【文章內容簡介】 計算機等通信 讀入現場信號 執(zhí)行用戶程序 結果輸出 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 9如 接收編程器送來的程序、命令和各種數據，并把顯示的狀態(tài)、數據、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。如果有與計算機等的通信請求 ，也在這段時間完成數據的接收和發(fā)送任務。 PLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。 中央處理器 CPU將指令逐條調出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài) (這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數據 )進行“處理”，即按程序對數據進行邏輯、算術運算，再將正確的結 果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。 當所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉 換成被控設備能接收的電壓或電流信號，以驅動被控設備，這就是輸出刷新階段。 PLC經過這五個階段的工作過程，稱 為一個掃描周期，完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復始地進行，掃描周期是 PLC的重要指標之一， 在不考慮第二個因素 (與編程器等通信 )時，掃描周期 T見公式。 T=(讀入一點時間 X輸入點數 )+(運算速度 X程序步數 )+(輸出一點時間 X輸出點數 )+故障診斷時間 顯然掃描時間主要取決于程序的長短，一般每秒鐘可掃描數十次以上，這對于工業(yè)設備通常沒什么影響。但對控制要求嚴格，響應速度要求快的系統(tǒng)，就應該精確地計算響應的時間，細心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少 掃描周期造成的不良影響。 PLC與繼電接 觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制 是按并行方式工作的，也就是說是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電器同時動作，而 PLC是以反復掃描的方式工作的，它是循環(huán)地 連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說 PLC是以串行方式 工作的。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點競爭和時序失配的問題。 總之，采用循環(huán)掃描的工作方式也是 PLC區(qū)別于微機的最大特點，使用者應 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 10 特別注意。 特別注意的是 :在 PLC的程序中，前面邏輯行的執(zhí)行結果在本次掃描過程中，影響后面邏輯行的執(zhí)行結 果 :而后面邏輯行的執(zhí)行結果在本次掃描中不影響前面 邏輯行的果。 PLC 的特點及應用 可編程序控制器的特點主要包括以下幾個方面 : 編程方法簡單易學。 PLC中配備了易于接受和掌握的梯形圖語言。梯形圖語言的電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相當接近，只用 PLC的 20多條開關量邏輯控制指令就可以實現繼電器的功能。 硬件配套齊全，用戶使用方便。 PLC配有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設計和制作硬件裝置。 PLC的安裝接線也很方便， PLC一般用接線端子連接外部接線。 通用性強，適應性強 。由于 PLC的系列化和模塊化，硬件配置相當靈活，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。硬件配置確定后，可以通過修改用戶 程序，方便快速的適應工藝條件的變化。 可靠性高，抗干擾能力強。 PLC用軟件取代了繼電器系統(tǒng)中容易出現故障的大量觸電和接線。除此之外， PLC還采取了一系列抗干擾的措施。 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少。 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、計數器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。 由于 PLC 具有一系列特點，因此，它已被廣泛應用于礦山、冶 金、機械、石油、化工、汽車制造、電力、造紙、印刷、輕工、紡織、交通、通訊、郵政、建筑、建材、環(huán)保、娛樂、食品加工、家電等各行各業(yè)。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 11 按照控制類型不同，它主要應用在以下幾個方面： 開關量控制。取代傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)，實現開關量的邏輯控制和順序控制。 模擬量控制。通過模擬量 I/O 模塊可對溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行控制。 數字量控制。利用 PLC能接收和發(fā)送高速脈沖的功能，在配備相應的傳感器和脈沖伺服裝置就可實現數字量控制。 