基于plc的排水系统控制设计-毕业论文(编辑修改稿)

基于plc的排水系统控制设计-毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

着进入程序执行阶段。 在程序执行阶段或输出阶段，无论输入信号如何变化，输入映象寄存器内容保持不变，直到下一个扫描周期的采样阶段，才重新写入输入端的内容。 (2) 程序执行阶段，在这个过程中， PLC 执行用户程序，对用户以梯形图方式编写的程序按照从上到下，从左到右的顺序逐一扫描各指令，并从输入映象寄存器中取出上一阶段采入的所有输 入端子的状态，从输出映象寄存器中取出各输出元件的输出状态，然后进行逻辑运算，并将运算结果再次存入输出映象寄存器中，但是，这个结果在整个程序未执行前不会送至输出端口。 (3) 输出刷新阶段，全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器的内容，送入到输出锁存器中 (称 为输出刷新 )，然后由锁存器去驱动线圈，最后成为可编程控制器的实际输出。 PLC 采用集中采样与集中输出的工作方式，在采样周期中，将所有输入信号一起读入，此后在整个程序处理过程中 PLC 系统与外界隔开，直至输出控制信号，并在下一个工作周期再与外部交换信息状态，从而 从根本上提高了系统的抗干扰能力和工作的可靠性。 PLC 对输入输出的处理原则 (1) 输入映象寄存器的数据取决于输入端子板上各输入开关在上一个刷新期间的接通 /断开状态。 (2) 程序执行是对用户所编程序和输入 /输出映象寄存器的内容及其它各元件映象寄存器的内容进行逻辑运算和处理。 (3) 输出映象寄存器的数据取决于程序运算的执行结果。 (4) 输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映象寄存器中的数据决定。 (5) 输出端子接通 /断开状态，由输出锁存器决定。 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 8 页 PLC 的工作方式是巡回扫描执行用户程序，由于 建立了输入映象区，因此程序在执行时，系统工作只涉及到映象寄存器中的内容，只是在扫描周期的适当时刻将输出映象寄存器的信息全部输出给外设，同时也从所有外设读入信息。 这种周期性的与外界交换信息，对一般外设来讲是可以满足要求的，但是随着可编程控制器功能的扩展，特别是许多特殊模板智能模板被作为外设以及中断控制时，对响应的及时性提出了新的要求，正常的周期性的输入输出交换信息很难满足要求。 系统的周期性扫描与外设希望的及时响应矛盾的解决方法是将有关要输入或输出的信息分离出来，即这一部分信息的输入或输出与系统 CPU 的周期扫描 脱离，利用专门的硬件模板 (如利用定区 I/O 服务指令使定区内的信息及时输入或输出，即取得立即执行 )。 所以 PLC 的循环扫描工作方式对外设希望及时响应要求的实现有一定困难。 可编程控制器的扫描周期 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备，它一直在周而复始地循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。 我们定义从扫描过程中的一点开始，顺序扫描后又回到该点的过程为一个周期。 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，可编程控制器也在扫描，只不过在一个周期中删除了用户程序和输入输出服务这两部分任务。 典型的 PLC 在一个周期中完成六个扫描过程。 自监视扫描过程为保证设备的可靠性，出现故障及时反应， PLC 都具有自监视功能。 自监视功能主要由时间监视器 WDT (Watchdog Timer)完成的。 WDT 是一个硬件计时器，该计时器有一个设定值，扫描周期开始前计时器复位，然后开始计时。 如果复位前，扫描时间超过 WDT 的设定时间， CPU 将停止运行，复位输入输出，并给出报警信号，这种故障称为 WDT 故障。 WDT 故障可能由 CPU 硬件引起，也可能由用户程序执行时间太长，使扫描周期时间超过 WDT 的设定时间而引起。 用编程器 可以清掉 WDT故障。 一般机器给 WDT 的设定值在 100～ 200ms。 在有些 PLC 中用户可以对 WDT 时间进行修改，修改方法在说明书上查阅。 与编程器进行信息交换的扫描过程在 PLC 中，用户程序是通过编程器写入的。 调试过程中，用户也通过编程器进行在线监视和修改。 在这一扫描过程中， CPU 把总线权交给编程器，自己变成被动状态。 