(xiàn)在端子的接 點上，并要保持一個時間段，也就是采取集中輸出的方式，在計算的過程中完全 可以使用或修改其映像寄存器中的值而不會對先階段的輸出產(chǎn)生影響。這樣只要 時間段足夠短，并且 PLC 周而復(fù)始的運行著就完全可以模仿繼電器的控制并且取 代它 2。 由于采用集中 I/O 的思想，其 I/O 狀態(tài)存儲在寄存器中，可以充分發(fā)揮計算 機(jī)的強(qiáng)大邏輯家能力，以完成更復(fù)雜的控制功能。 如圖 2-1 所示，PLC 與通用計算機(jī)沒有什么區(qū)別，只是一臺增強(qiáng)了 I/O 功能 的可與控制對象方便連接的計算機(jī)。其完成控制的實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行 I/O 變 換，并將這個變換物理實現(xiàn)，應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按為進(jìn)行尋址，每一為對應(yīng)一個開關(guān)量，其值反映了開關(guān)量的 狀態(tài)，其值的改變由相互如開關(guān)量驅(qū)動，并保持一個掃描周期。CPU 可以讀其值， 但是不可以寫或進(jìn)行修改。 2. 輸出寄存器 輸出寄存器的每一位都表明了 PLC 在下一個時間段的輸出值，而程序循環(huán)執(zhí) 行開始時的輸出寄存器的值，表明的是上一時間段的真實輸出值，在程序執(zhí)行過 程中，CPU 可以讀其值，并作為條件參加控制，還可以修改其值，而中間的變換 僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個循環(huán)的尾部時的值才影響下一時間段 的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點的真實值產(chǎn)生影響。 3. 存儲器 存儲器分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器存儲的是系統(tǒng)程序，它是 由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能修改，PLC 要在系統(tǒng)程序的管理下運行。用戶 5 存儲器中存放的是用戶程序和運行所需要的資源，I/O 寄存器的值作為條件決定 著存儲器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。 4. CPU 單元 CPU 單元控制著 I/O 寄存器的讀、寫時序，以及對存儲器單元中的程序的解 釋執(zhí)行工作，是 PLC 的大腦。 5. 其他單元接口 其他單元接口用語提供 PLC 與其他設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理條件。 系 統(tǒng) 存 儲 器用 戶 存 儲 器 CUP其 他 接 口 電 路 輸 入 電 路 輸出寄存器 輸出電路輸入寄存器輸入量 圖 2-1 PLC 的組成 2.1.4 PLC 的定義 最初，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC。只能 進(jìn)行計數(shù)、定時及開關(guān)量的邏輯控制。1987 年 2 月，國際電工委員會（IEC）對 可編程控制器的定義是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運算操作的電子系統(tǒng)，專為在 工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、 執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過數(shù) 字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌?有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè) 計 3。 2.1.5 PLC 的特點 1. 可靠性高。在 I/O 環(huán)節(jié)，PLC 采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程 6 序和大部分的用戶程序都采用 EPROM 存儲，一般 PLC 的平均無故障工作時間可 達(dá)幾萬小時以上。 2. 控制功能強(qiáng)。 PLC 采用的 CUP 一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)， 為了增強(qiáng)其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙 CPU 的運行方 式，使其功能得到極大的增強(qiáng)。 3. 編程方便易學(xué)。第一編程語言（梯形圖）是一種圖形編程語言，與多年來 工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。 4. 使用于惡劣的工作環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒 氣體等的應(yīng)用場合。 5. 與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動端子排，提供不 同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。 6. 體積小、重量輕、功耗底。 7. 性價比高。 8. 模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝， 一種型號的 PLC 可用于控制從幾個 I/O 點到幾百個 I/O 點的控制系統(tǒng)。 9. 維修方便，功能更靈活。程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的 改變非常靈活。 2.1.6 PLC 的性能指標(biāo) 1. 存儲容量 這里專指用戶存儲器的存儲容量，它決定了用戶所編程序的長短。大、中、 小型 PLC 的存儲容量變化范圍一般為 2KB2MB。 2. I/O 點數(shù) I/O 點數(shù)，即 PLC 面板上的 I/O 端子的個數(shù)。I/O 點數(shù)越多，外部可以連接的 I/O 器件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。 3. 