PLC在水廠虹吸刮泥機系統(tǒng)中的應用-畢業(yè)設(shè)計(論文)

PLC在水廠虹吸刮泥機系統(tǒng)中的應用—畢業(yè)設(shè)計(論文)PLC在水廠虹吸刮泥機系統(tǒng)中的應用摘要可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心、集微機技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置。它具有功能齊全、使用方便、維護容易、通用性強、可靠性好、性能價格比高等特點，已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域得到了極為廣泛的應用，成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種強有力工具。本課題研究的內(nèi)容就是利用PLC技術(shù)實現(xiàn)自來水廠虹吸刮泥機的自動化控制，設(shè)計其電氣控制系統(tǒng)，將最新的控制技術(shù)應用到工作過程中，提高虹吸刮泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實時性。本文綜述了PLC控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)；簡述了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的原則、內(nèi)容和步驟。針對該虹吸刮泥系統(tǒng)的特點和性能要求，采用了德國西門子公司S7-200系列中S7-214作為系統(tǒng)控制器，重點闡述了該系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計方法，并簡要分析了用計時器實現(xiàn)掉電自保的方法和用實時時鐘功能實現(xiàn)自動定時刮泥的方法。經(jīng)過運行實踐表明，以PLC控制的系統(tǒng)可靠性和實時性良好，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，取得了良好的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：可編程控制器虹吸刮泥系統(tǒng)掉電自保實時時鐘AbstractProgrammableLogicController(PLC)isakindofuniversalindustrialcontrolapparatuswhichisdevelopedrapidlyandusedwidelyinrecentyears,takingmicroprocessorasitscore,integratingmicrocomputertechnology,automationtechnologyandcommunicationtechnology.Itisappliedverydiffuselyinvariedfieldofindustrialcontrolwiththecharacteristicssuchasall-roundfunctions,flexibleapplication,wellreliability,highratioofcapabilityandpriceandeasymaintenanceandsoon,havingbecomearobusttooltorealizeindustrialautomation.ThecontentthatthispaperstudiedistomakeuseofPLCtechnologytorealizetheintelligenttransformationofthescrapemudsystem,designtheelectriccontrolsystem,applythelatestcontroltechnologytothelathetransform,andimprovethestabilityofthescrapemudsystem,reliabilityandrealtimenature.ThepapersummarizesthegeneralstructureofPLCcontrolsystem;putsforwardtheprinciple,contentandstepofPLCcontrolsystemdesigning.SiphonblowagainstthesystemofsoilcharacteristicsandperformancerequirementsGermanyadoptedaSiemensS7-200seriessystemsasaS7-214controllerfocusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,focusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,SummaryandAnalysisofthetimerusedtoachievepower-failandtrytokeepthereal-timeclockfunctionforautomatictimingscratchingthesoil.Afterrunning,practiceshowsthatthePLCcontrolsystemreliabilityandgoodreal-time,fullysatisfythedesignrequirements,achievedgoodeconomicresults.Keywords:ProgrammableLogicControllerSiphonscratchingmudsystemPowerdownprotectionRealtimeclock目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題的來源和意義 11.2繼電器控制系統(tǒng)的特點及存在問題 11.2.1繼電器控制系統(tǒng)的特點 11.2.2繼電器控制系統(tǒng)存在的問題 11.3可編程序控制器（PLC）及其在電氣控制中的應用特點 21.3.1可編程序控制器（PLC）的定義 21.3.2可編程序控制器（PLC）的特點 21.3.3可編程序控制器（PLC）控制虹吸刮泥機的優(yōu)點 41.3.4可編程序控制器（PLC）的應用領(lǐng)域 41.3.5可編程控制技術(shù)（PLC）的發(fā)展趨勢 41.4課題的主要研究內(nèi)容 61.5本章小結(jié) 6第二章虹吸刮泥機設(shè)備介紹 82.1刮泥機簡介 82.1.1刮泥機系統(tǒng)組成 82.1.2刮泥機的工作狀況 92.2虹吸刮泥機的工作原理 102.2.1虹吸原理 102.2.2虹吸刮泥機工作原理 102.3刮泥機控制方式 112.4刮泥機常規(guī)操作 112.4.1現(xiàn)場自動開刮泥機操作規(guī)范 112.4.2手動方式開刮泥機操作 112.5本章小結(jié) 11第三章PLC基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 123.1PLC基本工作原理 123.2PLC的一般結(jié)構(gòu) 133.3PLC模塊化結(jié)構(gòu)分析 143.4PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 153.5PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的步驟 153.6提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施 183.7本章小結(jié) 20第四章虹吸刮泥機系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計 214.1水廠的工藝流程 214.1.1平流沉淀池 224.1.2平流沉淀池的排泥 224.2虹吸刮泥機的控制要求 234.3虹吸刮泥機系統(tǒng)總體方案確定 234.4本章小結(jié) 23第五章虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 245.1PLC控制系統(tǒng)I/O點數(shù)的確定 245.2PLC的選擇 245.2.1機型選擇 245.2.2系統(tǒng)容量 255.2.3I/0模塊 255.2.4電源模塊 255.3西門子S7-200系列PLC簡介 265.3.1西門子S7-200系列PLC的特點 265.3.2S7-200系列PLC擴展模塊和TD200[11] 265.3.3SIMATICS7-200的主要功能 265.3.4SIMATICS7-200CPU214簡介 275.3.5S7-200系列PLC編程工具STEP7-Micro/WIN 