【正文】 ＃泵泄漏 1＃泵泄漏 1＃泵泄漏 4＃泵變頻器故障 1＃變頻器故障 1＃變頻器故障 積水坑低位 2＃泵滲漏 2＃泵手動(dòng)啟動(dòng)/停止 積水坑中位 2＃泵過溫 2＃泵滲漏 積水坑高位 2＃泵泄漏 2＃泵過溫 積水坑超高位 2＃變頻器故障 2＃泵泄漏 AO01 1泵 50Hz 工作 3＃泵滲漏 2＃變頻器故障 AO02 2泵 50Hz 工作 3＃泵過溫 3＃手動(dòng)啟動(dòng)/停止 AO03 3泵 50Hz 工作 3＃泵泄漏 3＃泵滲漏 AO04 4泵 50Hz 工作 3＃變頻器故障 3＃泵過溫 AO05 1泵 25Hz 工作 4＃泵滲漏 3＃泵泄漏 AO06 2泵 25Hz 工作 4＃泵過溫 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 17 頁 3＃變頻器故障 AO07 3泵 25Hz 工作 4＃泵泄漏 4＃泵手動(dòng)啟動(dòng)/停止 AO08 4泵 25Hz 工作 4＃泵變頻器故障水位由中位以下升到超高位再降到低位以下并且水位在上升和下降過程中無其他變化，具體過程如下：t1 時(shí)刻水位由中位以下上升到中位，第一臺(tái)潛水泵啟動(dòng)，在 t1 到 t2 時(shí)間段內(nèi)第一臺(tái)潛水泵以 50Hz 的頻率運(yùn)行；到 t2 時(shí)刻水位從中位上升到高位，第一臺(tái)潛水泵仍以50Hz 的頻率運(yùn)行，同時(shí)第二臺(tái)潛水泵啟動(dòng)，在 t2 到 t3 時(shí)間段內(nèi)第一臺(tái)潛水泵和第二臺(tái)潛水泵同時(shí)以 50Hz 的頻率運(yùn)行；到 t3 時(shí)刻水位從高位上升到超高位，系統(tǒng)報(bào)警，第一臺(tái)潛水泵和第二臺(tái)潛水泵仍以 50Hz 的頻率運(yùn)行，同時(shí)第三臺(tái)潛水泵啟動(dòng)，在 t3 到 t4 時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)潛水泵均以 50Hz 的頻率運(yùn)行。 輸入、輸出點(diǎn)的確定PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量加以確定。PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（PPI）協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，通信傳輸速率為 或 。S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。如此 PLC 總共有 40 個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入，32 個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出，12 個(gè)模擬量輸出，開關(guān)量輸入輸出和模擬量輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴(kuò)充的要求。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 15 頁4 控制系統(tǒng)硬件選擇和程序設(shè)計(jì) PLC 的選型根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用了 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，開關(guān)量輸入為 24 點(diǎn)，輸入形式為＋24V 直流輸入，開關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形式為DC24V 繼電器輸出。改造后的控制系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)： 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 14 頁(1) 由于采用了高性能變頻器替代了接觸器，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)更加平穩(wěn)，并且對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)更加完善，會(huì)明顯地降低泵站的故障率。4 臺(tái)潛水泵每一輪次工作(每次水位到達(dá)中位以上)均為 3 用 1 備，即第一輪次為3潛水泵投入工作，4備用，第二輪次為 4投入工作，1備用，依次循環(huán)；如果某臺(tái)水泵有故障，則這臺(tái)水泵在故障沒有排除前均為備用：(1) 當(dāng)檢測(cè)到水位到達(dá)中位時(shí)，將第一臺(tái)潛水泵以 50Hz 頻率投入運(yùn)行，水位上升到高位，第二臺(tái)潛水泵以 50Hz 頻率投入運(yùn)行，水位上升到超高位，第三臺(tái)潛水泵以50Hz 頻率投入運(yùn)行。