PLC應(yīng)用技術(shù)與技能訓(xùn)練項(xiàng)目五恒壓供水的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試

1、項(xiàng)目五恒壓供水的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試 工作任務(wù)1PLC的數(shù)值運(yùn)算 工作任務(wù)2基于PLC的恒壓供水系統(tǒng) 工作任務(wù)1PLC的數(shù)值運(yùn)算根據(jù)控制要求，撥碼器X與Y分別有4個(gè)端子，并且要用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)值顯示，所以在本任務(wù)中，PLC的輸入信號(hào)有10個(gè)，輸出信號(hào)有14個(gè)。下面對(duì)本任務(wù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。1. I/O分配I/O分配情況如表5-1所示。表5-1I/O分配表 2. PLC硬件接線PLC硬件接線圖如圖5-1所示。圖5-1硬件接線圖 3. 設(shè)計(jì)梯形圖程序根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)的梯形圖程序如圖5-2所示。4. 系統(tǒng)調(diào)試(1) 完成接線并檢查，確認(rèn)接線正確；(2) 輸入程序并運(yùn)行，監(jiān)控程序運(yùn)行狀態(tài)，分析程

2、序運(yùn)行結(jié)果。圖5-2數(shù)值運(yùn)算參考梯形圖 一、遞增/遞減指令遞增/遞減指令主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的累加和遞減，有微分和非微分兩種形式。遞增/遞減指令非常簡(jiǎn)單，具體見(jiàn)表5-2。表5-2遞增/遞減類指令 二、邏輯運(yùn)算指令OMRON CP1E系列PLC中的邏輯運(yùn)算指令主要是以字/雙字為單位對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行“與”、“或”、“非”、“異或”、“同或”等邏輯運(yùn)算。表5-3列出了COM(29)、ANDW(34)、ORW (35)、XORW(36)和XNRW(37)5種單字邏輯運(yùn)算指令，雙字邏輯運(yùn)算指令有COML(614)、ANDL(610)、ORWL(611)、XORL(612)和XNRL(613)指令，與對(duì)應(yīng)的單字邏輯運(yùn)算

3、指令功能相似，這里不再介紹。表5-3邏輯運(yùn)算指令 例5.1圖5-3是邏輯運(yùn)算指令應(yīng)用的例子，分析程序執(zhí)行完之后D2中的內(nèi)容。圖5-3例5.1梯形圖 功能分析：當(dāng)0.00為ON、0.01為OFF時(shí)，執(zhí)行BSET指令，將所有存放結(jié)果的通道D0D4都清零。當(dāng)0.00為OFF、0.01為ON時(shí)，執(zhí)行如下邏輯運(yùn)算指令：執(zhí)行ANDW指令，將常數(shù)008F與0081進(jìn)行邏輯“與”運(yùn)算, 結(jié)果0081放在通道D0中；執(zhí)行ORW指令，將通道D0的內(nèi)容與常數(shù)0073進(jìn)行邏輯“或”運(yùn)算，結(jié)果00F3放在通道D1中；執(zhí)行XORW指令，將通道D0與D1兩個(gè)通道的內(nèi)容進(jìn)行邏輯“異或”運(yùn)算，結(jié)果0072放在通道D2中。程序執(zhí)

4、行邏輯運(yùn)算的過(guò)程如圖5-4所示。圖5-4程序執(zhí)行邏輯運(yùn)算的過(guò)程由例5.1可知，邏輯運(yùn)算指令不僅可以完成邏輯運(yùn)算，還可以用于通道清零；同時(shí)還能用邏輯指令將通道中的某些位屏蔽, 保留其他位的狀態(tài)，根據(jù)欲保留和欲屏蔽位的情況設(shè)定一個(gè)常數(shù)，用ANDW指令將通道數(shù)據(jù)與該常數(shù)相“與”即可。三、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令OMRON CP1E系列PLC中的數(shù)據(jù)運(yùn)算指令種類比較多,按進(jìn)制分類可分為十進(jìn)制數(shù)和二進(jìn)制數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算；按是否帶符號(hào)分類可分為無(wú)符號(hào)數(shù)和帶符號(hào)數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算等。由于在進(jìn)行加、減運(yùn)算時(shí)進(jìn)位位也要參與，所以這里也包括進(jìn)位位的置1和置0指令，這兩個(gè)指令在編程軟件中屬于特殊指令類。1. 進(jìn)位位置