掃描速度 掃面速度是指 PLC 執(zhí)行程序的快慢，是一個重要的性能指標(biāo)，體現(xiàn)了計算機(jī) 控制取代繼電器控制的吻合程度。從自動控制的觀點來看，決定了系統(tǒng)的實時性 和穩(wěn)定性。 4. 指令的多少 它是衡量 PLC 能力強(qiáng)弱的標(biāo)志，決定了 PLC 的處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。 限定了計算機(jī)發(fā)揮運算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 5. 內(nèi)部寄存器的配置和容量 它直接對用戶編制程序提供支持，對 PLC 指令的執(zhí)行速度及可完成的功能提 7 供直接的支持。 6. 擴(kuò)展能力 擴(kuò)展能力包括 I/O 點數(shù)的擴(kuò)展和 PLC 功能的擴(kuò)展兩方面的內(nèi)容。 7. 特殊功能單元 特殊功能單元種類多，也可以說 PLC 的功能多。典型的特殊功能單元有模擬 量、模糊控制連網(wǎng)等功能 4。 2.1.7 PLC 的分類 不同的分類標(biāo)準(zhǔn)會造成不同的分類結(jié)果，PLC 常用的分類方式有如下兩種。 按其 I/O 點數(shù)一般分為微型（32 點以下） 、小型（128 點以下） 、中型（1024 點以下） 、大型（2048 點以下） 、超大型（從 2048 點以上可達(dá) 8192 點以上）5 種。 按結(jié)構(gòu)可分為箱體式、模塊式和平板式 3 種。 2.2 PLC 工作原理 2.2.1 循環(huán)掃描 CPU 連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU 的掃描周期包括讀 輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請求、執(zhí)行 CPU 自診斷測試及寫輸出等等內(nèi)容。 PLC 可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識周而復(fù)始的循環(huán) 掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分， 用戶程序不運行時，PLC 也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸 入、寫輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的 PLC 在一個周期中可以完成以下 5 個掃描過 程。 1. 自診斷測試掃描過程。為保證設(shè)備的可靠行，及時放映所出現(xiàn)的故障， PLC 都具有自監(jiān)視功能。 2. 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過程。一般小型系統(tǒng)沒有這一掃描過程，配有網(wǎng) 絡(luò)的 PLC 系統(tǒng)才有通訊掃描過程，這一過程用于 PLC 之間及 PLC 與上位計算機(jī) 或終端設(shè)備之間的通信。 3. 用戶程序掃描過程。機(jī)器處于正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期內(nèi)都包 含該掃描過程。該過程在機(jī)器運行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過軟件進(jìn) 行設(shè)定。用戶程序的長短會影響過程所用的時間。 4. 讀輸入、寫輸出掃描過程。機(jī)器在正常運行狀態(tài)下，每一個掃描周期都 包含這個掃描過程。該過程在機(jī)器運行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU 在處理用戶 8 程序時，使用的輸入值不是直接從輸入點讀取的，運算的結(jié)果也不直接送到實際 輸出點，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個映象寄存器：一個為輸入映象寄存器，另一個 為輸出映象寄存器。用戶程序所用的輸入值是輸入映象寄存器的值，運算結(jié)果也 放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過程中，CPU 把實際輸入點的狀態(tài)鎖入到輸入 映像寄存器：在輸出掃描過程中 CPU 把輸出映像寄存器的值的輸出點 5。 循環(huán)掃描有如下特點： 1. 掃描周期周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。 2. 輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動的，在程序執(zhí)行過程中的一個周期內(nèi) 輸入映像寄存器的值保持不變，CPU 采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映 像寄存器的值來控制程序的執(zhí)行。 3. 對同一個輸出單元的多次使用、修改次序會造成不同的執(zhí)行結(jié)果。 4. 各個電路和不同的掃描階段會造成輸入和輸出的延遲，這是 PLC 的主要 缺點。 在讀輸入階段，CPU 對各個輸入端子進(jìn)行掃描，通過輸入電路將各輸入點的 狀態(tài)鎖入映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，CPU 按照先左后右、先 上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀 態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時將執(zhí)行結(jié)果寫入輸出映象寄存器。在程序執(zhí)行期間，即使 輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變輸入端子狀態(tài)變 化只能在下一個周期的輸入階段才被集中讀入。 輸入/輸出采用映象寄存器的優(yōu)點： 1. 集中采用 I/O，程序掃描期間輸入值固定不變，程序執(zhí)行完后統(tǒng)一輸出。 種集中 I/O 的方式保證的程序的順序執(zhí)行與外部電路亂序執(zhí)行的統(tǒng)一，使系統(tǒng)更 加穩(wěn)定可靠。 2. 程序執(zhí)行時，存取映象寄存器要比讀寫 I/O 端點快的多，這樣可以加快程 序執(zhí)行速度。 