畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制設(shè)計(jì)

1、華東交大理工學(xué)院恒壓供水系統(tǒng)的plc控制設(shè)計(jì) 摘要：本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，說(shuō)明了可編程控制器（plc）在恒壓供水系統(tǒng)中所擔(dān)任的角色。從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和實(shí)際需求分析開(kāi)始，緊密的聯(lián)系實(shí)際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，解決實(shí)際中問(wèn)題，保證供水安全、快捷、可靠。恒壓供水保證了供水質(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。關(guān)鍵字:plc；恒壓供水；變頻器隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有

2、系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵），在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中，往往會(huì)出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問(wèn)題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對(duì)一個(gè)典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效的節(jié)省了資金。 1.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(wèn)題日益突出。以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(duì)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

3、的恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)。恒壓無(wú)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(duì)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(kāi)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(guò)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(guò)長(zhǎng)；（4）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要又軟啟動(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

4、壓無(wú)塔供水系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明其工藝過(guò)程，市網(wǎng)來(lái)水用高低水位控制器eq來(lái)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(hào)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。火災(zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為

5、生活供水使用。2 plc概述2.1 plc組成2.1.1 plc的輸入 通過(guò)對(duì)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(wèn)題。由于當(dāng)時(shí)主要集中在開(kāi)關(guān)量控制，也就是開(kāi)關(guān)量（觸點(diǎn)的開(kāi)閉狀態(tài)）如何直接接入plc并被plc所識(shí)別，對(duì)此就需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：有源接入，無(wú)源接入，絕緣問(wèn)題，隔離問(wèn)題和互相干擾問(wèn)題。plc就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在其發(fā)展過(guò)程，人們?cè)鴮⒂?jì)算機(jī)直接用于工業(yè)控制，但是由于以下兩大問(wèn)題沒(méi)有解決好而難以發(fā)展：一是i/o（輸入/輸出）問(wèn)題，計(jì)算機(jī)不能直接和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)關(guān)邏輯處理不

6、夠豐富和強(qiáng)大。現(xiàn)在的plc成功的解決了這兩個(gè)方面的問(wèn)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。2.1.2 plc的輸出 輸出問(wèn)題主要是接點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題，或者說(shuō)是帶負(fù)載能力和輸出方式的問(wèn)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(wèn)題至少要能直接驅(qū)動(dòng)中間繼電器?，F(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(wàn)次無(wú)故障的產(chǎn)品。2.1.3 plc的控制機(jī)制 plc已經(jīng)完全取代繼電器控制系統(tǒng)。只要

7、對(duì)其控制機(jī)制有了準(zhǔn)確的理解，才能對(duì)其持續(xù)的開(kāi)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(chǎng)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(kāi)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(guò)對(duì)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(lái)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

8、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(shuō)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(guò)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

9、式，在計(jì)算的過(guò)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(duì)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(méi)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(duì)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(chǎng)。（1）輸入寄存器輸入寄存器可按為進(jìn)行尋址，每一為對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)量，其值反映了開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由相互如開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)，并保持一個(gè)掃

10、描周期。cup可以讀其值，但是不可以寫(xiě)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(kāi)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(guò)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(duì)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(kāi)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/

11、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）cup單元cup單元控制著i/o寄存器的讀、寫(xiě)時(shí)序，以及對(duì)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(yǔ)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1 plc的組成2.1.4 plc的定義最初，可編程邏輯控制器（programmable logic controller）簡(jiǎn)稱plc。只能進(jìn)行計(jì)數(shù)、定時(shí)及開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。1987年2月，國(guó)際電工委員會(huì)（iec）對(duì)可編程控制器的定義是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程

12、序的存儲(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)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。2.1.5 plc的特點(diǎn)（1）可靠性高。在i/o環(huán)節(jié)，plc采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程序和大部分的用戶程序都采用eprom存儲(chǔ)，一般plc的平均無(wú)故障工作時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上。（2）控制功能強(qiáng)。plc采用的cup一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)，為了增強(qiáng)其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙cpu的運(yùn)行方式，使其功能得到極大的

13、增強(qiáng)。（3）編程方便易學(xué)。第一編程語(yǔ)言（梯形圖）是一種圖形編程語(yǔ)言，與多年來(lái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場(chǎng)人員學(xué)習(xí)。（4）使用于惡劣的工作環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。（5）與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。（6）體積小、重量輕、功耗底。（7）性價(jià)比高。（8）模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝，一種型號(hào)的plc可用于控制從幾個(gè)i/o點(diǎn)到幾百個(gè)i/o點(diǎn)的控制系統(tǒng)。（9）維修方便，功能更靈活。程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的改變非常

14、靈活。2.1.6 plc的性能指標(biāo)（1）存儲(chǔ)容量這里專指用戶存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，它決定了用戶所編程序的長(zhǎng)短。大、中、小型plc的存儲(chǔ)容量變化范圍一般為2kb2mb。（2）i/o點(diǎn)數(shù) i/o點(diǎn)數(shù)，即plc面板上的i/o端子的個(gè)數(shù)。i/o點(diǎn)數(shù)越多，外部可以連接的i/o器件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量plc性能的重要指標(biāo)之一。（3）掃描速度 掃面速度是指plc執(zhí)行程序的快慢，是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制取代繼電器控制的吻合程度。從自動(dòng)控制的觀點(diǎn)來(lái)看，決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。（4）指令的多少她是衡量plc能力強(qiáng)弱的標(biāo)志，決定了plc的處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。限定了計(jì)算機(jī)發(fā)揮運(yùn)算功能、

