典型监控系统基于plc的泵站监控——本科毕业论文(编辑修改稿)

典型监控系统基于plc的泵站监控——本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

作为下位机。 PLC与 IPC 通过 PC/PPI 电缆连接，采用 PPI 协议进行通讯。 传感器通过现场电流、电压信号或 RS485数字 通讯的方法来实现与 PLC 的连接。 整个系统能够实现对泵站的监测和控制，能够满足监控系统的设计要求。 图 泵站监控系统的系统构成图 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 5 页 3 监控系统的硬件设计部分 概述 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计。 它采用了可编程程序的存储器，用来在其内部存储逻辑、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC 的种类很多，但它的结构 和工作原理基本上是相同的，主要由 CPU（中央处理器）、记忆模块、输入 /输出单元、供电部分、扩展接口、通讯接口、编程设备、其他组件等部分组成。 PLC 的工作原理 （ 1）与继电器控制系统的区别 继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，当电源被接通时，继电器控制电路处于受控状态，该闭合的部分闭合，受到某种限制不能闭合的不闭合，它属于并行工作模式。 而在 PLC内部设备的各种循环扫描过程中，逻辑的，数字的输出结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出，因此它属于串行工作模式。 在控制系统的可靠性和可维护性方面，继电器控制系统 使用的机械触点很多，连接线也很多。 容易出现电弧，机械磨损，寿命较短，因此，在可靠性和可维护性表现一般。 而PLC 采用微电子技术，无接触，体积小，寿命长，开关动作次数由半导体电路完成，可靠性相当高。 在控制速度方面，继电器控制系统依靠机械动作控制触点，工作频率低，打开和关闭行动是以毫秒为单位计算。 此外，在机械触点动作时会出现抖动。 而 PLC 是通过半导体电路的程序指令来实现控制，属于非接触式控制，速度一般在微秒数量级，而且不会出现抖动。 （ 2） PLC 工作方式 PLC 的工作过程可以分为三个部分。 第一部分是加电处理。 PLC系统加电后，需要进行初始化操作，包括硬件初始化， I/O模块配备检查，配置系统的各种参数等其他的初始化过程。 第二部分是扫描过程。 PLC 加电过程处理完成后进入扫描过程后。 需要对输入信号和与其他设备之间的通信进行处理，然后再次更新和刷新时钟和特殊寄存器。 当 CPU 处于停止状态时， 转入执行自诊断检查。 当 CPU处于运行模式时，还需要执行用户程序并对输出过程进行处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。 PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正常，如果 CPU、电池电压、程序存储器、 I/O 和通信等是否异常或出错。 如果检查出异常， CPU 面板上的 LED 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时， CPU会被强制进入到停止模式，所有的扫描会被停止。 PLC 扫描周期长度和 CPU的运算速度， I/O 数量，用户应用程序的长度有关系。 不同的指令的执行时间是不同的，范围从几微秒到几百微秒，所以不同的指令的扫描时间也是不同的。 但是由于当今的 CPU速度都非常快，通过对程序的费心思考去减小扫描周期时间中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 6 页 不再是非常必要的了。 概括而言 ， PLC 是按集中输入、集中输出 ，周期性循环扫描的 方式进行 工作 的。 每一次扫描所 用的 时间称为扫描周期 ,也叫工作周期。 在 PLC 上电后的正常运转时，它会不断重复扫描过程，并一直重复下去。 分析扫描过程时，如果忽略远程 I/O、特殊模块、更新时钟及其他通讯服务， 这样 扫描过程 就 只剩下输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段。 这三个阶段是 PLC 工作过程的中心内容，也是PLC 工作原理的核心所在。 ◆ 输入采样阶段 PLC 在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将每个输入状态存入对应的输入映像寄存器中，此时出入映像寄存器被刷新。 接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入 映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个周期的输入采样阶段，才重新写入出入端的新内容。 所以，一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者输入信号的频率不能太高，否则很可能造成信号的丢失。 ◆ 程序执行阶段 进入程序执行阶段之后，一般来说（因为还有子程序和中断程序的情况）， PLC 按从左到右、从上到下的步骤执行程序。 当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从原件映像寄存器“读入”对应原件（“软继电器”）的当前状态。 然后进行相应的运算，最 新的运算结果马上存入到相应的原件映像寄存器中。 对原件映像寄存器来说，每一个原件（“软继电器”）的状态随着程序过程而刷新。 ◆ 输出刷新阶段 在用户程序执行完毕之后，原件映像寄存器中所有输出寄存器的状态（接通 /断开）在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。 在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而输出端子的状态也不会改变。 （ 3） PLC 的主要功能 PLC 的使用非常广泛，在工业自动化设备、工厂自动化系统、计算机集成制造系统中占有重要地位。 今天的 PLC 的功能远远不是传统的继电器控制系统可以取代的。 现在的 PLC 系统一般包括以下基本功能： ◆ 控制功能 逻辑控制 :PLC 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。 定时控制 :它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定 :接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。 计数控制 :用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。 顺序控制 :在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台 PLC 可作为多部步进控制器使用。 ◆ 数据采集、存储与处理功能 数学运算功 能包括 : 基本算术 :加、减、乘、除 扩展算术 :平方根、三角函数和浮点运算 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 7 页 比较 :大于、小于和等于 数据处理 :选择、组织、规格化、移动和先入先出 模拟数据处理 :PID、积分和滤波 ◆ 输入 /输出接口处理功能 具有 A/D 与 D/A 转换功能，通过 I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度，可以根据用户要求选择。 具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 ◆ 通信、联网功能 现代 PLC 大多数都采用了通信、网络技术，大都有 RS232 或 RS485 接口，可进行远程 I/O 控制，多台 PLC 可 彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。 通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。 在系统构成时，可由一台计算机与多台 PLC 构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。 ◆ 人机界面功能 提供操作者以监视机器 /过程工作必需的信息；允许操作者和 PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。 实现人机界面功能的手段 :从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的 CRT 显示与 键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 ◆ 编程、调试等 使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。 （ 4） PLC 控制系统的优势 现代工业自动化系统 中 很大一部分 是采用 PLC 的，而不是传统的继电器控制系统，这主要是因为 PLC 具有多种优势： ◆ 功能强，性能价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。 与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。 ◆ 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。 用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。 楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 PLC 有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 ◆ 可靠性高 ，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。 由于触点接触不良，容易出现故障， PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 8 页 ◆ 系统的设计、安装、调试工作量少 PLC 用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC 的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。 这种编程方法很有规律，很容易掌握。 对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC 的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过 PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。 完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 ◆ 编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 ◆ 维修工作量少，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。 PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC 上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。 ◆ 体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用 PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC 的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确 1/21/10。 PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。 ◆ 与时俱进，能实现网络通讯 PLC 可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现 分散控制集中管理。 并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。 而组态软件是一种成熟的软件产品，主要用于工业现场的检测，数据采集等优点是功能强大，易于二次组态开发，性能稳定。 多以通过实践检能够很好的完成本文的要求。 （ 5） PLC 通信方式 S7200系列 PLC 主要有三种通信方式：一种是通过点对点（ PPI）的方式，主要用于与 SIEMENS 公司的专门用于对 PLC 进行编程的设备进行通信，这种通讯协议是对外保密的。 第二种为 DP 方式， PLC 通过这种方式连接到过程现场总线 从而可以扩大 PLC 的控制范围。 第三种是 FreePort 通信即自由口通讯方式，自由即意味着通讯协议可由用户自己编写，这种方式比较开放。 本系统中采用 PPI 通信方式，它是 SIEMENS 专门为 S7200系列PLC 设计的专用通信协议。 这种方式所需的投资很小，同时拥有很好的灵活性，适合小规模控制系统。 大多数 PC 机的串口通讯标准为 RS232， SIEMENS 公司提供的 PC/PPI 电缆带有 RS232/RS485电平转换装置，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将 PLC和 PC 机互联。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业论文 第 9 页 泵站监控系统各种参数的 检测 泵站监控系统实现自动化的过程中，需要对系统运行的各种参数进行检测，本文将给出这几个参数的检测方法 :水池液位、水泵流量、水泵压力。 水池液位的检测 本系统采用超声波液位传感器来实现对水池液位的检测。 超声波液位传感器是利用超声波对两种介质之间的边界反射特性。 如果发射的超声波脉冲的开始，直到接收到的反射波的时间间隔是已知的，可以计算出分界面的具体位置，液位的测量可以使用此方法。 据的发送和接收功能的换能器，传感器可分为单个换能器和双个换能器。 单个换能器的传感器发射和接收超声 波使用相同的换能器，和双换能器传感器的发送和接收使用两个换能器所不同。 下面是单个换能器超声波传感器进的介绍。 超声波的发射和。