毕业设计(论文)PLC在城市供水系统中的应用.doc
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1、第1章 绪论1. 1引言本文介绍了采用可编程控制(Programmable Logic Controlle)PLC的城市供水系统,PLC的特点是1编程简单2可靠性高3通用性好4功能强使用方便5设计施工和调试周期短在工业生产过程的自动化控制领域得到了越来越广泛的应用。在城市供水系统中需要根据用水量及时调整电机的工作状态以满足用户的需求,可编程序控制器还具有很强的连网能力和很高的可靠性,不仅可以单机使用,而且可以与计算机结合组成集散式控制系统。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
2、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。本文在此介绍一种采用可编程控制器(PLC)对供水系统进行恒压控制的一种方法,其电路结构简单,投资少(可利用原有设施改造),监控系统不仅自动化程度高,还具有在线修改功能,灵活性强可推广使用1.2 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,系统应低恒压值运行,消防供水时系统应高恒压值运行;(2)三台泵根
3、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. 3本文的研究意义和内容1. 3. 1本文的研究意义生活中居民用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化,因而经常出现供水用水的不平衡,主要表现在水压上,用水多而供水少则水压低,用水少而供水多则水压高。而传统的供水系统性能都不够好,已经不适应现代生活的应用,为了实现高质量的供水系统而设计了PLC恒压供水系统,PLC恒压供水系统具有供水质量高、灵活性强、耗电省、电机起制动平稳
4、、占地面积少、原材料消耗省等优点,从而获得了广泛的应用。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的,例如在某些生产过程中,若自来水供水压力不足或短时断水,可能会影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。1. 3. 2本文主要的研究内容:1. 恒压供水系统的基本构成;2. 系统控制要求;3. PLC模拟量控制单元的配置以及应用;4. 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理 第2章 PLC的概述2. 1 PLC的定义 最初,可编程逻辑控制器(P
5、rogrammable 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. 2 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
6、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CUP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) 编程方便易学第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言,与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似,理解方式也相同,非常适合现场人员学习。(4) 使用于恶劣的工作环境采用封装的方式,适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。(5) 与外部设备连接方便采用统一接线方式的可坼装的活动端子排,提供不同的端子功能适合于多种电器规格。(6)
7、 体积小、重量轻、功耗底。(7) 性价比高。(8) 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。(9) 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. 3 PLC的组成(1)输入寄存器输入寄存器可按为进行寻址,每一为对应一个开关量,其值反映了开关量的状态,其值的改变由相互如开关量驱动,并保持一个扫描周期。CPU可以读其值,但是不可以写或进行修改。(2)输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值,而程序循环执行开始时的输出寄存器的值,表明的是上一时间段的真
8、实输出值,在程序执行过程中,CPU可以读其值,并作为条件参加控制,还可以修改其值,而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出,即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。(3)存储器 存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序,它是由厂家开发固化好了的,用户不能修改,PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源,I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行,从而完成复杂的控制功能。(4)CUP单元CUP单元控制着I/O寄存器的读、写时序,以及对存储器单元中的程序的解释执行工作,是PLC
9、的大脑。(5)其他单元接口其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件输出电路输出寄存器输入寄存器输入电路系统寄存器用户寄存器PLC其它接口电路图2.1 PLC的组成24 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。25 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
10、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
11、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. 6 PLC工作原理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。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。(1)自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行,及时放映所出现的故障,PLC都具有自监视功能。(
12、2)与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程,这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。(3)用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的,即用户可以通过软件进行设定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。(4)读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下,每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的,运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映象寄存器:一个
13、为输入映象寄存器,另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值,运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中,CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器:在输出扫描过程中CPU把输出映像寄存器的值的输出点。 2. 7 PLC的编程功能表 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。输入继电器是由外部输入驱动的,梯形图中只能使用其介入点状态值,用户不能改变输入继电器的状态。辅助继电器的种类和多少决定了PLC控制功能的强弱。内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可用于外围设备,
14、如传感器或其它元件快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子块,即使接着电缆也可以更换单元时钟功能和小时表功能在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整输入信号(在基本单元中x000到x017)。注解记录功能元件注解可以记录在程序寄存器中线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转RUN/STO开关面板上运行/停止开关易于操作远程维护远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据密码保护使用一个八位
15、数字密码保护您的程序图2.3 PLC功能列表2.8 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。2.8.1 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2.4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。 P L C控 制 对 象图
16、2.4 简单的单机控制系统2.8.2 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2.5示显然,集中控制系统比单机控制系统经济的多。但是当其中一个控制对象的控制程序需要改变时,必须停止运行中央PLC,其他的控制对象也必须停止运行。当各个控制对象的地理位置距集中控制系统比较远时,需要大量的电缆线,造成系统成本的增加。为了适应控制系统的改变,采用集中控制系统时,必须注意选择I/O点数和存储器容量时要留有足够的余量,以便满足增加控制对象的要求。P L C控制对象A控制对象B控制对
17、象C 图2.5 集中控制系统 2.8.3 分散控制系统分散控制系统的构成如图2.6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。分散控制系统常用于多台机械生产线的控制,各个生产线之间有数据连接。由于各个控制对象都由自己的PLC进行控制,当其中一个PLC停止运行时不需要停止运行其他的PLC。随着PLC性能的不断提高,由PLC担当低层控制任务,通过网络连接,PLC与过程控制相结合的分散控制系统将是计算机控制的重要发展方向。与集中控制系统相比,分散控制系统的可靠性大大加强。具有相同I/O点数时,虽然分散控制系统中多用了
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