基于PLC的水位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計與實現(xiàn)

1、基于plc的水位控制系統(tǒng)畢業(yè)設計與實現(xiàn) 基于plc的水位控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘 要隨著社會進步和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對住房條件要求的提高，高位生活用水和工業(yè)用水逐漸增多，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)落后。以前采用人工進行控制蓄水池的水位，由于不可能每時每刻對水位進行準確的定位監(jiān)測，并且?guī)в泻艽蟮闹饔^性，所以很難準確控制水泵電機的啟停，并且大多數(shù)供水系統(tǒng)采集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，難以實現(xiàn)設備之間及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，嚴重制約了企業(yè)信息集成及企業(yè)綜合自動化的實現(xiàn)。計算機和自動控制技術不斷進步使得高性能的供水系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。因此，研究高性能、網(wǎng)絡化的供水監(jiān)控系統(tǒng)，對降低能耗、信息共享具有重要的現(xiàn)

2、實意義。本設計主要介紹了以可編程邏輯控制器（c20p型plc）與變頻器為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水塔水位的遠程控制，并且實現(xiàn)了低警戒水位的報警。本設計對其控制原理、硬件選擇、軟件設計、報警電路進行重點闡述，使軟件程序的設計簡單化，硬件接口簡易可行，特別是提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。本系統(tǒng)對傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)進行改造，可以有效的解決以前供水壓力波動大、系統(tǒng)故障率高、能源浪費嚴重等一系列問題。同時，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)進行維護修理，并能通過應用軟件對供水系統(tǒng)進行監(jiān)控和遠距離控制，提高效率，實現(xiàn)自動化供水。關鍵字：plc，變頻器，自動控制control system des

3、ign and realizes plc-based water levelabstractwith social progress and rapid economic development, people have requested the improvement of housing conditions, high domestic water and industrial water gradually increased, the traditional control method has lagged behind. before using artificial cont

4、rol of the reservoir water level, because every time the water level can not make accurate positioning monitoring, and a lot of subjectivity, it is difficult to accurately control the motor from the pump stopped; most of the water supply system and a small number of information collection, processin

5、g slow, late delivery, difficult to achieve between devices and systems and the exchange of information between the outside world, has seriously hampered enterprise information integration and the realization of integrated automation business. computer and automatic control technology makes high-per

6、formance continuous improvement of the water supply system for possible. this paper presents a programmable logic controller c20p-plc with an inverter at the core of the control system and realized the water towers on the remote control and achieved a low warning level of alarm. in this paper, its c

7、ontrol principle, the choice of hardware, software design, focus on alarm circuits, software programs simplify the design, hardware interface simple and feasible, in particular, to improve the stability of the entire system and anti-jamming capabilities. to the traditional water supply system reform

8、 and effective solution before the water pressure fluctuations, the system failure rate is high and the serious waste of energy, such as a series of problems. at the same time, the system has both automatic and manual control mode, the system for maintenance repairs, and through the application of t

9、he water supply system for remote monitoring and control, improve efficiency, automated water supply.key words: plc，frequency converter，automatically control 目錄1 緒論. 11.1研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 1 供水方式的發(fā)展. 1 國內外供水監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 21.2 課題研究意義. 31.3 課題研究內容. 41.4 論文內容結構安排. 42 plc的概述. 52.1 plc的來源及概念. 5 plc的來源. 5 plc的定義.

10、 52.2 plc特點及應用. 6 plc的特點. 6 plc的應用. 72.3 plc的分類及組成. 8 plc的分類. 8 plc的組成. 92.4 plc的其它組成部分.122.5 plc的邏輯結構. 132.6 plc的工作原理. 142.7 plc控制系統(tǒng)一般設計步驟.172 小結. 193 水位控制系統(tǒng)中plc硬件電路設計. 203.1 系統(tǒng)控制要求. 203.2 plc選型. 203.3 系統(tǒng)硬件配置. 213.4 歐姆龍c20p系統(tǒng)硬件配置. 223.5 變頻器的選擇. 243.6 系統(tǒng)工作原理. 26 3.7 小結. 294 水塔水位控制系統(tǒng)外圍電路的設計. 304.1 水位