4 個(gè)浮球水位開關(guān)設(shè)置為 4 個(gè)水位檢測(cè)點(diǎn)，即低位、中位、高位和超高位，其中低位為正常水位點(diǎn)，也就是潛水泵的停止工作點(diǎn)；中位為第一臺(tái)潛水泵的啟動(dòng)點(diǎn)，也是第二臺(tái)潛水泵的頻率改變點(diǎn)；高位是第二臺(tái)潛水泵的啟動(dòng)點(diǎn)，也是第三臺(tái)潛水泵的頻率改變點(diǎn)；超高位是上限報(bào)警點(diǎn)，也是第三臺(tái)潛水泵的啟動(dòng)點(diǎn)。(1) 手動(dòng)方式；將控制柜柜門上的‘遠(yuǎn)程自動(dòng)/本地 手動(dòng)’轉(zhuǎn)換開關(guān)打到‘本地手動(dòng)’位置，S7200 PLC 將潛水泵的操作切換到控制柜柜門上的按鈕和電位計(jì)，這時(shí)，就可以使用控制柜上的啟動(dòng)、停止按鈕和電位計(jì)對(duì)沒有故障的潛水泵進(jìn)行任意啟動(dòng)、停止，在控制柜柜門上安裝的儀表和指示燈、上位機(jī)系統(tǒng)操作畫面中指示系統(tǒng)工作的各種狀態(tài)。每個(gè)泵站均有 4 臺(tái)潛水泵，設(shè)計(jì)為 3 用 1 備的循環(huán)工作方式，潛水泵的操作分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式，兩種操作方式的選擇由控制柜上的“自動(dòng)/手動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)。(2) 操作：控制柜面板上安裝有進(jìn)線電源電壓表、電流表；電動(dòng)機(jī)工作電流表、頻率表；潛水泵工作指示燈、變頻器故障指示燈、潛水泵溫度過高指示燈、潛水泵滲漏指示燈、泄漏指示燈，安裝有自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)、各個(gè)泵的起停按鈕、各個(gè)泵的手動(dòng)給定電位計(jì)。 控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案鑒于上述原系統(tǒng)的控制缺陷，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行改造，具體如下：每臺(tái)潛水泵由 1 臺(tái)施耐德高轉(zhuǎn)矩變頻器控制，其中 30KW 潛水泵采用ATV58HD46N4X 變頻器、 110KW 潛水泵采用 ATV68C15N4 變頻器；邏輯管理各采用一臺(tái) S7200 PLC 上位機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行管理和操作等。冷軋硅鋼廠積水坑 110KW 泵站有 4 臺(tái) 110KW 潛水泵，控制系統(tǒng)構(gòu)成及操作方式與 30KW 泵站相似，不同的只是由于電動(dòng)機(jī)容量較大，采用自藕變壓器降壓啟動(dòng)。自動(dòng)方式：4 個(gè)水位開關(guān)檢測(cè)污水坑的水位，PLC 根據(jù)水位情況控制水泵的起停。 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 11 頁線圈的連接使用一個(gè)條件驅(qū)動(dòng)多個(gè)線圈時(shí)，不能串聯(lián)，只能并聯(lián)。編號(hào)分配對(duì)于外接電路的各元件分配編號(hào)，編號(hào)的分配必須是主機(jī)或者擴(kuò)展模塊本身實(shí)際提供的，而且可以用來編程，兩個(gè)設(shè)備不能共用一個(gè)輸入、輸出點(diǎn)。梯形圖的基本繪制規(guī)則：編程順序梯形圖按照從上到下，從左到右的順序控制。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。為了保證生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行，必須做到最長的掃描周期小于系統(tǒng)電器改變狀態(tài)的時(shí)間，實(shí)際上掃描周期是不固定的，正因?yàn)檫@一點(diǎn)，給機(jī)器實(shí)現(xiàn)某些控制帶來一些困難。由于程序中所用語句的復(fù)雜程度不同，執(zhí)行 1K 字程序所需的時(shí)間差異很大，廠家應(yīng)給出每條語 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 10 頁句所用的時(shí)間，或簡單給出執(zhí)行 1K 字邏輯運(yùn)算程序所需時(shí)間和 1K 字?jǐn)?shù)字運(yùn)算程序所需的時(shí)間。用戶程序的掃描時(shí)間主要由 CPU 的運(yùn)算速度和程序的長短決定。所以系統(tǒng)掃描周期的長短，除了因是否運(yùn)行用戶程序而有較大的差別外，在運(yùn)行用戶程序時(shí)也不是完全固定不變的。第三部分隨控制對(duì)象工藝復(fù)雜性決定的用戶控制而變化。第一部分的掃描時(shí)間基本上是固定的，隨機(jī)器類型而有不同。封鎖輸入輸出就是關(guān)閉了輸入輸出服務(wù)掃描過程。在輸出服務(wù)掃描過程中，CPU 把輸出狀態(tài)暫存區(qū)的值傳送到實(shí)際輸出點(diǎn)。