【正文】 Cybem (3):568 [15] Timothy J,Maloney. Modem Industrial Electronics. Pearson :56 60 39 附錄 1 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)梯形圖 40 41
。 感謝身邊所有的朋友與同學(xué)，謝謝你們四年來(lái)的關(guān)照與寬容，與你們一起走過(guò)的繽紛時(shí)代，將會(huì)是我一生最珍貴的回憶。 沒(méi)有您的悉心指導(dǎo)就沒(méi)有這篇論文的順利完成。雖然 四年時(shí)間過(guò)得很快 ，但我確實(shí)學(xué)到了很多有用的知識(shí)，尤其是對(duì)我思想和方法上的指導(dǎo) 。而我們就是巨龍的細(xì)胞，不斷的用知識(shí)強(qiáng)大自己，為這條龍能飛的更高而努力。 這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成， 得力于 老師 諄諄教導(dǎo) 和同學(xué)的幫忙 ， 更感謝各位學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)給了我這次鍛煉自己發(fā)現(xiàn)自己不足的機(jī)會(huì) 。 37 致 謝 在這篇論文的寫作過(guò)程中，我深感自己的專業(yè)知識(shí)水平學(xué)的不扎實(shí)。 本論文在綜合當(dāng)今諸多 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出了自己的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了大量成功的實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)開發(fā)。邏輯設(shè)計(jì)法適用于開關(guān)量控制的邏輯關(guān)系較強(qiáng)的控制系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)方法可 以使得邏輯控制關(guān)系非常簡(jiǎn)潔 ?？偨Y(jié)出了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法適用于簡(jiǎn)單的、原有的繼電器觸點(diǎn)控制的技術(shù)改造控制 。從系統(tǒng)的硬件選型、設(shè)計(jì)到軟件的設(shè)計(jì)方法。隨著 PLC應(yīng)用的普及，各種設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。為了更好的運(yùn)用 PLC到自動(dòng)控制系統(tǒng)中去，本論文對(duì) PLC的控制、工作原理和應(yīng)用方法進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對(duì)當(dāng)今我國(guó)工控領(lǐng)域常用的各種 PLC，包括松下 FP0系列、 SIMATIC S7系列、 GE Fanue系列、 OMRON系列和三菱系列， 進(jìn)行了性能比較。其目的是借鑒當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域以廣泛應(yīng)用的 PLC控制技術(shù)，在各種設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思路并存的今天， 尋求一種 PLC在工業(yè) 自動(dòng)控制中的通用方法。 根據(jù)控制系統(tǒng) PLC 控制流程，不難得到其梯形圖，梯形圖如附錄 1所示。 PLC 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，它要求既要有 PLC、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，又要有自動(dòng)控制的知識(shí)，還要有一定的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 編程實(shí)現(xiàn) 。 PLC軟件開發(fā)過(guò)程主要包括幾個(gè)環(huán)節(jié) : 需求分析 。 PLC 軟件設(shè)計(jì)概述 PLC控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的過(guò)程與任何軟件的開發(fā)一樣，先要進(jìn)行可行性研究，然后，還要經(jīng)歷需求分析、軟件設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、軟件測(cè)試和運(yùn)行維護(hù)等幾個(gè)環(huán)節(jié)。三是根據(jù)功能表圖正確地畫出 相應(yīng)的梯形圖，最后再根據(jù)某些特殊功能要求，添加部分控制程序。 在前兩步的基礎(chǔ)上畫出功能表圖、畫梯形圖 添加某些特殊要求的程序 順序控制設(shè)計(jì)法有一定的規(guī)律可循，所編寫的程序易讀、易檢查、易修改，是常用的設(shè)計(jì)方法之一。 確定所需輸入和輸出點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)?？刂莆蛔詈檬褂猛粋€(gè)內(nèi)存單元的若干連續(xù)位。將控制過(guò)程分成若干個(gè)工作步，明確每個(gè)工作步的功能，弄清步的轉(zhuǎn)換是單向進(jìn)行 (單序列 )還是多向進(jìn)行 (選擇或并行序列 )的，確定步的轉(zhuǎn)換條件 (可能是多個(gè)信號(hào)的“與”、“或”等邏輯組合 )，必要時(shí) 可畫一個(gè)工作 流程圖。