11、測量系統(tǒng)設計. 304.2 鍵盤電路設計. 31 鍵盤的結構. 31 鍵盤的電路設計. 324.3 顯示電路的設計. 334.4 報警電路的設計. 334.5 水泵控制電路設計. 344.6 小結. 345 系統(tǒng)軟件設計. 355.1 編程軟件的構成. 355.2 編程軟件的選擇. 355.3 系統(tǒng)流程圖. 365.4 編程說明. 375.5 小結. 406 總 結. 41參考文獻. 42致 謝. 431 緒論隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人們對供水的質量和安全可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術等應用到供水領域，成為對供水企業(yè)新的要求。

12、在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水控制系統(tǒng)，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享具有重要的現(xiàn)實意義1?？删幊炭刂破髋c變頻是一種新型的、成熟技術，它其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調速技術也得到了更加深入的應用。通過remote start/stop輸入點進行plc遠程啟停變頻器，作為通用工業(yè)控制計算機，年來可編程控制器從無到有實現(xiàn)了工業(yè)控制領域接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；其應用領域從小到大，實現(xiàn)了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過

13、程控制、及集散控制等各種任務的跨越。今天的可編程控制器正在成為工業(yè)控制領域的主流控制設備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用在制造工業(yè)（以改變幾何形狀和機械性能為特征）和過程工業(yè)（以物理變化和化學變化將原料轉化成產(chǎn)品為特征）中它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國gm（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，使得電氣控制功能實現(xiàn)程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫programmable controller

14、（pc）。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)，pc的功能越來越強大，其概念和內涵也不斷擴展。上世紀80年代，個人計算機發(fā)展起來，也簡稱為pc，為了方便也為了反映可編程控制器的功能特點，美國a-b公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器programmable logic controller（plc），并將“plc”作為其產(chǎn)品的注冊商標?，F(xiàn)在，仍常常將plc簡稱pc。近年，工業(yè)計算機技術（ipc）和現(xiàn)場總線技術（fcs）發(fā)展迅速，擠占了一部分plc市場，plc增長速度出現(xiàn)漸緩趨勢，但其在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多種p

15、lc產(chǎn)品，主要應用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%）、化學/制藥（14.6%）、金屬/礦山（11.5%）、紙漿/造紙（11.3%）等行業(yè)?？删幊炭刂破骱喎Q（programmable logic controller）是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的標準草案中對做了如下定義是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的

16、機械或生產(chǎn)過程。及其有關的外圍設備都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計”2.2 plc特點及應用 plc的特點（1）可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的f系列平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余cpu的的平均無故障工作時間則更長。從的機外電路來說，使用構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在

17、應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。配套齊全，功能完善，適用性強發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來的功能單元大量涌現(xiàn)，使?jié)B透到了位置控制、溫度控制、等各種工業(yè)控制中加上通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。易學易用，深受工程技術人員歡迎作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員

18、接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。體積小，重量輕，能耗低以超小型為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦由于體積小很容易裝入機械內部，是實現(xiàn)機電一體化

19、的理想控制設備。目前，在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。開關量的邏輯控制這是最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（analog）和數(shù)字量（digital）之間的a/d轉換及d/a轉換廠家都生產(chǎn)配

20、套的a/d和d/a轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。運動控制可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量i/o模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。pid調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型都有pid模塊，目前許多小型也具有此功能模塊。pid處理一般是運行專用的pi

21、d子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。通信及聯(lián)網(wǎng)通信含間的通信及與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各廠商都十分重視的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

22、新近生產(chǎn)的都具有通信接口，通信非常方便。i/o點數(shù)的多少等進行大致分類。（1）按結構形式分類根據(jù)plc的結構形式，可將plc分為整體式和模塊式兩類。整體式plc是將電源、cpu、i/o接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型plc一般采用這種整體式結構。整體式plc由不同i/o點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成?；締卧獌扔衏pu、i/o接口、與i/o擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或eprom寫入器相連的接口等。擴展單元內只有i/o和電源等，沒有cpu?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式plc一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控

23、制單元等，使其功能得以擴展。模塊式plc是將plc各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如cpu模塊、i/o模塊、電源模塊（有的含在cpu模塊中）以及各種功能模塊。模塊式plc由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式plc的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型plc一般采用模塊式結構。還有一些plc將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式plc。疊裝式plc其cpu、電源、i/o接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧13。（2）

24、按功能分類根據(jù)plc所具有的功能不同，可將plc分為低檔、中檔、高檔三類。低檔plc具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。中檔plc除具有低檔plc的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程i/o、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、pid控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。高檔plc除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高