15、完成復(fù)雜控制的能力。（5）內(nèi)部寄存器的配置和容量 它直接對(duì)用戶編制程序提供支持，對(duì)plc指令的執(zhí)行速度及可完成的功能提供直接的支持。（6）擴(kuò)展能力 擴(kuò)展能力包括i/o點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和plc功能的擴(kuò)展兩方面的內(nèi)容。（7）特殊功能單元 特殊功能單元種類多，也可以說(shuō)plc的功能多。典型的特殊功能單元有模擬量、模糊控制連網(wǎng)等功能。2.1.7 plc的分類不同的分類標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成不同的分類結(jié)果，plc常用的分類方式有如下兩種。按其i/o點(diǎn)數(shù)一般分為微型（32點(diǎn)以下）、小型（128點(diǎn)以下）、中型（1024點(diǎn)以下）、大型（2048點(diǎn)以下）、超大型（從2048點(diǎn)以上可達(dá)8192點(diǎn)以上）5種。按結(jié)構(gòu)可分為箱體式、模塊式

16、和平板式3種。2.2 plc工作原理2.2.1 循環(huán)掃描cup連續(xù)執(zhí)行用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。cup的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行cup自診斷測(cè)試及寫(xiě)輸出等等內(nèi)容。plc可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識(shí)周而復(fù)始的循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)，plc也在掃描，只不過(guò)在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫(xiě)輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的plc在一個(gè)周期中可以完成以下5個(gè)掃描過(guò)程。（1）自診斷測(cè)試掃描過(guò)程。為保證設(shè)備的可靠行，及時(shí)放映所出現(xiàn)的故障，plc都具有自監(jiān)視功能。（2）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過(guò)

17、程。一般小型系統(tǒng)沒(méi)有這一掃描過(guò)程，配有網(wǎng)絡(luò)的plc系統(tǒng)才有通訊掃描過(guò)程，這一過(guò)程用于plc之間及plc與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。（3）用戶程序掃描過(guò)程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期內(nèi)都包含該掃描過(guò)程。該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶程序的長(zhǎng)短會(huì)影響過(guò)程所用的時(shí)間。（4）讀輸入、寫(xiě)輸出掃描過(guò)程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都包含這個(gè)掃描過(guò)程。該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。cup在處理用戶程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映象寄存器：一個(gè)為輸入映象寄存器，另一個(gè)為

18、輸出映象寄存器。用戶程序所用的輸入值是輸入映象寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過(guò)程中，cup把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器：在輸出掃描過(guò)程中cup把輸出映像寄存器的值的輸出點(diǎn)。 循環(huán)掃描有如下特點(diǎn)：（1）掃描周期周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、輸出和用戶程序是否執(zhí)行是可控的。（2）輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，在程序執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變，cup采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像寄存器的值來(lái)控制程序的執(zhí)行。（3）對(duì)同一個(gè)輸出單元的多次使用、修改次序會(huì)造成不同的執(zhí)行結(jié)果。（4）各個(gè)電路和不同的掃描階段會(huì)造成輸入和輸出的延遲，這是plc的主

19、要缺點(diǎn)。 在讀輸入階段，cup對(duì)各個(gè)輸入端子進(jìn)行掃描，通過(guò)輸入電路將各輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行階段，cup按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶程序，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入輸出映象寄存器。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個(gè)周期的輸入階段才被集中讀入。輸入/輸出采用映象寄存器的優(yōu)點(diǎn)：（1）集中采用i/o，程序掃描期間輸入值固定不變，程序執(zhí)行完后統(tǒng)一輸出。這種集中圖2 plc信號(hào)的傳遞過(guò)程i/o的方式保證的程序的順序執(zhí)行與外部電路亂序執(zhí)行的統(tǒng)一，使系統(tǒng)

20、更加穩(wěn)定可靠。（2）程序執(zhí)行時(shí)，存取映象寄存器要比讀寫(xiě)i/o端點(diǎn)快的多，這樣可以加快程序執(zhí)行速度。（3）i/o點(diǎn)必須按位存取，而映象寄存器可按位、字節(jié)、字、雙字靈活的存取，增加了程序的靈活性。2.2.2 i/o響應(yīng)時(shí)間由于plc采用循環(huán)掃描的工作方式，而且對(duì)輸入和輸出信號(hào)只在沒(méi)個(gè)掃描周期的固定時(shí)間集中輸入/輸出，所以必然會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)滯后的現(xiàn)象。掃描周期越長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。響應(yīng)時(shí)間有輸入延遲、輸出延遲和程序執(zhí)行時(shí)間部分決定。（1）plc輸入電路設(shè)置了濾波器，濾波器的常數(shù)越大，對(duì)輸入信號(hào)的延遲作用越強(qiáng)。輸入延遲是由硬件決定的，有的plc濾波器時(shí)間常數(shù)可調(diào)。（2）從輸出鎖存器到輸出端