3. I/O 點必須按位存取，而映象寄存器可按位、字節(jié)、字、雙字靈活的存取， 增加了程序的靈活性。 2.2.2 I/O 響應(yīng)時間 由于 PLC 采用循環(huán)掃描的工作方式，而且對輸入和輸出信號只在沒個掃描周 期的固定時間集中輸入/輸出，所以必然會產(chǎn)生輸出信號相對輸入信號滯后的現(xiàn)象。 掃描周期越長，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。 響應(yīng)時間有輸入延遲、輸出延遲和程序執(zhí)行時間部分決定。 1. PLC 輸入電路設(shè)置了濾波器，濾波器的常數(shù)越大，對輸入信號的延遲作用 越強(qiáng)。輸入延遲是由硬件決定的，有的 PLC 濾波器時間常數(shù)可調(diào)。 9 2. 從輸出鎖存器到輸出端子所經(jīng)歷的時間稱為輸出延遲，對于不同的輸出形 式，其值大小不同。它也是由硬件決定的，對于不同信號的 PLC 可以通過查表得 到。 3. 程序執(zhí)行時間主要由程序長短來決定，對于一個實際的控制程序，編程人 員須對此進(jìn)行現(xiàn)場測算，使 PLC 的響應(yīng)時間控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。 在最有利的情況下，輸入狀態(tài)經(jīng)過一個掃描周期在輸出得到響應(yīng)的時間，稱 為最小 I/O 響應(yīng)時間。在最不利的情況下，輸入點的狀態(tài)恰好錯過了輸入的鎖入 時刻，造成在下一個輸出鎖定才能被響應(yīng)，這就需要兩個掃描周期時間，稱為最 大 I/O 響應(yīng)時間。它們是由 PLC 的掃描執(zhí)行方式?jīng)Q定的，與編程方法無關(guān)。 2.2.3 PLC 中的存儲器 PLC 中的存儲器按用途分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數(shù)據(jù) 存儲器。 1. 系統(tǒng)程序存儲器中存放的是廠家根據(jù)其選用的 PLC 的指令的系統(tǒng)編寫的 系統(tǒng)程序，它決定了 PLC 的功能，用戶不能更改其內(nèi)容。 2. 用戶程序存儲器用來存儲根據(jù)控制要求而編制的用戶應(yīng)用程序。 10 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 學(xué)習(xí) PLC 的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對于設(shè)計一個較大的 PLC 控制系統(tǒng)時，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計的控制系統(tǒng)的大小，一般都要用 以下設(shè)計步驟來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。 隨著 PLC 功能的不斷完善和提高，PLC 幾乎可以完成工業(yè)領(lǐng)域的所以控制任 務(wù)。但是 PLC 還是有最適合它的應(yīng)用場合，所以接到一個控制任務(wù)以后，要分析 被控對象的控制過程和要求，看看用什么控制設(shè)備來完成該任務(wù)最合適。其實現(xiàn) 在的可編程不僅處理開關(guān)量，而且對模擬量的處理能力也很強(qiáng)。所以在很多情況 下也可以取代工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）作為主控器 控制對象以及控制裝置確定后，還要進(jìn)一步確定 PLC 的控制范圍。一般來說， 能夠反映生產(chǎn)過程的運行情況，能用傳感器直接測量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部 分都由 PLC 控制來完成。 當(dāng)某一個控制任務(wù)決定由 PLC 來完成后。選擇 PLC 就成為最重要的事情。 一方面是選擇多大容量的 PLC，另一方面是選擇什么公司的 PLC 以及外設(shè)。 對第一個問題，首先要對控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的 I/O 點找出來， 包括開關(guān)量 I/O 模擬量 I/O 以及這些 I/O 點的性質(zhì)。I/O 點是性質(zhì)主要是指他們是 直流信號還是交流信號，它們的電源電壓。控制系統(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如 果它們之中既有交流 220V 的接觸器、電磁閥，又有直流 24V 的指示燈，則最后 選用的 PLC 的輸出點有可能大于實際點數(shù)。因為 PLC 的輸出點一般是幾個一組 共用一個公共端，這一組的輸出只能有一個電源的種類和等級 6。 對于第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： 1. 功能方面 所有 PLC 一般都具有常規(guī)的功能，但是對于某些特殊要求， 就要知道所選用的 PLC 是否有能力完成控制任務(wù)。如對 PLC 與 PLC、PLC 與智 能儀表以及上位機(jī)之間靈活方便的通訊要求；或?qū)?PLC 的計算速度、用戶程序容 量有特殊要求的；或?qū)?PLC 的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流 行的 PLC 品種有一個詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。 2. 價格方面 不同廠家的 PLC 產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相 當(dāng)、I/O 點數(shù)相當(dāng)?shù)?PLC 的價格能相差 40%以上。在使用 PLC 較多的情況下，這 樣的差價必須是需要考慮的。 輸入/輸出信號在 PLC 接線端子上的地址分配是進(jìn)行 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基 11 礎(chǔ)。