功能表圖能清楚地 表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。順序控制設(shè)計(jì)法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編出的程序偏長(zhǎng)，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀 性強(qiáng)。步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來(lái)劃分的，在任何一步之內(nèi)，各輸出量的 ON/OFF狀態(tài)不變，但是相鄰兩步的輸出量發(fā)生了變化。順序控制設(shè)計(jì)法又稱步進(jìn)控制設(shè)計(jì)法。 根據(jù)定時(shí)器的功能明細(xì)表、時(shí)序圖和 I/O分配畫出梯形圖。 根據(jù)時(shí)間區(qū)段的個(gè)數(shù)確定需要的定時(shí)器數(shù)量，分配定時(shí)器號(hào)，確定各定時(shí)器的設(shè)定值，明確各定時(shí)器開始定時(shí)和定時(shí)時(shí)間到這兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)各輸出信號(hào) 狀態(tài)的影響。 時(shí)序圖設(shè)計(jì)法歸納如下 : 把時(shí)序圖劃分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)段，確定各區(qū)段的時(shí)間長(zhǎng)短。 時(shí)序圖設(shè)計(jì)法 如果 PLC各輸出信號(hào)的狀態(tài)變化有一定的時(shí)間順序，可用時(shí)序圖法設(shè)計(jì)程序。 進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì) 。用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì) PLC應(yīng)用 程序的一般步驟如下 : 列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表 。 但是在和時(shí)間有關(guān)的控制系統(tǒng)中，就顯得復(fù)雜。該方法在純粹的條件控制系統(tǒng)中，非 常好用。該方法使用邏輯表達(dá)式描述實(shí)際問(wèn)題。所以，經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于較簡(jiǎn)單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是，由于這種方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，特別是要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫試湊法。即在一些典型電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖?，F(xiàn)將常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn) 要進(jìn)行介紹。 對(duì)系統(tǒng)中，要求有常用和備用、手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)不允許同時(shí)運(yùn)行，由連鎖可靠性要求，除了在 PLC 內(nèi)部進(jìn)行軟件連鎖外，同時(shí)還利用接觸器的輔助觸點(diǎn)進(jìn)行了必 要的電氣連鎖，以提高系統(tǒng)的可靠性。 31 表 47 WP311型投入式液位變送器 技術(shù)指標(biāo) 量 程 ： 0 — ～ 200mH 工作溫度 ： － 20 ～ 85 ℃ 過(guò) 載 ： 150% FS 綜合精度 ： ， ， 級(jí) 保護(hù)等級(jí) ： IP68 穩(wěn) 定 性 ： %FS / 年 測(cè)量介質(zhì) ： 與不銹鋼 (1Cr18Ni9Ti) 或聚四氟乙烯兼容的介質(zhì) 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 考慮到 PLC 控制系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題，電源是控制系統(tǒng)引入干擾的主要途徑之一，特別是對(duì)于系統(tǒng)中存在大接觸器、大電機(jī)等的場(chǎng)合，更易引入干擾信號(hào)。該產(chǎn)品采用特制的通氣電纜，使感壓膜片的背壓腔與大氣良好相通，測(cè)量液位不受外界大氣壓變化的影響，測(cè)量準(zhǔn)確，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并具有優(yōu)良的密封及防腐性能，符合船用標(biāo)準(zhǔn)，可直接投入到水、油等液體中長(zhǎng)期使用。（帶表頭時(shí)負(fù)載能力有所降低） 型投入式液位變送器 圖 45 WP311型投入式液位變送器 WP311 型投入式液位變送器（也稱 靜壓式液位變送器 ） 選用進(jìn)口帶防腐膜片敏感組件，將芯片裝入一個(gè)不銹鋼（或聚四氟乙烯）殼體內(nèi)。 供電電源：供電電源為 12～ 45VDC，帶數(shù)字顯示器為 15～ 45VDC，一般 24VDC。 