5、1指令(STC(40)和進(jìn)位位置0指令(CLC(41)(1) 指令格式： STC(40)； 無(wú)操作數(shù) CLC(41)； 無(wú)操作數(shù)STC和CLC指令的梯形圖符號(hào)如圖5-5所示。圖5-5STC和CLC指令的梯形圖符號(hào)(2) STC和CLC指令的功能：STC：當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí), 進(jìn)位標(biāo)志位CY被置1；CLC：當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí), 進(jìn)位標(biāo)志位CY被置0。在做加、減法運(yùn)算時(shí)，CY要參與計(jì)算，所以在運(yùn)算之前需要對(duì)CY進(jìn)行清零操作。2. 十進(jìn)制運(yùn)算指令十進(jìn)制運(yùn)算指令是用單/雙字BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算。其中，加、減法運(yùn)算與CY有關(guān),乘、除法與CY無(wú)關(guān)。下面介紹單字運(yùn)算指令(+B、+B

6、CB、BC、*B、/B)，詳見(jiàn)表5-4，對(duì)應(yīng)的雙字運(yùn)算指令(+BL、+BCL、BLBCL*BL、/BL)與單字指令功能相似,這里不再贅述。表5-4十進(jìn)制加法指令在十進(jìn)制運(yùn)算指令中，由于兩個(gè)最大的單字BCD數(shù)相乘，即99999999=99980001，運(yùn)算結(jié)果不發(fā)生進(jìn)位，所以乘除法運(yùn)算都不涉及進(jìn)位位CY。雙字指令與單字一樣，乘除法也不涉及CY。3. 二進(jìn)制運(yùn)算指令二進(jìn)制運(yùn)算指令就是用單/雙字的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算。其中，加、減法運(yùn)算與CY有關(guān)，乘、除法與CY無(wú)關(guān)。下面介紹單字運(yùn)算指令(+、+C、C*U、*、/U、/)，詳見(jiàn)表5-5。對(duì)應(yīng)的雙字運(yùn)算指令(+L、+CL、L、CL、*UL*

7、L/UL、/L)與單字指令功能相似，這里不再贅述。表5-5二進(jìn)制加法指令同十進(jìn)制運(yùn)算相似，在二進(jìn)制運(yùn)算指令中，由于兩個(gè)最大的單字二進(jìn)制數(shù)相乘，即FFFFFFFF=FFFE0001，運(yùn)算結(jié)果不發(fā)生進(jìn)位，所以乘、除法運(yùn)算都不涉及進(jìn)位位CY。雙字指令與單字一樣，乘、除法也不涉及CY。四、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令應(yīng)用示例例5.2圖5-6所示梯形圖程序是應(yīng)用+B指令、定時(shí)器指令、MOV指令及CMP指令的例子，試分析程序功能。圖5-6+B指令應(yīng)用舉例功能分析：當(dāng)0.00及T001為ON(一個(gè)掃描周期)時(shí):執(zhí)行指令CLC將CY清零；執(zhí)行指令+B將D10中的數(shù)據(jù)加上#0300，即定時(shí)器TIM000的設(shè)定值增加30 s；執(zhí)

8、行指令CMP將#0900與D10比較，若D10 大于#0900，則執(zhí)行指令MOV，再將#0300傳送到D10中，即TIM000的設(shè)定值恢復(fù)為30 s。由此可知：TIM000的設(shè)定值是變化的，TIM001的設(shè)定值是固定的，TIM001用來(lái)控制100.00為ON的時(shí)間，TIM000用來(lái)控制100.00 為OFF的時(shí)間，100.00為ON的時(shí)間總是60 s, 100.00為OFF的時(shí)間從30 s起依次增加30 s(不超過(guò)90 s)。該段程序?qū)?00.00實(shí)現(xiàn)了循環(huán)間歇OFF、ON的控制。程序執(zhí)行的過(guò)程如圖5-7所示。圖5-7程序執(zhí)行的過(guò)程在本例中，TIM000的設(shè)定值由D10來(lái)確定，可通過(guò)使用+B指

