S7-200PLC在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用論文

I 摘要 可編程控制器 (PLC)是以微處理器為核心、集微機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置。它具有功能齊全、使用方便、維護(hù)容易、通用性強(qiáng)、可靠性好、性能價格比高等特點，已在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的一種強(qiáng)有力工具。 本課題研究的內(nèi)容就是利用 PLC 技術(shù)實現(xiàn)自來水廠虹吸刮泥機(jī)的 自動 化 控制 ，設(shè)計 其 電氣控制系統(tǒng)，將最新的控制技術(shù)應(yīng)用到 工作 過程中，提高虹吸刮泥系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和實時性。本文綜述了 PLC 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)； 簡述 了 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的原則、內(nèi)容和步驟 。 針對該虹吸刮泥系統(tǒng)的特點和性能要求，采用了德國西門子公司S7-200 系列中 S7-214 作為系統(tǒng)控制器，重點闡述了該系統(tǒng)的硬件、軟件的設(shè)計方法，并簡要分析了用計時器實現(xiàn)掉電自保的方法和用實時時鐘功能實現(xiàn)自動定時刮泥的方法。 經(jīng)過運(yùn)行實踐表明，以 PLC 控制的系統(tǒng)可靠性和實時性良好，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞 ： 可編程控制器 虹吸刮泥系統(tǒng) 掉電自保 實時時鐘 II Abstract Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, taking microprocessor as its core, integrating microcomputer technology, automation technology and communication technology. It is applied very diffusely in varied field of industrial control with the characteristics such as all-round functions, flexible application, well reliability, high ratio of capability and price and easy maintenance and so on, having become a robust tool to realize industrial automation. The content that this paper studied is to make use of PLC technology to realize the intelligent transformation of the scrape mud system, design the electric control system, apply the latest control technology to the lathe transform, and improve the stability of the scrape mud system, reliability and real time nature. The paper summarizes the general structure of PLC control system； puts forward the principle, content and step of PLC control system designing. Siphon blow against the system of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-200 series systems as a S7-214 controller focuses on the systems hardware and software design methods, focuses on the systems hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve power-fail and try to keep the real-time clock function for automatic timing scratching the soil. After running, practice shows that the PLC control system reliability and good real-time, fully satisfy the design requirements, achieved good economic results. Keywords: Programmable Logic Controller Siphon scratching mud system Power down protection Real time clock 目 錄 摘要 .I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1. 1 課題的來源和意義 . 1 1.2 繼電器控制系統(tǒng)的特點及存在問題 . 1 1.2.1 繼電器控制系統(tǒng)的特點 . 1 1.2.2 繼電器控制系統(tǒng)存在的問題 . 1 1.3 可編程序控制器（ P LC）及其在電氣控制中的應(yīng)用特點 . 2 1.3.1 可編程序控制器（ PLC）的定義 . 2 1.3.2 可編程序控制器（ PLC）的特點 . 2 1.3.3 可編程序控制器（ PLC）控制虹吸刮泥機(jī)的優(yōu)點 . 4 1.3.4 可編程序控制器（ PLC）的應(yīng)用領(lǐng)域 . 4 1.3.5 可編程控制技術(shù)（ PLC）的發(fā)展趨勢 . 4 1.4 課題的主要研究內(nèi)容 . 6 1.5 本章小結(jié) . 6 第二章 虹吸刮泥機(jī)設(shè)備介紹 . 8 2.1 刮泥機(jī)簡介 . 8 2.1.1 刮泥機(jī)系統(tǒng)組成 . 8 2.1.2 刮泥機(jī)的工作狀況 . 9 2.2 虹吸 刮泥機(jī)的工作原理 . 10 2.2.1 虹吸原理 . 10 2.2.2 虹吸刮泥機(jī)工作原理 . 10 2.3 刮泥機(jī)控制方式 . 11 2.4 刮泥機(jī)常規(guī)操作 . 11 2.4.1 現(xiàn)場自動開刮泥機(jī)操作規(guī)范 . 11 2.4.2 手動方式開刮泥機(jī)操作 . 11 2.5 本章小結(jié) . 11 第三章 PLC 基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 . 12 3.1 PLC 基本工作原理 . 12 3.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu) . 13 3.3 PLC 模塊化結(jié)構(gòu)分析 . 14 3.4 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 . 15 3.5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的步驟 . 15 3.6 提高 PLC 控制系統(tǒng)可靠性的措施 . 18 3.7 本章小結(jié) . 20 第四章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計 . 21 4.1 水廠的工藝流程 . 21 4.1.1 平流沉淀池 . 22 4.1.2 平流沉淀池的排泥 . 22 4.2 虹吸刮泥機(jī)的控制要求 . 23 4.3 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)總體方案確定 . 23 4.4 本章小結(jié) . 23 第五章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè) 計 . 24 5.1 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數(shù)的確定 . 24 5.2 PLC 的選擇 . 24 5.2.1 機(jī)型選擇 . 24 5.2.2 系統(tǒng)容量 . 25 5.2.3 I/0 模塊 . 25 5.2.4 電源模塊 . 25 5.3 西門子 S7-200 系列 PLC 簡介 . 26 5.3.1 西門子 S7-200 系列 PLC 的特點 . 26 5.3.2 S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展模塊和 TD20011. 26 5.3.3 SIMATIC S7-200 的主要功能 . 26 5.3.4 SIMATIC S7-200 CPU214 簡介 . 27 5.3.5 S7-200 系列 PLC 編程工具 STEP 7-Micro/WIN . 27 5.4 基于 S7-200 CPU 214 的虹吸刮泥機(jī)電氣原理分析 3. 27 5.4.1 控制方式的選擇 . 29 5.4.2 刮泥機(jī)行程的選擇 . 29 5.5 本章小結(jié) . 30 第六章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)軟件 設(shè)計 . 31 6.1 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 . 31 6.1.1 PLC 軟件設(shè)計概述 . 31 6.1.2 PLC 程序設(shè)計的常用方法 . 33 6.1.3 PLC 程序設(shè)計步驟 . 35 6.2 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 36 6.2.1 PLC 自動控制系統(tǒng)控制工藝流程圖 . 36 6.2.2 虹吸刮泥機(jī) PLC 實現(xiàn)的控制功能 . 37 6.2.3 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的梯形圖 . 39 6.2.4 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制程序清單 12 . 41 6.3 本章小結(jié) . 42 結(jié)束語 . 43 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文 獻(xiàn) . 44 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1. 1 課題的來源和意義 在提倡健康綠色生活的社會環(huán)境下，生活用水的質(zhì)量，關(guān)系到每家每戶的健康，而人們對它的水質(zhì)提出更高要求。隨著自動化技術(shù)、控制設(shè)備和機(jī)電儀表的發(fā)展，使水行業(yè)的自動化發(fā)展成為現(xiàn)實，更好保障水質(zhì)量。 在自來水廠 中，沉淀設(shè)備是整個水處理工藝系統(tǒng)最重要的過程之一，是水處理工藝中泥水分離的重要環(huán)節(jié)，是保障水廠優(yōu)質(zhì)供水的關(guān)鍵所在，其運(yùn)行狀況直接影響出水水質(zhì)，關(guān)系到千家萬戶的用水衛(wèi)生和身體健康。虹吸刮泥機(jī)是水廠工藝上沉淀的一種電氣設(shè)備，其能否正常運(yùn)行直接影響水廠自動化的正常控制。早期刮泥機(jī)因采用常規(guī)繼電器進(jìn)行控制，控制線路過于煩瑣復(fù)雜，不便于維護(hù)，故障率又高，因此，建立基于 PLC為核心的水廠虹吸刮泥自動控制系統(tǒng)的目的是對虹吸刮泥機(jī)刮泥過程的設(shè)備工況、工藝參數(shù)等現(xiàn)場狀況進(jìn)行監(jiān)視和自動調(diào)控，從而保障刮泥處理過程的穩(wěn)定性和運(yùn)行的 連續(xù)性、可靠性。同時，如何充分發(fā)揮 PLC 豐富的邏輯、控制功能，如何采用國內(nèi)外著名品牌的 PLC 軟硬件產(chǎn)品構(gòu)成的水處理自控系統(tǒng)，是實現(xiàn)一個不但可以滿足工程周期的要求，更可以確保穩(wěn)定性、可靠性和先進(jìn)性的虹吸刮泥 機(jī) 系統(tǒng)的關(guān)鍵。 本課題欲達(dá)到的目的或預(yù)期研究的結(jié)果是采用先進(jìn)的國內(nèi)外計算機(jī)軟、硬件技術(shù)和設(shè)備設(shè)計出一套通用的，質(zhì)量可靠、成本適宜的水處理刮泥自動控制方案。 1.2 繼電器控制系統(tǒng)的特點及存在問題 1.2.1 繼電器控制系統(tǒng)的 特 點 a) 所有控制功能及信號處理均由硬件實現(xiàn)，線路直觀，易于理解和掌握，適合于一般技術(shù)人 員和技術(shù)工人所掌握。 b) 系統(tǒng)的保養(yǎng)、維修及故障檢查無需較高的技術(shù)和特殊的工具、儀器。 c) 大部分電器均為常用控制電器，更換方便，價格便宜。 d) 多年來我國一直生產(chǎn) 和運(yùn)用 這類 電器 ，技術(shù)成熟，已形成系列化產(chǎn)品 , 技術(shù) 資料圖紙齊全，熟悉掌握的人員較多。 1.2.2 繼電器控制系統(tǒng)存在的問題 a) 系統(tǒng)觸點繁多接線線路復(fù)雜，且觸點容易燒壞磨損，造成接觸不良，因而故障率較高。 b) 普通控制電器及硬件接線方法難以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，使系統(tǒng)的控制功能不易本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 2 增加，技術(shù)水平難以提高。 c) 電磁機(jī)構(gòu)及觸點動作速度比較慢，機(jī)械和電磁慣性大，系統(tǒng)控制精度 難以提高。 d) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，能耗較高，機(jī)械動作噪音大。 e) 由于線路復(fù)雜，易出現(xiàn)故障，因而保養(yǎng)維修工作量大，費(fèi)用高 ；而且檢查故障困難，費(fèi)時費(fèi)工。 因此， 繼電器控制系統(tǒng)故障率高，大大降低了 系統(tǒng) 的可靠性和安全性， 造成機(jī)械部件損壞 ， 造成 不必要的損失 ， 甚至 可能出現(xiàn)人身事故 。 1.3 可編程序控制器 （ P LC） 及其在電氣控 制中的應(yīng)用特點 1.3.1 可編程序控制器 （ PLC） 的定義 可編程控制器 (Programmable Controller)是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程 邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能己經(jīng)大大的超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機(jī) (Personal Computer )的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱 PLC。 