小型船闸的PLC控制设计1.docx

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小型船闸的PLC控制设计1

小型船闸的PLC控制设计

1.引言……………………………………………………………………3

2.船闸控制系统设计……………………………………………………4

2.1.船闸主体结构……………………………………………………4

2.2.船闸的工作流程…………………………………………………4

2.3.plc功能模块说明………………………………………………5

2.4.plc系统的配置…………………………………………………5

2.5.船闸控制程序的外部接线图……………………………………8

2.6.船闸控制程序设计………………………………………………9

3.组态王………………………………………………………………13

3.1.组态王的介绍………………………………………………13

3.2.画面制作与设计…………………………………………14

4.总结与展望…………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………18

小型船闸PLC控制设计

[摘要]：

主要实现了用PLC实现小型船闸的自动控制，并给出了比较详细的系统设计过程，系统的配置，及程序运行的结构框图，及相应的程序，并介绍了船闸的结构与工作原理，对PLC船闸自动控制系统的完善具有重要意义。

[关键词]：

PLC船闸控制结构图自动报警

1、引言

近年新建船闸一般采用计算机控制技术．随着科学技术的不断发展．对船闸自动化水平的要求越来越高，PLC技术的迅猛发展让自动化控制又多了一个新的亮点，而船闸的PLC监控越来越广泛地被投入使用，它能使管理人员有效地对船闸的运行工况进行自动检测、优化控制和集成管理，从而达到安全、高效、满足社会需求的目标。

随着自动化技术的发展，这种研究将得到越来越广泛地应用，而且这种研究具有重要的实用价值，它对于保障河道通道的畅通，及人民的生产和生活具有十分重要的意义，顺应时代发展的要求。

本设计的目的就在于用PLC代替传统的继电器接触控制逻辑电路，充分利用PLC的优点实现小型船闸的自动控制。

在掌握PLC对船闸的功能控制的基础上，还对船闸运行发生故障时的报警与查询系统做了探讨。

2.船闸控制系统设计

2.1船闸的主体结构

船闸在物理建筑上分为闸室，临时工作闸门，上闸首工作闸门，上闸首输水阀门，下闸首工作闸门，下闸首输水阀门。

其主体结构的平面图如图1（未包括临时闸门）

图1

2.2船闸的工作流程

船闸的工作流程主要分为两个过程：

上行过程和下行过程。

上行过程：

当下游水位与闸室的水位一致后，下闸首的通行指示灯自动亮，下游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭下游闸门，打开上游阀门，此时闸室处于充水状态，等闸室水位与上游水位一致后，上闸首的通行指示灯自动亮，上游闸门打开，关上游阀门，船只离开闸室。

下行过程：

当上游水位与闸室的水位一致后，上闸首的通行指示灯自动亮，上游闸门打开，船只进入闸室，当船只全部进入闸室后，关闭上游闸门，打开下游阀门，此时闸室处于充水状态，等闸室水位与下游水位一致后，下闸首的通行指示灯自动亮，下游闸门打开，关下游阀门，船只离开闸室。

临时通行时的流程与上面流程基本一致。

2.3PLC功能模块说明

2.3.1CPU模块

CPU是PLC系统的控制中心，其主要功能是：

（1）将输入信号（船闸控制系统运行程序和数据）送到PLC中存储起来。

（2）检查电源、存储器、I/O的状态，诊断程序的语法错误。

（3）按存放的先后顺序取出程序，进行编译。

（4）完成用户程序规定的各种操作[5]。

2.3.2电源模块

利用开关稳压电源为内部电路供电。

开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效益高、抗干扰性能好。

2.3.3开关量的数据采集模块

PLC对船闸运行过程中的各种开关量进行实时采集，并将一些特殊规定的重要参量传送至上位微机。

在开关量的输入变化时，据其变化的性质，及时作出判断、从而进行正常的动作处理、事故处理。

2.4PLC系统的配置

根据系统的控制要求，结合教学实验仪器的状况，在此选用欧姆龙公司生产的CJ1M可编程控制器，其控制方式采用存储程序、循环运算处理方式，其I／0成批传送与直接处理并用，I/O与CJ1G/H型兼容。

