自动供水控制系统的设计(PLC)

1、摘要摘要 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高;再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本课题用 PLC 实现了自动供水控制系统，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。关键字：关键字：PLC 恒压供水恒压供水 变频器变频器ABSTRACT With the rapid dev

2、elopment of social economy, it is demanded the better of water supplys quality and reliability of water supply system.Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced tech

3、nique of automation,control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.This subject realize the automatic water control system that used of PLC ,it introduced the basic principle that constant voltage supplies water and foundation that the system form , h

4、ave stated the role served as of the programmable controller (PLC ) in the water -supply system of constant voltage. Since the whole design plan of the system and actual demand are analysed, the need of close life of intergrating with practice, make every effort to make sure to make the system run s

5、teadily, easy and simple to handle, solve and hit the problem actually, guarantee to supply water of the security, swift , reliable. Constant voltage has supplied water and guaranteed to support the water quality amount, the control system taking PLC as host computer has enriched the systematic cont

6、rol function, have improved systematic dependability.Key word: PLC (programmable controller ), Constant voltage, supplies water, Frequency converter I目录目录第一章第一章 绪论绪论.11.1 变频恒压供水产生的背景和意义.11.2 变频恒压供水系统的国内研究现状.11.3 本文研究的系统组成和工作原理.2第二章第二章 PLC 概述概述.32.1 PLC 介绍.32.2 PLC 工作原理.42.3 PLC 的编程语言.62.4 PLC 的分类.92

7、.5 PLC 控制系统的结构.10第三章第三章 系统硬件的设计系统硬件的设计.133.1 恒压供水系统的基本构成.153.2 系统控制要求.173.3 控制系统的 I/O 点及地址分配.183.4 系统选型.193.5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用.19第四章第四章 系统程序设计系统程序设计.254.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理.254.2 多泵组泵站泵组管理规范.254.3 程序的结果以及程序功能的实现.25总结总结.36参考文献参考文献.37致谢致谢.38- 1 -第一章第一章 绪论绪论随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐

8、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。 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义变频恒压供水产生的背景和意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家

9、，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是 PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控

10、制和消防用水的恒压控制即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，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。1.2 变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。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- 2 -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

11、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)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw) ,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

12、功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所【1】。 可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.3 本文研究的本文研究的工作原理工作原理和基本要求和基本要求以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1，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

13、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用三台泵，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使用。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，系统应低于恒压值运行，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

14、“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。- 3 -（4）三台泵在启动时要又软启动功能。第二章第二章 PLCPLC 概述概述2.1 PLC 介绍介绍2.1.1 PLC 的定义的定义最初，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

15、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，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型机械的生产过程。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】。2.1.2 PLC 的特点的特点（1）可靠性高。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。（2）控制功能强。PLC 采用的 CPU 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

16、 的运行方式，使其功能得到极大的增强。（3）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。（4）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。（5）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。（6）体积小、重量轻、功耗底。（7）性价比高。（8）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。- 4 -（9）维修方便，功能更灵

17、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 PLC 工作原理工作原理2.2.1 循环扫描循环扫描CPU 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行 CPU 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。（1）自诊断测试扫描过程。为保证设备的

18、可靠行，及时放映所出现的故障，PLC 都具有自监视功能。（2）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。（3）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。（4）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。CPU 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，

19、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，CPU 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 CPU 把输出映像寄存器的值的输出点。 循环扫描有如下特点：（1）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。（2）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，CPU 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。- 5 -（3）对同一个输

20、出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。（4）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，CPU 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，CPU 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。用户输入设备输入端子输入电路输入映像寄存器输入映像寄存器输出锁存器输出电路输出

21、端子用户输出设备Q0.2Q0.1输入输出 Q0.1I0.1I0.1图 2-1 PLC 信号的传递过程2.2.2 I/O 响应时间响应时间由于 PLC 采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在每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。（1）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。（2）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

22、件决定的，对于不同信号的 PLC 可以通过查表得到。（3）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- 6 -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【3】。2.2.3 PLC 中的存储器中的存储器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

23、作数据存储器。（1）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。 （2）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。 （3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。2.3 PLC 的编程语言的编程语言PLC 的硬件系统中，与 PLC 的编程应用关系最直接的要算数据存储器。计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。PLC 和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用