275.4基于S7-200CPU214的虹吸刮泥機電氣原理分析[3] 275.4.1控制方式的選擇 295.4.2刮泥機行程的選擇 295.5本章小結(jié) 30第六章虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 316.1PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 316.1.1PLC軟件設(shè)計概述 316.1.2PLC程序設(shè)計的常用方法 336.1.3PLC程序設(shè)計步驟 356.2虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 366.2.1PLC自動控制系統(tǒng)控制工藝流程圖 366.2.2虹吸刮泥機PLC實現(xiàn)的控制功能 376.2.3虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)的梯形圖 396.2.4虹吸刮泥機PLC控制程序清單[12] 416.3本章小結(jié) 42結(jié)束語 43致謝 44參考文獻 45第一章緒論1.1課題的來源和意義在提倡健康綠色生活的社會環(huán)境下，生活用水的質(zhì)量，關(guān)系到每家每戶的健康，而人們對它的水質(zhì)提出更高要求。隨著自動化技術(shù)、控制設(shè)備和機電儀表的發(fā)展，使水行業(yè)的自動化發(fā)展成為現(xiàn)實，更好保障水質(zhì)量。在自來水廠中，沉淀設(shè)備是整個水處理工藝系統(tǒng)最重要的過程之一，是水處理工藝中泥水分離的重要環(huán)節(jié)，是保障水廠優(yōu)質(zhì)供水的關(guān)鍵所在，其運行狀況直接影響出水水質(zhì)，關(guān)系到千家萬戶的用水衛(wèi)生和身體健康。虹吸刮泥機是水廠工藝上沉淀的一種電氣設(shè)備，其能否正常運行直接影響水廠自動化的正?？刂?。早期刮泥機因采用常規(guī)繼電器進行控制，控制線路過于煩瑣復雜，不便于維護，故障率又高，因此，建立基于PLC為核心的水廠虹吸刮泥自動控制系統(tǒng)的目的是對虹吸刮泥機刮泥過程的設(shè)備工況、工藝參數(shù)等現(xiàn)場狀況進行監(jiān)視和自動調(diào)控，從而保障刮泥處理過程的穩(wěn)定性和運行的連續(xù)性、可靠性。同時，如何充分發(fā)揮PLC豐富的邏輯、控制功能，如何采用國內(nèi)外著名品牌的PLC軟硬件產(chǎn)品構(gòu)成的水處理自控系統(tǒng)，是實現(xiàn)一個不但可以滿足工程周期的要求，更可以確保穩(wěn)定性、可靠性和先進性的虹吸刮泥機系統(tǒng)的關(guān)鍵。本課題欲達到的目的或預期研究的結(jié)果是采用先進的國內(nèi)外計算機軟、硬件技術(shù)和設(shè)備設(shè)計出一套通用的，質(zhì)量可靠、成本適宜的水處理刮泥自動控制方案。1.2繼電器控制系統(tǒng)的特點及存在問題1.2.1繼電器控制系統(tǒng)的特點所有控制功能及信號處理均由硬件實現(xiàn)，線路直觀，易于理解和掌握，適合于一般技術(shù)人員和技術(shù)工人所掌握。系統(tǒng)的保養(yǎng)、維修及故障檢查無需較高的技術(shù)和特殊的工具、儀器。大部分電器均為常用控制電器，更換方便，價格便宜。多年來我國一直生產(chǎn)和運用這類電器，技術(shù)成熟，已形成系列化產(chǎn)品,技術(shù)資料圖紙齊全，熟悉掌握的人員較多。1.2.2繼電器控制系統(tǒng)存在的問題系統(tǒng)觸點繁多接線線路復雜，且觸點容易燒壞磨損，造成接觸不良，因而故障率較高。普通控制電器及硬件接線方法難以實現(xiàn)較復雜的控制功能，使系統(tǒng)的控制功能不易增加，技術(shù)水平難以提高。電磁機構(gòu)及觸點動作速度比較慢，機械和電磁慣性大，系統(tǒng)控制精度難以提高。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，能耗較高，機械動作噪音大。由于線路復雜，易出現(xiàn)故障，因而保養(yǎng)維修工作量大，費用高;而且檢查故障困難，費時費工。因此，繼電器控制系統(tǒng)故障率高，大大降低了系統(tǒng)的可靠性和安全性，造成機械部件損壞，造成不必要的損失，甚至可能出現(xiàn)人身事故。1.3可編程序控制器（PLC）及其在電氣控制中的應用特點1.3.1可編程序控制器（PLC）的定義可編程控制器((ProgrammableController)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能己經(jīng)大大的超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(PersonalComputer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱PLC。為了使PLC生產(chǎn)和發(fā)展標準化，國際電工委(IEC)先后頒布了PLC標準草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通過對它的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計的[1]，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計。”總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。1.3.2可編程序控制器（PLC）的特點為適應工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機有以下特點：可靠性對可維修的產(chǎn)品，可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。PLC不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。PLC采用了一系列可靠性設(shè)計的方法進行設(shè)計，例如，冗余設(shè)計，斷電保護，故障診斷和信息保護及恢復等，提高了MTTR，使可靠性提高。PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的錯誤。PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用計算機更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程錯誤率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計的硬件使可靠性大大提高。在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件;采用先進的工藝制造流水線制造;對干擾的屏蔽、隔離和濾波等;對電源的斷電保護;對存儲器內(nèi)容的保護等。PLC的軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如，采用軟件濾波等;軟件自診斷;簡化編程語言等。易操作性PLC的易操作性表現(xiàn)在下列幾個方面：操作方便。PLC的操作包括程序輸入和程序更改的操作。大多數(shù)PLC采用編程器進行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的PLC編程器采用了CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進行搜索或順序?qū)ふ遥缓筮M行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上顯示。編程方便。PLC有多種程序設(shè)計語言可供使用。對電氣技術(shù)人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。采用布爾助記符編程語言，十分有助于編程人員的編程。維修方便。PLC具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求減低。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快的找到故障的部位，以便維修。靈活性PLC的靈活性表現(xiàn)在以下幾個方面：編程的靈活性。PLC采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便、應用面拓展。擴展的靈活性。PLC的擴展靈活性是它的一個重要特點。