设计任务书 设计题目: 恒温供水系统的PLC控制设计 设计要求: 恒温供水系统,其设计内容包含交流鼠笼式异步电动机的控制,加热器的控制,液面的控制,传感器的测量与连接方式.当页面低于设计页面时不能加热水箱里的水,起到防干烧效果.当水温低于设定温度范围内开始加热,水温达到设定值的最大值时停止加热,整个系统要保持水箱里的水是恒温系统设有停止加热键,当按下停止加热键时,加热器强制停止加热. 设计进度要求: 第一周:确定题目,查阅资料. 第二周:根据设计要求分析恒温供水系统的工作原理. 第三周:深入工矿企业,家庭恒温供水场合进行调研. 第四周:对硬件进行设计. 第五周:对软件进行设计. 第六周:进行调试,找出问题,改进设计. 第七周:撰写论文,准备答辩. 指导教师(签名) 摘要随着我国经济的高速发展,自动控制技术也得到了迅猛发展,而水暖设施已经成为人类生活中必不可少的的一项基础设施.本文利用西门子S7-200可编程控制器编写的一个恒温供水的控制系统,实现温水自动化不间断提供,温度可控.该设计主要分析并叙述了PLC的特点,并加以在恒温供水系统中得到应用. 温水供应主要有以下几种方式:太阳能水暖设施、燃气水暖设施、锅炉蒸汽或者电加热水暖设施,但这些主要靠人工调节水温,不加入可编程控制器都不能实现自动控制水温,不能长时间维持供水.由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点.自80年代后期PLC引入我国电气行业以来,由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用.在传统继电器系统的改造工程中,PLC系统一直是主流控制系统.为了提高供水稳定性,本设计采用PLC来控制恒温供水,它为我们生活所提供的便利大到工矿企业、小到普通家庭.本文就是详细介绍PLC的特点及整个设计过程. 关键词:控制系统,恒温供水,PLC,PT100 目录摘要II 1 概述21.1 可编程控制器(PLC)的产生及定义 2 1.2 PLC的分类及特点 3 1.3 PLC的工作原理 6 1.4 PLC的编程语言 7 1.5 PLC在恒温供水系统中的应用 8 1.6恒温供水的发展历程 9 2.1恒温供水系统的组成 10 2.2 恒温供水的原理 10 2.3 恒温供水的PLC控制系统的功能分析 11 2.4 恒温供水PLC控制系统的解决思路 11 3 恒温供水系统的硬件设计 12 3.1 控制器的选择 12 3.2 各种传感器的选择 12 3.3 PLC输入输出点数的确定 13 3.4 PLC的选择 14 3.5 PLC外部硬件电路的设计 15 4 .PLC软件设计 16 4.1 程序流程图 16 4.2 程序梯形图 17 5.调试 17 6心得体会 17 致谢18 参考文献 19 1 概述1.1 可编程控制器(PLC)的产生及定义 1.1.1 可编程控制器(PLC)的产生 上世纪60年代,计算机技术已开始应用于工业控制了.但是由于计算机本身的复杂性,编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因,未能在工业控制中得到广泛应用,当时的工业控制,主要还是以继电器、接触器组成的控制系统. 自动控制装置的研究,是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求.曾一度在控制领域占主导地位的继电器控制系统,存在着控制能力弱,可靠性低的缺点,并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代.20世纪60年代末期,在技术浪潮的冲击下,为使汽车结构及外型不断改进,品种不断增加,需要经常变更生产工艺.这就希望在控制成本的前提下,尽可能缩短产品的更新换代周期,以满足生产的需求,使企业在激烈的市场竞争中取胜.美国通用汽车公司(GM)1986年提出了汽车装配生产线改造项目控制器的十项指标,即新一代控制器应具备的10项指标: (1)编程简单,可在现场修改和调试程序; (2)维护方便,采用插入式模块结构; (3)可靠性高于继电器控制系统; (4)体积小于继电器控制柜; (5)能与管理中心计算机系统进行通信; (6)成本可与继电器控制系统相竞争; (7)输入量是115V交流电压(美国电网电压110); (8)输出量是115V,输出电流在2A,能直接驱动电磁阀; (9)系统扩展时,原系统只需作很小改动; (10)用户程序存储器容量至少4KB. 1969年,美国数字设备公司(DEC)首先研制出第一台符合要求的控制器,及可编程逻辑控制器,并在美国GE公司的汽车自动装置上试用成功.此后,这项研究技术迅速发展,从美国、日本、欧洲普及到全世界.我国从1976年开始研制,1977年应用于工业控制.目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器,型号多达数百种. 1.1.2 可编程控制器(PLC)的定义 IEC在1987年对可编程控制器(PLC)下的定义是: 可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计;它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令;并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.