9、令來(lái)改變D10的值，從而使TIM000的設(shè)定值也將發(fā)生改變。因此，+B指令可用來(lái)修改定時(shí)器的設(shè)定值。思考： 若要多次修改定時(shí)器的設(shè)定值，還可以使用哪些方案？例5.3圖5-8所示梯形圖程序是應(yīng)用減法指令(-BC)的例子，請(qǐng)分析該程序的功能。圖5-8BC指令應(yīng)用舉例功能分析：當(dāng)0.00為ON時(shí)：執(zhí)行CLC指令，將CY清零；執(zhí)行(-BC)指令，用H0中的數(shù)據(jù)減去D0的數(shù)據(jù)，再減去CY的內(nèi)容，差存入結(jié)果通道H1中。若運(yùn)算沒(méi)有借位，CY則被置0，H2即為0；若運(yùn)算有借位時(shí)，結(jié)果通道中的內(nèi)容是差的十進(jìn)制補(bǔ)碼，因此須進(jìn)行第二次減法運(yùn)算，于是根據(jù)CY的狀態(tài)(ON)執(zhí)行第二次減法運(yùn)算，結(jié)果存于H1，同時(shí)把H2置

10、1。例5.4圖5-9所示梯形圖程序是使用二進(jìn)制運(yùn)算指令完成(25081000)/50運(yùn)算，請(qǐng)分析該程序的執(zhí)行過(guò)程。程序功能分析： 當(dāng)0.00為ON、0.01為OFF時(shí)，執(zhí)行BSET指令，將D0D4清零。當(dāng)0.00為OFF、0.01為ON時(shí)，執(zhí)行MOV指令，將#00FA(十進(jìn)制的250)傳送到H0中；執(zhí)行*指令，將H0的內(nèi)容與#0008相乘，把結(jié)果的低位07D0(十進(jìn)制的2000)存入D0中、結(jié)果的高位0000存入D1中；執(zhí)行CLC指令將CY清零,以準(zhǔn)備進(jìn)行相減運(yùn)算。執(zhí)行一次-C指令，以D0的內(nèi)容為被減數(shù)與#03E8(十進(jìn)制數(shù)1000)相減, 結(jié)果#03E8存入D2中；執(zhí)行/指令，將D2中的內(nèi)容

11、除以#0032(十進(jìn)制的50)，把商#0014(十進(jìn)制的20)存入D3中，余數(shù)#0000存入D4中。此外，本例中的運(yùn)算也可以用十進(jìn)制運(yùn)算指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，思路完全一致。圖5-9二進(jìn)制運(yùn)算指令應(yīng)用舉例本項(xiàng)工作任務(wù)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5-6所示。表5-6評(píng) 分 標(biāo) 準(zhǔn)1. 控制要求作50020+30015的運(yùn)算，并將結(jié)果送到VW50中存儲(chǔ)。2. 訓(xùn)練內(nèi)容(1) 分析控制要求，寫(xiě)出I/O分配表，并根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)梯形圖程序；(2) 輸入程序并調(diào)試；(3) 匯總整理文檔，保留工程文件。 工作任務(wù)2基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)城市供水狀況與人們的正常生活息息相關(guān)，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)中采用固定頻率滿負(fù)荷的運(yùn)行方式進(jìn)行工作，此種

12、方式對(duì)供水的管道內(nèi)壓力和水位變化不能做出及時(shí)、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，尤其在晚上用水少的情況下資源消耗比較嚴(yán)重，不能有效節(jié)能。而采用變頻器調(diào)速的供水系統(tǒng)，可以根據(jù)用水量的大小控制泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量，從而有效解決供水系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。由PLC、變頻器控制兩臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)如圖5-10所示。只要儲(chǔ)水池的水位低于高水位，就會(huì)通過(guò)電磁閥自動(dòng)往水池注水，水池水滿時(shí)電磁閥關(guān)閉。同時(shí)，水池的高/低水位信號(hào)可通過(guò)傳感器直接傳送給PLC，當(dāng)水池水位到達(dá)高/低限時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合；否則，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)。具體控制要求如下：(1) 只有水池水滿時(shí)，才能啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水；水池缺水，則不允許水泵啟動(dòng)。(2) 系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制