為了使 PLC 生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，國際電工委 (IEC)先后頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，第二稿，并在 1987 年 2 月通過對它的定義 ： “可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為 在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的 1，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 ” 總之，可編程控制器是一臺計算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機(jī)。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進(jìn)行選用配置，其軟 件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。 1.3.2 可編程序控制器 （ PLC） 的特點 為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較， PLC 機(jī)有以下特點： a) 可靠性 對可維修的產(chǎn)品，可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。 1) PLC 不需要大量的活動元件和接線電子元件，它的接線大大減少，與此同時，系統(tǒng)的維修簡單，維修時間短。 第一章 緒論 3 2) PLC 采用了一系列可靠性設(shè)計的方法進(jìn)行設(shè)計，例如，冗余設(shè)計，斷電保護(hù)，故障診斷和信息保護(hù)及恢復(fù)等，提高了 MTTR，使可靠性提 高 。 3) PLC 有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點，一般不易發(fā)生操作的 錯誤。 4) PLC 是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制而專門設(shè)計的控制裝置，它具有比通用計算機(jī)更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程錯誤率大大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計的硬件使可靠性大大提高。 5) 在 PLC 的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件 ；采用先進(jìn)的工藝制造流水線制造 ；對干擾的屏蔽、隔離和濾波等 ；對電源的斷電保護(hù) ；對存儲器內(nèi)容的保護(hù)等。 6) PLC 的軟件方面，也采取了一系列提高系統(tǒng)可靠性的措施。例如，采用軟件濾波等 ；軟件自診斷 ；簡化編程語言等。 b) 易操作性 PLC 的易操作性表現(xiàn)在 下列幾個方面 ： 1) 操作方便 。 PLC 的操作包括程序輸入和程序更改的操作。大多數(shù) PLC 采用編程器進(jìn)行輸入和更改的操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，對大中型的 PLC 編程器采用了 CRT屏幕顯示，因此，程序的輸入直接可以顯示。更改程序的操作也可直接根據(jù)所需要的地址編號或接點號進(jìn)行搜索或順序?qū)ふ?，然后進(jìn)行更改。更改的信息可在液晶屏或 CRT上顯示。 2) 編程方便 。 PLC 有多種程序設(shè)計語言可供使用。對電氣技術(shù)人員來說，由于梯形圖與電氣原理圖較為接近，容易掌握和理解。采用布爾助記符編程語言，十分有助于編程人員的編程。 3) 維修 方便 。 PLC 具有的自診斷功能對維修人員維修技能的要求減低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可以很快的找到故障的部位，以便維修。 c) 靈活性 PLC 的靈活性表現(xiàn)在以下幾個方面 ： 1) 編程的靈活性。 PLC 采用的編程語言有梯形圖、布爾助記符、功能表圖、功能模塊和語句描述編程語言。編程方法的多樣性使編程方便、應(yīng)用面拓展。 2) 擴(kuò)展的靈活性。 PLC 的擴(kuò)展靈活性是它的一個重要特點。它可根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不同，即可進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展。 3) 操作的靈活性。 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 4 操作十分靈活方便，監(jiān)視和控制變得 十分容易 。 1.3.3 可編程序控制器（ PLC） 控制虹吸刮泥機(jī)的優(yōu)點 a) 在 虹吸刮泥機(jī) 控制中采用了 PLC，用軟件實現(xiàn)對 虹吸刮泥機(jī) 運(yùn)行的自動控制，可靠性大大提高。 b) 去掉了大部分繼電器，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，外部線路簡化。 c) PLC 可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加或改變控制功能。 d) PLC 可進(jìn)行故障自動檢測報警顯示，提高運(yùn)行安全性，并便于檢修。 e) 更改控制方案時不需改動硬件接線。 1.3.4 可編程序控制器（ PLC）的應(yīng)用領(lǐng)域 隨著 PLC 的性能價格比的不斷提高，過去許多采用專用計算機(jī)或繼電器控制的場合，都可使用 PLC 來代替 。 PLC 的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個方面 ： a) 開關(guān)量邏輯控制。 利用 PLC 最基本的邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)等功能實現(xiàn)邏輯控制，可以取代傳統(tǒng)的繼電器控制，用于單機(jī)控制、多機(jī)群控制、生產(chǎn)自動線控制等，例如：機(jī)床、注塑機(jī)、印刷機(jī)械、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯的控制等。這是 PLC 最基本的應(yīng)用，也是PLC 最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。 b) 運(yùn)動控制。 運(yùn)動控制是指通過配用 PLC 生產(chǎn)廠家提供的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計數(shù)模塊等來控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，從而使運(yùn)動部件能以適當(dāng)?shù)乃俣然蚣铀俣葘崿F(xiàn)平滑的直線運(yùn)動或圓周運(yùn)動。 c) 閉環(huán)過程 控制。 通過配用 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換模塊及智能 PID 模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán) PID 調(diào)節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設(shè)定值上。 d) 數(shù)據(jù)處理。 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。 e) 通信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制 (TDCS)。 PLC 的通信包括 PLC 之間的通信、 PLC 和其它智能設(shè)備的通信。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的 PLC 可以實現(xiàn)工廠自動化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PLC 可與智能儀表、執(zhí)行裝置 (如變頻器等 )進(jìn)行通信和聯(lián)網(wǎng)，互相 交換數(shù)據(jù)并實施對其的控制。利用 PLC 強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能，把 PLC 分布到工業(yè)控制現(xiàn)場，并實現(xiàn)各站間、上下層間通信，達(dá)到分散控制、集中管理，即構(gòu)成了 DCS( Distributed Control System) 系統(tǒng)。 1.3.5 可編程控制技術(shù) （ PLC） 的發(fā)展趨勢 隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。僅僅將 PLC 理解為開關(guān)量控制的時代已經(jīng)過去， PLC第一章 緒論 5 不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛需要，而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)融為一體，其功能也日趨完 善。今后， PLC 將主要朝著以下兩個方向發(fā)展 :一個是向超小型專用化和低價格方向發(fā)展 ；另一個是向高速多功能和分布式自動化網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展?？偟内厔萑缦?： a) 可編程控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 。 在工業(yè)自動化產(chǎn)品繁花似錦的今天，各生產(chǎn)廠商既互相競爭又互相合作。一種自動化產(chǎn)品的競爭力除表現(xiàn)在其技術(shù)上的個性外，更重要的還在于其滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化的程度和水平。標(biāo)準(zhǔn)化一方面保證了產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，另一方面也保證了各個廠家產(chǎn)品的互相兼容。出廠檢驗時各可編程控制產(chǎn)品的廠家都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù)。按照這些標(biāo)準(zhǔn)，各種型號的 PLC 產(chǎn)品對工業(yè)應(yīng)用環(huán)境、抗 干擾性等條目都給出了明確的規(guī)定。但是，這些標(biāo)準(zhǔn)目前只能是統(tǒng)一區(qū)域性的產(chǎn)品，而不能實現(xiàn)全球的統(tǒng)一性。為了使各廠家的產(chǎn)品有一個共同的參考平面，制定了國際標(biāo)準(zhǔn)。 b) CPU 處理速度進(jìn)一步加快 。 目前 PLC 的 CPU 與微型計算機(jī)的 CPU 相比，還處在比較落后的地步，最高的也僅僅處在 80486 一級。將來會全部使用 64 位 RISC 芯片，實現(xiàn)多 CPU 并行處理或分時處理或分任務(wù)處理，實現(xiàn)各種模塊智能化，且部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化。這樣PLC 執(zhí)行指令的速度將達(dá)到納秒級。 c) 可編程控制技術(shù)的智能化 。 提高一個系統(tǒng)的智能程度不僅提高系統(tǒng) 的品質(zhì)，在某種意義上也提高了系統(tǒng)的可靠性。 d) 系統(tǒng)的開放性和兼容性 。 開放性和兼容性是不可分割的而且是相輔相成的概念。一方面是某一產(chǎn)品和第三家同類產(chǎn)品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系統(tǒng)尤其是軟件上的開發(fā)平臺對使用者有多大的開放程度。當(dāng)今可編程控制產(chǎn)品種類繁多，加上自動化項目越來越大，致使常常在一個工程項目中出現(xiàn)不同廠家的產(chǎn)品做主從站的現(xiàn)象，這就要求每一廠家的產(chǎn)品族中，都要考慮到和其他廠家產(chǎn)品的兼容性問題 ；另一方面，可編程控制器與工業(yè)控制機(jī)等其他裝置的通信難易也體現(xiàn)了開放性的特點。除此之外，同一廠家產(chǎn)品族中 的各系列產(chǎn)品兼容性也代表了可編程控制產(chǎn)品的水平。 e) 通用性和專業(yè)化的結(jié)合 。 可編程控制產(chǎn)品是通用的。但是工業(yè)的每一領(lǐng)域都有其自己的特點。怎樣才能使一個系統(tǒng)既具有通用性又具備專業(yè)化呢 ?硬件系統(tǒng)的模塊化便是解決這一矛盾的鑰匙。這樣，適合于某個行業(yè)或某些特殊問題的專用模塊就可以很容易地集成到通用系統(tǒng)中去。常用的專用模塊包括 :定位模塊、溫度測量模塊、高速采樣模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等。 f) 可靠性進(jìn)一步提高 。 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 6 隨著 PLC 進(jìn)入過程控制的領(lǐng)域，對 PLC 可靠性的要求進(jìn)一步提高。硬件冗余的容錯技術(shù)將進(jìn)一步得到應(yīng)用，不僅會有 CPU 單元冗 余、通信單元冗余、電源單元冗余、I/0 單元冗余、而且整個系統(tǒng)都會實現(xiàn)冗余。但從根本上來講，系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)各單元的可靠程度。要保證整個系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，首先要求系統(tǒng)各單元的質(zhì)量要得到保證。 MTBF(平均無故障時間 )是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)?？v觀各著名廠商，其 PLC產(chǎn)品都有不同程度的冗余功能，而且發(fā)展越來越完善。 g) 控制系統(tǒng)分散化 。 根據(jù)分散控制、集中管理的原則， PLC 控制系統(tǒng)的 I/0 模塊將直接安裝在控制現(xiàn)場，通過通信電纜或光纖與主 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這樣使控制更有效，系統(tǒng)更可靠。 h) 控制與管理功能一體化 。 為了滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的控制與管理的需要， PLC 將廣泛采用計算機(jī)信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，使 PLC 系統(tǒng)的生產(chǎn)控制功能和信息管理功能融為一體。 