25、檔plc機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化14。（3）按i/o點數(shù)分類根據(jù)plc的i/o點數(shù)的多少，可將plc分為小型、中型和大型三類。小型plci/o點數(shù) 256點；單cpu、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4k字以下。中型plci/o點數(shù)2562048點；雙cpu，用戶存儲器容量28k。大型plci/o點數(shù) 2048點；多cpu，16位、32位處理器，用戶存儲器容量816k。 plc的組成plc的基本結構主要由3部分組成：中央處理器cpu、存儲器系統(tǒng)的rom和ram等、系統(tǒng)的輸入/輸出模塊。系統(tǒng)內部采用總線結構進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。其中

26、，cpu是plc的核心，輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設備與cpu之間的接口電路，通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。對于整體式，所有部件都裝在同一機殼內；對于模塊式plc，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或導軌上。無論是哪種結構類型的plc，都可根據(jù)用戶需要進行配置與組合。中央處理單元（cpu）同一般的微機一樣，。plc中所配置的cpu隨機型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如z80、8086、80286等）、單片微處理器（如8031、8096等）和位片式微處理器 如amd29w等 。存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器ram，另一種是只讀

27、存儲器rom、prom、eprom和eeprom。在plc中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序是由plc的制造廠家編寫的，和plc的硬件組成有關，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供plc運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到plc的性能，而且在plc使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器rom、prom或eprom中，用戶不能訪問和修改。用戶程序是隨plc的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于cmos靜態(tài)ram中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉

28、電時不會丟失信息。為了防止干擾對ram中程序的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲器eprom中?，F(xiàn)在有許多plc直接采用eeprom作為用戶存儲器。工作數(shù)據(jù)是plc運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在ram中，以適應隨機存取的要求。在plc的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設置和運行情況確定的。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在掉電時用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在plc產(chǎn)品樣本或使用手冊中

29、所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當plc提供的用戶存儲器容量不夠用，許多plc還提供有存儲器擴展功能。輸入/輸出單元輸入/輸出單元通常也稱i/o單元或i/o模塊，是plc與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件plc通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)作為plc對被控制對象進行控制的依據(jù)同時plc又通過輸出接口將處理結果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而plc內部cpu的處理的信息只能是標準電平，所以i/o接口要實現(xiàn)這種轉換。i/o接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高plc的抗干擾能力。另外，i/o接口上通常還有狀態(tài)指示，工

30、作狀況直觀，便于維護。plc提供了多種操作電平和驅動能力的i/o接口，有各種各樣功能的i/o接口供用戶選用。i/o接口的主要類型有：數(shù)字量（開關量）輸入、數(shù)字量（開關量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。常用的開關量輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出接口可驅動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；而晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，動作頻率高但前者只能用于驅動直流負載，后者只能用于交流負載。plc的i/o接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為plc輸入/輸出（i/o）點數(shù)。i/o點數(shù)是選擇plc的重要依據(jù)之一。當系統(tǒng)的i

31、/o點數(shù)不夠時，可通過plc的i/o擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。plc配有開關電源，以供內部電路使用。與普通電源相比，plc電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內波動。許多plc還向外提供直流24v穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。通信接口plc配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。plc通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其它plc、計算機等設備實現(xiàn)通信。plc與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其它plc連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?。

32、與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結合。遠程i/o系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。智能接口模塊智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的cpu、系統(tǒng)程序、存儲器以及與plc系統(tǒng)總線相連的接口。它作為plc系統(tǒng)的一個模塊通過總線與plc相連，進行數(shù)據(jù)交換并在plc的協(xié)調管理下獨立地進行工作。plc的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。人機接口裝置人/機接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與plc控制系統(tǒng)的對話。最簡單、最普遍的人/機接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉換開關、撥碼開關、指示燈、led顯示器、聲光報警器等器件構成。對于p

33、lc系統(tǒng)，還可采用半智能型crt人/機接口裝置和智能型終端人/機接口裝置。半智能型crt人/機接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自plc的信息并在crt上顯示出來；而智能型終端人/機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與plc相連，也可作為獨立的節(jié)點接入plc網(wǎng)絡。eprom寫入器是用來將用戶程序固化到eprom存儲器中的一種plc外部設備。為了使調試好用戶程序不易丟失，經(jīng)常用eprom寫入器將plc內ram保存到eprom中。圖2.1 plc邏輯結構圖2.6 plc的工作原理plc實質上是一類工業(yè)控制專用的計算機，它的結構原理與微型計算機

