恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制設計

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摘 要 本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構成的基礎，說明了可編程控制器（PLC）在恒壓供水系統(tǒng)中所擔任的角色。從系統(tǒng)的整體設計方案和實際需求分析開始，緊密的聯(lián)系實際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，解決實際中問題，保證供水安全、快捷、可靠。恒壓供水保證了供水質量，以PLC為主機的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 關鍵詞:PLC；恒壓供水；變頻器 目 錄 第一章 簡述 1.1 控制系統(tǒng)的選擇………………………………………………………………………1 1.2 可編程控制器（PLC）歷史與發(fā)展趨勢………………………………………………2 1.2.1 可編程控制器的歷史……………………………………………………………2 1.2.2 可編程控制器的發(fā)展趨勢………………………………………………………3 1.3 可編程控制器的基本功能和特點………………………………………………………3 1.3.1 PLC的基本功能…………………………………………………………………3 1.3.2 PLC的特點………………………………………………………………………4 1.3.3 PLC的分類………………………………………………………………………4 1.4 可編程控制器的組成和工作原理……………………………………………………5 1.4.1可編程控制器的硬件組成………………………………………………………5 1.4.2 可編程控制器的軟件系統(tǒng)和程序………………………………………………6 1.4.3可編程控制器的工作原理………………………………………………………6 第二章 系統(tǒng)硬件設計 2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構成……………………………………………………………8 2.2 系統(tǒng)控制要求…………………………………………………………………………9 2.3 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配………………………………………………………10 2.4 系統(tǒng)選型………………………………………………………………………………11 2.5 PLC模擬量模擬量控制單元的配置以及應用………………………………………11 2.5.1 EM235模擬量工作單元性能指標……………………………………………11 2.5.2 校準及配置……………………………………………………………………12 2.5.3 EM235的安裝使用……………………………………………………………13 2.5.4 EM235工作程序編制…………………………………………………………13 2.5.5 電氣控制系統(tǒng)原理圖…………………………………………………………14 第三章 系統(tǒng)程序設計 3.1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 ……………………………………17 3.2多泵組泵站泵組管理規(guī)范………………………………………………………………17 3.3 程序的結果以及程序功能的實現(xiàn)………………………………………………………17 結束語…………………………………………………………………………………………28 參考文獻………………………………………………………………………………………29 前 言 隨著變頻調(diào)速技術的發(fā)展和人們對生活飲用水質量要求的不斷提高，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)的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統(tǒng)進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)的技術改造實踐中，根據(jù)盡量保留原有設備的原則設計的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設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優(yōu)勢，同時有效的節(jié)省了資金。 第一章 簡述 1.1控制系統(tǒng)的選擇 隨著集成芯片技術的不斷提高，特別是高檔8位、16位單片機的普及，單片機軋管系統(tǒng)由單片計算機及其外圍芯片構成機械手自動控制系統(tǒng)系統(tǒng)。其特點是單片機本身小巧、功耗低，實時控制功能強，但是其軟、硬件的開發(fā)必須借助于開發(fā)工具，系統(tǒng)調(diào)試困難，不具有自開發(fā)能力。 繼電器控制裝置是采用硬邏輯的方式，一個繼電器線圈的通斷將會同時影響該繼電器的所有常開常閉觸點動作，同觸點在控制線路的位置無關。雖然繼電器控制不需要很強的軟、硬件支持。價格相對便宜，但是性能不穩(wěn)定精度不高，不具備自動控制功能。 PLC是一種新型的具有極高可靠性的通用工業(yè)自動化控制裝置。它以微處理器為核心，有機地將微型計算機技術、自動化控制技術及通信技術融為一體。其特點如下： (一) 高可靠性 1.所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離，防止外部高壓的竄入。 2.各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為10~20ms，有效的抑制了高頻抗干擾信號。 