它可根據(jù)應用的規(guī)模不同，即可進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。操作的靈活性。操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得十分容易。1.3.3可編程序控制器（PLC）控制虹吸刮泥機的優(yōu)點在虹吸刮泥機控制中采用了PLC，用軟件實現(xiàn)對虹吸刮泥機運行的自動控制，可靠性大大提高。去掉了大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化。PLC可實現(xiàn)各種復雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。PLC可進行故障自動檢測報警顯示，提高運行安全性，并便于檢修。更改控制方案時不需改動硬件接線。1.3.4可編程序控制器（PLC）的應用領(lǐng)域隨著PLC的性能價格比的不斷提高，過去許多采用專用計算機或繼電器控制的場合，都可使用PLC來代替。PLC的應用范圍不斷擴大，主要有以下幾個方面：開關(guān)量邏輯控制。利用PLC最基本的邏輯運算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機控制、多機群控制、生產(chǎn)自動線控制等，例如：機床、注塑機、印刷機械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是PLC最基本的應用，也是PLC最廣泛的應用領(lǐng)域。運動控制。運動控制是指通過配用PLC生產(chǎn)廠家提供的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計數(shù)模塊等來控制步進電機和伺服電機，從而使運動部件能以適當?shù)乃俣然蚣铀俣葘崿F(xiàn)平滑的直線運動或圓周運動。閉環(huán)過程控制。通過配用A/D,D/A轉(zhuǎn)換模塊及智能PID模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設(shè)定值上。數(shù)據(jù)處理?，F(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制(TDCS)。PLC的通信包括PLC之間的通信、PLC和其它智能設(shè)備的通信。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的PLC可以實現(xiàn)工廠自動化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PLC可與智能儀表、執(zhí)行裝置(如變頻器等)進行通信和聯(lián)網(wǎng)，互相交換數(shù)據(jù)并實施對其的控制。利用PLC強大的通信聯(lián)網(wǎng)功能，把PLC分布到工業(yè)控制現(xiàn)場，并實現(xiàn)各站間、上下層間通信，達到分散控制、集中管理，即構(gòu)成了DCS(DistributedControlSystem)系統(tǒng)。1.3.5可編程控制技術(shù)（PLC）的發(fā)展趨勢隨著計算機科學的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。僅僅將PLC理解為開關(guān)量控制的時代已經(jīng)過去，PLC不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛需要，而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)融為一體，其功能也日趨完善。今后，PLC將主要朝著以下兩個方向發(fā)展:一個是向超小型專用化和低價格方向發(fā)展;另一個是向高速多功能和分布式自動化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展?？偟内厔萑缦拢嚎删幊炭刂萍夹g(shù)的標準化。在工業(yè)自動化產(chǎn)品繁花似錦的今天，各生產(chǎn)廠商既互相競爭又互相合作。一種自動化產(chǎn)品的競爭力除表現(xiàn)在其技術(shù)上的個性外，更重要的還在于其滿足國際標準化的程度和水平。標準化一方面保證了產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，另一方面也保證了各個廠家產(chǎn)品的互相兼容。出廠檢驗時各可編程控制產(chǎn)品的廠家都有相應的技術(shù)標準作依據(jù)。按照這些標準，各種型號的PLC產(chǎn)品對工業(yè)應用環(huán)境、抗干擾性等條目都給出了明確的規(guī)定。但是，這些標準目前只能是統(tǒng)一區(qū)域性的產(chǎn)品，而不能實現(xiàn)全球的統(tǒng)一性。為了使各廠家的產(chǎn)品有一個共同的參考平面，制定了國際標準。CPU處理速度進一步加快。目前PLC的CPU與微型計算機的CPU相比，還處在比較落后的地步，最高的也僅僅處在80486一級。將來會全部使用64位RISC芯片，實現(xiàn)多CPU并行處理或分時處理或分任務處理，實現(xiàn)各種模塊智能化，且部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化。這樣PLC執(zhí)行指令的速度將達到納秒級?？删幊炭刂萍夹g(shù)的智能化。提高一個系統(tǒng)的智能程度不僅提高系統(tǒng)的品質(zhì)，在某種意義上也提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的開放性和兼容性。開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。一方面是某一產(chǎn)品和第三家同類產(chǎn)品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統(tǒng)尤其是軟件上的開發(fā)平臺對使用者有多大的開放程度。當今可編程控制產(chǎn)品種類繁多，加上自動化項目越來越大，致使常常在一個工程項目中出現(xiàn)不同廠家的產(chǎn)品做主從站的現(xiàn)象，這就要求每一廠家的產(chǎn)品族中，都要考慮到和其他廠家產(chǎn)品的兼容性問題;另一方面，可編程控制器與工業(yè)控制機等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了開放性的特點。除此之外，同一廠家產(chǎn)品族中的各系列產(chǎn)品兼容性也代表了可編程控制產(chǎn)品的水平。通用性和專業(yè)化的結(jié)合。可編程控制產(chǎn)品是通用的。但是工業(yè)的每一領(lǐng)域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢?硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。這樣，適合于某個行業(yè)或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統(tǒng)中去。常用的專用模塊包括:定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。可靠性進一步提高。隨著PLC進入過程控制的領(lǐng)域，對PLC可靠性的要求進一步提高。硬件冗余的容錯技術(shù)將進一步得到應用，不僅會有CPU單元冗余、通信單元冗余、電源單元冗余、I/0單元冗余、而且整個系統(tǒng)都會實現(xiàn)冗余。但從根本上來講，系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)各單元的可靠程度。要保證整個系統(tǒng)的可靠運行，首先要求系統(tǒng)各單元的質(zhì)量要得到保證。MTBF(平均無故障時間)是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標?？v觀各著名廠商，其PLC產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善?？刂葡到y(tǒng)分散化。根據(jù)分散控制、集中管理的原則，PLC控制系統(tǒng)的I/0模塊將直接安裝在控制現(xiàn)場，通過通信電纜或光纖與主CPU進行數(shù)據(jù)通信。這樣使控制更有效，系統(tǒng)更可靠。控制與管理功能一體化。為了滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制與管理的需要，PLC將廣泛采用計算機信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使PLC系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體。