水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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藝 術(shù) 與 信 息 工 程 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目： 水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 子題： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名： 班級(jí)-學(xué)號(hào)： 2013 年 3 月 30 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于 PLC 的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著科技的發(fā)展， 無論在日常生活中， 還是在工農(nóng)業(yè)發(fā)展中， PLC 具有廣泛的應(yīng)用。 PLC 的一般特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性極高、編程簡(jiǎn)單方便、使用方便、維護(hù)方便、 設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是：高功能、高速 度、高集成度、大容量、小體積、低成本、通信組網(wǎng)能力強(qiáng)。本水塔水位控制系統(tǒng)采用 PLC 為控制核心，具備開啟和全部停止功能，這是一種 PLC 控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。 應(yīng)用此控制系統(tǒng)能顯著提高勞動(dòng)效率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。但是隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)， 人們生活用水的增加，以往采用的繼電器水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)由于頻繁操作會(huì)產(chǎn)生機(jī) 械磨損，不方便維護(hù)和更新，已經(jīng)不能滿足人們的實(shí)際需求，本文采用的是 PLC 可編程 控制器作為水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)核心， 對(duì)水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行性進(jìn)行了 需求分析。主要實(shí)現(xiàn)方法是通過傳感器檢測(cè)水塔水位的實(shí)際水位，將水位具體信息傳至 PLC 構(gòu)成的控制模塊，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，來控制抽水電機(jī)的動(dòng)作，同時(shí)進(jìn) 行數(shù)據(jù)還原，顯示水位具體信息，如果水位低于或高于某個(gè)設(shè)定值是，就會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào) 警的信號(hào)。本文以一個(gè)水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，給出了基于 PLC 水塔水位控制系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)好實(shí)現(xiàn)的具體過程。關(guān)鍵詞： 水位控制，西門子 S7-200 ，傳感器ABSTRACTWith technological development, both in daily life, or the industrial and agricultural development,PLC have wide application. PLC general features: strong anti-jamming capability, high reliability, programming is simple and convenient, easy operation and maintenance convenience, design, construction, commissioning period is short, easy to realize the electromechanical integration. PLC general development trend is: high function, high speed, high level of integration, large capacity, small volume, low cost, communication networking capability is strong. This water tower water level control system adopts PLC as control core, with open and full stop functions，this is a kind of PLC automatic adjustment of the control system. Application of this control system can significantly improve the work efficiency and reduces labor intensity. But with the growing world population, it is the increase in water, relay towers used in the past, the water level automatic control system operation due to the frequent cause mechanical wear, convenient maintenance and updating can no longer meet the actual needs of the people, the paper used programmable controller as a series of small water tower water level automatic control system core, the water level of the tower the functions of automatic control system of the requirement analysis. Main achieved is through the actual water level sensor detects the water tower, specific information will be transmitted to the water level control module consisting of PLC, the A / D conversion, to compare data, to control the pumping action of the motor, while data reduction, the indicated level specific information, if the water level lower or higher than a set value, we will send the hazard warning signal. In this paper, a water tank level control system design process, the water tower level control system based on PLC design a good implementation of the specificprocess.KEY WORDS: Water level control, Siemens S7-200, The sensor目 錄摘 要 .IABSTRACT.I第 1 章 引 言 1第 2 章 可編程器簡(jiǎn)介 22.1 可編程控制器的產(chǎn)生 22.2 PLC 的發(fā)展 .42.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu) .52.3.1 中央處理單元(CPU) .52.3.2 存儲(chǔ)器 62.3.3 輸入/輸出模塊 .72.3.4 擴(kuò)展模塊 82.3.5 編程器 82.4 PLC 的基本工作原理 .82.5 PLC 的主要應(yīng)用 .92.6 S7-200 系列 PLC 元件功能 10第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 133.1 傳統(tǒng)水塔水位控制 .133.1.1 工作原理 133.1.2 外部接線與控制列表 133.1.3 程序編輯及分析 .153.2 PID 水塔水位控制系統(tǒng)的工作原理 153.2.1 設(shè)計(jì)分析 153.2.2 可行性試驗(yàn) 163.2.3 可行性分析 173.3 水位閉環(huán)控制系統(tǒng) .17第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn) 194.1 PID 算法 .194.2 PID 應(yīng)用 .204.