恒压供水系统的PLC控制【毕业设计】
中文摘要
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。
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。以方面要求提高供水质量，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。
关键字: PLC；恒压供水；变频器
ABSTRACT
This text has introduced the basic principle that constant voltage supplies water and foundation that the system form , have stated the role served as of the programmable controller (PLC ) in the water -supply system of constant voltage. Since the whole design plan of the system and actual demand are analysed, the need of close life of intergrating with practice, make every effort to make sure to make the system run steadily, easy and simple to handle, solve and hit the problem actually, guarantee to supply water of the security, swift , reliable. Constant voltage has supplied water and guaranteed to support the water quality amount, the control system taking PLC as host computer has enriched the systematic control function, have improved systematic dependability
Keywords: PLC (programmable controller ) Constant voltage supplies water Frequency converter
目录
第一章恒压供水原理及工艺 5 1.1 工艺要求 5
1.2 系统的组成和基本工作原理 5 第二章 PLC概述 6
2.1 PLC的组成 6
2.1.1 PLC的输入 6
2.1.2 PLC的输出 6
2.1.3 PLC的定义 6
2.1.4 PLC的特点 7
2.1.5 PLC的性能指标 7
2.1.6 PLC的分类 7
2.2 PLC工作原理 8
2.2.1 循环扫描 8
2.2.2 I/O响应时间 8
2.2.3 PLC中的存储器 8
2.3 PLC的编程语言 9
2.3.1 PLC的编程结构功能图 9 2.3.2 梯形图编程语言 9
2.4 PLC的分类 10
2.4.1 按I/O点数容量分类 10 2.4.2 按结构形式分 11
2.5 PLC与继电器控制系统的区别 11
2.6 PLC控制系统的结构 12
2.6.1 单机控制系统 12
2.6.2 集中控制系统 12
2.6.3 分散控制系统 12
2.7 PLC网络及特点 13
2.7.1 网络概述 &nb
sp; 13
2.7.2 网络控制系统PLC的影响 13
第三章系统硬件设计 14
3.1 恒压供水系统的基本构成 14
3.2 系统控制要求 15
3.3 控制系统的I/O点及地址分配 15
3.4 系统选型 16
3.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用 17
3.5.1 校准及配置 17
3.5.2 EM235工作程序编制 17
3.5.3 电气控制系统原理图 17
第四章系统程序设计 19
4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理 19
4.2 程序的结果以及程序功能的实现 19
参考文献 28
致谢 28
第一章恒压供水原理及工艺
1.1 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；
1.2 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
2.1 PLC的组成
2.1.1 PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开
关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。
2.1.2 PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
2.1.3 PLC的定义
最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。
2.1.4 PLC的特点
（1）可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均
无故障工作时间可达几万小时以上。
（2）控制功能强。PLC采用的CPU一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。
（3）体积小、重量轻、功耗底。
（4）性价比高。
（5）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。
（6）维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。
2.1.5 PLC的性能指标
（1）存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC 的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。
（2）I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。
（3）指令的多少
她是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
（4）内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。
（5）扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
（6）特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
2.1.6 PLC的分类
不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。
按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。
按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。
2.2 PLC工作原理
2.2.1 循环扫描
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。
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，CPU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，CPU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，CPU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。
2.2.2 I/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每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。
响应时间由输入延迟、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。
2.2.3 PLC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。
2.3 PLC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动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不过是读一次它的存储数据而已。
2.3.1 PLC的编程结构功能图
任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言，而功能图是理解这两种语言的基础。如图3所示为PLC内部的结构功能示意图。
PLC与被控对象所连接的只是I/O条件，而I/O之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中，PLC就能够直接解释并实现I/O
间的控制关系。当控制关系发生改变时，只要修改梯形图程序，重新输入到PLC的存储器即可，从而快捷的改变生产工
图3 PLC内部的结构功能示意图
2.3.2 梯形图编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
如图4所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
图4 梯形图
为了充分发挥CPU的逻辑运算功能，设置了大量的称为盒的附加命令，如定时器、计算器、格式转换、模拟量I/O、PID调节或数学运算指令等，充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成PLC的各种复杂控制功能。
2.4 PLC的分类
PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑
2.4.1 按I/O点数容量分类
一般而言，处理I/O点数越多，则控制关系就比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。
（1）小型机
小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储器容量
在4K左右。
典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。
（2）中型机
中型PLC的输入、输出总点数在256~~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。
（3）大型机
大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。
2.4.2 按结构形式分
根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。
（1）整体式结构
整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CPU板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。微型和小型PLC一般为整体式结构。如西门子的S7-200
（2）模块式结构
模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。
目前大、中型PLC都采用这种方式。如西门子的S7-300和S7-400系列。
2.5 PLC与继电器控制系统的区别
PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是 PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。
（1）逻辑控制
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8个对触点。因此，灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。因此灵活性和扩展性都很好。
（2）工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自监和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。
2.6 PLC控制系统的结构
使用PLC可以构成多种形式的控制结构，下面介绍几种常用的PLC控制系统。
2.6.1 单机控制系统
单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。该系统使用一台PLC控制一个对象，控制系统要求的I/O点数和存储器容量都比较小，没有PLC的通讯问题，采样条件和执行结构都比较集中，控制系统的构成简单明了。
如图5所示是一个
简单的单机控制系统，图中PLC可以选用任何一种类型。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确，I/O点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中即可。
图5 简单的单机控制系统
2.6.2 集中控制系统
集中控制系统用仪态功能强大的PLC监视、控制多个设备，形成中央集中式的控制系统。其中，各个设备之间的联络，连锁关系、运行顺序等统一由中央PLC来完成，如图6示
图6 集中控制系统
2.6.3 分散控制系统
分散控制系统的构成如图7所示，每一个控制对象设置一台PLC，各台PLC可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通讯。
表1 输入输出点代码及地址编号
S7-200PLC是德国西门子公司生产德一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CPU22*系列PLC。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。
3.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理,常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转化为PLC
可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也兼有模/数和数/模两种功能的，以下介绍S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。
3.5.1 校准及配置
模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。
3.5.2 EM235工作程序编制
EM235的工作程序编制包括以下的内容：
（1）设置初始化主程序。在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。
（2）设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接的正确性以及模块工作的正确性。
（3）设置子程序完成采样以及相关的计算工作。
（4）工程所需的有关该模拟量的处理程序。
（5）处理后模拟量的输出工作。
S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能的模块。
3.5.3 电气控制系统原理图
电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图以及PLC外围接线图。
（1）主电路图
如下图13所示为电控系统主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。
图13 电控系统主电路
（2）控制电路图
图14所示电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB2控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中的HL10为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM 端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5为PLC输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合PLC 外围接线图一起读图。
第四章系统程序设计
硬件条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：
4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理
前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵不能满足要求时，需启动第2台或第3太泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以同过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。
4.2 程序的结果以及程序功能的实现
由于PLC在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为3部分：主程序、子程序和中断程序。系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合以及报警处
理都在主程序。
逻辑运算及报警处理等放在猪程序。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益时间常数为
增益