綜上所述，我們不難得出下面幾個結(jié)論 ： 1) 工控機(jī)、計算機(jī)集散控制系統(tǒng)及 PLC 正在走著一條相互融合的道路 。 2) 系統(tǒng)的智能性將越來越重要，因此系統(tǒng)的分析運(yùn)算能力將越來越強(qiáng) 。 3) 智能分布式控制是可編程控制系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線的新型控制思想。 4) 通用性、高度專業(yè)化的融合是可編程控制系統(tǒng)的新特征。 1.4 課題的主要研究內(nèi)容 課題所研究的內(nèi)容主要是用可編程控制器 (PLC)設(shè)計 水廠虹吸刮泥機(jī)自動控制系統(tǒng)。 針對老式 虹吸刮泥機(jī) 采用的繼電器邏輯控制方式存在功能差和工作壽命短等缺陷，提出采用功能強(qiáng)、故障率低、弱、故障 少 、可靠性高的可編程控制器 (PLC)來控制 刮泥機(jī) 。 論文的主要內(nèi)容如下 ： 首先對虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)及可編程控制器（ PLC）作了比較全面的總結(jié)和介紹。簡述了虹吸刮泥機(jī)的工藝流程，分析了自來水廠虹吸刮泥機(jī)過程對控制系統(tǒng)的控制要求，確定了虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的總體控制方案，完成了可編程控制器（ PLC）的選擇。然后，完成了 PLC 的選型， I/O 點數(shù)分配，完成了虹吸刮泥機(jī)基于 PLC 控制的 電氣 接線 圖。在分析虹吸刮泥機(jī) 的軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計出了軟件流程圖，控制系統(tǒng)的梯形圖，編寫了程序。 1.5 本章小結(jié) 第一章 緒論 7 本章闡述了課題的來源和意義，對常規(guī)繼電器和 PLC 作了分析和比較，提出了 PLC控制虹吸刮泥機(jī)的優(yōu)點，也確定了本課題討論的主要內(nèi)容。本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 8 第二章 虹吸刮泥機(jī)設(shè)備 介紹 2.1 刮泥 機(jī) 簡介 沉淀池的排泥是運(yùn)轉(zhuǎn)中的重要問題，它關(guān)系到沉淀池的正常運(yùn)行。排泥設(shè)備有兩種，一種是穿孔排泥管，另一種是刮泥機(jī)。穿孔排泥是一種較為簡易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反應(yīng)池，它是利用沉淀池的水壓力，做到無需停池排泥，簡單、 方便。 刮泥機(jī)是機(jī)械排泥的一種形式，它主要由電動機(jī)、變速箱、鋼桁架、軸流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等組成。它是原理也相當(dāng)簡單，電動機(jī)拖動鋼桁架，桁架沿著導(dǎo)軌運(yùn)動，刮泥板將池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口處，軸流泵將壓力水充滿虹吸管產(chǎn)生虹吸，虹吸管就能將池底的淤泥連續(xù)不斷地吸到池外了。 由此得知，刮泥機(jī)是自來水廠制水工藝上的 一種重要的電氣設(shè)備，其能否正常運(yùn)行是直接影響到生產(chǎn)運(yùn)作，影響到自來水廠自動化的正?？刂啤?2.1.1 刮泥機(jī)系統(tǒng)組成 a) 刮泥機(jī) 刮泥機(jī)布置在水下，采用 V 型刮板，刮板高 0.45m。為防止池底不平 整和減少磨損，下襯 10mm 厚， 400mm 高橡膠板。刮泥機(jī)跨度約 7 米，車輪直徑 D 200mm。軌道高出池底 15cm，滾輪中心距池底 40cm，形成懸掛式刮泥機(jī)。這樣可使?jié)L輪軸套等離開泥漿區(qū)，減少泥砂進(jìn)入 2。如圖 2.1 所示： 第二章 虹吸刮泥機(jī)設(shè)備介紹 9 水下滑輪和刮泥機(jī)車輪均采用滾動軸承裝置 ，為防止污泥進(jìn)入軸承箱，采用石棉盤根密封裝置，見圖 2.2。這樣，只需要五年更換一次軸承箱內(nèi)的潤滑油脂。 b) 鋼絲繩 刮泥機(jī)通過鋼絲繩牽引，由于長期浸于水下，不宜采用鍍鋅鋼絲繩，因鍍鋅層出現(xiàn)裂紋時反而會由于雙金屬的電化學(xué)作用而加速腐蝕。故選用 10mm不銹鋼鋼絲繩 4 根。但干、濕交替運(yùn)行，腐蝕和溫度仍是其重要影響因素。 c) 慢動式卷揚(yáng)機(jī) 慢動式卷揚(yáng)機(jī)兩臺，布置在池中部的走道平臺上，各臺傳動功率 1.0Kw。在兩根鋼絲繩的牽引下，保持兩臺卷揚(yáng)機(jī)同步，使兩端受力均勻，以防刮泥機(jī)出軌。 2.1.2 刮泥機(jī)的工作 狀況 刮泥機(jī)運(yùn)行方向垂直于水流方向，行駛速度為 0.8m/min。在沉淀池兩側(cè)沿池長方向布置集泥槽兩條。喇叭口吸泥管（ DN250）放置槽中，穿孔排泥管與刮泥機(jī)聯(lián)動，當(dāng)刮泥板將泥刮至集泥槽邊緣時，大量污泥擁入集泥槽，開啟快開排泥閥，將稀釋的泥水抽吸輸送至池外排泥 渠。如圖 2.3 所示： 1 一套刮泥機(jī)（池底軌道上） 2 四套水下導(dǎo)向滑輪組（與池壁預(yù)埋件定位） 3 四套水上導(dǎo)向張緊滑輪組（與池壁預(yù)埋件定位） 4 兩套卷筒裝置（池頂走道板上） 5 兩套減速電機(jī)（池頂走道板上） 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 10 6 四根不銹鋼鋼絲繩（連接刮泥機(jī)與卷揚(yáng)筒） 2.2 虹吸刮泥機(jī)的工作原理 2.2.1 虹吸原理 就是連通器的原理，加在密閉容器里液體上的壓強(qiáng)，處處都相等。而虹吸管里灌滿水，沒有氣，來水端水位高，出水口用手掌或其他物體封閉住。此時管內(nèi)壓強(qiáng)處處相等。一切安置好后，打開出水口，雖然兩邊的大氣 壓相等，但是來水端的水位高，壓強(qiáng)大，推動來水不斷流出出水口。 2.2.2 虹吸刮泥機(jī)工作原理 安裝在沉淀池上的刮泥機(jī)是采用虹吸進(jìn)行吸泥的，故稱之為虹吸刮泥機(jī)。刮泥機(jī)主要由虹吸管、軸流泵、行走電動裝置、刮泥機(jī)體等主要部件組成。起動軸流泵抽水，水灌射入虹吸管，從另一端射出，從而產(chǎn)生虹吸吸力，慢慢地吸走虹吸管中的空氣，當(dāng)虹吸管形成比較強(qiáng)的真空吸力后，就可以把沉積在沉淀池底的淤泥與水的混合物吸入虹吸管，排放到沉淀池外的排污溝，這個過程稱之為虹吸刮泥 3。當(dāng)虹吸形成之后，刮泥機(jī)開始向前運(yùn)行吸泥，當(dāng)刮泥機(jī)到達(dá)預(yù)定的行程 之后，開始破壞虹吸，即打開破壞虹吸電磁閥，讓空氣進(jìn)入虹吸管，破壞虹吸管內(nèi)的真空度，從而使虹吸管停止吸泥。當(dāng)虹吸被破壞后，刮泥機(jī)往初始的方向返回，到初始位置后停止運(yùn)行，就完成了一次的虹吸刮泥過程。 第二章 虹吸刮泥機(jī)設(shè)備介紹 11 2.3 刮泥機(jī)控制方式 虹吸刮泥機(jī)控制系統(tǒng)分手動和自動兩種控制方式。行程開關(guān)與卷揚(yáng)機(jī)相連，自動控制其往復(fù)行程 ，并采用變頻調(diào)速控制速度。手動控制采用現(xiàn)場電控箱，進(jìn)行開 /?？刂?；自動系統(tǒng)由微型計算機(jī)和 PLC 站組成，兩級分布式集中管理、分散控制的 SCADA。 PLC通過編制程序直接控制刮泥機(jī)運(yùn)行，監(jiān)控計算機(jī)通過組太軟件可 控制刮泥機(jī)運(yùn)行，并對運(yùn)行速度和時間等工藝參數(shù)進(jìn)行實時顯示、記錄、存儲、分析、打印，并對事故狀態(tài)進(jìn)行報警。 2.4 刮泥機(jī)常規(guī)操作 2.4.1 現(xiàn)場自動開刮泥機(jī)操作 規(guī)范 a) 送上刮泥機(jī)的電源（電源燈亮）； b) 將切換開關(guān)“程 /點 /運(yùn)”切換到“運(yùn)”狀態(tài)； c) 用選擇開關(guān)“ I/III/II”，選擇刮泥機(jī)的行程； d) 點按“運(yùn)行”按鈕，刮泥機(jī)自動刮泥。 2.4.2 手動方式開刮泥機(jī)操作 a) 送上刮泥機(jī)的電源（電源燈亮）； b) 將切換開關(guān)“程 /點 /運(yùn)”切換到“點”狀態(tài)； c) 用選擇開關(guān)“ I/III/II，選擇刮泥機(jī)的行程； d) 按住“開虹吸泵”按鈕， 開啟虹吸泵，直到真空表為 -0.035MPa 時止； e) 虹吸形成后，按住“行車向前”按鈕，使刮泥機(jī)向前刮泥； f) 刮泥完成后，按住“破壞虹吸”按鈕，破壞虹吸； g) 按住“行車后退”按鈕，使刮泥機(jī)返回到原位。 2.5 本章小結(jié) 簡述了刮泥機(jī)系統(tǒng)的組成和虹吸刮泥機(jī)的工作原理，介紹了刮泥機(jī)的控制方式和操作規(guī)范。本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 12 第三章 PLC 基本原理 和 系統(tǒng)設(shè)計 方法介紹 3.1 PLC 基本工作原理 PLC 雖然具有微機(jī)的許多優(yōu)點，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或 I/O 掃描方式，有鍵按 下或 I/O 動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。 PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式，在 PLC中，用戶程序按先后順序存放， CPU 從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應(yīng)的控制信號。這個工作過程分為五個階段 :自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新 4。其工作過程框圖如圖 3.1 所示。 圖 3.1 PLC 的工作過程 框圖 a) 每次掃描用戶程序之一前，都先執(zhí) 行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為 I/0 部分、存儲器、 CPU 等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 b) PLC 檢查是否有與編程器和計算機(jī)的通信請求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，如接收編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有與計算機(jī)等的通信請求，也在這段時間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。 c) PLC 的中央處理器對各個輸入端進(jìn)行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。 d) 中央處理器 CPU 將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài) (這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù) )進(jìn)行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。 e) 當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。 PLC 經(jīng)過這五個階段的工作過程，稱為一個掃描周期，完成一個掃描周期后， 又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行。 PLC 與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按并第三章 PLC 基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 13 行方式工作的，也就是說是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電 器同時動作，而 PLC 是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說 PLC 是以串行方式工作。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點競爭和時序失配的問題。 3.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu) 用可編程控制器實施控制，其實質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實現(xiàn)可以說是 PLC 實施控制的兩個基本點，而輸入輸出變換實際上就是信息處理。物理實現(xiàn)要求 PLC 的輸入應(yīng)當(dāng)排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，而輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使 用。這就要求 I/O系統(tǒng)電路專門設(shè)計。根據(jù) PLC 實施控制的基本點的分析， PLC 采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是 CPU, RAM, ROM 和專門設(shè)計的輸入輸出接口電路等組成 5。如圖 3.2 所示。 圖 3.2 PLC 的一般結(jié)構(gòu) 圖 a) 中央處理機(jī) 中央處理機(jī)是 PLC 的大腦，它由中央處理器 (CPU)組成。 中央處理器 (CPU)一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。 CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出 (VO)接口電路相連接。 b) 存儲器 存儲器是具有一記憶功能的半導(dǎo)體電 路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。 系統(tǒng)程序是用來控制和完成 PLC 各種功能的程序，這些程序是由 PLC 制造廠家用本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 14 相應(yīng) CPU 的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到 ROM 中。 用戶程序存儲器用來存放由編程器或計算機(jī)輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過編程器或計算機(jī)修改或增刪。 c) 輸入接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路一般有光電禍合電路和微電腦輸入接口電路組成。 1) 光 耦 合電路 ： 由于輸入和輸出端是靠光信號禍合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號不會反饋到輸入端，也不 會產(chǎn)生地線干擾或其它串?dāng)_。