21、子所經(jīng)歷的時(shí)間稱為輸出延遲，對(duì)于不同的輸出形式，其值大小不同。它也是由硬件決定的，對(duì)于不同信號(hào)的plc可以通過(guò)查表得到。（3）程序執(zhí)行時(shí)間主要由程序長(zhǎng)短來(lái)決定，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的控制程序，編程人員須對(duì)此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，使plc的響應(yīng)時(shí)間控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。在最有利的情況下，輸入狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)掃描周期在輸出得到響應(yīng)的時(shí)間，稱為最小i/o響應(yīng)時(shí)間。在最不利的情況下，輸入點(diǎn)的狀態(tài)恰好錯(cuò)過(guò)了輸入的鎖入時(shí)刻，造成在下一個(gè)輸出鎖定才能被響應(yīng)，這就需要兩個(gè)掃描周期時(shí)間，稱為最大i/o響應(yīng)時(shí)間。它們是由plc的掃描執(zhí)行方式?jīng)Q定的，與編程方法無(wú)關(guān)。2.2.3 plc中的存儲(chǔ)器plc中的存儲(chǔ)器按用途分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器

22、、用戶程序存儲(chǔ)器以及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（1）系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中存放的是廠家根據(jù)其選用的plc的指令的系統(tǒng)編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，它決定了plc的功能，用戶不能更改其內(nèi)容。 （2）用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)根據(jù)控制要求而編制的用戶應(yīng)用程序。 （3）用來(lái)存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)的區(qū)域稱為工作數(shù)據(jù)區(qū)。2.3 plc的編程語(yǔ)言plc的硬件系統(tǒng)中，與plc的編程應(yīng)用關(guān)系最直接的要算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)運(yùn)行處理的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)區(qū)中，找到待處理的數(shù)據(jù)一定要知道數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。plc和其他的計(jì)算機(jī)一樣，為了使用方便，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都作了分區(qū)，為了每個(gè)存儲(chǔ)單元編排了地址，并且經(jīng)機(jī)內(nèi)系統(tǒng)程序?yàn)槊總€(gè)存儲(chǔ)單元賦予了不同的功能，形成了專用的存儲(chǔ)

23、元件。這就是前面提到過(guò)的編程的“軟”元件。為了理解方便，plc的編程元件用“繼電器”命名， 認(rèn)為它們象繼電器一樣具有線圈以及觸點(diǎn)，并且線圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作。當(dāng)然這個(gè)線圈和觸點(diǎn)只是假象，所謂線圈得電不過(guò)是存儲(chǔ)單元置1，線圈失電，不過(guò)就是存儲(chǔ)單元置0，也正因?yàn)槿绱?，我們稱之為“軟”元件。但是這種“軟”繼電器也有個(gè)突出的好處，可以認(rèn)為它們具有無(wú)數(shù)多對(duì)動(dòng)合動(dòng)斷觸點(diǎn)，因此每取用一次它的觸點(diǎn)，不過(guò)是讀一次它的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而已。2.3.1 plc的編程結(jié)構(gòu)功能圖 任何語(yǔ)言都有編程的對(duì)象和基礎(chǔ)，重要介紹梯形圖語(yǔ)言和語(yǔ)句表語(yǔ)言，而功能圖是理解這兩種語(yǔ)言的基礎(chǔ)。如圖3所示為plc內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖。輸入繼電器是由外部

24、輸入驅(qū)動(dòng)的，梯形圖中只能使用其介入點(diǎn)狀態(tài)值，用戶不能改變輸入繼電器的狀態(tài)。輔助繼電器的種類和多少?zèng)Q定了plc控制功能的強(qiáng)弱，相當(dāng)于工作寄存器的多少和功能的強(qiáng)弱。實(shí)際的plc中并沒(méi)有圖中的物理繼電器，用繼電器來(lái)表示plc的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)是為了使習(xí)慣于繼電器控制的工程技術(shù)人員更好的理解plc的功能，更好的使用plc，就像他在設(shè)計(jì)繼電器控制電路一樣。梯形圖語(yǔ)言是一種圖形化的語(yǔ)言，是一種面向控制過(guò)程的“自然語(yǔ)言”。梯形圖編程語(yǔ)言形象、直觀、準(zhǔn)確的描述了邏輯控制關(guān)系，容易被廣大的工程技術(shù)人員所掌握。plc與被控對(duì)象所連接的只是i/o條件，而i/o之間的組合控制關(guān)系需要用軟件的方法來(lái)描述清楚，梯形圖是一種描

25、述方法，當(dāng)然還有語(yǔ)句等表示其他的語(yǔ)言。語(yǔ)言的支持取決于廠家開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)程序只要將其輸入plc的用戶程序存儲(chǔ)器中，plc就能夠直接解釋并實(shí)現(xiàn)i/o間的控制關(guān)系。當(dāng)控制關(guān)系發(fā)生改變時(shí)，只要修改梯形圖程序，重新輸入到plc的存儲(chǔ)器即可，從而快捷的改變生產(chǎn)工 圖3 plc內(nèi)部的結(jié)構(gòu)功能示意圖2.3.2 梯形圖編程語(yǔ)言plc是通過(guò)程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制的，作為一種專用計(jì)算機(jī)，為了適應(yīng)其應(yīng)用領(lǐng)域，一定有其專用的語(yǔ)言。plc的編程語(yǔ)言有多種，如梯形圖、語(yǔ)句表、功能圖、邏輯方程等。梯形圖編程語(yǔ)言是一種圖形語(yǔ)言，具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點(diǎn)；語(yǔ)句表編程語(yǔ)言類似計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，用助記符來(lái)表示各種指令的功能，是p