24、的存储元件。这就是前面提到过的编程的“软”元件。为了理解方便，PLC 的编程元件用“继电器”命名， 认为它们象继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置 1，线圈失电，不过就是存储单元置 0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。但是这种“软”继电器也有个突出的好处，可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不过是读一次它的存储数据而已。2.3.1 PLC 的编程结构功能图的编程结构功能图 任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言，而功能图是理解这两种语言的基础。如图 2-2 所示为 PLC

25、 内部的结构功能示意图。输入继电器是由外部输入驱动的，梯形图中只能使用其介入点状态值，用户不能改变输入继电器的状态。辅助继电器的种类和多少决定了 PLC 控制功能的强弱，相当于工作寄存器的多少和功能的强弱。- 7 -实际的 PLC 中并没有图中的物理继电器，用继电器来表示 PLC 的内部功能结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解 PLC 的功能，更好的使用 PLC，就像他在设计继电器控制电路一样。梯形图语言是一种图形化的语言，是一种面向控制过程的“自然语言” 。梯形图编程语言形象、直观、准确的描述了逻辑控制关系，容易被广大的工程技术人员所掌握。PLC 与被控对象所连接的只是 I/

26、O 条件，而 I/O 之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入 PLC 的用户程序存储器中，PLC 就能够直接解释并实现 I/O 间的控制关系【4】。COM401402403404405406407408431431433432432433434434Sb输出继电器X402X404 Y431 Y431X402M101 T451K11 Y431 Y432 Y433Y434 辅助继电器外部输出触点 输入继电器SQSP输出信号外部输入设备输出信号外部负载设备 图 2-2 PLC 内部的结构功能示意

27、图2.3.2 梯形图编程语言梯形图编程语言PLC 是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。PLC 的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是 PLC 用户程序的基础元素。一般而言，梯形图程序让 PLC 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小的容易理解的片，这些片通常被称为“梯级”或网络。- 8 -程序一次扫描执行一次网络，按照从做到右、从上到下的

28、顺序进行。一旦CPU 执行到程序的结尾，就又从上到下执行程序。在每一个网络中，指令以列为基础被执行，从上而下、从左到右依次执行，直到本网络的最后一个线圈列。因此为了充分利用存储器容量，使扫描时间尽可能短，利用梯形图编程时应限制触点之间的距离，并使网络左上边这部分空白最少。其中，串联触点较多的支路要写在上面，并联支路应写在左边，线圈放于触点的右边。如图 2-3 所示是用 PLC 控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。梯形图和继电器控制电路图很相似，这是可以用 PLC 控制取代继电器控制的基础，可以把经过实践证明设计是成功的继电器电路图进行

29、转换，从而设计出具有相同功能的 PLC 控制程序，充分发挥 PLC 的功能完善、可靠性高、控制灵活的特点。当然，它们还是存在着本质上的区别，主要表现如下所述。按钮 的常开触点按钮 的常闭触点继电器 的线圈继电器 的常开触点图 2-3 梯形图（1）继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件，继电器与其他控制电器之间的连接必须通过硬件连接线来完成。PLC 中的继电器是内部的寄存器位，称为“软继电器” ，它具有物理继电器相似的功能。当它的“线圈”通电时，其所属的常开触点闭合，常闭触点断开；当它的线圈断电时，其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态。PLC 梯形图中的接线称为“软接线” ，这种“软接线”是

30、通过编程来实现的，具有更改简单、调试方便等特点。而继电器控制电路图是点线连接图，相对来素施工困难、更改费力。（2）PLC 中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器，由于可以随时不受限地读取其内容，所以，可以认为 PLC 的继电器有无数个常开、常闭触点供用户使用。PLC 梯形图中的触点代表的是“逻辑”输入条件、外部的实际开关、按钮或内部的继电器触点条件等。而物理继电器的触点个数是有限的。（3）PLC 的输入继电器是由外部信号驱动的，在梯形图中只能用其触点，这在物理继电器中是不可能的。线圈通常代表“逻辑”输出结果，如灯、电机启动器、中间继电器、内部输出条件等。- 9 -（4）继电器控制系统中是按照

