【文章內(nèi)容簡介】 作為下位機。 PLC與 IPC 通過 PC/PPI 電纜連接，采用 PPI 協(xié)議進行通訊。傳感器通過現(xiàn)場電流、電壓信號或 RS485數(shù)字 通訊的方法來實現(xiàn)與 PLC 的連接。整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對泵站的監(jiān)測和控制，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要求。 圖 泵站監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 5 頁 3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分 概述 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)境設(shè)計。它采用了可編程程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲邏輯、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。 PLC 的種類很多，但它的結(jié)構(gòu) 和工作原理基本上是相同的，主要由 CPU（中央處理器）、記憶模塊、輸入 /輸出單元、供電部分、擴展接口、通訊接口、編程設(shè)備、其他組件等部分組成。 PLC 的工作原理 （ 1）與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別 繼電器控制系統(tǒng)是一種硬件邏輯系統(tǒng)，當電源被接通時，繼電器控制電路處于受控狀態(tài)，該閉合的部分閉合，受到某種限制不能閉合的不閉合，它屬于并行工作模式。而在 PLC內(nèi)部設(shè)備的各種循環(huán)掃描過程中，邏輯的，數(shù)字的輸出結(jié)果都是按照在程序中的前后順序計算得出，因此它屬于串行工作模式。 在控制系統(tǒng)的可靠性和可維護性方面，繼電器控制系統(tǒng) 使用的機械觸點很多，連接線也很多。容易出現(xiàn)電弧，機械磨損，壽命較短，因此，在可靠性和可維護性表現(xiàn)一般。而PLC 采用微電子技術(shù)，無接觸，體積小，壽命長，開關(guān)動作次數(shù)由半導(dǎo)體電路完成，可靠性相當高。 在控制速度方面，繼電器控制系統(tǒng)依靠機械動作控制觸點，工作頻率低，打開和關(guān)閉行動是以毫秒為單位計算。此外，在機械觸點動作時會出現(xiàn)抖動 。而 PLC 是通過半導(dǎo)體電路的程序指令來實現(xiàn)控制，屬于非接觸式控制，速度一般在微秒數(shù)量級，而且不會出現(xiàn)抖動。 （ 2） PLC 工作方式 PLC 的工作過程可以分為三個部分。 第一部分是加電處理。 PLC系統(tǒng)加電后，需要進行初始化操作，包括硬件初始化， I/O模塊配備檢查，配置系統(tǒng)的各種參數(shù)等其他的初始化過程。 第二部分是掃描過程。 PLC 加電過程處理完成后進入掃描過程后。需要對輸入信號和與其他設(shè)備之間的通信進行處理，然后再次更新和刷新時鐘和特殊寄存器。當 CPU 處于停止狀態(tài)時， 轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查 。當 CPU處于運行模式時，還需要執(zhí)行用戶程序并對輸出過程進行處理，再轉(zhuǎn)入執(zhí)行自診斷檢查。 第三部分是出錯處理。 PLC 每掃描一次，執(zhí)行一次自診斷檢查，確定 PLC 自身的動作是否正常，如果 CPU、電池電壓、程序存儲器、 I/O 和通信等是否異常或出錯。如果檢查出異常， CPU 面板上的 LED 及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼；當出現(xiàn)致命錯誤時， CPU會被強制進入到停止模式，所有的掃描會被停止。 PLC 掃描周期長度和 CPU的運算速度， I/O 數(shù)量，用戶應(yīng)用程序的長度有關(guān)系。不同的指令的執(zhí)行時間是不同的，范圍從幾微秒到幾百微秒，所以不同的指令的掃描時間也是不同的。但是由于當今的 CPU速度都非?？?，通過對程序的費心思考去減小掃描周期時間中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 6 頁 不再是非常必要的了。 概括而言 ， PLC 是按集中輸入、集中輸出 ，周期性循環(huán)掃描的 方式進行 工作 的。每一次掃描所 用的 時間稱為掃描周期 ,也叫工作周期。 在 PLC 上電后的正常運轉(zhuǎn)時，它會不斷重復(fù)掃描過程，并一直重復(fù)下去。分析掃描過程時，如果忽略遠程 I/O、特殊模塊、更新時鐘及其他通訊服務(wù)， 這樣 掃描過程 就 只剩下輸入采樣，程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。這三個階段是 PLC 工作過程的中心內(nèi)容，也是PLC 工作原理的核心所在。 ◆ 輸入采樣階段 PLC 在輸入采樣階段，首先掃描所有輸入端子，并將每個輸入狀態(tài)存入對應(yīng)的輸入映像寄存器中，此時出入映像寄存器被刷新。接著系統(tǒng)進入程序執(zhí)行階段，在此階段和輸出刷新階段，輸入 映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，直到下一個周期的輸入采樣階段，才重新寫入出入端的新內(nèi)容。所以，一般來說，輸入信號的寬度要大于一個掃描周期，或者輸入信號的頻率不能太高，否則很可能造成信號的丟失。 ◆ 程序執(zhí)行階段 進入程序執(zhí)行階段之后，一般來說（因為還有子程序和中斷程序的情況）， PLC 按從左到右、從上到下的步驟執(zhí)行程序。當指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時， PLC 就從輸入映像寄存器中“讀入”對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從原件映像寄存器“讀入”對應(yīng)原件（“軟繼電器”）的當前狀態(tài)。然后進行相應(yīng)的運算，最 新的運算結(jié)果馬上存入到相應(yīng)的原件映像寄存器中。