基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（有梯形程序圖）

.恒壓供水原理及工藝1.1任務(wù)隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出。一方面要求提高供水質(zhì)量，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng)造成供水的障礙；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能可靠供水。針對這兩方面的要求，新的供水方式和控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這就是PLC控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)。恒壓無塔供水系統(tǒng)包括生活用水的恒壓控制和消防用水的恒壓控制——即雙恒壓系統(tǒng)。恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，以PLC為主機(jī)的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。1.2工藝要求對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn)行。（2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先?！钡脑瓌t介入和退出。（3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間超過3H，則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過長。（4）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能。1.3系統(tǒng)的組成和基本工作原理以一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，市網(wǎng)來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥TV1，它們自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號也直接送給PLC，作為低水位報(bào)警用。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行。火災(zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為生活供水使用。2PLC概述2.1PLC組成2.1.1PLC的輸入通過對繼電器控制特點(diǎn)的介紹和最初通用汽車公司提出的要求分析。PLC要想取代繼電器控制，首先要解決外部設(shè)備的直接輸入問題。由于當(dāng)時(shí)主要集中在開關(guān)量控制，也就是開關(guān)量（觸點(diǎn)的開閉狀態(tài)）如何直接接入PLC并被PLC所識別，對此就需要解決以下幾個(gè)問題：有源接入，無源接入，絕緣問題，隔離問題和互相干擾問題。PLC就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在其發(fā)展過程，人們曾將計(jì)算機(jī)直接用于工業(yè)控制，但是由于以下兩大問題沒有解決好而難以發(fā)展：一是I/O（輸入/輸出）問題，計(jì)算機(jī)不能直接和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備連接現(xiàn)在了應(yīng)用；二是計(jì)算機(jī)的I/O功能，開關(guān)邏輯處理不夠豐富和強(qiáng)大?，F(xiàn)在的PLC成功的解決了這兩個(gè)方面的問題，可以讓PLC和外部設(shè)備直接進(jìn)行物理的連接。計(jì)算機(jī)的內(nèi)部提供了豐富的從位邏輯到雙字運(yùn)算的強(qiáng)大的運(yùn)算功能，使其能夠完成復(fù)雜的控制功能，這也是PLC能夠迅速發(fā)展的原因。2.1.2PLC的輸出輸出問題主要是接點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力問題，或者說是帶負(fù)載能力和輸出方式的問題。輸出動(dòng)作次數(shù)的限制，是保證PLC的輸出接點(diǎn)能否驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥這樣的控制執(zhí)行元器件的問題至少要能直接驅(qū)動(dòng)中間繼電器。現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已經(jīng)完全有能力驅(qū)動(dòng)這些元器件,并提供了多種輸出方式且動(dòng)作次數(shù)可保證萬次無故障的產(chǎn)品。2.1.3PLC的控制機(jī)制PLC已經(jīng)完全取代繼電器控制系統(tǒng)。只要對其控制機(jī)制有了準(zhǔn)確的理解，才能對其持續(xù)的開發(fā)并創(chuàng)造性的使用它。I/O電路已經(jīng)保證了PLC與現(xiàn)場設(shè)備的直接連接，并在內(nèi)部寄存器存儲(chǔ)了這些狀態(tài)。但是，為了取代繼電器的控制，更重要的是如何組織和使用這些開關(guān)量，從而達(dá)到軟件程序代替硬件連線的目的。在這里通過對繼電器的控制的電路的特點(diǎn)的介紹，已經(jīng)知道繼電器控制電路的特點(diǎn)在于各個(gè)控制單元是否動(dòng)作是由其接點(diǎn)條件控制的，并不受其前后位置的影響。同一時(shí)刻，可有多個(gè)不同的控制單元繼電器的動(dòng)作（翻轉(zhuǎn)），控制的結(jié)果、邏輯動(dòng)作順序也是由接點(diǎn)條件來控制的。這于計(jì)算機(jī)順序執(zhí)行的工作的特點(diǎn)是矛盾的。主要體現(xiàn)在：一是亂序，只要條件滿足就執(zhí)行；而另一個(gè)是順序執(zhí)行。PLC充分利用了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序的思想和高速的特點(diǎn)，采用了控制系統(tǒng)中的離散控制方式，使它的控制能夠完全代替繼電器的控制。具體的說就是將連續(xù)的控制用離散的控制代替，如下式：Y(n)=f(x(n-1),y(n-1))式中，Y（n）為某一時(shí)間段的輸出值；Y（n-1）為上一時(shí)間段的輸出值；X（n-1）為上一時(shí)間段某一時(shí)刻的輸入值；F為他們應(yīng)滿足的控制關(guān)系。即某一時(shí)間段的輸出完全取決于上一時(shí)間某一時(shí)刻的輸入和上一時(shí)間段的輸出。至于上一時(shí)間段的輸出，在參加計(jì)算的時(shí)候，只是存儲(chǔ)在映像寄存器中的輸出結(jié)果，執(zhí)行運(yùn)算過程中并不修改端子的輸出值。真實(shí)的輸出已表現(xiàn)在端子的接點(diǎn)上，并要保持一個(gè)時(shí)間段，也就是采取集中輸出的方式，在計(jì)算的過程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不會(huì)對先階段的輸出產(chǎn)生影響。這樣只要時(shí)間段足夠短，并且PLC周而復(fù)始的運(yùn)行著就完全可以模仿繼電器的控制并且取代它。由于采用集中I/O的思想，其I/O狀態(tài)存儲(chǔ)在寄存器中，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大邏輯家能力，以完成更復(fù)雜的控制功能。如圖1所示，PLC與通用計(jì)算機(jī)沒有什么區(qū)別，只是一臺(tái)增強(qiáng)了I/O功能的可與控制對象方便連接的計(jì)算機(jī)。