輸出信號(hào)： 4～ 20mADC。壓力變送器和絕對(duì)壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同 ,所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空。測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣體上的電極各組成一個(gè)電容器，在無(wú)壓力通入或兩側(cè)壓力均等時(shí)測(cè)量膜片處于中間位置，兩側(cè)兩電容器的電容量相等。其對(duì)應(yīng) PLC 輸入 /輸出地址分配如表 45 所示。 表 44 PLC控制系統(tǒng)主要元器件明細(xì)表 序號(hào) 器件名稱 規(guī)格 數(shù)量 生產(chǎn)廠家 備注 1 水井液位變送器 SBP2881C5KBOB1 2 北京富邦 2 清水池液位變送器 SBP2881A4KB2M1B1 1 3 A區(qū)水塔 液位變送器 FB3051LTEA222M1 1 4 B區(qū)水塔液位變送器 FB3051LTEA222M1 1 5 變送器傳送屏蔽電纜線 RVVP3 只作為信號(hào)線 系統(tǒng)的其它各元器件，如：指示儀表、按鈕、指示燈、繼電器、接觸器等等，在此就不進(jìn)行選型，只對(duì)其數(shù)量和用途加以說(shuō)明。 放大放大多路開關(guān)A / D光電隔離共享存儲(chǔ)器總線VIC O MVIC O M 圖 42 A/D模塊接口示意圖 其他元器件 由控制系統(tǒng) 參數(shù)以及對(duì) PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)、性質(zhì)的要求，以及前面所論述的 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，對(duì)控制系統(tǒng)的其他關(guān)鍵元器件：液位變送器和變送器傳送屏蔽電纜線，進(jìn)行必要的選型。當(dāng) PLC 程序掃描執(zhí)行到讀模擬量指令時(shí)，由程序制定的基本輸入通 25 道的模擬量就被采樣，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換完成后從鎖存器經(jīng)總線傳送到指定的數(shù)據(jù)寄存器 [9]。 FP0A80 模塊式 8 路 A/D。下面對(duì) A/D 智 能模塊的工作原理進(jìn)行介紹 [8]。 本設(shè)計(jì)采用液位變送器對(duì)水井，清水池，水塔的液位進(jìn)行勘測(cè)和監(jiān)控 。 FP0 可經(jīng) RS323 接口連接到調(diào)制解調(diào)器，當(dāng)選用“調(diào)制解調(diào)器”通信方式時(shí)， FP0 可使用 AT 命令自動(dòng)撥號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。 FP0 具有 5000 步的大容量?jī)?nèi)存及大容量的數(shù)據(jù)寄存器，可用于復(fù)雜控制和有處理大量數(shù)據(jù)的能力。s 的窄脈沖。 FP0 的運(yùn)行速度是非?？斓模瑘?zhí)行 500 步的程序只需 1ms。其安裝體積在同類產(chǎn)品中是最小的，所以 FP0 可安裝在小型機(jī)器設(shè)備及越來(lái)越小的控制板上。 FP0 產(chǎn)品的特點(diǎn)如下： 1．外形小巧。其中數(shù)字量輸入 24 點(diǎn)，輸出 16 點(diǎn)。 圖 41 供水系統(tǒng)檢測(cè)、控制、顯示、執(zhí)行示意圖 22 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)分布 由 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖工藝組成可得：電氣控制系統(tǒng)要求 5個(gè)液位 傳感器分別檢測(cè)兩個(gè)水井液位、清水池液位、 A區(qū)水塔液位和 B 區(qū)水塔液位； 4個(gè)出 水輔助電接點(diǎn)壓力表來(lái)控制四臺(tái)加壓泵電動(dòng)閥門的開啟和檢測(cè)四臺(tái)加壓泵電機(jī)運(yùn)行是否正常，除此之外，電氣控制系統(tǒng)還要求一些水泵電機(jī)運(yùn)行指示燈和按鈕等元器件，各元器件功能及所占 PLC 輸入輸出點(diǎn)數(shù)見下表。 (2)框架中帶有遠(yuǎn)程適配器或擴(kuò)展本地 I/O適配器模塊時(shí)，應(yīng)加上其最大電流值。 將框架中每塊 I/O模塊所需的總背板電流相加，計(jì)算 I/O模塊所需的總背板電流值 。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、 I/O模塊、專用模塊等消耗電流和總和。主要方法有：輸入 信號(hào)必須與交流信號(hào)和可能產(chǎn)生干擾源的供電電源保持一定的距離；模擬量輸入信號(hào)線要采取屏蔽措施；采取補(bǔ)償技術(shù)以減少環(huán)境變化對(duì)模擬量輸入信號(hào)的影響。 主要考慮以下兩點(diǎn)： 模擬量輸入模塊的參數(shù)指標(biāo)，即模擬量輸入模塊的分辨率、精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間等參數(shù)指標(biāo)必須滿足現(xiàn)場(chǎng)的要求。 