對軟件設(shè)計來說，I/O 地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對控制柜和 PLC 的外 圍接線來說，只有 I/O 地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配 人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試 硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開主電路的情況下，主要試一試手動控制部分是 否正確。 軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開關(guān)和 PLC 輸出端的輸出指示燈進(jìn)行。需 要模擬量信號 I/O 時，可用電位器和萬用表配合進(jìn)行。調(diào)試時?？衫蒙显V外圍 設(shè)備模擬各種現(xiàn)場開關(guān)和傳感器狀態(tài)，然后觀察 PLC 的輸出邏輯是否正確。如果 有錯誤則修改后反復(fù)調(diào)試?，F(xiàn)在 PLC 的主流產(chǎn)品都可以在 P 機(jī)上編程，并可以在 電腦上直接進(jìn)行模擬調(diào)試。 聯(lián)機(jī)調(diào)試時，可以把編制好的程序下載到現(xiàn)場的 PLC 中。有時 PLC 也許只 有這一臺，這時就要把 PLC 安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時一定要先將主電 路斷電，只對控制電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)即可。通過現(xiàn)場聯(lián)調(diào)信號的接入常常還會發(fā)現(xiàn)軟 件以及硬件中的一些問題，有時廠家還需要對某些控制功能進(jìn)行改進(jìn)，這種情況 下，都要經(jīng)過反復(fù)測試系統(tǒng)后，才能最后交付使用。 產(chǎn)生水壓的設(shè)備是水泵，水泵轉(zhuǎn)動的越快，產(chǎn)生的水壓就越高。傳統(tǒng)的維持 水壓的方法就是建造水塔，水泵開者時將水打到水塔中，水泵休息時借助水塔的 水位繼續(xù)供水。水塔中的水位變化相對水塔的高度來說很小，也就是說水塔能夠 維持供水管路中水呀的基本恒定。 但是建造水塔需花費財力，水塔還會造成水的二次污染。不用水塔，而要解 決水壓隨用水量大小變化的問題。通常的辦法是：用水量大時，增加水泵的數(shù)量 或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度以保證管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時又需作出相反的調(diào) 節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路。這在電動機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可 設(shè)想的，但是今天辦到這一點已經(jīng)變的很容易了，交流變頻的誕生為水泵轉(zhuǎn)速的 平滑連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。交流變頻器是改變交流電源頻率的電子設(shè)備，輸入三 相工頻交流電后，可以輸出頻率平滑變化的三相交流電。 建造水塔需要花費財力，水塔還會造成水的二次污染。那么可不可以不借助 水塔來實現(xiàn)恒壓供水？答案是肯定的，但是要解決水壓隨用水量的大小變化的問 題。通常的辦法是：用水量大時，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度以保持 管網(wǎng)中水壓的不變，用水量小時又需要做出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本 思路，這在電動機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可以想象的，但是在今天辦到 這一切已經(jīng)邊的很容易了 7。 12 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。 配單臺電機(jī)和水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少十開一臺大電機(jī)肯 定是浪費，電機(jī)選小了用水量大時供水不足。而且水泵和電機(jī)都有維修的時候， 備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管壓網(wǎng)水呀的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn) 速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也有兩種配置方 式，一是為每臺水泵電機(jī)配一臺變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不需要切 換，但是購買變頻器的費用較高。另一種方案是數(shù)臺電機(jī)陪一臺變頻器，變頻器 與電機(jī)見可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余水泵共頻運行，以滿 足不同用水兩的需求。 下圖為恒壓供水泵站的示意圖。如圖 3-1 所示，圖中壓力傳感器用于檢測管 網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低；用水量小時， 水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器 8。 水箱 調(diào)節(jié)器 變頻器 電動機(jī) 水泵 壓力傳感器 用戶 圖 3-1 變頻恒壓供水站的基本組成 調(diào)節(jié)器是一種電子裝備,在系統(tǒng)中完成以下幾種功能: 1. 設(shè)定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠(yuǎn)， 用水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值， 另外有些供水系統(tǒng)可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站， 水壓的設(shè)定值可能不只一個，一般消防用水的水壓要高一些，調(diào)節(jié)器具有給定值 13 設(shè)定功能，可以以數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。 