26、lc用戶程序的基礎(chǔ)元素。一般而言，梯形圖程序讓plc仿真來(lái)自電源的電流通過(guò)一系列的輸入邏輯條件，根據(jù)結(jié)果決定邏輯輸出的允許條件。邏輯通常被分解成小的容易理解的片，這些片通常被稱為“梯級(jí)”或網(wǎng)絡(luò)。程序一次掃描執(zhí)行一次網(wǎng)絡(luò)，按照從做到右、從上到下的順序進(jìn)行。一旦cup執(zhí)行到程序的結(jié)尾，就又從上到下執(zhí)行程序。在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，指令以列為基礎(chǔ)被執(zhí)行，從上而下、從左到右依次執(zhí)行，直到本網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)線圈列。因此為了充分利用存儲(chǔ)器容量，使掃描時(shí)間盡可能短，利用梯形圖編程時(shí)應(yīng)限制觸點(diǎn)之間的距離，并使網(wǎng)絡(luò)左上邊這部分空白最少。其中，串聯(lián)觸點(diǎn)較多的支路要寫(xiě)在上面，并聯(lián)支路應(yīng)寫(xiě)在左邊，線圈放于觸點(diǎn)的右邊。如圖4所示

27、是用plc控制的梯形圖程序，可完成與繼電器控制的電動(dòng)機(jī)直接起、停（起、保、停）繼電器控制電路圖相同的功能。梯形圖和繼電器控制電路圖很相似，這是可以用plc控制取代繼電器控制的基礎(chǔ)，可以把經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明設(shè)計(jì)是成功的繼電器電路圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計(jì)出具有相同功能的plc控制程序，充分發(fā)揮plc的功能完善、可靠性高、控制靈活的特點(diǎn)。當(dāng)然，它們還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別，主要表現(xiàn)如下所述。圖4 梯形圖（1）繼電器控制電路中使用的繼電器是物理的元器件，繼電器與其他控制電器之間的連接必須通過(guò)硬件連接線來(lái)完成。plc中的繼電器是內(nèi)部的寄存器位，稱為“軟繼電器”，它具有物理繼電器相似的功能。當(dāng)它的“線圈”通電時(shí)，其所

28、屬的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)它的線圈斷電時(shí)，其所屬的常開(kāi)觸點(diǎn)和常閉觸點(diǎn)均恢復(fù)常態(tài)。plc梯形圖中的接線稱為“軟接線”，這種“軟接線”是通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有更改簡(jiǎn)單、調(diào)試方便等特點(diǎn)。而繼電器控制電路圖是點(diǎn)線連接圖，相對(duì)來(lái)素施工困難、更改費(fèi)力。（2）plc中的每一個(gè)繼電器都對(duì)應(yīng)著一個(gè)內(nèi)部的寄存器，由于可以隨時(shí)不受限地讀取其內(nèi)容，所以，可以認(rèn)為plc的繼電器有無(wú)數(shù)個(gè)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)供用戶使用。plc梯形圖中的觸點(diǎn)代表的是“邏輯”輸入條件、外部的實(shí)際開(kāi)關(guān)、按鈕或內(nèi)部的繼電器觸點(diǎn)條件等。而物理繼電器的觸點(diǎn)個(gè)數(shù)是有限的。（3）plc的輸入繼電器是由外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，在梯形圖中只能用其觸點(diǎn)，這在物理繼電

29、器中是不可能的。線圈通常代表“邏輯”輸出結(jié)果，如燈、電機(jī)啟動(dòng)器、中間繼電器、內(nèi)部輸出條件等。（4）繼電器控制系統(tǒng)中是按照觸點(diǎn)的動(dòng)作順序和是延遲逐個(gè)動(dòng)作的，動(dòng)作順序與電路圖的編寫(xiě)順序無(wú)關(guān)。plc按照掃描方式工作，首先采取輸入信號(hào)，然后對(duì)所有梯形圖進(jìn)行計(jì)算，造成了宏觀與動(dòng)作順序的無(wú)關(guān)，但是微觀上在一個(gè)時(shí)間段上的是實(shí)際執(zhí)行順序與梯形圖的編寫(xiě)順序一致而不是無(wú)關(guān)的。（5）plc梯形圖中的兩根母線以失去原有的意義，它只表示一個(gè)梯形的起始和終了，并無(wú)實(shí)際電流通過(guò)，假象的概念電流只能從左向右流。為了充分發(fā)揮cup的邏輯運(yùn)算功能，設(shè)置了大量的稱為盒的附加命令，如定時(shí)器、計(jì)算器、格式轉(zhuǎn)換、模擬量i/o、pid調(diào)節(jié)

