【正文】 動作。具體實(shí)現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時被更新。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個比較，判斷液位的升降。之后再結(jié)合液位情況，確定閥門是否動作。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門也不動作。故 出水閥的液位控制流程圖可以簡化成下圖： 圖 34 出水閥的液位控制流程圖 否 是 否 是 是 是 否 開出水閥 T2秒 關(guān)出水閥 T2秒 液位低于低限？ 液位正在上升？ 開始 采 樣（周期為 T1） 液位正在下 降？ 液位高于高限？ 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的鏈接 在濾池的反沖洗過程中，需要開關(guān)一系列的閥門，這就需要控制濾池的現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器之間有很好的鏈接協(xié)調(diào)的關(guān)系，具體閥門的開關(guān)過程為：在正常過濾的過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)該打開，反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。在反沖洗過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)關(guān)閉，氣沖閥、水沖閥、排污閥打開。具體的閥門開關(guān)順序應(yīng)為：在濾池控制器得到反沖洗信號后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，當(dāng)液位下降至最低限制液位時，濾池退出正常的過濾過程，進(jìn)入反沖洗 過程，此時，出水閥關(guān)閉，排污閥打開，待排污閥信號到位后準(zhǔn)備開始反沖洗。反沖洗過程一般包括兩個過程：氣沖、水沖。先開反沖氣閥、鼓風(fēng)機(jī)，氣沖開始。 6 分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6 分鐘，完成后關(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥。最后，打開進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水位時，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過濾程序。整個過程用簡化圖表示，如圖 35 所示 圖 35 調(diào)整前的反沖洗過程 在這樣一個看似很簡單其實(shí)很繁瑣的過程中，需要濾池控制器和反沖洗 控制器之間有很好的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證有些時候相關(guān)的閥門能及時的開啟和關(guān)閉，以確保正常的濾池過濾和反沖洗過程的順利進(jìn)行，因此他們之間可以設(shè)定一個可靠的通信機(jī)制，通過這個機(jī)制來向其他的控制器傳遞自己當(dāng)前的狀態(tài)和正在執(zhí)行的操作，這些通信機(jī)制可以用“O”、 “1”來表示。當(dāng)濾池或反沖洗系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時，相應(yīng)的標(biāo)識置 “1”，并向另外一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時，標(biāo)識被清零，再向另外一控制器發(fā)送。標(biāo)識的值隨 正常過濾 關(guān)進(jìn)水閥 關(guān)出水閥 開排污閥 開反沖水閥 開反沖水泵 關(guān)反沖氣閥 開反沖氣閥 開鼓風(fēng)機(jī) 關(guān) 排污閥 開進(jìn)水泵 關(guān)鼓風(fēng)機(jī) 關(guān)反沖氣閥 關(guān)沖水閥 停水泵 關(guān)反沖氣閥 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 16 著狀態(tài)的變化而變化。一般的通訊機(jī)制都要求接收方返回一個確認(rèn)信號，用來表明正確收到被發(fā)送信號，以防止信號在傳送過程中丟 失。但這里無須考慮此問題，因為連接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號傳送的可靠性。 通信機(jī)制方案確定了，下面討論如何實(shí)現(xiàn)，在濾池反沖洗過程中不能有兩個濾池同時進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個濾池的氣沖或水沖閥同時打開，沖洗就不能順利進(jìn)行。故在此也要建立一個通信機(jī)制，用來實(shí)現(xiàn)當(dāng)有一個濾池正在進(jìn)行反沖洗時，其它濾池不能進(jìn)行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。接著，當(dāng)氣沖閥打開后，要有一個通信機(jī)制，用來傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風(fēng)機(jī)。同樣，還要有一個通信機(jī)制，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開反沖水泵。在鼓 風(fēng)機(jī)和水泵停止后，又分別要有一個通信機(jī)制，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的通信機(jī)制，就是兩套控制器（濾池控制器、反沖洗控制器）之間實(shí)現(xiàn)通信協(xié)調(diào)的方法。但是這種方法如果不對反沖洗的過程做一些調(diào)整和變化的話，會顯得很繁瑣復(fù)雜，并且不易實(shí)現(xiàn)。原因是因為上述的通信機(jī)制只是一部分，實(shí)際的工程中還涉及了故障報警，故障處理等問題，需要添加大量通信機(jī)制。這不但提高了工作過程的復(fù)雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時的有效、及時處理，整個溝通過程將會加大設(shè)計的難度和復(fù)雜程度。