资源描述
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）摘 要 本论文以某小区供水系统的改造为背景，根据供水系统的特性和实际情况的要求，以松下FP0-T32CT作为主控制器、组态软件KingView作为监控平台对小区原有的继电器逻辑控制系统进行更新设计，采用松下公司提供的FPWIN GR软件对PLC进行程序的编制与调试。该系统可以对供水系统的压力、液位等过程参数进行在线检测，实现供水过程的全自动控制，满足居民用水的需要。 本论文研究的主要内容包括:基于PLC自来水控制系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、重点探讨PLC控制系统硬件、软件的设计方法，综合对比经验设计法、逻辑设计法、时序图设计法和顺序控制设计法，对PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题，如:电源干扰问题、扩展I/O点数和系统连锁问题等，提出了具体解决方案。 本论文是基于该工程项目的电气控制系统设计与实现展开的，采用可编程控制器PLC，完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标，实现了小区供水的自动化。关键词 PLC；供水系统；自动控制Abstract In this paper a district water supply system transformation as the background, according to the characteristics of the water supply system and actual situation, at the request of the panasonic FP0-T32CT as the main controller, configuration software as a platform to the village KingView monitoring of the original relay update logic control system design, the panasonic company FPWIN GR software to PLC for programming and debugging. The system can for the water supply system pressure, the liquid level and process parameters of on-line inspection, realize the automatic control process of water supply, meet residents use the need of water. This research include: tap water control system based on PLC of the overall program design, PLC control system principle, discusses the PLC control system hardware and software design method, integrated comparative experience design method, the logical design method, the timing diagram design method and sequence control design method, the PLC in actual control process often meet with some actual problems, such as: power interference problems, expand the I/O points and chain system, puts forward specific solutions.This paper is based on the engineering project of the electrical control system design and realization to launch, and by using the programmable controller PLC, has completed the electrical control system of the hardware and software design, basic achieve the expected goal to realize the automation of water supply area.Key word PLC; Water supply system; Automatic control 目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 本课题的研究背景及意义11.2 国内外研究现状和趋势11.3 设计原则31.4 本课题研究的内容4第2章 PLC的概述52.1 PLC的定义52.2 PLC的构成52.2.1 CPU的构成62.2.2 I/O模块62.2.3 电源模块72.2.4 底板或机架72.2.5 PLC的通信联网72.3 PLC的基本工作82.4 PLC的特点及应用10第3章 基于PLC的给水控制系统的总体设计123.1 基于PLC的给水控制系统概况123.2 基于PLC的给水控制系统要求、组成及功能123.2.1 基于PLC给水控制系统控制要求133.2.2 基于PLC的给水控制系统控制组成133.3 基于PLC给水控制系统设计143.3.1 基于PLC的给水控制系统的设计步骤143.3.2 基于PLC的给水控制系统的结构框图153.3.3 基于PLC的给水控制系统的工艺流程图16第4章 基于PLC的供水控制系统硬件设计174.1 基于PLC的供水控制系统PLC机型选择174.2 基于PLC的给水控制系统PLC容量选择184.3 基于PLC的给水控制系统I/O模块的选择184.3.1 确定I/O点数194.3.2 开关量I/O接口194.3.3 模拟量I/O接口204.4 基于PLC的给水控制系统电源模块的选择204.5 基于PLC的给水控制系统的信号的传输关系214.6 基于PLC的给水控制系统的I/O点数分布224.7 基于PLC的给水控制系统的元器件244.7.1 松下FP0-T32CT PLC244.7.2 其他元器件254.7.3 PLC的I/O地址分配264.7.4 主要元器件简介284.8 基于PLC的给水控制系统电路设计31第5章 基于PLC的给水控制系统的软件设计325.1 PLC程序设计的常用方法325.1.1 经验设计法325.1.2 逻辑设计法325.1.3 时序图设计法335.1.4 顺序控制设计法335.2 PLC软件设计概述355.3 基于PLC的给水控制系统控制流程35结 论36致 谢37参考文献38附录139附录243附录34754哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 本课题的研究背景及意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。