30、或數(shù)學(xué)運(yùn)算指令等，充分的發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算功能，他們與內(nèi)部繼電器一起完成plc的各種復(fù)雜控制功能。2.4 plc的分類plc發(fā)展到今天，已經(jīng)有了多種形式，而且功能也不盡相同，分類時(shí)，一般按以下原則來(lái)考慮2.4.1 按i/o點(diǎn)數(shù)容量分類一般而言，處理i/o點(diǎn)數(shù)越多，則控制關(guān)系就 比較復(fù)雜，用戶要求的程序存儲(chǔ)器容量比較大，要求plc指令及其他功能比較多，指令執(zhí)行的過(guò)程也比較快。按plc的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的多少可將plc分為以下三類。（1）小型機(jī) 小型機(jī)plc的功能一般以開(kāi)關(guān)量控制為主，小型plc輸入、輸出點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下，用戶程序存儲(chǔ)器容量在4k左右。現(xiàn)在的高性能小型plc還具有一定的通訊

31、能力和少量的模擬量處理能力。這類的plc的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，體積小巧，適合于控制單臺(tái)設(shè)備和開(kāi)發(fā)機(jī)電一體化產(chǎn)品。典型的小型機(jī)有siemens公司的s7-200系列、omron公司的cpm2a系列、mitubish公司的fx系列和ab公司的slc500系列等整體式plc產(chǎn)品。（2）中型機(jī)中型plc的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在2562048點(diǎn)之間，用戶程序存儲(chǔ)器容量達(dá)到8k字左右。中型plc不僅具有開(kāi)關(guān)量和模擬量的控制功能，還具有更強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算能力，它的通信功能和模擬量處理功能更強(qiáng)大，中型機(jī)比小型機(jī)更豐富，中型機(jī)適用于更復(fù)雜的邏輯控制系統(tǒng)以及連續(xù)生產(chǎn)線的過(guò)程控制系統(tǒng)場(chǎng)合。典型的中型機(jī)有siemens公司的s7

32、-300系列、omron公司的c200h系列、ab公司的slc500系列等模塊式plc產(chǎn)品。（3）大型機(jī) 大型plc的輸入、輸出總點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上，用戶程序儲(chǔ)存器容量達(dá)到16k以上。大型plc的性能已經(jīng)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相當(dāng)，它具有計(jì)算、控制和調(diào)節(jié)的能力，還具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力，有些plc還具有冗余能力。它的監(jiān)視系統(tǒng)采用crt顯示，能夠表示過(guò)程的動(dòng)態(tài)流程，記錄各種曲線，pid調(diào)節(jié)參數(shù)等；它配備多種智能板，構(gòu)成一臺(tái)多功能系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還可以和其他型號(hào)的控制器互聯(lián)，和上位機(jī)相聯(lián)，組成一個(gè)集中分散的生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量控制系統(tǒng)。大型機(jī)適用于設(shè)備自動(dòng)化控制、過(guò)程自動(dòng)化控制和過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。典

33、型的大型plc有siemens公司的s7-400、omron公司的cvm1和cs1系列、ab公司的slc5/05等系列。2.4.2 按結(jié)構(gòu)形式分根據(jù)plc結(jié)構(gòu)形式的不同，plc主要可分為整體式和模塊式兩類。（1）整體式結(jié)構(gòu)整體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將plc的基本部件，如cup板、輸入板、輸出板、電源板等緊湊的安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體，組成plc的一個(gè)基本單元（主機(jī)）或擴(kuò)展單元。基本單元上設(shè)有擴(kuò)展端口，通過(guò)擴(kuò)展電纜與擴(kuò)展單元相連，配有許多專用的特殊功能的模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、熱電偶、熱電阻模塊、通信模塊等，以構(gòu)成plc不同的配置。整體式結(jié)構(gòu)的plc體積小，成本底，安裝方便。微型和小型

34、plc一般為整體式結(jié)構(gòu)。如西門子的s7-200（2）模塊式結(jié)構(gòu) 模塊式結(jié)構(gòu)的plc是由一些模塊單元構(gòu)成，這些標(biāo)準(zhǔn)模塊如cup模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊和各種功能模塊等，將這些模塊插在框架上和基板上即可。各個(gè)模塊功能是獨(dú)立的，外型尺寸是統(tǒng)一的，可根據(jù)需要靈活配置。目前大、中型plc都采用這種方式。如西門子的s7-300和s7-400系列。整體式plc每一個(gè)i/o點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，在小型控制系統(tǒng)中一般采用整體式結(jié)構(gòu)。但是模塊式plc的硬件組態(tài)方便靈活，i/o點(diǎn)數(shù)的多少、輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)的比例、i/o模塊的使用等方面的選擇余地都比整體式plc大的多，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也

35、很方便，因此較復(fù)雜的、要求較高的系統(tǒng)一般選用模塊式plc。2.5 plc與繼電器控制系統(tǒng)的區(qū)別plc梯形圖與繼電器控制電路圖非常相似，主要原因是 plc梯形圖大致上沿用了繼電器控制的元件符號(hào)和術(shù)語(yǔ)，僅個(gè)別之處有不同。同時(shí)，信號(hào)的輸入/輸出形式及控制功能也基本上是相同的，但是plc的控制與繼電器的控制又有根本的不同之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）邏輯控制繼電器控制邏輯采用硬接線邏輯，利用繼電器機(jī)械觸點(diǎn)的串聯(lián)或并聯(lián)，及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合成控制邏輯，其接線多而復(fù)雜、體積大、功耗大、故障率高，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想改變或增加功能都很困難。另外，繼電器觸點(diǎn)數(shù)目有限，每個(gè)只有48個(gè)對(duì)觸點(diǎn)。因此，靈

