恒压供水系统的PLC控制设计.docx
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恒压供水系统的PLC控制设计
1.恒压供水原理及工艺1
恒压供水系统的PLC控制设计
摘要：
本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。
从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。
恒压供水保证了供水质量，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。
关键字:
PLC；恒压供水；变频器
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。
然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。
本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。
1.恒压供水原理及工艺
1.1任务
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。
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，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；
（2）三台泵根据恒压的需要，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系统的组成和基本工作原理
以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。
为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。
2PLC概述
2.1PLC组成
2.1.1PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。
PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。
由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：
有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。
PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：
一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。
现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。
计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。
2.1.2PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。
2.1.3PLC的控制机制
PLC已经完全取代继电器控制系统。
只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。
I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。
但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。
在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。
同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。
这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。
主要体现在：
一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。
PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。
具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：
Y（n）=f（x（n-1）,y（n-1））
式中，Y（n）为某一时间段的输出值；
Y（n-1）为上一时间段的输出值；
X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值；
F为他们应满足的控制关系。
即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。
至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。
真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。
这样只要时间段足够短，并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。
由于采用集中I/O的思想，其I/O状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。
如图1所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。
（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。
CUP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
图1PLC的组成
2.1.4PLC的定义
最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）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。
2.1.5PLC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）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。
2.1.6PLC的性能指标
（1）存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。
（2）I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
（3）扫描速度
扫面速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。
从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。
（4）指令的多少
她是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
（5）内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。
（6）扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
（7）特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
2.1.7PLC的分类
不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。
按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。
按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。
2.2PLC工作原理
2.2.1循环扫描
CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP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。
（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。
CUP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，CUP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CUP把输出映像寄存器的值的输出点。
循环扫描有如下特点：
（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CUP采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CUP对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。
在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。
输入/输出采用映象寄存器的优点：
（1）集中采用I/O，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统一输出。
这种集中
图2PLC信号的传递过程
I/O的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更加稳定可靠。
（2）程序执行时，存取映象寄存器要比读写I/O端点快的多，这样可以加快程序执行速度。
（3）I/O点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取，增加了程序的灵活性。
2.2.2I/O响应时间
由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且在输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。
扫描周期越长，滞后现象越严重。
响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。
（1）PLC输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。
输入延迟是由硬件决定的，有的PLC滤波器时间常数可调。
（2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。
它也是由硬件决定的，对于不同信号的PLC可以通过查表得到。
（3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。
在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间，称为最小I/O响应时间。
在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最大I/O响应时间。
它们是由PLC的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。
2.2.3PLC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。
2.3PLC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。
2.3.1PLC的编程结构功能图
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，相当于工作寄存器的多少和功能的强弱。
实际的PLC中并没有图中的物理继电器，用继电器来表示PLC的内部功能结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解PLC的功能，更好的使用PLC，就像他在设计继电器控制电路一样。
梯形图语言是一种图形化的语言，是一种面向控制过程的“自然语言”。
梯形图编程语言形象、直观、准确的描述了逻辑控制关系，容易被广大的工程技术人员所掌握。
PLC与被控对象所连接的只是I/O条件，而I/O之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。
语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中，PLC就能够直接解释并实现I/O间的控制关系。
当控制关系发生改变时，只要修改梯形图程序，重新输入到PLC的存储器即可，从而快捷的改变生产工
图3PLC内部的结构功能示意图
2.3.2梯形图编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。
梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。
一般而言，梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。
逻辑通常被分解成小的容易理解的片，这些片通常被称为“梯级”或网络。
程序一次扫描执行一次网络，按照从做到右、从上到下的顺序进行。
一旦CUP执行到程序的结尾，就又从上到下执行程序。
在每一个网络中，指令以列为基础被执行，从上而下、从左到右依次执行，直到本网络的最后个线圈列。
因此为了充分利用存储器容量，使扫描时间尽可能短，利用梯形图编程时应限制触点之间的距离，并使网络左上边这部分空白最少。
其中，串联触点较多的支路要写在上面，并联支路应写在左边，线圈放于触点的右边。
如图4所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。
梯形图和继电器控制电路图很相似，这是可以用PLC控制取代继电器控制的基础，可以把经过实践证明设计是成功的继电器电路图进行转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序，充分发挥PLC的功能完善、可靠性高、控制灵活的特点。
当然，它们还是存在着本质上的区别，主要表现如下所述。
图4梯形图
（1）继电器控制电路中使用的继电器是物理的元器件，继电器与其他控制电器之间的连接必须通过硬件连接线来完成。
PLC中的继电器是内部的寄存器位，称为“软继电器”，它具有物理继电器相似的功能。
当它的“线圈”通电时，其所属的常开触点闭合，常闭触点断开；当它的线圈断电时，其所属的常开触点和常闭触点均恢复常态。
PLC梯形图中的接线称为“软接线”，这种“软接线”是通过编程来实现的，具有更改简单、调试方便等特点。
而继电器控制电路图是点线连接图，相对来素施工困难、更改费力。
（2）PLC中的每一个继电器都对应着一个内部的寄存器，由于可以随时不受限地读取其内容，所以，可以认为PLC的继电器有无数个常开、常闭触点供用户使用。
PLC梯形图中的触点代表的是“逻辑”输入条件、外部的实际开关、按钮或内部的继电器触点条件等。
而物理继电器的触点个数是有限的。
（3）PLC的输入继电器是由外部信号驱动的，在梯形图中只能用其触点，这在物理继电器中是不可能的。
线圈通常代表“逻辑”输出结果，如灯、电机启动器、中间继电器、内部输出条件等。
（4）继电器控制系统中是按照触点的动作顺序和是延迟逐个动作的，动作顺序与电路图的编写顺序无关。
PLC按照扫描方式工作，首先采取输入信号，然后对所有梯形图进行计算，造成了宏观与动作顺序的无关，但是微观上在一个时间段上的是实际执行顺序与梯形图的编写顺序一致而不是无关的。
（5）PLC梯形图中的两根母线以失去原有的意义，它只表示一个梯形的起始和终了，并无实际电流通过，假象的概念电流只能从左向右流。
为了充分发挥CUP的逻辑运算功能，设置了大量的称为盒的附加命令，如定时器、计算器、格式转换、模拟量I/O、PID调节或数学运算指令等，充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成PLC的各种复杂控制功能。
2.4PLC的分类
PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑
2.4.1按I/O点数容量分类
一般而言，处理I/O点数越多，则控制关系就比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。
按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。
（1）小型机
小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4K左右。
现在的高性能小型PLC还具有一定的通讯能力和少量的模拟量处理能力。
这类的PLC的特点是价格低廉，体积小巧，适合于控制单台设备和开发机电一体化产品。
典型的小型机有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系列等整体式PLC产品。
（2）中型机
中型PLC的输入、输出总点数在256~~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字
左右。
中型PLC不仅具有开关量和模拟量的控制功能，还具有更强的数字计算能力，它的通信功能和模拟量处理功能更强大，中型机比小型机更丰富，中型机适用于更复杂的逻辑控制系统以及连续生产线的过程控制系统场合。
典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。
（3）大型机
大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。
大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。
它的监视系统采用CRT显示，能够表示过程的动态流程，记录各种曲线，PID调节参数等；它配备多种智能板，构成一台多功能系统。
这种系统还可以和其他型号的控制器互联，和上位机相联，组成一个集中分散的生产过程和产品质量控制系统。
大型机适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。
典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和C
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