3.在PLC電路中設置了“看門狗”電路，能把因干擾而飛走的程序拉回來。 4.采用性能優(yōu)良的開關電源。 5.對采用的器件進行嚴格的篩選。 6.良好的自診斷功能，一旦電源或其它軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。 7.大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。 (二)豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。 有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕、行程開關、接近開關、傳感器及變送器、電磁線圈、控制閥 直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。 (三) 采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 (四) 編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。 (五) 安裝簡單，維修方便 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。 使用方便。PLC的結構不僅具有先進的通訊和輸入、輸出能力，而且其模塊化的系統(tǒng)結構、靈活的配置能力，使用戶可以靈活組成各種規(guī)模和不同要求的控制系統(tǒng)。 設計、施工、調(diào)試周期短。用PLC完成一項控制工程時，由于其硬、軟件齊全，設計和施工可同時進行，縮短了周期。 PLC的功能有：1.邏輯控制；2.定時控制；3.計數(shù)控制；4.PID控制；5. 數(shù)據(jù)控制； 6. 通信和聯(lián)網(wǎng)；7其它 PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。易于實現(xiàn)機電一體化。PLC的結構緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗振防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設備內(nèi)部，制造出機電一體化產(chǎn)品。 鑒于PLC的諸多優(yōu)勢，結合機械手自動控制系統(tǒng)的需要，選擇日本三菱公司的S7-200系列可編程控器。SIMATIC S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的具有高性能價格比的小型可編程控制器，由于它具有控制能力強、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點而得到廣泛的應用。 1.2可編程控制器（PLC）的歷史與發(fā)展趨勢 1.2.1 可編程控制器(PLC)的歷史 可編程控制器（Progremmable Controller,PC）是進幾年迅速發(fā)展并得廣泛應用的新一代工業(yè)自動化控制裝置。早年的可編程控制器在功能上只能實現(xiàn)邏輯控制，因此被稱為可編程順序邏輯控制器（Programmable Logy Controller）.這時的PLC基本上是（硬）繼電器控制裝置的替代物，主要用于實現(xiàn)原先由繼電器完成的順序控制、定時、記數(shù)等功能。 國際電工委員會（IEC）與1987年2月在頒布的可編程控制器標準草案中將其一步定義為：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用而設計。它采用可編程序的內(nèi)存，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或生產(chǎn)過程。 20世紀70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨變。美國、日本、德國等一些廠商先后開采用微處理器作為PLC的CPU，這樣使PLC的功能大大的增強。 20世紀80年代，由于超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展微處理器價格大幅下跌，使得各種類型的PLC所采用的CPU的檔次譜偏提高，一般采用16位和32位的CPU。 目前，世界上約有200家PLC生產(chǎn)廠家。其中，美國的（Rockwell）、(GE)，德國的西門子（Siemems）,法國的施耐德（Schmeider）, 日本的三菱，奧姆龍（Omron）還有我國江蘇嘉華，他們從只有幾十個點（I/O總點數(shù)）的微型PLC到上萬個點的巨型PLC。可以預見PLC將會是電氣控制裝置的主要控制組件。 1.2.2 可編程控制器的發(fā)展與趨勢 由于工業(yè)生產(chǎn)對自動控制系統(tǒng)的多樣性，今后幾年的PLC技術將圍繞如下幾個方面發(fā)展。 （1）進一步加快CPU的處理速度。全面使用高速CPU芯片和24位、32位、64位RIST芯片；采用新型體系結構，工作方式使掃描和中斷并存；各種模塊自能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可以使速度達到ns級。 （2）變革操作控制方式。大量使用中斷驅動方式，以增加對輸入/輸出（I/O）的快速反應能力。 （3）發(fā)展自能化模塊。自能化模塊主要有：通信模塊、位置控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與控制模塊、數(shù)/模（D/A）轉換模塊、PID控制模塊及一些自能化I/O模塊。 （4）進一步提高可靠性。PLC將在硬件上采用多CPU的容錯系統(tǒng)，軟件上開發(fā)更加高級的診斷程序，以及發(fā)展軟件的容錯技術，增強PLC的自診斷和外部故障檢測功能等。