2. 接受傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制裝置 稱為反饋，調(diào)節(jié)器實反饋的接受點。 3. 根據(jù)給定值和實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié) 器接受了實測水壓的反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實測值之差。 如果給定值大于實測值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié)器的輸出信號 控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)工作中還有個調(diào)節(jié)規(guī)律的問 題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID 調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的 調(diào)節(jié)參數(shù)，如 P、I 、D 參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的，PID 調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的 的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微型計算機(jī)調(diào)節(jié)器多為數(shù)字調(diào)節(jié) 器。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一般式模擬信號，420mA 變化的電流信號或 010V 間 變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備工作。 下面以一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，如圖 3-2 所示，市網(wǎng)來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 TV1，它們自動把水注 滿儲水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱中注水。水池的高/低水位信號也 直接送給 PLC，作為底水位報警用。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器 高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥 YV2 處 于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運 行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電 磁閥 YV2 得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的 大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行。火災(zāi)結(jié)束后三臺 泵再改為生活供水使用 水池 y v 1 1 # 2 # 3 # 消防用 水 生活用 水 市網(wǎng)來水 E Q 14 圖 3-2 生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 3.2 系統(tǒng)控制要求 對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： 1. 生活供水時，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運行； 2. 三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先?！?的原則介入和退出； 3. 在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行的時間超過 3H，則要切換到 下一臺泵，即系統(tǒng)具有“ 倒泵功能 ”，避免某一臺泵工作時間過長； 4. 三臺泵在啟動時要又軟啟動功能； 5. 要有完整的報警功能； 6. 對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。 3.3 控制系統(tǒng)的 I/O 點及地址分配 PLC 要能夠識別和接受描述現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量，同時要能夠發(fā)出控制信號控 制一些執(zhí)行設(shè)備，以便對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。PLC 是通過 I/O 單元完成此工作的。 I/O 單元是 PLC 與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/ 輸出多種形式和驅(qū)動能力的 信號，以實現(xiàn)被控設(shè)備與 PLC 的 I/O 接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/ 并轉(zhuǎn) 換、A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場設(shè)備向 PLC 提供信號，包括人 為的控制信號和能描述現(xiàn)場狀態(tài)的開關(guān)量信號，例如由按鈕、限位開關(guān)、繼電器 觸點、接近開關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量。這些信號經(jīng)過輸入電路進(jìn)行濾波、光 電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成 CUP 能夠接受和處理的信號。輸出單元將經(jīng) 過 CUP 處理的弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需 要的強(qiáng)電信號，以驅(qū)動各種執(zhí)行元器件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、 調(diào)速裝置等 9。