恒压供水系统的PLC控制设计

摘 要 本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，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。关键词:PLC；恒压供水；变频器目 录第一章 简述1.1 控制系统的选择11.2 可编程控制器（PLC）历史与发展趋势21.2.1 可编程控制器的历史21.2.2 可编程控制器的发展趋势31.3 可编程控制器的基本功能和特点31.3.1 PLC的基本功能31.3.2 PLC的特点41.3.3 PLC的分类41.4 可编程控制器的组成和工作原理51.4.1可编程控制器的硬件组成51.4.2 可编程控制器的软件系统和程序61.4.3可编程控制器的工作原理6第二章 系统硬件设计2.1 恒压供水系统的基本构成82.2 系统控制要求92.3 控制系统的I/O点及地址分配102.4 系统选型112.5 PLC模拟量模拟量控制单元的配置以及应用112.5.1 EM235模拟量工作单元性能指标112.5.2 校准及配置122.5.3 EM235的安装使用132.5.4 EM235工作程序编制132.5.5 电气控制系统原理图14第三章 系统程序设计3.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理173.2多泵组泵站泵组管理规范173.3 程序的结果以及程序功能的实现17结束语28参考文献29前 言随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水质量要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。第一章 简述1.1控制系统的选择随着集成芯片技术的不断提高，特别是高档8位、16位单片机的普及，单片机轧管系统由单片计算机及其外围芯片构成机械手自动控制系统系统。其特点是单片机本身小巧、功耗低，实时控制功能强，但是其软、硬件的开发必须借助于开发工具，系统调试困难，不具有自开发能力。继电器控制装置是采用硬逻辑的方式，一个继电器线圈的通断将会同时影响该继电器的所有常开常闭触点动作，同触点在控制线路的位置无关。虽然继电器控制不需要很强的软、硬件支持。价格相对便宜，但是性能不稳定精度不高，不具备自动控制功能。PLC是一种新型的具有极高可靠性的通用工业自动化控制装置。它以微处理器为核心，有机地将微型计算机技术、自动化控制技术及通信技术融为一体。其特点如下：(一) 高可靠性1.所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离，防止外部高压的窜入。2.各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms，有效的抑制了高频抗干扰信号。3.在PLC电路中设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来。4.采用性能优良的开关电源。5.对采用的器件进行严格的筛选。6.良好的自诊断功能，一旦电源或其它软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。7.大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。(二)丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。(三) 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 (四) 编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。(五) 安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，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。使用方便。PLC的结构不仅具有先进的通讯和输入、输出能力，而且其模块化的系统结构、灵活的配置能力，使用户可以灵活组成各种规模和不同要求的控制系统。 设计、施工、调试周期短。用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行，缩短了周期。PLC的功能有：1.逻辑控制；2.定时控制；3.计数控制；4.PID控制；5. 数据控制；6. 通信和联网；7其它PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，CRT模块。易于实现机电一体化。PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。鉴于PLC的诸多优势，结合机械手自动控制系统的需要，选择日本三菱公司的S7-200系列可编程控器。SIMATIC S7-200系列PLC是西门子公司生产的具有高性能价格比的小型可编程控制器，由于它具有控制能力强、体积小、抗干扰能力强等优点而得到广泛的应用。1.2可编程控制器（PLC）的历史与发展趋势1.2.1 可编程控制器(PLC)的历史可编程控制器（Progremmable Controller,PC）是进几年迅速发展并得广泛应用的新一代工业自动化控制装置。早年的可编程控制器在功能上只能实现逻辑控制，因此被称为可编程顺序逻辑控制器（Programmable Logy Controller）.这时的PLC基本上是（硬）继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、记数等功能。国际电工委员会（IEC）与1987年2月在颁布的可编程控制器标准草案中将其一步定义为：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编程序的内存，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂商先后开采用微处理器作为PLC的CPU，这样使PLC的功能大大的增强。20世纪80年代，由于超大规模集成电路技术的发展微处理器价格大幅下跌，使得各种类型的PLC所采用的CPU的档次谱偏提高，一般采用16位和32位的CPU。目前，世界上约有200家PLC生产厂家。其中，美国的（Rockwell）、(GE)，德国的西门子（Siemems）,法国的施耐德（Schmeider）, 日本的三菱，奥姆龙（Omron）还有我国江苏嘉华，他们从只有几十个点（I/O总点数）的微型PLC到上万个点的巨型PLC。可以预见PLC将会是电气控制装置的主要控制组件。1.2.2 可编程控制器的发展与趋势由于工业生产对自动控制系统的多样性，今后几年的PLC技术将围绕如下几个方面发展。（1）进一步加快CPU的处理速度。全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型体系结构，工作方式使扫描和中断并存；各种模块自能化，部分系统程序用门阵列电路固化，这样可以使速度达到ns级。