在PLC線路中采用隔離技術防止外部高壓的竄入；采用濾波技術，可以有效抑制高頻干擾信號；還設置了“看門狗”電路，能把因干擾而飛走的程序拉回來，從而起到自動恢復作用。 可見PLC實質上是一種面向用戶的工業(yè)控制專用計算機，它與通用計算機相比有其自身的特點。 （1）提供更方便靈活的編程方法，PLC的使用更加的方便。最大特點是采用清晰直觀的繼電器控制線路演化過來的梯形圖作為編程語言，梯形圖是面向控制過程，面向操作人員的語言。因此梯形圖程序簡單易學，易修改，深受電器工作人員的歡迎。 （2）PLC的結構和規(guī)模將更加兩極化——更強大和更小巧。更強大是指存儲容量更大，I/O點數(shù)更多，執(zhí)行速度更高，智能化程度更強，數(shù)據(jù)更安全；更小巧是指體積更小，價格更底，但性能更強的微型化PLC。 （3）PLC產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化將有利于PLC的設計、生產(chǎn)、使用和維護。 （4）加強PLC的聯(lián)網(wǎng)功能。加強PLC與PLC之間，PLC與計算機的聯(lián)網(wǎng)能力，為實現(xiàn)工廠自動化提供必要的條件。這樣可以實現(xiàn)多個系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)傳送、交換和處理。 1.3 可編程控制器的基本功能和特點 1.3.1 PLC的基本功能 （1)邏輯控制功能 邏輯控制功能實際上就是位處理功能，是可編程控制器的最基本的功能之一。PLC設置有“與”、“或”、“非”等邏輯指令，利用這些指令，根據(jù)外部現(xiàn)場（開關、按扭或其它傳感器）的狀態(tài)，按照制定的邏輯進行運算處理后，將結果輸出到現(xiàn)場的被控對象（電磁閥、接觸器、繼電器、指示燈等）。因此PLC中一個邏輯位的狀態(tài)可以無限次地使用，邏輯關系的修改變更也十分方便。 （2）定時控制功能 PLC中用戶提供使用的定時器，定時器的設定值（定時時間）可以在編程時設定，也可以在運行過程中根據(jù)需要進行修改，使用方便靈活。 （3）記數(shù)控制功能 PLC為用戶提供了很多計數(shù)器。計數(shù)器到某一定值時（設定值），產(chǎn)生一個狀態(tài)信號，利用該信號實現(xiàn)對某個操作的記數(shù)控制。PLC將根據(jù)用戶用計數(shù)器指令指定的計數(shù)器對某個控制信號的狀態(tài)改變次數(shù)進行計數(shù)，以完成對某個工作過程的計數(shù)控制。 （4）步進控制功能 PLC為用戶提供了若干個狀態(tài)器，可以實現(xiàn)由時間、技術和其它指定邏輯信號為轉移條件的步進控制，即在一道工序完成以后，在轉移條件滿足時，自動進行下一道工序。 （5）數(shù)據(jù)處理功能 大部分PLC都有數(shù)據(jù)處理功能，可實現(xiàn)算術運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉換、譯碼等操作。 （6）程控功能 有些PLC具有A/D、D/A轉換功能方便地對仿真量的控制調(diào)節(jié)。 （7）通信聯(lián)網(wǎng)功能 有些PLC采用通信技術，可以多臺PLC之間的同位鏈接、PLC與計算機之間的通信等。 （8）監(jiān)控功能 PLC設置了較強的監(jiān)控功能。操作人員利用編程器或監(jiān)視器可對PLC的運行狀態(tài)進行監(jiān)控。利用編程器可以調(diào)整定時器、計數(shù)器的設定值和當前值，并根據(jù)需要改變PLC內(nèi)部邏輯信號的狀態(tài)及數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為調(diào)試和維護提供極大的方便。 （9）停電記憶功能 PLC內(nèi)部的部分內(nèi)存所使用的 RAM 設置了停電保持器件（如備用電池），以保證斷電后這部分內(nèi)存中的信息不會丟失。 （10）故障診斷功能 PLC可對系統(tǒng)組成、某些硬件狀態(tài)及指令的合法性等進行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警并顯示錯誤類型，如屬嚴重錯誤則自動終止運行。 1.3.2 PLC的特點 PLC作為通用工業(yè)控制計算機，30年來，可編程控制器從無到有，實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步，其領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備控制到勝任運動控制、程控、及集散控制等各種任務的跨越，今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用，主要特點有：1.可靠性高，抗干擾能力強，能適應工廠環(huán)境；2.編程簡單、直觀，可邊學邊用；3.適應性好，具有柔性；4.功能完善，接口多樣；5.易于操作，維護方便；6.體積小、功能強大、用途廣 1.3.3 PLC的分類 PLC的種類很多，其實現(xiàn)的功能、內(nèi)存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC的分類并沒有一個統(tǒng)一的標準，而是按結構形式、控制規(guī)、實現(xiàn)的功能大致地分類。 a.按結構形式分類：PLC按硬件的結構形式可以分整體式和模塊式。 整體式PLC ： 整體式PLC的 CPU、內(nèi)存、I/O 安裝在同一機體內(nèi)（如三菱的FX系列）。這種結構的特點是：結構簡單、體積小、價格低。適用于嵌入控制設備的內(nèi)部，常用于單機控制。 模塊式PLC ： 組合式PLC為總線結構。其總線做成總線板，上面有若干個總線槽，每個總線槽上可安裝一個PLC模塊，不同的模塊實現(xiàn)不同的功能。配置靈活、組裝方便、擴展容易。 b.按I/O點數(shù)和功能分類：I/O的點數(shù)是衡量PLC 控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)?？