同時，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于 PLC在現(xiàn)場信號的輸入環(huán)節(jié)采用了光電 耦 合，因而增強(qiáng)了抗干擾能力。 2) 微電腦輸入接口電路 ： 它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一個芯片上?，F(xiàn)場的輸入信號通過光電 耦 合送到數(shù)據(jù)寄存器，然后通過數(shù)據(jù)總線送給 CPU。 d) 輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 1) 微電腦輸出接口電路 ： 一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請 求電路集成而成。 CPU 通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。 2) 功率放大電路 ： 是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。 PLC 一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。 除了上面介紹的幾個主要部件外， PLC 還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及 A/D , D/A 串行通信模塊等，可以方便地用電纜進(jìn)行連接 。 3.3 PLC 模塊 化 結(jié)構(gòu) 分析 可編程控制器都采用模塊化設(shè)計，模塊化可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)。即把 CPU、信號的 采集和輸出都做成一個一個相對獨立的模塊，模塊之間需要用機(jī)架將各模塊聯(lián)乘整體 。 一個 PLC 系統(tǒng)可包括以下幾種模塊類型 ： a) 電源模塊 現(xiàn)代 PLC 一般都配有開關(guān)式穩(wěn)定電源，可供內(nèi)部電路使用，也有一部分電源還可以向外提供 24V 的直流電源，給開關(guān)量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關(guān)使用，或給外部傳感器供電，應(yīng)當(dāng)說明的是，要用多大功率的電源是根據(jù)內(nèi)部電路和外部供電的電流數(shù)之和來決定的 。 即先確定模塊的個數(shù)和種類，也就確定它們所消耗的電流之和，從而才第三章 PLC 基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 15 能確定使用什么樣的電源。 b) 中央處理器模塊 CPU 板是整個 PLC 的中央處理單元，是 PLC 的運(yùn)算控制中心 。 CPU 板由微處理器 、存儲器、系統(tǒng)控制電路、 I/O 控制接口電路、編程器接口及通信接口電路組成，其中存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用于存放 PLC 的系統(tǒng)程序和系統(tǒng)工作的參數(shù)。用戶存儲器用于存放用戶編制的程序和工作數(shù)據(jù)。 c) 通訊處理器（ CP）模塊 當(dāng)今較為先進(jìn)的 PLC 的結(jié)構(gòu)基本上都是屬于總線型結(jié)構(gòu) 。 即無論是上位機(jī)還是下位機(jī)都被看作總線上一個一個處理單元。它們都是通過通信處理器串聯(lián)在總線上的。總線的大量數(shù)據(jù)都是通過通信處理器來進(jìn)行通信。 d) 信號模塊 實際生產(chǎn)中的信號電平是多種多樣的。而可編 程控制器的 CPU 所處理的只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，正式通過 I/O 接口實現(xiàn)了這種信號電平的轉(zhuǎn)換。 e) 擴(kuò)展模板 用于中央控制器和擴(kuò)展單元的連接。為了便于以后的擴(kuò)展，還提供通訊接，口存儲接口，編程接口。當(dāng)用戶所需要的 I/O 點數(shù)或類型超出主機(jī)上的點或類型時，可以通過加接 I/O 擴(kuò)展單元來解決。主機(jī)與 I/O 擴(kuò)展單元是通過擴(kuò)展口連接的。 f) 編程接口 PLC 的設(shè)定以及監(jiān)視控制處理程序的編寫一般都由一臺編程計算機(jī) (PG)來完成。所謂的編程實際上既可以是一臺單獨的計算機(jī)，也可以是上位機(jī)。但它們都有一個相同的特點，就是裝有 PLC 的編程組態(tài)軟件 。所有的組態(tài)和 PLC 的編程都是由編程計算機(jī)來處理，然后通過編程接口下載到 PLC 中去。編程計算機(jī)也可以通過編程接口讀出下位機(jī)的組態(tài)數(shù)據(jù)和程序。 3.4 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 任何一種電器控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此在設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則： a) 最大限度地滿足被控對象的控制要求 6，設(shè)計前應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，并與工藝的設(shè)計人員和實際操作人員密切配合，共同擬定控制方案。 b) 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單 ,經(jīng)濟(jì) ,使用和維 修方便。 c) 保證控制系統(tǒng)的安全與可靠。 d) 考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn) ,在選擇 PLC 容量時 ,應(yīng)適當(dāng)留有裕量。 3.5 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的步驟 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 16 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟如圖 3.3 所示： 確定用戶 I/O 設(shè)備 選擇 PLC 分配 I/O，設(shè)計 I/O 連接圖 繪制流程圖 設(shè)計控制臺 設(shè)計梯形圖 調(diào)試 現(xiàn)場連線 修改 聯(lián)機(jī)調(diào)試 滿足要求 YES NO NO PLC 程序設(shè)計 YES 編制技術(shù)文件 交付使用 圖 3.3 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 工藝流程 分析控制要求 滿 足要求 NO 第三章 PLC 基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 17 在編寫和實現(xiàn)一個控制方案時，組織是關(guān)鍵。項目越大，組織工作越多，尤其當(dāng)多人參與編程時，更要注意各方面的規(guī)劃，對于具體的控制功能，解決問題的方法有很多種，但是如果以系統(tǒng)方式完 成應(yīng)用程序，出錯的可能性就會減少。所以，設(shè)計好系統(tǒng)的步驟是很重要的。 步驟如下所示： a) 分析被控對象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。 b) 確定輸入輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與 PLC 有關(guān)的輸入 /輸出設(shè)備，以確定 PLC 的 I/O 點數(shù)。 c) 選擇 PLC PLC 選擇包括對 PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源等的選擇 . d) 分配 I/O 點并設(shè)計 PLC 外圍硬件線路 1) 分配 I/O 點 畫出 PLC 的 I/O 點與輸入輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第步中進(jìn)行。 2) 設(shè)計 PLC 外圍硬件線路 畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入 PLC 的控制電路等。由 PLC的 I/O 連接圖和 PLC 外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 e) 程序設(shè)計 1) 程序設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計 PLC 程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn) 各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能。除此之外，程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： 初始化程序。 在 PLC 上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準(zhǔn)備，避免系統(tǒng)發(fā)生錯誤動作 , 初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進(jìn)行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進(jìn)行顯示等等 . 檢測、故障診斷和顯示等程序。 這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。 保護(hù)和連鎖程序。 保護(hù)和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認(rèn)真加以考慮。它可以避免由于非法操本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 18 作而 引起的控制邏輯混亂 . 2) 程序模擬調(diào)試 程序模擬調(diào)試的基本思想是，以方便的形式模擬產(chǎn)生現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運(yùn)行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式 . 硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺 PLC 或一些輸入器件等）模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到 PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強(qiáng)。 軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能。 f) 硬件實 施 硬件實施方面主要是進(jìn)行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。主要內(nèi)容有： 1) 設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖。 2) 設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖。 3) 根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。 g) 聯(lián)機(jī)調(diào)試 聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從 PLC 只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可 h) 整理和編寫技術(shù)文獻(xiàn) 技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 程序以及使用說明書等。 3.6 提高 PLC 控制系統(tǒng) 可靠性的措施 雖然 PLC 具有很高的可靠性，并且有很強(qiáng)的抗干擾能力，但在過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當(dāng)?shù)惹闆r下，都有可能引起 PLC 內(nèi)部信息的破壞而導(dǎo)致控制混亂，甚至造成內(nèi)部元件損壞。為了提高 PLC 系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，使用時應(yīng)注意以下幾個方面的問題。 a) 適合的工作環(huán)境 1) 環(huán)境溫度適宜。 各生產(chǎn)廠家對 PLC 的環(huán)境溫度都有一定的規(guī)定。通常 PLC 允許的環(huán)境溫度約在055 C。因此，安裝時不要把發(fā)熱量大的元件放在 PLC 的下方； PLC 四周要有足夠的通風(fēng)散熱空間；不要把 PLC 安裝在陽光直接照射或離暖氣、加熱器、大功率電源等第三章 PLC 基本原理和系統(tǒng)設(shè)計方法介紹 19 發(fā)熱器件很近的場所；安裝 PLC 的控制柜最好有通風(fēng)的百葉窗，如果控制柜溫度太高，應(yīng)該在柜內(nèi)安裝風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)。 2) 注意環(huán)境污染。 不宜把 PLC 安裝在有大量污染物（如灰塵、油煙、鐵粉等）、腐燭性氣體和可燃性氣體的場所，尤其是有腐蝕性氣體的地方，易造成元件及印刷線路板的腐蝕。如果只能安裝在這種場所，在溫度允許的條件下，可以將 PLC 封閉；或?qū)?PLC 安裝在密閉性較高的控制室內(nèi)，并安裝空氣凈化裝置。 3) 遠(yuǎn)離振動和沖擊源。 安裝 PLC 的控制柜應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離有強(qiáng)烈振動和沖擊場所，尤其是連 續(xù)、頻繁的振動。必要時可以采取相應(yīng)措施來減輕振動和沖擊的影響，以免造成接線或插件的松動。 4) 遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源。 PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，如大功率晶閘管裝置、高頻設(shè)備和大型動力設(shè)備等，同時PLC 還應(yīng)該遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場和強(qiáng)放射源，以及易產(chǎn)生強(qiáng)靜電的地方。 b) 合理的安裝與布線 1) 注意電源安裝。 電源是干擾進(jìn)入 PLC 的主要途徑。 PLC 系統(tǒng)的電源有兩類：外部電源和內(nèi)部電源。外部電源是用來驅(qū)動 PLC 輸出設(shè)備 (負(fù)載 )和提供輸入信號的，外部電源的容量與性能由輸出設(shè)備和 PLC 的輸入電路決定。由于 PLC 的 I O 電路都具有濾波、隔離功能，所以外 部電源對 PLC 性能影響不大 7。