其完成控制的實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行I/O變換，并將這個(gè)變換物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場。（1）輸入寄存器輸入寄存器可按為進(jìn)行尋址，每一為對應(yīng)一個(gè)開關(guān)量，其值反映了開關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由相互如開關(guān)量驅(qū)動(dòng)，并保持一個(gè)掃描周期。CPU可以讀其值，但是不可以寫或進(jìn)行修改。（2）輸出寄存器輸出寄存器的每一位都表明了PLC在下一個(gè)時(shí)間段的輸出值，而程序循環(huán)執(zhí)行開始時(shí)的輸出寄存器的值，表明的是上一時(shí)間段的真實(shí)輸出值，在程序執(zhí)行過程中，CPU可以讀其值，并作為條件參加控制，還可以修改其值，而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個(gè)循環(huán)的尾部時(shí)的值才影響下一時(shí)間段的輸出，即只有最后的修改才對輸出接點(diǎn)的真實(shí)值產(chǎn)生影響。（3）存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開發(fā)固化好了的，用戶不能修改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶存儲(chǔ)器中存放的是用戶程序和運(yùn)行所需要的資源，I/O寄存器的值作為條件決定著存儲(chǔ)器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。（4）CPU單元CPU單元控制著I/O寄存器的讀、寫時(shí)序，以及對存儲(chǔ)器單元中的程序的解釋執(zhí)行工作，是PLC的大腦。（5）其他單元接口其他單元接口用語提供PLC與其他設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理?xiàng)l件圖1PLC的組成3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)PLC的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對于設(shè)計(jì)一個(gè)較大的PLC控制系統(tǒng)時(shí)，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的大小，一般都要用以下設(shè)計(jì)步驟來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著PLC功能的不斷完善和提高，PLC幾乎可以完成工業(yè)領(lǐng)域的所以控制任務(wù)。但是PLC還是有最適合它的應(yīng)用場合，所以接到一個(gè)控制任務(wù)以后，要分析被控對象的控制過程和要求，看看用什么控制設(shè)備來完成該任務(wù)最合適。其實(shí)現(xiàn)在的可編程不僅處理開關(guān)量，而且對模擬量的處理能力也很強(qiáng)。所以在很多情況下也可以取代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主控器控制對象以及控制裝置確定后，還要進(jìn)一步確定PLC的控制范圍。一般來說，能夠反映生產(chǎn)過程的運(yùn)行情況，能用傳感器直接測量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由PLC控制來完成。當(dāng)某一個(gè)控制任務(wù)決定由PLC來完成后。選擇PLC就成為最重要的事情。一方面是選擇多大容量的PLC，另一方面是選擇什么公司的PLC以及外設(shè)。對第一個(gè)問題，首先要對控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的I/O點(diǎn)找出來，包括開關(guān)量I/O模擬量I/O以及這些I/O點(diǎn)的性質(zhì)。I/O點(diǎn)是性質(zhì)主要是指他們是直流信號還是交流信號，它們的電源電壓?？刂葡到y(tǒng)輸出點(diǎn)的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點(diǎn)有可能大于實(shí)際點(diǎn)數(shù)。因?yàn)镻LC的輸出點(diǎn)一般是幾個(gè)一組共用一個(gè)公共端，這一組的輸出只能有一個(gè)電源的種類和等級。對于第二個(gè)問題，則有以下幾個(gè)方面要考慮：（1）功能方面所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但是對于某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務(wù)。如對PLC與PLC、PLC與智能儀表以及上位機(jī)之間靈活方便的通訊要求；或?qū)LC的計(jì)算速度、用戶程序容量有特殊要求的；或?qū)LC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的PLC品種有一個(gè)詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。（2）價(jià)格方面不同廠家的PLC產(chǎn)品價(jià)格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當(dāng)、I/O點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價(jià)格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價(jià)必須是需要考慮的。（3）個(gè)人喜好方面有些工程技術(shù)人員對某種品牌的PLC熟悉，所以一般比較喜歡使用這種產(chǎn)品。圖8PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對軟件設(shè)計(jì)來說，I/O地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對控制柜和PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。3.1恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)和水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少十開一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)，電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水不足。而且水泵和電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管壓網(wǎng)水呀的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也有兩種配置方式，一是為每臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺(tái)電機(jī)陪一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)見可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，其余水泵共頻運(yùn)行，以滿足不同用水兩的需求。下圖為恒壓供水泵站的示意圖。