洗手间PLC控制系统设计Word下载.docx
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strong-coupling,
fleet
and
absolutely
instable.
It
representative
as
an
ideal
model
to
prove
new
control
theory
techniques.
During
the
process,
can
effectively
reflect
many
key
problems
such
equanimity,
robust,
follow-up
track,
therefore.This
paper
studies
method
of
double
.
First
all,
mathematical
established.Themake
design
on
model,
determine
system
performance
index
weightmatrix
by
using
genetic
algorithm
in
attain
state
feedback
matrix.
Finally,
simulation
made
After
several
test
matrix
value
results
are
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satisfactory
response,
then
we
optimize
Genetic
Algorithm.
Simulation
show:
response
meet
requirements
after
Algorithm
optimization.
Smalltwistedpaperbrokenmachineformeat.
KeywordsPLCcylinderpneumaticFoutdegreesoffreedom
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1本课题研究的目的、意义1
2洗手间PLC控制系统功能简介3
2.1洗手间PLC控制组成、原理和工作过程4
3PLC控制系统简介6
3.1PLC的定义7
3.2PLC的控制原理8
3.3PLC的分类10
3.4PLC的用途11
4系统硬件的设计12
4.1红外线检测模块12
4.2PLC计时计数器13
4.3电磁阀14
5系统工作原理15
5.1探测信号16
5.2信号传输过程17
5.3冲水动作的触发18
5.4水箱注水控制18
6系统软件设计方案19
6.1软件组成20
6.2系统控制流程图20
6.3设计PLC控制梯形图程序21
结论22
致谢23
参考文献24
1绪论
机电一体化工业是一个国家的重要产业，机电一体化工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机械工业的发展。
在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。
在新的市场需求的推动下，对物料进行改良和优化是当务之急。
有大型物料拾取装置生产企业对该装置的安全指标的有着一定生产的严格要求。
在生产设备的企业，充分考虑到在设备运行中可能出现的问题，从而减少噪声污染引起的振动或不当操作设备的现象等。
1.1本课题研究的目的、意义
用PLC控制系统解决我国家庭洗手间的冲水是最有希望的、最有效可行的途径。
PLC洗手间控制系统的应用市场前景广阔，除家庭用冲水外，还可用于宾馆的冲水、大型公共场所卫生间等领域。
从发展角度看，城市家庭生活冲水的实现不应由业主考虑，而应与建筑设计开发同时进行。
在此基础上设计出了洗手间冲水的自动控制系统。
在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制，提高节约用水的能力。
可编程控制器由于可提供使用的时间继电器和中间继电器相当多，而且其常开常闭触点可多次重复使用，使得我们在编程中可以随心所欲。
用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、有效提高系统的可靠性，是PLC的突出特点。
目前，我国大部分洗手间的控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。
洗手间PLC控制系统是利用商业化程度最高、应用最普遍的技术。
但是在洗手间自动控制系统中大多采用单片机控制，单片机开发价格较高，而PLC开发价格便宜。
选用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，体积小，功能全，编程简单的特点。
通过改进或完善已有洗手间控制系统的不足，设计开发新型洗手间控制系统—基于PLC的洗手间自动控制系统。
2洗手间PLC控制系统功能简介
2.1洗手间PLC控制组成、原理和工作过程
本次设计的洗手间PLC控制系统的工作过程原理为：
当有人如厕后，人次达到预先设定值，或待人上完厕所离开一定时间后放水冲洗，而后系统恢复。
以待下次使用，这样不仅简便易用而且在保证厕所干净整洁的同时节约珍贵的水资源。
其系统总体设计框图和原理图分别如图1.1,1.2所示：
图1.1系统总体设计框图
图1.2系统原理图
3PLC控制系统简介
3.1PLC的定义
PLC即可编程控制器（Programmable
Logic
Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;
PLC英文全称Programmable
Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义;
PLC英文全ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是：
PLC是可编程逻辑控制电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。
3.2PLC的控制原理
PLC就是可编程控制器，简单说应用在控制系统中的专用的“计算机”，根据控制逻辑编写控制程序装入PLC，PLC可以替代过去老式的继电器逻辑控制电路，性能稳定可靠，修改逻辑关系方便，已经在控制系统中广泛使用。
3.3PLC的分类
可编程控制器类型很多，可从不同的角度进行分类：
1）按控制规模分
控制规模主要指控制开关量的入、出点数及控制模拟量的模入、模出，或两者兼而有之（闭路系统）的路数。
但主要以开关量计。
模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。
2）按点数分，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。
微型机控制点仅几十点，如德维森公司的V80系列PLC本体从16点到40点，OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。
小型机控制点可达100多点。
如如德维森公司的V80系列PLC可扩展到256点，OMRON公司的C60P可达148点，CQM1达256点。
德国西门子公司的S7-200机可达64点。
中型机控制点数可达近500点，以至于千点。
如德维森公司的PPC11系列可扩展到1024点，OMRON公司C200H机普通配置最多可达700多点，C200Ha机则可达1000多点。
德国西门子公司的S7300机最多可达512点。
大型机：
控制点数一般在1000点以上。
如如德维森公司的PPC22系列可扩展到2048点，OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。
C2000H、CV2000当地配置可达2048点。
超大型机：
控制点数可达万点，以至于几万点。
如美国GE公司的90－70机，其点数可达24000点，另外还可有8000路的模拟量。
再如美国莫迪康公司的PC－E984--785机，其开关量具总数为32k（32768），模拟量有2048路。
西门子的SS－115U－CPU945，其开关量总点数可达8k，另外还可有512路模拟量。
等等。
以上这种划分是不严格的，只是大致的，目的是便于系统的配置及使用。
一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然要高；
相反，肯定要差些。
自然，也有特殊情况。
如控制点数不是非常之多，不是非用大型机不可，但因大型机的特殊控制单元多，可进行热备配置，因而采用了大型机。
3.4PLC的用途
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制
造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳
为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控
制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和
数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A
转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用16路的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、抢答器、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，
PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行16路的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据
转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，
保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统;
自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。
触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和泵的工作状态等信息;
可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。
该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。
该系统具有手动和自动两种运行方式：
选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。
这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。
在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设
定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从
0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出;
如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。
如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。
若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行;
若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。
对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水
泵。
例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台30kW
的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。
若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅
电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。
在小流量水泵的选择上，
其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。
在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号;
若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号;
若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。
有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。
在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。
当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。
变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。
当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频
运行（若水泵功率大于37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。
此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。
当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。
条件许可时可以添加MODEM模块，变频器、
电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。
所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。
可编程序控制器采用SIEMENS的S7-300系列CPU-226主机，I/O点数为
40点（24个输入点和16个输出点），具有2个RS-485通讯/编程口，具有
PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
自由通讯口方式是S7-200
PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200
PLC可以由用户自己定义通讯协议。
利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。
模拟
量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。
PLC
编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离
线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。
在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，
变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出0～5（10）V或4～20mA信号
控制的，这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。
对变频器故障的检
测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具
体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才
知道，这对于一般值班人员来说太难了。
因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用
SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类16路变频器，它们具有RS-485
通讯接口，性价比较高。
PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获的了大量变频器的信息。
触摸屏选用台湾HITCH公司生产的PWS系列，它具有丰富的驱动程序，
可方便地通过串口与S7-200系列PLC通讯。
通过触摸屏可以直观地显示各泵
的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种
故障信息等参数;
操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防
供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸
屏控制各水泵的运行。
在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。
系统主要控制回路
整个系统PLC既有开关量和模拟量的输入/输出，又有与变频器和触摸屏的
通讯，因此在PLC控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过
主程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。
在主程序中，PLC上电初使化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息
则首先发出警告，若无报警信息，则开始从1#泵（1#泵被切除出系统，则从泵
号最小的在线泵）变频启动，实时检测出水压力并进行PID运算，控制变频器的输出频率，保持供水压力恒定;
变频器频率达到50Hz延时几秒后，出水压力仍低于设定压力，则将1#泵切换为工频，变频启动2#泵以保持压力恒定并依此类推。
若出水压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。
若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一段时间后根据先投先停的原则，停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵，至出水压力达到设定值。
若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。
4系统硬件的设计
4.1红外线检测模块
红外技术的内容包含四个主要部分：
红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；
辐射在媒质中的传播特性：
反射、折
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