采用PLC控制不仅可减少人的工作量，还可以降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。1.2 国内外研究现状和趋势自来水生产过程自动化控制系统的发展状态:水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器(PLC)的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。目前大部分水厂都是采用的这种模式。在这基础上，对水厂自动化又提出了新要求:即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式、“变频泵循环方式一两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器(5.5kw、22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。水厂工业自动化领域的发展趋势是管理控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管理控制一体化铺平道路。信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管理控制一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。1.3 设计原则这次毕业设计的设计原则是：以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑给水控制的工作环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如电器设计、电路原理、电机拖动、阀门控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。1.4 本课题研究的内容本论文主要介绍以可编程控制器PLC为核心，提出具体实现小区供水自动化的基本思路和方法。 1总体方案设计。根据系统概况和系统控制要求，对系统进行总体方案设计，进而确定系统的组成。 2下位机系统的硬件设计。根据系统工艺和控制要求，设计一个以PLC为核心的控制系统，系统由电气元件、PLC、传感器、现场机构及监控仪器组成。 3系统的软件设计。利用松下公司提供的专门软件FPWIN GR编制梯形图，实现供水过程的自动控制。4 上位机监控系统设计。主要包括系统监控界面设计,以及控制界面的后台程序设计。第2章 PLC的概述2.1 PLC的定义可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大的超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委(IEC)先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义：它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。2.2 PLC的构成从结构上分，PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。叠装式PLC是将整体式和模块式两种结构的优点结合起来。这种结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接仅用电缆即可，并且各模块可以叠装在一起。2.2.1 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，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贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入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，从用户程序存贮器中逐条读取指令，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 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析 CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由振荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，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，它也是在控制器指挥下工作。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，因此限制着控制规模。2.2.2 I/O模块 PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。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。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O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。 开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下： 开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）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。 