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如 下表 3-1 及 3-2 所示。水位上下限信號分別位 I0.1、I0.2，它們在水淹沒時為 0， 露出時為 1。 表 3-1 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 手動和自動消防信號 SA1 I0.0 輸 入 信 號 水池水位下限信號 SLL I0.1 15 表 3-2 模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 輸入/輸出技術(shù)規(guī)范 水池水位上限信號 SLH I0.2 變頻器報警信號 SU I0.3 消鈴按鈕 SB9 I0.4 試燈按鈕 SB10 I0.5 遠(yuǎn)程壓力表模擬量變 壓值 U AIW0 1#泵工頻運行接觸器 及指示燈 KM1，HL1 Q0.0 1#泵變頻運行接觸器 及指示燈 KM2，HL2 Q0.1 2#泵工頻運行接觸器 及指示燈 KM3，HL3 Q0.2 2#泵變頻運行接觸器 及指示燈 KM4，HL4 Q0.3 3#泵工頻運行接觸器 及指示燈 KM5，HL5 Q0.4 3#泵變頻運行接觸器 及指示燈 KM6，HL6 Q0.5 輸 出 信 號 生活/消防供水轉(zhuǎn)換 電磁閥 YV2 Q1.0 水池水位下限報警指 示燈 HL7 Q1.1 變頻器故障報警指示 燈 HL8 Q1.2 火災(zāi)報警指示燈 HL9 Q1.3 報警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復(fù)位控制 KA Q1.5 輸 出 信 號 控制變頻器頻率用電 電壓 UF AQW0 輸 入 技 術(shù) 規(guī) 范 輸 出 技 術(shù) 規(guī) 范 最大輸出電壓 30VDC 隔離（現(xiàn)場到邏輯） 無 16 最大輸入電壓 32mA 輸入濾波衰減 -3dB，3.1kHz 分辨率 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 信號范圍 電壓輸出 電流輸出 10 020 mA 隔離 否 輸入類型 差分 輸入范圍 分辨率，滿量程 電壓 電流 12 位 11 位 電壓單極性 010V，05V 01V，0500mV 電壓 電流 - 32000+32 000 0+32000 精度 最差情況 055 電壓輸出 電流輸出 2%滿量 程 2%滿量 程 電壓雙極性 電流 0100Mv,050mV 10V，5V ，2.5V 1V，500mV，250Mv 100mV, 50mV, 25mv 020mA 輸入分辨率 AD 轉(zhuǎn)換時間 250 s 模擬輸入階躍響應(yīng) 1.5 mS 到 95% 精度 最差情況 055 電壓輸出 電流輸出 典型，25 電壓輸出 電流輸出 2%滿量 程 2%滿量 程 5%滿量 程 5%滿量 程 17 3.4 系統(tǒng)選型 從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點 6 個、開關(guān)量輸出點 12 個；模擬 量輸出點 1 個、模擬量輸出點 1 個。如果選用 CPU 224 PLC，也需要擴(kuò)展單元； 如果選用 CUO 266 PLC 則價格較高，浪費較大。參照 S7 200 的產(chǎn)品目以及市 場實際價格，選用主機(jī)為 CUP222（8 入/6 繼電器輸出）一臺，加上一臺擴(kuò)展模 塊 EM222（8 繼電器輸出） ，再擴(kuò)展一臺模擬量模塊 EM235（4AI/1AO） 。這樣的 配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個 PLC 系統(tǒng)的配置如圖 3-3 所示 10。 圖 3-3 PLC 系統(tǒng)組成 S7-200PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)德一種小型 PLC，其許多功能達(dá)到大、中 型 PLC 的水平，而價格卻和小型 PLC 一樣，因此，它一經(jīng)退出，即受到了廣泛 的關(guān)注。特別是 S7-200CUP22*系列 PLC。由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面 （HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成 PLC 網(wǎng)絡(luò)。 共模抑制 4dB,DC 到 60Hz 共莫電壓 信號電壓加共加模電壓12V 24VDC 電壓范圍 20.428.8V 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿量程 單極性，滿量程 -32000+32000 032000 設(shè)置時間 電壓輸出 電流輸出 100 s 2ms 主機(jī)單元 CUP222 AC/DC 繼電器 擴(kuò)展單元 EM222 8 點繼電器 模擬量單元 EM235 4AI/1AO 18 3.5 PLC 模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 PLC 的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，了使 PLC 能完成模擬量的處 理,常見的方法是為整體式 PLC 加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可將外部 模擬量轉(zhuǎn)化為 PLC 可處理的數(shù)字量及將 PLC 內(nèi)部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外可 以使用的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨用于 模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/轉(zhuǎn)換的，也兼有模/數(shù)和數(shù)/ 模兩種功能的，以下介紹 S7-200 系列 PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬 量輸入，可以用于恒壓供水控制中。 