綜上所述，我們不難得出下面幾個結(jié)論：工控機、計算機集散控制系統(tǒng)及PLC正在走著一條相互融合的道路。系統(tǒng)的智能性將越來越重要，因此系統(tǒng)的分析運算能力將越來越強。智能分布式控制是可編程控制系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的新型控制思想。通用性、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統(tǒng)的新特征。1.4課題的主要研究內(nèi)容課題所研究的內(nèi)容主要是用可編程控制器(PLC)設(shè)計水廠虹吸刮泥機自動控制系統(tǒng)。針對老式虹吸刮泥機采用的繼電器邏輯控制方式存在功能差和工作壽命短等缺陷，提出采用功能強、故障率低、弱、故障少、可靠性高的可編程控制器(PLC)來控制刮泥機。論文的主要內(nèi)容如下：首先對虹吸刮泥機系統(tǒng)及可編程控制器（PLC）作了比較全面的總結(jié)和介紹。簡述了虹吸刮泥機的工藝流程，分析了自來水廠虹吸刮泥機過程對控制系統(tǒng)的控制要求，確定了虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)的總體控制方案，完成了可編程控制器（PLC）的選擇。然后，完成了PLC的選型，I/O點數(shù)分配，完成了虹吸刮泥機基于PLC控制的電氣接線圖。在分析虹吸刮泥機的軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計出了軟件流程圖，控制系統(tǒng)的梯形圖，編寫了程序。1.5本章小結(jié)本章闡述了課題的來源和意義，對常規(guī)繼電器和PLC作了分析和比較，提出了PLC控制虹吸刮泥機的優(yōu)點，也確定了本課題討論的主要內(nèi)容。第二章虹吸刮泥機設(shè)備介紹2.1刮泥機簡介沉淀池的排泥是運轉(zhuǎn)中的重要問題，它關(guān)系到沉淀池的正常運行。排泥設(shè)備有兩種，一種是穿孔排泥管，另一種是刮泥機。穿孔排泥是一種較為簡易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反應池，它是利用沉淀池的水壓力，做到無需停池排泥，簡單、方便。刮泥機是機械排泥的一種形式，它主要由電動機、變速箱、鋼桁架、軸流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等組成。它是原理也相當簡單，電動機拖動鋼桁架，桁架沿著導軌運動，刮泥板將池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口處，軸流泵將壓力水充滿虹吸管產(chǎn)生虹吸，虹吸管就能將池底的淤泥連續(xù)不斷地吸到池外了。由此得知，刮泥機是自來水廠制水工藝上的一種重要的電氣設(shè)備，其能否正常運行是直接影響到生產(chǎn)運作，影響到自來水廠自動化的正?？刂啤?.1.1刮泥機系統(tǒng)組成刮泥機刮泥機布置在水下，采用V型刮板，刮板高0.45m。為防止池底不平整和減少磨損，下襯10mm厚，400mm高橡膠板。刮泥機跨度約7米，車輪直徑D＝200mm。軌道高出池底15cm，滾輪中心距池底40cm，形成懸掛式刮泥機。這樣可使?jié)L輪軸套等離開泥漿區(qū)，減少泥砂進入[2]。如圖2.1水下滑輪和刮泥機車輪均采用滾動軸承裝置，為防止污泥進入軸承箱，采用石棉盤根密封裝置，見圖2.2。這樣，只需要五年更換一次軸承箱內(nèi)的潤滑油脂。鋼絲繩刮泥機通過鋼絲繩牽引，由于長期浸于水下，不宜采用鍍鋅鋼絲繩，因鍍鋅層出現(xiàn)裂紋時反而會由于雙金屬的電化學作用而加速腐蝕。故選用φ10mm不銹鋼鋼絲繩4根。但干、濕交替運行，腐蝕和溫度仍是其重要影響因素。慢動式卷揚機慢動式卷揚機兩臺，布置在池中部的走道平臺上，各臺傳動功率1.0Kw。在兩根鋼絲繩的牽引下，保持兩臺卷揚機同步，使兩端受力均勻，以防刮泥機出軌。2.1.2刮泥機的工作狀況刮泥機運行方向垂直于水流方向，行駛速度為0.8m/min。在沉淀池兩側(cè)沿池長方向布置集泥槽兩條。喇叭口吸泥管（DN250）放置槽中，穿孔排泥管與刮泥機聯(lián)動，當刮泥板將泥刮至集泥槽邊緣時，大量污泥擁入集泥槽，開啟快開排泥閥，將稀釋的泥水抽吸輸送至池外排泥渠。如圖2.3所示：1——一套刮泥機（池底軌道上）

2——四套水下導向滑輪組（與池壁預埋件定位）

3——四套水上導向張緊滑輪組（與池壁預埋件定位）

4——兩套卷筒裝置（池頂走道板上）

5——兩套減速電機（池頂走道板上）

6——四根不銹鋼鋼絲繩（連接刮泥機與卷揚筒）2.2虹吸刮泥機的工作原理2.2.1虹吸原理就是連通器的原理，加在密閉容器里液體上的壓強，處處都相等。而虹吸管里灌滿水，沒有氣，來水端水位高，出水口用手掌或其他物體封閉住。此時管內(nèi)壓強處處相等。一切安置好后，打開出水口，雖然兩邊的大氣壓相等，但是來水端的水位高，壓強大，推動來水不斷流出出水口。2.2.2虹吸刮泥機工作原理安裝在沉淀池上的刮泥機是采用虹吸進行吸泥的，故稱之為虹吸刮泥機。刮泥機主要由虹吸管、軸流泵、行走電動裝置、刮泥機體等主要部件組成。起動軸流泵抽水，水灌射入虹吸管，從另一端射出，從而產(chǎn)生虹吸吸力，慢慢地吸走虹吸管中的空氣，當虹吸管形成比較強的真空吸力后，就可以把沉積在沉淀池底的淤泥與水的混合物吸入虹吸管，排放到沉淀池外的排污溝，這個過程稱之為虹吸刮泥[3]。當虹吸形成之后，刮泥機開始向前運行吸泥，當刮泥機到達預定的行程之后，開始破壞虹吸，即打開破壞虹吸電磁閥，讓空氣進入虹吸管，破壞虹吸管內(nèi)的真空度，從而使虹吸管停止吸泥。當虹吸被破壞后，刮泥機往初始的方向返回，到初始位置后停止運行，就完成了一次的虹吸刮泥過程。2.3刮泥機控制方式虹吸刮泥機控制系統(tǒng)分手動和自動兩種控制方式。行程開關(guān)與卷揚機相連，自動控制其往復行程，并采用變頻調(diào)速控制速度。手動控制采用現(xiàn)場電控箱，進行開/?？刂疲蛔詣酉到y(tǒng)由微型計算機和PLC站組成，兩級分布式集中管理、分散控制的SCADA。PLC通過編制程序直接控制刮泥機運行，監(jiān)控計算機通過組太軟件可控制刮泥機運行，并對運行速度和時間等工藝參數(shù)進行實時顯示、記錄、存儲、分析、打印，并對事故狀態(tài)進行報警。2.4刮泥機常規(guī)操作2.4.1現(xiàn)場自動開刮泥機操作規(guī)范送上刮泥機的電源（電源燈亮）；將切換開關(guān)“程/點/運”切換到“運”狀態(tài)；用選擇開關(guān)“I/III/II”，選擇刮泥機的行程；點按“運行”按鈕，刮泥機自動刮泥。2.4.2手動方式開刮泥機操作送上刮泥機的電源（電源燈亮）；將切換開關(guān)“程/點/運”切換到“點”狀態(tài)；用選擇開關(guān)“I/III/II，選擇刮泥機的行程；按住“開虹吸泵”按鈕，開啟虹吸泵，直到真空表為-0.035MPa時止；虹吸形成后，按住“行車向前”按鈕，使刮泥機向前刮泥；刮泥完成后，按住“破壞虹吸”按鈕，破壞虹吸；按住“行車后退”按鈕，使刮泥機返回到原位。2.5本章小結(jié)簡述了刮泥機系統(tǒng)的組成和虹吸刮泥機的工作原理，介紹了刮泥機的控制方式和操作規(guī)范。第三章PLC基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹3.1PLC基本工作原理PLC雖然具有微機的許多優(yōu)點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式，有鍵按下或I/O動作則轉(zhuǎn)入相應的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。這個工作過程分為五個階段:自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新[4]。其工作過程框圖如圖3.1所示。圖3.1PLC的工作過程框圖每次掃描用戶程序之一前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為I/0部分、存儲器、CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。PLC檢查是否有與編程器和計算機的通信請求，若有則進行相應處理，如接收編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。如果有與計算機等的通信請求，也在這段時間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務。PLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。