因此，對外部電源的要求不高。內(nèi)部電源是 PLC的工作電源，即 PLC 內(nèi)部電路的工作電源。它的性能好壞直接影響到 PLC 的可靠性。因此，為了保證 PLC 的正常工作，對內(nèi)部電源有較高的要求。一般 PLC 的內(nèi)部電源都采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源或原邊帶低通濾波器的穩(wěn)壓電源。在干擾較強(qiáng)或可靠性要求較高的場合，應(yīng)該用帶屏蔽層的隔離變壓器，對 PLC 系統(tǒng)供電。還可以在隔離變壓器二次側(cè)串接 LC 濾波電路。同時，在安裝時還應(yīng)注意以下問題：隔離變壓器與 PLC 和 I/O 電源之間最好采用雙絞線連接，以控制串模干擾；系統(tǒng)的 動力線應(yīng)足夠粗，以降低大容量設(shè)備起動時引起的線路壓降； PLC 輸入電路用外接直流電源時，最好采用穩(wěn)壓電源，以保證正確的輸入信號。否則可能使 PLC 接收到錯誤的信號。 2) 遠(yuǎn)離高壓。 PLC 不能在高壓電器和高壓電源線附近安裝，更不能與高壓電器安裝在同一個控制柜內(nèi)。在柜內(nèi) PLC 應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電源線，二者間距離應(yīng)大于 200mm。 合理的布線。 I/O 線、動力線及其它控制線應(yīng)分開走線，盡量不要在同一線槽中布線。交流線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線。開關(guān)量與模擬量的 /線最好分開走線，對于傳送模擬量信號的 /線最好用屏 蔽線，且屏蔽線的屏敝層應(yīng)一端接地。 PLC 的基本單元與擴(kuò)展單元之間電纜傳送的信號小、頻率高，很容易受干擾，不能與其它的連線敷埋本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 20 在同一線槽內(nèi)。 PLC 的 I/O 回路配線，必須使用壓接端子或單股線，不宜用多股絞合線直接與 PLC 的接線端于連接，否則容易出現(xiàn)火花。 c) 正確的接地。 良好的接地是 PLC 安全可靠運(yùn)行的重要條件。為了抑制干擾， PLC 一般最好單獨接地，與其它設(shè)備分別使用各自的接地裝置，也可以采用公共接地。 PLC 的接地線應(yīng)盡量短，使接地點盡量靠近 PLC。 d) 必須的安全保護(hù)環(huán)節(jié) 1) 短路保護(hù)。 當(dāng) PLC 輸出設(shè)備短路時，為了避 免 PLC 內(nèi)部輸出元件損壞，應(yīng)該在 PLC 外部輸出回路中裝上熔斷器，進(jìn)行短路保護(hù)。最好在每個負(fù)載的回路中都裝上熔斷器。 2) 互鎖與聯(lián)鎖措施。 除在程序中保證電路的互鎖關(guān)系， PLC 外部接線中還應(yīng)該采取硬件的互鎖措施，以確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，如電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制，要利用接觸器 KM1、 KM2 常閉觸點在 PLC 外部進(jìn)行互鎖。在不同電機(jī)或電器之間有聯(lián)鎖要求時，最好也在 PLC 外部進(jìn)行硬件聯(lián)鎖。采用 PLC 外部的硬件進(jìn)行互鎖與聯(lián)鎖，這是 PLC 控制系統(tǒng)中常用的做法 3) 失壓保護(hù)與緊急停車措施。 e) 必要的軟件措施 有時硬件措施不一定完全消除 干擾的影響，采用一定的軟件措施加以配合，對提高PLC 控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性起到很好的作用。 1) 消除開關(guān)量輸入信號抖動。 在實際應(yīng)用中，有些開關(guān)輸入信號接通時，由于外界的干擾而出現(xiàn)時通時斷的“抖動”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在繼電器系統(tǒng)中由于繼電器的電磁慣性一般不會造成什么影響，但在 PLC 系統(tǒng)中，由于 PLC 掃描工作的速度快，掃描周期比實際繼電器的動作時間短得多，所以抖動信號就可能被 PLC 檢測到，從而造成錯誤的結(jié)果。因此，必須對某些“抖動”信號進(jìn)行處理，以保證系統(tǒng)正常工作。 2) 故障的檢測與診斷。 PLC 的可靠性很高且本身 有很完善的自診斷功能，如果 PLC 出現(xiàn)故障，借助自診斷程序可以方便地找到故障的原因，排除后就可以恢復(fù)正常工作 8。 3.7 本章小結(jié) 本章介紹了 PLC 的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，也闡述了 PLC 系統(tǒng)設(shè)計的原則、步驟 ，另外講述了 PLC 系統(tǒng)可靠性的提高。第四章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計 21 第四章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計 4.1 水廠的工藝流程 水廠水處理基本過程如下圖 4.1 所示： 水廠的源水通過干渠輸送到水廠。源水進(jìn)入廠區(qū)后，先進(jìn)行前加氯，接著進(jìn)入凈水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是水廠的核心部分， 由凈水構(gòu)筑物及投加系統(tǒng)組成。凈水構(gòu)筑物指的是反應(yīng)池、沉淀池、濾池、清水池等一系列的工藝水池；而凈水處理所需投放的凈水劑及其投放設(shè)備、控制系統(tǒng)構(gòu)成了水廠投加系統(tǒng)的主體。從工藝流程上看，凈水處理通常包括澄清和消毒兩大部分。澄清的重要流程為：在源水中投入適量的混凝劑，在混合槽中經(jīng)過快速攪拌后，混合了混凝劑的水進(jìn)入折板反應(yīng)池，水中均勻分布的雜質(zhì)顆粒逐步凝結(jié)形成較大的、易于沉降的顆粒，顆粒經(jīng)過沉淀池時，被沉淀、收集、排除。這一過水庫 調(diào)節(jié)水庫 混合槽 折板反應(yīng)池 平流沉淀池 濾池 源水 回收水 排淤系統(tǒng) 后投氯點 清水池 吸水井 清水泵 城市供水管網(wǎng)wang 網(wǎng) 出廠水 投礬點 前投氯點 水廠 圖 4.1 水廠工藝流程圖 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 22 程使渾濁的河水變成較清澈的待濾水。待濾水進(jìn)入濾池后，殘余的雜質(zhì)顆粒被過濾掉，過濾后的水隨即 進(jìn)入消毒流程，即投加適量的消毒劑，用以殺滅水中的細(xì)菌，并使自來水出廠后仍保留一定的消毒能力。成品水進(jìn)入清水池后，最后經(jīng)吸水井由清水泵房的泵機(jī)加壓進(jìn)入城市供水管網(wǎng)，則可以飲用。 4.1.1 平流沉淀池 平流式沉淀池的表面為矩形水池，如圖 4.2 所示。其上部為沉淀區(qū)，下部為污泥區(qū)，原水經(jīng)混凝過后的水從前部的進(jìn)水區(qū)進(jìn)入沉淀池，緩緩向前流動，固體懸浮物 (礬花 )慢慢地沉到池底，最后從出水區(qū)流出，利用重力達(dá)到固液分離的效果 9。 圖 4.2 平流式沉淀池立面圖 一般來說，為了達(dá)到較好的沉淀效果，給水處理廠沉淀池一般都 會采用整流措施，使得整個沉淀池內(nèi)的水流流動平穩(wěn)以有利于沉淀。如圖 2 中的穿孔花墻，以便水流能在進(jìn)入時在整個截面上均勻分布，達(dá)到整流的目的。 平流式沉淀池多用混凝土筑造，也可用磚石圬工結(jié)構(gòu)，或用磚石襯砌的土池。平流式沉淀池構(gòu)造簡單，沉淀效果好，工作性能穩(wěn)定，使用廣泛，但占地面積較大。若加設(shè)刮泥機(jī)或?qū)Ρ戎剌^大沉渣采用機(jī)械排除，可提高沉淀池工作效率。 4.1.2 平流沉淀池的排泥 沉淀過程是大量去除水中懸浮物和雜質(zhì)的重要過程。沉淀過程的好壞直接關(guān)系到整個水處理工藝的優(yōu)劣。沉淀過后出水濁度的高低，對后續(xù)進(jìn)行的過濾過程影 響很大，沉淀過后出水濁度較大將加重過濾的負(fù)荷，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本的提高和出水效果的不理想 ；若沉淀效果良好，大量的懸浮物和雜質(zhì)在沉淀中被去除，這樣就能提高出水質(zhì)量，降低成本。 沉淀所積累的污泥 需要 連續(xù)或定期被排出池外。 所以沉淀池的排泥是運(yùn)轉(zhuǎn)中的重要問題，它關(guān)系到沉淀池的正常運(yùn)行。 排泥設(shè)備有兩種，一種是穿孔排泥管，另一種是刮泥機(jī)。穿孔排泥是一種較為簡易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反應(yīng)池， 和沉淀池的進(jìn)口處 。它是利用沉淀池的水壓力，做到無需停池排泥，簡單、方便。 刮泥機(jī)是機(jī)械排泥的一種形式，它主要由電動機(jī)、變速箱、鋼桁架、軸 流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等組成。它是原理也相當(dāng)簡單，電動機(jī)拖動鋼桁架，桁架沿著導(dǎo)軌運(yùn)動，刮泥板將池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口處，軸流泵將壓力水充滿虹吸管產(chǎn)生虹吸，虹吸管就能將池底的淤泥連續(xù)不斷地吸到池外了 9。 第四章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)控制要求及其總體控制方案設(shè)計 23 4.2 虹吸刮泥機(jī)的控制要求 虹吸刮 泥機(jī)控制系統(tǒng)分手動和自動兩種控制方式。行程開關(guān)與卷揚(yáng)機(jī)相連，自動控制其往復(fù)行程 ，并采用變頻調(diào)速控制速度。手動控制采用現(xiàn)場電控箱，進(jìn)行開 /?？刂?；自動系統(tǒng)由微型計算機(jī)和 PLC 站組成，兩級分布式集中管理、分散控制的 SCADA。 PLC通過編制程序直接控制 刮泥機(jī)運(yùn)行，監(jiān)控計算機(jī)通過組太軟件可控制刮泥機(jī)運(yùn)行，并對運(yùn)行速度和時間等工藝參數(shù)進(jìn)行實時顯示、記錄、存儲、分析、打印，并對事故狀態(tài)進(jìn)行報警。 具體控制如下： a) 刮泥機(jī)實現(xiàn)手動 /自動兩種控制方式的切換； b) 以硬接點的形式向遠(yuǎn)方監(jiān)視系統(tǒng)傳送刮泥機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及故障信號； c) 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) 自診斷功能，包括 PLC 本身； d) 故障提示報警功能，實現(xiàn)故障停機(jī)； e) 運(yùn)行行程的控制和 定時工作功能。 4.3 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)總體方案 確定 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)設(shè)計需要考慮幾個方面：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠；操作簡單，維護(hù)方便；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能，維護(hù)費(fèi)用 低；性價比高；適應(yīng)以后發(fā)展的需要。 基于以上的考慮，和系統(tǒng)本身的控制要求，決定采用 本自控系統(tǒng)采用了 PC+PLC模式。可編程序控制器 PLC 具有可靠、靈活、功能齊全等優(yōu)點，適用于包含邏輯控制、順序控制和批處理控制等許多復(fù)雜算法的系統(tǒng)。 PLC 主要任務(wù)是進(jìn)行運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的采集及處理。它通過相應(yīng)的模擬量，開關(guān)量通過輸入卡采集一次儀表以及反應(yīng)各類執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)的電信號數(shù)據(jù)，并對其中的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面將數(shù)據(jù)通過自身的通訊借接口上傳到本站的 PC 機(jī)，另一方面將有關(guān)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的模擬量，開關(guān)量輸出卡傳送到個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。上位 PC 機(jī)的主要任務(wù)是借助于組態(tài)軟件和 PLC內(nèi)的控制程序完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分析和計算功能，保證和維持執(zhí)行級中各個 PLC 的正常運(yùn)行，從而實現(xiàn)對工藝工程的連鎖保護(hù)及整個運(yùn)行過程的控制。 4.4 本章小結(jié) 本章介紹了水廠工藝過程，提出了虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)控制要求，確定了虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 24 第五章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的 硬件 設(shè)計 5.1 PLC 控制系統(tǒng) I/O 點數(shù)的確定 根據(jù)前面對虹吸刮泥機(jī)的工作狀況和設(shè)備對 PLC 控制系統(tǒng)要求的分析，確定出虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)所需 I/O 點數(shù)，下面是 統(tǒng)計結(jié)果： 數(shù)字量輸入控制點數(shù)（即 DI 點數(shù)）為： 9 數(shù)字量輸出控制點（ DO 點數(shù)）為： 5 數(shù)字量輸入控制信號分別為： 啟動開機(jī)信號 ； 虹吸已被破壞信號 ； 虹吸已形成信號 ；前進(jìn)到位信號 ； 后退到位信號 ； 刮泥機(jī)故障信號 ； 預(yù)設(shè) 1/3 行程信號 ； 預(yù)設(shè) 2/3 行程信號 ； 現(xiàn)場 PLC 自動控制信號 。 數(shù)字輸出 命令分別為： 虹吸形成命令 ； 刮泥機(jī)后退命令 ； 刮泥機(jī)前進(jìn)命令 ； 開虹吸泵命令 ； 破壞虹吸命令 。 5.2 PLC 的選擇 PLC 是 虹吸刮泥 控制系統(tǒng)的核心， PLC 的選擇十分重要。 PLC 的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價 格等各有不同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。 