内置定位功能，系统中包扩内置脉冲输入/输出功能的CPU单元，该CPU单元利用用于简单的定位系统。

处理速度为100ns[2]。

具体配置如下：

2.4.1上闸首临时工作门控制单元

机架l块

CPU模块l块

开入模块4块

开出模块l块

2.4.2上闸首闸、控制单元

机架1块

CPU模块1块

开入模块l块

可出模块4块

模拟量输入模块l块

通讯模块l块

扩展机架l块

扩展电源模块l块

扩展电缆l块

2.4.3下闸首闸、门控制单元

机架l块

CPU模块l块

开入模块2块

可出模块5块

模拟量输入模块l块

2.4.4I/O地址的确定及分配

船闸控制系统的控制核心是哪些信号需要输入，哪些输出信号需要驱动哪些负载，以及采用何种编程方式、输入输出点的确定，是设计整个控制系统的首要问题，决定系统的程序设计方案。

①输入信号的确定

在对船闸的运行过程中，将进行开关闸/阀等动作，包括上闸首阀门的开、关；上闸首闸门的开、关；下闸手阀门的开、关；下闸首闸门的开、关，这些动作都将作为PLC的输入。

为了防止闸、阀门开、关的超时，特别设置了超时报警，这也将作为PLC的输入，上、下游液及闸室内的水位感应装置也将作为PLC的输入。

②输出信号的确定

通过软件对输入控制信号进行处理后，由输出接口发出控制信号及各种指示信号。

在船闸开始运行时，对上、下闸首的闸阀门各设置了一个继电器，以此来控制电机的正转（开闸、阀门）和反转（关闸、阀门）；在闸室的两端都会有相应的通行指示灯（以控制船的通行），以及报警指示灯，这些都作为船闸的输出

③I/O地址分配

输入地址分配

I1上闸首阀门开门按纽I2上闸首阀门关门按纽

I3上闸首闸门开门按纽I4上闸首闸门关门按纽

I5下闸首阀们开门按纽I6下闸首阀门关门按纽

I7下闸首闸门开门按纽I8下闸首闸门关门按纽

I9上游水位感应器I10闸室水位感应器

I11下游水位感应器

输出地址

Q1报警指示灯Q7上行时的通行指示灯

Q2下行时的通行指示灯Q8上闸首阀门开门继电器

Q3上闸首阀门关门继电器Q9上闸首闸门开门继电器

Q4上闸首闸门关门继电器Q10下闸首阀门开门继电器

Q5下闸首阀门关门继电器Q11下闸首闸门开门继电器

Q6下闸首闸门关门继电器

定时器的分配

T0上闸首闸门开门30秒后到位，若闸门还未停止运行，则报警灯亮。

T1下闸首闸门开门30秒后到位，若闸门还未停止运行，则报警灯亮。

2.5船闸控制程序的外部接线图

如下图所示：

2.6船闸控制程序设计

PLC系统在硬件上分为三个控制单元它们是上闸首临时工作门控制单元；上闸首永久闸阀门控制单元；下闸首闸阀门控制单元．针对每个控制单元分别编制了上闸首临时工作门控制程序，上闸首永久闸阀门控制程序；下闸首闸阀门控制程序。

2.6.1上闸首临时工作门控制程序

临时工作门运行，只有单项操作，没有程序控制操作运行．控制单元没有与网络相连，它只与下闸首控制单元有硬件的闭锁关联。

程序控制系指船舶通过船闸时．工作闸门输水闸门按预定的程序自动控制运行；单项控制是指对同类功能的单项机械分别进行控制。

临时工作门的工作过程为：

（1）上行：

临时工作门处于关闭状态,船只已进入闸室完毕，下闸首闸、阀门确认已全关，此时开启上

闸首临时工作门，输水平压后，继续开启至全开位，船只上行驶出闸室，之后，下一个闸次若仍为上行．就对临时工作门实施关闸门操作。

（2）下行：

临时工作门处于开启状态．确认下闸首闸阀门已全关，关闭上闸首临时工作门之后为下闸首PLC控制单元的操作运行。

以上操作过程通过充水、上升、下降等按钮向上闸首PLC控制单元发出命令．并由其完成相应的驱动闸门过程。

对该程序的编制采用梯形图编程方法。

特点是结构清晰，简单明了，执行速度快．增强可读性，便于现场运行人员的熟悉．其主要程序结构如图4

2.6.2上闸首永久闸、阀门的控制程序

上闸首永久闸阀门的运行过程，分为单项关闸门、单项开闸门、单项关阀门、单项开阀门等单项操作运行，及下行准备、下行程序、上行程序等程序控制操运行。

船只上行时，上闸首闸阀门处于关闭状态．下闸首处于开启状态（如果关闭，由下闸首PLC制单元完成开启），上行船只完全进入闸室后．下闸首闸阀门已全关（下闸首PLC制单元完成）．上闸首PL制单元按到上行程序命令后．开上闸首输水门，充水下压后．打开上闸首工作闸．之后关闭输水门，船只上行驶出。