而且當(dāng)系統(tǒng)中多于兩臺控制器時，通信機(jī)制的 個數(shù)又會成倍增加，尤其是在大系統(tǒng)中的應(yīng)用時，如此數(shù)量龐大的通信機(jī)制使溝通的編程實(shí)現(xiàn)變得十分困難。 為了減小編程的復(fù)雜程度，盡量減小設(shè)計的工作量和設(shè)計成本，必須減少通信機(jī)制的數(shù)量，我們可以從反沖洗過程介入，來減少表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處狀態(tài)的通信機(jī)制。因此必須對上述的反沖洗過程做一些簡單的修改，目的就是為了能簡化通訊機(jī)制。新的通訊方案必須去掉使原來的通訊方案變得復(fù)雜的條件 ————閥門控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進(jìn)行，兩套控制器各自實(shí)施控制常要以對方的控制完成為條件。去掉這個條件后得到的通訊方案得到了大大的簡化。 是設(shè)計的工作量縮小了很多。 修改后的反沖洗過程共分為三個階段 :反沖洗前的開、關(guān)閥階段，反沖洗階段，反沖洗后的關(guān)、開閥階段。流程示意圖如圖 36 所示。 圖 36 調(diào)整后的反沖洗過程 第一階段由濾池控制器控制，也是先關(guān)閉進(jìn)水閥，開足清水閥，液位降到設(shè)定的反沖洗水位后關(guān)閉出水閥，再打開排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。與原來不同的是，此處現(xiàn)場 PLC 僅僅只涉及到這些閥門的動作，沒有任何涉及反沖洗系統(tǒng)的控制。所有閥門到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個標(biāo)識，進(jìn)入第二階段。這一 階段沒有沖洗完后給出沖洗結(jié)束標(biāo)識 關(guān)閉進(jìn)水閥、出水閥，打開排污閥、反沖氣閥、反沖水閥 關(guān)閉進(jìn)水閥、出水閥，打開排污閥、反沖氣閥、反沖水閥 開、關(guān)閥階段完成后，產(chǎn)生反沖洗標(biāo)識 氣沖、水沖 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17 任何涉及閥門的控制，全部是關(guān)于鼓風(fēng)機(jī)、水泵的操作，由反沖洗系統(tǒng)控制器獨(dú)立完成。沖洗完畢，反沖洗系統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個標(biāo)識，進(jìn)入第三階段。濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥、反沖水閥、排污閥，再打開進(jìn)水閥，液位接近過濾恒水位時，開出水閥，進(jìn)入正常的過濾工序。 簡化后的反沖洗過程中的兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務(wù)，不僅簡化了協(xié)調(diào)過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。 簡化后的控制器協(xié)調(diào)機(jī)制是只有兩套控制器的最簡情況，當(dāng)濾池控制器有多個時，情況要比簡化后的復(fù)雜一些，但基本上是大同 小異。每個濾池控制器的機(jī)制都可以與此反沖控制器進(jìn)行溝通。因為同一時刻只允許一個濾格進(jìn)行反沖洗，其他的濾格只能列隊等候，所以，一次只有一個濾池控制器與反沖洗控制器進(jìn)行溝通，這樣不僅使設(shè)計的工作量減小，而且保證了其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行非法的通訊，以及通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。 以兩臺控制器組成的濾池控制系統(tǒng)，在凈水廠濾池自動化中有較強(qiáng)的實(shí)際意義，不僅可以在它的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展成為多控制器濾池系統(tǒng)，用來適應(yīng)大型水廠的需要，而且還可以用于老舊中小型水廠的擴(kuò)建、改造。目前，在我國許多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加，對 自來水需求量迅速增長的情況下，這種濾池控制系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用前景。 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 18 第 4 章 濾池自動控制所需的主要硬件設(shè)備 設(shè)備清單 整個濾池控制系統(tǒng)所需要的硬件設(shè)備需求如下表所示： 表 41 設(shè)備清單列表 序號 名稱 型號 數(shù)量 1 PLC 1756L1M1 LOGIX5550 6 2 PLC 機(jī)架 1756A17 6 3 PLC 電源 1756BATM 6 4 PC 機(jī) 神舟 E8 D1 1 5 PLC 與 PC 通信模塊 RS232 6 6 開關(guān)量輸入模塊 EDA9150A 6 7 開關(guān)量輸出模塊 TEPLCH1 XBTN200 6 8 模擬量輸入模塊 1756R4011 6 9 模擬量輸出模塊 1756R4021 6 此次設(shè)計的水廠濾池，每個濾池都有一個現(xiàn)場 PLC 和相應(yīng)的 I/O 模塊組成，以保證濾池的正常工作，其中有一臺 PLC 作為主要的控制器，其主要功能是 用于和各個現(xiàn)場 PLC 的通信，收集反沖洗水泵，鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開關(guān)量信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。 