双恒压供水大成PLC程序.docx
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双恒压供水大成PLC程序
摘 要
该设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。
从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。
以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。
在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
智能水压控制系统的基本控制策略是：
采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制,完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
双恒压供水系统的目的和研究意义
双恒压供水系统的目的
长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
水塔供水，压力无法真正满足高峰期应用，往往是低层有水，高层水出不来。
水塔供水，水塔因为在高楼顶，必须定时清洗水塔！
存在二次污染！
市政管网经过二次加压，虽然满足了压力要求，但压力控制能力无法达到预期要求，经常发生过压和欠压等控制瓶颈问题！
变频调速技术在给水泵站的应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。
在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统更稳定水压、维护运行成本低等明显优势。
变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。
变频器的频率上限信号，适时通知PLC进行变频泵逻辑加泵，变频器的频率下限信号，适时通知PLC进行变频泵逻辑减泵。
智能仪表将压力进行分析显示，并且，当压力超过仪表设定上限压力时，报警输出，变频停机，等待压力降到仪表设定值，变频再次唤醒启动。
当压力小于仪表设定的下限压力时，报欠压，系统停机。
，恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式：
在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。
当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电（不通过变频器供电）。
变频器则另外启动一台并联泵投入工作。
随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。
双恒压供水系统研究意义
1.节能,可以实现节电20%-40%,能实现绿色用电.
2.占地面积小,投入少,效率高.
3.配置灵活,自动化程度高,功能齐全,灵活可靠.
4.运行合理,由于是软起和软停,不但可以消除水锤效应,
而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小,减少了维修量和维修费用,
并且水泵的寿命大大提高.
5.由于变频恒压调速直接从水源供水,减少了原有供水方式的二次污染,
防止了很多传染疾病的传染源头.
2.变频调速恒压供水的主要应用场合
1,高层建筑,城乡居民小区,企事业等生活用水;
2,各类工业需要恒压控制的用水,冷却水循环,热力网水循环,锅炉补水等;
3,中央空调系统;
4,自来水厂增压系统;
5,农田灌溉,污水处理,人造喷泉;
6,各种流体恒压控制系统.
第一章PLC的基础知识
1.1PLC概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到所有的控制领域。
现代社会要求制造业对市场需求迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。
为了满足这一需求，生产设备的控制系统必须具有极高的灵活性和可靠性，可编程控制器就顺应而生。
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：
（1）编程方便，可现场修改程序；
（2）维修方便，采用插件式结构；
（3）可靠性高于继电器控制装置；
（4）体积小于继电器控制盘；
（5）数据可直接送入管理计算机；
（6）成本可与继电器控制盘竞争；
（7）输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）
（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；
（9）扩展时原系统改变小；
（10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。
这就是著名的“GM十条”。
1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。
（ProgrammableLogicController,简称PLC）。
16位和32位微处理器的应用，使PLC得到了惊人的发展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。
PLC的定义
PLC一直在飞速发展中，很长时间后才有了一个比较明确的定义。
1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC作出的定义如下：
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械和生产过程。
而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
”
定义强调了PLC直接应用于工业环境。
定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，即计算机。
定义强调了PLC是用软件方式来实现“可编程”的。
PLC的特点
（1）.抗干扰能力强，可靠性高。
（2）.控制系统结构简单，通用性强。
（3）.编程方便，易于使用。
（4）.功能完善。
（5）.设计、施工、调试的周期短。
（6）.体积小、维护操作方便。
PLC的系统组成
主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
1.中央处理单元（CPU）
2.存储器
PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。
系统存储器用来存放由PLC厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。
系统程序包括三部分：
系统管理程序、用户指令解释程序以及标准程序模块与系统调用。
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。
用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。
用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON/OFF状态和数值、数据等。
PLC使用的存储器类型有三种：
（1）随机存取存储器（RAM）
（2）只读存储器（ROM）
（3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）
3.输入/输出单元
PLC的输入/输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。
输入/输出单元包括两部分：
一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。
（1）输入接口电路
通常PLC的输入接口电路的类型可以是直流、交流和交直流。
输入电路的电源（+24V）可由外部供给，有的也可以由PLC内部提供。
（2）输出接口电路
输出接口电路通常有三种类型：
继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
电源由外部提供，输出电流一般为0.5~2A，输出电流的额定值与负载的性质有关。
4.电源部分
PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。
5.扩展接口
6.通信接口
7.编程器
编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。
分简易型和智能型。
8.其他部件
1.2PLC的工作原理
1、PLC的工作方式
概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
PLC工作的全过程可分为三部分：
（1）上电处理（上电初始化）
（2）扫描过程
（3）出错处理
2、PLC工作过程的中心内容
当PLC正常工作时，它将不断重复上图中的扫描过程。
如果暂不考虑对远程I/O特殊模块和通信服务，扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”了。
这三个阶段是PLC工作过程的中心内容。
（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中。
此时，输入映像寄存器被刷新。
接着，进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号怎样变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。
（2）程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按从左到右、从上到下的顺序执行用户程序。
当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应的状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
因此，每一个元件（不包括输入继电器）的状态会随着程序执行过程而变化的。
（3）输出刷新阶段
在所有用户程序的指令执行完毕后,元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,最后经过输出端子驱动外部负载,实现控制命令的输出.
