恒压供水系统的PLC控制设计48397.docx

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恒压供水系统的PLC控制设计48397

山东技师学院

毕业论文

题目

恒压供水系统的PLC控制设计

学生姓名

丁霄

学号

097610131

系部

电气工程系

专业

机电一体化

班级

技师机电091

指导教师

程厚强

二〇一一年十月

摘要

本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。

从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。

恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字:

PLC；恒压供水；变频器

第一章恒压供水原理及工艺

1.1任务

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。

以方便要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。

针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。

恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。

恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

1.2工艺要求

对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：

（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；

（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；

（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；

（4）三台泵在启动时要又软启动功能；

1.3系统的组成和基本工作原理

以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。

水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。

为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。

生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。

火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。

第二章PLC概述

2.1PLC组成

2.1.1PLC的控制机制

PLC已经完全取代继电器控制系统。

只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。

I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。

但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。

在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。

同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。

这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。

主要体现在：

一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。

PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。

具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：

Y（n）=f（x（n-1）,y（n-1））

式中，Y（n）为某一时间段的输出值；

Y（n-1）为上一时间段的输出值；

X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值；

F为他们应满足的控制关系。

即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。

至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。

真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。

这样只要时间段足够短，并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。

由于采用集中I/O的思想，其I/O状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。

如图1所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。

其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。

（1）输入寄存器

输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。

CUP可以读其值，但是不可以写或进行修改。

（2）输出寄存器

输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。

只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。

（3）存储器

存储器分为系统存储器和用户存储器。

系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。

用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。

（4）CUP单元

CUP单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。

（5）其他单元接口

其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件

2.2PLC工作原理

2.2.1循环扫描

CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。

CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP自诊断测试及写输出等等内容。

PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。

他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。

用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。

典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。

（1）自诊断测试扫描过程。

为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障，PLC都具有自监视功能。

（2）与网络进行通讯的扫描过程。

一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程，这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。

（3）用户程序扫描过程。

机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。

该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进行设定。

用户程序的长短会影响过程所用的时间。

（4）读输入、写输出扫描过程。

机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。

该过程在机器运行中是否被执行是可控的。

CUP在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映象寄存器：

一个为输入映象寄存器，另一个为输出映象寄存器。

用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。

在输入扫描过程中，CUP把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器：

在输出扫描过程中CUP把输出映像寄存器的值的输出点。

循环扫描有如下特点：

（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。

（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CUP采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。

（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。

（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。

在读输入阶段，CUP对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。

紧接着转入用户程序执行阶段，CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。

在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。

输入/输出采用映象寄存器的优点：

（1）集中采用I/O，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统一输出。

输出端子

图2—2PLC信号的传递过程

这种集中I/O的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更加稳定可靠。

（2）程序执行时，存取映象寄存器要比读写I/O端点快的多，这样可以加快程序执行速度。

（3）I/O点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取，增加了程序的灵活性。

2.2.2I/O响应时间

由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。

扫描周期越长，滞后现象越严重。

响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。

（1）PLC输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。

输入延迟是由硬件决定的，有的PLC滤波器时间常数可调。

（2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。

它也是由硬件决定的，对于不同信号的PLC可以通过查表得到。

（3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。

在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间，称为最小I/O响应时间。

在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最大I/O响应时间。

它们是由PLC的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。

2.2.3PLC中的存储器

PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。

（1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。

（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。

（3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。

2.3PLC的编程语言

PLC的硬件系统中，与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。

计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。

PLC和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用的存储元件。

这就是前面提到过的编程的“软”元件。

为了理解方便，PLC的编程元件用“继电器”命名，认为它们象继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。

当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置1，线圈失电，不过就是存储单元置0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。

但是这种“软”继电器也有个突出的好处，可以认为它们具有无数多对