该控制程序完全采用梯形图语言编程，并采用模块化、结构化的设计方法。

在程序设计中．用主程序进行操作命令的判断、数据传送．用子程序进行动作的执行。

这样缩短了程序．使程序结构清晰易读。

在子程序的使用中．增加了程序嵌套。

其中上一级子程序包括：

下行程序准备子程序；下行程序子程序；上行程序子程序；单项开闸门子程序；单项关闸门子程序；单项开阀门子程序；单项关阀门子程序下一级子程序包括开闸门动作子程序；关闸门动作子程序；开阀门动作子程序；关阀门动作子程序。

其程序结构见下闸首程序框图（图5）

图5

2.6.3下闸首闸、阀门的控制程序

下闸首的程序结构与上闸首永久闸阀门的控制程序相似的，其运行过程为如下：

（1）船只上行时．如果下闸首闸门没有全开．且闸首闸阀门已全关，闸室水位与下游水位平时．直接进行开闸门操作，水位不平，则先打开下闸首阀门．待泄水平压后再进行开下闸首闸门．闸门全开后关闭下闸首泄水阀门．发出下游允许通航信号．船只可驶入闸室，完毕后，下闸首PLC控制单元接收到上行程序命令后．关闭下闸首闸门。

（2）船只下行时，设船只已驶入闸室，确认上闸首闸阀门已全关．如果闸室水位与下游水位平，则直接开启下闸首闸门，水位不平则打开下闸首阀门，待泄水平压后，再打开下闸首闸门．全开后，关闭泄水阀门．船只即可驶出闸室在下闸室的控制程序中,上一级子程序有；上行准备子程序；上行程序子程序；下行程序子程序；单项开闸门子程序；单项关闸门子程序；单项开阀门子程序；单项关阀门子程序。

下一级子程序有开闸门动作子程序；关闸门动作子程序}开阀门动作子程序；关阀门动作子程序其程序结构及控制程序参见上闸首永久闸阀门控制程序结构及程序。

总程序见附录1

3组态王

3.1组态王的介绍

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

组态软件的功能和特点可归纳如下：

概念简单，易于理解和使用；功能齐全，便于方案设计；实时性与并行处理；建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行；利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面；引入“运行策略”的概念。

组态王具有以下几个方面的特点：

可视化操作界面，真彩显示图形、支持渐进色、丰富的图库、动画连接；无与伦比的动力和灵活性，拥有全面的脚本与图形动画功能可以对画面中的一部分进行保存，以便以后进行分析或打印；变量导入导出功能，变量可以导出到Excel表格中，方便的对变量名称等属性进行修改，然后再导入新工程中，实现了变量的二次利用，节省了开发时间；强大的分布式报警、事件处理，支持实时、历史数据的分布式保存。

强大的脚本语言处理，能够帮助你实现复杂的逻辑操作和与决策处理；全新的Web Server架构，全面支持画面发布、实时数据发布、历史数据发布以及数据库数据的发布；方便的配方处理功能。

丰富的设备支持库，支持常见的PLC设备、智能仪表、智能模块。

提供硬加密及软授权两种授权方式。

3.2画面制作与设计

3.2.1建立新工程

首先，我们来做组态的第一步，即启动组态王软件的工程管理器。

在菜单中点击“新建”弹出对话框。

在“新建”完成以后，单击“下一步”进行下一个步骤，则会出现“新建工程向导之二”对话框，。

在图中可以看出需要填写工程名称和工程描述，这些要根据设计的具体要求来填写，并且要选择合适的路径。

在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。

单击“下一步”继续。

弹出“新建工程向导之三对话框”。

在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的路径名称。

点击“完成”，此时就完成了一个新工程的建立。

3.2.2创建组态画面

建立新工程后便进入组态王开发系统，进入开发系统可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成静态或者动态画面，并且它们之间是互相关的。

“组态王”的编程技术是采用面向对象的方法，它可以使用户方便地建立画面的图形界面。

新画面的建立，进入新建的组态王工程，选中工程浏览器左侧的画面，在右侧双击新建按钮，则弹出对话框。

图中有“画面名称”的对话框，在此对话框中处输入新的画面名称，然后点击“确定”按钮，即进入内嵌的组态王画面开发系统。

完成以上的设置操作后就完成了一个新画面的创建，我们就可以在新画面里面进行系统画面的设计。

在系统画面中有工具箱，工具箱有许多的图形，我们可以方便地选定各种现有图形，另外如果工具箱内没想要的图形你还可以用绘图工具绘制各种图形、添加文本、调剂颜色等操作。

根据注设计要求，画出本系统工作所需要各个图画，是整个设计的组态更加完美。

3.2.3定义I/O设备

定义I/O设备是一个重要的环节，首先映入眼帘的是工程浏览器，在工程浏览器中选择左侧大纲项“设备\COM1”，上一步完成以后，就可以在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，就会出现“设备配置向导”的界面。