煞譃樾⌒蚉LC、中型PLC和大型PLC. （1） 微型PLC I/O點數(shù)小于64點 （2） 小型PLC I/O點數(shù)在64-256點之間。 （3） 中型PLC I/O點數(shù)在256點—512點之間。 （4） 大型PLC I/O點數(shù)在512—8192之間。 （5） 超大型PLC 大于8192點 c.按控制實現(xiàn)的功能分類：按照PLC所能實現(xiàn)的功能不同，可以把PLC大致地分為低檔PLC、中檔PLC和高檔PLC三類。 1.4可編程控制器的組成和工作原理 1.4.1 可編程控制器的硬件組成 PLC主要有中央處理器（CPU）、內(nèi)存（RAM、EPROM）、I/O、電源、擴展接口和編程器接口等幾部分組成，其結構圖如下圖1所示 （1）CPU模塊 在PLC系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。 （2）I/O模塊 輸入（INPUT）模塊和輸出（OUTPUT）模塊簡稱I/O模塊，他們是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。 輸入模塊用來接受和采集輸入信號，數(shù)字量輸入模塊用來接受從按鈕、選擇開關、數(shù)字開關、限位開關、接近開關、光電開關、等數(shù)字信號，模擬輸入模塊用來接收電位器，測速發(fā)電機和各種變送器提供的連續(xù)變化的模擬量電流電壓信號。數(shù)字量輸入模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報警器裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行裝置。 CPU模塊的工作電壓一般是DC5V，而PLC的輸出/輸出信號電壓信號一般較高，如DC5V和AC220V，可防止從外部引入的尖峰電壓和干擾信號可能損壞CPU模塊中的元器件或影響PLC的正常工作。I/O模塊中，用光電耦合器、小型繼電器等器件來隔離外部輸入電路和負載，I/O模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。 （1） 編程裝置 編程裝置用來生成用戶程序，并對它進行編輯、檢查和修改，掌上型編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。它體積小，價格便宜，一般用來給小型PLC編程，或者用來現(xiàn)場調(diào)試和維修。使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同的編程語言的相互轉換，程序被編譯下載到PLC也可以實現(xiàn)遠程編程和傳送。 可以用編程軟件設置PLC內(nèi)部的各種參數(shù)，通過通信，可以顯示梯形圖中的觸點和線圈的通斷情況，以及運行時PLC內(nèi)部的各種參數(shù)，對于查找故障非常有用。 （2） 電源 PLC一般使用220V交流電源或24V直流電源，內(nèi)部的開關電源為各模塊提供各種直流電源，驅動PLC負載的直流電源一般由用戶提供。 1.4.2 可編程控制的軟件系統(tǒng)和程序 PLC是一種工業(yè)控制計算機，不僅有硬件，軟件也是必不可少的。在PLC中軟件分為兩大部分，即系統(tǒng)程序和用戶程序。 (a) 系統(tǒng)程序是PLC賴以工作的基礎，采用匯編語言編寫，在PLC出廠時就已固化于ROM型系統(tǒng)程序內(nèi)存中，不需要用戶干擾。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。 (b) 用戶程序又稱為應用程序，是用戶為完成某一特定任務而利用PLC的編程語言而編制的程序。用戶程序通過編程器輸入到PLC的用戶內(nèi)存中，通過PLC的運行而完成這一特定的任務。 1.4.3 可編程控制器的工作原理 PLC內(nèi)部有許多具有不同功能的器件，實際上這些器件是由電子電路和內(nèi)存組成的。例如，輸入繼電器 X由輸入電路和映像輸入觸點的內(nèi)存組成；輸出繼電器Y由輸出電路和映像輸出點的內(nèi)存組成；定時器T、記數(shù)器C、輔助繼電器M、狀態(tài)器S、數(shù)據(jù)寄存器D、變址積存器V/Z等都有內(nèi)存組成。為了把它們與普通的硬件區(qū)分開，通常把上面的器件稱為軟器件。從工作過程看，只注重器件的功能和器件的名稱。如，輸入繼電器X、輸出繼電器Y等，而且每個器件都有確定的地址編號，這對編程十分重要。 PLC的工作原理可概括為：在系統(tǒng)管理程監(jiān)控下，對I/O集中采樣、順序執(zhí)行用戶程序并將運算結果集中輸出的工作過程。與計算機不同的是，計算機一般采用查詢等待命令的工序的執(zhí)行并轉到相應子程序。因此，當控制軟件發(fā)生故障時，會一直等待鍵盤或I/O命令，可能發(fā)生死機現(xiàn)象。而PLC作為專用工業(yè)控制機，一般采用掃描用戶程序工作方式，系統(tǒng)管理及應用程序的執(zhí)行全部是以循環(huán)掃描方式完成。當軟件發(fā)生故障時，可以定時執(zhí)行下一輪掃描，避免了死機現(xiàn)象，因此可靠性更高 第二章 系統(tǒng)硬件設計 2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構成 恒壓供水泵站一般需設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。配單臺電機和水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少十開一臺大電機肯定是浪費，電機選小了用水量大時供水不足。