PLC 的選擇應(yīng)包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等幾個方面。 5.2.1 機(jī)型選擇 機(jī)型選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性價比。 結(jié)構(gòu)合理 ： 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好 (維修量較小 )的場合，選用整體式結(jié)構(gòu) PLC； 其他情況則選用模塊式結(jié)構(gòu) PLC。 功能、 規(guī)模相當(dāng) ： 對于開關(guān)量控制的工程項目，對其控制速度無須考慮，一般的 低檔機(jī)就能滿足要求 ； 對于以開關(guān)量控制為主，帶少量模擬量控制的工程項目，可選用帶A/D, D/A 轉(zhuǎn)換，加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī) ；對于控制比較復(fù)雜，控制功能要求更高的工程項目，例如要求實現(xiàn) PID 運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等 。 可視控制規(guī)模及復(fù)雜的程度，選用中檔或高檔機(jī)，其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制、分布式控制系統(tǒng)以及整個工廠的自動化等。 機(jī)型統(tǒng)一 ： 作為大型企業(yè)，應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。因為同一機(jī)型的 PLC，其模塊可互為備用，便于備件的采購和管理 ；其功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)力量的培一訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功 能的開發(fā) ；其外部設(shè)備通用，資源可共享，配以上位計算機(jī)后，可第五章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 25 把控制各獨立系統(tǒng)的多臺 PLC 聯(lián)成一個多級分布式控制系 統(tǒng)， 相互通訊，集中管理。 是否在線編程 ： 當(dāng)被控設(shè)備的工藝過程改變時，只需用編程器重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產(chǎn)帶來很大方便。對于產(chǎn)品定型的設(shè)備和工藝不常變動的設(shè)備，應(yīng)選用離線編程的 PLC， 反之，可考慮選用在線編程的 PLC。 5.2.2 系統(tǒng)容量 PLC 的容量指用戶存貯器的存貯容量 (字?jǐn)?shù) )和 I/0 點數(shù)兩方面的含義。在選擇存貯容量時，一般按實際需要的 25%考慮裕量， I/0 點數(shù)可按實際需要的 10%-15%考慮裕量。 5.2.3 I/0 模塊 不同的 I/0 模塊的電路和性能不同，它直接影響著 PLC 的應(yīng)用范圍和價格， 應(yīng)該根據(jù)實際情況合理選擇。 輸入模塊的作用是接收現(xiàn)場的輸入信號，并將輸入的高電平信號轉(zhuǎn)換為 PLC 內(nèi)部的低電平信號。選擇輸入模塊應(yīng)注意 ： (1)電壓的選擇 ： 應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備與模塊之間的距離來考慮。一般 5V， 12V， 24V屬低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。如 5v 模塊最遠(yuǎn)不得超過 l0m，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備應(yīng)選用較高電壓的模塊。 (2)同時接通的點數(shù) ： 高密度的輸入模塊，如 32 點、 64 點，同時接通的點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時接通的點數(shù)不要超過輸入點數(shù)的 60%。 (3)門檻電平 ： 為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門檻電平的大小。門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也就越遠(yuǎn)。 輸出模塊的作用是將 PLC 的輸出信號傳遞給外部負(fù)載，并將 PLC 內(nèi)部的低電平信號轉(zhuǎn)換為外部所需電平的輸出信號。輸出模塊按輸出方式不同分為繼電器輸出、晶體管輸出及雙向可控硅輸出 3 種。此外，輸出電壓和輸出電流也各有不同。選擇輸出模塊應(yīng)注意 ： (1)輸出方式的選擇 ： 繼電器輸出的價格便 宜，適用電壓范圍較寬，導(dǎo)通壓降小。但它原有觸點元件，其動作速度較慢，壽命較短，因此適用于不頻繁通斷的負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動感性負(fù)載時其最大通斷頻率不得超過 1Hz。對于頻繁通斷的低功率因數(shù)的電感負(fù)載，應(yīng)采用無觸點開關(guān)元件，即選用晶體管輸出 (直流輸出 )或雙向可控硅輸出 (交流輸出 )。 (2)輸出電流 ： 電流的規(guī)格很多，輸出模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值。模塊輸出應(yīng)根據(jù)實際負(fù)載電流的大小選擇模塊的輸出電流。 (3)同時接通的點數(shù) ： 端所允許通過的電流值。輸出模塊同時接通點數(shù)的是電流累計值必須小于公共一般來講，同時 接通的點數(shù)不要超過輸出點數(shù)的 60%。 5.2.4 電源模塊 電源模塊的選擇主要考慮輸出電流的大小。電源模塊的額定輸出電流必須大于 CPU模塊、 I/0 模塊、專用模塊等消耗電流的總和。 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 26 5.3 西門子 S7-200 系列 PLC 簡介 SIMATIC S7-200 系列可編程序控制器 (PLC)是德國西門子公司的產(chǎn)品，是 SIMATIC S7 家族中的小型可編程序控制器， S7-200 憑借其強(qiáng)大的組網(wǎng)能力、友好易用的編程軟件、極高的性價比和不斷的創(chuàng)新成為市場上眾多小型可編程序控制器的領(lǐng)跑者。 5.3.1 西門子 S7-200 系列 PLC 的特點 a) 小型機(jī)身，占用空間小，有豐富的擴(kuò)展模塊。 b) 可靠性高 ： 以微處理器為核心，結(jié)構(gòu)緊湊，采用光電隔離等措施，抗干擾能力強(qiáng)，輸入輸出獨立于控制單元，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。 c) 響應(yīng)速度快 ： 它的指令處理周期短、減少了循環(huán)時間，它的高速高數(shù)計數(shù)器、高速中斷器可以分別響應(yīng)過程事件。 d) 靈活性高 10： 它的模塊結(jié)構(gòu)可用于各種性能的擴(kuò)展，脈沖輸出可控制步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)，豐富的指令集可以快速方便地解決復(fù)雜的任務(wù)。 e) 功能強(qiáng)大 ： 它具有點對點接口 (PPI)可連接編程設(shè)備、操作員界面和串行設(shè)備接口，具有用戶友好的 STEP7 編 程軟件和功能極強(qiáng)的編程器，方便了編程和組網(wǎng)。 f) 便于調(diào)試維護(hù) ： 有豐富的指令集和內(nèi)置集成功能，可以在線編程調(diào)試，對于較復(fù)雜的故障，可以用 PC 機(jī)在線檢測 PLC 的運(yùn)行狀態(tài)，從而查出故障的原因。對于外部輸入輸出，在 PLC 上都有相應(yīng)的顯示，只要 PLC 上的對應(yīng) I/0 指示燈，即可知道輸入輸出的狀態(tài)。 5.3.2 S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展模塊和 TD20011 S7-200 系列 PLC 提供了一系列豐富的擴(kuò)展模塊，有數(shù)字量擴(kuò)展模塊 EM221， EM222和 EM223； 模擬量擴(kuò)展模塊 EM231, EM232 和 EM235； 測溫模塊 EM231 熱電阻模塊和EM231 熱電偶模塊 ； PROFIBUS-DP 模塊 EM 277； AS-i接口模塊 CP 243. 2 等。 TD200 文本顯示器是所有 SIMATIC S7-200 系列操作員界面問題的最佳解決方法。TD200 可用于顯示信息、在控制系統(tǒng)中起設(shè)定和修正參數(shù)等。目前西門子公司又推出了新一代 TD 200C 產(chǎn)品，增加了一些功能。 5.3.3 SIMATIC S7-200 的主要功能 S7-200 提供了多種功能，使得編程控制時更加靈活方便： a) 執(zhí)行指令速度高。 CPU214 執(zhí)行每條二進(jìn)制指令時間僅為 0.81 s。 b) 豐富的指令功能。 S7-200 幾乎包括了一般計算所具有的各基本操作指令。如 ，變量賦值，數(shù)據(jù)存貯、傳送、比較，子程序調(diào)用，循環(huán)等。它還有良好的用戶功能，如，脈寬調(diào)制（ PWM），位控（ PTO）， PID 等功能。 c) 靈活的中斷功能。中斷觸發(fā)有幾種形式，可用軟件設(shè)定為中斷輸入信號的上升沿或下降沿，以便作出快速響應(yīng)，可設(shè)為時間控制的自動中斷；可由內(nèi)置高速計數(shù)器自動觸發(fā)中斷。 第五章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 27 d) 輸入和輸出的直接查詢與賦值。 e) 嚴(yán)格的口令保護(hù)。 S7-200 系統(tǒng)有三級不同的口令保護(hù)級別，以便用戶對程序做有效保護(hù)，三級口令分別是自由存取 、只可讀取、完全保護(hù)。 f) 友好的調(diào)試和故障診斷功能。包括整個用戶程序可在用戶規(guī)定的周數(shù)期內(nèi)做運(yùn)行和分析，同時可記錄位存貯器、定時器、計數(shù)器狀態(tài)。 g) 輸入或輸出的強(qiáng)制功能。 h) 通訊功能。通訊是 S7-200PLC 的一個重要功能，它為用戶提供了很強(qiáng)的靈活的通訊功能，用點對點接口（ PPI）作數(shù)據(jù)通訊，用 RS485 接口實現(xiàn)高速用戶可編程接口。接口方式 12： 1) 點對點接口方式（ PPI）； 2) 用戶可編程接口方式； 3) DP 方式。 5.3.4 SIMATIC S7-200 CPU214 簡介 CPU 214 內(nèi)存 8k 字節(jié)，位操作執(zhí)行時間 0.8us7KHZ。本機(jī)集成 14 入 /10 出數(shù)字輸入 /輸出點，可擴(kuò)展最多 7 個擴(kuò)展模塊。數(shù)字量輸入 /輸出可擴(kuò)展至 62 點入， 58 點出；模擬輸入 /輸出可擴(kuò)展到 12 路入， 4 路出；或 8 路輸出。 2 路高速脈沖輸出，脈寬可調(diào)，2 個高速計數(shù)器，速度高達(dá) 7KHZ。 CPU 214 是一位全能選手，由于內(nèi)存擴(kuò)大，輸入 /增多并集成了許多特殊功能，使其成為能夠完成精密任務(wù)的控制器?？商峁?DC/DC/DC， AC/P 型 DC/繼電器、 AC/N 型 DC/繼電器、 AC/AC/AC/， AC/24VAC/AC 共 5 種類型 CPU。 5.3.5 S7-200 系列 PLC 編程工具 STEP 7-Micro/WIN 通過 STEP 7-Micro/WIN 軟件可以對 S7-200 的所有功能進(jìn)行編程和硬件設(shè)置。 CPU通過 PC/PPI 電纜或通過插在 PG/PC 上的 CP 5511 或 CP 5611 與 PG/PC 連接。通過 PC/PPI電纜可以在 Windows 操作系統(tǒng)下實現(xiàn)多主站模式。 STEP7-Micro/WIN 提供了 LAD, FBD以及 STL 三種編程語言，具有簡單的程序結(jié)構(gòu)，易學(xué)的指令集，易于使用的組態(tài)向?qū)?12。STEP 7-Micro/WIN 32 是在 Windows 平臺 上運(yùn)行的 SIMATIC S7-200 軟件， 簡單、易學(xué)。 通過對以上幾個方面的比較 分析 ， 和根據(jù)本系統(tǒng)所需要的數(shù)字輸入、輸出點的數(shù)量和實時功能，決定采用功能比較齊全、又有很高性能價格比的微型 SIMATIC S7-200 系列的 CPU-214 型 PLC。 它有 14 個數(shù)字輸入點、 10 個數(shù)字輸出點，并具有實時時鐘個功能；另外，它還帶有一個大容量的電容，當(dāng)系統(tǒng)掉電時，依靠電容放電則可以保證 RAM存貯器中的用戶數(shù)據(jù)完整地保存 25 天。 5.4 基于 S7-200 CPU 214 的虹吸刮泥機(jī)電氣原理 分析 3 根據(jù)工藝流程和控 制要求 得 出基于 PLC控制的虹吸刮泥機(jī)控制系統(tǒng)的電氣 接線 圖。本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 28 如圖 5.1(a)、 5.1(b)所示： 圖 5.1（ a）虹吸刮泥機(jī)電氣接線圖 L1 N FU2 FU1 1SB 2SB 3SB 4KA 1HL 6KA 2HL 8KA 1SL 2SL 3SL 1KA 2KA 3KA 7KA 3HL 1FR 8SB 4SB 4KA 1KM 1FR 5SB 2KM 1KA 3KM 2KM 2FR 3KA 4KA 6SB 3KM 2KA 2KM 3KM 4KA 7SB 4KA YV 5KA 29 39 49 55 57 電源 手動 /自動 前進(jìn)到位 后退到位 刮泥機(jī)越位 故障 開虹吸泵 刮泥機(jī)前 進(jìn) 破壞虹吸 虹吸形成 刮泥機(jī)后退 15 遠(yuǎn)程控制 2FR 3KA 9KA 9KA 10KA BP1 13 11 107 109 111 59 61 17 19 63 21 23 25 27 9KA 105 12 33 31 35 37 16 14 43 41 45 47 51 53 N L L- L+ 108 BP2 U1 +24V. 第五章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 29 現(xiàn)場 PLC 的 各輸入輸出 端 定義為 ： 在數(shù)字輸入模塊中 ： I0.0 啟動開機(jī)信號， I0.1 為虹吸已被破壞信號， I0.2 為虹吸已形成信號， I0.3 為前進(jìn)到位信號， I0.4 為后退到位信號， I0.5 為刮泥機(jī)故障信號， I0.6為預(yù)設(shè) 1/3 行程信號， I0.7 為預(yù)設(shè) 2/3 行程信號， I1.0 為現(xiàn)場 PLC 自動控制信號。 在數(shù)字輸出模塊中： O0.1 為虹吸形成命令， O0.2 為刮泥機(jī)后退命令， O0.3 為刮泥機(jī)前進(jìn)命令， O0.4 為開虹吸泵命令， O0.5 為破壞虹吸命令。 