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1、高楼恒压供水的PLC 控制系统设计 第一章绪论 1.1 关于高楼恒压供水 恒压供水是指用户段不管用水量的大小, 总保持管网水压基本恒定, 这样既可满足各部位的用户对水的需求, 又不使电动机空转造成电能的浪费。高楼恒压供水通常是采用固定在建筑物上的给水塔或楼顶高位水箱，以自来水局部加压的形式供水，这种气压供水可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积亦小。 建筑给排水是与人民生活、生产活动、卫生安全有密切关系的学科。在日常常生活中，如果供水系统的水压不稳定，会导致不良后果。例如对居民用水而言，水压过高，会导致管路泄露和水源流失严重；水压过低，用户用水会导致供水不足。对于消防用
2、水而言，水压不稳定，会影响灭火质量。因此，保持供水压力的稳定是很有必要的。恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。 1.2 PLC的概述 1.2.1 PLC的简介 国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下: PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有
3、关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。 事实上, PL C就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。 1.2.2 PLC的基本结构 PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机，PLC系统与微型计算机结构基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 (1)通用型PLC的硬件结构 通用型PLC的硬件基本结构如图1.1所示，它是一种通用的可编程控制器，主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）模块及电源组成。 图1.1 通用型PLC的硬件基本结构
4、主机内各部分之间均通过总线连接。总线分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。各部件的作用如下： 中央处理单元CPU PLC的CPU与通用微机的CPU一样，是PLC的核心部分，它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定
5、的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。 存储器 存储器（简称内存），用来存储数据或程序。它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。 PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用EPROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPRO M中；存储器的容量以字节为单位。系统程序存储器的内容不能
6、由用户直接存取。因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。 输入/输出（I/O）模块 I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。PL C提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。I/O模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。I/O 模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。 电源 PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。 编程器 编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调
7、用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它经过接口与CPU联系，完成人机对话。 编程器分简易型和智能型两种。简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接。智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。 (2)PLC软件系统 PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，它包括系统程序和用户程序。 系统程序 系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。诊断程序用来诊断机器故障。系统程序
8、由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。 用户程序 用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。用户程序由用户用编程器键入到PLC内存。小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，而是顺序编制的。大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块。按模块结构组成的用户程序，每个模块用来解决一个确定的技术功能，能使很长的程序编制得易于理解，还使得程序的调试和修改变得很容易。 1.2.3 PLC的用途 PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其
9、应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。 按PLC的应用通常可分为五种类型： （1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。 （2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当
10、的速度和加速度，确保运动平滑。 （3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。 （4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。 （5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）
11、系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC 和上级计算机之间的通信功能。 1.2.4 PLC的特点 抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而PLC
12、采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 第二章高楼恒压供水控制系统的分析 21 控制系统的组成及工作原理 控制系统的组成：自动供水设备是由水泵机、供水控制系统、阀门管件及钢结构机座等配置组成；供水控制系统是由可变程序控制器控制系统、压力传感器、蓄水池水位控制器等组成。系统原理如图2.1所示。 控制系统的工作原理：电源接通后，由压力传感器传来信号，当传感器Kb与Kd都有信号传来时由控制系统传达指令，控制水泵的运行；由水泵从低水池统抽水，送至高水箱，再由高水箱完成储水、送水的供水循环周期；当水泵工作时，将水送