可编程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、易于扩充其功能的原则设计. 由上述定义可见,PLC是工业专用计算机 ,这种计算机采用面向用户的指令,因而编程方便.它能完成"逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作",还具有"数字量,模拟量输入/输出控制"的能力.并且容易与"工业控制系统连为一体",易于扩充.因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机. 1.2 PLC的分类及特点 1.2.1 PLC的分类 目前,可编程控制器(PLC)产品种类很多,型号和规格也不统一.通常只能按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类. (1)按点数和功能分类 可编程控制器用于对外部设备的控制,外部信号的输入及PLC运算结果的输出都要通过PLC输入,输出端子来进行接线,输入输出端子的数目之和被称作PLC的输入,输出点数,简称I/O点数. 为满足不同控制系统处理信息量的需求,PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储量和控制功能.由I/O点数的多少可将PLC分成小型,中型和大型. 小型PLC的I/O点数小于256点,以开关量控制为主,具有体积小,价格低的优点.适合小型设备的控制. 中型PLC的I/O点数在256—1024之间,功能比较丰富,兼有开关量和模拟量的控制能力,适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程控制. 大型PLC的I/O点数在1024点以上,用于大规模过程控制,集散式控制和工厂自动化网络. 各厂家可编程控制器产品的自我定义的大、中、小各有不同.如有的厂家建议小型PLC为512点一下,中型PLC为512—2048点,大型PLC在2048点以上. (2)按结构形式分类 根据结构形式不同,可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类. 小型PLC一般采用整体式结构,即将所有电路安装于1个箱内为基本单元,另外可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元. 中型以上PLC多采用模块式,不同功能的模块,可以组成不同用途的PLC,适用于不同要求的控制系统. (3)按用途分类 根据可编程控制器的用途,PLC可分为通用性和专用型两大类. 通用型PLC作为标准装置,可供各类工业控制系统选用. 专用型PLC是专门为某类控制系统设计的,由于其专用,结构设计更为合理,控制性能更完善. 随着可编程控制器应用的逐步普及,专为家庭自动化设计的超小型PLC也正在形成家用微型系列. 1.2.2 PLC的特点 PLC能如此迅速发展,除了工业自动化的客观需求外,还因为他具有许多独特的优点.他较好得解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题.以下是其主要特点:(1)可靠性高、抗干扰能力强;(2)编程简单使用方便;(3)接线简单通用性好;(4)可连接为控制网络系统;(5)维修工作量小,维修方便;(6)体积小、耗能低. (1)硬件的可靠及抗干扰能力 可编程控制是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置.它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点.特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,受到用户的青睐.因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业的三大支柱之一.一个设计良好的PLC能用于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中. PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成.各部分之间通过内部系统总线进行连接.CPU是PLC的核心部分,由它实现逻辑运算,协调控制系统内部各部分的工作,它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的.PLC的对外功能主要是通过各类接口模块,实现对工业设备和生产过程的检测和控制.PLC的电源一般采用开关电源,其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好.一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行. (2)编程简单,使用方便 用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识. PLC采用面向控制过程、面向问题的"自然语言"编程,容易掌握.