【導讀】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)作為整個控制系統(tǒng)的結構，并對系統(tǒng)的軟、硬件予以了介紹。靠性好等特點的液壓啟閉機控制閘門升降。同時對液壓啟閉過程中同步策略進。行了研究，給出了基于電磁換向閥控制回路的解決方案。介紹了電機軟啟動的工作流程，實現了對電機的軟啟動控制、運行監(jiān)視和保護。控制系統(tǒng)的具體流程，確定了PLC的型號，并繪制出了相應的梯形圖程序。啟閉機空載卸荷和過載保護?????

　　

【正文】 的流程圖。 23 第五 章 PLC 的軟、硬件設計 PLC 的 基本結構 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 關行 程 開 關指 示 燈電 源輸入單元編 程 器輸出單元 圖 PLC的基本結構 Basic structure of PLC 如圖 所示，為 PLC 的基本結構圖， PLC 實質上是一種工業(yè)計算機，與計算機的組成十分相似，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 生產廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固定在 ROM 內，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)現場連接的接口。輸入單元由按鈕、繼電器接觸開關、行程開關、光電開關以及各種變送器、傳感器等裝置產生，然后轉換成數字信號傳送到 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)來實現控制目的。 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 的硬件設計 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，有以下幾個控制要求。 （ 1） 要在上下游水位裝兩個液位變送器，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中。上位機的控制人員根據液位的變化，對閘門來進行控制。 24 （ 2） 在閘門的兩側裝上閘門開度儀，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 的數字量輸入模塊中，把閘門的開度直接轉換為數字量，簡單易行。然后直接編入梯形圖中，與預設的閘門開度相比較，來進行閘門的糾偏、全啟閉的控制以及自動防下滑的報警控制。 （ 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 預先編寫好 的 PLC 程序，來控制電磁閥的得失電，實現閘門的啟閉控制。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，采用二線制標準信號，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，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號 。 安裝時 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 注意地面上的電纜部分需加以保護或架高。其與 PLC 的連接如 圖 所示。 P L C 內 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、聯軸器或齒輪等聯結件構成 。 該傳感器通過聯軸器等聯結件將編碼器軸與啟閉機卷筒軸或小齒輪軸聯結，使編碼器與被測軸同步轉動，將被測軸的旋轉轉化為編碼器軸的旋轉，通過專用測試儀采集編碼器值 ，從而準確的測量出被測件的位移量 ， 并達到了對被測 物 位移的實時測量與控制的目的 。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 碼盤的機械位置決定 了 ，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器 的每個 位置 是 唯一 的 ，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數據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據，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 以直接進入 PLC 的 I/O 接口， 輸出 及時 ，連接方便。 之所以選用多圈格雷碼盤，是因為其測量的范圍大，而且用格雷碼輸出的優(yōu)點是 其相鄰的兩個二進制數之間僅差一個數字。 例如 自然 二進制數 7 和 8 為 0111 和 1000， 每一位都不同， 用格雷碼表示為 0100 和 1100，這樣就只差了一個數。這樣是為了在并行傳輸的過程當中 ，連續(xù)的兩個二進制數每次只差一個數，保證了數據傳輸過程中不會發(fā)生錯誤 ， 大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆 。 當把格雷碼送入 PLC 以后 ，不 能直接進行比較大小和算術運算，也不能直接轉換成其 它信號， 要經過一次碼變換，變成自然二進制碼， 把格雷碼轉變?yōu)樽匀欢M制 碼。 可以用梯形圖編程實現。 具體程序見 軟件設計部分。 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 的數字量輸入模塊相連。 