如圖9所示，圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低；用水量小時(shí)，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。圖9變頻恒壓供水站的基本組成調(diào)節(jié)器是一種電子裝備,在系統(tǒng)中完成以下幾種功能：(1)設(shè)定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠(yuǎn)，用水地點(diǎn)越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時(shí)的恒壓值，另外有些供水系統(tǒng)可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用一個(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不只一個(gè)，一般消防用水的水壓要高一些，調(diào)節(jié)器具有給定值設(shè)定功能，可以以數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。（2）接受傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實(shí)測值。管網(wǎng)實(shí)測水壓回送到泵站控制裝置稱為反饋，調(diào)節(jié)器實(shí)反饋的接受點(diǎn)。（3）根據(jù)給定值和實(shí)測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測水壓的反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實(shí)測值之差。如果給定值大于實(shí)測值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)工作中還有個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律的問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如P、I、D參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的，PID調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微型計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器多為數(shù)字調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般式模擬信號，4~~20mA變化的電流信號或0~~10V間變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。下面以一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，如圖10所示，市網(wǎng)來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥TV1，它們自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號也直接送給PLC，作為底水位報(bào)警用。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為生活供水使用圖10生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖3.2系統(tǒng)控制要求對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn)行；（2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開先?！钡脑瓌t介入和退出；（3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間超過3H，則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過長；（4）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要又軟啟動(dòng)功能；（5）要有完整的報(bào)警功能；（6）對泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。3.3控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配PLC要能夠識別和接受描述現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量，同時(shí)要能夠發(fā)出控制信號控制一些執(zhí)行設(shè)備，以便對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。PLC是通過I/O單元完成此工作的。I/O單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅(qū)動(dòng)能力的信號，以實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備與PLC的I/O接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場設(shè)備向PLC提供信號，包括人為的控制信號和能描述現(xiàn)場狀態(tài)的開關(guān)量信號，例如由按鈕、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接近開關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量。這些信號經(jīng)過輸入電路進(jìn)行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成CPU接受和處理的信號。輸出單元將經(jīng)過CPU處理的弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號，以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元器件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等。根據(jù)圖10及以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如下表所示。水位上下限信號分別位I0.1、I0.2，它們在水淹沒時(shí)為0，露出時(shí)為1。表1輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號名稱代碼地址編號輸入信號手動(dòng)和自動(dòng)消防信號SA1I0.0水池水位下限信號SLLI0.1水池水位上限信號SLHI0.2變頻器報(bào)警信號SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5遠(yuǎn)程壓力表模擬量變壓值UAIW0輸出信號1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1，HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2，HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3，HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4，HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6，HL6Q0.5生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q1.0續(xù)表1輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號輸出信號水池水位下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5控制變頻器頻率用電電壓UFAQW03.4系統(tǒng)選型從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。