例如,目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受,易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便. (3)接线简单,通用性好 PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接.接线简单、工作最少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦.PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的"接线网络",这样生产线的自动化过程就能随意改变.这种性能使PLC具有很高的经济效益. 用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用. (4)可连接为控制网络系统 PLC可连成功能很强的网络系统.网络可分为两类:一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为500—2500m;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M—10Mbps,传输距离为500—1000m,网上结点可达1024个.这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络. (5)易于安装,便于维护 PLC安装简单而且功能有效,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器系统改换到PLC系统的情况下,PLC小型模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端,其实改换很方便,只要将输入/输出设备连向接线端即可. 在大型安装中,长距离输入/输出站点安放在最优地点.长距离站通过同轴电缆双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间. 从一开始,PLC便以易维护作为设计目标.由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障. PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分.一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性. 1.3 PLC的工作原理 PLC具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同.微机一般采用等待命令的工作方式.PLC则采用循环扫描工作方式.在PLC中,用户程序按先后顺序存放,CPU从第一条指令开始执行程序,直至遇到结束符后又返回第一条.如此周而复始不断循环.每一个循环称为一个扫描周期. 所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取,将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器,同时将新的运算结果送到输出端.这实际是将输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新,故称为"I(输入)/O(输出) 刷新" . 由此可见,若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化,或者说输出输入产生了响应.反之,若在本次I/O刷新之后,输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期间输出才会产生响应.由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响.扫描周期的长短主要取决于这几个因数:一是CPU执行指令的速度,二是每条指令占用的时间,三是指令条数的多少,即程序的长短. 对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力.因为干扰常是脉冲式的、短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少,故增加了抗干扰能力. 但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统,这一问题就需慎重考虑.应对响应时做出精确的计算,精心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响. 1.4 PLC的编程语言 PLC为用户提供了完整的编程语言,以适应编制用户程序的需要.PLC提供的编程语言通常有以下几种:梯形图、指令表、功能图和功能块图. (1)梯形图(LAD) 梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的.PLC梯形图与继电器控制系统的基本思想是一致的,只是在使用符号和表达方式上有一定区别.梯形图的一个关键概念是"能流"(Power Flow).如果有"能流"从左至右流向线圈,则线圈被激励.如没有,则线圈未被激励."能流"以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流."