P L C 內 部 電 源2 4 V數 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，其結構如圖 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 點數及內存分類屬于中型PLC，存儲器為 2KB， 每一個數字量模塊中有 32 個點，支持 PROFIBUS、工業(yè)以太網等網絡。本款 PLC 具有較強的控制功能和運算能力 ，運算速度也比較快 。 S7300 的 PLC 采用緊湊的、無槽位限制的模塊化組合結構，根據應用對象的不同，可 選用不同型號和不同數量 的模塊 ，并可以將這些模塊安裝在同一機架 上。一個機架 上最多安裝11 個模塊， 如果要擴展系統(tǒng)結構就要通過 接口 模塊 IM 相連。本系統(tǒng)的結構圖 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，實際上不存在物理槽位，每個模塊用背部總線 相 連接。 在上圖中 ， 一號槽位為 負載電源模塊 ， 用于將交流 220V電源 轉換為直流 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 PLC 系統(tǒng)的核心。 三號槽位為 接口 模塊 ， 用于連接主機架與 擴展機架 ， IM 模塊在本次設計中只作為可選模塊出現，沒有必要用途時可省去。 四至七號槽位分別為 數字量輸入、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，如計數器模塊 、 閉環(huán)控制模塊、位置輸入模塊等 ，在本次設計中也作為可選模塊出現。 九號槽 位為 通信處理器，用于 PLC 與上位機和其它智能設備之間的通信。 本系統(tǒng) 中 PLC 與設備之間采用 PROFIBUSDP 連接 ，與上位機之間采用 串口通信 RS232。 圖 西門子 S7300型 PLC Siemens S7300 PLC PLC 的軟件設計 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、常閉觸點等開關量， 8 位格雷碼數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)分為手動控制與自動控制兩大部分， 自動控制就是 上位機通過組態(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 的程序實現閘門的升 、 降 、 停控制。 在本控制系統(tǒng)中 閘門的手動控制 有兩層含義： 一個是 應急用的手動控制 ，此方式不 通過 PLC 程序， 通過 控制柜上的 開關按鈕直接進行閘門的升降?？刂疲涣硪环N手動控制 是指 工作人員通過現地控制單元的觸摸屏上的控制面板，發(fā)出控制信號給 PLC，達到控制閘門的目的，這種手動控制的實質還是利用了 PLC 的程序 ，以下討論所涉及到的手動控制均為后者。 在第三章中的液壓啟閉原理中我們已經得知 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 PLC 接到閘門上升的控制信號時， 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，到達指定高度以后 1DT、 2DT 失電。整個過程的流程圖如 圖 所示。 啟 動 液 壓 泵1 D T 得 電系 統(tǒng) 建 壓延 時 3 秒2 D T 得 電閘 門 上 升到 達 閘 門 開 度設 定 值 ？結 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 液 壓 泵1 D T 得 電系 統(tǒng) 建 壓延 時 3 秒3 D T 得 電閘 門 下 降到 達 閘 門 開 度設 定 值 ？結 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 中沒有相應的把格雷碼轉換成二進制數模塊，因此需要用 step7 軟件編寫一個八位格雷碼與二進制數相轉換的程序。其轉換過程為：最高位格雷碼（ 第 n 位 ）與最高位二進制 數相同； 第 n1 位二進制數等于第 n1 位格雷碼與第 n 位二進制數的異或，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 來實現的一個總體控制程序，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，通過一定的邏輯關系整合到一起 ，從而達到自動控制的目的。 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 ，這樣就可以實現閘門左右開度的比較 。 然后，在程序的開始，閘門 進行一次糾偏，其流程與第三章給出的糾偏流程完全一致 ，體現在梯形圖中的 Network2～Network7。糾偏結束后， 要進行現地控制（手動控制）與自動控制的識別， 即梯形圖中的Network8， 因此在中心控制室有一個手動 /自動轉換開關 。 手動與自動是互相屏蔽的， 體現在梯形圖中即為互鎖回路， 也就是 Network1 12 中的兩個按鈕 、 ，當手動開關閉合時 ，自動控制自動被屏蔽，只有按鈕 、 都斷開時， 才會接受上位機的信號。 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 為閘門預設開度 。 最后一段為閘門 下滑后自動上升子程序 ，其基本原理為閘門開度 小于預設開度 MW5 時，閘門自動上升至指定值。 PLC 的梯形圖設計 圖 30 圖 31 圖 圖 格雷碼轉二進制子程序 Gray code to binary system 32 （ 1） I/O 點的分配 ： 圖 I/O點的分配 Distribution of I/O point （ 2） 梯形圖程序 ： 圖