【文章內(nèi)容簡介】 PLC 與繼電器構(gòu)成的控制裝置的重要區(qū)別之一就是工作方式不同，繼電器控制是并行運(yùn)行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點(diǎn)立即動作，只要形成電流通路，就有可能有幾個電器同時動作。而 PLC 則不同，它采用循環(huán) 掃描技術(shù)，只有該線圈通電或斷電，并且必須當(dāng)程序掃描到該線圈時，該 線圈觸點(diǎn)才會動作，而且每次只能執(zhí)行一條指令，這也就是 PLC 以“串行”方式工作的，這種工作方式可以避免繼電器控制的觸點(diǎn)競爭和時序失配等問題。也可以說，繼電器控制裝置是根據(jù)輸入和邏輯控制結(jié)構(gòu)就可以直接得到輸出，而 PLC 控制則 需要出入 傳送、執(zhí)行程序指令、輸出 3個階段才能完成控制過程。 1．循環(huán)掃描技術(shù) PLC 采用循環(huán)可以分為 3 個階段：輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到 PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設(shè)備）。 （ 1） 輸入階段 在這個階段中， PLC 先進(jìn)行自我診斷，然后與編程器或計算機(jī)通信，同時中央處理器掃描各個輸入端并讀取輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并把它們存入相應(yīng)的輸入存儲單元。 （ 2）執(zhí)行程序階段 在這個階段中， PLC 按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應(yīng)的11 輸入存儲單元讀入輸入信號的狀態(tài)和數(shù) 據(jù)，然后根據(jù)程序內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到運(yùn)算結(jié)果，并將這些結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲器單元。這一階段執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出階段。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數(shù)據(jù)保持不變。 （ 3）輸出階段 在這個階段中， PLC 將相應(yīng)的輸出存儲單元的運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊想外部設(shè)備傳送輸出信號，開始控制外部設(shè)備。 2． PLC 的輸入 /輸出響應(yīng)時間 I/O 響應(yīng)時間是指某一輸入信號從變化開始到系統(tǒng)相關(guān)輸出端信號的改變所需要的時間。因?yàn)?PLC 的循環(huán)掃描工 作方式，所以收到輸入信號的時刻不同，響應(yīng)時間的長短也就不同。下面就給出最短和最長響應(yīng)時間。 最短響應(yīng)時間：一個 掃描周期剛結(jié)束就收到輸入信號，即收到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應(yīng)時間最短?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應(yīng)時間應(yīng)大于一個掃描周期。 最長響應(yīng)時間：在一個掃描剛完成輸入讀取后才接到輸入信號，這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生變化，要等到下個掃描周期才能得到響應(yīng)，這時的響應(yīng)時間最長。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計原則和設(shè)計步驟 1．設(shè)計原則 PLC 控制系統(tǒng)是為工藝 流程服務(wù)的，所以它首先要能很好地實(shí)現(xiàn)工藝提出的控制要求。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則。 （ 1） 根據(jù)工藝流程進(jìn)行設(shè)計，力 求設(shè)計出來的控制系統(tǒng)能最大限度地滿足控制要求。 （ 2） 在滿足控制要求的前提下，盡量減 少 PLC 系統(tǒng)硬件費(fèi)用。 （ 3）考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考 慮 PLC 的可擴(kuò)展性 （ 4） 控制系統(tǒng)使用和 維護(hù)方便、安全可靠。 2．設(shè)計步驟 一般 PLC 控制系統(tǒng)的 設(shè)計步驟如圖 33，具體操作如下。 