用戶程序中所用的輸入值是輸入狀態(tài)暫存區(qū)的值，運(yùn)算結(jié)果放在輸出狀態(tài)暫存區(qū)中。該過程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的。隨用戶程序的長短，這個(gè)過程所用時(shí)間也是變化的。用戶程序掃描過程，機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一掃描周期內(nèi)都包含該掃描過程。該過程主要是數(shù)字處理器同 CPU 進(jìn)行信息交換。當(dāng)編程器完成處理工作或達(dá)到信息交換所規(guī)定時(shí)間，CPU 重新得到總線權(quán)，并恢復(fù)到主動(dòng)狀態(tài)，在此過程中，用戶可以利用編程器 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 9 頁修改內(nèi)存程序、讀 CPU 狀態(tài)、封鎖或開放輸入輸出、對(duì)邏輯變量和數(shù)字量進(jìn)行讀寫。調(diào)試過程中，用戶也通過編程器進(jìn)行在線監(jiān)視和修改。在有些 PLC 中用戶可以對(duì)WDT 時(shí)間進(jìn)行修改，修改方法在說明書上查閱。用編程器可以清掉WDT 故障。如果復(fù)位前，掃描時(shí)間超過 WDT 的設(shè)定時(shí)間，CPU 將停止運(yùn)行，復(fù)位輸入輸出，并給出報(bào)警信號(hào)，這種故障稱為 WDT 故障。自監(jiān)視功能主要由時(shí)間監(jiān)視器 WDT (Watchdog Timer)完成的。典型的 PLC 在一個(gè)周期中完成六個(gè)掃描過程。我們定義從掃描過程中的一點(diǎn)開始，順序掃描后又回到該點(diǎn)的過程為一個(gè)周期。所以 PLC 的循環(huán)掃描工作方式對(duì)外設(shè)希望及時(shí)響應(yīng)要求的實(shí)現(xiàn)有一定困難。這種周期性的與外界交換信息，對(duì)一般外設(shè)來講是可以滿足要求的，但是隨著可編程控制器功能的擴(kuò)展，特別是許多特殊模板智能模板被作為外設(shè)以及中斷控制時(shí)，對(duì)響應(yīng)的及時(shí)性提出了新的要求，正常的周期性的輸入輸出交換信息很難滿足要求。(5) 輸出端子接通 /斷開狀態(tài)，由輸出鎖存器決定。(3) 輸出映象寄存器的數(shù)據(jù)取決于程序運(yùn)算的執(zhí)行結(jié)果。PLC 對(duì)輸入輸出的處理原則(1) 輸入映象寄存器的數(shù)據(jù)取決于輸入端子板上各輸入開關(guān)在上一個(gè)刷新期間的接通/斷開狀態(tài)。(3) 輸出刷新階段，全部指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器的內(nèi)容，送入到輸出鎖存器中( 稱為輸出刷新) ，然后由鎖存器去驅(qū)動(dòng)線圈，最后成為可編程控制器的實(shí)際輸出。在程序執(zhí)行階段或輸出階段，無論輸入信號(hào)如何變化，輸入映象寄存器內(nèi)容保持不變，直到下一個(gè)掃描周期的采樣階段，才重新寫入輸入端的內(nèi)容。集中采樣、集中輸出的工作方式PLC 對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)階段進(jìn)行:(1) 輸入采樣階段，在這個(gè)過程中，PLC 按掃描方式掃描 PLC 裝置上所有端子上的輸入信號(hào)，并將這些輸入信號(hào)存入映象區(qū)中的輸入映象寄存器。上述輸入映象區(qū)、輸出映象區(qū)可稱為 v(輸入/ 輸出)映象區(qū)。集中采集現(xiàn)場(chǎng)信息，雖然每個(gè)信息被采集的時(shí)間仍有先后差異，但已很小，可以認(rèn)為采集到的信息幾乎是同時(shí)的。(2) 定時(shí)采集在每一個(gè)巡回掃描周期內(nèi)定時(shí)(一般在掃描周期的開始或結(jié)束 )將現(xiàn)場(chǎng)全部有關(guān)信息都采集到 PLC 中來，存放在系統(tǒng)準(zhǔn)備好的特定區(qū)域(隨機(jī)存儲(chǔ)器的某一地址區(qū)) ，這一區(qū)域稱為輸入映象區(qū)。I/O 映象區(qū)執(zhí)行 PLC 控制程序時(shí)，采集現(xiàn)場(chǎng)信息的方式有兩種:(1) 程序的執(zhí)行需要哪一個(gè)信息，就到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)去采集該信息，這樣采集到的信息是實(shí)時(shí)的，但采集的時(shí)間可能略多。PLC 的掃描既可按固定的順序運(yùn)行，也可按用戶程序規(guī)定的可變順序進(jìn)行。然而 PLC 的 CPU 則采用順序逐條地掃描用戶程序的運(yùn)行方式，即如果一個(gè)輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點(diǎn)(包括它的常開觸點(diǎn)或常閉觸點(diǎn)) 不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)才會(huì)動(dòng)作。