（2）变革操作控制方式。大量使用中断驱动方式，以增加对输入/输出（I/O）的快速反应能力。（3）发展自能化模块。自能化模块主要有：通信模块、位置控制模块、数据处理模块与控制模块、数/模（D/A）转换模块、PID控制模块及一些自能化I/O模块。（4）进一步提高可靠性。PLC将在硬件上采用多CPU的容错系统，软件上开发更加高级的诊断程序，以及发展软件的容错技术，增强PLC的自诊断和外部故障检测功能等。在PLC线路中采用隔离技术防止外部高压的窜入；采用滤波技术，可以有效抑制高频干扰信号；还设置了“看门狗”电路，能把因干扰而飞走的程序拉回来，从而起到自动恢复作用。 可见PLC实质上是一种面向用户的工业控制专用计算机，它与通用计算机相比有其自身的特点。（1）提供更方便灵活的编程方法，PLC的使用更加的方便。最大特点是采用清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图作为编程语言，梯形图是面向控制过程，面向操作人员的语言。因此梯形图程序简单易学，易修改，深受电器工作人员的欢迎。（2）PLC的结构和规模将更加两极化更强大和更小巧。更强大是指存储容量更大，I/O点数更多，执行速度更高，智能化程度更强，数据更安全；更小巧是指体积更小，价格更底，但性能更强的微型化PLC。（3）PLC产品更加规范化、标准化将有利于PLC的设计、生产、使用和维护。（4）加强PLC的联网功能。加强PLC与PLC之间，PLC与计算机的联网能力，为实现工厂自动化提供必要的条件。这样可以实现多个系统之间进行数据传送、交换和处理。1.3 可编程控制器的基本功能和特点1.3.1 PLC的基本功能（1)逻辑控制功能逻辑控制功能实际上就是位处理功能，是可编程控制器的最基本的功能之一。PLC设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，利用这些指令，根据外部现场（开关、按扭或其它传感器）的状态，按照制定的逻辑进行运算处理后，将结果输出到现场的被控对象（电磁阀、接触器、继电器、指示灯等）。因此PLC中一个逻辑位的状态可以无限次地使用，逻辑关系的修改变更也十分方便。（2）定时控制功能PLC中用户提供使用的定时器，定时器的设定值（定时时间）可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。（3）记数控制功能PLC为用户提供了很多计数器。计数器到某一定值时（设定值），产生一个状态信号，利用该信号实现对某个操作的记数控制。PLC将根据用户用计数器指令指定的计数器对某个控制信号的状态改变次数进行计数，以完成对某个工作过程的计数控制。（4）步进控制功能PLC为用户提供了若干个状态器，可以实现由时间、技术和其它指定逻辑信号为转移条件的步进控制，即在一道工序完成以后，在转移条件满足时，自动进行下一道工序。（5）数据处理功能大部分PLC都有数据处理功能，可实现算术运算、数据传送、数据比较、数据转换、译码等操作。（6）程控功能有些PLC具有A/D、D/A转换功能方便地对仿真量的控制调节。（7）通信联网功能有些PLC采用通信技术，可以多台PLC之间的同位链接、PLC与计算机之间的通信等。（8）监控功能PLC设置了较强的监控功能。操作人员利用编程器或监视器可对PLC的运行状态进行监控。利用编程器可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容为调试和维护提供极大的方便。（9）停电记忆功能PLC内部的部分内存所使用的 RAM 设置了停电保持器件（如备用电池），以保证断电后这部分内存中的信息不会丢失。（10）故障诊断功能PLC可对系统组成、某些硬件状态及指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动终止运行。1.3.2 PLC的特点PLC作为通用工业控制计算机，30年来，可编程控制器从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其领域从小到大，实现了单体设备控制到胜任运动控制、程控、及集散控制等各种任务的跨越，今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用，主要特点有：1.可靠性高，抗干扰能力强，能适应工厂环境；2.编程简单、直观，可边学边用；3.适应性好，具有柔性；4.功能完善，接口多样；5.易于操作，维护方便；6.体积小、功能强大、用途广1.3.3 PLC的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类并没有一个统一的标准，而是按结构形式、控制规、实现的功能大致地分类。a.按结构形式分类：PLC按硬件的结构形式可以分整体式和模块式。整体式PLC ： 整体式PLC的 CPU、内存、I/O 安装在同一机体内（如三菱的FX系列）。这种结构的特点是：结构简单、体积小、价格低。适用于嵌入控制设备的内部，常用于单机控制。模块式PLC ： 组合式PLC为总线结构。其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。配置灵活、组装方便、扩展容易。b.按I/O点数和功能分类：I/O的点数是衡量PLC 控制规模的重要参数。因此，按控制规模可分为小型PLC、中型PLC和大型PLC.（1） 微型PLC I/O点数小于64点（2） 小型PLC I/O点数在64-256点之间。（3） 中型PLC I/O点数在256点512点之间。（4） 大型PLC I/O点数在5128192之间。（5） 超大型PLC 大于8192点c.按控制实现的功能分类：按照PLC所能实现的功能不同，可以把PLC大致地分为低档PLC、中档PLC和高档PLC三类。1.4可编程控制器的组成和工作原理1.4.1 可编程控制器的硬件组成PLC主要有中央处理器（CPU）、内存（RAM、EPROM）、I/O、电源、扩展接口和编程器接口等几部分组成，其结构图如下图1所示（1）CPU模块 在PLC系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。（2）I/O模块 输入（INPUT）模块和输出（OUTPUT）模块简称I/O模块，他们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。 输入模块用来接受和采集输入信号，数字量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字开关、限位开关、接近开关、光电开关、等数字信号，模拟输入模块用来接收电位器，测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输入模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警器装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。 CPU模块的工作电压一般是DC5V，而PLC的输出/输出信号电压信号一般较高，如DC5V和AC220V，可防止从外部引入的尖峰电压和干扰信号可能损坏CPU模块中的元器件或影响PLC的正常工作。