34、相似，皆由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成，所以它的工作原理也是建立在計算機的工作原理基礎上。也就是說plc的控制功能也是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。用戶程序是通過編程器預先寫入存儲器中，由cpu采用循環(huán)掃描的工作方式來執(zhí)行。（1）掃描工作原理當plc運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務的，需要執(zhí)行眾多的操作，但cpu不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于cpu的運算處理速度很快，所以從宏觀上來看，plc外部出現(xiàn)的結果似乎是同時（并行）完成的。這種串行工作過程稱為plc的掃描工作方式。用掃描工作方式執(zhí)行用戶

35、程序時，掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復始重復運行。plc的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；而plc采用掃描工作方式（串行工作方式），如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該時才會動作。但由于plc的掃描速度快，通常plc與電器控制裝置在i/o的處理結果上并沒有什么差別。plc的掃描工作過程除了執(zhí)行

36、用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內部處理、通信服務工作。如圖所示，整個掃描工作過程包括內部處理、通信服務、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個過程掃描執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與cpu運行速度、plc硬件配置及用戶程序長短有關，典型值為1100ms。在內部處理階段，進行plc自檢，檢查內部硬件是否正常，監(jiān)視定時器（wdt）是否復位以及完成其它一些內部處理工作。在通信服務階段，plc與其它智能裝置實現(xiàn)通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等。當plc處于停止（stop）狀態(tài)時，只完成內部處理和通信服務工作。當plc處于運行（run）狀態(tài)時，除完成內部處理和通

37、信服務工作外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新工作。plc的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當plc掃描到的指令被執(zhí)行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可通過cpu內部設置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于cpu內部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。plc執(zhí)行程序的過程及特點plc執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段輸入采樣階段在輸入采樣階段，plc以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態(tài)進行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序處理階段，在程序執(zhí)行階段或其它階段，即

38、使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。2）程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，plc對程序按順序進行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當遇到程序跳轉指令時，則根據(jù)跳轉條件是否滿足來決定程序是否跳轉。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，plc從輸入映像寄存器和元件映象寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進行運算，運算的結果再存入元件映象寄存器中對于元件映象寄存器來說其內容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。3輸出刷新階段當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，plc將輸出映象寄存器中與輸出有關的狀態(tài)（輸

39、出繼電器狀態(tài)）轉存到輸出鎖存器中，并通過一定方式輸出，驅動外部負載。因此plc在一個掃描周期內，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行。當plc進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。這方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。在用戶程序中如果對輸出結果多次賦值則最后一次有效。在一個掃描周期內，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映象寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新。在其它階段里輸出狀態(tài)一直保存在輸出映象寄存器中。這種方式稱為集中輸出。對于小型plc，其i/o點數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式

40、，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但使plc工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。而對于大中型plc，其i/o點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或中斷輸入、輸出方式以及采用智能i/o接口等多種方式。從上述分析可知，當plc的輸入端輸入信號發(fā)生變化到plc輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為plc輸入輸出響應滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應該注意的是，這種響應滯后不僅是由于plc掃描工作方式造成，更主要是plc輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及

41、輸出接口中驅動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設計有關。滯后時間是設計plc應用系統(tǒng)時應注意把握的一個參數(shù)。圖2.3 plc控制系統(tǒng)一般設計步驟2.7 小結本章主要介紹了plc的來源及定義、分類及應用、特點及組成、plc的邏輯結構及其工作原理、以及一般設計步驟。plc的控制功能是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的。用戶程序是通過編程器預先寫入存儲器中，由cpu采用循環(huán)掃描的工作方式來執(zhí)行。plc及其有關的外圍設備易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令plc和變頻技術在社會各個領域的應用，可以用它來解決水壓控制系統(tǒng)存在的以上問

42、題。本文在此介紹采用可編程控制器（plc）來完成對數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設備的控制任務利用對plc軟件的設計,實現(xiàn)變頻器的參數(shù)設置、故障診斷和電機的啟動和停止/自動兩種控制方式，并設有試驗功能。3.2 plc選型 目前在國內市場上有從美國、德國、日本等國引進的多種系列plc，國內也有許多廠家組裝、開發(fā)數(shù)十種plc，故plc系列標準不一，功能參差不齊，價格懸殊。在此情況下，plc的選擇應著重考慮plc的性能價格比，選擇可靠性高，功能相當，負載能力合適，經(jīng)濟實惠的plc。本文介紹以四段液位控制對象為例，據(jù)對多種因素的分析比較及監(jiān)控系統(tǒng)輸入、輸出點數(shù)的要求，選用日本立石（omron）公司c20

