【導(dǎo)讀】的水閘監(jiān)控系統(tǒng)日益受到重視。的水平，對水利的發(fā)展具有重要意義。以集散控制系統(tǒng)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng)的軟、硬件予以了介紹?？啃院玫忍攸c(diǎn)的液壓啟閉機(jī)控制閘門升降。同時(shí)對液壓啟閉過程中同步策略進(jìn)。行了研究，給出了基于電磁換向閥控制回路的解決方案。介紹了電機(jī)軟啟動(dòng)的工作流程，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)的軟啟動(dòng)控制、運(yùn)行監(jiān)視和保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)的具體流程，確定了PLC的型號，并繪制出了相應(yīng)的梯形圖程序。啟閉機(jī)空載卸荷和過載保護(hù)?????

　　

【正文】 的流程圖。 23 第五 章 PLC 的軟、硬件設(shè)計(jì) PLC 的 基本結(jié)構(gòu) 繼 電 器電 磁 閥C P U系 統(tǒng) 程 序 存 儲 器用 戶 程 序 存 儲 器按 鈕接 觸 開 關(guān)行 程 開 關(guān)指 示 燈電 源輸入單元編 程 器輸出單元 圖 PLC的基本結(jié)構(gòu) Basic structure of PLC 如圖 所示，為 PLC 的基本結(jié)構(gòu)圖， PLC 實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，與計(jì)算機(jī)的組成十分相似，主要是由中央處理單元（ CPU）、存儲器、輸入輸出單元（ I/O 單元）、電源等組成。其中 CPU 是 PLC 的核心。 存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，系統(tǒng)程序存儲器用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固定在 ROM 內(nèi)，用戶不得直接更改。用戶程序 存儲器用來存放用戶編寫的各種程序，例如梯形圖，編寫后可修改。 I/O 單元是 PLC 與工業(yè)現(xiàn)場連接的接口。輸入單元由按鈕、繼電器接觸開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)以及各種變送器、傳感器等裝置產(chǎn)生，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到 CPU 中 去。輸出單元主要有繼電器、指示燈、電磁閥等， PLC 通過控制輸出單元的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)控制目的。 電源 既 可以為 CPU 供電， 又 可為各類模塊以及外部的各類傳感器供電 。 PLC 的硬件設(shè)計(jì) 總體控制要求的分析 本控制系統(tǒng)的核心要求 是 控制水閘閘門的啟閉。具體來說，有以下幾個(gè)控制要求。 （ 1） 要在上下游水位裝兩個(gè)液位變送器，把液位變送器與 PLC 的模擬量模塊相連接，再通過 PLC 把測量值送入上位機(jī)中。上位機(jī)的控制人員根據(jù)液位的變化，對閘門來進(jìn)行控制。 24 （ 2） 在閘門的兩側(cè)裝上閘門開度儀，來測量閘門的開度。閘門開度儀與 PLC 采用并行連接，因此可以直接接入 PLC 的數(shù)字量輸入模塊中，把閘門的開度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，簡單易行。然后直接編入梯形圖中，與預(yù)設(shè)的閘門開度相比較，來進(jìn)行閘門的糾偏、全啟閉的控制以及自動(dòng)防下滑的報(bào)警控制。 （ 3） 閘門的啟閉控制。這是閘門最基本的控制要求。此控制系統(tǒng)要 通過執(zhí)行用 戶 預(yù)先編寫好 的 PLC 程序，來控制電磁閥的得失電，實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉控制。其主要有：閘門的升降控制、閘門的同步糾偏控制、閘門的下滑報(bào)警控制。 PLC 與液位變送器的連接 液位變送器分為投入式、直桿式 、法蘭式、螺紋式、電感式、旋入式、浮球式，本控制系統(tǒng)均采用 投入 式 液位變送器。其量程為 0～ 200M，采用二線制標(biāo)準(zhǔn)信號，輸出為 4～ 20MA的電流值。 