如果選用CPU224PLC，也需要擴(kuò)展單元；如果選用CPU266PLC 則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大。參照S7–200的產(chǎn)品目以及市場實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為CPU222（8入/6繼電器輸出）一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一臺(tái)模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖11主機(jī)單元CPU222AC/DC繼電器主機(jī)單元CPU222AC/DC繼電器模擬量單元EM2354AI/1AO擴(kuò)展單元EM2228點(diǎn)繼電器圖11PLC系統(tǒng)組成S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)德一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)退出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC。由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。3.5PLC模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，了使PLC能完成模擬量的處理,常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)化為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外可以使用的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/轉(zhuǎn)換的，也兼有模/數(shù)和數(shù)/模兩種功能的，以下介紹S7-200系列PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸入，可以用于恒壓供水控制中。3.5.1EM235模擬量工作單元性能指標(biāo)表2模擬量擴(kuò)展模塊EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范輸入技術(shù)規(guī)范輸出技術(shù)規(guī)范最大輸出電壓30VDC隔離（現(xiàn)場到邏輯）無最大輸入電壓32mA信號范圍電壓輸出電流輸出±100~~20mA輸入濾波衰減-3dB，3.1kHz分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器隔離否分辨率，滿量程電壓電流`12位11位輸入類型差分輸入范圍電壓單極性0~10V，0~5V0~1V，0~500mV電壓電流-32000~+320000~+32000電壓雙極性電流0~100Mv,0~50mV±10V，±5V，±2.5V±1V，±500mV，±250Mv±100mV,±50mV,±25mv0~20mA精度最差情況0~55℃電壓輸出電流輸出±2%滿量程±2%滿量程精度最差情況0~55℃電壓輸出電流輸出典型，25℃電壓輸出電流輸出±2%滿量程±2%滿量程±5%滿量程±5%滿量程輸入分辨率AD轉(zhuǎn)換時(shí)間＜250s模擬輸入階躍響應(yīng)1.5mS到95%共模抑制4dB,DC到60Hz共莫電壓信號電壓加共加模電壓≤±12V24VDC電壓范圍20.4~~28.8V設(shè)置時(shí)間電壓輸出電流輸出100s2ms數(shù)據(jù)字格式雙極性，滿量程單極性，滿量程-32000~+320000~32000為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設(shè)計(jì)成可編程，而轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量一般具有固定的長度及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、輸出信號范圍欄給出了EM235的輸出、輸入信號規(guī)格，以供選用。3.5.2校準(zhǔn)及配置模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實(shí)際需接入的信號類型對模塊進(jìn)行一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡單的理解為儀器儀表使用前的調(diào)零以及調(diào)滿度。3.5.3EM235的安裝使用（1）根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設(shè)置DIP開關(guān)，完成模塊的配置工作。必要時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。（2）完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感器的線路盡可能短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證24VDC傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定可靠。（3）確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。S7-200擴(kuò)展單元安裝時(shí)在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊0開始編號。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。（4）為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲(chǔ)單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸出AQW單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲(chǔ)區(qū)V區(qū)存放處理產(chǎn)生的的中間數(shù)據(jù)。3.5.4EM235工作程序編制EM235的工作程序編制包括以下的內(nèi)容：（1）設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預(yù)置頂及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準(zhǔn)備。（2）設(shè)置模塊檢測子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的正確性。（3）設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計(jì)算工作。（4）工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。（5）處理后模擬量的輸出工作。S7-200PLC硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機(jī)包含一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，同時(shí)還可以擴(kuò)展I/O模塊和各種功能的模塊。