当编程器完成处理工作或达到信息交换所规定时间，CPU 重新得到总线权，并恢复到主动状态，在此过程中，用户可以利用编程器修改内存 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 9 页 程序、读 CPU 状态、封锁或开放输入输出、对逻辑变量和数字量进行读写。 与数字处理器进行信息交换的过程，当配有数字处理器时，一个扫描周期中才包含了这一过程。 该过程主要是数字处理器同 CPU 进行信息交换。 与网络进行通信的扫描过程，一般小型系统没有这一扫描过程，配有网络的 PLC系统才有通信扫描过程，这一过程用于 PLC 之间以及 PLC 与上位计算机或一些终端设备。 用户程序扫描过程，机器处于正常运行状态下，每一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。 随用户程序的长短，这个过程所用时间也是变化的。 输入输出服务扫描过程，机器在正常运行状态下，每一扫 描周期内都包含这个扫描过程。 该过程在机器运行中是否执行是可控的。 CPU 在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从实际输入点读得的，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暂存区，一个输入暂存区，一个输出暂存区。 用户程序中所用的输入值是输入状态暂存区的值，运算结果放在输出状态暂存区中。 在输入服务扫描过程中， CPU把实际输入点的状态读入到输入状态暂存区。 在输出服务扫描过程中， CPU 把输出状态暂存区的值传送到实际输出点。 为了现场调试方便， PLC 具有输入输出控制功能，用户可以通过编程器封锁或开放输入 输出。 封锁输入输出就是关闭了输入输出服务扫描过程。 从以上对扫描周期的分析可知，扫描周期基本上由三部分组成即保证系统正常运行的公共操作，系统与外部设备的交换和用户程序的执行。 第一部分的扫描时间基本上是固定的，随机器类型而有不同。 第二部分并不是每个系统或系统的每次扫描都有的，占用的扫描时间也是变化的。 第三部分随控制对象工艺复杂性决定的用户控制而变化。 因此这部分占用的扫描时间不仅对不同系统其长短不同，而且对同一系统的不同时间也占用着不同的扫描时间。 所以系统扫描周期的长短，除了因是否运行用户程序而有较大的差别外 ，在运行用户程序时也不是完全固定不变的。 这是因为执行程序中随变量状态的不同，一部分程序段可能不执行而形成的。 用户程序的扫描时间主要由 CPU 的运算速度和程序的长短决定。 CPU 的运算速度由系统硬件和系统软件决定，通常用执行 1K 字程序所需的时间长短来衡量。 由于程序中所用语句的复杂程度不同，执行 1K 字程序所需的时间差异很大，厂家应给出每条语句所用的 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 10 页 时间，或简单给出执行 1K 字逻辑运算程序所需时间和 1K 字数字运算程序所需的时间。 目前比较慢的为 ， 60ms/1K 字数字运算程序；较快的为 1ms/IK字逻辑运算程序， 10ms/1K 字数字运算程序，目前最快的为。 为了保证生产系统正常运行，必须做到最长的扫描周期小于系统电器改变状态的时间，实际上扫描周期是不固定的，正因为这一点，给机器实现某些控制带来一些困难。 编程软件的简介和梯形图的设计方法 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 编程软件开发，基于 WINDOWS的应用软件 ， 该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言，即语句表 (STL)语言、梯形图 (LAD)语言、功能块图 (FWD)语言。 语句表 (STL)语言 类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。 梯形图 (LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是 PLC 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。 功能块图 (FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异 或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 该设计主要采用梯形图 (LAD)语言。 梯形图的基本绘制规则： 编程顺序 梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。 