而且水泵和電機都有維修的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管壓網(wǎng)水呀的恒定，水泵電機的轉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配一臺變頻器，這當然方便，電機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)臺電機陪一臺變頻器，變頻器與電機見可以切換，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2所示，圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，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變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 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)設定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設定。供水距離越遠，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享一個泵站，水壓的設定值可能不只一個，一般消防用水的水壓要高一些，調(diào)節(jié)器具有給定值設定功能，可以以數(shù)字量進行設定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設定。 （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回饋，調(diào)節(jié)器實回饋的接受點。 （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回饋信號后，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，要加大水泵電機的轉速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。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定的，PID調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的的內(nèi)部構成由數(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，4~20mA變化的電流信號或0~10V間變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅動執(zhí)行設備工作。 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享三臺泵，平時電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關閉消防管網(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）下進行；當有火災發(fā)生時，電磁閥YV2得電，關閉生活用水管網(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）下進行?；馂慕Y束后三臺泵再改為生活供水使用 2.2 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)應底恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)應高恒壓值運行； （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； （5）要有完整的報警功能； （6）對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。 2.3 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)場設備的開關量，同時要能夠發(fā)出控制信號控制一些執(zhí)行設備，以便對現(xiàn)場設備進行控制。PLC是通過I/O單元完成此工作的。I/O單元是PLC與外部設備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅動能力的信號，以實現(xiàn)被控設備與PLC的I/O接口之間的電平轉換、電氣隔離、串/并轉換、A/D與D/A轉換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場設備向PLC提供信號，包括人為的控制信號和能描述現(xiàn)場狀態(tài)的開關量信號，例如由按鈕、限位開關、繼電器觸點、接近開關、撥碼器等提供的開關量。這些信號經(jīng)過輸入電路進行濾波、光電隔離、電平轉換等處理后，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，轉換成外部設備所需要的強電信號，以驅動各種執(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。 