能流"在任何时候都不会通过接点自右向左流. 在梯形图中,触点代表逻辑"输入"条件,如开关、按钮、内部条件等;线圈通常代表逻辑"输出"结果,如灯、电机接触器、中间继电器等.对S7—200 的PLC来说,还有一种输出"盒",它代表附加的指令,如定时器、计数器和功能指令等. 梯形图语言简单明了,易于理解,是所有编程语言的首选. (2)指令表(STL) 指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言,它是可编程控制器最基础的编程语言.所谓指令表编程,是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能. (3)顺序功能流程图(SFC) 顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法,亦称功能图.使用它可以对具有选择等复杂结构的系统进行编程,许多PLC都提供了用于SFC编程的指令. (4)功能块图(FBD) S7—200的PLC专门提供了FBD编程语言,利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令.它没有梯形图编程器中的触点和线圈,但有与之等价的指令,这些指令是作为盒指令出现的,程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定.也就是说,一个指令(例如AND盒)的输出可以允许另一条指令(例如定时器),这样可以建立所需要的控制逻辑.这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题.FBD编程语言有利于程序流的跟踪,但在目前使用较少. 在编程语言的选择上,具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程,这主要取决于以下几点: (1)有些PLC使用梯形图编程不是很方便,则可用语句表编程,但梯形图比语句表直观. (2)经验丰富的人员可用语句表直接编程,就像使用汇编语言一样. 本设计中,选择用梯形图作为编程语言. 1.5 PLC在恒温供水系统中的应用 随着科技的发展,工业控制的自动化程度不断提高,以微处理器为核心组成的可编程序控制器(PLC)得到了广泛的应用.很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制,只要把预定的控制任务编成程序,用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据各种指令,经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制. 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,在电梯行业中也迅速发展. S7—200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器.如图1.5所示.它工作可靠,功能强,存储容量大,编程方便,输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈,抗干扰能力强.因此,能够满足电梯对电气控制系统的要求.S7-200系列小型PLC(Micro PLC)可应用于各种自动化系统.紧凑的结构,低廉的成本及功能强大的指令集使得S7—200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案.利用西门子S7—200可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统.分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务. 图1.5 西门子S7-200PLC外观 PLC在恒温供水系统中应用也比较广泛.虽然单片机,DSP等微型控制器已经在恒温供水系统中崭露头角,但是作为一种编程简单,性能稳定可靠的控制器,同样也得到了很多设计者的广泛认可.PLC作为主控制器,一方面要采集水温、水深、蒸汽压力的各种输入信号,一方面输出控制水泵,保持水箱始终中有一定高度的水,一方面控制电动蒸汽阀门,控制蒸汽的给入量从而控制水温. 1.6恒温供水的发展历程 怎么才能得到我们生活所需的温水,方式方法上随着人类文明的进步也在不停的不停的进步着.在没有火种以前,人类只能依靠地热或者其他自然界的力量得到温水浴.钻木取火是人类文明的一大进步,有了火就可以加热我们的用水,才不会因为饮用不干净的水源坏肚子,很自然的人们可以用火去加热水.蒸汽革命的到来,人们知道了多余的水蒸气也可以加热水.也随着电学的起步发展,人们知道了电学的热效应,利用这一点人们发明了电加热器.电气时代的到来无疑为人类的衣食住行提供了各种方面.温水主要用于洗浴、洗衣、洗菜.锅炉的产生使得的洗浴用水多数采用蒸汽加热,然而蒸汽或者电加热很能控制其温度,开始为了节约成本,很多地方不会设置温度控制器,对水温进行实时监控.但而今恒温供水已经成为了很热门的词汇,太阳能恒温供水系统,锅炉蒸汽恒温供水系统,电热水器等等都已经实现自动控制.恒温供水一词也在我们的生活中逐渐流行开来,大到工矿企业,小到个人的住宅建筑,都体现了集中自动控制这一特点. 