I/O模块中，用光电耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。（1） 编程装置编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改，掌上型编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用来现场调试和维修。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同的编程语言的相互转换，程序被编译下载到PLC也可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置PLC内部的各种参数，通过通信，可以显示梯形图中的触点和线圈的通断情况，以及运行时PLC内部的各种参数，对于查找故障非常有用。（2） 电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为各模块提供各种直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。1.4.2 可编程控制的软件系统和程序PLC是一种工业控制计算机，不仅有硬件，软件也是必不可少的。在PLC中软件分为两大部分，即系统程序和用户程序。(a) 系统程序是PLC赖以工作的基础，采用汇编语言编写，在PLC出厂时就已固化于ROM型系统程序内存中，不需要用户干扰。系统程序分为系统监控程序和解释程序。 (b) 用户程序又称为应用程序，是用户为完成某一特定任务而利用PLC的编程语言而编制的程序。用户程序通过编程器输入到PLC的用户内存中，通过PLC的运行而完成这一特定的任务。1.4.3 可编程控制器的工作原理PLC内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和内存组成的。例如，输入继电器 X由输入电路和映像输入触点的内存组成；输出继电器Y由输出电路和映像输出点的内存组成；定时器T、记数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器D、变址积存器V/Z等都有内存组成。为了把它们与普通的硬件区分开，通常把上面的器件称为软器件。从工作过程看，只注重器件的功能和器件的名称。如，输入继电器X、输出继电器Y等，而且每个器件都有确定的地址编号，这对编程十分重要。PLC的工作原理可概括为：在系统管理程监控下，对I/O集中采样、顺序执行用户程序并将运算结果集中输出的工作过程。与计算机不同的是，计算机一般采用查询等待命令的工序的执行并转到相应子程序。因此，当控制软件发生故障时，会一直等待键盘或I/O命令，可能发生死机现象。而PLC作为专用工业控制机，一般采用扫描用户程序工作方式，系统管理及应用程序的执行全部是以循环扫描方式完成。当软件发生故障时，可以定时执行下一轮扫描，避免了死机现象，因此可靠性更高第二章 系统硬件设计2.1 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2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。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享一个泵站，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回馈，调节器实回馈的接受点。（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回馈信号后，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，420mA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所示，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享三台泵，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2.2 系统控制要求对三泵生活/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；（5）要有完整的报警功能；（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。2.3 控制系统的I/O点及地址分配PLC要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。PLC是通过I/O单元完成此工作的。I/O单元是PLC与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的信号，以实现被控设备与PLC的I/O接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。输入单元接受现场设备向PLC提供信号，包括人为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等处理后，变成CUP能够接受和处理的信号。输出单元将经过CUP处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。根据图2 及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如下表1所示。水位上下限信号分别位I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。表1 输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编号 输 入 信 号手动和自动消防信号SA1I0.0水池水位下限信号SLLI0.1水池水位上限信号SLHI0.2变频器报警信号SUI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5远程压力表模拟量变压值UAIW0输 出 信 号 1#泵工频运行接触器及指示灯KM1，HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2，HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3，HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4，HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5，HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6，HL6Q0.5生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.0输 出 信 号水池水位下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2火灾报警指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5控制变频器频率用电电压UFAQW02.4 系统选型从上面分析可知，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输出点1个、模拟量输出点1个。