在選用負(fù)載能力，即輸出模塊同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的總電流值不得超過(guò)模塊 允許電流值。對(duì)于電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載， 考慮到接通時(shí)有沖擊電流，要留有足夠的余量。二是輸 20 出電 流的選擇。晶閘管 輸出 (交流 )和晶體管輸出 (直流 )都屬于無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載，響應(yīng)速度快。其中，繼電器輸出價(jià)格便宜，抗干擾能力強(qiáng)，使用電壓范圍廣，壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動(dòng)作不頻繁的交 /直流負(fù)載。 (2)選擇開關(guān)量輸出模塊時(shí)應(yīng)從以下三個(gè)方面來(lái)考慮 :一是輸出方式選擇。二是高密度的輸入模塊，如 32 點(diǎn)輸入模塊，能允許同時(shí)接通的點(diǎn) 數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般 24V以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。 開關(guān)量 I/O 接口 開關(guān)量 I/O接口按外部接線方式分為隔離式、分組式和匯點(diǎn)式，隔離式的每點(diǎn) 平均價(jià)格較高，如果信號(hào)之間不需要隔離，應(yīng)選后兩種。 確定 I/O 點(diǎn)數(shù) I/O點(diǎn)數(shù)的確定要充分的考慮到裕量，能方便地對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展。它與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的聯(lián)系是通過(guò) 1/0接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出的總點(diǎn)數(shù)， 并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的 10%～ 15%考慮備用量 。 I/O點(diǎn)數(shù)應(yīng)留有適當(dāng)余量。對(duì)于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)為模擬內(nèi)存單元數(shù)乘以 100。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在選擇存儲(chǔ)容量時(shí)，一般按實(shí)際需要的 10%～ 25%考慮裕量。二是用戶存儲(chǔ)器的容量 (字?jǐn)?shù) )。對(duì)于產(chǎn)品定型的設(shè)備和工藝不常變動(dòng)的設(shè)備，應(yīng)選用離線編程的 PLC；反之，可考慮選用在線編程的 PLC。當(dāng)被控設(shè)備的工藝過(guò)程改變時(shí)，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產(chǎn)帶來(lái)很大方便。對(duì)于需要應(yīng)用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行合理的選擇。 （ 4） PLC 的環(huán)境適應(yīng)性 18 由于 PLC是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器，生產(chǎn)廠家都把它設(shè)計(jì)成能在惡劣的環(huán)境條件下，可靠地工作。其外部設(shè)備通用也有利于資源共享。同一機(jī)型的 PLC，其模塊可互為備用，以便備件的采購(gòu)和管理 。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制、全 PLC的分布式控制系統(tǒng)和整個(gè)工廠的自動(dòng)化等。如西門子公司的 S7300或 S7400。 如西門子公司的 S7200系列機(jī)或歐姆龍公司的 COM1。否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。具體應(yīng)考慮的因素如下所述。 圖 32 PLC控制系統(tǒng)基本框 圖 16 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的工藝流程圖 根據(jù) PLC 的供水控制系統(tǒng)控制工藝要求，由其相互邏輯關(guān) 系，可以得到各個(gè)水泵和加壓泵的自動(dòng)控制流程圖，如圖 33 所示。 基于 PLC 的給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)控制系統(tǒng)要求， PLC 控制器主要是對(duì)兩個(gè)取水泵站的四臺(tái)水泵和兩個(gè)液位傳感器、加藥站的加藥泵、加壓站的四臺(tái)加壓泵進(jìn)行控制及向上位監(jiān)控機(jī)傳送各種信息。 交付使用。 編制技術(shù)文件。 聯(lián)機(jī)調(diào)試。 15 進(jìn)行 PLC程序設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制柜或操作臺(tái)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。