13、至水管网，当高水箱压力升至最高工作压力时即传感器Ke有信号，水泵停机。压力降至最低工作压力时即传感器Kd有信号时，水泵重新起动，如此周而复始。当高水箱压力传感器Ke有信号时，水泵停止；当低水池压力传感器Ka有信号时，水泵停止；当低水池水位达到Ka或Kc即压力传感器Ka或Kc有信号时，或者高水箱水位达到Kf即眼力传感器Kf有信号传来时，声光报警，蜂鸣器HA1及指示灯HL1启动，按下复位按钮SB5时声光报警消失。 图2.1 系统原理图 22 恒压供水控制系统分析 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压
14、力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 随着电字技术的发展，传感器与PLC技术的日益完善，以PLC为核心的智能供水控制系统成本低,其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将
15、使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 第三章高楼恒压供水系统的硬件设计 31 控制系统中传感器的选择 3.1.1 传感器的基本概念 传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，材视对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一，传感器的作用越来越被工业界、科技界、领导决策部门所认识。这是因为传感技术是信息技术的三大组成部分之一。 信息的采集主要利用传感技术，
16、信息的处理主要利用计算机技术，信息的传递主要采用通讯技术。传感技术是现代控制测量技术的主要环节。如果没有传感技术对原始数据进行准确、可靠的测量，无论对信息的转换、处理、传输和显示，那么精确，都将失去任何意义。 人们往往把传感器誉为人的感官:眼光敏传感器;鼻气敏传感器；耳声敏传感器；嘴味觉传感器；手一一触觉传感器；而把计算机誉为人的大脑；把通讯技术作为人的经络。因此通过感官来获取信息(传感器)，由大脑(计算柳发出指令，由经络(通讯技术)进行传输，现代信息技术缺一不可。在科学研究和基础研究中，传感器能获取人类感官无法获得的大量信息。如用传感器和传感技术，可以观察到很小的微粒；能测量很短的时间；一艘
17、宇宙飞船可以看作是一个高性能传感器的集合体，可以捕捉和收集宇宙之中的各种信息:一辆小轿车上所用的传感器有百余种之多，利用传感器可以测量油量、水温、水压、流量、排气量、车速、姿态等。 传感器的水平是衡量一个国家综合经济实力和技术水平的标志之一，它的发展水平、生产能力和应用领域已成为一个国家科学技术进步的重要标志，正如国家有的专家认为;谁支配了传感器，谁就支配了目前的新时代。 3.1.2 传感器的分类 （1）根据输入物理量可分为:位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度感器及气敏传感器等。 （2）根据工作原理可分为:电阻式、电感式、电容式及电势式等。 （3）根据输出信号的性质可分为:模拟式传感器和
18、数字式传感器。即模拟式传感器输出模拟信号，数字式传感器输出数字信号. （4）根据能量转换原理可分为:有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电能量，如电动势、电荷式传感器等;无源程序传感器不起能量转换作用，只是将被测非电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等。 本设计是测取低水池和高水箱的压力故选用压力传感器。 3.2 控制系统中水泵的选择 借动力设备和传动装置或利用自然能源将水由低处升至高处的水力机械。根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量，主要有活塞泵、柱塞泵、齿轮泵、隔膜泵、螺杆泵等类型。叶片泵是利用回转叶片与
19、水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。潜水电泵的泵体部分是叶片泵。其他类型的水泵有射流泵、水锤泵、内燃水泵等，分别利用射流水锤和燃料爆燃的原理进行工作。水轮泵则是水轮机与叶片泵的结合。 本设计是将低水池中的水抽取到高楼顶部的高水箱中，故要选用扬程较高的深井潜水电泵。潜水电泵的泵体叶轮和驱动叶轮的电机都潜入水中，有深井用和作业面用两种。深井用潜水电泵通过伸入井中的电缆向电机供电，免去了传动长轴，因而结构紧凑,重量轻,安装、使用和转移方便，在有电源地区有取代长轴深井泵的趋势，但对含沙量大的水井和无电源地区不适用。潜水电泵用的电动机有干式（电机全部密封）、半干式（电机的定子密封，而
20、转子在水中运转）、充油式（电机内部充油以防水分侵入绕组）和湿式(电机内部充水，定子和转子都在水中运转)等类型。前3种都需要密封且制造安装精度要求较高,因而农用深井潜水电泵通常采用湿式电动机，其定子绕组采用耐水绝缘导线或在定子绕组端部及槽内浇注合成树脂，水进入电机内部影响不大,密封结构可大大简化,只要求防砂。有的深井潜水电泵扬程高达1400米，最大流量达1.4米3秒。 33 控制系统中可编程序控制器的选择 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、模拟式的
21、输入输出，控制各类型的机械或生产过程。可编程控制器及其设备，都应易于使工业控制系统形成统一整体，易于扩充其功能的原则设计。 三菱公司的PLC是最早进入中国市场的产品，FX系列PLC具有庞大的家族。基本单元(主机)有FX0、FX0S、FXON、FX1、FX2、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC9个系列。每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。本设计选用 FX1S-20MR型号。 3.4 PLC 安装位置的确定 PLC具有编程方法简单易学；功能强，性能价格比高；配套齐全，功能完善，适用性强；
22、可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；维修工作量小，维修方便；体积小，能耗底的特点。 PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 PLC应安装在：1.温度PLC要求环境温度在055oC，安装时不能放在发
23、热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。2.湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。3.震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4.空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。 35 PLC的接线图与控制电路图 根据控制系统的设计要求，PLC的外部接线图如图3.1所示。控制电路图如图3.2所示。控制面板如图3. 3所示。 图 3. 1 控制系统PLC外部接线图 图 3.2 控
24、制系统的控制电路图图3.3 控制系统的操作面板 第四章高楼恒压供水系统的软件设计 4.1 程序设计方法的选取 方法一：经验设计法 在一些典型的电路基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断完善和修改。用经验设计方法设计程序时，没有一套固定的方法和步骤可以遵循，具有较大的试探性和随意性，在一些简单的程序比较适用。 但是此系统是一个比较复杂的系统，需要大量的中间单元来完成记忆、联系和互锁等功能由于考虑的因素很多，他们往往交织在一起，分析起来很困难，并且很容易遗漏一些应该考虑的问题。修改一处很可能形成“牵一发而动全身”，对系统的其他部分产生很的影响，因此在本系统中经验设计法不适用。 方法二：根据继电器电路图设计程序的方法 编程简单，但是需要注意的问题很多，如应遵守梯形图语言中的语法规定、适当的分离继电器电路图中的某些电路、时间继电器的处理等。 方法三：顺序控制设计法 按照生产工艺预定先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有次序的进行操作。 使用此方法编程简单，考虑的因素不多，不容易遗漏一些应该考虑的问题。与第二种方法相比不会有太多注意的问题。故选用方法三。