43、p型plc。plc水位控制系統(tǒng)整體結構如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)整體結構框圖3.3 系統(tǒng)硬件配置為實現(xiàn)液位的手動/自動控制，需要輸入口12點，輸出口8點，選用c20p20點i/o單元的plc，輸入光電隔離，輸出繼電器隔離，負載能力強；液位檢測采用干簧管傳感器，手動/自動轉換、運行/試驗轉換和液位設定采用雙位旋鈕，手動啟泵、停泵和確認、試驗采用常開按鈕；輸出選用電子音響報警器和24v直流指示燈、繼電器。參見圖3.2系統(tǒng)硬件配置圖。為節(jié)省輸入口數(shù)量，節(jié)省投資，本系統(tǒng)運行/試驗功能的轉換采用了對i/o模塊接線的優(yōu)化，使plc輸入模塊中1個輸入節(jié)點起到2個輸入節(jié)點的作用，完成plc工作在兩種方式下

44、的i/o功能。參見圖3.3 i/o模塊接線的優(yōu)化。圖3.2 系統(tǒng)硬件配置圖圖3.3 i/o模塊接線的優(yōu)化3.4 歐姆龍c20p系統(tǒng)硬件配置c20p系統(tǒng)主要硬件配置包括面板、擴展單元、特殊單元、外圍設備。（1）面板每個i/o點都有對應的接線端子。電源端子中con為公用端。nc為空端，不接任何線。顯示部分有反映plc工作情況的各種指示燈，如運行，出錯，報警等。接插座用語接插擴展單元、外圍設備、特殊單元、通信接口等，不用時可用蓋板蓋上。c20p面板布置如圖3.4所示。圖3.4 c20p面板布置圖1）內部組成由cpu板、內存、i/o電路和電源組成。cpu采用8位微處理器。cpu單元也稱為主機。2）規(guī)格

45、cpu以其i/o口點數(shù)為其規(guī)格總稱，如c20p就有輸入輸出點數(shù)共20。（2）擴展單元擴展單元在外觀上相似于cpu單元，也有接線端子、顯示和連接電纜的插座。擴展單元名稱上要加一個e。（3）特殊單元特殊單元包括模擬定時單元、模擬輸入單元、模擬輸出單元等。模擬定時單元的定時值由外部的電位器設定，不占用i/o口。模擬定時器通過電纜和cpu 或擴展單元連接，只占用兩個通道。模擬輸出單元是將模擬信號 電壓或電流 轉換成輸入到plc的二進制數(shù)，模擬輸出單元是將plc的數(shù)字信號轉換成模擬信號輸送給外圍設備。模擬量范圍是0-10v或0-20ma,數(shù)字量是8位二進制數(shù)。（4）外圍設備plc外圍設備主要是編程或對p

46、lc監(jiān)控。編程器面板如圖3.5所示。圖3.5 編程器面板run-此位置使plc執(zhí)行程序，編程器在此狀態(tài)下不能修改程序，可監(jiān)控plc工作。program-此位置可進行編程工作。monitor-使plc處于監(jiān)控狀態(tài)，當plc運行程序，對外監(jiān)控時，可按對應的控制鍵，把plc運行情況反映在液晶顯示器上，還可改變數(shù)據(jù)。數(shù)字鍵 白色 ：10個 0-9 ，其中0-5在按shft 移位 鍵時，成為a-f鍵。指令鍵 灰色 ：16個，用于輸入指令?？刂奇I 黃色 ：12個，用于編輯，寫入或修改程序。清除鍵 紅色 ：1個，clr鍵。編程器操作有4種：預備性操作、編程、監(jiān)控和存儲程序。其中編程是最基本的操作。當plc接

47、通電源，cpu自動檢測編程器接口，若編程器未接，plc自動進入run狀態(tài)。（5）特殊繼電器p型機有2個半通道的繼電器即18通道的左半字節(jié)、19通道的右半字節(jié)，共16個。它們的功能是：1808-用于對電池電壓低時的報警。1809-用于掃描周期超過100ms 小于103ms 時on。1810-用于高速計數(shù)。1811、1812、1814-常off。1813-常on。開始掃描時，on一個掃描周期，作初始化處理。1900、1902、1902-分別每隔0.1s、0.2s、1s發(fā)出計數(shù)脈沖。1903、1904、1905、1906、1907-分別為出錯、進 借 位、大于、相等、和小于標志。3.5 變頻器的選擇