中央處理器CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài)(這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù))進行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進行邏輯、算術(shù)運算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。當所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。PLC經(jīng)過這五個階段的工作過程，稱為一個掃描周期，完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復始地進行。PLC與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按并行方式工作的，也就是說是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電器同時動作，而PLC是以反復掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說PLC是以串行方式工作。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點競爭和時序失配的問題。3.2PLC的一般結(jié)構(gòu)用可編程控制器實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，而輸入輸出變換實際上就是信息處理。物理實現(xiàn)要求PLC的輸入應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，而輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O系統(tǒng)電路專門設(shè)計。根據(jù)PLC實施控制的基本點的分析，PLC采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要是CPU,RAM,ROM和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成[5]。如圖3.2所示。圖3.2PLC的一般結(jié)構(gòu)圖中央處理機中央處理機是PLC的大腦，它由中央處理器(CPU)組成。中央處理器(CPU)一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出(VO)接口電路相連接。存儲器存儲器是具有一記憶功能的半導體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，這些程序是由PLC制造廠家用相應CPU的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM中。用戶程序存儲器用來存放由編程器或計算機輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過編程器或計算機修改或增刪。輸入接口電路現(xiàn)場輸入接口電路一般有光電禍合電路和微電腦輸入接口電路組成。光耦合電路：由于輸入和輸出端是靠光信號禍合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號不會反饋到輸入端，也不會產(chǎn)生地線干擾或其它串擾。同時，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于PLC在現(xiàn)場信號的輸入環(huán)節(jié)采用了光電耦合，因而增強了抗干擾能力。微電腦輸入接口電路：它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一個芯片上。現(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合送到數(shù)據(jù)寄存器，然后通過數(shù)據(jù)總線送給CPU。輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。微電腦輸出接口電路：一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成而成。CPU通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。功率放大電路：是為了適應工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。除了上面介紹的幾個主要部件外，PLC還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計算機、打印機、錄音機以及A/D,D/A串行通信模塊等，可以方便地用電纜進行連接。3.3PLC模塊化結(jié)構(gòu)分析可編程控制器都采用模塊化設(shè)計，模塊化可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)。即把CPU、信號的采集和輸出都做成一個一個相對獨立的模塊，模塊之間需要用機架將各模塊聯(lián)乘整體。一個PLC系統(tǒng)可包括以下幾種模塊類型：電源模塊現(xiàn)代PLC一般都配有開關(guān)式穩(wěn)定電源，可供內(nèi)部電路使用，也有一部分電源還可以向外提供24V的直流電源，給開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關(guān)使用，或給外部傳感器供電，應當說明的是，要用多大功率的電源是根據(jù)內(nèi)部電路和外部供電的電流數(shù)之和來決定的。即先確定模塊的個數(shù)和種類，也就確定它們所消耗的電流之和，從而才能確定使用什么樣的電源。中央處理器模塊CPU板是整個PLC的中央處理單元，是PLC的運算控制中心。CPU板由微處理器、存儲器、系統(tǒng)控制電路、I/O控制接口電路、編程器接口及通信接口電路組成，其中存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用于存放PLC的系統(tǒng)程序和系統(tǒng)工作的參數(shù)。用戶存儲器用于存放用戶編制的程序和工作數(shù)據(jù)。通訊處理器（CP）模塊當今較為先進的PLC的結(jié)構(gòu)基本上都是屬于總線型結(jié)構(gòu)。即無論是上位機還是下位機都被看作總線上一個一個處理單元。它們都是通過通信處理器串聯(lián)在總線上的。總線的大量數(shù)據(jù)都是通過通信處理器來進行通信。信號模塊實際生產(chǎn)中的信號電平是多種多樣的。而可編程控制器的CPU所處理的只能是標準電平，正式通過I/O接口實現(xiàn)了這種信號電平的轉(zhuǎn)換。擴展模板用于中央控制器和擴展單元的連接。為了便于以后的擴展，還提供通訊接，口存儲接口，編程接口。當用戶所需要的I/O點數(shù)或類型超出主機上的點或類型時，可以通過加接I/O擴展單元來解決。主機與I/O擴展單元是通過擴展口連接的。編程接口PLC的設(shè)定以及監(jiān)視控制處理程序的編寫一般都由一臺編程計算機(PG)來完成。所謂的編程實際上既可以是一臺單獨的計算機，也可以是上位機。但它們都有一個相同的特點，就是裝有PLC的編程組態(tài)軟件。所有的組態(tài)和PLC的編程都是由編程計算機來處理，然后通過編程接口下載到PLC中去。編程計算機也可以通過編程接口讀出下位機的組態(tài)數(shù)據(jù)和程序。3.4PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則任何一種電器控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：最大限度地滿足被控對象的控制要求[6]，設(shè)計前應深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料，并與工藝的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定控制方案。在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單,經(jīng)濟,使用和維修方便。保證控制系統(tǒng)的安全與可靠。考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進,在選擇PLC容量時,應適當留有裕量。