集散控制。 PLC 的通信聯網能力很強。除了相互之間可以進行 通信聯網以外， PLC 與計算機之間也可以進行通信聯網，由計算機來實現對其監(jiān)控和管理。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 12 第 3 章 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的總體設計 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)概況 本次畢業(yè)設計的自動供水系統(tǒng)仿真示意圖如圖 31所示。該系統(tǒng)通過 2臺抽水泵 (另外兩臺備用 )分別將 1和 2兩口水井中的井水抽到清水池中，加藥處理后由 2臺加壓泵 (另外兩臺備用 )分別向 A區(qū)水塔和 B區(qū)水塔自動供水，以保證兩區(qū)居民的用水需求。 圖 31 PLC控制自動供水仿真圖 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)要 求、組成及功能 自動供水控制系統(tǒng)主要是控制 4 臺抽水泵和 4 臺加壓泵的啟停，保證用戶供水，控制系統(tǒng)設“手動”和“自動”兩種工作方式。手動方式是一種備用方式，它是在自動方式不能正常運行的情況下啟用，自動方式可以實現無人值班， 無需人為干預，正常情況下自動供水，保證用戶有水可用即可。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 13 基于 PLC 給水控制系統(tǒng)控制要求 (1) 1或 2水井水位低于最低水位時，自動停止相應的抽水泵，在操作臺顯示液位值，并向上位機發(fā)出報警信號。 (2) 清水池水位低于下限水位時， 1和 2兩口水井中的各自一臺水泵向清水池送水 ，當清水池水位達到上限時，根據設定值自動啟動加藥泵和攪拌電機進行加藥處理，處理完畢后，向兩個水塔自動供水。要求各臺備用抽水泵在相應抽水泵出現故障時，自動投入運行。如果每個水井對應的兩臺抽水泵都出現故障，不能正常啟動時，顯示該水井供水報警。 (3) A區(qū)或 B區(qū)水塔水位不高于上限水位，清水池中的水是加藥處理后適合居民使用的純凈水時，如果清水池中的水位不低于下限水位， 各主加壓泵同時向水塔送水；當水塔水位高于上限水位時，主加壓泵停止送水；要求各臺備用加壓泵在相應加壓泵出現故障時，自動投入運行。如果每個水塔對應的兩臺 加壓泵都出現故障，不能正常啟動時，顯示該水塔供水報警。 (4) 通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和報警，并實時顯示水井、清水池、水塔的液位。供水管道的壓力高于上限時，發(fā)出報警信號。 (5) 本系統(tǒng)要求運行安全可靠，手動操作、自動操作轉換方便、可行。 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)控制組成 本 PLC的給水控制系統(tǒng)由按鈕操作系統(tǒng)、電動閥門控制系統(tǒng)、 PLC電氣控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)四個部分組成。 (1)按鈕操作系統(tǒng) 實現手動和自動兩種工作方式的轉換；手動操作時，通過按鈕控制任意一臺抽水泵、加壓泵、加藥泵和加壓泵 電動閥們的啟、停。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 14 (2)電動閥門控制系統(tǒng) 它控制 4臺加壓泵電動閥門的打開與關閉，可以實現自動控制與遠程控制。 (3)PLC 電氣控制系統(tǒng) 實現 4臺抽水泵和 4臺加壓泵的自動 /手動通電與斷電的電氣控制，利用 PLC實現功能要求的邏輯適時控制和信息向上位機的傳送。 (4)上位機監(jiān)控系統(tǒng) 監(jiān)控 4 臺抽水泵和 4 臺加壓泵的狀態(tài)，并實時顯示水井、清水池、水塔的水位，并顯示報警信息。 基于 PLC 給水控制系統(tǒng)設計 本 PLC 給水控制系統(tǒng)的設計包括：系統(tǒng)結構框圖的設計；系統(tǒng)控制的工藝流程圖的設計；系統(tǒng)信號的傳輸關系的設計； PLC及其它元器件的選擇； PLC 的I/O 地址分配；系統(tǒng)控制硬件電路的設計； PLC 的流程圖和梯形圖的軟件設計。 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的設計步驟 PLC控制系統(tǒng)的設計分為硬件選型及 PLC軟件編制兩個方面。現介紹控制系統(tǒng)的設計步驟。 根據生產的工藝過程分析控制要求，如需要完成的動作（動作時序、條件、必要的保護和聯鎖等）、操作（手動、自動、連續(xù)、間斷等）。 在明確了控制任務和要求后，選擇電氣傳動方式和確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設備。 選擇合適的 PLC類型（包括機型的選擇、容量的選擇、 I/O模塊的選擇等）。 分配 I/O點，設計 I/O端子接線圖。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 15 進行 PLC程序設計，同時可進行控制柜或操作臺的設計和現場施工。 將編寫好的程序輸入 PLC中去，并對程序進行調試和修改，直到滿足要求為止。 聯機調試。在 PLC軟硬件設計和控制臺、柜及現場施工完成后，就可以進行整個系統(tǒng)聯機調試，調試中發(fā)現的問題，要逐一排除，直到調試成功。 