2 恒温供水系统的具体介绍 2.1恒温供水系统的组成 2.1.1恒温供水系统的组成及功能 现代恒温供水系统主要由水箱、水泵、电磁阀、加热器、传感器、控制器、显示器、保护器等部分组成. 水箱 :用于储存水源,同时也可以是加热的器皿. 水泵:用于加水,送水. 电磁阀:用于控制管路的通断. 加热器:可有太阳能,电能,蒸汽能等几种加热方式. 传感器有:压力传感器、温度传感器等. 控制器:PLC、单片机、DSP等可编程控制器. 显示器:液晶、或者简单的LED进行显示. 安全保护系统:保证安全供水使用,防止一切危及人身安全的事故发生.由防漏电、防过热、防溢水等保护装置组成. 2.2 恒温供水的原理 2.2.1恒温供水系统的结构原理 温供水系统主要由水箱、水泵、电磁阀、加热器、传感器、控制器、显示装置、保护器等部分组成.如图2.1所示. 图2.1 恒温供水系统结构图 2.2.2 恒温供水的工作原理 PLC作为主控制器,一方面要采集水温、水深、蒸汽压力的各种输入信号,一方面输出控制水泵,保持水箱始终中有一定高度的水,一方面控制水泵,和加热器给入量从而控制水温. 2.3 恒温供水的PLC控制系统的功能分析 整个供水控制系统的组成由核心控制元件PLC、水箱、水泵、电磁阀、加热器、控制器、显示器、保护器等部分组成.PLC得到传感器的信息,水位过低时关闭加热器,有水时检测水温如果水温过低时,开启加热器加热,加热到设定温度时停止加热,当按键按下按钮时停止加热. 2.4 恒温供水PLC控制系统的解决思路 恒温供水系统电气部分的主要组成就是水泵,信号采集主要是靠压力传感器和温度传感器,.如何合理的设置和使用这些资源,对于解决这类问题至关重要.设计中首先要了解控制对象的特点,从而确定有关的PLC输入、输出点的选择. 对于PLC的控制,要解决的主要问题包括以下几个方面: 停止加热按扭的设置; 传感器检测; 进水、出水水泵控制; 确定控制的逻辑. 通过上述问题的分析,可以完成对所需PLC的控制点数的选择,同样作为一个逻辑控制为主的系统,需要将被控电机作为唯一的控制目标,所有的逻辑实现都是针对这一目标进行的,而对此目标的控制又分成了进水泵和出水泵还有加热器.当传感器动作时,根据监测到的上行或下行指令给出相应的信号,从而控制水泵的驱动电机进行相应的动作和控制加热器工作.当有停止加热信号到达时,执行方式为优先响应加热器停止. 3 恒温供水系统的硬件设计 3.1 控制器的选择 PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等.从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型. 整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统. 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一.例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求.对输出模块,应考虑选用的 输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合, 但价格较贵,过载能力较差.输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致. PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致.重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电.如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源.为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离. 通过上述分析,可以得出此恒温供水程序实现运行时需使用5个输入和3个输出,又对PLC机型的选择作了详细分析可得出对于电梯控制系统可以选用一些小型PLC来实现,如德国西门子S7-200系列的PLC. 3.2 各种传感器的选择 温度传感器我们可以选择稳定的PT100传感器pt100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变.PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆.它的工业原理:当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的.PT100配合电位器,经三极管放大驱动继电器应用继电器的开关量来输入PLC.同时调节电位器也起到了调节水温的作用.这样两对PT100就可以实现水温的控制.分别设置好两个电位器就可以使得PLC在两个不同的温度收到两个不同的开关量输入信号,如图3.2.同时输入继电器也对PLC起到保护作用,如果加热器漏电或着遇到过电压比如雷击,此时输入继电器可以对PLC设备起到保护作用. 图3.2 测温电路图 3.3 PLC输入输出点数的确定 通过以上分析实现控制,设计中对这一控制功能必须的信号进行设置,主要是完成PLC输入输出点数的确定. (1)输入信号 设置PLC的输入: 表3.1 控制系统输入点分配表: 序号 名称 输入点 0 停止加热 I0.0 1 水箱满 I0.1 2 水箱液面低 I0.2 3 水温达高温 I0.3 4 水温达低温 I0.4 (2)输出信号 通过以上分析可得出对输出点数的确定如表3.2所示. 