按I/O点数确定模块规格及数量，模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。2.2.3 电源模块现代PLC一般配有开关式稳压电源，供内部电路使用。与普通电源相比，开关电源的输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。有的PLC还向外提供DC24V的直流电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 2.2.4 底板或机架 大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.2.5 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。 PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。2.3 PLC的基本工作 PLC虽然具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。有键按下或1/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。这个工作过程分为五个阶段:自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序的执行，输出刷新。其工作过程框图如图2-1所示。自诊断与编程器计算机等通信读入现场信号执行用户程序结果输出 图2-1 PLC的工作原理 l、每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。 2、PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。 3、PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。4、中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。5、当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行，扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素(与编程器等通信)时，扫描周期T见公式。T=(读入一点时间X输入点数)+(运算速度X程序步数)+(输出一点时间X输出点数)+故障诊断时间 显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没什么影响。但对控制要求严格，响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应的时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的不良影响。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作，而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的最大特点，使用者应特别注意。特别注意的是:在PLC的程序中，前面逻辑行的执行结果在本次扫描过程中，影响后面逻辑行的执行结果:而后面逻辑行的执行结果在本次扫描中不影响前面逻辑行的果。2.4 PLC的特点及应用可编程序控制器的特点主要包括以下几个方面:1、编程方法简单易学。PLC中配备了易于接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的20多条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器的功能。2、硬件配套齐全，用户使用方便。PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。PLC的安装接线也很方便，PLC一般用接线端子连接外部接线。3、通用性强，适应性强。由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速的适应工艺条件的变化。4、可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触电和接线。除此之外，PLC还采取了一系列抗干扰的措施。5、系统的设计、安装、调试工作量少。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。 由于PLC 具有一系列特点，因此，它已被广泛应用于矿山、冶金、机械、石油、化工、汽车制造、电力、造纸、印刷、轻工、纺织、交通、通讯、邮政、建筑、建材、环保、娱乐、食品加工、家电等各行各业。按照控制类型不同，它主要应用在以下几个方面：1、开关量控制。取代传统继电器控制系统，实现开关量的逻辑控制和顺序控制。2、模拟量控制。通过模拟量I/O模块可对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行控制。3、数字量控制。利用PLC能接收和发送高速脉冲的功能，在配备相应的传感器和脉冲伺服装置就可实现数字量控制。4、集散控制。PLC的通信联网能力很强。除了相互之间可以进行通信联网以外，PLC与计算机之间也可以进行通信联网，由计算机来实现对其监控和管理。 第3章 基于PLC的给水控制系统的总体设计3.1 基于PLC的给水控制系统概况本次毕业设计的自动供水系统仿真示意图如图3-1所示。该系统通过2台抽水泵(另外两台备用)分别将1#和2#两口水井中的井水抽到清水池中，加药处理后由2台加压泵(另外两台备用)分别向A区水塔和B区水塔自动供水，以保证两区居民的用水需求。 图3-1 PLC控制自动供水仿真图3.2 基于PLC的给水控制系统要求、组成及功能自动供水控制系统主要是控制4台抽水泵和4台加压泵的启停，保证用户供水，控制系统设“手动”和“自动”两种工作方式。手动方式是一种备用方式，它是在自动方式不能正常运行的情况下启用，自动方式可以实现无人值班，无需人为干预，正常情况下自动供水，保证用户有水可用即可。3.2.1 基于PLC给水控制系统控制要求(1) 1#或2#水井水位低于最低水位时，自动停止相应的抽水泵，在操作台显示液位值，并向上位机发出报警信号。