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式 204.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn) .214.5 PID 指令及回路表 .23第 5 章 系統(tǒng)硬件開發(fā)設(shè)計(jì) 245.1 可編程控制器的選型 .245.2 EM235 模擬量模塊 255.2.1 EM235 的安裝使用 .275.2.2 EM235 的工作程序編制 .275.3 硬件連接圖 .285.4 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 .28第 6 章 系統(tǒng)軟件應(yīng)用設(shè)計(jì) 296.1 水位 PID 控制的邏輯設(shè)計(jì) 296.2 梯形圖編程 .336.3 控制程序 .336.4 聯(lián)機(jī) .33第 7 章 結(jié) 論 357.1 本課題研究結(jié)論 357.2 課題存在問題與展望 35致 謝 36參考文獻(xiàn) 37附錄 38第 1 章 引 言水塔的作用：一是蓄水，在供水量不足時(shí)，起著調(diào)節(jié)補(bǔ)充的作用。二是利用水塔的高勢(shì)，自動(dòng)送水。使自來水有一定的水壓揚(yáng)程。為了達(dá)到節(jié)能目的，提高供水系統(tǒng)的質(zhì)量，考慮采用可編程控制器、繼電器。和傳感技術(shù)設(shè)計(jì)出一套適合水塔水位控制的方案。該方案在硬件基礎(chǔ)上使用軟件實(shí)現(xiàn)了警戒水位報(bào)警。共走方便供水是一個(gè)關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)供水提出了更高的要求，要滿足及時(shí)、準(zhǔn)確、安全保證充足供水，如果仍然沿用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進(jìn)行水塔水位控制自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。近幾十年來 自動(dòng)控制技術(shù)迅猛發(fā)展 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 交通運(yùn)輸 國(guó)防建設(shè)和航空 航天事業(yè)等領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自動(dòng)控制技術(shù)至今己滲透到各種科學(xué)領(lǐng)域 成為促進(jìn)當(dāng)今生產(chǎn)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要因素。比如在生活方面的溫度調(diào)節(jié)、濕度調(diào)節(jié)、自動(dòng)洗衣機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)電梯、空氣調(diào)節(jié)器、電冰箱、自動(dòng)路燈、自動(dòng)門、保安系統(tǒng)等。在工業(yè)方面主要分為兩大類 一類是氣體、水位、粉體、石油化工制藥、輕工食品、建材等行業(yè)。需要對(duì)溫度、壓力、物位、流量、成分等參數(shù)進(jìn)行控制。另一類是對(duì)己成型材料的進(jìn)一步加工或者對(duì)多種己成型材料的裝配 主要控制位移、速度、角度等參數(shù)這些都需要應(yīng)用自動(dòng)控制學(xué)科的知識(shí)。第 2 章 可編程器簡(jiǎn)介2.1 可編程控制器的產(chǎn)生PLC 是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC= Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過阿拉伯?dāng)?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。是工業(yè)控制的核心部分。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC） ，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)控制裝置的功能已經(jīng)大大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(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer）的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程序控制器簡(jiǎn)稱 PLC。在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備及自動(dòng)化項(xiàng)目中PLC 的可靠性、抗干擾性等諸因素是繼電器無法比擬的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展 它給工業(yè)自動(dòng)化帶來了革命性的變革。這個(gè)變革是由繼電器控制到計(jì)算機(jī)控制的飛躍。利用 PLC控制的特點(diǎn)是① 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng)② 配套齊全 功能完善 適用性強(qiáng)③ 操作簡(jiǎn)單 易學(xué)易用 深受工程技術(shù)人員歡迎[4]; ④系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小 維護(hù)方便、易于改造⑤ 體積小、質(zhì)量輕、功耗低。盡管軟 PLC技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但是這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決一些重要的問題。其中主要是以 PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實(shí)時(shí)性問題。軟 PLC首選的操作系統(tǒng)是 WindowsNT，但是它并不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。傳統(tǒng) PLC具有硬實(shí)時(shí)性，正因?yàn)槿绱怂拍芴峁┛焖佟⒋_定而且可重復(fù)的響應(yīng)。而要讓W(xué)indowsNT具有硬實(shí)時(shí)性，必須對(duì)它進(jìn)行擴(kuò)展，使得 PC的控制任務(wù)具有最高的優(yōu)先級(jí)，不因?yàn)?NT的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而被搶占?，F(xiàn)在，我們可以通過一些方法將實(shí)時(shí)性能加入到 NT系統(tǒng)中去。比如，修改 NT的硬件抽象層，或者 NT與一種經(jīng)過實(shí)用驗(yàn)證的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組合。另外，WindowsCE 等操作系統(tǒng)具有了 NT在硬實(shí)時(shí)性方面所不具備的特性。在實(shí)際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺(tái)。 軟 PLC技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng) PLC，以其開放性、靈活性和較低的價(jià)格占有很大優(yōu)勢(shì)。它簡(jiǎn)化了工廠自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，把控制、通信、人機(jī)界面及各種特定的應(yīng)用全都合為一體，運(yùn)用于同一個(gè)硬件平臺(tái)上。軟 PLC技術(shù)也存在著一些問題，例如，由于軟 PLC的運(yùn)行環(huán)境是 Windows操作系統(tǒng)，所以實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；定時(shí)器最大存在一個(gè)掃描周期的誤差；掃描周期較長(zhǎng)等。但是，這些問題可以通過改變運(yùn)行環(huán)境、改進(jìn)執(zhí)行算法等方法加以解決。