3.5PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如圖3.3所示：確定用戶I/O設(shè)備確定用戶I/O設(shè)備選擇PLC分配I/O，設(shè)計I/O連接圖繪制流程圖設(shè)計控制臺設(shè)計梯形圖調(diào)試現(xiàn)場連線修改聯(lián)機調(diào)試滿足要求YESNONOPLC程序設(shè)計YES編制技術(shù)文件交付使用圖3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟工藝流程分析控制要求滿足要求NO在編寫和實現(xiàn)一個控制方案時，組織是關(guān)鍵。項目越大，組織工作越多，尤其當多人參與編程時，更要注意各方面的規(guī)劃，對于具體的控制功能，解決問題的方法有很多種，但是如果以系統(tǒng)方式完成應用程序，出錯的可能性就會減少。所以，設(shè)計好系統(tǒng)的步驟是很重要的。步驟如下所示：分析被控對象并提出控制要求詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務書。確定輸入／輸出設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇.分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路分配I/O點畫出PLC的I/O點與輸入／輸出設(shè)備的連接圖或?qū)P(guān)系表，該部分也可在第２步中進行。設(shè)計PLC外圍硬件線路畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。程序設(shè)計程序設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。除此之外，程序通常還應包括以下內(nèi)容：初始化程序。在PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生錯誤動作,初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復，對某些繼電器進行置位或復位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等.檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂.程序模擬調(diào)試程序模擬調(diào)試的基本思想是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式.硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺PLC或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。軟件模擬法是在PLC中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。硬件實施硬件實施方面主要是進行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。主要內(nèi)容有：設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖。設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖。根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細檢查。聯(lián)機調(diào)試聯(lián)機調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進一步進行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機調(diào)試過程應循序漸進，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可整理和編寫技術(shù)文獻技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。3.6提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施雖然PLC具有很高的可靠性，并且有很強的抗干擾能力，但在過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當?shù)惹闆r下，都有可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞而導致控制混亂，甚至造成內(nèi)部元件損壞。為了提高PLC系統(tǒng)運行的可靠性，使用時應注意以下幾個方面的問題。適合的工作環(huán)境環(huán)境溫度適宜。各生產(chǎn)廠家對PLC的環(huán)境溫度都有一定的規(guī)定。通常PLC允許的環(huán)境溫度約在0~55°C。因此，安裝時不要把發(fā)熱量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足夠的通風散熱空間；不要把PLC安裝在陽光直接照射或離暖氣、加熱器、大功率電源等發(fā)熱器件很近的場所；安裝PLC的控制柜最好有通風的百葉窗，如果控制柜溫度太高，應該在柜內(nèi)安裝風扇強迫通風。注意環(huán)境污染。不宜把PLC安裝在有大量污染物（如灰塵、油煙、鐵粉等）、腐燭性氣體和可燃性氣體的場所，尤其是有腐蝕性氣體的地方，易造成元件及印刷線路板的腐蝕。如果只能安裝在這種場所，在溫度允許的條件下，可以將PLC封閉；或?qū)LC安裝在密閉性較高的控制室內(nèi)，并安裝空氣凈化裝置。遠離振動和沖擊源。安裝PLC的控制柜應當遠離有強烈振動和沖擊場所，尤其是連續(xù)、頻繁的振動。必要時可以采取相應措施來減輕振動和沖擊的影響，以免造成接線或插件的松動。遠離強干擾源。PLC應遠離強干擾源，如大功率晶閘管裝置、高頻設(shè)備和大型動力設(shè)備等，同時PLC還應該遠離強電磁場和強放射源，以及易產(chǎn)生強靜電的地方。合理的安裝與布線注意電源安裝。電源是干擾進入PLC的主要途徑。PLC系統(tǒng)的電源有兩類：外部電源和內(nèi)部電源。外部電源是用來驅(qū)動PLC輸出設(shè)備(負載)和提供輸入信號的，外部電源的容量與性能由輸出設(shè)備和PLC的輸入電路決定。由于PLC的I／O電路都具有濾波、隔離功能，所以外部電源對PLC性能影響不大[7]。因此，對外部電源的要求不高。內(nèi)部電源是PLC的工作電源，即PLC內(nèi)部電路的工作電源。它的性能好壞直接影響到PLC的可靠性。因此，為了保證PLC的正常工作，對內(nèi)部電源有較高的要求。一般PLC的內(nèi)部電源都采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源或原邊帶低通濾波器的穩(wěn)壓電源。在干擾較強或可靠性要求較高的場合，應該用帶屏蔽層的隔離變壓器，對PLC系統(tǒng)供電。還可以在隔離變壓器二次側(cè)串接LC濾波電路。同時，在安裝時還應注意以下問題：隔離變壓器與PLC和I/O電源之間最好采用雙絞線連接，以控制串模干擾；系統(tǒng)的動力線應足夠粗，以降低大容量設(shè)備起動時引起的線路壓降；PLC輸入電路用外接直流電源時，最好采用穩(wěn)壓電源，以保證正確的輸入信號。否則可能使PLC接收到錯誤的信號。遠離高壓。PLC不能在高壓電器和高壓電源線附近安裝，更不能與高壓電器安裝在同一個控制柜內(nèi)。在柜內(nèi)PLC應遠離高壓電源線，二者間距離應大于200mm。合理的布線。I/O線、動力線及其它控制線應分開走線，盡量不要在同一線槽中布線。交流線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線。開關(guān)量與模擬量的Ｉ/Ｏ線最好分開走線，對于傳送模擬量信號的Ｉ/Ｏ線最好用屏蔽線，且屏蔽線的屏敝層應一端接地。PLC的基本單元與擴展單元之間電纜傳送的信號小、頻率高，很容易受干擾，不能與其它的連線敷埋在同一線槽內(nèi)。PLC的I/O回路配線，必須使用壓接端子或單股線，不宜用多股絞合線直接與PLC的接線端于連接，否則容易出現(xiàn)火花。正確的接地。良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制干擾，PLC一般最好單獨接地，與其它設(shè)備分別使用各自的接地裝置，也可以采用公共接地。PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。必須的安全保護環(huán)節(jié)短路保護。