根據(jù)圖2 及以上控制要求統(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1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1 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸 入 信 號 手動和自動消防信號 SA1 I0.0 水池水位下限信號 SLL I0.1 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 遠程壓力表模擬量變壓值 U AIW0 輸 出 信 號 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 生活/消防供水轉換電磁閥 YV2 Q1.0 輸 出 信 號 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 火災報警指示燈 HL9 Q1.3 報警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復位控制 KA Q1.5 控制變頻器頻率用電電壓 UF AQW0 2.4 系統(tǒng)選型 從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關量輸入點6個、開關量輸出點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，選用主機為CUP222（8入/6繼電器輸出）一臺，加上一臺擴展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴展一臺模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖4 2.5 PLC模擬量控制單元的配置以及應用 PLC的普通輸入輸出埠均為開關量處理埠，了使PLC能完成模擬量的處理,常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉化為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運算結果數(shù)字量轉換為機外可以使用的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉換的，單獨用于數(shù)/轉換的，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。 2.5.1 EM235模擬量工作單元性能指針 表2 模擬量擴展模塊EM235輸入/輸出技術規(guī)范 輸 入 技 術 規(guī) 范 輸 出 技 術 規(guī) 范 最大輸出電壓 30VDC 隔離（現(xiàn)場到邏輯） 無 最大輸入電壓 32mA 信號范圍 電壓輸出 電流輸出 10 0~20 mA 輸入濾波衰減 -3dB，3.1kHz 分辨率 12位A/D轉換器 隔離 否 分辨率，滿量程 電壓 電流 ` 12位 11位 輸入類型 差分 輸入范圍 電壓單極性 0~10V，0~5V 0~1V，0~500mV 電壓 電流 -32000~+32000 0~+32000 電壓雙極性 電流 0~100Mv,0~50mV 10V，5V，2.5V 1V，500mV，250Mv 100mV, 50mV, 25mv 0~20mA 精度 最差情況0~55℃ 電壓輸出 電流輸出 2%滿量程 2%滿量程 精度 最差情況0~55℃ 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 輸入分辨率 AD轉換時間 ＜250s 模擬輸入階躍響應 1.5 mS到95% 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 20.4~28.8V 設置時間 電壓輸出 電流輸出 100s 2ms 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿量程 單極性，滿量程 -32000~+32000 0~32000 為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設計成可編程，而轉換生成的數(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)字量轉換為標準電流量或標準電壓量以方便與其它控制接口。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。 2.5.2 校準及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準，配置指根據(jù)實際需接入的信號類型對模塊進行一些設定。校準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。 2.5.3 EM235的安裝使用 （1）根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設置DIP開關，完成模塊的配置工作。必要時進行校準工作。 （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，空置端應短接。接線還應注意傳感器的線路盡可能短，且應使用屏蔽雙絞線，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擴展單元安裝時在主機的右邊依次排列，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上的擴展總線插口。 （4）為了在主機中進行輸入模擬量轉換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉換為模擬量的數(shù)字量，要在主機中安排一定的存儲單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸出AQW單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待入模塊轉變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機的變量存儲區(qū)V區(qū)存放處理產(chǎn)生的的中間數(shù)據(jù)。 2.5.4 EM235工作程序編制 EM235的工作程序編制包括以下的內(nèi)容： （1）設置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預置頂及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準備。 （2）設置模塊檢測子程序。