(2) 清水池水位低于下限水位时，1#和2#两口水井中的各自一台水泵向清水池送水，当清水池水位达到上限时，根据设定值自动启动加药泵和搅拌电机进行加药处理，处理完毕后，向两个水塔自动供水。要求各台备用抽水泵在相应抽水泵出现故障时，自动投入运行。如果每个水井对应的两台抽水泵都出现故障，不能正常启动时，显示该水井供水报警。(3) A区或B区水塔水位不高于上限水位，清水池中的水是加药处理后适合居民使用的纯净水时，如果清水池中的水位不低于下限水位，各主加压泵同时向水塔送水；当水塔水位高于上限水位时，主加压泵停止送水；要求各台备用加压泵在相应加压泵出现故障时，自动投入运行。如果每个水塔对应的两台加压泵都出现故障，不能正常启动时，显示该水塔供水报警。(4) 通过上位机监控系统运行状态和报警，并实时显示水井、清水池、水塔的液位。供水管道的压力高于上限时，发出报警信号。(5) 本系统要求运行安全可靠，手动操作、自动操作转换方便、可行。3.2.2 基于PLC的给水控制系统控制组成本PLC的给水控制系统由按钮操作系统、电动阀门控制系统、PLC电气控制系统和上位机监控系统四个部分组成。(1)按钮操作系统实现手动和自动两种工作方式的转换；手动操作时，通过按钮控制任意一台抽水泵、加压泵、加药泵和加压泵电动阀们的启、停。(2)电动阀门控制系统它控制4台加压泵电动阀门的打开与关闭，可以实现自动控制与远程控制。(3)PLC电气控制系统实现4台抽水泵和4台加压泵的自动/手动通电与断电的电气控制，利用PLC实现功能要求的逻辑适时控制和信息向上位机的传送。(4)上位机监控系统监控4台抽水泵和4台加压泵的状态，并实时显示水井、清水池、水塔的水位，并显示报警信息。3.3 基于PLC给水控制系统设计本PLC给水控制系统的设计包括：系统结构框图的设计；系统控制的工艺流程图的设计；系统信号的传输关系的设计；PLC及其它元器件的选择；PLC的I/O地址分配；系统控制硬件电路的设计；PLC的流程图和梯形图的软件设计。3.3.1 基于PLC的给水控制系统的设计步骤PLC控制系统的设计分为硬件选型及PLC软件编制两个方面。现介绍控制系统的设计步骤。1、根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作时序、条件、必要的保护和联锁等）、操作（手动、自动、连续、间断等）。2、在明确了控制任务和要求后，选择电气传动方式和确定系统所需的用户输入、输出设备。 3、选择合适的PLC类型（包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择等）。4、分配I/O点，设计I/O端子接线图。5、进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。6、将编写好的程序输入PLC中去，并对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。7、联机调试。在PLC软硬件设计和控制台、柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统联机调试，调试中发现的问题，要逐一排除，直到调试成功。8、编制技术文件。（包括说明书、电气原理图、电气布置图、电气元件明细表、PLC程序清单）。9、交付使用。 以上是一个PLC控制系统设计的一般步骤，可根据控制系统的规模、控制要求的繁简、控制程序步序的多少，根据实际情况有的步骤可以省略。3.3.2 基于PLC的给水控制系统的结构框图根据控制系统要求，PLC控制器主要是对两个取水泵站的四台水泵和两个液位传感器、加药站的加药泵、加压站的四台加压泵进行控制及向上位监控机传送各种信息。由此，PLC控制系统的基本结构框图，如图3-2所示。 图3-2 PLC控制系统基本框图3.3.3 基于PLC的给水控制系统的工艺流程图根据PLC的供水控制系统控制工艺要求，由其相互逻辑关系，可以得到各个水泵和加压泵的自动控制流程图，如图3-3所示。图3-3工艺流程图第4章 基于PLC的供水控制系统硬件设计4.1 基于PLC的供水控制系统PLC机型选择机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。（1）结构合理对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC;否则，选用模块式结构的PLC。 （2）功能、规模相当对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般选用低档的PLC。 如西门子公司的S7-200系列机或欧姆龙公司的COM1。对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。如西门子公司的S7-300或S7-400。对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。（3）机型统一 一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理;另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训;其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中协调管理。（4）PLC的环境适应性由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下，可靠地工作。尽管如此每种PLC都有自己的环境技术条件，我们在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。（5）是否在线编程PLC的特点之一是使用灵活。当被控设备的工艺过程改变时，只需用编程器重新修改程序，就能满足新的控制要求，给生产带来很大方便。是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。4.2 基于PLC的给水控制系统PLC容量选择PLC容量包括两个方面:一是I/O的点数;二是用户存储器的容量(字数)。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8;对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以100。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。I/O点数应留有适当余量。由于目前I/O点数较多的PLC价格高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%15%考虑备用量。