表3.2 控制系统输出点分配表 序号 名称 输出点 0 进水泵工作 Q0.1 1 出水泵工作 Q0.2 2 加热器工作 Q0.3 3.4 PLC的选择 PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等.从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型. 整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统. 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一.例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求.对输出模块,应考虑选用的 输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合, 但价格较贵,过载能力较差.输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致. PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致.重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电.如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源.为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离. 通过上述分析,可以得出此恒温供水程序实现运行时需使用5个输入和3个输出,又对PLC机型的选择作了详细分析可得出对于此控制系统可以选用一些小型PLC来实现,如德国西门子S7-200系列的PLC. 3.5 PLC外部硬件电路的设计 综上分析,可设计出恒温供水控制系统的PLC配置示意图如下: 图3..3.2 PLC输出控制示意图 4 .PLC软件设计 4.1 程序流程图 以下是根据西门子S7-200系统设计的恒温供水的程序流程图(图4.1)以及梯形图(图4.2). 图4.1 程序流程图 4.2 程序梯形图 图4.2 程序梯形图 5.调试 经过连接硬件电路,用灯代替所用到的水泵和加热装置,用4个按钮代替所用到的传感器,输入程序,想一次性把程序完成是非常难的,在调试中就出现了不少的错误.刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来后来在老师的耐心指导下,调试成功,实现了该实验的自动控制要求, 6心得体会 调试失败时那时真的不知道从哪里入手,只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了.灯虽然是一亮全都亮.从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来.突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控,于是发现了在程序的第步一切都运行正常但再运行下去的时候第二步就再没有反应了,包括里面的辅助继电器,最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号.后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了.虽然找错误是一个枯燥无味的工作,但只要你耐心的去做的话,你肯定能学到有用的动西. 致谢此设计运用PLC的控制功能,实现了恒温供水系统的控制. 本毕业设计的完成,首先得感谢我的指导教师的悉心指导,在完成毕业设计的过程中,为我创造了良好的工作和学习环境,提供了很多发展机会,不仅教会我很多的专业技能,也在工作方式、治学态度上言传身教.在老师的指导与帮助下,是我的毕业设计能顺利地完成,在他孜孜不倦的教导下,我才能掌握基本的编程方法和编程思路,使我得以解决了许多困难.在软件的测试过程中,老师要求我们要不断的测试,不断的发现问题,研究问题,然后解决问题,做到精益求精,这种严谨的科研态度让我受益终身,对我以后的工作和学习都有很大的指导意义,在此向指导老师表示衷心的感谢!同时感谢所有曾经教导过我、帮助过我的老师,正是因为他们多年来孜孜不倦的教诲才使得我的专业技能有很大的提高.同时,感谢同学们在学业上的的帮助,也感谢他们在毕业设计中给予我的帮助.最后,感谢学校的支持. 参考文献 [1]王兆义编著.可编程控制器教程.可编程控制器教程.北京.机械工业出版社,2001 [2]1胡汉文 张鑫主编 《电气控制与PLC》案例教程 [3]林小峰编著.可编程控制器原理及应用.北京.高等教育出版社,1991 [4]弭洪涛主编《PLC应用技术》, [5]王整风 谢云敏主编?《可编程控制器原理与实践教程》 [6]西门子(中国)有限公司.S7-200可编程器系统手册.2005. 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设计任务书 设计题目: 恒温供水系统的PLC控制设计 设计要求: 恒温供水系统,其设计内容包含交流鼠笼式异步电动机的控制,加热器的控制,液面的控制,传感器的测量与连接方式.