一個(gè)完整的系統(tǒng)組成如圖編程工具編程工具功能模塊擴(kuò)展模塊CPU主機(jī)功能模塊擴(kuò)展模塊CPU主機(jī)通訊設(shè)備人機(jī)界面通訊設(shè)備人機(jī)界面圖12S7-200PLC系統(tǒng)組成（1）基本單元基本單元（BasicUnit）有時(shí)又稱CPU模也有的稱之為主機(jī)或本機(jī)。它包括CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等，是PLC的主要部分。實(shí)際上它就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。（2）擴(kuò)展單元主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)由多種因素共同決定的。（3）特殊功能模塊當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某些特殊控制任務(wù)的一些設(shè)置。（4）相關(guān)設(shè)備相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便地利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。（5）工業(yè)軟件工業(yè)軟件是為了更好地管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)借口軟件等幾大類構(gòu)成。EM235安裝使用（1）根據(jù)輸入信號的類型以及范圍設(shè)置DIP開關(guān)，完成模塊的控制工作。（2）完成硬件的接線工作。（3）確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由按裝位置確定模塊的編號。（4）為了主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字量以及待送入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。S7-200PLC的電源電壓有（20.4~~28.8）VDC和（85~~264）VAC兩種，主機(jī)上還集成了24V直流電源，可以直接用與連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的輸出類型有晶體管（DC）、繼電器（DC/AC）兩種輸出方式。它可以用普通輸入端子撲捉比CPU掃描周期更快的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)高速記數(shù)。2路最大可達(dá)20kHz的高頻脈沖輸出，可用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)以便實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位任務(wù)?？梢杂媚K上的電位器來改變它對應(yīng)的特素積存器的數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)更改程序應(yīng)用中的一些參數(shù)，如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過程量的控制參數(shù)等。3.5.5電氣控制系統(tǒng)原理圖電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及PLC外圍接線圖。（1）主電路圖如下圖13所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器喝三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡單的一般變頻器。圖13電控系統(tǒng)主電路（2）控制電路圖圖14所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB2控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5為PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。圖14電控系統(tǒng)控制電路4．系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)硬件條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下：4.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理前面已經(jīng)說過了，為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)泵不能滿足要求時(shí)，需啟動(dòng)第2臺(tái)或第3太泵。判斷需啟動(dòng)新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可以同過比較指令來實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)該濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時(shí)間濾波。4.2多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電機(jī)都為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有一個(gè)管理規(guī)范?？刂埔笾幸?guī)定任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不得超過3h，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問題就是泵的工作循環(huán)控制，這里我們使用泵號加1的方法來實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制（3加1等于零），用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。4.3程序的結(jié)果以及程序功能的實(shí)現(xiàn)由于PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，本程序可分為3部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合以及報(bào)警處理都在主程序。邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）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，但還要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益時(shí)間常數(shù)為增益采樣時(shí)間積分時(shí)間程序中使用的PLC元器件及其功能如下表表3程序中使用的元器件及功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動(dòng)脈沖VD116積分時(shí)間M0.3復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖VD120積分時(shí)間M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)動(dòng)泵脈沖VD124微分時(shí)間M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)脈沖續(xù)表3程序中使用的元器件及功能功能器件地址功能VD204變頻起運(yùn)動(dòng)頻率下限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208生活供水變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD212消防供水變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD300變頻工作泵的泵號M3.0故障信號總匯VD301工頻運(yùn)行的泵的總臺(tái)數(shù)M3.1水池水位下限故障邏輯VD310倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.4火災(zāi)消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖程序以及程序注釋如下圖。