當PLC輸出設(shè)備短路時，為了避免PLC內(nèi)部輸出元件損壞，應該在PLC外部輸出回路中裝上熔斷器，進行短路保護。最好在每個負載的回路中都裝上熔斷器?；ユi與聯(lián)鎖措施。除在程序中保證電路的互鎖關(guān)系，PLC外部接線中還應該采取硬件的互鎖措施，以確保系統(tǒng)安全可靠地運行，如電動機正、反轉(zhuǎn)控制，要利用接觸器KM1、KM2常閉觸點在PLC外部進行互鎖。在不同電機或電器之間有聯(lián)鎖要求時，最好也在PLC外部進行硬件聯(lián)鎖。采用PLC外部的硬件進行互鎖與聯(lián)鎖，這是PLC控制系統(tǒng)中常用的做法失壓保護與緊急停車措施。必要的軟件措施有時硬件措施不一定完全消除干擾的影響，采用一定的軟件措施加以配合，對提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性起到很好的作用。消除開關(guān)量輸入信號抖動。在實際應用中，有些開關(guān)輸入信號接通時，由于外界的干擾而出現(xiàn)時通時斷的“抖動”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在繼電器系統(tǒng)中由于繼電器的電磁慣性一般不會造成什么影響，但在PLC系統(tǒng)中，由于PLC掃描工作的速度快，掃描周期比實際繼電器的動作時間短得多，所以抖動信號就可能被PLC檢測到，從而造成錯誤的結(jié)果。因此，必須對某些“抖動”信號進行處理，以保證系統(tǒng)正常工作。故障的檢測與診斷。PLC的可靠性很高且本身有很完善的自診斷功能，如果PLC出現(xiàn)故障，借助自診斷程序可以方便地找到故障的原因，排除后就可以恢復正常工作[8]。3.7本章小結(jié)本章介紹了PLC的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，也闡述了PLC系統(tǒng)設(shè)計的原則、步驟，另外講述了PLC系統(tǒng)可靠性的提高。第四章虹吸刮泥機系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計4.1水廠的工藝流程水廠水處理基本過程如下圖4.1所示：水庫水庫調(diào)節(jié)水庫混合槽折板反應池平流沉淀池濾池源水回收水排淤系統(tǒng)后投氯點清水池吸水井清水泵城市供水管網(wǎng)wang網(wǎng)出廠水投礬點前投氯點水廠圖4.1水廠工藝流程圖水廠的源水通過干渠輸送到水廠。源水進入廠區(qū)后，先進行前加氯，接著進入凈水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是水廠的核心部分，由凈水構(gòu)筑物及投加系統(tǒng)組成。凈水構(gòu)筑物指的是反應池、沉淀池、濾池、清水池等一系列的工藝水池；而凈水處理所需投放的凈水劑及其投放設(shè)備、控制系統(tǒng)構(gòu)成了水廠投加系統(tǒng)的主體。從工藝流程上看，凈水處理通常包括澄清和消毒兩大部分。澄清的重要流程為：在源水中投入適量的混凝劑，在混合槽中經(jīng)過快速攪拌后，混合了混凝劑的水進入折板反應池，水中均勻分布的雜質(zhì)顆粒逐步凝結(jié)形成較大的、易于沉降的顆粒，顆粒經(jīng)過沉淀池時，被沉淀、收集、排除。這一過程使渾濁的河水變成較清澈的待濾水。待濾水進入濾池后，殘余的雜質(zhì)顆粒被過濾掉，過濾后的水隨即進入消毒流程，即投加適量的消毒劑，用以殺滅水中的細菌，并使自來水出廠后仍保留一定的消毒能力。成品水進入清水池后，最后經(jīng)吸水井由清水泵房的泵機加壓進入城市供水管網(wǎng)，則可以飲用。4.1.1平流沉淀池平流式沉淀池的表面為矩形水池，如圖4.2所示。其上部為沉淀區(qū)，下部為污泥區(qū)，原水經(jīng)混凝過后的水從前部的進水區(qū)進入沉淀池，緩緩向前流動，固體懸浮物(礬花)慢慢地沉到池底，最后從出水區(qū)流出，利用重力達到固液分離的效果[9]。圖4.2平流式沉淀池立面圖一般來說，為了達到較好的沉淀效果，給水處理廠沉淀池一般都會采用整流措施，使得整個沉淀池內(nèi)的水流流動平穩(wěn)以有利于沉淀。如圖2中的穿孔花墻，以便水流能在進入時在整個截面上均勻分布，達到整流的目的。平流式沉淀池多用混凝土筑造，也可用磚石圬工結(jié)構(gòu)，或用磚石襯砌的土池。平流式沉淀池構(gòu)造簡單，沉淀效果好，工作性能穩(wěn)定，使用廣泛，但占地面積較大。若加設(shè)刮泥機或?qū)Ρ戎剌^大沉渣采用機械排除，可提高沉淀池工作效率。4.1.2平流沉淀池的排泥沉淀過程是大量去除水中懸浮物和雜質(zhì)的重要過程。沉淀過程的好壞直接關(guān)系到整個水處理工藝的優(yōu)劣。沉淀過后出水濁度的高低，對后續(xù)進行的過濾過程影響很大，沉淀過后出水濁度較大將加重過濾的負荷，導致經(jīng)濟成本的提高和出水效果的不理想;若沉淀效果良好，大量的懸浮物和雜質(zhì)在沉淀中被去除，這樣就能提高出水質(zhì)量，降低成本。沉淀所積累的污泥需要連續(xù)或定期被排出池外。所以沉淀池的排泥是運轉(zhuǎn)中的重要問題，它關(guān)系到沉淀池的正常運行。排泥設(shè)備有兩種，一種是穿孔排泥管，另一種是刮泥機。穿孔排泥是一種較為簡易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反應池，和沉淀池的進口處。它是利用沉淀池的水壓力，做到無需停池排泥，簡單、方便。刮泥機是機械排泥的一種形式，它主要由電動機、變速箱、鋼桁架、軸流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等組成。它是原理也相當簡單，電動機拖動鋼桁架，桁架沿著導軌運動，刮泥板將池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口處，軸流泵將壓力水充滿虹吸管產(chǎn)生虹吸，虹吸管就能將池底的淤泥連續(xù)不斷地吸到池外了[9]。4.2虹吸刮泥機的控制要求虹吸刮泥機控制系統(tǒng)分手動和自動兩種控制方式。行程開關(guān)與卷揚機相連，自動控制其往復行程，并采用變頻調(diào)速控制速度。手動控制采用現(xiàn)場電控箱，進行開/停控制；自動系統(tǒng)由微型計算機和PLC站組成，兩級分布式集中管理、分散控制的SCADA。PLC通過編制程序直接控制刮泥機運行，監(jiān)控計算機通過組太軟件可控制刮泥機運行，并對運行速度和時間等工藝參數(shù)進行實時顯示、記錄、存儲、分析、打印，并對事故狀態(tài)進行報警。具體控制如下：刮泥機實現(xiàn)手動/自動兩種控制方式的切換；以硬接點的形式向遠方監(jiān)視系統(tǒng)傳送刮泥機的運行狀態(tài)以及故障信號；虹吸刮泥機系統(tǒng)自診斷功能，包括PLC本身；故障提示報警功能，實現(xiàn)故障停機；運行行程的控制和定時工作功能。4.3虹吸刮泥機系統(tǒng)總體方案確定虹吸刮泥機系統(tǒng)設(shè)計需要考慮幾個方面：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠；操作簡單，維護方便；運行經(jīng)濟節(jié)能，維護費用低；性價比高；適應以后發(fā)展的需要?；谝陨系目紤]，和系統(tǒng)本身的控制要求，決定采用本自控系統(tǒng)采用了PC+PLC模式?？删幊绦蚩刂破鱌LC具有可靠、靈活、功能齊全等優(yōu)點，適用于包含邏輯控制、順序控制和批處理控制等許多復雜算法的系統(tǒng)。PLC主要任務是進行運行過程數(shù)據(jù)的采集及處理。它通過相應的模擬量，開關(guān)量通過輸入卡采集一次儀表以及反應各類執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)的電信號數(shù)據(jù)，并對其中的一些數(shù)據(jù)進行處理，一方面將數(shù)據(jù)通過自身的通訊借接口上傳到本站的PC機，另一方面將有關(guān)數(shù)據(jù)通過相應的模擬量，開關(guān)量輸出卡傳送到個執(zhí)行機構(gòu)，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。上位PC機的主要任務是借助于組態(tài)軟件和PLC內(nèi)的控制程序完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析和計算功能，保證和維持執(zhí)行級中各個PLC的正常運行，從而實現(xiàn)對工藝工程的連鎖保護及整個運行過程的控制。4.4本章小結(jié)本章介紹了水廠工藝過程，提出了虹吸刮泥機系統(tǒng)控制要求，確定了虹吸刮泥機系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。