只要它們能實(shí)現(xiàn)控制的時(shí)間確定性，即保證能以時(shí)間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預(yù)測(cè)的結(jié)果或行為。軟 PLC在未來的工業(yè)電氣控制中定會(huì)占據(jù)重要的席位。成為繼現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的新亮雖然 PLC 所使用之階梯圖程式中往往使用到許多繼電器、計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器等名稱，但 PLC 內(nèi)部并非實(shí)體上具有這些硬件，而是以內(nèi)存與程式編程方式做邏輯控制編輯，并借由輸出元件連接外部機(jī)械裝置做實(shí)體控制。因此能大大減少控制器所需之硬件空間。實(shí)際上 PLC 執(zhí)行階梯圖程式的運(yùn)作方式是逐行的先將階梯圖程式碼以掃描方式讀入 CPU 中并最后執(zhí)行控制運(yùn)作。在整個(gè)的掃描過程包括三大步驟， “輸入狀態(tài)檢查 ”、 “程式執(zhí)行”、 “輸出狀態(tài)更新”說明如下：步驟一“輸入狀態(tài)檢查”：PLC 首先檢查輸入端元件所連接之各點(diǎn)開關(guān)或傳感器狀態(tài)（1 或0 代表開或關(guān)） ，并將其狀態(tài)寫入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置 Xn。步驟二“程式執(zhí)行”：將階梯圖程式逐行取入 CPU 中運(yùn)算，若程式執(zhí)行中需要輸入接點(diǎn)狀態(tài)，CPU 直接自內(nèi)存中查詢?nèi)〕?。輸出線圈之運(yùn)算結(jié)果則存入內(nèi)存中對(duì)應(yīng)之位置，暫不反應(yīng)至輸出端 Yn。步驟三“輸出狀態(tài)更新”：將步驟二中之輸出狀態(tài)更新至 PLC 輸出部接點(diǎn)，并且重回步驟一。此三步驟稱為 PLC 之掃描周期，而完成所需的時(shí)間稱為 PLC 之反應(yīng)時(shí)間，PLC 輸入訊號(hào)之時(shí)間若小于此反應(yīng)時(shí)間，則有誤讀的可能性。每次程式執(zhí)行后與下一次程式執(zhí)行前，輸出與輸入狀態(tài)會(huì)被更新一次，因此稱此種運(yùn)作方式為輸出輸入端“ 程式結(jié)束再生 ”目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展主要特點(diǎn)： 1 、目前我國(guó)還是制造業(yè)大國(guó)，是世界的生產(chǎn)加工中心，有大量的制造業(yè)，就必須用各種生產(chǎn)設(shè)備，大部分生產(chǎn)設(shè)備都和 PLC 有關(guān)，需要大量的精通 PLC 控制的從業(yè)人員。 2 、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)已發(fā)生調(diào)整，逐漸有勞動(dòng)力密集型轉(zhuǎn)化為技術(shù)密集型，大量的新設(shè)備被采用，這些設(shè)備很多都和 PLC 控制相關(guān)，需大量的高技術(shù)人才。 目前和 PLC 有關(guān)的從業(yè)人員主要有： 1 、企業(yè)的設(shè)備維護(hù)和維修人員 2 、從事工控設(shè)備銷售的人員 3 、從事設(shè)備開發(fā)，編程的電氣工程師 可編程控制器對(duì)用戶來說，是一種無觸點(diǎn)設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝。目前，可編程控制器已成為工廠自動(dòng)化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛的普及推廣應(yīng)用。 可編程控制器是面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有許多明顯的特點(diǎn)。 ①可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； ②編程直觀、簡(jiǎn)單； ③適應(yīng)性好； ④功能完善，接口功能強(qiáng)。 用可編程控制器代替了繼電器—接觸器的控制， 實(shí)現(xiàn)了邏輯控制功能，并且 具有計(jì)算機(jī)功能靈活、通用性等有點(diǎn)，用程序代替硬接線，并且具有計(jì)算機(jī)功能 靈活、通用性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用程序代替硬接線，減少了重新設(shè)計(jì)，重新接線的工 作，此種控制器借鑒計(jì)算機(jī)的高級(jí)語言，利用面向控制過程，面向問題的“自然 語言”編程，其標(biāo)志性語言是極易為 IT電器人員掌握的梯形圖語言，使得部熟悉 計(jì)算機(jī)的人也能方便地使用。這樣，工作人員不必在變成上發(fā)費(fèi)大量地精力，只重慶科技學(xué)院高等教育自學(xué)考試本科畢業(yè)論文 1 緒論 11需集中精力區(qū)考慮如何操作并發(fā)揮改裝置地功能即可， 輸入、 輸出電平與市電接 口，市控制系統(tǒng)可方便地在需要地地方運(yùn)行。所以，可編程控制器廣泛地應(yīng)用于 各工業(yè)領(lǐng)域。2.2 PLC 的發(fā)展PLC 自 1969 年美國(guó)數(shù)據(jù)設(shè)備公司（DEC）研制出現(xiàn)，現(xiàn)行美國(guó)、日本、德國(guó)的可編程序控制器質(zhì)量?jī)?yōu)良，功能強(qiáng)大?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和繼電器—接觸器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器—接觸器控制已經(jīng)有傷百年的歷史，它是一種弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路直觀、價(jià)格低廉、容易操作、易于維修的有優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工作模式固定、要求比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合非常使用，至今仍有廣泛的用途。但是當(dāng)工作模式改變時(shí)，就必須改變系統(tǒng)的硬件接線，控制柜中的物件以及接線都要作相應(yīng)的變動(dòng)，改造工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，用戶寧愿扔掉舊控制柜，另做一個(gè)新控制柜使用，阻礙了產(chǎn)品更新?lián)Q代。雖作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC 在我國(guó)的應(yīng)用已有 30年的歷史，PLC自 20世紀(jì) 70年代后期進(jìn)入中國(guó)以來，應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。PLC 進(jìn)入中國(guó)時(shí)最初是從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，由于 PLC價(jià)格昂貴，引進(jìn)的 PLC主要用于冶金、電力、自動(dòng)化生產(chǎn)線等大的設(shè)備和系統(tǒng)。在引進(jìn)國(guó)外 PLC產(chǎn)品的過程中，我國(guó)也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收 PLC的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對(duì) PLC進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。到 80年代在上海、北京、西安、廣州、長(zhǎng)春等 20多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC產(chǎn)品，但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，都沒有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC 產(chǎn)品運(yùn)作是否成功不是由簡(jiǎn)單的一兩種因素決定的。近 10年來，越來越多的中小設(shè)備開始采用 PLC進(jìn)行控制。 作為離散控制的首選產(chǎn)品，PLC 在我國(guó)的應(yīng)用已有 30年的歷史，PLC 自20世紀(jì) 70年代后期進(jìn)入中國(guó)以來，應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。