PLC 的概述 PLC 的定義 可編程序控制器 (Programmable Logic Controller)簡 稱 PLC，國際電工委員會對 PLC的規(guī)定是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 的組成 PLC 主要有單板機(jī)、輸入、輸出接口、電源、擴(kuò)展接口和編程器接口等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19 圖 41 可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖 PLC 的工作原理 PLC 的工作過程一般分為：輸 入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。掃描周期的長短與用戶程序的長短有關(guān)。在整個運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 PLC 的優(yōu)點(diǎn) （ 1) 編程方便，易于使用。 （ 2）控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，通用性強(qiáng)。 （ 3）可靠性高，通信能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。 （ 4）體積小、耗電少、價格便宜、維護(hù)方便。 （ 5）縮短了設(shè)計、施工、投產(chǎn)調(diào)試的周期。 （ 6）編程和接線可同步進(jìn)行。 （ 7）擴(kuò)展方便、通用性好，接線簡單，通過選配相應(yīng)的模塊便可適用于各種控制系統(tǒng)。 （ 8）定時準(zhǔn)確、定時范圍寬。 （ 9）輸入輸出接口電路已設(shè)計好，輸出驅(qū)動能力強(qiáng)。 （ 10）采用模塊結(jié)構(gòu)、組態(tài)靈活、性價比高。 （ 11）對電源的要求不高，允許波動的范圍較寬。 PLC 的編程語言 PLC 是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的自動控制裝置，其主要使用對象是廣大電氣技術(shù)人員及操作維護(hù)人員。為了滿足他們的傳統(tǒng)習(xí)慣，通常 PLC 不采用微機(jī)的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的 “自然語言 ”編程，這些編程語言有梯形圖 LAD（ ladder Diagram)、語句表 STL（ Statement List)、功能塊圖（ FBD)、邏輯方程式或布爾代數(shù)式等。 編程器 擴(kuò)展接口 輸出接口 存儲器及后 備電池 輸入接口 單板機(jī) 電源 編程器接口 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 20 本次設(shè)計采用梯形圖編程，梯形圖是一種圖形語言，它在形式上類似于傳統(tǒng)的繼電器控制電路，但它比繼電器控制電路增加了許多功能強(qiáng)而又靈活的指令符號。 梯形圖中的各元素是按自上而下，從左到右的順序進(jìn)行排列，最左邊的豎線稱為起始母線，也稱左母線，其中的各觸點(diǎn)是根據(jù)一定的控制要求進(jìn)行連接，最后以繼電器線圈結(jié)束。梯形圖中通常有若干邏輯行，形似階梯，梯形圖由此而得名。梯形圖是按自上而下，從左到右的順序執(zhí)行，全部程序執(zhí)行完后又返回到開始進(jìn)行循環(huán)。梯形圖形象直觀、容易掌握，是 PLC 中用的比較 多的一種編程語言。 當(dāng)采用梯形圖編程時， PLC 的工作過程是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時的接收外來的控制命令，每個掃描周期都要進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計算機(jī)的通信請求。因此，PLC 工作過程大致可以分為以下五步： (1)自診斷 自診斷功能可使 PLC 系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復(fù)，為此 PLC每次掃描用戶程序以前都對 CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進(jìn)行故障診 斷，若自診斷正常便繼續(xù)進(jìn)行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異常現(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，然后停機(jī)并顯示出錯的信息。 (2)與外設(shè)通信 自診斷正常后 PLC 即掃描編程器、上位機(jī)等通信接口，如有通信請求便響應(yīng)處理。在與編程器通信過程中，編程器把指令和修改參數(shù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、錯誤碼進(jìn)行相應(yīng)指示，編程器還可以向主機(jī)發(fā)送運(yùn)行、停止、清內(nèi)存等監(jiān)控命令。在與上位機(jī)通信過程中 PLC 將接收上位機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，把現(xiàn)場工作狀態(tài)、 PLC 的內(nèi)部工作狀態(tài)、各種數(shù)值參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)以及執(zhí)行 啟動、停機(jī)、修改參數(shù)等命令。 (3)輸入現(xiàn)場狀態(tài) 完成前兩步工作后 PLC 便掃描各個輸入點(diǎn)，讀入各點(diǎn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，如開關(guān)的通斷狀態(tài)、形成現(xiàn)場的內(nèi)存映象。這一過程也稱為輸入采樣或輸出刷新，在一個掃描周期內(nèi)內(nèi)存映象的內(nèi)容不變，即使外部實(shí)際開關(guān)狀態(tài)己經(jīng)發(fā)生了變化也只能在下一個掃描過程中的輸入采樣時刷新，解算用戶邏輯所用的輸入值是該輸入值的內(nèi)存映象值而不是當(dāng)時現(xiàn)場的實(shí)際值。 (4)解算用戶邏輯 即執(zhí)行用戶程序。一般是從用戶出現(xiàn)存儲器的最低地址存放的第一條程序開始，在無跳轉(zhuǎn)的情況下按存儲器地址的遞增方向順序的掃描用戶程 序