3.5.1 EM235 模擬量工作單元性能指標(biāo) 為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設(shè)計成可編程，而轉(zhuǎn) 換生成的數(shù)字量一般具有固定的長度及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的數(shù) 字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、輸 出信號范圍欄給出了 EM235 的輸出、輸入信號規(guī)格，以供選用 11。 3.5.2 校準(zhǔn)及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實際需接入的 信號類型對模塊進(jìn)行一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡單的理解為儀器儀表使用前的調(diào)零以 及調(diào)滿度。 3.5.3 EM235 的安裝使用 1. 根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設(shè)置 DIP 開關(guān)，完成模塊的配置工作。必 要時進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 2. 完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入 方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感器的線 路盡可能短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證 24VDC 傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定可 靠。 3. 確定模塊安裝入系統(tǒng)時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。S7-200 擴(kuò) 展單元安裝時在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊 0 開始編號。模塊安裝完畢后， 將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。 4. 為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬量單 元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲單元。一般使用模擬量 19 輸入 AIW 及模擬量輸出 AQW 單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待入模塊轉(zhuǎn) 變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲區(qū) V 區(qū)存放處理產(chǎn)生的的中間數(shù) 據(jù)。 3.5.4 EM235 工作程序編制 EM235 的工作程序編制包括以下的內(nèi)容： 1. 設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預(yù)置頂及采樣和單元清 零的工作，為開始工作做好準(zhǔn)備。 2. 設(shè)置模塊檢測子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的 正確性。 3. 設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計算工作。 4. 工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。 S7-200PLC 硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機(jī)包含一定數(shù)量 的輸入/輸出（I/O）點，同時還可以擴(kuò)展 I/O 模塊和各種功能的模塊。 一個完整的系統(tǒng)組成如圖 3-4 所示。 編程工具 C U P 主機(jī) 擴(kuò)展模塊 功能模塊 人機(jī)界面 通訊設(shè)備 圖 3-4 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 （1）基本單元 基本單元（ Basic Unit）有時又稱 CUP 模塊，也有的稱之 為主機(jī)或本機(jī)。它包括 CUP、存儲器、基本輸入/ 輸出點和電源等，是 PLC 的主 要部分。實際上它就是一個完整的控制系統(tǒng)，可以單獨完成一定的控制任務(wù)。 （2）擴(kuò)展單元 主機(jī) I/O 點數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時，用戶可以根 據(jù)需要擴(kuò)展各種 I/O 模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實際所能使用的 I/O 點 數(shù)時由多種因素共同決定的。 （3）特殊功能模塊 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)，需要擴(kuò)展功能 模塊。它們是完成某些特殊控制任務(wù)的一些設(shè)置。 （4）相關(guān)設(shè)備 相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便地利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源 而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 20 （5）工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為了更好地管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之 相配套的程序，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運行軟件和人機(jī)借口軟件等幾大 類構(gòu)成 12。 EM235 安裝使用 1. 根據(jù)輸入信號的類型以及范圍設(shè)置 DIP 開關(guān)，完成模塊的控制工作。 2. 完成硬件的接線工作。 3. 確定模塊安裝入系統(tǒng)時的位置，并由按裝位置確定模塊的編號。 