投入式液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正 比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號 。 安裝時(shí) 把變送器直接投入水池或其它液位中，電纜線引出水面到顯示儀 表、二次儀表或控制室。 由于本控制系統(tǒng)的特殊性， 以至于要將變送器加以固定，即在變送器的四周加上鋼板 ，否則 液位變送器很容易 被河流沖到下游，因此要在 與 水流相反的方向 的鋼板中開孔 ， 并在測量水位 時(shí) 注意地面上的電纜部分需加以保護(hù)或架高。其與 PLC 的連接如 圖 所示。 P L C 內(nèi) 部 電 源2 4 V模 擬 量 輸 入 模 塊鋼 管接 線 盒+變送器 圖 PLC的連接 Connecting of the pressure transmitter and PLC PLC 與閘門開度儀的連接 度儀的簡介 本控制系統(tǒng)的閘門開度儀 選用光電式編碼器 ， 外配安裝支架、聯(lián)軸器或齒輪等聯(lián)結(jié)件構(gòu)成 。 該傳感器通過聯(lián)軸器等聯(lián)結(jié)件將編碼器軸與啟閉機(jī)卷筒軸或小齒輪軸聯(lián)結(jié)，使編碼器與被測軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為編碼器軸的旋轉(zhuǎn)，通過專用測試儀采集編碼器值 ，從而準(zhǔn)確的測量出被測件的位移量 ， 并達(dá)到了對被測 物 位移的實(shí)時(shí)測量與控制的目的 。光電 25 式絕對值型編碼器可以采用并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出。 絕對編碼器光碼盤上有許多道 光通道 刻線，每道刻線依次以 2 線、 4 線、 8 線、 16 線編排，這樣，在編碼器的每 一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從 2 的零次方到 2 的 n1 次方的唯一的 2 進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為 n 位絕對編碼器。這樣編碼器 的位置就 由 光電 碼盤的機(jī)械位置決定 了 ，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器 的每個(gè) 位置 是 唯一 的 ，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。 選擇 及測量方法 本系統(tǒng)采用 并行輸出方式傳輸數(shù)據(jù)，光電碼盤選用 多圈 格雷碼盤 。 輸出為 8 位格雷碼 ，精度為 1CM。 采用并行輸出， 可 以直接進(jìn)入 PLC 的 I/O 接口， 輸出 及時(shí) ，連接方便。 之所以選用多圈格雷碼盤，是因?yàn)槠錅y量的范圍大，而且用格雷碼輸出的優(yōu)點(diǎn)是 其相鄰的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)之間僅差一個(gè)數(shù)字。 例如 自然 二進(jìn)制數(shù) 7 和 8 為 0111 和 1000， 每一位都不同， 用格雷碼表示為 0100 和 1100，這樣就只差了一個(gè)數(shù)。這樣是為了在并行傳輸?shù)倪^程當(dāng)中 ，連續(xù)的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)每次只差一個(gè)數(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中不會發(fā)生錯(cuò)誤 ， 大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆 。 當(dāng)把格雷碼送入 PLC 以后 ，不 能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算，也不能直接轉(zhuǎn)換成其 它信號， 要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進(jìn)制碼， 把格雷碼轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀欢M(jìn)制 碼。 可以用梯形圖編程實(shí)現(xiàn)。 具體程序見 軟件設(shè)計(jì)部分。 與 PLC 的連接 如圖 所示，為閘門開度儀與 PLC 的連接 ，采用并行的傳輸方式 ，閘門開度儀直接與PLC 的數(shù)字量輸入模塊相連。 