如果选用CPU 224 PLC，也需要扩展单元；如果选用CUO 266 PLC则价格较高，浪费较大。参照S7 200的产品目以及市场实际价格，选用主机为CUP222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一台模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图42.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用PLC的普通输入输出埠均为开关量处理埠，了使PLC能完成模拟量的处理,常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转化为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/转换的，也兼有模/数和数/模两种功能的，以下介绍S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。2.5.1 EM235模拟量工作单元性能指针表2 模拟量扩展模块EM235输入/输出技术规范输 入 技 术 规 范输 出 技 术 规 范最大输出电压30VDC隔离（现场到逻辑）无最大输入电压32mA信号范围 电压输出 电流输出10020 mA输入滤波衰减-3dB，3.1kHz分辨率12位A/D转换器隔离否分辨率，满量程 电压 电流12位11位输入类型差分输入范围电压单极性010V，05V01V，0500mV电压电流-32000+320000+32000电压双极性电流0100Mv,050mV10V，5V，2.5V1V，500mV，250Mv100mV, 50mV, 25mv020mA精度最差情况055电压输出电流输出2%满量程2%满量程精度最差情况055电压输出电流输出典型，25电压输出电流输出2%满量程2%满量程5%满量程5%满量程输入分辨率AD转换时间250s模拟输入阶跃响应1.5 mS到95%共模抑制4dB,DC 到60Hz共莫电压信号电压加共加模电压12V24VDC电压范围20.428.8V设置时间电压输出电流输出100s2ms数据字格式双极性，满量程单极性，满量程-32000+32000032000 为能适用各种规格的输入、输出两，模拟量处理模块都设计成可编程，而转换生成的数字量一般具有固定的长度及格式。模拟量输出则希望将一定范围的数字量转换为标准电流量或标准电压量以方便与其它控制接口。上表中，输入、输出信号范围栏给出了EM235的输出、输入信号规格，以供选用。2.5.2 校准及配置模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。2.5.3 EM235的安装使用 （1）根据输入信号的类型及变化范围设置DIP开关，完成模块的配置工作。必要时进行校准工作。 （2）完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路尽可能短，且应使用屏蔽双绞线，要保证24VDC传感器电源无噪声、稳定可靠。（3）确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。S7-200扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块0开始编号。模块安装完毕后，将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。（4）为了在主机中进行输入模拟量转换后数字处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量输入AIW及模拟量输出AQW单元安排由模拟量模块送来的数字量及待入模块转变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区V区存放处理产生的的中间数据。2.5.4 EM235工作程序编制EM235的工作程序编制包括以下的内容：（1）设置初始化主程序。在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。（2）设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接的正确性以及模块工作的正确性。（3）设置子程序完成采样以及相关的计算工作。（4）工程所需的有关该模拟量的处理程序。（5）处理后模拟量的输出工作。S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能的模块。一个完整的系统组成如图5 （1）基本单元 基本单元（Basic Unit）有时又称CUP模块，也有的称之为主机或本机。它包括CUP、内存、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。（2）扩展单元 主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的 I/O点数时由多种因素共同决定的。（3）特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务，需要扩展功能模块。它们是完成某些特殊控制任务的一些设置。（4）相关设备 相关设备是为了充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作接口和网络设备等。（5）工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机借口软件等几大类构成。EM235安装使用（1）根据输入信号的类型以及范围设置DIP开关，完成模块的控制工作。（2）完成硬件的接线工作。（3）确定模块安装入系统时的位置，并由按装位置确定模块的编号。（4）为了主机中进行输入模拟量转换后数字量以及待送入模块转变为模拟量输出的数字量。S7-200 PLC的电源电压有（20.428.8）VDC和（85264）VAC两种，主机上还集成了24V直流电源，可以直接用与连接传感器和执行机构。它的输出类型有晶体管（DC）、继电器（DC/AC）两种输出方式。它可以用普通输入端子扑捉比CUP扫描周期更快的脉冲信号，实现高速记数。2路最大可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以便实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特素积存器的数值可以实现更改程序应用中的一些参数，如定时器/计数器的设定值过程量的控制参数等。