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）設置子程序完成采樣以及相關的計算工作。 （4）工程所需的有關該模擬量的處理程序。 （5）處理后模擬量的輸出工作。 S7-200PLC硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機包含一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能的模塊。 一個完整的系統(tǒng)組成如圖5 （1）基本單元 基本單元（Basic Unit）有時又稱CUP模塊，也有的稱之為主機或本機。它包括CUP、內(nèi)存、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。 （2）擴展單元 主機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)需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數(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 當需要完成某些特殊功能的控制任務，需要擴展功能模塊。它們是完成某些特殊控制任務的一些設置。 （4）相關設備 相關設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)和使用的一些設備，主要有編程設備、人機操作接口和網(wǎng)絡設備等。 （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備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機借口軟件等幾大類構成。 EM235安裝使用 （1）根據(jù)輸入信號的類型以及范圍設置DIP開關，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）為了主機中進行輸入模擬量轉換后數(shù)字量以及待送入模塊轉變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。 S7-200 PLC的電源電壓有（20.4~~28.8）VDC和（85~~264）VAC兩種，主機上還集成了24V直流電源，可以直接用與連接傳感器和執(zhí)行機構。它的輸出類型有晶體管（DC）、繼電器（DC/AC）兩種輸出方式。它可以用普通輸入端子撲捉比CUP掃描周期更快的脈沖信號，實現(xiàn)高速記數(shù)。2路最大可達20kHz的高頻脈沖輸出，可用以驅動步進電機和伺服電機以便實現(xiàn)準確定位任務?？梢杂媚K上的電位器來改變它對應的特素積存器的數(shù)值可以實現(xiàn)更改程序應用中的一些參數(shù)，如定時器/計數(shù)器的設定值過程量的控制參數(shù)等。 2.5.5 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6所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺電機分別為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，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機超載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器喝三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡單的一般變頻器。 （2）控制電路圖 圖7所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉換開關，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SB1~SB2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程控下運行。 圖中的HL10為自動運行狀態(tài)的電源指示燈。對變頻器頻率進行復位時只提供一個干觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共享一個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的觸點對變頻器進行復位控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5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，可結合PLC外圍接線圖一起讀圖。 第三章 系統(tǒng)程序設計 硬件條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結合前述泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下： 3.1 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準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。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到上限的確定性，應該濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中考慮采取時間濾波。 3.2多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)結合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 3.3 程序的結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實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。