P L C 內(nèi) 部 電 源2 4 V數(shù) 字 量 輸 入 模 塊閘門開度儀+ 圖 閘門開度儀與 PLC的連接 connecting of photoelectric encoder and PLC PLC 的選型 基于以上對控制系統(tǒng)的原理以及硬 件分析， 本控制系統(tǒng) 可 選用西門子公司的 S7300 型號 26 的 PLC，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 西門子的 S7300 型的 PLC 屬于模塊式 PLC，即它的各種模塊 是 分開來的，只通過背部總線 相 連接 ，這在模塊的選取上有了很大的自由空間。 S7300 按 I/O 點(diǎn)數(shù)及內(nèi)存分類屬于中型PLC，存儲器為 2KB， 每一個(gè)數(shù)字量模塊中有 32 個(gè)點(diǎn)，支持 PROFIBUS、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。本款 PLC 具有較強(qiáng)的控制功能和運(yùn)算能力 ，運(yùn)算速度也比較快 。 S7300 的 PLC 采用緊湊的、無槽位限制的模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，可 選用不同型號和不同數(shù)量 的模塊 ，并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架 上。一個(gè)機(jī)架 上最多安裝11 個(gè)模塊， 如果要擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就要通過 接口 模塊 IM 相連。本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 如 圖 所示 ，其中從左至右依次為 1 號槽位到 9 號槽位 ，在這里，槽位號只是 相對的，實(shí)際上不存在物理槽位，每個(gè)模塊用背部總線 相 連接。 在上圖中 ， 一號槽位為 負(fù)載電源模塊 ， 用于將交流 220V電源 轉(zhuǎn)換為直流 24V 電源 ，為 PLC 其它模塊 以及外部傳感器供電。 二號槽位 為 CPU 模塊 ，CPU 的功能不再贅述， 本系統(tǒng)將選擇戶外型 CPU 模塊作為整個(gè) PLC 系統(tǒng)的核心。 三號槽位為 接口 模塊 ， 用于連接主機(jī)架與 擴(kuò)展機(jī)架 ， IM 模塊在本次設(shè)計(jì)中只作為可選模塊出現(xiàn)，沒有必要用途時(shí)可省去。 四至七號槽位分別為 數(shù)字量輸入、輸出模塊，模擬量輸入、輸出模塊。八號槽位為 功能模塊 ，提供各種 高要求控制功能模塊，如計(jì)數(shù)器模塊 、 閉環(huán)控制模塊、位置輸入模塊等 ，在本次設(shè)計(jì)中也作為可選模塊出現(xiàn)。 九號槽 位為 通信處理器，用于 PLC 與上位機(jī)和其它智能設(shè)備之間的通信。 本系統(tǒng) 中 PLC 與設(shè)備之間采用 PROFIBUSDP 連接 ，與上位機(jī)之間采用 串口通信 RS232。 圖 西門子 S7300型 PLC Siemens S7300 PLC PLC 的軟件設(shè)計(jì) 輸入量、輸出量的介紹 在本液壓啟閉控制系統(tǒng)中，輸入量包括按鈕、常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)等開關(guān)量， 8 位格雷碼數(shù)字量以及液位變送器等模擬量。輸出量包括電磁閥、指示燈、繼電器線圈等。 27 PLC 控制系統(tǒng)的要求 閘門控制系統(tǒng)分為手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩大部分， 自動(dòng)控制就是 上位機(jī)通過組態(tài)軟件獲取閘門的 開度、閘門 的 水位等信息后，發(fā)出控制信號給 PLC， 再通過 PLC 的程序?qū)崿F(xiàn)閘門的升 、 降 、 停控制。 在本控制系統(tǒng)中 閘門的手動(dòng)控制 有兩層含義： 一個(gè)是 應(yīng)急用的手動(dòng)控制 ，此方式不 通過 PLC 程序， 通過 控制柜上的 開關(guān)按鈕直接進(jìn)行閘門的升降?？刂疲涣硪环N手動(dòng)控制 是指 工作人員通過現(xiàn)地控制單元的觸摸屏上的控制面板，發(fā)出控制信號給 PLC，達(dá)到控制閘門的目的，這種手動(dòng)控制的實(shí)質(zhì)還是利用了 PLC 的程序 ，以下討論所涉及到的手動(dòng)控制均為后者。 