当页面低于设计页面时不能加热水箱里的水,起到防干烧效果.当水温低于设定温度范围内开始加热,水温达到设定值的最大值时停止加热,整个系统要保持水箱里的水是恒温系统设有停止加热键,当按下停止加热键时,加热器强制停止加热. 设计进度要求: 第一周:确定题目,查阅资料. 第二周:根据设计要求分析恒温供水系统的工作原理. 第三周:深入工矿企业,家庭恒温供水场合进行调研. 第四周:对硬件进行设计. 第五周:对软件进行设计. 第六周:进行调试,找出问题,改进设计. 第七周:撰写论文,准备答辩. 指导教师(签名) 摘要随着我国经济的高速发展,自动控制技术也得到了迅猛发展,而水暖设施已经成为人类生活中必不可少的的一项基础设施.本文利用西门子S7-200可编程控制器编写的一个恒温供水的控制系统,实现温水自动化不间断提供,温度可控.该设计主要分析并叙述了PLC的特点,并加以在恒温供水系统中得到应用. 温水供应主要有以下几种方式:太阳能水暖设施、燃气水暖设施、锅炉蒸汽或者电加热水暖设施,但这些主要靠人工调节水温,不加入可编程控制器都不能实现自动控制水温,不能长时间维持供水.由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点.自80年代后期PLC引入我国电气行业以来,由PLC组成的电梯控制系统被许多电梯制造厂家普遍采用.在传统继电器系统的改造工程中,PLC系统一直是主流控制系统.为了提高供水稳定性,本设计采用PLC来控制恒温供水,它为我们生活所提供的便利大到工矿企业、小到普通家庭.本文就是详细介绍PLC的特点及整个设计过程. 关键词:控制系统,恒温供水,PLC,PT100 目录摘要II 1 概述21.1 可编程控制器(PLC)的产生及定义 2 1.2 PLC的分类及特点 3 1.3 PLC的工作原理 6 1.4 PLC的编程语言 7 1.5 PLC在恒温供水系统中的应用 8 1.6恒温供水的发展历程 9 2.1恒温供水系统的组成 10 2.2 恒温供水的原理 10 2.3 恒温供水的PLC控制系统的功能分析 11 2.4 恒温供水PLC控制系统的解决思路 11 3 恒温供水系统的硬件设计 12 3.1 控制器的选择 12 3.2 各种传感器的选择 12 3.3 PLC输入输出点数的确定 13 3.4 PLC的选择 14 3.5 PLC外部硬件电路的设计 15 4 .PLC软件设计 16 4.1 程序流程图 16 4.2 程序梯形图 17 5.调试 17 6心得体会 17 致谢18 参考文献 19 1 概述1.1 可编程控制器(PLC)的产生及定义 1.1.1 可编程控制器(PLC)的产生 上世纪60年代,计算机技术已开始应用于工业控制了.但是由于计算机本身的复杂性,编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因,未能在工业控制中得到广泛应用,当时的工业控制,主要还是以继电器、接触器组成的控制系统. 自动控制装置的研究,是为了最大限度的满足人们及机械设备的要求.曾一度在控制领域占主导地位的继电器控制系统,存在着控制能力弱,可靠性低的缺点,并且设备的固定接线控制装置不利于产品的更新换代.20世纪60年代末期,在技术浪潮的冲击下,为使汽车结构及外型不断改进,品种不断增加,需要经常变更生产工艺.这就希望在控制成本的前提下,尽可能缩短产品的更新换代周期,以满足生产的需求,使企业在激烈的市场竞争中取胜.美国通用汽车公司(GM)1986年提出了汽车装配生产线改造项目控制器的十项指标,即新一代控制器应具备的10项指标: (1)编程简单,可在现场修改和调试程序; (2)维护方便,采用插入式模块结构; (3)可靠性高于继电器控制系统; (4)体积小于继电器控制柜; (5)能与管理中心计算机系统进行通信; (6)成本可与继电器控制系统相竞争; (7)输入量是115V交流电压(美国电网电压110); (8)输出量是115V,输出电流在2A,能直接驱动电磁阀; (9)系统扩展时,原系统只需作很小改动; (10)用户程序存储器容量至少4KB. 1969年,美国数字设备公司(DEC)首先研制出第一台符合要求的控制器,及可编程逻辑控制器,并在美国GE公司的汽车自动装置上试用成功.此后,这项研究技术迅速发展,从美国、日本、欧洲普及到全世界.我国从1976年开始研制,1977年应用于工业控制.目前世界上已有数百家厂商生产可编程控制器,型号多达数百种. 1.1.2 可编程控制器(PLC)的定义 IEC在1987年对可编程控制器(PLC)下的定义是: 可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计;它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑计算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令;并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.可编程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、易于扩充其功能的原则设计. 