1.7PLC对输入/输出的处理原则
（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一扫描周期的输入刷新期间的接通和断开状态.
（2）程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他个各元件映像寄存器的内容.
（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果.
（4）输出锁存器中的数据,由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定.
（5）输出端子的接通和断开状态,由输出锁存器决定
.
第二章S7-200系列PLC的硬件系统及内部资源
2.1S7-200概述
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平。
特别是CPU22X系列，具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，易于组网和完成控制系统的设计更加简单。
S7系列PLC还有S7-300和S7-400系列，它们分别为中大型PLC，S7系列PLC的编程语言均使用STEP7编程语言。
S7-200系列是西门子公司前几年刚刚投入市场的小型PLC，可以单机运行，也可以进行输入/输出和功能模块的扩展。
它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有极丰富的指令集，性能价格比非常高，在各行各业中迅速推广，在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。
S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。
一个完整的系统组成：
（1）基本单元（主机）
（2）扩展单元
（3）特殊功能模块
（4）相关设备
（5）工业软件
2.2主机结构及性能特点
1、主机外形
S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。
CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。
2、CPU的主要特点和技术规范
S7-200PLC的电源电压有（20.4~28.8）VDC和（85~264）VAC两种,主机上还集成了24V直流电源,可以直接用于传感器和执行机构.它的输出类型有晶体管（DC）、继电器（DC/AC）两种输出方式。
它可以用普通端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，实现高速计数。
2路最大可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。
可以用主机上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实时更改程序运行中的一些参数，如定时器/计数器的设定值、过程量的控制参数等。
实时时钟可用于对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。
当主机的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时,就要进行I/O的扩展.
1.I/O扩展模块
典型的数字量输入/输出扩展模块有:
输入扩展模块EM221有两种:
8点DC输入、8点AC输入。
输出扩展模块EM222有三种：
8点DC晶体管输出，8点AC输出、8点继电器输出。
输入/输出混合扩展模块EM223有六种：
分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出；4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。
典型的特殊功能模块有：
（1）模拟量输入/输出扩展模块
模拟量输入扩展模块EM231有三种：
4路模拟量输入、2路热电阻输入和4路热电偶输入。
模拟量输出扩展模块EM232具有2路模拟量输出。
模拟量输入/输出扩展模块EM235具有4路模拟量输入/1路模拟量输出（占用2路输出地址）。
（2）特殊功能模块
功能模块有：
EM253位置控制模块、EM277PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块、CP243-2AS-i接口模块等。
CPU22X系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。
编址的方法是同种类型输入/输出的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。
1.软元件（软继电器）
用户使用的PLC中的每一个输入/输出、内部存储单元、定时器和计数器等都称为软元件。
各元件有其不同的功能，有固定的地址。
软元件的数量决定了可编程序控制器的规模和数据处理能力，每一种PLC的软元件是有限的。
软元件PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。
例如，输入继电器是由输入电路和输入映像寄存器构成；输出继电器是由输出电路和输出映像寄存器构成；定时器和计数器也都是由特定功能的寄存器构成。
它们都具有继电器特性，但没有机械性触点。
为了把这种元器件与传统电气控制电路中的继电器区别开来，就把它们称为软元件或软继电器。
这些软继电器的最大特点是其触点（包括常开触点和常闭触点）可以无限次使用，并且它们的寿命长。
编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。
每一种软元件都有一个地址与之相对应，软元件的地址编排采用区域号加区域内编号的方式。
例如：
输入/输出继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等，分别用I、Q、T、C、SM等来表示。
2.软元件介绍
（1）输入继电器（I）
输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接收外部的开关信号。
当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。
这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。
（2）输出继电器（Q）
输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。
当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，它可以作为控制外部负载的开关信号。
同时在程序中，其常开触点闭合，常闭触点断开。
这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。
（3）通用辅助继电器（M）
通用辅助继电器的作用和继电器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端子与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载。
它主要起逻辑控制作用。
（4）特殊继电器（SM）
有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，称为特殊继电器。
用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息，如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，利用这些信息实现一定的控制动作。
用户也可通过直接设置某些特殊继电器位来使设备实现某种功能。
例如：
SM0.1首次扫描为1，以后为0，常用来对程序进行初始化，属只读型；
SM1.2当机器执行数学运算的结果为负时，该位被置为1，属只读型。
SMB28和SMB29分别存储模拟调节器0和1的输入值，CPU每次扫描时更新该值，属只读型。
（5）变量存储器（V）
变量存储器用来存储变量。
它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。