12 開始設(shè)計控制要求分析確定輸入輸出設(shè)備選擇合適的PLCI/O點(diǎn) 數(shù)分配PLC 程序設(shè)計模擬調(diào)試現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試整理技術(shù)文件設(shè)計結(jié)束 圖 33 設(shè)計步驟示意圖 （ 1）控制要求分析 在設(shè)計 PLC 控制系 統(tǒng)之前，必須 對工藝過程進(jìn)行細(xì)致的分析，詳細(xì)了解13 控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己所要完成的任務(wù)，并更好地完成任務(wù)，設(shè)計出令人滿意的控制系統(tǒng)。 （ 2）確定輸入 /輸出設(shè)備 根據(jù)控制要求選擇合適的輸入設(shè)備（控制按鈕、開關(guān)、傳感器等） 和輸出設(shè)備（接觸器、繼電器）。并根據(jù)所選用的輸入 /輸出設(shè)備的類型和數(shù)量，確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)。 （ 3）選擇合適 PLC 確定 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)后，就根據(jù) I/O 點(diǎn)數(shù)、控制要求等來進(jìn)行 PLC 的選擇。選擇包括機(jī)型、存儲器容量、輸入 /輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。 （ 4） I/O 點(diǎn)數(shù)分配 點(diǎn)數(shù)分配就 是規(guī)定 PLC 的 I/O 端子和輸入 /輸出設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，畫出I/O 接線原理圖。 （ 5） PLC 程序設(shè)計 本階段就是根據(jù)控制對象和控制要求對 PLC 進(jìn)行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，然后畫出程序流程圖，最后再進(jìn)行程序編制。 （ 6）模擬調(diào)試 程序編制好后，可以用按鈕和開關(guān)模擬數(shù)字量，電壓源和電流源代替模擬量，進(jìn)行模擬調(diào)試，使控制程序基本滿足控制要求。 （ 7）現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試 現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試就是將 PLC 與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。在這一步中可以發(fā)現(xiàn)程序存在的實(shí)際問題 ，然后經(jīng)過修正后使其滿足控制要求。 （ 8）整理技術(shù)文件 這一步主要包括整理與設(shè)計有關(guān)的文檔，包括設(shè)計說明書、 I/O 接線原理圖、程序清單和使用說明書等 。 污水處理 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計分析 污水處理的過程 本文中的污水 處理采用 SBR 污水生物處理工藝，即序批式間歇活性污泥法。這種工藝是按“進(jìn)水、反應(yīng)（曝氣等）、沉淀、排水”步驟周期性進(jìn)行生化反應(yīng)。從污水 流入開始到排水結(jié)束算做一個周期。工藝流程圖如圖 34 所14 示。 圖 34SBR 工藝流程 基本操作運(yùn)行程序如下。 進(jìn)水 閥門 打開，污水通過粗格柵，經(jīng)過水泵，然后細(xì)格柵過濾到達(dá) SBR池。 反應(yīng)工序是 SBR 工藝最主要的一道工序。當(dāng)污水注入達(dá)到預(yù)定容積后，停止進(jìn)水，空氣閥門打開，鼓風(fēng)機(jī)啟動，開始曝氣，同時潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾眠\(yùn)行，可開始反應(yīng)操作，如驅(qū)除 BOD、硝化、磷的吸收以及反硝化等。根據(jù)反應(yīng)需要達(dá)到的程度，進(jìn)行曝氣和攪拌，并決定反應(yīng)的時間長短，必要時可投加藥劑。在進(jìn)入沉淀工序前，應(yīng)進(jìn)行短時間的微量曝氣，以吹脫污泥上黏附的氣泡或氮，以保證排泥順利進(jìn)行。 當(dāng) SBR 池停止曝氣以后 ，空氣閥門關(guān)閉，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛Ｖ惯\(yùn)行，開始重力沉淀和泥水分離。 SBR 池水位達(dá)到最高水位，并經(jīng)過沉淀工藝以后，上清液（上面的清液）由潷水器緩慢排出池外。