31、触点的动作顺序和是延迟逐个动作的，动作顺序与电路图的编写顺序无关。PLC 按照扫描方式工作，首先采取输入信号，然后对所有梯形图进行计算，造成了宏观与动作顺序的无关，但是微观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一致而不是无关的。（5）PLC 梯形图中的两根母线以失去原有的意义，它只表示一个梯形的起始和终了，并无实际电流通过，假象的概念电流只能从左向右流。为了充分发挥 CPU 的逻辑运算功能，设置了大量的称为盒的附加命令，如定时器、计算器、格式转换、模拟量 I/O、PID 调节或数学运算指令等，充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成 PLC 的各种复杂控制功能【5

32、】。2.4 PLC 的分类的分类PLC 发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑。2.4.1 按按 I/O 点数容量分类点数容量分类一般而言，处理 I/O 点数越多，则控制关系就 比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求 PLC 指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。按 PLC 的输入、输出点数的多少可将 PLC 分为以下三类。（1）小型机 小型机 PLC 的功能一般以开关量控制为主，小型 PLC 输入、输出点数一般在 256 点以下，用户程序存储器容量在 4K 左右。现在的高性能小型 PLC 还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。这类

33、的 PLC 的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7-200 系列、OMRON 公司的 CPM2A系列、MITUBISH 公司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整体式 PLC 产品。（2）中型机中型 PLC 的输入、输出总点数在 2562048 点之间，用户程序存储器容量达到 8K 字左右。中型 PLC 不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，中型机比小型机更丰富，中型机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制系统场合。典型的中型机有 SI

34、EMENS 公司的 S7-300 系列、OMRON 公司的 C200H 系- 10 -列、AB 公司的 SLC500 系列等模块式 PLC 产品。（3）大型机 大型 PLC 的输入、输出总点数在 2048 点以上，用户程序储存器容量达到16K 以上。大型 PLC 的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些 PLC 还具有冗余能力。它的监视系统采用 CRT 显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID 调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和

35、产品质量控制系统。大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7-400、OMRON 公司的 CVM1 和CS1 系列、AB 公司的 SLC5/05 等系列【6】。2.4.2 按结构形式分按结构形式分根据 PLC 结构形式的不同，PLC 主要可分为整体式和模块式两类。（1）整体式结构整体式结构的特点是将 PLC 的基本部件，如 CPU 板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成 PLC 的一个基本单元（主机）或扩展单元。基本单元上设有扩展端口，通过扩展电缆与扩展单元相连，配有许多专用的特殊功能的模

36、块，如模拟量输入/输出模块、热电偶、热电阻模块、通信模块等，以构成 PLC 不同的配置。整体式结构的 PLC 体积小，成本底，安装方便。微型和小型 PLC 一般为整体式结构。如西门子的 S7-200 系列。（2）模块式结构 模块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成，这些标准模块如 CPU 模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。目前大、中型 PLC 都采用这种方式。如西门子的 S7-300 和 S7-400 系列。整体式 PLC 每一个 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统

37、中一般采用整体式结构。但是模块式 PLC 的硬件组态方便灵活，I/O 点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC大的多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式 PLC。- 11 -2.5 PLC 控制系统的结构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

38、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。 图 2-4 简单的单机控制系统2.5.2 集中控制系统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【7】。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

39、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- 12 -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 2.5.3 分散控制系统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

40、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，其灵活性要大得多，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

41、控制系统- 13 -第三章第三章 系统硬件的设计系统硬件的设计学习 PLC 的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对于设计一个较大的PLC 控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要用以下设计步骤来进行系统设计。随着 PLC 功能的不断完善和提高，PLC 几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是 PLC 还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器。控制对象以及控制装置确定

42、后，还要进一步确定 PLC 的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由 PLC 控制来完成。当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后。选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的 PLC，另一方面是选择什么公司的 PLC 以及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 模拟量 I/O 以及这些 I/O 点的性质。I/O 点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流 220V 的接触器、电磁阀，又有直流 24

43、V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点有可能大于实际点数。因为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑：- 14 -（1）功能方面。所有 PLC 一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务。如对 PLC 与 PLC、PLC与智能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对 PLC 的计算速度、用户程序容量有特殊要求的；或对 PLC 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。（2）价格方面。不同厂家