本文主要介紹潛水泵循環(huán)工作方式、軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)，主要內(nèi)容有：第二章介紹 PLC 概述，其中包括 PLC 的工作方式和梯形圖的設(shè)計(jì)方法；第三章介紹污水坑水位控制設(shè)計(jì)，其中包括原系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案；第四章介紹控制系統(tǒng)硬件選擇和編程實(shí)現(xiàn)，其中包括 PLC 的選型及其特點(diǎn)和控制系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本次設(shè)計(jì)課題是污水坑水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)分為自動(dòng)方式、手動(dòng)方式和組態(tài)畫面，該設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是自動(dòng)控制方式，即：用 4 個(gè)水位開關(guān)檢測(cè)污水坑的水位， 鞍山科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 5 頁P(yáng)LC 根據(jù)水位情況控制潛水泵的起停。尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。今后，PLC 與工業(yè)控制微機(jī)將繼續(xù)共存，在一個(gè)控制系統(tǒng)中，使 PLC 集中在功能控制上，使微機(jī)集中在信息處理上，兩者相輔相成，共同發(fā)展。PLC 便于維修，而工業(yè)微機(jī)維修要求的技術(shù)水平較高。PLC 的輸入輸出響應(yīng)比工業(yè)微機(jī)速度慢。PLC 編程比工業(yè)微機(jī)簡單。此外，PLC 的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，各廠家的產(chǎn)品不通用，在開發(fā)上不如工業(yè)微機(jī)。PLC 采用梯形圖語言編程，使熟悉電器控制的技術(shù)人員易學(xué)易懂，易于推廣。另外，工業(yè)微機(jī)在整機(jī)結(jié)構(gòu)上尚不能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，不如 PLC 那樣容易推廣 [6]。 與工業(yè)微機(jī)控制系統(tǒng)的比較工業(yè)微機(jī)是在以往計(jì)算機(jī)與大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高，品種兼容性強(qiáng)，軟件資源豐富，特別是有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，在要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜的工業(yè)控制中占有優(yōu)勢(shì)。因此，PLC 與集散控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越接近，很多工業(yè)生產(chǎn)的控制過程既可以用 PLC 實(shí)現(xiàn)，也可以用集散系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。不論是 PLC 還是集散系統(tǒng)，在發(fā)展過程中，二者始終是相互滲透，互為補(bǔ)充的。初期功能以回路調(diào)節(jié)為主。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，PLC 在邏輯運(yùn)算功能的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)值運(yùn)算和閉環(huán)調(diào)節(jié)的功能，運(yùn)算速度提高，輸入輸出規(guī)模擴(kuò)大，并開始與小型計(jì)算機(jī)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成以 PLC 為重要部件的初級(jí)分布式控制系統(tǒng)。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。微型的 PLC 一般采用分散結(jié)構(gòu)：控制器體積很小，完成綜合邏輯處理和運(yùn)算功能，而 I/O 采集和處理則在現(xiàn)場(chǎng)模塊中實(shí)現(xiàn)。幾年前，微型 PLC 才大量上市，許多廠家又推出了超微型PLC(具有 16 或更少的 I/O 點(diǎn))。該標(biāo)準(zhǔn)定義了五種不同的控制編程語言：梯形圖、SFC( 順序功能圖 )、功能塊圖、結(jié)構(gòu)文本語言和指令表。自從 IEC11313 標(biāo)準(zhǔn)推出以來，各 PLC 廠商積極向該標(biāo)準(zhǔn)靠攏。隨著 DCS 開放性的發(fā)展，PLC 也在逐步走向開放。編程標(biāo)準(zhǔn)化過去的