當(dāng)池水 位達(dá)到處理周期開始時的最低水位時，停止?jié)?。剩余污泥泵在潷水器停止運(yùn)行后開始運(yùn)行，排泥至儲泥池。 設(shè)備控制要求 15 （ 1）兩臺粗格柵除污機(jī)，由時間間隔來控制 其開或者停。一般開 10min,停 1h。 （ 2）兩臺水泵，由浮球控制。當(dāng)集水池處于低水位時，關(guān)閉所有泵；當(dāng)水位較高時，開一臺水泵；當(dāng)水位高時，開兩臺水泵；當(dāng) 水位很高時，發(fā)報警信號。 （ 3）兩臺細(xì)格柵由時間控制其開或停。一般開 10min,停 1h。 （ 4）當(dāng)有一臺細(xì)格柵工作時，皮帶運(yùn)輸機(jī)滯后 10s 開機(jī)。 （ 5） SBR 池內(nèi)進(jìn)水閥門依次開啟，當(dāng) 1池水位升到一定液位后關(guān)閥門，然后開 2進(jìn)水閥門， 2池水位升到一定液位后關(guān)閥門，然后開 3進(jìn)水閥門，依次類推。 （ 6）進(jìn)水閥門關(guān)閉后，空氣閥門開啟潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾猛瑫r開啟。曝氣 3h 后關(guān)閉空氣閥門，潛水?dāng)嚢杵骱突亓魑勰啾靡搽S之關(guān)閉。 （ 7）空氣閥門關(guān)閉 1h 后，潷水器開始運(yùn)行。當(dāng) SBR 池液位下降到一定液位后停止運(yùn)行。 （ 8）剩余污泥泵在潷水器停止運(yùn)行后開始運(yùn)行，排泥至儲泥池。儲泥池液位達(dá)到高液位或 1h 后停止運(yùn)行。 （ 9）當(dāng)開啟 1 個空氣閥門時，開啟一臺鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)開啟 2 個或 3 個空氣閥門時，開兩臺鼓風(fēng)機(jī)。 （ 10）脫水機(jī)按水處理工藝要求工作，單體為自動化組。 設(shè)備與其在工藝中代號的對應(yīng)關(guān)系表如表 1A 和表 1B 所示。 （見附錄 3） 上位監(jiān)控管理機(jī) PLC 通過通信電纜將采集參數(shù)傳送給上位監(jiān)控管理機(jī)，通過上位監(jiān)控管理機(jī)可實(shí)時監(jiān)測有關(guān)參數(shù)變化，并保留一段時間的數(shù)據(jù)，形成變化曲線。同時可以實(shí)時監(jiān)測所控設(shè)備工作狀態(tài)，具有設(shè)備故障報警、 參數(shù)打印等功能 。 模擬顯示評 可以直觀地了解格柵除污機(jī)、水泵、空氣閥門、潷水器、剩余污泥泵、脫水機(jī)等主要設(shè)備的工作狀態(tài)。 16 第 4 章 硬件部分設(shè)計 電機(jī)的控制電路 電機(jī)控制分為本地控制和遠(yuǎn)程 PLC 自動控制。配電線依次經(jīng)過斷路器1QF、交流接觸器 1KM,熱繼電器 1KH 對電機(jī)進(jìn)行供電。電路圖中元件的功能如下 [11]： 圖 41 電機(jī)電氣原理控制圖 斷路器 1QF：斷路器（曾稱自動開關(guān)）在電路中主要起到短路和過載保護(hù)作用，還可有欠電壓保護(hù)和遠(yuǎn)距離分?jǐn)嚯娫吹裙δ?，也可以直接操作不頻繁 起動電動機(jī)和電路轉(zhuǎn)換作用。一般情況下，斷路器閉合，只有當(dāng)電機(jī)發(fā)生短路或者過載時，短路其動作，斷開線路，停止電機(jī)，起到保護(hù)作用。 交流接觸器 1KM：接觸器主要控制對象為電動機(jī)，也可用來控制其他電力負(fù)載。交流接觸器 的觸頭有主觸頭和輔助觸頭，觸頭又 分為常開觸頭和常閉觸頭， 當(dāng)交流接觸器線圈動作時，常開觸頭閉合，常閉觸頭斷，對電機(jī)的控制還 要通過對交流接觸器線圈的控 制 來實(shí)現(xiàn)。 熱繼 電器 1KH：電機(jī)過載時，電流變大，熱繼電器 1KH 動作，切斷電路，17 實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用 ［ 12］ 。 主令開關(guān) SAK：主令開關(guān)主要 用于本地控制與 PLC 遠(yuǎn)程控制之間的切換。當(dāng)主令開關(guān)觸點(diǎn)①②接通時，為本地電控柜控制。觸點(diǎn)③④接通時，為遠(yuǎn)程 PLC 控制。主令開關(guān)實(shí)現(xiàn)本地控制和遠(yuǎn)程 PLC 控制之間的轉(zhuǎn)換。 由控制原理圖 41 可以看出，當(dāng) L11 和 N 之間加上 220V 的電壓時，紅色電源指示燈 1HR 亮，作為控制的電源指示。