PLC 進(jìn)入中國(guó)時(shí)最初是從成套設(shè)備引進(jìn)應(yīng)用，由于 PLC價(jià)格昂貴，引進(jìn)的 PLC主要用于冶金、電力、自動(dòng)化生產(chǎn)線等大的設(shè)備和系統(tǒng)。在引進(jìn)國(guó)外 PLC產(chǎn)品的過程中，我國(guó)也曾組織了相關(guān)單位消化、吸收 PLC的關(guān)鍵技術(shù)，試圖對(duì) PLC進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。到 80年代在上海、北京、西安、廣州、長(zhǎng)春等 20多家科研單位、大專院校和工廠研制和生產(chǎn) PLC產(chǎn)品，具體的單位有：北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所、大連組合機(jī)床研究所、成都機(jī)床電器研究所、中科院北京計(jì)算機(jī)所及自動(dòng)化所、長(zhǎng)春一汽、上海起重電器廠、上海香島機(jī)電公司、上海自力電子設(shè)備廠等單位。但終因缺乏資金和后續(xù)研究力量、生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，都沒有成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，PLC 產(chǎn)品運(yùn)作是否成功不是由簡(jiǎn)單的一兩種因素決定的。近 10年來，隨著 PLC價(jià)格的不斷降低和用戶需求的不斷擴(kuò)大，越來越多的中小設(shè)備開始采用 PLC進(jìn)行控制國(guó)產(chǎn) PLC在技術(shù)特點(diǎn)上與西門子和三菱類似或與其兼容，技術(shù)特點(diǎn)與三菱類似的國(guó)產(chǎn) PLC主要有深圳三凌、洛陽易達(dá)、廈門海為等，技術(shù)特點(diǎn)與西門子類似或與其兼容的國(guó)產(chǎn) PLC有：合信自動(dòng)化、深圳億維、歐辰電子、上海正航等。 2.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC主要包括一片 CPU，存儲(chǔ)區(qū)和用來接收輸入/輸出數(shù)據(jù)的相應(yīng)電路。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以把 PLC看做一個(gè)裝滿了成百上千個(gè)分立的繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域的盒子。這些計(jì)數(shù)器、定時(shí)器真的存在嗎？不，實(shí)際上它們是不存在的，它們是模擬的，可以把它們看作是軟件計(jì)數(shù)器和定時(shí)器。這些內(nèi)部繼電器是通過寄存器內(nèi)部的數(shù)位位置（bit location）來模擬的。中央處理單元(CPU)，如下圖 2-1所示。2-1 PLC 硬件結(jié)構(gòu)2.3.1 中央處理單器(CPU)中央處理器單元一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成。CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與儲(chǔ)存單元、輸入輸出接口、通訊接口、擴(kuò)展接口相連。CPU 是 PLC 的核心，它不斷采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)輸出。PLC 中常采用的 CPU 有三類： 1) 通用微處理器（如 Z80、8086、80286 等）2) 單片微處理器（如 8031、8096 等） 3) 位片式微處理器(如 AMD29W 等)小型 PLC：大多采用 8 位通用微處理器和單片微處理器中型 PLC：大多采用 16 位通用微處理器或單片微處理器大型 PLC：大多采用高速位片式微處理器（32 位）小型 PLC 為單 CPU 系統(tǒng)，中、大型 PLC 則大多為雙 CPU 或多 CPU 系統(tǒng)。對(duì)于雙 CPU 系統(tǒng)，一般一個(gè)為字處理器，一般采用 8 位、16 位或 32 位處理器；另一個(gè)為位處理器，采用由各廠家設(shè)計(jì)制造的專用芯片。2.3.2 存儲(chǔ)器PLC 系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。PLC 的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。 （1）系統(tǒng)存儲(chǔ)器用來存放由 PLC 生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM 內(nèi)，用戶不能更改。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計(jì)者規(guī)定的各項(xiàng)工作。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞很大程度上決定了 PLC 的性能。（2）用戶存儲(chǔ)器包括用戶程序存儲(chǔ)器（程序區(qū)）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)區(qū)）兩部分。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對(duì)具體控制任務(wù)采用 PLC 編程語言編寫的各種用戶程序。用戶程序存儲(chǔ)器根據(jù)所選用的存儲(chǔ)器單元類型的不同（可以是 RAM、EPROM 或 EEPROM 存儲(chǔ)器） ，其內(nèi)容可以由用戶修改或增刪。用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以用來存放（記憶）用戶程序中所使用器件的 ON/OFF 狀態(tài)和數(shù)據(jù)等。用戶存儲(chǔ)器的大小關(guān)系到用戶程序容量的大小，是反映 PLC 性能的重要指標(biāo)之一。（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)這是一種電可擦除只讀存儲(chǔ)器。使用編程器就能很容易對(duì)其所存儲(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行修改。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于 CMOS 靜態(tài) RAM 中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時(shí)不會(huì)丟失信息。為了防止干擾對(duì) RAM中程序的破壞，當(dāng)用戶程序經(jīng)過運(yùn)行正常，不需要改變，可將其固化在只讀存儲(chǔ)器 EPROM 中?，F(xiàn)在有許多 PLC 直接采用 EEPROM 作為用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)系統(tǒng)程序。包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷子程序等。由制造廠商將其固化 EPROM 中，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該 PLC性能。工作數(shù)據(jù)是 PLC 運(yùn)行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。存放在RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 的工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，設(shè)有存放輸入輸出繼電器、輔助繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等邏輯器件的存儲(chǔ)區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設(shè)置和運(yùn)行情況而確定的。根據(jù)需要，部分?jǐn)?shù)據(jù)在掉電時(shí)用后備電池維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在掉電時(shí)可保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)域稱為保持?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。 （2）系統(tǒng)軟設(shè)備存儲(chǔ)區(qū) ：I/O 映象區(qū)區(qū)以外，系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)還包括 PLC 內(nèi)部各類軟設(shè)備（邏輯線圈、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器和累加器等）存儲(chǔ)區(qū)。