4.3 基于PLC的给水控制系统I/O模块的选择PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过1/0接口模块来实现的。根据PLC输入量和输出量的点数和性质，可以确定I/O模块的型号和数量，每一模块点数可能有4、8、16、32和64点，点数多的每点平均价格低一些。4.3.1 确定I/O点数I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/0点数就可能有所不同。4.3.2 开关量I/O接口开关量I/O接口按外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式，隔离式的每点平均价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选后两种。(1)选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑:一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过l0m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。(2)选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑:一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式:继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，抗干扰能力强，使用电压范围广，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开关频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载，响应速度快。但其负载驱动能力较差（负载电流为0.30.5 A）感性负载在断开瞬间会产生较高压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块允许电流值。4.3.3 模拟量I/O接口模拟量I/O接口是用来传输传感器产生的信号的。主要考虑以下两点：1、模拟量输入模块的参数指标，即模拟量输入模块的分辨率、精度和转换时间等参数指标必须满足现场的要求。2、抗干扰措施。主要方法有：输入信号必须与交流信号和可能产生干扰源的供电电源保持一定的距离；模拟量输入信号线要采取屏蔽措施；采取补偿技术以减少环境变化对模拟量输入信号的影响。4.4 基于PLC的给水控制系统电源模块的选择电源模块的选择一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流和总和。以下步骤为选择电源的一般规则:1、确定电源的输入电压;2、将框架中每块I/O模块所需的总背板电流相加，计算I/O模块所需的总背板电流值;3、I/O模块所需的总背板电流值再加上以下各电流:(1)框架中带有处理器时，则加上处理器的最大电流值;(2)框架中带有远程适配器或扩展本地I/O适配器模块时，应加上其最大电流值。4.5 基于PLC的给水控制系统的信号的传输关系根据供水系统控制要求，其检测、控制、显示、执行机构的分布和信号传输关系示意图如图4-1所示。 图4-1 供水系统检测、控制、显示、执行示意图4.6 基于PLC的给水控制系统的I/O点数分布由PLC自动控制系统原理框图工艺组成可得：电气控制系统要求5个液位传感器分别检测两个水井液位、清水池液位、A区水塔液位和B区水塔液位；4个出水辅助电接点压力表来控制四台加压泵电动阀门的开启和检测四台加压泵电机运行是否正常，除此之外，电气控制系统还要求一些水泵电机运行指示灯和按钮等元器件，各元器件功能及所占PLC输入输出点数见下表。表4-1 模拟量输入点数项目名称模拟量输入点数备注总点数水井液位变送器2模拟量：水井液位I点：7清水池液位变送器1模拟量：清水池液位A区和B区水塔液位变送器2模拟量：A区和B区水塔液位A区和B区水塔流量变送器2模拟量：A区和B区水塔流量表4-2 数字量输出点数项目名称数字量输出点数备注总点数14#抽水泵电机4运行及显示O点：914#加压泵电机4运行及显示14#加压泵电动阀门-正、反运行及显示加药电机1运行及显示运行模式显示-自动与手动分别显示表4-3 数字量输入点数项目名称数字量输入点数备注总点数14#抽水泵电机-手动按钮：起动与停止I点：2114#加压泵电机-手动按钮：起动与停止14#加压泵电动阀门-手动按钮：正转、反转与停止14#抽水泵出水辅助电接点压力表4-14#加压泵出水辅助电接点压力表8行程开关：极限压力检测和低压检测12#水井液位变送器2数字量：水井低液位清水池液位变送器2数字量：清水池高、低液位A区水塔液位变送器2数字量：A区水塔高、低液位B区水塔液位变送器2数字量：B区水塔高、低液位手动与自动切换1旋钮：手动与自动切换4.7 基于PLC的给水控制系统的元器件4.7.1 松下FP0-T32CT PLC本次设计所选的PLC主控制单元FP0-T32CT及扩展单元为FP0-E8T的总点数为48点。其中数字量输入24点，输出16点。该PLC的I/O总点数完全能够满足系统的要求，并且其多余的I/O点可以作为系统今后的功能扩展使用。FP0产品的特点如下：1外形小巧。FP0机型小巧精致，其外形尺寸高90mm，宽60mm，厚25mm，I/O可扩充至128点，总厚度也只有105mm。其安装体积在同类产品中是最小的，所以FP0可安装在小型机器设备及越来越小的控制板上。2运行速度高。FP0的运行速度是非常快的，执行500步的程序只需1ms。还可以捕捉仅50s的窄脉冲。3较大的程序容量。FP0具有5000步的大容量内存及大容量的数据寄存器，可用于复杂控制和有处理大量数据的能力。4灵活的网络通信功能。FP0可经RS323接口连接到调制解调器，当选用“调制解调器”通信方式时，FP0可使用AT命令自动拨号，实现远程通信。如果使用C-NET通信单元，可将多个FP0单元连接在一起构成分布式控制网络。本设计采用液位变送器对水井，清水池，水塔的液位进行勘测和监控。所选的A/D智能单元FP0-A80有8通道的模拟输入，足以满足系统5个模拟量的输入。下面对A/D智能模块的工作原理进行介绍8。模拟量输入A/D单元的作用是将外部的模拟量转换成数字量，以使CPU进行处理。FP0-A80模块式8路A/D。