控制分為電控柜就地控制和PLC 遠(yuǎn)程控制，主要通過主令開關(guān) SAK 來選擇，當(dāng)主令開關(guān)選擇①②時（電控柜就地控制），按動起動按鈕 1SF，由于停機(jī)按鈕 1SS 和熱繼電器 1KH 為常閉狀態(tài)，電路導(dǎo)通，交流接觸器 1KM 通電動作（吸合）， 1KM 的一個常開觸點(diǎn)也動作（變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，即電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)），同時電機(jī)運(yùn)行指示燈 1HG變亮。此時，松開起動按鈕 1SF，由于 1KM 的一個常開觸點(diǎn)閉合將 1SF 短接，所以交流接觸器 1KM 保持通電狀態(tài)，其主觸頭導(dǎo)通，電機(jī)起動。停機(jī)時，按動停機(jī)按鈕 1SS，由于 1SS 為一常閉按鈕，所以按動時變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，下面的交流接觸器便停止供電，自動斷開，其常開觸點(diǎn)也為斷開狀態(tài)，電機(jī)停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈 1HG 滅。如果電機(jī)運(yùn)行在過載狀態(tài)下，當(dāng)達(dá)到一定時間時，熱繼電器 1KH 動作，交流接觸器 1KM 由于 電源斷開，電機(jī)停止，并且無法自動起動。 電機(jī) 的遠(yuǎn)程控制是通過控制自控柜中的直流繼電器（ MY2NJ ）的吸合來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)主令開關(guān)由①②轉(zhuǎn)向③④時，此時，即使電機(jī)為運(yùn)行狀態(tài)，由于交流接觸器的斷路，也將自動停機(jī)。③④導(dǎo)通時， PLC 檢測到相應(yīng)的信號，即認(rèn)為電機(jī)為遠(yuǎn)程控制。當(dāng) PLC 認(rèn)為應(yīng)該起動電機(jī)時， COME 和 OUT1 之間形成 24V 的直流電壓， 24V 繼電器 1KA 吸合，從而交流接觸器 1KM 吸合，電機(jī)起動，運(yùn)行信號經(jīng)過 1KM 的一個常開觸點(diǎn)反饋到 PLC 的狀態(tài)輸入端。 閥門的控制電路 閥門的電氣控制原理：閥門的電氣控制電路如下圖 42，在閘閥電機(jī)的主 接 線圖中，通過 兩個接觸器 1KM 與 2KM 來控制閘閥電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)；控制電路中， 1HR 做為電源指示， 1SF 為閘閥門打開（電機(jī)正轉(zhuǎn)）按鈕， 2SF為閘閥門關(guān)閉（電機(jī)反轉(zhuǎn)）按鈕；手動自動選由具有兩個常開觸點(diǎn)與兩個常閉觸點(diǎn)的主令開關(guān) SAK 來實(shí)現(xiàn)；為了 防 止打開關(guān)閉兩種情況同時出現(xiàn)，造成短 路的后果，用兩個接觸器常閉觸點(diǎn)來互相限制兩個接觸器，形成任何時 候，只允許一個接 觸 器處于吸合狀態(tài)； 閘門與閥門本身提供了機(jī)械式到位限制開18 關(guān)，有常開與常 閉觸點(diǎn)，例如到閥門開到位時，開 到位限制開關(guān)常閉點(diǎn)斷開，自動斷開控制電路，完成打開控制，同時常開觸點(diǎn)向 PLC 提供閘閥門打開與關(guān)閉狀態(tài)。 圖 42 閥門電氣原理控制圖 傳感器 超聲波傳感器 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。發(fā)送器常使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的點(diǎn)振動能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射 。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用做接收器， 陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。 在超聲波檢測技術(shù)中，不管 哪 種超聲波儀器，都必須把 電能轉(zhuǎn)換超聲波發(fā)射出去，再接收回來變換成電信號，完成這項(xiàng)功能的裝置就叫超聲波換能器，也稱探頭 。 將超聲波換能器置于被測液體上方，向下發(fā)射超聲波，超聲波穿過空氣介質(zhì)，在遇到水面時被反射回來，又被換能器所接收并轉(zhuǎn)換為電信號，電子檢測部分檢測到這一信號后將其變成液位信號進(jìn)行顯示并輸出。由超聲波在介質(zhì)中傳播原理可知，若介質(zhì)壓力、溫度、密度、濕度等條件一19 定，則超聲波在該介質(zhì)中傳播速度是一個常數(shù)。因此，當(dāng)測出超聲波由發(fā)射到遇到液面反射被接收所需要的時間，則可換算出超聲波通過的路程，即得到了液位的數(shù)據(jù)。 圖 43 和圖 44 分 別為超聲波震蕩電路和超聲波接收電路。 RP3