該存儲(chǔ)區(qū)又分為具有失電保持存儲(chǔ)區(qū)域和無失電保持存儲(chǔ)區(qū)域，前者 PLC 斷電時(shí)，由內(nèi)部鋰電池供電，數(shù)據(jù)不會(huì)遺失；后者當(dāng) PLC 斷電時(shí)，數(shù)據(jù)被清零。由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊(cè)中所列存儲(chǔ)器的形式及容量是指用戶程序存儲(chǔ)器。當(dāng) PLC 提供的用戶存儲(chǔ)器容量不夠用，許多 PLC 還提供有存儲(chǔ)器擴(kuò)展功能。存儲(chǔ)器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，另一種是只讀存儲(chǔ)器或可擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器 ROM、PROM 、EPROM 和EEPROM。2.3.3 輸入/輸出模塊輸入輸出模塊也稱為控制模塊，在有控制要求時(shí)可以輸出信號(hào)，或者提供一個(gè)開關(guān)量信號(hào)，使被控設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)可以接收設(shè)備的反饋信號(hào)，以向主機(jī)報(bào)告，是火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中重要的組成部分，市場(chǎng)上的輸入輸出模塊都可以提供一對(duì)無源常開/常閉觸點(diǎn)，用以控制被控設(shè)備，部分廠家的模塊可以通過參數(shù)設(shè)定，設(shè)置成有源輸出（如海灣 GST-LD-8301),相對(duì)應(yīng)的還有雙輸入輸出模塊、多輸入輸出模塊等等。輸出模塊連接在控制器的回路總線上，可以安裝在所控設(shè)備的附近，也可安裝在樓層端子模塊箱內(nèi)。采用電子寫碼，可以現(xiàn)場(chǎng)編碼。輸出模塊的輸出控制邏緝可以根據(jù)工程情況編程完成。當(dāng)控制器接收到探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)后，根據(jù)預(yù)先編入的程序，控制器通過總線將聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)輸送到輸出模塊，輸出模塊啟動(dòng)需要聯(lián)動(dòng)的消防設(shè)備；設(shè)備動(dòng)作后會(huì)接受一個(gè)信號(hào)回答。PLC 有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，PLC 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使 PLC 的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到 PLC 停機(jī)或切換到 STOP 工作狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序外，每次循環(huán)過程中，PLC 不還要完成內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段 PLC 的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。在工作狀態(tài)下，執(zhí)行一次上圖所示的掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期。其典型值為1-100ms 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖 )。 在 掃 描 每 一 條 梯 形 圖 時(shí) ， 又 總 是 先 掃 描 梯 形 圖 左 邊 的 由 各 觸 點(diǎn)構(gòu) 成 的 控 制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存 儲(chǔ) 區(qū)中 對(duì) 應(yīng) 位 的 狀 態(tài) ； 或者刷新該輸出線圈在 I/O映 象 區(qū) 中 對(duì) 應(yīng) 位 的 狀 態(tài) ； 或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖 所 規(guī) 定 的 特 殊 功 能 指 令 。 即 在 用 戶 程 序 執(zhí) 行 過 程 中 ， 只 有 輸 入 點(diǎn) 在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O映 象 區(qū) 或 系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。2.3.4 擴(kuò)展模塊當(dāng)一個(gè) PLC中心單元的 I/O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的 I/O模塊和操作接口單元。通過CAN總線接口，運(yùn)動(dòng)控制器可以連接 I/O擴(kuò)展模塊。I/O 模塊形成的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度要求在 100m以內(nèi)。操作接口單元和控制器之間的所有通信連接都是通過 Trio光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。第三方的操作接口單元可以通過串口相連。第三種方法是為機(jī)器制造商制作一個(gè)專門的操作接口，這個(gè)專門的操作接口可以通過一個(gè)靈活的接口板，非常容易地連接到光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中去。2.3.5 編程器程序的編制、存儲(chǔ)和管理等，并將用戶程序送入 PLC中，在調(diào)試過程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè)。S7-200 系列 PLC可采用多種編程器，一般可分為簡(jiǎn)易型和智能型。 簡(jiǎn)易型編程器是袖珍型的，簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉，是一種很好的現(xiàn)場(chǎng)編程及監(jiān)測(cè)工具，但顯示功能較差，只能用 PLC在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)行用戶指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計(jì)算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200 系列 PLC的專用編程軟件為 STEP7-Micro/WIN。2.4 PLC 的基本工作原理PLC 采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式1．每次掃描過程，集中采集輸入信號(hào)，集中對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。2．輸入刷新過程，當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí)，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí)，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí)，新狀態(tài)才被讀入。3．一個(gè)掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。4．元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。5．掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定。 （1）CPU 執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時(shí)間（3）指令條數(shù)，現(xiàn)在的 PLC 掃描速度都是非?？斓摹?．由于采用集中采樣，集中輸出的方式，存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。PLC則是采用循環(huán)掃描的工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號(hào)后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。