對原件映像寄存器來說，每一個原件（“軟繼電器”）的狀態(tài)隨著程序過程而刷新。 ◆ 輸出刷新階段 在用戶程序執(zhí)行完畢之后，原件映像寄存器中所有輸出寄存器的狀態(tài)（接通 /斷開）在輸出刷新階段一起轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式集中輸出，最后經(jīng)過輸出端子驅(qū)動外部負載。在下一個輸出刷新階段開始之前，輸出鎖存器的狀態(tài)不會改變，從而輸出端子的狀態(tài)也不會改變。 （ 3） PLC 的主要功能 PLC 的使用非常廣泛，在工業(yè)自動化設(shè)備、工廠自動化系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)中占有重要地位 。今天的 PLC 的功能遠遠不是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)可以取代的。 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)一般包括以下基本功能： ◆ 控制功能 邏輯控制 :PLC 具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，可以代替繼電器進行開關(guān)量控制。 定時控制 :它為用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定 :接通延時、關(guān)斷延時和定時脈沖等方式。 計數(shù)控制 :用脈沖控制可以實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可以連接碼盤進行位置檢測。 順序控制 :在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺 PLC 可作為多部步進控制器使用。 ◆ 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能 數(shù)學(xué)運算功 能包括 : 基本算術(shù) :加、減、乘、除 擴展算術(shù) :平方根、三角函數(shù)和浮點運算 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 7 頁 比較 :大于、小于和等于 數(shù)據(jù)處理 :選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出 模擬數(shù)據(jù)處理 :PID、積分和濾波 ◆ 輸入 /輸出接口處理功能 具有 A/D 與 D/A 轉(zhuǎn)換功能，通過 I/O模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)精度，可以根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。 ◆ 通信、聯(lián)網(wǎng)功能 現(xiàn)代 PLC 大多數(shù)都采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，大都有 RS232 或 RS485 接口，可進行遠程 I/O 控制，多臺 PLC 可 彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。 通信接口或通信處理器按標準的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。 在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機與多臺 PLC 構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 ◆ 人機界面功能 提供操作者以監(jiān)視機器 /過程工作必需的信息；允許操作者和 PC系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整。實現(xiàn)人機界面功能的手段 :從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的 CRT 顯示與 鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機、工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。 ◆ 編程、調(diào)試等 使用復(fù)雜程度不同的手持、便攜和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。 （ 4） PLC 控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng) 中 很大一部分 是采用 PLC 的，而不是傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，這主要是因為 PLC 具有多種優(yōu)勢： ◆ 功能強，性能價格比高 一臺小型 PLC 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件（如計時器，計數(shù)器，繼電器等），有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器相比，具有很高的性能價格比。 ◆ 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標準化，系列化，模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用。用戶能靈活方便的進行系統(tǒng)配置，組成不同的功能、不規(guī)模的系統(tǒng)。楞編程序控制器的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 PLC 有很強的帶負載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器。 ◆ 可靠性高 ，抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障， PLC 用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統(tǒng)的 1/101/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力，平均無故障時間達到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC 已被廣大用戶公認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 8 頁 ◆ 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少 PLC 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。 PLC 的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計方法。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，梯形圖的設(shè)計時間比設(shè)計繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。 PLC 的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過 PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 ◆ 編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言，其電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相似，梯形圖語言形象直觀，易學(xué)易懂，熟悉繼電器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言，并用來編制用戶程序。梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言，可編程序控制器在執(zhí)行梯形圖的程序時，用解釋程序?qū)⑺胺g”成匯編語言后再去執(zhí)行。 ◆ 維修工作量少，維修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC 上的發(fā)光二極管或編程器提供的實時梯形圖的狀態(tài)迅速的查明故障的原因，用修改程序或更換模塊的方法可以迅速地排除故障。 ◆ 體積小，能耗低 對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用 PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC 的體積相當于幾個繼電器大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的確 1/21/10。 PLC的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線要少得多，故可以省下大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，可以減少大量費用。 ◆ 與時俱進，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊 PLC 可以與電腦及智能儀表等通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn) 分散控制集中管理。并能實現(xiàn)地顯示出當前機械設(shè)備的工作狀態(tài)和工作流程，對生產(chǎn)管理和現(xiàn)場維修帶來極大的方便。而組態(tài)軟件是一種成熟的軟件產(chǎn)品，主要用于工業(yè)現(xiàn)場的檢測，數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點是功能強大，易于二次組態(tài)開發(fā)，性能穩(wěn)定。多以通過實踐檢能夠很好的完成本文的要求。 （ 5） PLC 通信方式 S7200系列 PLC 主要有三種通信方式：一種是通過點對點（ PPI）的方式，主要用于與 SIEMENS 公司的專門用于對 PLC 進行編程的設(shè)備進行通信，這種通訊協(xié)議是對外保密的。第二種為 DP 方式， PLC 通過這種方式連接到過程現(xiàn)場總線 從而可以擴大 PLC 的控制范圍。第三種是 FreePort 通信即自由口通訊方式，自由即意味著通訊協(xié)議可由用戶自己編寫，這種方式比較開放。本系統(tǒng)中采用 PPI 通信方式，它是 SIEMENS 專門為 S7200系列PLC 設(shè)計的專用通信協(xié)議。這種方式所需的投資很小，同時擁有很好的靈活性，適合小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。大多數(shù) PC 機的串口通訊標準為 RS232， SIEMENS 公司提供的 PC/PPI 電纜帶有 RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換裝置，因此在不增加任何硬件的情況下，可以很方便地將 PLC和 PC 機互聯(lián)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)論文 第 9 頁 泵站監(jiān)控系統(tǒng)各種參數(shù)的 檢測 泵站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的過程中，需要對系統(tǒng)運行的各種參數(shù)進行檢測，本文將給出這幾個參數(shù)的檢測方法 :水池液位、水泵流量、水泵壓力。 水池液位的檢測 本系統(tǒng)采用超聲波液位傳感器來實現(xiàn)對水池液位的檢測。 超聲波液位傳感器是利用超聲波對兩種介質(zhì)之間的邊界反射特性。如果發(fā)射的超聲波脈沖的開始，直到接收到的反射波的時間間隔是已知的，可以計算出分界面的具體位置，液位的測量可以使用此方法。據(jù)的發(fā)送和接收功能的換能器，傳感器可分為單個換能器和雙個換能器。單個換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲 波使用相同的換能器，和雙換能器傳感器的發(fā)送和接收使用兩個換能器所不同。下面是單個換能器超聲波傳感器進的介紹。 超聲波的發(fā)射和