毕业设计（论文）-PLC高层民用恒压供水自动控制系统设计.doc

焦作大学毕业设计 摘 要摘 要随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。本文在分析和比较了国内外供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的高层恒压供水系统。该系统综合运用plc技术、变频调速技术等，实现了高层恒压供水的参数整定自动控制，保证了高层恒压供水系统维持在最佳运行状况。根据高层恒压供水的要求，采用plc与变频调速技术对供水泵组进行控制，并在控制系统中引进了软硬件双重滤波技术和数字pid在线控制技术。介绍了系统的硬件构成、软件设计、工作原理、运行方式、参数整定等。关键词：高层恒压供水；plc；变频调速；pid控制35焦作大学毕业设计 abstractabstractalong with the rapid development of urban and rural construction, water and electricity supply shortage of contradictions become more and more attention. for example, the daily life of an increasing amount of water a day of fluctuations in the amount of water is also growing. in the past water supply systems, water pumps are often selected by the largest amount of water to determine the actual amount of water in the ever-changing. water for a shorter time to peak, which pumps a long period of time there is a greater margin, is not only inefficient water pumps, water pressure unstable, and cause a lot of electricity, waste of water resources; in the past and rely on manual control pump start, stop, it can not meet the requirements.on the of analysis comparing the developing situation and characteristics of the domestic and international factories automatic control system, along with chinas middle-sized and small urban water factories situation, this paper designs a set of vvvf technology-based. water supply computer controlling system. the system integratech uses the computer technology, vvvf technology and so on, realizing the parameters automatic setting of the water supply and ensuring the water supply system maintains the best operating condition at any time.according to the requirements of water supply, we have applied plc and vvvf technology to control water pumping system, and brought in software and hardware technology and dual-line digital pid control technology in the controlling system. this paper has introduced a system of hardware, software design, principle, the operation mode and setting parameters and so on.keywords: water-supply ；plc ；vvvf ；pid control焦作大学毕业设计 目 录目 录1 引 言11.1 高层恒压供水问题的提出11.2 国内高层恒压供水系统的现状11.3 各类供水系统的比较31.4 可编程序控制器及变频调速在供水行业中的应用31.5 恒压供水的意义51.6 恒压供水的目的51.7 本课题的恒压供水思路61.8 小结62 高层恒压供水自动控制系统的硬件设计72.1 高层恒压供水系统的基本硬件构成72.2 plc组成82.2.1 plc的输入82.2.2 plc的输出92.2.3 plc的控制机制92.2.4 plc的定义112.2.5 plc的特点112.2.6 plc的性能指标132.2.7 plc的分类132.3 plc工作原理142.3.1 循环扫描142.3.2 i/o响应时间152.3.3 plc中的存储器162.4 plc的i/o编址162.5 plc控制系统的结构172.5.1 单机控制系统172.5.2 集中控制系统172.5.3 分散控制系统182.6 plc的选型设计192.7 plc的输入/输出点分配192.8 plc的输入/输出电路设计202.9 小结213 高层恒压供水自动控制系统的软件设计223.1 高层恒压供水系统的软件平台223.1.1 编程语言的选择223.1.2 梯形图的基本绘制规则223.2 高层恒压供水系统的流程图设计233.3 高层恒压供水自动控制系统的梯形图设计243.3.1 主程序243.3.2 回路表子程序253.3.3 初始化子程序253.3.4 中断子程序263.4 小结274高层恒压供水自动控制系统的模拟仿真294.1 硬件设置294.2 生成ascii文本文件294.3 下载程序294.4 调试部分294.5小结325 结束语33参考文献34致 谢35焦作大学毕业设计 1引 言1 引 言1.1 高层恒压供水问题的提出水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。供水可靠性低。由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。 水资源浪费。除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。居民因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。很多居民在工作前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。 1.2 国内恒压供水系统的现状水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点： 这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。传统恒压供水方式如图1-1所示。水池水泵高位水箱用水点 ：此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点： 次方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时起泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。图1-1传统恒压供水方式fig 1-1 traditional way of constant pressure water supply1.3 各类供水系统的比较水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。1这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。水池水泵高位水箱用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘汰。单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，2但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。 结合民用高层建筑用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。但上述的高层恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380v，工频线路输出的也是380v。但是实际应用中工频线路的电压是不定的。