44、的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40%以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样的差价必须是需要考虑的。（3）个人喜好方面。有些工程技术人员对某种品牌的熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。- 15 -分析评估控制任务PLC 机选型，I/O 设备选择I/O 地址分配程序设计电气系统安装调试程序设计硬件系统接线图和控制柜检查修改程序检查硬件接线联机调试交付使用现场安装调试编制技术文件满足要求满足要求NNYNY 图 3-1 PLC 控制系统设计步骤输入/输出信号在 PLC 接线端子上的地址分配是进行 PLC 控制系统设计的基础。对软件设计

45、来说，I/O 地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和 PLC的外围接线来说，只有 I/O 地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。系统调试分模拟调试和联机调试。硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分是否正确。- 16 -软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和 PLC 输出端的输出指示灯进行。需要模拟量信号 I/O 时，可用电位器和万用表配合进行。调试时。可利用上诉外围设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察 PLC 的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改后反复调试。现在 PLC 的主流产品都可以在 PLC 机上编程，并可以在电

46、脑上直接进行模拟调试。联机调试时，可以把编制好的程序下载到现场的 PLC 中。有时 PLC 也许只有这一台，这时就要把 PLC 安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断电，只对控制电路进行联调即可。通过现场联调信号的接入常常还会发现软件以及硬件中的一些问题，有时厂家还需要对某些控制功能进行改进，这种情况下，都要经过反复测试系统后，才能最后交付使用。产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压就越高。传统的维持水压的方法就是建造水塔，水泵开者时将水打到水塔中，水泵休息时借助水塔的水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能够维持供水管路中水压的基本恒定【8】

47、。但是建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。不用水塔，而要解决水压随用水量大小变化的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保证管网中的水压不变，用水量小时又需作出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但是今天办到这一点已经变的很容易了，交流变频的诞生为水泵转速的平滑连续调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子设备，输入三相工频交流电后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么可不可以不借助水塔来实现恒压供水？答案是肯定的，但是要解决水压随用水量的大小变化

48、的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保持管网中水压的不变，用水量小时又需要做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路，这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可以想象的，但是在今天办到这一切已经边的很容易了。3.1 恒压供水系统的基本构成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压的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就

49、要用变频器为水泵供电。这也- 17 -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 3-2 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【9】。水箱 调节器变频器电动机水泵压力传感器用户图 3-2 变频恒压供水站的基本组成调节器是一种电子装备,在系统

50、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用一个泵站，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反馈，调节器实反馈的接受点。（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反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实

51、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- 18 -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 PID 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

52、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 3-3 所示，市网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1，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，作为低水位报警用。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用三台泵，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

53、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【10】。水池yv11#2#3#消防用水生活用水 市网来水EQ图 3-3 生活消防双恒压供水系统构成图3.2 系统控制要求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，系统应低于恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运- 19 -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。（

54、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。3.3 控制系统的控制系统的 I/O 点及地址分配点及地址分配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、

55、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 CPU 能够接受和处理的信号。输出单元将经过 CPU 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 3-3 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 3.1 输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编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S

56、LHI0.2变频器报警信号SUI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5 输 入 信 号远程压力表模拟量变压值UAIW0输1#泵工频运行接触器及指示灯KM1，HL1Q0.0- 20 -1#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 出 信 号 生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.03.4 系统选型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

57、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 CPU 226 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 CPU222（8 输入/6 输出继电器）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 3-4：图 3-4 PLC 系统组成S7-200PLC 是德国西门子公司生产德一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 一样，因此，它一经退出，即受到了广泛的关

58、注。特别是 S7-200CPU22*系列 PLC。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成 PLC 网络。3.5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用模拟量控制单元的配置以及应用PLC 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，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

59、 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主机单元CUP222AC/DC 继电器扩展单元EM2228 点继电器模拟量单元EM2354AI/1AO- 21 -制中【11】。3.5.1 EM235 模拟量工作单元性能指标模拟量工作单元性能指标 表 3.2 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输入滤波衰减-3dB，3.1kHz分辨率12 位 A/D 转换器信号范围 电压输出 电流输出10020 mA隔离否输入类型差分输入范围分辨率，

60、满量程 电压 电流12 位11 位电压单极性010V，05V01V，0500mV电压电流-32000+320000+32000精度最差情况 055电压输出电流输出2%满量程2%满量程电压双极性电流0100Mv,050mV10V，5V，2.5V1V，500mV，250Mv100mV, 50mV, 25mv020mA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12V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24VDC 电压范围20.428.8V数据字