【導(dǎo)讀】述了超純水處理PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計。純水處理部分包括前處理、制備、拋光及。回收系統(tǒng)四個部分。S7-400冗余系統(tǒng)；S7-417-4H的CPU功能強大，系統(tǒng)連接和冗余連接方便。

　　

【正文】 ibusDP連接到 PLC 控制器。帶 DP 接口變頻器直接通過 profibusDP 總線連接到 PLC控制器。 整個控制系統(tǒng)采用了兩級控制，第一級采用了一套冗余 PLC 控制系統(tǒng)，完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和整個邏輯順序控制。第一級控制包括現(xiàn)地 LCU(local control unit)和公用LCU?，F(xiàn)地 LCU布置 在控制現(xiàn)場，公用 LCU 布置在控制室。本系統(tǒng)包含了 6臺現(xiàn)地 LCU和 2臺公用 LCU?？刂葡到y(tǒng)采用冗余方式，通過遠程 I/O 方式連接現(xiàn)場需檢測和控制的第 3章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 22 點，遠程 I/O 由通訊處理器 CP4431和 I/O模塊構(gòu)成。冗余的控制站可以保證系統(tǒng)停機維護時間為零，最大限度減少人對系統(tǒng)的干預(yù)?？刂葡到y(tǒng)和遠程 I/O 控制站之間采用高性能工業(yè)以太網(wǎng)總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息可靠、安全、穩(wěn)定的傳輸。 第一級 PLC 和第二級上位計算機系統(tǒng)之間采用高傳輸安全性和可靠性的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。上位機采用 ISO 和 TCP/IP 傳輸協(xié)議連接到 100MB/s 高速工業(yè) 以太網(wǎng)而上傳到廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)，便于全廠集中、統(tǒng)一計算機控制。 第二級采用了三臺臺式計算機，組成了上位機計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控、操作、管理，完成數(shù)據(jù)處理，故障診斷及顯示，報表顯示及打印等工作。這三臺計算機數(shù)據(jù)實時同步顯示，其中一臺用于水處理第一和第二段現(xiàn)場控制，一臺用于水處理第三段現(xiàn)場控制，剩余一臺用于與廠務(wù)系統(tǒng)連接。 通過工業(yè)以太網(wǎng)將上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場檢測與控制點緊密結(jié)合為一個整體，構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)?？梢苑浅７奖憷?PLC 系統(tǒng)所獨有功能，實現(xiàn)廠務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)對整個系統(tǒng)的計算機在線遠程診斷功能。 在控 制室里的 PLC 通過 HUB 與 FMCS 系統(tǒng)相連接，直接完成將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)實時傳輸給 FMCS。 系統(tǒng) 控制 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計依據(jù) 根據(jù)超純水處理系統(tǒng)具體要求對該控制系統(tǒng)的硬件部分進行設(shè)計。詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求， 從而確定控制系統(tǒng)使用的 PLC 器件參數(shù)，包括 CPU 參數(shù)，型號 確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。 CPU 及 I/O 模塊 選型 依據(jù) 選型要點 ? .性能和任務(wù)相適應(yīng)： 對于開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，當控制速度要求不高時 ，可選用小型 PLC；對于復(fù)雜的中大型控制系統(tǒng)，如閉環(huán)控制、 PID 調(diào)節(jié)、通信聯(lián)網(wǎng)等，可選用中大型 PLC。當控制系統(tǒng)分布在不同的地域時，應(yīng)根據(jù)各部分的具體要求來選擇 PLC及 I/O 模塊，組成一個分散控制或遠程控制系統(tǒng)。 ? .PLC 處理速度應(yīng)滿足實時控制要求： PLC 工作時，從輸入信號到控制輸出存在滯后，一般在 12 個周期后才能反映到輸出端。提高 PLC 處理速度可采取： ① .選擇 CPU 塊的 PLC； ② .優(yōu)化應(yīng)用軟件，縮短掃描周期； ③ .采用高速響應(yīng)模塊。 四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 ? .PLC 應(yīng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一。 ? .在線編程和離線編程的選擇。 ? .在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型。 由于工作環(huán)境，控制比較復(fù)雜， 選用 S74174H模塊式結(jié)構(gòu) PLC。 根據(jù)不同的應(yīng)用對象，表 31 列出了 PLC 的幾種功能選擇 [8]。 表 31 PLC的功能及應(yīng)用場合 序號 應(yīng)用對象 功能 應(yīng)用場合 1 替代繼電器 繼電器觸點輸入 /輸出、邏輯線圈、定時器、計數(shù)器 替代傳統(tǒng)的繼電器，完成條件控制和時序控制 2 數(shù)學(xué)運算 四則數(shù)學(xué)運算、開方、對數(shù)、函數(shù)計算、雙精度浮點運算 設(shè)定值控制、流量計算；PID調(diào)節(jié)；定量控制和單位量換算 3 數(shù)據(jù)傳送 寄存器與數(shù)據(jù)表的相互傳送 數(shù)據(jù)庫的生成，信息管理、批量控制和診斷處理等 4 矩陣功能 邏輯與、邏輯或、比較、移位、求反等 這些功能通常按位操作，一般用語設(shè)備診斷，狀態(tài)監(jiān)控、分類和報警處理等 5 串行接口 一般中型 PLC均提供一 個或一個以上串口以連接打印機、上位機等 6 高級功能 表與塊的傳送、校驗和雙精度運算、對數(shù)、反對數(shù)和平方根等。 