4. 為了主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字量以及待送入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量 輸出的數(shù)字量。 3.5.5 電氣控制系統(tǒng)原理圖 電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及 PLC 外圍接線圖。 1. 主電路圖如下圖 3-5 所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺電機(jī)分別為 M1、M2、M3。接觸 KM1、KM3 、KM5 分別控制 M1、M2、M3 的工頻運行； 接觸器 KM2、KM4、KM6 分別控制 M1、M2 、M3 的變頻運行， FR1、 FR2、 FR3 分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS1、QS2、QS3 、QS4 分別為變頻器喝三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1 為 主電路的熔斷器，VVVF 為簡單的一般變頻器。 21 圖 3-5 電控系統(tǒng)主電路 2.控制電路圖 圖 3-6 所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA 打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕 SB1SB2 控制三臺泵的啟 /停和電磁閥 YV2 的通/斷；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC 程序控制下運行 13。 圖中的 HL10 為自動運行狀態(tài)的電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時只提 供一個干觸點信號，由于 PLC 為 4 個輸出點為一組共用一個 COM 端，而本系統(tǒng) 又沒有剩下單獨的 COM 端輸出組，所以通過一個中間繼電器 KA 的觸點對變頻 器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的 Q0.0Q0.5 及 Q1.0Q1.5 為 PLC 輸出繼電器觸點，它們 旁邊的 4、6、8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合 PLC 外圍接線圖一起讀圖。外圍接線 圖如圖 3-7 所示。 1 2 0 S B 1 K M 1 S B 2 Q 0 . 0 Q 0 . 1 K M 2 K M 2 K M 1 H L 1 K M 2 H L 2 F R 1 4 6 P L C S B 4 Q 0 . 2 Q 0 . 3 K M 4 K M 2 K M 3 8 1 0 S B 6 Q 0 . 4 Q 0 . 5 K M 6 K M 2 K M 5 1 2 1 4 S B 3 K M 3 F R 2 H L 3 K M 4 H L 4 F R 3 H L 5 K M 6 H L 6 K M 5 S B 5 S B 7 Y V 2 S B 8 Y V 2 H L 7 H L 8 H L 9 H A K A H L 1 0 Q 1 . 0 Q 1 . 1 Q 1 . 2 Q 1 . 3 Q 1 . 4 Q 1 . 5 N 1 N L 1 F U 2 22 圖 3-6 電控系統(tǒng)控制電路 圖 3-7 外圍接線圖 23 第 4 章 系統(tǒng)程序設(shè)計 硬件條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制 要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下： 4.1 由 “恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 前面已經(jīng)說過了，為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率， 且在一臺泵不能滿足要求時，需啟動第 2 臺或第 3 太泵。判斷需啟動新泵的標(biāo)準(zhǔn) 是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可以同過比較指令來實現(xiàn)。為 了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)該濾去偶然的頻率波動引起的頻 率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時間濾波 14。 4.2 泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動電機(jī)都為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替 使用，多泵組泵站泵組的投運要有一個管理規(guī)范?？刂埔笾幸?guī)定任意一臺泵連 續(xù)運行時間不得超過 3h，因此每次需要啟動新泵或切換變頻泵時，以新運行泵為 變頻泵是合理的。具體的操作時，將現(xiàn)行運行的變頻泵從變頻器上切除，并接上 工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有 一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，這里我們使用泵號加 1 的方法來實現(xiàn)變頻泵的 循環(huán)控制（3 加 1 等于零） ，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 4.3 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn) 由于 PLC 在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，本程序可分為 3 部分：主程序、 子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可 以節(jié)省掃描時間。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控 制信號的綜合以及報警處理都在主程序。 邏輯運算及報警處理等放在豬程序。利用定時器中斷功能