36、活性和擴(kuò)展性很差。而plc采用存儲(chǔ)器邏輯，其控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，故稱為“軟接線”。因此靈活性和擴(kuò)展性都很好。（2）工作方式電源接通時(shí)，繼電器控制電路中各個(gè)繼電器都同時(shí)處于受控狀態(tài)，即該吸合的都應(yīng)該吸合，不該吸合的都因受某種條件限制不能吸合，它屬于并行工作方式。而的控制邏輯中，各內(nèi)部器件都處于周期性循環(huán)掃描過(guò)程中，屬于串行工作方式。（3）可靠性和可維護(hù)性繼電器控制邏輯使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)開(kāi)閉時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，并有機(jī)械磨損，壽命短，因此可靠性和可維護(hù)性差。而plc采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)完成，體積小、壽命長(zhǎng)

37、、可靠性高。plc還配有自監(jiān)和監(jiān)督功能，能檢查出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便。（4）控制速度繼電器控制邏輯依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率底，觸點(diǎn)的開(kāi)閉動(dòng)作一般在幾十ms數(shù)量級(jí)。另外，機(jī)械觸點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題。而plc是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，屬于無(wú)觸點(diǎn)控制，速度極快，一般一條用戶指令執(zhí)行時(shí)間在數(shù)量級(jí)，且不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)。（5）定時(shí)控制繼電器控制邏輯利用時(shí)間繼電器進(jìn)行時(shí)間控制。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)間繼電器存在定時(shí)精度不高，定時(shí)范圍窄，且易受環(huán)境濕度和溫度變化的影響，調(diào)整時(shí)間困難等問(wèn)題。plc使用半導(dǎo)體集成電路做定時(shí)器，時(shí)基脈

38、沖由晶體震蕩器發(fā)生，精度相當(dāng)高，且定時(shí)時(shí)間不受環(huán)境的影響定時(shí)范圍一般從0.001s到若干天或更長(zhǎng)。用戶和根據(jù)需要在程序中設(shè)定定時(shí)值，然后用軟件來(lái)控制定時(shí)時(shí)間。（6）設(shè)計(jì)和施工使用繼電器控制邏輯完成一項(xiàng)控制工程，其設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行，周期長(zhǎng)而且修改困難。工程越大著一點(diǎn)就越突出。而用plc完成一項(xiàng)控制工程，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，現(xiàn)場(chǎng)施工和控制邏輯的設(shè)計(jì)（包括梯形圖的設(shè)計(jì)）可以同時(shí)進(jìn)行，周期短，且調(diào)試和修改都很方便。從以上幾個(gè)方面的比較可知，plc在性能上比繼電器控制邏輯優(yōu)異，特別是可靠性高、通用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)施工周期短、調(diào)試修改方便，而且體積小、功耗低、使用維護(hù)方便。但是在很小的系統(tǒng)中使用時(shí)，

39、價(jià)格要高于繼電器系統(tǒng)。2.6 plc控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使用plc可以構(gòu)成多種形式的控制結(jié)構(gòu)，下面介紹幾種常用的plc控制系統(tǒng)。2.6.1 單機(jī)控制系統(tǒng)單機(jī)控制系統(tǒng)是較普通的一種plc控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺(tái)plc控制一個(gè)對(duì)象，控制系統(tǒng)要求的i/o點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量都比較小，沒(méi)有plc的通訊問(wèn)題，采樣條件和執(zhí)行結(jié)構(gòu)都比較集中，控制系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單明了。如圖5所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)，圖中plc可以選用任何一種類型。在單機(jī)控制系統(tǒng)中由于控制對(duì)象比較確定，因此系統(tǒng)要完成的功能一般較明確，i/o點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量等參數(shù)的余量適中即可等參數(shù)的余量適中即可。 p l c控 制 對(duì) 象圖5 簡(jiǎn)單的單機(jī)控制系統(tǒng)2.

40、6.2 集中控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)用儀態(tài)功能強(qiáng)大的plc監(jiān)視、控制多個(gè)設(shè)備，形成中央集中式的控制系統(tǒng)。其中，各個(gè)設(shè)備之間的聯(lián)絡(luò)，連鎖關(guān)系、運(yùn)行順序等統(tǒng)一由中央plc來(lái)完成，如圖6示顯然，集中控制系統(tǒng)比單機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的多。但是當(dāng)其中一個(gè)控制對(duì)象的控制程序需要改變時(shí)，必須停止運(yùn)行中央plc，其他的控制對(duì)象也必須停止運(yùn)行。當(dāng)各個(gè)控制對(duì)象的地理位置距集中控制系統(tǒng)比較遠(yuǎn)時(shí)，需要大量的電纜線，造成系統(tǒng)成本的增加。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的改變，采用集中控制系統(tǒng)時(shí)，必須注意選擇i/o點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量時(shí)要留有足夠的余量，以便滿足增加控制對(duì)象的要求。p l c控制對(duì)象a控制對(duì)象b控制對(duì)象c 圖6 集中控制系統(tǒng) 2.6.