生活供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設定值為滿量程的90%。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還要進一步調(diào)整以達到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益時間常數(shù)為 增益 采樣時間 積分時間 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 過程變量標準化值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T39 工頻/變頻轉換邏輯控制 VD108 PI計算值 M0.0 故障結束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) M0.1 泵變頻啟動脈沖 VD116 積分時間 M0.3 復位當前變頻運行泵脈沖 VD120 積分時間 M0.4 復位當前變頻運動泵脈沖 VD124 微分時間 M0.5 當前泵工頻運動啟動脈沖 VD204 變頻起運動頻率下限值 M0.6 新泵變頻啟動脈沖 VD208 生活供水變頻器運動頻率上限值 M2.0 泵工頻/變頻轉換邏輯控制 VD212 消防供水變頻器運動頻率上限值 M2.1 泵工頻/變頻轉換邏輯控制 VD250 PI調(diào)節(jié)結果存儲單元 M2.2 泵工頻/變頻轉換邏輯控制 VD300 變頻工作泵的泵號 M3.0 故障信號總匯 VD301 工頻運行的泵的總臺數(shù) M3.1 水池水位下限故障邏輯 VD310 倒泵時間內(nèi)存 M3.2 水池水位下限故障消鈴邏輯 T33 工頻/變頻轉換邏輯控制 M3.3 變頻器故障消鈴邏輯 T34 工頻/變頻轉換邏輯控制 M3.4 火災消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖程序以及程序注釋如下圖。對該程序有幾點說明： （1）因為程序較長，所以讀圖時請按照網(wǎng)路標號的順序進行； （2）本程序的控制邏輯設計針對的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。 網(wǎng)絡4 變頻器上限時增泵濾波 IN TON PT I0.0 VD250 .M0.1 T37 >=D VD212 +50 VD250 I0.0 >=D VD208 網(wǎng)絡5 符合泵條件時，工頻泵運行數(shù)加1 T37 VB301 <=P P INC-B EN ENO IN OUT OUT VB301 VB301 網(wǎng)絡6 頻率下限時減泵濾波 VD250 M0.2 T38 IN TON PT <=D +1800 +100 網(wǎng)絡7 符合減泵條件時，工頻泵運行數(shù)減1 T38 VB301 M0.2 >B P （ ） DEC-B EN ENO IN OUT 0 VB301 VB301 網(wǎng)絡8 變頻泵增泵或倒泵時，置位M2.0 M0.1 M2.0 （ ） M0.3 網(wǎng)絡9 復位變頻器頻率，為軟啟動做準備 T 33 IN TON PT M2.0 Q0.5 +1 （ ） 網(wǎng)絡10 產(chǎn)生關斷當前變頻泵脈沖信號 Ｔ３３ 　　　　　　　　　　　　　　　　?。停?４　 　　　　　　　　　　　Ｐ　　　　?。ā。゛ 　　網(wǎng)絡１１　工頻泵數(shù)加１ 　　?。停?４.　　　　　　　?。停?１ 　　　　　　　　　　　　　?。ǎ樱? 　　　　　　　　　　　　　　?。? NC-B EN ENO IN OUT 　　　　　　　　　　　　?。郑拢常埃啊　　　　　　　　　。郑拢常埃? 　　　　　　　　　　　　　　　 網(wǎng)絡12 T34 IN TON PT M2.1 +2 網(wǎng)絡13 產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號 T34 M0.5 P （ ） M2.1 （R ） 1 網(wǎng)絡14 M0.5 M2.2 （ S ） 網(wǎng)絡15 M2.2 T39 IN TON PT +30 網(wǎng)絡16 產(chǎn)生下一臺泵變頻運行啟動信號 T39 M0.6 P （ ） M2.2 （ R ） M2 （ R ） 網(wǎng)絡17 變頻工作泵的泵號轉移 VB300 MOV--B EN ENO IN OUT >B 3 1 VB300 網(wǎng)絡18 一個變頻泵運行的持續(xù)時間判斷 VB301 SM0.4 INC—DW EN ENO IN OUT ==B P 0 VD301 VD310 網(wǎng)絡19 3H時間到，則產(chǎn)生下一臺泵的變頻啟動信號 VD301 M0.3 >=D P （ ） MOV--B EN ENO IN OUT +180 +0 VD301 網(wǎng)絡20 有工頻泵運行時，復位VD310 MOV—DW EN ENO IN OUT VB301 <>B 0 +0 VD310 網(wǎng)絡21 1號泵變頻運行控制邏輯 SM0.1 VB300 M3.0 M0.4 Q0.0 Q0.1 ==B （ ） M0.0 1 M0.6 Q0.1 網(wǎng)絡22 2號泵變頻運行邏輯 M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.2 Q0.3 ==B （ ） 網(wǎng)絡23 3號泵變頻運行控制邏輯 M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.4 Q0.5 ==B （ ） 2 Q0.5 網(wǎng)絡24 1號泵工頻運行控制邏輯 .M0.5 VB300 VB301 Q0.1 Q0.0