每路输入信号都经过前置放大器处理，来保证高输入阻抗和线性度，再由多路选择开关、模数转换、光电隔离后送至锁存缓冲器。当PLC程序扫描执行到读模拟量指令时，由程序制定的基本输入通道的模拟量就被采样，经过A/D转换完成后从锁存器经总线传送到指定的数据寄存器9。A/D转换模块的接口如图4-2所示。 图4-2 A/D模块接口示意图4.7.2 其他元器件由控制系统参数以及对PLC输入输出点数、性质的要求，以及前面所论述的PLC控制系统设计原则，对控制系统的其他关键元器件：液位变送器和变送器传送屏蔽电缆线，进行必要的选型。其选型明细表如表4-4所示。表4-4 PLC控制系统主要元器件明细表序号器件名称规格数量生产厂家备注1水井液位变送器SBP2881C5KBOB12北京富邦2清水池液位变送器SBP2881A4KB2M1B113A区水塔液位变送器FB3051LTEA222M114B区水塔液位变送器FB3051LTEA222M115变送器传送屏蔽电缆线RVVP31.0只作为信号线系统的其它各元器件，如：指示仪表、按钮、指示灯、继电器、接触器等等，在此就不进行选型，只对其数量和用途加以说明。（1）仪表指示类：7个仪表 12#水井液位指示、清水池液位指示、A区水塔液位指示、B区水塔液 位指示、A区水塔流量指示、B区水塔流量指示；（2）运行信号灯类：19个信号灯电源指示（1）、运行模式指示（2）、水井抽水指示（22）、搅拌机运行指示（21）、消毒剂添加指示（21）、加压泵运行指示（4）、电动阀门运行指示（4）；（3）手动指令开关类：1个转换开关、1个旋钮开关、37个按钮（共39个开关） 电源空气或自动开关（1）、运行模式指令（1）、水井抽水指令（2（2+2）、搅拌指令（2（1+1）、消毒剂添加指令（2（1+1）、加压泵指令（4（1+1）、电动阀指令（4（1+1+1）；4.7.3 PLC的I/O地址分配 根据控制系统要求利用PLC控制的信号的分布情况，综合考虑各输入、输出点的电压、电流和性质，对各输入、输出点进行分组分配。其对应PLC输入/输出地址分配如表4-5所示。表4-5 PLC输入/输出地址分配序号PLC上的I/O点控制功能说明备注1X0工作方式选择1自动 0手动2X1A区水位高1水位高3X2A区水位低1水位低4X3B区水位高1水位高5X4B区水位低1水位低6X5清水池水位高1水位高7X6清水池水位低1水位低8X71#水井水位1水位低9X82#水井水位1水位低10X91#抽水泵电接点11代表有水11XA1#抽水泵电接点21代表有水12XB2#抽水泵电接点11代表有水13XC2#抽水泵电接点21代表有水14XD1#加压泵有水电接点1代表有水15XE2#加压泵有水电接点1代表有水16XF3#加压泵有水电接点1代表有水17X104#加压泵有水电接点1代表有水18X111#加压泵高压电接点1代表压力高19X122#加压泵高压电接点1代表压力高20X133#加压泵高压电接点1代表压力高21X144#加压泵高压电接点1代表压力高22Y01#加压泵A区水塔主加压泵23Y12#加压泵A区水塔备用加压泵24Y23#加压泵B区水塔主加压泵25Y34#加压泵B区水塔备用加压泵26Y41#抽水泵1#井主抽水泵27Y52#抽水泵1#井备用抽水泵28Y63#抽水泵2#井主抽水泵29Y74#抽水泵2#井备用抽水泵30Y8搅拌电机搅拌轮控制电机31Y9加药电机控制加药电机32YA1#加压泵高压报警控制1#加压泵高压报警33YB2#加压泵高压报警控制2#加压泵高压报警34YC3#加压泵高压报警控制3#加压泵高压报警35YD4#加压泵高压报警控制4#加压泵高压报警36WX21#井水位仪A/D单元CH0通道37WX42#井水位仪A/D单元CH1通道38WX6水池水位仪A/D单元CH2通道39WX8A区水位仪A/D单元CH3通道40WX10B区水位仪A/D单元CH4通道4.7.4 主要元器件简介1.3051/1151LT系列法兰式变送器图4-3 3051/1151LT系列法兰式变送器表4-6 3051/1151LT系列法兰式变送器规格名称型号测量范围（kPa）最大工作压力（Mpa）准确度等级法兰式液位变送器1151LT406.237.42.50.2、0.51151LT60117690(1)主要特点a品种齐全、精度高、稳定性好、价格比同类进口仪表便宜；b量程和零位可在外部连续调节；c正迁移可达500%，负迁移可达600%（最小量程时）； d阻尼可调；(2)工作原理被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两隔离膜片上，通过隔离膜片和元件内的填充液传送到预张紧的测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器，在无压力通入或两侧压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器的电容量相等。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过检测此电容极板上的差动电容，再由电子线路把差动电容转换放大成4-20mADC的二线制电流信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同,所不同的是低压室压力是大气压或真空。图4-4 元件的结构图(3)功能范围使用对象：液体、气体和蒸气。输出信号：420mADC。（特殊可为四线制010mADC输出）。 供电电源：供电电源为1245VDC，带数字显示器为1545VDC，一般24VDC。负 载：与供电电源有关，负载阻抗R与电源电压V的关系式为R50(V-12)。（带表头时负载能力有所降低）2.WP311型投入式液位变送器图4-5 WP311型投入式液位变送器WP311型投入式液位变送器（也称 静压式液位变送器 ）选用进口带防腐膜片敏感组件，将芯片装入一个不锈钢（或聚四氟乙烯）壳体内。顶部的钢帽起保护传感器的作用，也能使被测液体流畅地接触到膜片。该产品采用特制的通气电缆，使感压膜片的背压腔与大气良好相通，测量液位不受外界大气压变化的影响，测量准确，长期稳定性好，并具有优良的密封及防腐性能，符合船用标准，可直接投入到水、油等液体中长期使用。聚四氟乙烯材料的外壳及电缆可测量多种强腐蚀性液体，如表4-7所示。表4-7 WP311型投入式液位变送器技术指标量 程： 0 0.5200mH 工作温度： 20 85 过 载： 150% FS综合精度： 0.1 ， 0.25 ， 0.5 级保护等级： IP68稳 定 性： 0.2%FS / 年测量介质： 与不锈钢 (1Cr18Ni9Ti) 或聚四氟乙烯兼容的介质4.8 基于PLC的给水控制系统电路设
展开阅读全文