PLC 的工作過程就是 PLC的掃描循環(huán)工作過程，一個(gè)循環(huán)掃描周期主要可分為 3個(gè)階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。如圖 2-3所示 PLC的掃描工作過程。 [7] 圖 2-3 PLC 的掃描工作過程2.5 PLC 的主要應(yīng)用經(jīng)過 20多年的工業(yè)運(yùn)行，PLC 迅速滲透到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，從 PLC的功能來看，它的應(yīng)用范圍大致包括以下幾個(gè)方面：（1）開關(guān)量的邏輯操控 這是 PLC 最基本、最廣泛的使用領(lǐng)域，它替代傳統(tǒng)的繼電器電路，完結(jié)邏輯操控、按次操控，既可用于單臺(tái)設(shè)備的操控，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝出產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制 在工業(yè)出產(chǎn)進(jìn)程傍邊，有許多接連改變的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程操控器處置模擬量，必須完結(jié)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的 A/D變換及 D/A變換。PLC廠家都出產(chǎn)配套的 A/D和 D/A變換模塊，使可編程操控器用于模擬量操（3）運(yùn)動(dòng)操控 PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的操控。從操控組織裝備來說，早期直接用于開關(guān)量 I/O模塊銜接方位傳感器和執(zhí)行組織，如今普通運(yùn)用專用的運(yùn)動(dòng)操控模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸方位操控模塊。世界上各首要 PLC廠家的產(chǎn)物簡(jiǎn)直都有運(yùn)動(dòng)操控功用，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。（4）數(shù)據(jù)控制 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算） 、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)變換、排序、查表、位操作等功用，可以完結(jié)數(shù)據(jù)的收集、剖析及處置。這些數(shù)據(jù)可以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比擬，完結(jié)必定的操控操作，也可以使用通訊功用傳送到另外智能設(shè)備，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處置普通用于大型操控系統(tǒng)，如無人操控的柔性制造系統(tǒng)；也可用于進(jìn)程操控系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型操控系統(tǒng)。（5）PID 控制 PLC具有 PID控制功能。PLC 可以接模擬量輸入和輸出模擬量信號(hào)。通常采用專門的 PID控制模塊來實(shí)現(xiàn)。（6）通信和聯(lián)網(wǎng) PLC 通訊含 PLC 間的通訊及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通訊。跟著計(jì)算機(jī)操控的開展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)開展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通訊功用，紛繁推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近出產(chǎn)的 PLC 都具有通訊接口，通訊十分便利。2.6 S7-200 系列 PLC 元件功能1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)類型 S7-200系列 PLC的數(shù)據(jù)類型可以是字符串、布爾型（0 或 1） 、整數(shù)型和實(shí)數(shù)型（浮點(diǎn)數(shù)） 。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括16位符號(hào)整數(shù)（INT）和 32位符號(hào)整數(shù)（DINT） 。2. 編程元件 （1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） ?輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC用來接收用戶設(shè)備輸入信號(hào)的接口。PLC 中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，是軟繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7-200 輸入映像寄存器區(qū)域有 IB0～I(xiàn)B15 共 16個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元。系統(tǒng)對(duì)輸入映像寄存器是以字節(jié)（8 位）為單位進(jìn)行地址分配的。 （2） 變量存儲(chǔ)器 V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量?？梢源娣艛?shù)據(jù)運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。變量存儲(chǔ)器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號(hào)范圍根據(jù) CPU的型號(hào)有所不同，CPU221/222 為 V0.0～V2047.7 共 2KB存儲(chǔ)容量，CPU224/226 為V0.0～V5119.7 共 5KB存儲(chǔ)容量 （3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器（中間繼電器）M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器，用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在 PLC中沒有輸入/輸出端與之對(duì)應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 （4） 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器 SM PLC 中還有若干特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器, 特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器位提供大量的狀態(tài)和控制功能，用來在 CPU 和用戶程序之間交換信息，特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)器能以位、字節(jié)、字或雙字來存取。（5） 定時(shí)器 T PLC所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。每個(gè)定時(shí)器可提供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。其設(shè)定時(shí)間由程序設(shè)置。 （6） 計(jì)數(shù)器 C計(jì)數(shù)器用于累計(jì)計(jì)數(shù)輸入端接收到的由斷開到接通的脈沖個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器可提供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。（7） 累加器 AC 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。CPU 提供了 4個(gè) 32位的累加器，其地址編號(hào)為 AC0～AC3。累加器的可用長(zhǎng)度為 32位，可采用字節(jié)、字、雙字的存取方式，按字節(jié)、字只能存取累加器的低 8位或低 16位，雙字可以存取累加器全部的 32 位。 [9]第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1 傳統(tǒng)水塔水位控制圖 3-1 傳統(tǒng)水塔水位控制布局圖3.1.1 工作原理通過指示燈模擬上水水泵，結(jié)合鈕子開關(guān)模擬水位監(jiān)測(cè)信號(hào)，模擬了水塔自動(dòng)上水控制，當(dāng)水池水位低于水池低位界面（s1 為 ON）時(shí)，電磁閥 Y打開進(jìn)水（Y 為 ON） ，定時(shí)器開始定時(shí)，4S 后，如果 S1還不為 OFF，那么閥 Y指示燈閃爍，表示閥 Y沒有進(jìn)水，出現(xiàn)故障，S3 為 ON后，閥 Y關(guān)閉(Y 為 OFF)。當(dāng) S1為 OFF，且水塔水位低于水塔低位水位界時(shí)，S3 為 ON，水泵 M運(yùn)轉(zhuǎn)抽水。當(dāng)水塔水位高于水塔高水位界時(shí)水泵 M停止。 [10] 3.1.2 外部接線與控制列表圖 3-2 傳統(tǒng)水塔水位控制電氣接線圖表 3-1 水塔水位模擬控制接線列表名稱 PLC 端子 說明燈 M Q0.0 模擬水塔提水水泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行動(dòng)作燈 Y Q0.1 模擬地面水池的進(jìn)水閥門的開關(guān)動(dòng)作開關(guān) S1 I0.0 模擬水池水位低限報(bào)警信號(hào)開關(guān) S2 I0.1 模擬水池水位高限報(bào)警信號(hào)開關(guān) S3 I0.2 模擬水塔水位低限報(bào)警信號(hào)開關(guān) S4 I0.3 模擬水塔水位高限報(bào)警信號(hào)3.1.3 程序編輯及分析（程序見附錄）3.2 PID 水塔水位控制系統(tǒng)的工作原理傳統(tǒng)的水塔水位控制方式具有占地面積大、投資高、水泵電機(jī)頻繁起動(dòng)、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、水漏失嚴(yán)重等缺點(diǎn)；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機(jī)的頻繁起動(dòng)使設(shè)備故障率高，檢修、維護(hù)也 存在困難。因此如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，已是迫在眉睫。在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC及液壓變送器等器件．利用 PLC和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。在系統(tǒng)中，只使用比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用于動(dòng)控制輸入控制液體閥，使水位達(dá)到滿水位的 75%，然后打開出水口，同時(shí)輸入控制液體閥從手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。 [11]3.2.1 設(shè)計(jì)分析圖 3-3 設(shè)計(jì)分析示意圖“水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)”的控制對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。水位高度正常情況下控制在 C、D 之間，如圖（a） 。當(dāng)水位在低于 C點(diǎn)時(shí)，水泵開始進(jìn)水，如圖（b） 。當(dāng)水位高于 D點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖（c） 。當(dāng)水位低于 C點(diǎn)并到達(dá) B點(diǎn)時(shí)就報(bào)警，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖（d） 。當(dāng)水位超過 D點(diǎn)并到達(dá) E點(diǎn)時(shí)上限報(bào)警，采取強(qiáng)制停止水泵，水位從溢流口流出，如圖（e） 。3.2.2 可行性試驗(yàn)圖 3-4為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開關(guān)組成。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈 B、C、D、E 情況不同。圖 3-4 水塔水位控制器外觀圖①當(dāng)水位處于 B點(diǎn)之下，指示燈 B、C、D、E 全亮，報(bào)警電路開始報(bào)警，即下限報(bào)警。 ②當(dāng)水位處于 B、C 之間，指示燈 B滅，C、D、E 亮，水泵開始進(jìn)水。③當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C、D 亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水。④當(dāng)水位處于 D、E 之間，指示燈 B、C、D 滅，E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。⑤當(dāng)水位處于 E點(diǎn)之上，指示燈 B、C、D、E 全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。⑥報(bào)警電路可以手動(dòng)關(guān)閉，只要按下報(bào)警確認(rèn)開關(guān)，就可以解除報(bào)警的蜂鳴聲。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉報(bào)警確認(rèn)燈，報(bào)警確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測(cè)故障的功能。3.2.3 可行性分析此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。同時(shí)，對(duì)于不同類型的液體，此系統(tǒng)均有良好的兼容性。當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。試驗(yàn)證明，此水塔水位控制器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水塔水位的精確控制，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。3.3 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 3-5 供水系統(tǒng)控制原理圖M1、M2—水泵 Y0-Y3—液位開關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)水塔中的進(jìn)、出水的水位可以自動(dòng)控制水泵，使水位處于動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。供水系統(tǒng)的基本原理如圖 3-5所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為 4～20 mA電流信號(hào)進(jìn)入 PLC，把該信號(hào)和 PLC中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過水泵的開關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng) PLC出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對(duì)水塔水位控制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。 上水箱液位低于 Y3時(shí)，M1、M2 同時(shí)工作，F(xiàn)2 打開。液位上升至 Y2時(shí)，M2停止，F(xiàn)2 關(guān)閉，M1 繼續(xù)工作。液位上升至 Y1時(shí)，M1 也停止。打開 F1手閥使上水箱放水，液位下降。當(dāng)液位又低于 Y1時(shí) M1起動(dòng)工作，如 F1開度較大下水量大于上水量，使液位繼續(xù)下降至 Y2時(shí)，M2 啟動(dòng)工作同時(shí) F2打開，使上水量大幅上升，保持液位。Y0 為下水箱缺水報(bào)警開關(guān)下水箱液位低于 Y0時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。圖 3-6 水位閉環(huán)控制圖第 4 章 PLC 中 PID 控制器的實(shí)現(xiàn)4.1 PID 算法PID(ProPortiona1IntegralDerivative)是工業(yè)控制常用的控制算法，無論在溫度、流量等慢變化過程，還是速度、位置等快速變化的過程，都可以得到很好的控制效果。PID 控制算法一般由【比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)】組成。