2.5.5 电气控制系统原理图电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图以及PLC外围接线图。（1）主电路图如下图6所示为电控系统主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机超载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。（2）控制电路图图7所示电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1SB2控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程控下运行。图中的HL10为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共享一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图中的Q0.0Q0.5及Q1.0Q1.5为PLC输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合PLC外围接线图一起读图。第三章 系统程序设计硬件条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：3.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵不能满足要求时，需启动第2台或第3太泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以同过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。3.2多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有一个管理规范。控制要求中规定任意一台泵连续运行时间不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，这里我们使用泵号加1的方法来实现变频泵的循环控制（3加1等于零），用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。3.3 程序的结果以及程序功能的实现由于PLC在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为3部分：主程序、子程序和中断程序。系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合以及报警处理都在主程序。逻辑运算及报警处理等放在猪程序。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益时间常数为增益采样时间积分时间程序中使用的PLC元器件及其功能如下表3表3 程序中使用的元器件及功能器件地址 功能器件地址 功能VD100过程变量标准化值T38工频泵减泵滤波时间控制VD104压力给定值T39工频/变频转换逻辑控制VD108PI计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数M0.1泵变频启动脉冲VD116积分时间M0.3复位当前变频运行泵脉冲VD120积分时间M0.4复位当前变频运动泵脉冲VD124微分时间M0.5当前泵工频运动启动脉冲VD204变频起运动频率下限值M0.6新泵变频启动脉冲VD208生活供水变频器运动频率上限值M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VD212消防供水变频器运动频率上限值M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VD250PI调节结果存储单元M2.2泵工频/变频转换逻辑控制VD300变频工作泵的泵号M3.0故障信号总汇VD301工频运行的泵的总台数M3.1水池水位下限故障逻辑VD310倒泵时间内存M3.2水池水位下限故障消铃逻辑T33工频/变频转换逻辑控制M3.3变频器故障消铃逻辑T34工频/变频转换逻辑控制M3.4火灾消铃逻辑T37工频泵增泵滤波时间控制双恒压供水系统的梯形图程序以及程序注释如下图。对该程序有几点说明：（1）因为程序较长，所以读图时请按照网路标号的顺序进行；（2）本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数供水系统。 网络4 变频器上限时增泵滤波IN TONPT I0.0 VD250 .M0.1 T37 =D VD212 +50 VD250 I0.0 =D VD208 网络5 符合泵条件时，工频泵运行数加1 T37 VB301 =P PINC-BEN ENOIN OUT OUT VB301 VB301网络6 频率下限时减泵滤波 VD250 M0.2 T38IN TONPT B P （ ） DEC-BEN ENOIN OUT 0 VB301 VB301网络8 变频泵增泵或倒泵时，置位M2.0 M0.1 M2.0 （ ） M0.3 网络9 复位变频器频率，为软启动做准备 T 33IN TONPT M2.0 Q0.5 +1 （ ）网络10 产生关断当前变频泵脉冲信号 .（）a网络工频泵数加.（）NC-BEN ENOIN OUT网络12 T34IN TONPT M2.1 +2网络13 产生当前泵工频启动脉冲信号 T34 M0.5 P （ ） M2.1 （R ） 1网络14 M0.5 M2.2 （ S ）网络15 M2.2 T39IN TONPT +30网络16 产生下一台泵变频运行启动信号 T39 M0.6 P （ ） M2.2 （ R ） M2（ R ）网络17 变频工作泵的泵号转移 VB300MOV-BEN ENOIN OUT B 3 1 VB300 网络18 一个变频泵运行的持续时间判断 VB301 SM0.4INCDWEN ENOIN OUT =B P 0 VD301 VD310网络19 3H时间到，则产生下一台泵的变频启动信号 VD301 M0.3 =D P （ ）MOV-BEN ENOIN OUT +180 +0 VD301 网络20 有工频泵运行时，复位VD310MOVDWEN ENOIN OUT VB301 B 0 +0 VD310网络21 1号泵变频运行控制逻辑 SM0.1 VB300 M3.0 M0.4 Q0.0 Q0.1 =B （ ） M0.0 1 M0.6 Q0.1网络22 2号泵变频运行逻辑 M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.2 Q0.3 =B （ ） 网络23 3号泵变频运行控制逻辑 M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.4 Q0.5 =B （ ） 2 Q0.5网络24 1号泵工频运行控制逻辑 .M0.5 VB300 VB301 Q0.1 Q0.0