毕业设计基于PLC的给水控制系统设计.docx
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毕业设计基于PLC的给水控制系统设计
摘要
本论文以某小区供水系统的改造为背景，根据供水系统的特性和实际情况的要求，以松下FP0-T32CT作为主控制器、组态软件KingView作为监控平台对小区原有的继电器逻辑控制系统进行更新设计，采用松下公司提供的FPWINGR软件对PLC进行程序的编制与调试。
该系统可以对供水系统的压力、液位等过程参数进行在线检测，实现供水过程的全自动控制，满足居民用水的需要。
本论文研究的主要内容包括:
基于PLC自来水控制系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、重点探讨PLC控制系统硬件、软件的设计方法，综合对比经验设计法、逻辑设计法、时序图设计法和顺序控制设计法，对PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题，如:
电源干扰问题、扩展I/O点数和系统连锁问题等，提出了具体解决方案。
本论文是基于该工程项目的电气控制系统设计与实现展开的，采用可编程控制器PLC，完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标，实现了小区供水的自动化。
关键词PLC；供水系统；自动控制
Abstract
Inthispaperadistrictwatersupplysystemtransformationasthebackground,accordingtothecharacteristicsofthewatersupplysystemandactualsituation,attherequestofthepanasonicFP0-T32CTasthemaincontroller,configurationsoftwareasaplatformtothevillageKingViewmonitoringoftheoriginalrelayupdatelogiccontrolsystemdesign,thepanasoniccompanyFPWINGRsoftwaretoPLCforprogramminganddebugging.Thesystemcanforthewatersupplysystempressure,theliquidlevelandprocessparametersofon-lineinspection,realizetheautomaticcontrolprocessofwatersupply,meetresidentsusetheneedofwater.
Thisresearchinclude:
tapwatercontrolsystembasedonPLCoftheoverallprogramdesign,PLCcontrolsystemprinciple,discussesthePLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesignmethod,integratedcomparativeexperiencedesignmethod,thelogicaldesignmethod,thetimingdiagramdesignmethodandsequencecontroldesignmethod,thePLCinactualcontrolprocessoftenmeetwithsomeactualproblems,suchas:
powerinterferenceproblems,expandtheI/Opointsandchainsystem,putsforwardspecificsolutions.
Thispaperisbasedontheengineeringprojectoftheelectricalcontrolsystemdesignandrealizationtolaunch,andbyusingtheprogrammablecontrollerPLC,hascompletedtheelectricalcontrolsystemofthehardwareandsoftwaredesign,basicachievetheexpectedgoaltorealizetheautomationofwatersupplyarea.
KeywordPLC;Watersupplysystem;Automaticcontrol
第1章绪论
1.1本课题的研究背景及意义
近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。
据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。
在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。
采用PLC控制不仅可减少人的工作量，还可以降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。
由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。
1.2国内外研究现状和趋势
自来水生产过程自动化控制系统的发展状态:
水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。
从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。
PLC具有
可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。
水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:
由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。
开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。
近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。
取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。
目前大部分水厂都是采用的这种模式。
在这基础上，对水厂自动化又提出了新要求:
即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式"、“变频泵循环方式一两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统
的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现：
有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了厦压供水专用变频器（5.5kw、22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
水厂工业自动化领域的发展趋势是管理控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管理控制一体化铺平道路。
信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管理控制一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。
1.3设计原则
这次毕业设计的设计原则是：
以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑给水控制的工作环境和工艺流程的具体要求。
在满足工艺要求
的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。
本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如电器设计、电路原理、电机拖动、阀门控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。
1.4本课题研究的内容
本论文主要介绍以可编程控制器PLC为核心，提出具体实现小区供水自动化的基本思路和方法。
1．总体方案设计。
根据系统概况和系统控制要求，对系统进行总体方案设计，进而确定系统的组成。
2．下位机系统的硬件设计。
根据系统工艺和控制要求，设计一个以PLC为核心的控制系统，系统由电气元件、PLC、传感器、现场机构及监控仪器组成。
3．系统的软件设计。
利用松下公司提供的专门软件FPWINGR编制梯形图，实现供水过程的自动控制。
4．上位机监控系统设计。
主要包括系统监控界面设计,以及控制界面的后台程序设计。
第2章PLC的概述
2.1PLC的定义
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大的超过了逻辑控制的范围。
因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委（IEC）先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义：
它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2.2PLC的构成
从结构上分，PLC分为整体式、模块式和叠装式三种。