13、方式。一般都采用自動(dòng)控制方式，只有在應(yīng)急或者檢修時(shí)才選擇手動(dòng)控制方式。(3) 在選用自動(dòng)控制方式時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，先由變頻器啟動(dòng)1#水泵，如果當(dāng)工作頻率已經(jīng)達(dá)到50 Hz，而壓力仍不足時(shí)，將1#水泵切換成工頻運(yùn)行，再由變頻器來(lái)啟動(dòng)2#水泵，這時(shí)供水系統(tǒng)處于“1工頻1變頻”的運(yùn)行狀態(tài)。如果變頻器的工作頻率已經(jīng)下降至頻率下限，而壓力仍偏高時(shí)，則1#水泵停機(jī)，供水系統(tǒng)處于1臺(tái)水泵變頻運(yùn)行的狀態(tài)。如果變頻器工作頻率已經(jīng)達(dá)到50 Hz，而壓力仍不足時(shí)，延時(shí)后將2#水泵切換成工頻運(yùn)行，再由變頻器去啟動(dòng)1#水泵。如此不斷循環(huán)。圖5-10恒壓供水系統(tǒng)圖 根據(jù)控制要求，本任務(wù)中PLC的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)有6個(gè)，模擬

14、量輸入信號(hào)有1個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)有5個(gè)，模擬量輸出信號(hào)有1個(gè)。下面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。1. I/O分配I/O分配情況如表5-7所示。表5-7I/O分配表 2. PLC硬件接線PLC硬件接線圖如圖5-11所示。圖5-11PLC硬件接線圖 3. 設(shè)計(jì)梯形圖程序根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)的梯形圖程序如圖5-12所示。圖5-12恒壓供水控制參考梯形圖 4. 系統(tǒng)調(diào)試(1) 完成接線并檢查，確認(rèn)接線正確；(2) 輸入程序并運(yùn)行，監(jiān)控程序運(yùn)行狀態(tài)，分析程序運(yùn)行結(jié)果。一、PID控制算法PID(比例積分微分)控制在生產(chǎn)過(guò)程中是一種最普遍采用的控制方法，PID控制器簡(jiǎn)單易懂，在使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，在冶金、機(jī)械

15、、化工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為(5-1)1. 位置式PID控制算法由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，故需將模擬PID算法式(5-1)中的積分和微分項(xiàng)作如下近似變換：顯然，式中的采樣周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書(shū)寫(xiě)方便，將e(kT)簡(jiǎn)化表示成e()等，即省去T。將式(5-2)代入式(5-1)，可得離散的PID表達(dá)式為(5-2)由Z變換的性質(zhì)，可得到數(shù)字PID控制器的z傳遞函數(shù)為(5-3)(5-4)數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。由于計(jì)算機(jī)的輸出值u(k)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置是一一對(duì)應(yīng)

16、的，所以通常稱式(5-3)為位置式PID控制算法。位置式PID控制系統(tǒng)圖如圖5-14所示。位置式PID控制算法的缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，所以計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量較大，而且由于計(jì)算機(jī)輸出的u(k)對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，那么u(k)的大幅度變化會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中所不允許的，在某些場(chǎng)合可能會(huì)造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。圖5-14位置式PID控制系統(tǒng)圖圖5-13數(shù)字PID控制器的結(jié)構(gòu)圖2. 增量式PID控制算法所謂增量式PID，是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要控制量的增量時(shí)，可由式(5-3