5.4.1 控制方式的選擇 刮泥機(jī)設(shè)有遠(yuǎn)程自動、現(xiàn)場 PLC 自動、現(xiàn)場自動、和現(xiàn)場手動四種控制方式，此四種控制方式通過選擇開關(guān) 2SB 和 3SB 的結(jié)合來實現(xiàn)的。 5.4.2 刮泥機(jī)行程的選擇 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 1L 0.0 0.1 0.2 2L 0.3 輸入 輸出 0.5 0.6 0.7 1.0 1.1 0.4 0.5 PE LC 15 57 39 29 55 虹吸形成 刮泥機(jī)后退 N 49 刮泥機(jī)前進(jìn) 開虹吸泵 破壞虹吸 9SB 6KA 1KA 2KA 7KA 10SBB 圖 5.1 (b) 虹吸 刮泥機(jī) 電氣接線圖 N 0.6 3L L1 0.7 1.0 1.1 1.5 L+ 1.2 1.3 1.4 2M M 10KA 9KA 3SB +24V 79 70 71 72 73 74 75 78 150 152 啟動 虹吸已破壞 虹吸形成 前進(jìn)到位 后退到位 故障 1/3 行程 全程 PLC 自動 2/3 行程 151 220VAC - N PLC SIMATIC S7-200 (CPU214) 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 30 由于每個季度進(jìn)廠源水濁度的不同，造成了沉積在沉淀池的淤泥數(shù)量也不同，因此，有必要控制刮泥機(jī)刮泥路程的長短。本系統(tǒng)可通過選擇開關(guān) 10SB 可設(shè)置 1/3 行程、 2/3行程和全程。 5.5 本章小結(jié) 本章確定了 PLC 控制系統(tǒng) I/0 點數(shù)， 簡述了 S7-200 的技術(shù)參數(shù)和特點等等， 確定了 PLC 選用的型號 為 S7-200 CPU 214， 畫 出了虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng) 的電氣 接線 圖 。第六章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 31 第六章 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 6.1 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 6.1.1 PLC 軟件設(shè)計概述 PLC 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的過程與任何軟件的開發(fā)一樣，先要進(jìn)行可行性研究，然后，還要經(jīng)歷需求分析、軟件設(shè)計、編碼實現(xiàn)、軟件測試和運(yùn)行維護(hù)等幾個環(huán)節(jié)。要想使開發(fā)的 PLC 應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到 預(yù)期的結(jié)果，能夠安全、可靠并令用戶滿意，都要依賴于一個好的軟件開發(fā)過程。 PLC 軟件開發(fā)過程主要包括幾個環(huán)節(jié) ： 1、需求分析 ； 2、軟件設(shè)計 ； 3、編程實現(xiàn) ； 4、軟件測試。 PLC 應(yīng)用軟件的設(shè)計是一項十分復(fù)雜的工作，它要求既要有 PLC、計算機(jī)程序設(shè)計的基礎(chǔ)，又要有自動控制的知識，還要有一定的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。 首先，必須深入現(xiàn)場， 了解并熟悉被控對象 (機(jī)電設(shè)備或生產(chǎn)過程 )的控制要求，明確 PLC 控制系統(tǒng)必須具備的功能和性能，為應(yīng)用軟件的編制提出明確的要求和技 術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行總體設(shè)計，將整個軟件根據(jù)功能的要求分成若干個相對獨立的部分，分析它們之間在邏輯上、時間上的相互關(guān)系，使設(shè)計出的軟件在總體上結(jié)構(gòu)清晰、簡潔，流程合理，保證后繼的各個開發(fā)階段及其軟件設(shè)計規(guī)格說明書的完全性和一致性。然后在軟件規(guī)格說明書的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)木幊陶Z言進(jìn)行程序設(shè)計，對每一個程序模塊進(jìn)行單元測試、確認(rèn) (功能 )測試和集成測試，并通過調(diào)試來修改錯誤。 a) PLC 軟件需求分析 需求分析是指用戶對目標(biāo)軟件系統(tǒng)在功能、行為、性能、設(shè)計約束等方面的期望。通過對應(yīng)用問題及其環(huán)境的理解與分析 ，建立信息、功能及系統(tǒng)行為的模型，將用戶需求精確化、完全化，最終形成需求規(guī)格說明。這一階段是軟件開發(fā)的重要階段，它是后續(xù)設(shè)計、實現(xiàn)、測試直至維護(hù)的主要基礎(chǔ)。在 PLC 軟件需求分析中主要包括以下幾個方面 ： 1) 功能分析 PLC 軟件功能的分析是 PLC 控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計的一個重要組成部分。對于控制系統(tǒng)的整體功能要求，可以通過硬件的途徑、軟件的途徑及軟硬結(jié)合的途徑來實現(xiàn)。因此，在未正式編寫程序之前，必須要進(jìn)行的第一件事，就是站在控制系統(tǒng)的整體高度上，進(jìn)行系統(tǒng)功能要求的分配，弄清楚哪些功能是要通過軟件的執(zhí)行來實現(xiàn)的 ，即明確應(yīng)用本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 32 軟件所必須具備的功能。對于一個實用的軟件，大體上可以從 3 個方面來考慮 ： (1)控制功能 控制功能是 PLC 控制系統(tǒng)的根本，控制系統(tǒng)最基本的要求就是如何通過 PLC 對被控對象實施人們所希望的控制。其主要的依據(jù)是根據(jù)被控對象和生產(chǎn)工藝要求而定。分析時一定要進(jìn)行詳盡的調(diào)查和研究，搞清被控設(shè)備的動作時序、控制條件、控制精度等，對系統(tǒng)要完成的功能及要實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù) (響應(yīng)時間、控制精度等 )做出明確、具體的規(guī)定，并分析這些規(guī)定是否合理、可行。 (2)操作功能 (人一機(jī)界面 ) 操作功能對于 PLC 控制系統(tǒng)是必須的。隨著 PLC 應(yīng)用的不斷深入， PLC 不再采用單機(jī)控制，為了實現(xiàn)車間或工廠的自動化，往往采用的是包括上位計算機(jī)、 PLC 的多級分布式控制系統(tǒng)。這時，為便于操作，就需要有友善的人機(jī)對話界面。 (3)自診斷功能 自診斷功能對于系統(tǒng)維護(hù)人員了解系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)有著非常重要的作用。自診斷功能包括 PLC 自身工作狀態(tài)的自診斷和系統(tǒng)中被控設(shè)備工作狀態(tài)的自診斷兩部分。對于前者可利用 PLC 自身的一些信息和手段來完成。對于后者，則可以通過分析被控設(shè)備接收到的控制指令及被控動作的反饋信息，來判斷被控設(shè)備的工 作狀態(tài) ；如果有故障發(fā)生，則以電、聲、光等方式報警，并通過計算機(jī)顯示發(fā)生故障的原因及處理故障的方法和步驟。 2) I/O 信號及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析 PLC 的工作環(huán)境是工業(yè)現(xiàn)場，工業(yè)現(xiàn)場的檢測信號是多種多樣的，有模擬量，也有開關(guān)量， PLC 對 I/O 信息的分析，就是對后面編程所需要的 I/O 信號進(jìn)行詳細(xì)的分析和定義，并以 I/O 信號表的形式給出。 I/O 信號分析的主要內(nèi)容有 ： (1)定義每一個輸入信號并確定它的地址?？梢砸暂斎肽０褰泳€圖的方式給出，圖中應(yīng)包含對每一輸入點的簡潔說明。同樣也可以以 I/O 信號表的形 式給出。 (2)定義每一個輸出信號并確定它們的地址。可以以輸出模板接線圖的方式給出，圖中也應(yīng)包含對每一輸出點的簡潔說明。同樣也可以以 I/O 信號表的形式給出。 (3)審核上述的分析設(shè)計是否能滿足系統(tǒng)規(guī)定的功能要求。若不滿足，則需修改，直至滿足為止。 b) 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計過程是對程序結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和過程細(xì)節(jié)逐步求精的過程。軟件設(shè)計是將需求規(guī)格說明逐步轉(zhuǎn)化為源代碼的過程。軟件設(shè)計主要包括兩個部分 ： 一是根據(jù)需求確定軟件和數(shù)據(jù)的總體框架 ； 二是將其精化成軟件的算法表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 1) 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 模塊化的程序設(shè)計方法，是 PLC 程序設(shè)計和編制的最有效、最基本的方法。程序第六章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 33 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本任務(wù)就是以模塊化程序結(jié)構(gòu)為前提，以系統(tǒng)功能要求為依據(jù)，按照相對獨立的原則，將全部應(yīng)用程序劃分為若干個“軟件模塊”，并對每一“模塊”提供軟件要求和規(guī)格說明。 軟件設(shè)計常采用“自頂而下”的設(shè)計方法 (Top To Down )，只給出軟件模塊的定義和說明。 2) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)，就是對程序中所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的規(guī)劃和設(shè)計，合理地對內(nèi)存進(jìn)行估算，提高內(nèi)存的利用率。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi) 容有 ： (1)按照軟件設(shè)計的要求，將 PLC 的數(shù)據(jù)空間做進(jìn)一步的劃分，分為若干個子空間，并對每一子空間進(jìn)行具體的定義。當(dāng)然這要以功能算法、硬件設(shè)備要求、預(yù)計的程序結(jié)構(gòu)和占有量為依據(jù)，綜合考慮來決定。 (2)規(guī)定子空間的數(shù)據(jù)存放方式、編碼方式和更改時的保護(hù)方法。 (3)在采用模塊化程序設(shè)計時，最好對每一個程序規(guī)定獨立的中間結(jié)果存放區(qū)域，以防混用。當(dāng)然，對于公用的數(shù)據(jù)也應(yīng)考慮它的存放區(qū)域。 (4)為了清晰起見，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表的形式給出，其中明確規(guī)定各子空間的名稱、起 始地址、編碼方式、存放格式等。 I/O 信號及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計為 PLC 編程提供了重要的依據(jù)。 3) 軟件過程設(shè)計 程序結(jié)構(gòu)考慮軟件總體結(jié)構(gòu)中模塊之間的控制分層關(guān)系，而軟件過程設(shè)計的任務(wù)主要是描述算法的細(xì)節(jié)，以及模塊間的處理順序。可用流程圖、框圖、梯形圖等工具來描述。常采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)，它采用自頂向下逐步求精的設(shè)計方法和單入口、單出口的控制構(gòu)件。 6.1.2 PLC 程序設(shè)計的常用方法 在工程中，對 PLC 應(yīng)用程序的設(shè)計有多種方法，這些方法的使用，也因各個設(shè)計人員的技術(shù)水平和喜好有較大差異?，F(xiàn)將常用的幾 種應(yīng)用程序的設(shè)計方法簡要進(jìn)行介紹。 a) 經(jīng)驗設(shè)計法 在 PLC 發(fā)展的初期，沿用了設(shè)計繼電器電路圖的方法來設(shè)計梯形圖。即在一些典型電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，不斷地修改和完善 梯形圖。 經(jīng)驗設(shè)計法對于一些比較簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計是比較奏效的 13。但是，由于這種方法主要是依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，所以對設(shè)計人員的要求也比較高，特別是要求設(shè)計者有一定的實踐經(jīng)驗，對工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)驗法一般設(shè)計周期長，不易掌握，系統(tǒng)交付使用后，維護(hù)困難。所以，經(jīng)驗法 一般只適合于較簡單的或與某些典型系統(tǒng)相類似的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 34 b) 時序圖設(shè)計法 如果 PLC 各輸出信號的狀態(tài)變化有一定的時間順序，可用時序圖法設(shè)計程序。因為在畫出各輸出信號的時序圖后，容易理順各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻和轉(zhuǎn)換的條件，從而建立清晰的設(shè)計思路。 時序圖設(shè)計法歸納如下 ： 1) 把時序圖劃分成若干個時間區(qū)段，確定各區(qū)段的時間長短。找出區(qū)段間的分界點，弄清分界點處各輸出信號狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換條件。 2) 根據(jù)時間區(qū)段的個數(shù)確定需要的定時器數(shù)量，分配定時器號，確定各定時器的設(shè)定值，明確各定時器開始定時和定時時間到這兩個關(guān)鍵時刻對 各輸出信號狀態(tài)的影響。 3) 明確各 I/O 信號之間的時序關(guān)系，畫出各 I/O 信號的工作時序圖。 4) 根據(jù)定時器的功能明細(xì)表、時序圖和 I/O 分配畫出梯形圖。 c) 順序控制設(shè)計法 所謂順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動地有秩序地進(jìn)行操作。順序控制設(shè)計法又稱步進(jìn)控制設(shè)計法 。 