對該程序有幾點(diǎn)說明：（1）因?yàn)槌绦蜉^長，所以讀圖時(shí)請按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的順序進(jìn)行；（2）本程序的控制邏輯設(shè)計(jì)針對的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)4變頻器上限時(shí)增泵濾波INTONPTINTONPT>=DVD212+50VD250I0.0>=DVD208網(wǎng)絡(luò)5符合泵條件時(shí)，工頻泵運(yùn)行數(shù)加1T37VB301<=PPINC-BENENOINOUTOUT INC-BENENOINOUTOUTVB301VB301網(wǎng)絡(luò)6頻率下限時(shí)減泵濾波VD250M0.2T38INTONPT<=DINTONPT+1800+100網(wǎng)絡(luò)7符合減泵條件時(shí)，工頻泵運(yùn)行數(shù)減1T38VB301M0.2>BP（）DEC-BENENOINOUT0DEC-BENENOINOUTVB301VB301網(wǎng)絡(luò)8變頻泵增泵或倒泵時(shí)，置位M2.0M0.1M2.0（）M0.3網(wǎng)絡(luò)9復(fù)位變頻器頻率，為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備T33INTONPTM2.0INTONPTQ0.5+1（）網(wǎng)絡(luò)10產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前變頻泵脈沖信號Ｔ３３Ｍ０.４Ｐ（）網(wǎng)絡(luò)１１工頻泵數(shù)加１Ｍ０.４.Ｍ２.１ （Ｓ）１NC-BNC-BENENOINOUTＶＢ３００ＶＢ３００網(wǎng)絡(luò)12T34INTONPTINTONPT+2網(wǎng)絡(luò)13產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號T34M0.5P（）M2.1（R）1網(wǎng)絡(luò)14M0.5M2.2（S）網(wǎng)絡(luò)15M2.2T39INTONPTINTONPT+30網(wǎng)絡(luò)16產(chǎn)生下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行啟動(dòng)信號T39M0.6P（）M2.2（R）M2（R）網(wǎng)絡(luò)17變頻工作泵的泵號轉(zhuǎn)移VB300MOV--BMOV--BENENOINOUT>B31VB300網(wǎng)絡(luò)18一個(gè)變頻泵運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間判斷VB301SM0.4INCINC—DWENENOINOUT==BP0VD301VD310網(wǎng)絡(luò)193H時(shí)間到，則產(chǎn)生下一臺(tái)泵的變頻啟動(dòng)信號VD301M0.3>=DP（）MOV--BENENOMOV--BENENOINOUT +0VD301網(wǎng)絡(luò)20有工頻泵運(yùn)行時(shí)，復(fù)位VD310MOV—MOV—DWENENOINOUT<>B0+0VD310網(wǎng)絡(luò)211號泵變頻運(yùn)行控制邏輯SM0.1VB300M3.0M0.4Q0.0Q0.1==B（）M0.01M0.6Q0.1網(wǎng)絡(luò)222號泵變頻運(yùn)行邏輯M0.6VB300M3.0M0.4Q0.2Q0.3==B（）網(wǎng)絡(luò)233號泵變頻運(yùn)行控制邏輯M0.6VB300M3.0M0.4Q0.4Q0.5==B（）2Q0.5網(wǎng)絡(luò)241號泵工頻運(yùn)行控制邏輯.M0.5VB300VB301Q0.1Q0.0==B>B(）20Q0.0VB300VB301==B>B31網(wǎng)絡(luò)252號泵工頻運(yùn)行控制邏輯.M0.5VB300VB301Q0.3Q0.2==B>B(）30Q0.2VB300VB301==B>B11網(wǎng)絡(luò)263號泵工頻運(yùn)行控制邏輯.M0.5VB300VB301Q0.5Q0.4==B>B(）10Q0.4VB300VB301==B>B21網(wǎng)絡(luò)27火災(zāi)時(shí)，閥YV2打開I0.0Q1.0（）網(wǎng)絡(luò)28水池底水位信號處理.I0.1I0.2M3.1（）M3.1雙恒壓供水系統(tǒng)梯形圖程序網(wǎng)絡(luò)29水池水位下限信號燈SM0.5M3.1Q1.1（）M3.2 I0.5網(wǎng)絡(luò)30變頻器故障信號燈SM0.5I0.3Q1.2（）M3.3 I0.5網(wǎng)絡(luò)31火災(zāi)指示燈SM0.5I0.0Q1.3（）M3.2 I0.5網(wǎng)絡(luò)32水位水池下限故障消鈴邏輯I0.4M3.1M3.2（）M3.2 網(wǎng)絡(luò)33變頻器故障消鈴邏輯I0.4M3.1M3.2（）M3.3 網(wǎng)絡(luò)34火災(zāi)消鈴邏輯I0.4I0.0M3.4（）M3.4 主程序雙恒壓供水系統(tǒng)梯形圖程序網(wǎng)絡(luò)35報(bào)警電鈴M3.1M3.2Q1.4（）I0.3M3.3I0.0M3.4I0.5網(wǎng)絡(luò)36故障信號以及故障結(jié)束處理M3.2M1.0（）MOVE-BENENOMOVE-BENENOINOUTOUT0VB300MOVE-BMOVE-BENENOINOUT0VB301M0.0N（）主程序雙恒壓供水系統(tǒng)梯形圖程序子程序網(wǎng)絡(luò)1初始化子程序MOV—DWMOV—DWENENOINOUT+1800VD204MOVMOV—DWENENOINOUT+22400VD208MOV—MOV—DWENENOINOUT+28800VD212MOV—RENENOINOUTMOV—RENENOINOUT0.25VD112MOVMOV—RENENOINOUT0.2VD116MOVMOV—RENENOINOUT30.0VD120MOVMOV—RENENOINOUT0.0VD124MOV—MOV—RENENOINOUT200SMB34ATCHATCHENENOINEVNYINT--0（B）子程序雙恒壓供水系統(tǒng)梯形圖程序網(wǎng)絡(luò)1PI控制中斷程序II—DIENENOINOUTAIW0AC0DIRDIRENENOINOUTAC0AC0DIV—DIV—RENENOINOUTIN2AC0AC032000.0MOVMOV—RENENOINOUTAC0VD100PIDPIDENENOTBLLOOPVB1000MOVERMOVERENENOINOUTVD108AC0MULMUL—RENENOIN1OUTIN2VD108AC032000.0網(wǎng)絡(luò)2MOV—MOV—DWENENOINOUT<=RVD204T39VD204AC0