通信速度和方式、與上位機的聯(lián)網(wǎng)功能、調(diào)制解調(diào)等 7 通信功能 支持多種通信協(xié)議 對通信有特殊要求的用戶 8 診斷功能 有內(nèi)診斷和外診斷。內(nèi)診斷是 PLC內(nèi)部元件性能和功能的診斷，外部診斷是 CPU與 I/O模塊信息交換的診斷 第 3章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 24 工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場， PLC 與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊來實現(xiàn)的。 通過 I/O接口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些數(shù)據(jù)做為控制器對被控對象 進行控制的依據(jù)。同時，控制器又通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給被控設(shè)備過工業(yè)生產(chǎn)過程，驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)控制。外部設(shè)備或生產(chǎn)過程中的信號電平種類不一，而 PLC CPU 處理的信息智能是標準電平，所以 I/O 接口還將實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能。 PLC 從現(xiàn)場采集的信息和輸出的信息都有一定的距離，為了控制系統(tǒng)的準確性， I/O 模塊都需有一點的抗干擾能力。再根據(jù)實際需要，選擇相應(yīng)的 I/O模塊，包括開關(guān)量輸入 /輸出模塊、模擬量輸入 /輸出模塊等。 ? . 確定 I/O 點數(shù)： I/O點數(shù)的確定要充分考慮到裕量，能方便功能的擴充。 ? . 開關(guān)量 I/O：標準的 I/O接口用于開關(guān)和傳感器（按鈕、限位開關(guān)）及控制 (開/關(guān) )設(shè)備（指示燈、報警器、電動機啟動等）進行數(shù)據(jù)傳輸。典型 I/O 信號為，交流24V~240V，直流 5V~24V。 ① 選擇開關(guān)量 輸入模塊 的一般依據(jù)：一根據(jù)現(xiàn)場輸入信號與 PLC 輸入模塊距離的遠近來選擇電平高低。一般 24V 以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠，如 12V一 般不超過 10M。距離較遠的應(yīng)選擇電壓較高的模塊提高可靠性 。二高密度的 I/O 模塊，如 32點輸入，能允許同時接入的點數(shù)取決于環(huán)境的溫度和輸入電壓。一般同時接入點數(shù)不超過總數(shù)的 60%。 ② 開關(guān)量輸出的一般依據(jù) ，從三個方面來考慮：一、輸出方式的選擇。輸出模塊有三種輸出方式：繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出。其中，繼電器輸出價格最便宜 ，使用范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受過電壓過電流力強，有隔離作用。但是有繼電器有觸電，壽命短，響應(yīng)慢等缺點，適用于動作不頻繁的負載；二、輸出電流的選擇。模塊的輸 出電流必須大于負載的額定值，如負載所需電流較大，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)；對于容型負載、熱敏電阻負載應(yīng)考慮一定得裕量。三、允許同時接通的輸入點數(shù)，在設(shè)計時還要考慮整過模塊的帶負載能力，允許最大電流不能超過模塊的規(guī)定電流。 ? .模擬量 I/O 模擬量 I/O 接口是用來傳送傳感器產(chǎn)生的信號。這些接口能測量流量、壓力、溫度等模擬那個的數(shù)值，并用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。 PLC 的典型接口量程，對于雙極性電壓為 10V~+10V，單極性電壓為 0~+10V，電流為 4~50MA。 一些廠家通過 提供特殊模擬接口來接受低電平信號（如 RTD、熱偶電阻等）一般四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 這類接口能同時接受同一模塊上的不同類型熱電偶或 RTD 得混合信號。 ? .特殊功能 I/O：控制系統(tǒng)中有時候可能需要一些特殊模塊它不能采用標準的 I/O實現(xiàn)，此時應(yīng)考慮廠家是否有一些特殊的有助于最大限度減少控制作用的模塊，從而減少 CPU 的處理任務(wù)。 ? .智能式 I/O：智能式 I/O 自帶有處理器，對輸入 /輸出信號先進行預(yù)處理，將其吃力結(jié)果送入 CPU 或直接輸出， 它能提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 ／輸出設(shè)備 PLC 是一種工業(yè)控制系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口模塊來實現(xiàn)的。通過 I/O接口模塊可以檢測被控生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，并以這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為控制信息對被控對象進行控制。同時通過 I/O 接口模塊將控制器的處理結(jié)果送給被控設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程，從而驅(qū)動各種執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)控制。 