編制技術文件。（包括說明書、電氣原理圖、電氣布置圖、電氣元件明細表、 PLC程序清單）。 交付使用。 以上是一個 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟，可根據控制系 統(tǒng)的規(guī)模、控制要求的繁簡、控制程序步序的多少，根據實際情況有的步驟可以省略。 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的結構框圖 根據控制系統(tǒng)要求， PLC 控制器主要是對兩個取水泵站的四臺水泵和兩個液位傳感器、加藥站的加藥泵、加壓站的四臺加壓泵進行控制及向上位監(jiān)控機傳送各種信息。由此， PLC 控制系統(tǒng)的基本結構框圖，如圖 32 所示。 圖 32 PLC控制系統(tǒng)基本框 圖 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 16 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的工藝流程圖 根據 PLC 的供水控制系統(tǒng)控制工藝要求，由其相互邏輯關系，可以得到各個水泵和加壓泵的自動控制流 程圖，如圖 33 所示。 圖 33工藝流程圖 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 17 第 4 章 基于 PLC 的供水控制系統(tǒng)硬件設計 基于 PLC 的供水控制系統(tǒng) PLC 機型選擇 機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、維護使用方便及最佳的性能價格比。具體應考慮的因素如下所述。 （ 1）結構合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結 構的 PLC。否則，選用模塊式結構的 PLC。 （ 2）功能、規(guī)模相當 對于開關量控制的工程項目，對其控制速度無須考慮，一般選用低檔的 PLC。 如西門子公司的 S7200系列機或歐姆龍公司的 COM1。 對于以開關量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目，可選用含有 A/D轉換的模擬量輸入模塊和含有 D/A轉換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運算和數據傳輸功能的低檔 PLC。如西門子公司的 S7300或 S7400。 對于控制比較復雜、控制功能要求較高的工程項目，如要求實現 PID運算、閉環(huán)控制、通信聯網等，可根據控制規(guī)模及復雜的程度，選用中檔機或高檔機。其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全 PLC的分布式控制系統(tǒng)和整個工廠的自動化等。 （ 3）機型統(tǒng)一 一個大型企業(yè)選用 PLC時，盡 量要做到機型統(tǒng)一。同一機型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購和管理 。另外，功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術人員的培訓 。其外部設備通用也有利于資源共享。若配備了上位計算機，可把各獨立系統(tǒng)的多臺 PLC聯成一個多級分布式控制系統(tǒng)，相互通信，集中協調管理。 （ 4） PLC 的環(huán)境適應性 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計（論文） 18 由于 PLC是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產廠家都把它設計成能在惡劣的環(huán)境條件下，可靠地工作。盡管如此每種 PLC都有自己的環(huán)境技術條件，我們在選用時，特別是在設計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要進行充分的考慮。對于需要應用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據具體的情況進行合理的選擇。 （ 5）是否在線編程 PLC的特點之一是使用靈活。當被控設備的工藝過程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產帶來很大方便。 是否在線編程，應根據被控設備工藝要求的不同來選擇。對于產品定型的設備和工藝不常變動的設備，應選用離線編程的 PLC；反之，可考慮選用在線編程的 PLC。 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng) PLC 容量選擇 PLC容量包括兩個方面 :一是 I/O的點數 。二是用戶存儲器的容量 (字數 )。 PLC容量的選擇除滿足控制要求外，還應留有適當的裕量， 以做備用。根據經驗，在選擇存儲容量時，一般按實際需要的 10%～ 25%考慮裕量。對于開關量控制系統(tǒng)，存儲器字數為開關量 I/O乘以 8。對于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲器字數為模擬內存單元數乘以 100。 各種指令占存儲器的字數可查閱 PLC產品使用手冊。 I/O點數應留有適當余量。由于目前 I/O點數較多的 PLC價格高，若備用的 I/O點的數量太多，將使成本增加。根據被控對象的輸入信號和輸出的總點數， 并考慮到今后的調整和擴充，通常 I/O點數