一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用的380v的供电电压，另一个是夏天时用的420v或420v以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，plc根据压力传感器的信号令a泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，b泵频率上升至50hz，切换线路并启动c泵，切换时又遇到刚才的状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。1.4 可编程序控制器及变频调速在供水行业中的应用作为高性能的调速传动,直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多,例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展,促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点,而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末,交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流,再由igbt或gtr模块等器件逆变成频率可调的交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式是可节电4060,节水15307。由于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。自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先术的飞速发展,变频器的功能也进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技越来越强。充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势5。1.5 恒压供水的意义用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况经常发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。高层恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因压力不足或短时缺水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大的经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用高层恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。恒压供水的优点：高效节能, 占地面积小，投入少，效率高；配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减小，水泵的寿命将大为提高；由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：直接启动和停机时，液体动能的急剧变化，导致对管网的极大冲击，有很大的败坏力）；具有较高的恒压精度；能长时间稳定可靠运行；操作简单，省时省力4。1.6 恒压供水的目的对供水系统进行的控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求，所以流量是供水的基本控制对象。而如上所述，供水流量的大小取决于用户用水的度多少，而用户用水的多少是无法进行具体的测量和控制的。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小于供水能力（用qg表示）和用水需求（用qu表示）之间的平衡情况有关：如供水能力qg用水需求qu，则压力上升（p）；如供水能力qg用水需求qu, 则压力下降（p）；如供水能力qg=用水需求qu, 则压力不变（p=const）;可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为用来作为控制流量大小的参变处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足用户所需的用水流量，这就是恒压供水的所要达到的目的4。1.7 本课题的恒压供水思路高层恒压供水系统分自动和手动控制，在自动状态下执行自动程序，在手动状态下能够手动启动所有负载。具体思路如图1-2所示。1.8 小结本文所做的工作分为两个方面，一是电气图的设计；二是plc程序的编制满足工艺要求。全文主体思路共分为5章，第1章概述恒压供水问题的提出和意义，国内高层恒压供水系统的现状，明确论文要解决的问题并提出总体方案；第2章详细介绍全自动供水系统的硬件设计。第3章详细阐述供水系统的软件设计。第4章详细阐述恒压供水自动控制系统的模拟仿真。第5章是结论，总结该系统的设计思路及优点。变频器plc电控设备清水泵工作报警指示液位控制信号自动手动压力传感器用户管网深井泵图1-2恒压供水思路图fig.1-2 thinking pressure water supply plans焦作大学毕业设计 2恒压供水自动控制系统的硬件设计2 恒压供水自动控制系统的硬件设计2.1 高层恒压供水系统的基本硬件构成高层恒压供水系统结构框图如图2-1 所示，它主要是由plc、变频器、pid调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及2台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。在设计plc控制时应考虑其现实情况，来选择plc的型号，在选择型号时应遵循以下基本原则：图2-1 高层恒压供水系统结构框图fig.2-1 the structure diagram of constant pressure and water supply system最大限度地满足被控对象的控制要求。充分发挥plc的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计plc控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。保证plc控制系统安全可靠。保证plc控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证plc程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。量和数量，带来巨大的经济力求简单、经济、使用及维修方便。一个新的控制工程固然能提高产品的质效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。适应发展的需要。由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择plc、输入/输出模块、i/o点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。硬件电路设计所需元件如表2-1所示。表2-1 硬件电路设计元器件清单名称型号单位数量交流继电器my2nj220/240vac只2按钮lay39-11d/r只3变频器cvf-p2-4t0185台1压力传感器cs-pt100只1泵电机y160m2-2台2拨码开关wt11-ds只1可编程控制器cpu222台1 table 2-1 lists the hardware circuit design components2.2 plc组成2.2.1 plc的输入 通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。plc要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入plc并被plc所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。plc就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：一是i/o（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的i/o功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。现在的plc成功的解决了这两个方面的问题，可以让plc和外部设备直接进行物理的连接。计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是plc能够迅速发展的原因。2.2.2 plc的输出 输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证plc的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。