17、)導(dǎo)出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得用式(5-3)減去式(5-5)，可得(5-5)(5-6)式(5-6)稱為增量式PID控制算法。增量式PID控制系統(tǒng)圖如圖5-15所示。可以看出，由于一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP、KI和KD，只要使用前后三次測(cè)量值的偏差，即可由式(5-6)求出控制增量。圖5-15增量式PID控制系統(tǒng)圖增量式控制雖然只是在算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，卻帶來(lái)了不少優(yōu)點(diǎn)：(1) 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可采用邏輯判斷的方法去掉。(2) 手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有

18、信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。(3) 算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處，如積分截?cái)嘈?yīng)大、有靜態(tài)誤差、溢出的影響大等。因此，在選擇時(shí)不可一概而論。3. 速度式PID控制算法速度式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)的變化率，反應(yīng)控制輸出的快慢程度。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要控制量的速度時(shí)，可由式(5-6)導(dǎo)出提供速度的PID控制算式。由于速度是單位時(shí)間增量的變化率，可得(5-7)二、過(guò)程類控制指令1. 帶自整定的PIDAT控制指令(191)(1) 指令格式： PIDAT(191)SC

19、DS：測(cè)量輸入通道；C：PID參數(shù)首通道；D：操作量輸出通道。PIDAT指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域如圖5-16所示。圖5-16PIDAT指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域(2) PIDAT指令功能： 當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí)， 按采樣周期間隔執(zhí)行，將S通道的二進(jìn)制數(shù)據(jù)按照C設(shè)定參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，把運(yùn)算結(jié)果存放到輸出通道D中。PIDAT指令的功能如圖5-17所示。其中，C通道存放設(shè)定值SV，C+1C+4分別存放比例帶系數(shù)P、積分時(shí)間常數(shù)TIK、微分時(shí)間常數(shù)TDK以及采樣時(shí)間，C+5與C+6主要是對(duì)操作變量進(jìn)行設(shè)定，C+7和C+8分別操作變量輸出下限和上限，C+9是自整定計(jì)算時(shí)的增益，C+10用來(lái)

20、設(shè)定周期延遲，C+11C+40是PIDAT指令的工作區(qū)，用戶不能使用。PIDAT指令修改標(biāo)志位：P_CY，P_GT，P_LT。圖5-17PIDAT指令中CC+40通道的功能2. 標(biāo)度指令SCL(194)(1)指令格式： SCL(194)SP1RS：源數(shù)據(jù)；P1：參數(shù)首通道；R：結(jié)果通道。SCL指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域如圖5-18所示。圖5-18SCL指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域(2) SCL指令功能：當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí)，根據(jù)指定的線性關(guān)系，將無(wú)符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)按照控制數(shù)據(jù)設(shè)定的一次函數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的無(wú)符號(hào)BCD碼，并將結(jié)果輸出到指定通道。SCL指令功能如圖5-19所示。轉(zhuǎn)換公式：D=B

21、d(BdAd)/ (BsAs)(BsCs)圖5-19SCL指令功能3. 標(biāo)度指令SCL2(486)(1) 指令格式： SCL2(486)SP1RS：源數(shù)據(jù)；P1：參數(shù)首通道；R：結(jié)果通道。SCL2指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域如圖5-20所示。圖5-20SCL2指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域(2) SCL2指令功能：當(dāng)執(zhí)行條件為ON時(shí)，根據(jù)指定的線性關(guān)系，將帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)按照控制數(shù)據(jù)設(shè)定的一次函數(shù)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的帶符號(hào)BCD碼，并將結(jié)果輸出到指定通道。SCL2指令功能如圖5-21所示。轉(zhuǎn)換公式：偏移量=(AdBsAsBd)/ (AdBd)圖5-21SCL2指令功能 其中，參數(shù)P的設(shè)置如圖5-22所示。注：P1P1+2必須在同一區(qū)中。圖5-22參數(shù)P的設(shè)置4. 標(biāo)度指令SCL3(487)(1) 指令格式： SCL3(487)SP1RS：源數(shù)據(jù)；P1：參數(shù)首通道；R：結(jié)果通道。SCL3指令的梯形圖符號(hào)及操作數(shù)取值區(qū)域如圖5-23所示。圖5-23SC