每个逻辑行开始于左母线，一般来说，触点要放在左侧，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。 编号分配 对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入、输出点。 触点的使用次数和线圈的使用次数 在 PLC 的梯形图中，触点的使用次 数可能用无数次，而线圈的使用次数只能是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。 线圈的连接 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 11 页 使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 12 页 3 污水坑水位控制设计 原控制系统设计方案 冷轧硅钢厂污水坑 30KW 泵站有 4 台 30KW 潜水泵，由 1 台小型 PLC 作为逻辑管理，电动机由接触器直接起停，水位由 4 个浮球水位开关检测，电动机的保护由电源侧自动开关作为过流保护、电动机侧热继电器作为过负载保护、电机上安装有热元件作为潜水泵温度报警、潜水泵安装有泄漏、渗漏保护装置作为潜水泵泄漏、渗漏报警等构成；操作方 式分为自动方式和手动方式。 自动方式： 4 个水位开关检测污水坑的水位， PLC 根据水位情况控制水泵的起停。 手动方式：在控制柜操作面板上利用起、停按钮对潜水泵进行操作。 冷轧硅钢厂积水坑 110KW 泵站有 4 台 110KW 潜水泵，控制系统构成及操作方式与30KW 泵站相似，不同的只是由于电动机容量较大，采用自藕变压器降压启动。 由于采用接触器启动方式，而且电动机启动频繁，对电网和功率元件的冲击较大，故障率较高，经常造成主接触器、自藕变压器等元器件的损坏，从而影响生产线的正常运行。 控制系统的改造设计方案 鉴于上述原系统的控制缺陷，现对其进行改造，具体如下： 每台潜水泵由 1 台施耐德高转矩变频器控制，其中 30KW 潜水泵采用ATV58HD46N4X 变频器、 110KW 潜水泵采用 ATV68C15N4 变频器；逻辑管理各采用一台 S7200 PLC 上位机系统，进行管理和操作等。 保护及操作： (1) 保护：电源侧采用 2 级自动开关保护；变频器本身包含有过电压、过电流、过负载、电源缺相、电动机缺相等保护；保留了原系统中的电动机温度、潜水泵泄漏、渗漏的保护功能。 (2) 操作：控制柜面板上安装有进线电源电压表、电流表；电 动机工作电流表、频率表；潜水泵工作指示灯、变频器故障指示灯、潜水泵温度过高指示灯、潜水泵渗漏指示灯、泄漏指示灯，安装有自动 /手动选择开关、各个泵的起停按钮、各个泵的手动给定电位计。 鞍山科技大学本 科生毕业设计 (论文 ) 第 13 页 控制系统简介 每个泵站安装有 1 台 S7200 PLC，利用 PROFIBUS DP 网络与原上位机系统进行通讯。 每个泵站均有 4 台潜水泵，设计为 3 用 1 备的循环工作方式，潜水泵的操作分为手动和自动两种方式，两种操作方式的选择由控制柜上的“自动 /手动”转换开关实现。 主接触器为直接上电方式，即系统在无故障情况下，上电主接触器吸合，发生故 障时，主接触器跳闸。 (1) 手动方式；将控制柜柜门上的‘远程 自动 /本地 手动’转换开关打到‘本地 手动’位置， S7200 PLC 将潜水泵的操作切换到控制柜柜门上的按钮和电位计，这时，就可以使用控制柜上的启动、停止按钮和电位计对没有故障的潜水泵进行任意启动、停止，在控制柜柜门上安装的仪表和指示灯、上位机系统操作画面中指示系统工作的各种状态。 (2) 自动方式：将控制柜柜门上的方式选择转换开关打到‘远程 自动’位置，并且将操作画面中的方式选择开关切换到‘自动’方式，这时整个系统进入自动工作状态，潜水泵的启动、停止以及工作频率完全由 S7200 的软件根据 4 个浮球式水位开关检测到的水位高低进行控制。 4 个浮球水位开关设置为 4 个水位检测点，即低位、中位、高位和超高位，其中低位为正常水位点，也就是潜水泵的停止工作点；中位为第一台潜水泵的启动点，也是第二台潜水泵的频率改变点；高位是第二台潜水泵的启动点，也是第三台潜水泵的频率改变点；超高位是上限报警点，也是第三台潜水泵的启动点。 当三台潜水泵同时以 50Hz的频率工作时，完全可以控制水位，使水位下降，让系统停止报警。 4 台潜水泵每一轮次工作 (每次水位到达中位以上 )均为 3 用 1 备，即第一轮次为 3潜水泵投入工作， 4备用，第二轮次为 4投入工作， 1备用，依次循环；如果某台水泵有故障，则这台水泵在故障没有排除前均为备用： (1) 当检测到水位到达中位时，将第一台潜水泵以 50Hz。