现在的plc产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。2.2.3 plc的控制机制plc已经完全取代继电器控制系统。只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。i/o电路已经保证了plc与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。主要体现在：一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。plc充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：y(n)=f(x(n-1),y(n-1)式中，y（n）为某一时间段的输出值； y（n-1）为上一时间段的输出值； x（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值； f为他们应满足的控制关系。即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。 至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。这样只要时间段足够短，并且plc周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。 由于采用集中i/o的思想，其i/o状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。 如图2-2所示，plc与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了i/o功能的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行i/o变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。输入寄存器：输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。cup可以读其值，但是不可以写或进行修改。输出寄存器：输出寄存器的每一位都表明了plc在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，cpu可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。存储器：存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，plc要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，i/o寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。cup单元：cup单元控制着i/o寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是plc的大脑。其他单元接口：其他单元接口用语提供plc与其他设备和模块进行连接通信的物理条件。图2-2 plc的组成fig 2-2 plc composition2.2.4 plc的定义最初，可编程逻辑控制器（programmable logic controller）简称plc。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987年2月，国际电工委员会（iec）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，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拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。2.2.5 plc的特点早期的可编程序控制器(programmable logic controller,简称plc),主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用1。1969年,美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于plc,使得plc的功能大大增强。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程i/o模块和各种特殊功能模块。在软件方面,plc采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得plc所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高plc的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了plc软、硬件功能1。在发达工业国家,plc已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界plc以及软件市场报告称,1995年全球plc及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展,plc的功能得到大大的增强,具有以下特点：可靠性高：plc的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。在i/o环节，plc采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用eprom存储，一般plc的平均无故障工作时间可达几万小时以上。控制功能强：plc采用的cup一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双cpu的运行方式，使其功能得到极大的增强。编程方便易学：第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。使用于恶劣的工作环境：采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。与外部设备连接方便：采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。体积小、重量轻、功耗低、性价比高。模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的plc可用于控制从几个i/o点到几百个i/o点的控制系统。维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。2.2.6 plc的性能指标存储容量：这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型plc的存储容量变化范围一般为2kb2mb。i/o点数： i/o点数，即plc面板上的i/o端子的个数。i/o点数越多，外部可以连接的i/o器件就越多，控制规模就越大。它是衡量plc性能的重要指标之一。扫描速度: 扫面速度是指plc执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。指令的多少:它是衡量plc能力强弱的标志，决定了plc的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。内部寄存器的配置和容量: 它直接对用户编制程序提供支持，对plc指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。扩展能力: 扩展能力包括i/o点数的扩展和plc功能的扩展两方面的内容。特殊功能单元: 特殊功能单元种类多，也可以说plc的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。2.2.7 plc的分类不同的分类标准会造成不同的分类结果，plc常用的分类方式有如下两种。按其i/o点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。2.3 plc工作原理2.3.1 循环扫描cup连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。cup的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行cup自诊断测试及写输出等等内容。plc可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。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，plc也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的plc在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障，plc都具有自监视功能。与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的plc系统才有通讯扫描过程，这一过程用于plc之间及plc与上位计算机或终端设备之间的通信。