在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。
（6）局部变量存储器（L）
局部变量存储器用来存储局部变量。
局部变量与全局变量十分相似，主要区别在于全局变量是全局有效的，而局部变量是局部有效的。
全局有效是指同一个变量可以被任何程序（包括主程序、子程序和中断程序）访问；而局部有效是指变量只和特定的程序相关联。
S7-200PLC提供64个字节的局部存储器，其中60个可以作暂时存储器或给子程序传递参数。
主程序、子程序和中断程序都有64个字节的局部存储器可以使用。
不同程序的局部存储器不能互相访问。
（7）顺序控制继电器（S）
（8）定时器（T）
定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。
电气自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。
定时器的工作与继电器接触器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触触点。
使用时要提前输入时间值。
当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从0开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预定值时，定时器触点动作，利用定时器的触点就可以得到控制所需的延时时间。
（9）计数器（C）
计数器用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。
使用时要提前输入它的设定值（计数的个数）。
当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。
（10）模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）
模拟量输入电路用以实现模拟量/数字量（A/D）之间的转换，而模拟量输出电路用以实现数字量/模拟量（D/A）之间的转换。
在模拟量输入/输出映像寄存器中，数字量的长度为1个字长（16位），且从偶数号字节进行编址来存取转换过的模拟量值，如0、2、4、6、8等。
编址内容包括元件名称、数据长度和起始字节的地址，如：
AIW6，AQW12等。
PLC对这两种寄存器的存取方式不同，模拟量输入寄存器只能进行读取操作，而对模拟量输出寄存器只能进行写入操作。
（11）高速计数器（HC）
高速计数器的工作原理与普通计数器基本相同，它用来累计比主机扫描速度更快的高速输入脉冲。
高速计数器的当前值是一个双字长（32位）的整数，切为只读值。
高速计数器的数量少，编址时只用名称HC和编号，如：
HC2。
（12）累加器（AC）
S7-200PLC提供了4个32位累加器，分别为AC0、AC1、AC2、AC3。
累加器（AC）是用来暂存数据的寄存器。
它可以用来存放数据如运算数据、中间数据和结果数据，也可用来向子程序传递参数，或从子程序返回参数。
使用时只表示出累加器的地址编号，如AC0。
累加器可以进行读、写两种操作。
累加器的可用长度为32位，数据长度可以是字节、字、双字，但实际应用时，数据长度取决于进出累加器的数据类型。
第三章PLC应用及使用中应注意的问题
3.1 安装与布线
●动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。
将PLC的IO线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，分开捆扎交流线、直流线，若条件允许，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。
●PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。
与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。
●PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。
模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10.
●交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。
输入接线
●输入接线一般不要太长。
但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。
●输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开。
●尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。
输出连接
●输出端接线分为独立输出和公共输出。
在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。
但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
●由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。
●采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。
●PLC的输出负载可能产生干扰，因此要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护，交流输出的阻容吸收电路，晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
3.2PLC应用中需要注意的问题
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，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，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。
因此在使用中应注意以下问题：
1.工作环境
（1）温度
PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，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10~55Hz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。
（5）电源
PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。
在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。
一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。
因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。
2.控制系统中干扰及其来源
现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。
因此必须知道现场干扰的源头。
（1）干扰源及一般分类
影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。
通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。
共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压叠加所形成。
共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏（这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因），这种共模干扰可为直流，亦可为交流。
差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量
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