41、3 分散控制系統(tǒng)分散控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖7所示，每一個(gè)控制對(duì)象設(shè)置一臺(tái)plc，各臺(tái)plc可以通過(guò)信號(hào)傳遞進(jìn)行內(nèi)部連鎖、響應(yīng)或發(fā)令等，或者由上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線進(jìn)行通訊。分散控制系統(tǒng)常用于多臺(tái)機(jī)械生產(chǎn)線的控制，各個(gè)生產(chǎn)線之間有數(shù)據(jù)連接。由于各個(gè)控制對(duì)象都由自己的plc進(jìn)行控制，當(dāng)其中一個(gè)plc停止運(yùn)行時(shí)不需要停止運(yùn)行其他的plc。隨著plc性能的不斷提高，由plc擔(dān)當(dāng)?shù)蛯涌刂迫蝿?wù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，plc與過(guò)程控制相結(jié)合的分散控制系統(tǒng)將是計(jì)算機(jī)控制的重要發(fā)展方向。與集中控制系統(tǒng)相比，分散控制系統(tǒng)的可靠性大大加強(qiáng)。具有相同i/o點(diǎn)數(shù)時(shí)，雖然分散控制系統(tǒng)中多用了一臺(tái)或幾臺(tái)plc，導(dǎo)致價(jià)格偏高，但是從維護(hù)

42、、試運(yùn)轉(zhuǎn)或增設(shè)控制對(duì)象等方面來(lái)看，其靈活性要大的多，總的成本核算是合理的。上機(jī)位plc aplc bplc c控制對(duì)象 a控制對(duì)象 b控制對(duì)象 c 圖7 分散控制系統(tǒng)2.7 plc網(wǎng)絡(luò)及特點(diǎn)2.7.1 網(wǎng)絡(luò)概述 分散控制系統(tǒng)的控制思想就是集中操作、分散操作。一個(gè)實(shí)際的工業(yè)控制過(guò)程中是比較復(fù)雜的，一個(gè)控制過(guò)程可能由多個(gè)控制任務(wù)完成。這些控制任務(wù)既有獨(dú)立性，有與其他任務(wù)有聯(lián)系，而這些相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)需要構(gòu)成一個(gè)整體。當(dāng)控制系統(tǒng)達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，分散控制系統(tǒng)解決方案并不理想，因此許多廠家開(kāi)發(fā)了自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。雖然現(xiàn)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題還沒(méi)有同意的標(biāo)準(zhǔn)，但是很顯然，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比分散控制系統(tǒng)更能準(zhǔn)確的

43、描述現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)，并且控制、改變更加靈活，組態(tài)也更容易，能夠?qū)崿F(xiàn)管控一體化的控制思想。2.7.2 網(wǎng)絡(luò)工廠隨著低層控制單元plc價(jià)格的減低、技術(shù)的成熟，以及各種行業(yè)的i/o標(biāo)準(zhǔn)化，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)工廠的實(shí)現(xiàn)成為現(xiàn)實(shí)。在工廠里，每臺(tái)設(shè)備都帶有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，可以隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)，而每臺(tái)設(shè)備都處于網(wǎng)絡(luò)的不同層次中，各個(gè)操作控制點(diǎn)可根據(jù)不同組態(tài)時(shí)分配給它的功能發(fā)揮不同的作用。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）對(duì)大、中、小控制任務(wù)都具有適應(yīng)性； （2）與現(xiàn)存系統(tǒng)有可連接性；（3）保證系統(tǒng)有長(zhǎng)期的使用價(jià)值。2.7.3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)plc的影響plc網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展，使plc的應(yīng)用更加廣泛。許多plc產(chǎn)品都在plc

44、上加上了具有網(wǎng)絡(luò)功能的硬件和軟件，因此，組成plc網(wǎng)絡(luò)非常方便。plc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)任何一個(gè)站的操作都和使用同plc一樣方便，并且在網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)站都可以對(duì)其他站的元件及數(shù)據(jù)乃至程序進(jìn)行操作。2.7.4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在輔助繼電器（位）、數(shù)據(jù)繼電器（字）專門開(kāi)辟一個(gè)地址范圍，將其分配個(gè)各臺(tái)plc，使得臺(tái)plc可以寫(xiě)其中一些元件而其他所有的站都可以讀這些元件，然后再由這些元件去驅(qū)動(dòng)其本身的軟件，以達(dá)到通訊的目的。各站主機(jī)之間元件狀態(tài)信息的交換是由plc系統(tǒng)自己去完成的，不需要用戶管理，這是現(xiàn)在比較通用的設(shè)計(jì)思想。由于各個(gè)plc廠家各自開(kāi)發(fā)自己的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)，采用自己的通行協(xié)議和接口，設(shè)備的不兼容