積分項(xiàng)的作用是消除系統(tǒng)靜差，而微分項(xiàng)則改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 [12]PLC技術(shù)不斷增強(qiáng)，運(yùn)行速度不斷提高;不但可以完成順序控制的功能，還可以完成復(fù)雜的閉環(huán)控制。圖 4.1是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。4-1 閉環(huán)控制系統(tǒng)作為閉環(huán)控制的重要特征，采用了“誤差”的概念，即:在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，利用給定輸入 sP(t)與實(shí)際輸出 c(t)經(jīng)過測(cè)量裝置裝置轉(zhuǎn)換后的反饋量Pv(t)之間的差值 e(t)作為控制量，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差 e(t)一個(gè)很小的變化量。因此，為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更精確的控制，消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)的輸出誤差，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，需要對(duì)誤差進(jìn)行放大(比例調(diào)節(jié) P)、積分(積分調(diào)節(jié) I)、微分(微分調(diào)節(jié) D)，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來對(duì)誤差進(jìn)行放大、積分、微分等處理的裝置稱為“調(diào)節(jié)器” ，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有“放大” 、 “積分” 、 “微分”功能時(shí)，即成為 PID調(diào)節(jié)器。在變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐中，經(jīng)常采用 PID控制器、軟件 PID以及變頻器內(nèi)置 PID來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié)功能，三種方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用 PID算法的 PLC實(shí)現(xiàn)方法。 [13]4.2 PID 應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來控制溫度、液位、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量。無論是使用模擬控制器的模擬控制系統(tǒng)，還是使用計(jì)算機(jī)（包括 PLC）的數(shù)字控制系統(tǒng)，PID 控制都等到了廣泛的應(yīng)用。PID 控制簡(jiǎn)單易懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。有人稱贊它是控制領(lǐng)域的常青樹是不無道理的。PID控制器是比例-積分-微分控制(Proportional-Integral-Derivative)的簡(jiǎn)稱,之所以得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗哂腥缦聝?yōu)點(diǎn)：（1）不需要精確地控制系統(tǒng)數(shù)字模型。由于非線性和時(shí)變性很多工業(yè)控制對(duì)象難以得到其準(zhǔn)確的數(shù)字模型，因此不能使用控制理論中的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用 PID控制可以得到比較滿意的效果。（2）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，微分控制可以改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，比例、積分、微分控制三者有效地結(jié)合就可以滿足不同的控制要求。根據(jù)被控制對(duì)象的具體情況，還可以采用各種 PID控制的變種和改進(jìn)的控制方式，如 PI、PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離 PID、變速積分 PID等。（3）PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)調(diào)整方便。在 PLC控制系統(tǒng)中，經(jīng)常采用模擬量輸入/輸出模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化處理，本系統(tǒng)選擇 S7-20O系列 EM235模擬量模塊，對(duì)管網(wǎng)壓力信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過變頻器調(diào)整液壓閥輸入與輸出。 [14]4.3 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方式用 PLC對(duì)模擬量進(jìn)行 PID控制時(shí)，可以采用以下幾種方法：(1)使用 PID過程控制模塊這種模塊的 PID控制程序是 PLC生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路，但是這種模塊的價(jià)格較高，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。(2)使用 PID功能指令現(xiàn)在很多 PLC都有供 PID控制用的功能指令，如 S7-200的 PID指令。它們實(shí)際上是用于 PID控制的子程序，與模擬量的輸入/輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用 PID過程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜得多。(3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) PID閉環(huán)控制有的 PLC沒有 PID過程控制模塊和 PID控制用的功能指令，有時(shí)雖然可以使用 PID控制指令，但希望采用某種改進(jìn)的 PID控制算法。在上述情況下都需要用戶編制 PID控制程序。4.4 PLC PID 控制器的實(shí)現(xiàn)PLC的 PID控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的 PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化，寫成離散形勢(shì)的 PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2所示。圖中 為給()spt定值， 為反饋量，c(t)為系統(tǒng)的輸入量，PID 控制器的輸入輸出關(guān)系式為：()pvt 0011()()()()tc DMtKetedtetdMTT? ?????? ?? ??式中， — 控制器的輸出， 為輸出的初始值，0M= — 誤差信號(hào)，()et()spvt?— 比例系數(shù)，c— 積分時(shí)間常數(shù)，1T— 微分時(shí)間常數(shù)。D圖 4-2 連續(xù)閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖上式中等號(hào)右邊前 3項(xiàng)分別是比例、積分、微分部分，它們分別與誤差、誤差積分和微分成正比。如果取其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)，可以組成 P、PD 或 PI控制器。假設(shè)采樣周期為 ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t=0，用矩形積分來近似精確ST積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n次采樣時(shí)控制器的輸出為：110()nncjDMKeeM?????式中， — 第 n-1次采樣誤差值。1ne?— 積分系數(shù)?！?微分系數(shù)。D在 S7-200PLC中，實(shí)際使用的 PID算法為：()()()()pIDMnnMnn???式中：第 n次采樣的調(diào)節(jié)器輸出()n比例項(xiàng) p ()()pCnKe?積分項(xiàng) ()I 0nIiijje???微分項(xiàng) DMn ??()1DdM?????基于 PLC的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 4-2所示，圖中虛線部分在 PLC內(nèi)。這圖中的 、 、 、 分別為模擬量 、 、 、 在第 n次采樣的nspvne()sptvt()eMt數(shù)字量。