在第三章中的液壓啟閉原理中我們已經(jīng)得知 閘門上升的基本原理以及如何去控制閘門的上升，下面就來具體說明用 PLC 的梯形圖來控制閘門上升的流程。 當(dāng) PLC 接到閘門上升的控制信號時(shí)， 首先 1DT 得電 ， 系統(tǒng)建壓 ，等 3 秒鐘左右 使系統(tǒng)建壓完成以后 2DT 得電，閘門上升，到達(dá)指定高度以后 1DT、 2DT 失電。整個(gè)過程的流程圖如 圖 所示。 啟 動(dòng) 液 壓 泵1 D T 得 電系 統(tǒng) 建 壓延 時(shí) 3 秒2 D T 得 電閘 門 上 升到 達(dá) 閘 門 開 度設(shè) 定 值 ？結(jié) 束2 D T 失 電1 D T 失 電 是 開 始否 圖 閘門上升流程圖 Flow diagram of gate’s elevating 其控制過程與上升控制相似，只不過是把 2DT 得電改成 3DT 得電。其子程序流程圖如下圖所示 。 28 啟 動(dòng) 液 壓 泵1 D T 得 電系 統(tǒng) 建 壓延 時(shí) 3 秒3 D T 得 電閘 門 下 降到 達(dá) 閘 門 開 度設(shè) 定 值 ？結(jié) 束3 D T 失 電1 D T 失 電 是 開 始否 圖 閘門下降流程圖 Flow diagram of gate’s descend 糾偏同步控制系統(tǒng)的原理與流程圖已在第三章中研究過，這里不再做過多介紹。 由于西門子的 PLC 中沒有相應(yīng)的把格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)模塊，因此需要用 step7 軟件編寫一個(gè)八位格雷碼與二進(jìn)制數(shù)相轉(zhuǎn)換的程序。其轉(zhuǎn)換過程為：最高位格雷碼（ 第 n 位 ）與最高位二進(jìn)制 數(shù)相同； 第 n1 位二進(jìn)制數(shù)等于第 n1 位格雷碼與第 n 位二進(jìn)制數(shù)的異或，此后 依此 類推直到最低位。 梯形圖程序見 圖 所示。 圖 由圖 ～圖 組成。 6．總體控制程序 總體控制程序如圖 所 示， I/O 點(diǎn)的分配如圖 所示 ，其中圖 是由圖 ～ 組成的 。 本控制系統(tǒng)依然采用 step7 軟件編程， 它是用 PLC 來實(shí)現(xiàn)的一個(gè)總體控制程序，簡單來講就是 把前面的糾偏子程序、閘門上升子程序 、下降子程序，通過一定的邏輯關(guān)系整合到一起 ，從而達(dá)到自動(dòng)控制的目的。 下面對圖 中的 梯形圖程序予以簡單的解釋 ： 首先，把 閘門的左右 開度 IB IB2 送入中間變量 MW MW2 中 ，這樣就可以實(shí)現(xiàn)閘門左右開度的比較 。 然后，在程序的開始，閘門 進(jìn)行一次糾偏，其流程與第三章給出的糾偏流程完全一致 ，體現(xiàn)在梯形圖中的 Network2～Network7。糾偏結(jié)束后， 要進(jìn)行現(xiàn)地控制（手動(dòng)控制）與自動(dòng)控制的識別， 即梯形圖中的Network8， 因此在中心控制室有一個(gè)手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān) 。 手動(dòng)與自動(dòng)是互相屏蔽的， 體現(xiàn)在梯形圖中即為互鎖回路， 也就是 Network1 12 中的兩個(gè)按鈕 、 ，當(dāng)手動(dòng)開關(guān)閉合時(shí) ，自動(dòng)控制自動(dòng)被屏蔽，只有按鈕 、 都斷開時(shí)， 才會接受上位機(jī)的信號。 Network13～Netwok16 為閘門上升子程序 ， Network17～ Netwok20 為閘門 下降 子程序 ，其過程已在上面講 29 明，不再贅述 其中 MW MW4 為閘門預(yù)設(shè)開度 。 最后一段為閘門 下滑后自動(dòng)上升子程序 ，其基本原理為閘門開度 小于預(yù)設(shè)開度 MW5 時(shí)，閘門自動(dòng)上升至指定值。 PLC 的梯形圖設(shè)計(jì) 圖 30 圖 31 圖 圖 格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制子程序 Gray code to binary system 32 （ 1） I/O 點(diǎn)的分配 ： 圖 I/O點(diǎn)的分配 Distribution of I/O point （ 2） 梯形圖程序 ： 圖