第五章虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計5.1PLC控制系統(tǒng)I/O點數(shù)的確定根據(jù)前面對虹吸刮泥機的工作狀況和設(shè)備對PLC控制系統(tǒng)要求的分析，確定出虹吸刮泥機PLC控制系統(tǒng)所需I/O點數(shù)，下面是統(tǒng)計結(jié)果：數(shù)字量輸入控制點數(shù)（即DI點數(shù)）為：9數(shù)字量輸出控制點（DO點數(shù)）為：5數(shù)字量輸入控制信號分別為：啟動開機信號；虹吸已被破壞信號；虹吸已形成信號；前進到位信號；后退到位信號；刮泥機故障信號；預設(shè)1/3行程信號；預設(shè)2/3行程信號；現(xiàn)場PLC自動控制信號。數(shù)字輸出命令分別為：虹吸形成命令；刮泥機后退命令；刮泥機前進命令；開虹吸泵命令；破壞虹吸命令。5.2PLC的選擇PLC是虹吸刮泥控制系統(tǒng)的核心，PLC的選擇十分重要。PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有不同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標起著重要作用。PLC的選擇應包括機型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等幾個方面。5.2.1機型選擇機型選擇的基本原則應是在功能滿足要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳的性價比。結(jié)構(gòu)合理：對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好(維修量較小)的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)PLC；其他情況則選用模塊式結(jié)構(gòu)PLC。功能、規(guī)模相當：對于開關(guān)量控制的工程項目，對其控制速度無須考慮，一般的低檔機就能滿足要求；對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的工程項目，可選用帶A/D,D/A轉(zhuǎn)換，加減運算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機;對于控制比較復雜，控制功能要求更高的工程項目，例如要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等?？梢暱刂埔?guī)模及復雜的程度，選用中檔或高檔機，其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等。機型統(tǒng)一：作為大型企業(yè)，應盡量做到機型統(tǒng)一。因為同一機型的PLC，其模塊可互為備用，便于備件的采購和管理;其功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)力量的培一訓、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā);其外部設(shè)備通用，資源可共享，配以上位計算機后，可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺PLC聯(lián)成一個多級分布式控制系統(tǒng)，相互通訊，集中管理。是否在線編程：當被控設(shè)備的工藝過程改變時，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)帶來很大方便。對于產(chǎn)品定型的設(shè)備和工藝不常變動的設(shè)備，應選用離線編程的PLC，反之，可考慮選用在線編程的PLC。5.2.2系統(tǒng)容量PLC的容量指用戶存貯器的存貯容量(字數(shù))和I/0點數(shù)兩方面的含義。在選擇存貯容量時，一般按實際需要的25%考慮裕量，I/0點數(shù)可按實際需要的10%-15%考慮裕量。5.2.3I/0模塊不同的I/0模塊的電路和性能不同，它直接影響著PLC的應用范圍和價格，應該根據(jù)實際情況合理選擇。輸入模塊的作用是接收現(xiàn)場的輸入信號，并將輸入的高電平信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部的低電平信號。選擇輸入模塊應注意：(1)電壓的選擇：應根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備與模塊之間的距離來考慮。一般5V，12V，24V屬低電平，其傳輸距離不宜太遠。如5v模塊最遠不得超過l0m(2)同時接通的點數(shù)：高密度的輸入模塊，如32點、64點，同時接通的點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超過輸入點數(shù)的60%。(3)門檻電平：為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也就越遠。輸出模塊的作用是將PLC的輸出信號傳遞給外部負載，并將PLC內(nèi)部的低電平信號轉(zhuǎn)換為外部所需電平的輸出信號。輸出模塊按輸出方式不同分為繼電器輸出、晶體管輸出及雙向可控硅輸出3種。此外，輸出電壓和輸出電流也各有不同。選擇輸出模塊應注意：(1)輸出方式的選擇：繼電器輸出的價格便宜，適用電壓范圍較寬，導通壓降小。但它原有觸點元件，其動作速度較慢，壽命較短，因此適用于不頻繁通斷的負載。當驅(qū)動感性負載時其最大通斷頻率不得超過1Hz。對于頻繁通斷的低功率因數(shù)的電感負載，應采用無觸點開關(guān)元件，即選用晶體管輸出(直流輸出)或雙向可控硅輸出(交流輸出)。(2)輸出電流：電流的規(guī)格很多，輸出模塊的輸出電流必須大于負載電流的額定值。模塊輸出應根據(jù)實際負載電流的大小選擇模塊的輸出電流。(3)同時接通的點數(shù)：端所允許通過的電流值。輸出模塊同時接通點數(shù)的是電流累計值必須小于公共一般來講，同時接通的點數(shù)不要超過輸出點數(shù)的60%。5.2.4電源模塊電源模塊的選擇主要考慮輸出電流的大小。電源模塊的額定輸出電流必須大于CPU模塊、I/0模塊、專用模塊等消耗電流的總和。5.3西門子S7-200系列PLC簡介SIMATICS7-200系列可編程序控制器(PLC)是德國西門子公司的產(chǎn)品，是SIMATICS7家族中的小型可編程序控制器，S7-200憑借其強大的組網(wǎng)能力、友好易用的編程軟件、極高的性價比和不斷的創(chuàng)新成為市場上眾多小型可編程序控制器的領(lǐng)跑者。5.3.1西門子S7-200系列PLC的特點小型機身，占用空間小，有豐富的擴展模塊。可靠性高：以微處理器為核心，結(jié)構(gòu)緊湊，采用光電隔離等措施，抗干擾能力強，輸入輸出獨立于控制單元，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。響應速度快：它的指令處理周期短、減少了循環(huán)時間，它的高速高數(shù)計數(shù)器、高速中斷器可以分別響應過程事件。靈活性高[10]：它的模塊結(jié)構(gòu)可用于各種性能的擴展，脈沖輸出可控制步進電機和直流電機，豐富的指令集可以快速方便地解決復雜的任務。功能強大：它具有點對點接口(PPI)可連接編程設(shè)備、操作員界面和串行設(shè)備接口，具有用戶友好的STEP7編程軟件和功能極強的編程器，方便了編程和組網(wǎng)。便于調(diào)試維護：有豐富的指令集和內(nèi)置集成功能，可以在線編程調(diào)試，對于較復雜的故障，可以用PC機在線檢測PLC的運行狀態(tài)，從而查出故障的原因。對于外部輸入輸出，在PLC上都有相應的顯示，只要PLC上的對應I/0指示燈，即可知道輸入輸出的狀態(tài)。5.3.2S7-200系列PLC擴展模塊和TD200[11]S7-200系列PLC提供了一系列豐富的擴展模塊，有數(shù)字量擴展模塊EM221，EM222和EM223；模擬量擴展模塊EM231,EM232和EM235；測溫模塊EM231熱電阻模塊和EM231熱電偶模塊；PROFIBUS-DP模塊EM277；AS-i接口模塊CP243.2等。TD200文本顯示器是所有SIMATICS7-200系列操作員界面問題的最佳解決方法。TD200可用于顯示信息、在控制系統(tǒng)中起設(shè)定和修正參數(shù)等。目前西門子公司又推出了新一代TD200C產(chǎn)品，增加了一些功能。5.3.3SIMATICS7-200的主要功能S7-200提供了多種功能，使得編程控制時更加靈活方便：執(zhí)行指令速度高。CPU214執(zhí)行每條二進制指令時間僅為0.81μs。豐富的指