用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个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，即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。cup在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，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映象寄存器：一个为输入映象寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中，cup把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器：在输出扫描过程中cup把输出映像寄存器的值的输出点。 循环扫描有如下特点：扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，cup采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是plc的主要缺点。 在读输入阶段，cup对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，cup按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。输入/输出采用映象寄存器的优点：集中采用i/o，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统一输出。这集图2-3 plc信号的传递过程fig 2-3 plc signal transmission中i/o的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更加稳定可靠。程序执行时，存取映象寄存器要比读写i/o端点快的多，这样可以加快程序执行速度。i/o点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取，增加了程序的灵活性。2.3.2 i/o响应时间由于plc采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。plc输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。输入延迟是由硬件决定的，有的plc滤波器时间常数可调。从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。它也是由硬件决定的，对于不同信号的plc可以通过查表得到。程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使plc的响应时间控制在系统允许的范围内。在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间，称为最小i/o响应时间。在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最大i/o响应时间。它们是由plc的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。2.3.3 plc中的存储器plc中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的plc的指令的系统编写的系统程序，它决定了plc的功能，用户不能更改其内容。用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。用来存储工作数据的区域称为工作数据区。2.4 plc的i/o编址 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。按i/o点数确定模块规格及数量，i/o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。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。2.5 plc控制系统的结构使用plc可以构成多种形式的控制结构，下面介绍几种常用的plc控制系统。2.5.1 单机控制系统单机控制系统是较普通的一种plc控制系统。该系统使用一台plc控制一个对象，控制系统要求的i/o点数和存储器容量都比较小，没有plc的通讯问题，采样条件和执行结构都比较集中，控制系统的构成简单明了。如图2-4所示是一个简单的单机控制系统，图中plc可以选用任何一种类型。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确，i/o点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中即可。 p l c控 制 对 象图2-4 简单的单机控制系统fig 2-4 simple stand-alone control system2.5.2 集中控制系统集中控制系统用仪态功能强大的plc监视、控制多个设备，形成中央集中式的控制系统。其中，各个设备之间的联络，连锁关系、运行顺序等统一由中央plc来完成，如图2-5示显然，集中控制系统比单机控制系统经济的多。但是当其中一个控制对象的控制程序需要改变时，必须停止运行中央plc，其他的控制对象也必须停止运行。当各个控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时，需要大量的电缆线，造成系统成本的增加。为了适应控制系统的改变，采用集中控制系统时，必须注意选择i/o点数和存储器容量时要留有足够的余量，以便满足增加控制对象的要求。p l c控制对象a控制对象b控制对象c图2-5 集中控制系统fig 2-5 centralized control system2.5.3 分散控制系统分散控制系统的构成如图2-6所示，每一个控制对象设置一台plc，各台plc可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通讯。分散控制系统常用于多台机械生产线的控制，各个生产线之间有数据连接。由于各个控制对象都由自己的plc进行控制，当其中一个plc停止运行时不需要停止运行其他的plc。随着plc性能的不断提高，由plc担当低层控制任务，通过网络连接，plc与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。与集中控制系统相比，分散控制系统的可靠性大大加强。具有相同i/o点数时，虽然分散控制系统中多用了一台或几台plc，导致价格偏高，但是从维护、试运转或增设控制对象等方面来看，其灵活性要大的多，总的成本核算是合理的。上机位plc aplc bplc c控制对象 a控制对象 b控制对象 c图2-6 分散控制系统fig 2-6 distributed control system2.6 plc的选型设计基于以上所述供恒压自动供水控制系统应该满足的以下基本原则：最大限度的满足被控对象的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。保证控制系统安全可靠。考虑到生产的发展和工艺的改进在选择plc容量时应适当留有裕量，综合以上原则，本设计应选择s7-200和em231扩展模块，既能满足用户要求。s7200虽然为小型plc，但是许多功能达到了原来大、中型plc的水平，而价格动是小型plc的价格。因此，s7200一经推出，即受到了广泛的关注。特别是s7200的第二代cpu22x系列具有多种功能模块和人机界面可供选择，具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，系统的集成非常方便，可以很容易地组成plc网络，控制系统的设计简单，几乎可以完成任何功能的控制任务。考虑到电路的设计要示和经济效益决定选用cpu222型可编程控制器。cpu222型主机单元 具有8输入/6输出共计划14个数字量i/o点，可以连接2个i/o扩展单元，最大扩展到78个数字量i/o点或10路模拟量i/o，程序和数据存储容量为6kb，具有4个独立的30khz高速脉冲计数器和2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器，具有1个rs485通信/编程口，具有多点接口mpi通信协议和点对点ppi通信协议，具有自由通信口。2.7 plc的输入/输出点分配电源模块plc电源用于为plc各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24v的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220vac或110vac），直流电源（常用的为24vdc）。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，