整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，
这些模块可以按照一定规则组合配置。
叠装式PLC是将整体式和模块式两种结构的优点结合起来。
这种结构的CPU、电源、I/O等单元也是各自独立的模块，但它们相互的连接仅用电缆即可，并且各模块可以叠装在一起。
2.2.1CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由振荡信号控制。
运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2.2.2I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集
成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
2.2.3电源模块
现代PLC一般配有开关式稳压电源，供内部电路使用。
与普通电源相比，开关电源的输入电压范围宽，体积小，质量轻，效率高，抗干扰性能好。
有的PLC还向外提供DC24V的直流电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
2.2.4底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.2.5PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。
多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
2.3PLC的基本工作
PLC虽然具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。
微机一般采用等待命令的工作方式。
有键按下或1/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。
PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。
如此周而复始不断循环。
这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。
这个工作过程分为五个阶段:
自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序的执行，输出刷新。
其工作过程框图如图2-1所示。
图2-1PLC的工作原理
l、每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。
自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。
若自诊断正常，继续向下扫描。
2、PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。
如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。
3、PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。
4、中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态（这些状态统称为数据）进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。
5、当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。
PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行，扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素（与编程器等通信）时，扫描周期T见公式。
T=（读入一点时间X输入点数）+（运算速度X程序步数）+（输出一点时间X输出点数）+故障诊断时间
显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没什么影响。
但对控制要求严格，响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应的时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的不良影响。
PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。
继电接触器控制是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作，而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作的。
这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。
总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的最大特点，使用者应特别注意。
特别注意的是:
在PLC的程序中，前面逻辑行的执行结果在本次扫描过程中，影响后面逻辑行的执行结果:
而后面逻辑行的执行结果在本次扫描中不影响前面逻辑行的果。
2.4PLC的特点及应用
可编程序控制器的特点主要包括以下几个方面:
1、编程方法简单易学。
PLC中配备了易于接受和掌握的梯形图语言。
梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的20多条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器的功能。
2、硬件配套齐全，用户使用方便。
PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。
PLC的安装接线也很方便，PLC一般用接线端子连接外部接线。
3、通用性强，适应性强。
由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。
硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速的适应工艺条件的变化。
4、可靠性高，抗干扰能力强。
PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触电和接线。
除此之外，PLC还采取了一系列抗干扰的措施。
5、系统的设计、安装、调试工作量少。
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
由于PLC具有一系列特点，因此，它已被广泛应用于矿山、冶金、机械、石油、化工、汽车制造、电力、造纸、印刷、轻工、纺织、交通、通讯、邮政、建筑、建材、环保、娱乐、食品加工、家电等各行各业。
按照控制类型不同，它主要应用在以下几个方面：
1、开关量控制。
取代传统继电器控制系统，实现开关量的逻辑控制和顺序控制。
2、模拟量控制。
通过模拟量I/O模块可对温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行控制。
3、数字量控制。
利用PLC能接收和发送高速脉冲的功能，在配备相应的传感器和脉冲伺服装置就可实现数字量控制。
4、集散控制。
PLC的通信联网能力很强。
除了相互之间可以进行通信联网以外，PLC与计算机之间也可以进行通信联网，由计算机来实现对其监控和管理。
第3章基于PLC的给水控制系统的总体设计
3.1基于PLC的给水控制系统概况
本次毕业设计的自动供水系统仿真示意图如图3-1所示。
该系统通过2台抽水泵（另外两台备用）分别将1#和2#两口水井中的井水抽到清水池中，加药处理后由2台加压泵（另外两台备用）分别向A区水塔和B区水塔自动供水，以保证两区居民的用水需求。
图3-1PLC控制自动供水仿真图
3.2基于PLC的给水控制系统要求、组成及功能
自动供水控制系统主要是控制4台抽水泵和4台加压泵的启停，保证用户供水，控制系统设“手动”和“自动”两种工作方式。
手动方式是一种备用方式，它是在自动方式不能正常运行的情况下启用，自动方式可以实现无人值班，
无需人为干预，正常情况下自动供水，保证用户有水可用即可。
3.2.1基于PLC给水控制系统控制要求
（1）1#或2#水井水位低于最低水位时，自动停止相应的抽水泵，在操作台显示液位值，并向上位机发出报警信号。
（2）清水池水位低于下限水位时，1#和2#两口水井中的各自一台水泵向清水池送水，当清水池水位达到上限时，根据设定值自动启动加药泵和搅拌电机进行加药处理，处理完毕后，向两个水塔自动供水。
要求各台备用抽水泵在相应抽水泵出现故障时，自动投入运行。
如果每个水井对应的两台抽水泵都出现故障，不能正常启动时，显示该水井供水报警。
（3）A区或B区水塔水位不高于上限水位，清水池中的水是加药处理后适合居民使用的纯净水时，如果清水池中的水位不低于下限水位，各主加压泵同时向水塔送水；当水塔水位高于上限水位时，主加压泵停止送水；要求各台备用加压泵在相应加压泵出现故障时，自动投入运行。
如果每个水塔对应的两台加压泵都出现故障，不能正常启动时，显示该水塔供水报警。
（4）通过上位机监控系统运行状态和报警，并实时显示水井、清水池、水塔的液位。
供水管道的压力高于上限时，发出报警信号。
（5）本系统要求运行安全可靠，手动操作、自动操作转换方便、可行。
3.2.2基于PLC的给水控制系统控制组成
本PLC的给水控制系统由按钮操作系统、电动阀门控制系统、PLC电气控制系统和上位机监控系统四个部分组成。
（1）按钮操作系统
实现
升级会员 