對那些按動作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計法編程。順序控制設(shè)計法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編出的程序偏長，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性強(qiáng)。 在用順序控制 設(shè)計法編程時，功能表圖是很重要的工具。功能表圖能清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。 用順序控制設(shè)計法編程的基本步驟是 ： 1) 分析控制要求。將控制過程分成若干個工作步，明確每個工作步的功能，弄清步的轉(zhuǎn)換是單向進(jìn)行 (單序列 )還是多向進(jìn)行 (選擇或并行序列 )的，確定步的轉(zhuǎn)換條件 (可能是多個信號的“與”、“ 或 ”等邏輯組合 )，必要時可畫一個工作流程圖。 2) 為每個步設(shè)定控制位?？刂莆蛔詈檬褂猛粋€內(nèi)存單元的若干連續(xù)位。若用定時器 /計數(shù)器的輸出作為轉(zhuǎn)換條件，則應(yīng)確定各定時器 /計數(shù)器的編號和設(shè)定值。 3) 確定所需輸入和輸出點的點數(shù)。確定所需輸入和輸出點的個數(shù)，選擇 PLC 機(jī)型，做出 I/O 分析。 4) 在前兩步的基礎(chǔ)上畫出功能表圖、畫梯形圖 。 5) 添加某些特殊要求的程序 。 順序控制設(shè)計法有一定的規(guī)律可循，所編寫的程序易讀、易檢查、易修改，是常用的設(shè)計方法之一。使用順序控制設(shè)計法的關(guān)鍵有三條 ： 一是理順動作順序，明確各步的轉(zhuǎn)換條件 ； 二是準(zhǔn)確地畫出功能表圖 ；三是根據(jù)功能表圖正確地畫出相應(yīng)的梯形圖，最后再根據(jù)某些特殊功能要求，添加部分控制程序。 第六章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 35 d) 邏輯設(shè)計法 邏輯設(shè)計方法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計方法進(jìn)行 PLC 程序的設(shè)計。該 方法使用邏輯表達(dá)式描述實際問題。在得出邏輯表達(dá)式后根據(jù)邏輯表達(dá)畫梯形圖，或者直接用邏輯表達(dá)式寫助記符程序。該方法在純粹的條件控制系統(tǒng)中，非常好用。因為純粹的條件控制系統(tǒng)相當(dāng)于組合邏輯電路，邏輯表達(dá)式書寫簡單。但是在和時間有關(guān)的控制系統(tǒng)中，就顯得復(fù)雜。因為，這時的控制問題就相當(dāng)于順序邏輯問題，不僅要考慮條件，還要考慮時間。用邏輯設(shè)計法設(shè)計 PLC 應(yīng)用程序的一般步驟如下 ： 1) 列出執(zhí)行元件動作節(jié)拍表 ； 2) 繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 ； 3) 進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計 ； 4) 編寫程序 。 6.1.3 PLC 程序設(shè)計步驟 根據(jù) PLC 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝要求，在軟件規(guī)格說明書的基礎(chǔ)上，用相應(yīng)的編程語言指令，編制實際應(yīng)用程序并形成程序說明書的過程就是程序設(shè)計。 a) 程序設(shè)計步驟 PLC 程序設(shè)計一般分為以下幾個步驟 14： 1) 程序設(shè)計前的準(zhǔn)備工作 ； 2) 程序框圖設(shè)計 ； 3) 編寫程序 ； 4) 程序測試 ； 5) 程序調(diào)試 ； 6) 編寫程序說明書。 b) 程序設(shè)計前的準(zhǔn)備工作 1) 了解系統(tǒng)概況，形成整體概念 這一步的工作主要是通過系統(tǒng)設(shè)計方案和軟件規(guī)格說明書了解控制系統(tǒng)的全部功能、控制規(guī)模、控制方式、輸入 /輸出信號種類和數(shù)量、是否有特殊功能接口、與其他設(shè)備的關(guān)系、通信 內(nèi)容與方式等 。 2) 熟悉被控對象、編制出高質(zhì)量的程序 這一步的工作是通過熟悉生產(chǎn)工藝說明書和軟件規(guī)格說明書來進(jìn)行的。可把控制對象和控制功能分類，按響應(yīng)要求、信號用途或控制區(qū)域劃分，確定檢測設(shè)備和控制設(shè)備的物理位置，深入細(xì)致地了解每一個檢測信號和控制信號的形式、功能、規(guī)模，以及其間的關(guān)系和預(yù)見以后可能出現(xiàn)的問題，使程序有的放矢。 3) 充分利用手頭的硬件和軟件工具 例如，硬件工具有 ： 編程器、 GPC(圖形編程器 )、 FIT(工廠智能終端 )。編程軟件有 ：西門子 STEP7 等。利用計算機(jī)編程，可以大大提高編程的效 率和質(zhì)量。 本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 36 c) 程序框圖設(shè)計 這步的主要工作是根據(jù)軟件設(shè)計規(guī)格書的總體要求和控制系統(tǒng)具體情況，確定應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后再根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細(xì)功能框圖。如果有人已經(jīng)做過這步工作，最好借鑒一下。有的系統(tǒng)的應(yīng)用軟件已經(jīng)模塊化，那就要對相應(yīng)程序模塊進(jìn)行定義，規(guī)定其功能，確定各模塊之間連接關(guān)系，然后再繪制出各模塊內(nèi)部的詳細(xì)框圖。框圖是編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細(xì)。如果框圖是別人設(shè)計的，一定要設(shè)法弄清楚其設(shè)計思想和方法。這步完成之后，就會對全部控制程序的功能實現(xiàn) 有一個整體概念。 d) 編寫程序 編寫程序就是根據(jù)設(shè)計出的框圖逐條地編寫控制程序，這是整個程序設(shè)計工作的核心部分。如果有編程支持軟件如 ： STEP7, SSS, CPT 等，應(yīng)盡量使用。梯形圖語言是最普遍使用的編程語言，再來編寫用戶應(yīng)用程序。在編寫程序的過程中，可以借鑒現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)程序，但必須弄懂這些程序段，否則將會給后續(xù)工作帶來困難和損失。另外，編寫程序過程中要及時地對編出的程序進(jìn)行注釋，以免忘記其間相互關(guān)系，要隨編隨注。注釋要包括程序的功能、邏輯關(guān)系說明、設(shè)計思想、信號的來源和去向，以便閱讀和調(diào)試。 e) 程序測 試 程序測試是整個程序設(shè)計工作中一項很重要的內(nèi)容，它可以初步檢查程序的實際效果。程序測試和程序編寫是分不開的，程序的許多功能是在測試中修改和完善的。測試時先從各功能單元入手，設(shè)定輸入信號，觀察輸出信號的變化情況，必要時可以借用某些儀器、儀表。各功能單元測試完成后，再貫通全部程序，測試各部分的接口情況，趕到滿意為止。程序測試可以在實驗室進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場進(jìn)行。如果是在現(xiàn)場進(jìn)行程序測試，那就要將可編程序控制器系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離，可以使用暫停輸入 /輸出服務(wù)指令，也可以切斷輸入 /輸出模板的外部電源，以免引起 不必要的、甚至可能造成事故的機(jī)械設(shè)備動作。 f) 程序調(diào)試 程序調(diào)試與程序測試不同，它是在成功地進(jìn)行了程序測試之后才開始的工作。軟件測試試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤，軟件調(diào)試的任務(wù)是進(jìn)一步診斷和改正軟件中的錯誤。 6.2 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng) 軟件 設(shè)計 6.2.1 PLC 自動控制系統(tǒng)控制工藝流程圖 根據(jù) PLC 編程的特點，程序運(yùn)行至“結(jié)束”之后，自動返回至“開始”進(jìn)行下一次掃描運(yùn)行。 PLC 的程序設(shè)計采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，將每一個功能獨立的模塊作為一個子程序 15。 虹吸刮泥機(jī) PLC 控制系統(tǒng)主要包括以下幾 個環(huán)節(jié)：主程序部分、初始化部分、第六章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 37 現(xiàn)場控制方式 主程序入口 初始化程序 遠(yuǎn)程 /現(xiàn)場 運(yùn)行 /停機(jī) 自動 /手動 運(yùn)行方式 END 現(xiàn) 場自動程序 運(yùn)行方式的選擇 PLC 程序 現(xiàn)場手動程序 上位機(jī)控制方式 RUN 自動 手動 STOP 控制方式選擇、運(yùn)行方式等。主程序的基本流程圖如圖 6.1 所示： 圖 6.1 PLC 控制系統(tǒng)主程序的流程圖 6.2.2 虹吸刮泥機(jī) PLC 實現(xiàn)的控制功能 a) 虹吸形成 按下啟動按鈕 9SB， Q0.4 得電輸出， 1KM 得電，啟動虹吸泵，當(dāng)刮泥機(jī)虹吸管內(nèi)形成真空后，真空壓力表的觸點 BP2 斷開， BP1 閉合， 9KA 得電，虹吸形成， Q0.1 得電，同時 01KM 失電，虹吸泵停止運(yùn)行。 b) 刮泥機(jī)前進(jìn) 虹吸形成后， Q0.1 輸出 05KA 得電， Q0.3 輸出 02KM 得電，刮泥機(jī)前進(jìn)刮 泥。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)的行程時， T5（或 T6、 T7）動作，觸使 M0.3 動作， Q0.3 失電， 02KM 失電，刮泥機(jī)停止前進(jìn)。 c) 延時 20 秒破壞虹吸 當(dāng)刮泥機(jī)到達(dá)預(yù)定的位置后，立即觸發(fā) PLC 的 M0.3，然后 Q0.5 輸出， YV 電磁閥本科畢業(yè)（設(shè)計）論文： S7-200PLC 在水廠虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 38 得電，開始破壞虹吸，計時數(shù) T38 開始計時，延時 20 秒后，真空壓力表的觸點 BP1 斷開， BP2 閉合， Q0.5 失電， VY 電磁閥失電，虹吸破壞過程完成。 d) 刮泥機(jī)后退的實現(xiàn) 延時 20 秒后， Q0.2 輸出， 03KM 得電，刮泥機(jī)返回，到達(dá)初始位置時，行程開關(guān)2SL 動作，刮泥機(jī)停止運(yùn)行。 e) 故障停機(jī)的實現(xiàn) 當(dāng)刮泥機(jī) 處于現(xiàn)場 PLC 自動控制方式、現(xiàn)場自動控制方式、遠(yuǎn)程控制方式時，為了能對刮泥機(jī)的電機(jī)過載或行走越位等故障作出準(zhǔn)確迅速的判斷處理，同時又為了防止PLC 內(nèi)部出現(xiàn)異常，本系統(tǒng)就在常規(guī)控制回路加入了相關(guān)的控制觸點，加強(qiáng)保護(hù)刮泥機(jī)。 當(dāng)虹吸泵過載時，其主回路的熱繼電器 1FR 的保護(hù)觸點動作， 1KM 失電，虹吸泵故障停機(jī)，報警，同時 7KA 得電， I0.5 動作， PLC 立即復(fù)位 Q0.4，中斷虹吸泵運(yùn)行命令，等待技術(shù)人員的處理。 當(dāng)刮泥機(jī)兩側(cè)的行走電機(jī)過載時，其對應(yīng)的熱繼電器 2FR 的保護(hù)觸點動作， 2KM或 3KM 失電，刮泥機(jī)立即故 障停機(jī)， PLC 立即中斷刮泥機(jī)運(yùn)行命令。 當(dāng)刮泥機(jī)前進(jìn)或后退越位時，行程開關(guān) 3SL 動作， 3KA 得電， 2KM 或 3KM 失電，刮泥機(jī)立即故障停機(jī)， PLC 立即中斷刮泥機(jī)運(yùn)行命令。 當(dāng)虹吸管道發(fā)生漏氣，虹吸泵運(yùn)行時間已超過 T37 預(yù)定的 1800 秒時，虹吸還沒有形成，則虹吸泵停止運(yùn)行，刮泥機(jī)停止刮泥。 f) 1/3 行程、 2/3 行程和全程刮泥的實現(xiàn) 刮泥機(jī)從沉淀池的初始位置行走到全程位置大約需要 3600 秒，因此本系統(tǒng)設(shè)定 1/3行程為 1200 秒， 2/3 行程為 2400 秒，全程為 3600 秒。當(dāng)系統(tǒng)選擇到 1/3 行程時，用時基脈沖為 100 毫秒的計時器 T5 來實現(xiàn)，當(dāng)計時器計時達(dá) 1200 秒，即 1/3 行程已到， PLC開始做相應(yīng)的工序；同樣， 2/3 行程的實現(xiàn)是按 1/3 行程的原理，用 T6 計時 2400 秒；當(dāng)選擇全程時，接近開關(guān) 1SL 動作，促使 1KA 得電，輸入一個已到全程的開關(guān)信號給PLC，觸發(fā) T7，再由 PLC 處理。 g) 掉電自保的實現(xiàn) 本系統(tǒng)采用的計時器 T5、 T6、 T7 是 TONR 延時積分型，是具有掉電自保的功能，即系統(tǒng)掉電后，保存在 RAM 存儲器中 T5、 T6、 T7 當(dāng)前累加值，仍可依賴 PLC 自帶的大容量電容保存 25 天。 當(dāng)正在前進(jìn)刮泥時，系統(tǒng)突然掉電，雖然 PLC 停止工作，外部的常規(guī)接觸器或繼電器掉電復(fù)歸了，但是外部的真空壓力表的觸點 BP1 仍處于閉合狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)重新恢復(fù)供電后， PLC 又重新掃描，此時只有刮泥機(jī)前進(jìn)的條件滿足，因而只有 Q0.1 與 Q0.3有輸出，刮泥機(jī)繼續(xù)前進(jìn)刮泥；同時計時器 T5（或 T6、 T7）再在掉電前的累加積算值的基礎(chǔ)上進(jìn)行累加計時，從而保證預(yù)設(shè)定的行程不受系統(tǒng)短時掉電的影響。 當(dāng)正在破壞虹吸或返回時，系統(tǒng)突然掉電后又恢復(fù)供電，根據(jù)條件判斷，條件滿足，第六章 虹吸刮泥機(jī)系統(tǒng) PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 39 T39 開始計時，延時 10 秒，加一個時基脈沖給本來已到達(dá)預(yù)設(shè)值的計時器 T5（或 T6或 T7），重新 觸發(fā)擊活它們，使得 M0.3 再吸合，破壞虹吸繼續(xù)進(jìn)行， 20 秒后， Q0.2 輸出，刮泥機(jī)繼續(xù)返回。當(dāng)刮泥機(jī)返回到初始位置后，則計時器 T5、 T6、 T7 自動清零復(fù)位。 h) 每天自動定時刮泥的實現(xiàn) 本系統(tǒng)采用的 S