48、變頻器的定義是：把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的一種裝置。變頻器和plc一樣是整個系統(tǒng)的核心元件，是調速核心設備，其主要作用是通過改變輸出電源頻率而對電機水泵實現(xiàn)無級調速，達到隨用水量變化而自動調節(jié)電機、水泵轉速，使管網(wǎng)保持恒壓的目的。系統(tǒng)選用了plc主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉換、存儲、報警、控制變頻器完成壓力調節(jié)等功能。水泵分別由變頻器軟動，旁路工頻運行，進行恒壓控制變頻器的動、停止分為使用觸摸屏或文本顯示器等設備軟控制和plc自動控制。控制面板上設有一個手動/自動轉換開關，plc對該開關的狀態(tài)實時檢測，當選擇手動功能時，plc只進行檢測報警，由人工通過面板上的

49、按鈕和開關進行水泵的工頻、停。當選擇自動功能時，所有控制、報警均由plc完成。hz的交流電調到以050hz之間任意頻率輸出，實現(xiàn)交流電機的無極調速，最終達到生產(chǎn)過程的定量控制及最優(yōu)化控制。當變頻系統(tǒng)為開環(huán)時，設備可以人為設定輸出任意頻率控制電機轉速；當變頻系統(tǒng)為閉環(huán)時，隨著反饋等要求的變化，根據(jù)設定的系統(tǒng)供水壓力值，自動跟蹤輸出相應的頻率。變頻器改變水泵電機電源頻率，使電機加速或恒速運行。在高限值至恒定值之間，變頻器改變水泵電機電源頻率，使電機減速或恒速運行。恒壓供水泵中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用plc的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定

50、值與反饋值比較并經(jīng)pid處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。為了讓pid運算以預想的采樣頻率工作，pid指令必須用在定時發(fā)生的中斷程序中，或者在主程序中被定時器控制以一定頻率執(zhí)行。采樣時間也必須通過回路表輸入到pid運算中。其中，pid指令的表達式及操作數(shù)如圖3.6所示。圖3.6 pid指令的表達式及操作數(shù)變頻器與其外圍設備之間的接線如圖3.7所示。圖3.7 變頻器與其外圍調設備的接線圖3.6 系統(tǒng)工作原理水泵根據(jù)用水的多少，按一定的控制邏輯運行，維持用水低恒壓。只要水位低于高水位，則自動往水塔注水。水塔的高/低水位信號也直接送給plc，作為高/低水位報警。在re

51、mote方式下，通過remote start/stop輸入點進行plc遠程啟停變頻器，通過ref remote input0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率在恒壓調節(jié)時，plc處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與pid運算的壓力設定值（由調度人員根據(jù)情況在review上設定）進行比較，再經(jīng)過pid運算得到調節(jié)后的修正值，通過模擬量輸出模板（1771-ofe）輸出到x11-13/14，作為remote方式下變頻器的頻率控制信號由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比，所以變頻器將輸入信號進行內部運算后轉為真實工作頻率。變頻器具有remote和local兩種操作方式。local

52、操作方式下，通過local start/stop開關啟停變頻器，通過ref local input0輸入端口的電位開關人工調節(jié)變頻器工作頻率；通過local/remote輸入點可以將變頻器切換到remote操作方式下，在remote方式下，通過remote start/stop輸入點進行plc遠程啟停變頻器，通過ref remote input0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據(jù)供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在050hz，在此范圍內水泵運行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運行頻率和泵的輸出壓力成較好的線關系，可得到較好的控制效果?？刂泼姘迳显O有一個手動/自動轉換開關plc對該開關的狀態(tài)實時檢測當選擇手動功能時，plc只進行檢測報警，由人工通過面板上的按鈕和開關進行水泵的工頻、停當選擇自動功能時，所有控制、報警均由plc完成。 圖4.1 浮力式水位傳感器示意圖圖中浮球采用光滑的不銹鋼薄壁圓球。這種測水位的方法雖然是一種接觸式測量，但由于采用的浮球表面極為光滑，且為不銹鋼制成，應用實踐證明它的抗沾污性和抗腐