45、想限制的plc的進(jìn)一步發(fā)展，為此美國(guó)通用汽車公司編制了一個(gè)工廠自動(dòng)化協(xié)議（map）。希望各個(gè)廠家生產(chǎn)的設(shè)備能用一種同意的語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通訊。map的體系結(jié)構(gòu)是以估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化組織（iso）推薦的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)互連（osi）參考模型為基礎(chǔ)，對(duì)參考模型的每一層都列出了合適于工業(yè)應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn)。2.7.5 訪問(wèn)控制技術(shù)最常用的訪問(wèn)控制技術(shù)有：查詢、沖突檢測(cè)和令牌傳遞。一般查詢和令牌傳遞沒(méi)有沖突檢測(cè)的速率高，但是可靠性好，最大延遲時(shí)間可以控制，控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常采用這種控制技術(shù)；沖突檢測(cè)通訊效率較高，速度較快，但各個(gè)站點(diǎn)通訊機(jī)會(huì)不均，在商務(wù)網(wǎng)絡(luò)中使用較多。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(duì)

46、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(lái)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(chǎng)合，所以接到一個(gè)控制任務(wù)以后，要分析被控對(duì)象的控制過(guò)程和要求，看看用什么控制設(shè)備來(lái)完成該任務(wù)最合適。其實(shí)現(xiàn)在的可編程不僅處理開(kāi)關(guān)量，而且對(duì)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(duì)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(lái)說(shuō)，能夠反映生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行情況，能用傳感器直接測(cè)量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由plc

47、控制來(lái)完成。當(dāng)某一個(gè)控制任務(wù)決定由plc來(lái)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(duì)第一個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)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(lái)，包括開(kāi)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(hào)還是交流信號(hào)，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)閜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(jí)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，則有以下幾個(gè)

48、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(duì)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(duì)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(duì)市場(chǎng)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)膒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(duì)某種品牌的plc熟悉，所以一般比較

49、喜歡使用這種產(chǎn)品。 圖8 plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟輸入/輸出信號(hào)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(duì)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，i/o地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對(duì)控制柜和plc的外圍接線來(lái)說(shuō)，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。系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開(kāi)主電路的情況下，主要試一試手動(dòng)控制部分是否正確。軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開(kāi)關(guān)和plc輸出端的輸出指示燈進(jìn)行。需要模擬量信號(hào)i/o時(shí)，可用電位器和萬(wàn)用表配合進(jìn)行。調(diào)試時(shí)。可利用上訴外圍設(shè)備模擬各種現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)和傳感器狀態(tài)，然后觀察plc的輸出邏輯是

50、否正確。如果有錯(cuò)誤則修改后反復(fù)調(diào)試?，F(xiàn)在plc的主流產(chǎn)品都可以在p機(jī)上編程，并可以在電腦上直接進(jìn)行模擬調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，可以把編制好的程序下載到現(xiàn)場(chǎng)的plc中。有時(shí)plc也許只有這一臺(tái)，這時(shí)就要把plc安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時(shí)一定要先將主電路斷電，只對(duì)控制電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)即可。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)信號(hào)的接入常常還會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件以及硬件中的一些問(wèn)題，有時(shí)廠家還需要對(duì)某些控制功能進(jìn)行改進(jìn)，這種情況下，都要經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試系統(tǒng)后，才能最后交付使用。產(chǎn)生水壓的設(shè)備是水泵，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，產(chǎn)生的水壓就越高。傳統(tǒng)的維持水壓的方法就是建造水塔，水泵開(kāi)者時(shí)將水打到水塔中，水泵休息時(shí)借助水塔的水位繼續(xù)供水。水塔中的水位變化

51、相對(duì)水塔的高度來(lái)說(shuō)很小，也就是說(shuō)水塔能夠維持供水管路中水呀的基本恒定。但是建造水塔需花費(fèi)財(cái)力，水塔還會(huì)造成水的二次污染。不用水塔，而要解決水壓隨用水量大小變化的問(wèn)題。通常的辦法是：用水量大時(shí)，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以保證管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時(shí)又需作出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路。這在電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可設(shè)想的，但是今天辦到這一點(diǎn)已經(jīng)變的很容易了，交流變頻的誕生為水泵轉(zhuǎn)速的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。交流變頻器是改變交流電源頻率的電子設(shè)備，輸入三相工頻交流電后，可以輸出頻率平滑變化的三相交流電。建造水塔需要花費(fèi)財(cái)力，水塔還會(huì)造成水的二次污染。那么可不可以不借

52、助水塔來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水？答案是肯定的，但是要解決水壓隨用水量的大小變化的問(wèn)題。通常的辦法是：用水量大時(shí)，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以保持管網(wǎng)中水壓的不變，用水量小時(shí)又需要做出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路，這在電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可以想象的，但是在今天辦到這一切已經(jīng)邊的很容易了。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(kāi)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

53、，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(gòu)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(jiàn)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(cè)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)

54、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(lái)的管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值。管網(wǎng)實(shí)測(cè)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(cè)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(hào)。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測(cè)水壓的反饋信號(hào)后，將它與給定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。如果給定值大于實(shí)測(cè)

55、值，說(shuō)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(hào)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(wèn)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(guò)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(hào)一般式模擬信號(hào)，420ma變化的電流信號(hào)或010v間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)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(wú)塔供水系統(tǒng)為例

56、來(lái)說(shuō)明其工藝過(guò)程，如圖10所示，市網(wǎng)來(lái)水用高低水位控制器eq來(lái)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(hào)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。火災(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(duì)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(kāi)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(guò)3h，則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某