下面就是对其进行设定了。

看到界面后会发现是让我们PLC，当选择PLC后，会出现一系列生产厂家，如西门子，三菱、欧姆龙等。

本次设计的要求是运用欧姆龙的PLC来设计的，而我们学校的实验室里是欧姆龙SJ系列的PLC，根据本设计的要求与实验室设备具体条件相结合，我们选择欧姆龙SJ系列PLC，紧接着在其PLC下的选项中出现了自由口和PPI两个选项，即通信口描述。

通信描述是我们选择PPI即可。

如图5-4所示对话框。

画面上出现了COM1和COM2可供选择，我们选择COM1即可符合本设计和实验室设备要求。

再次单击“下一步”既进入下一步设置。

在地址的选择时，我们选择地址为“2”。

单击“下一步”。

此步骤选择系统默认的值就可以满足注塑机组态的要求，单击“下一步”进入设备配置参数信息总结。

检查各项设置是否正确，确认无误后，单击“完成”。

设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备“PLC”。

需要检测外部输入量是否与PLC相连时，只用双击该设备，在弹出的对话框中选择测试PLC即可。

至于新建的设备相当于一个中间装置，它将实物PLC与自己建造的变量联系起来，相当于把程序与界面联系了起来，为以后的控制做好了准备

3.2.4构造数据库

构造数据库是决定了本次设计的动作步骤和动作对象。

根据组态画面的需要和设计要求，需要定义不同的变量。

定义变量的设定如图5-5所示。

我们以定义“启动”这个变量为例来说明，从图中的变量名称中输入“启动”，在变量类型中选择“I/O离散型”，连接设备中要选择的是“PLC”，寄存器选择“I0.0”，数据类型选择“Bit”，读写属性中选择只读。

当然对于不同的变量的选择也是不同的，要根据不同的变量来选择相应的选项。

例如在设置模时我们不能再变量类型中选择“I/O离散型”了，而是要选择“变量整型”，读写属性中也不能选择“只读”，而是要选择“读写”的选项。

对变量都定义了以后，即完成了数据库的构建。

3.2.5画面命令语言

组态的画面要想动起来必须要设置画面命令语言，命令语言决定了组态动作的步骤和速度。

是组态的关键步骤之一。

在编写命令语言时要认真学习命令语言的编写规则，这样才能编写出了的命令语言才准确无误，符合要求。

另外，在画面命令语言画面的右上侧有可以设置周期大小，周期的大小关系到组态画面的连贯性。

3.2.6组态王设计的界面

见附件2

4、总结与展望

由于条件和作者水平有限，关于PLC的故障报警查询系统没有进行深入研究，监控平台的人机界面也未做过多的考虑，这些方面有待进一步的探索和完善，同时也将是作者今后在工作中的研究任务。

通过用PLC对船闸系统的控制．作者认识到传统的继电器逻辑控制方式已经不能适应高可靠性，高自动化的要求。

PLC具有配置灵活，控制方式修改方便，动作准确可靠并完全适应恶劣工业环境等优点．今后船闸监控系统采用PLC控制技术是一种必然趋势。

几个星期的设计过程很快过去，我的PLC知识得到了加强，许多书本上学不到的知识。

但最重要得一点就是从老师那里学到了学习的方法和分析问题的方法。

对于我来说，学习知识是次要的，学习方法才是立身之本。

本次设计能够顺利的完成，首先应该衷心感谢陈勉老师和樊金荣老师耐心指导。

虽然我PLC基本知识学得不很扎实，还有时对PLC感到畏惧，有所退缩，但老师常常鼓励我，教我学习的方法，最终使我的设计得以完成。

参考文献

[1]郭宗仁等，可编程控制器应用系统设计及通信网络技术[M]，人民邮电出版社，2002

[2]可编程序控制器CJ1M系列用户手册[M]，欧姆龙（中国）有限公司，上海印刷，2005

[3]张进秋、陈永利、张中民，可编程控制器原理及实用实例[M]，机械工业出版社，2004

[4]陈宇、段鑫，可编程控制器基础及编程技巧[M]，华南理工大学出版社，2002

[5]程周，PLC技术与应用[M],福建科学技术出版社，2003，5