PLC 從現(xiàn)場收集的信息及輸出給外部設(shè)備的控制信號都需經(jīng)過一定距離，為了確保這些信息的正確無誤， PLC 的 I/O 接口模塊都具有較好的抗干擾能力。根據(jù) 實際需要，一般情況下， PLC 都有許多 I/O 接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其它一些特殊模塊。 一般 I／ O模塊的價格約占 PLC 價格的一半以上。 PLC的 I／ O模塊有開關(guān)量 I／ O模塊、模擬量 I／ O模塊及各種特殊功能模塊等。 表 32 選擇 PLC 的 I/O 接口模塊的一般規(guī)則 I/O模塊模型 現(xiàn)場設(shè)備或操作 說明 模擬量輸出模塊 模擬量閥門、執(zhí)行機構(gòu)、圖表記錄器、電動機啟動器、模擬儀表 將 PLC處理器的輸出轉(zhuǎn)為現(xiàn)場設(shè)備使用 離散輸出模塊和 I/O模塊 報警器、控 制繼電器、風(fēng)扇、指示燈、揚聲器、閥門、電動機啟動器、電磁線圈 輸出模塊用于接受 ON/OFF或OPEN/CLOSE信號，離散信號可以是直流的，也可以是交流的。 模擬量輸入模塊 溫度變送器、壓力變送器、濕度變送器、流量變送器、電位器 將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為 PLC可以接受的輸入值 離散輸入模塊和 I/O模塊 選擇開關(guān)、按紐、光電開關(guān)、限位開關(guān)、電路斷路器、接近開關(guān)、液位開關(guān)、電動機啟動器觸點、繼電器觸點、撥盤開關(guān) 輸入模塊用于將信號傳遞到ON/OFF或 OPEN/CLOSE設(shè)備，離散信號可以是直流的，也可以是交流的 。 特種 I/O模塊 電阻、電偶、編碼器、流量計、I/O通信、 ASCII、 RF設(shè)備、稱重器、條形碼閱讀器、標簽閱讀器、顯示設(shè)備 通常用作位置控制、 PID和外部設(shè)備通信等專門用途 第 3章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 26 確定 I/O 點數(shù)的原則如下：根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的 I/O 點數(shù)時，應(yīng)再增加 10%～ 20%的備用量，以便隨時增加控制功能。對于一個控制對象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同， I/O 點數(shù)也應(yīng)有所不同。 表 33列出了典型傳動設(shè)備及常用電氣元件所需的開關(guān)量 I/O 點數(shù)。 表 33 典型傳動設(shè)備及常用電氣元件所需的開關(guān)量的 I/O點數(shù) 序號 電器設(shè)備、元件 輸入點數(shù) 輸出點數(shù) 1 單向運行的籠型異步電動機 4 3 2 單向運行的籠型異步電動機 4 1 3 可逆運行的籠型異步電動機 5 2 4 單向變極電動機 5 3 5 可逆變極電動機 6 4 6 單向運行的直流電動機 9 6 7 可逆運行的直流電動機 12 8 8 單線圈電磁閥 2 1 9 雙線圈電磁閥 3 2 10 比例閥 3 5 11 按紐 1 12 光電開關(guān) 2 13 信號燈 1 14 撥碼開關(guān) 4 15 三檔波段開關(guān) 3 16 行程開關(guān) 1 17 接近開關(guān) 1 18 制動器 1 19 風(fēng)機 1 20 位置開關(guān) 2 21 單向運行的繞線轉(zhuǎn)子籠型異步電動機 3 4 22 可逆運行的繞線轉(zhuǎn)子籠型異步電動機 4 5 （ 1）開關(guān)量輸入模塊的選擇 開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號，將信號轉(zhuǎn)換為 PLC內(nèi)部接受的低電壓信號，并實現(xiàn) PLC 內(nèi)、外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面： ① 輸入信號的類型及電壓等級 開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入 三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。 四川理工學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 開關(guān)量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有：直流 5V、 12V、 24V、 48V、 60V 等；交流 110V、 220V 等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、 12V、 24V用于傳輸距離較近場合。距離較遠的應(yīng)選用輸入電壓等級較高模塊。 ② 輸入接線方式 開關(guān)量輸入模塊主要有匯點 式和分組式兩種接線方式。 匯點式開關(guān)量輸入模塊所有輸入點共用一個公共端（ COM）；而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點分成若干組，每一組（幾個輸入點）有一個公共端，各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價格較匯點式的高，如果輸入信號之間不需要分隔，一般選用匯點式。本系統(tǒng)采用分組式輸入。 ③ 注意同時接通的輸入點數(shù)量 對于選用高密度的輸入模塊 (如 32點、 48 點等 )，應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù)一般不要超過輸入點數(shù)的 60％。 ④ 輸入門檻電平 為了提高系統(tǒng)的 可靠性，必須考慮輸入門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠。 （ 2）開關(guān)量輸出模塊的選擇 開關(guān)量輸出模塊是將 PLC 內(nèi)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號，并實現(xiàn) PLC 內(nèi)外信號的電氣隔離。選擇時主要應(yīng)考慮以下幾個方面： ① 輸