由上述定义可见,PLC是工业专用计算机 ,这种计算机采用面向用户的指令,因而编程方便.它能完成"逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作",还具有"数字量,模拟量输入/输出控制"的能力.并且容易与"工业控制系统连为一体",易于扩充.因而可以说PLC是近乎理想的工业控制计算机. 1.2 PLC的分类及特点 1.2.1 PLC的分类 目前,可编程控制器(PLC)产品种类很多,型号和规格也不统一.通常只能按照其用途、功能、结构、点数等进行大致分类. (1)按点数和功能分类 可编程控制器用于对外部设备的控制,外部信号的输入及PLC运算结果的输出都要通过PLC输入,输出端子来进行接线,输入输出端子的数目之和被称作PLC的输入,输出点数,简称I/O点数. 为满足不同控制系统处理信息量的需求,PLC具有不同的I/O点数、用户程序存储量和控制功能.由I/O点数的多少可将PLC分成小型,中型和大型. 小型PLC的I/O点数小于256点,以开关量控制为主,具有体积小,价格低的优点.适合小型设备的控制. 中型PLC的I/O点数在256—1024之间,功能比较丰富,兼有开关量和模拟量的控制能力,适用于较复杂的逻辑控制和闭环过程控制. 大型PLC的I/O点数在1024点以上,用于大规模过程控制,集散式控制和工厂自动化网络. 各厂家可编程控制器产品的自我定义的大、中、小各有不同.如有的厂家建议小型PLC为512点一下,中型PLC为512—2048点,大型PLC在2048点以上. (2)按结构形式分类 根据结构形式不同,可编程逻辑控制器可分为整体式和模块式结构两大类. 小型PLC一般采用整体式结构,即将所有电路安装于1个箱内为基本单元,另外可以通过并行接口电路连接I/O扩展单元. 中型以上PLC多采用模块式,不同功能的模块,可以组成不同用途的PLC,适用于不同要求的控制系统. (3)按用途分类 根据可编程控制器的用途,PLC可分为通用性和专用型两大类. 通用型PLC作为标准装置,可供各类工业控制系统选用. 专用型PLC是专门为某类控制系统设计的,由于其专用,结构设计更为合理,控制性能更完善. 随着可编程控制器应用的逐步普及,专为家庭自动化设计的超小型PLC也正在形成家用微型系列. 1.2.2 PLC的特点 PLC能如此迅速发展,除了工业自动化的客观需求外,还因为他具有许多独特的优点.他较好得解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题.以下是其主要特点:(1)可靠性高、抗干扰能力强;(2)编程简单使用方便;(3)接线简单通用性好;(4)可连接为控制网络系统;(5)维修工作量小,维修方便;(6)体积小、耗能低. (1)硬件的可靠及抗干扰能力 可编程控制是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动控制系统和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置.它具有体积小、功能强、灵活通用与维修方便等一系列的优点.特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力,受到用户的青睐.因而在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用,成为了现代工业的三大支柱之一.一个设计良好的PLC能用于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的环境中. PLC的硬件系统由主机系统、输入输出扩展部件及外部设备组成.各部分之间通过内部系统总线进行连接.CPU是PLC的核心部分,由它实现逻辑运算,协调控制系统内部各部分的工作,它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的.PLC的对外功能主要是通过各类接口模块,实现对工业设备和生产过程的检测和控制.PLC的电源一般采用开关电源,其特点是输入电压范围宽、体积小、质量轻、效率高、抗干扰性能好.一旦某模块出现故障,进行在线插拔、调试时不会影响各机的正常运行. (2)编程简单,使用方便 用微机实现自动控制,常使用汇编语言编程,难于掌握,要求使用者具有一定水平的计算机硬件和软件知识. PLC采用面向控制过程、面向问题的"自然语言"编程,容易掌握.例如,目前大多数PLC均采用的梯形图语言编程方式,既继承了传统控制线路的清晰直观感,又顾及了大多数电气技术人员的读图习惯及应用微机的水平很容易被电气技术人员所接受,易于编程,程序改变时也容易修改,很灵活方便. (3)接线简单,通用性好 PLC的接线只需将输入信号的设备(按钮、开关等)与PLC输入端子连接,将接受输出信号执行控制任务的执行元件(接触器、电磁阀等)与PLC输出端子连接.接线简单、工作最少,省去了传统的继电器控制系统接线和拆线的麻烦.PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的"接线网络",这样生产线的自动化过程就能随意改变.这种性能使PLC具有很高的经济效益. 用于连接现场设备的硬件接口实际上是PLC的组成部分,模块化的自诊断接口电路能指出故障,并易于排除故障与替换故障部件,这样的软硬件设计就使现场电气人员与技术人员易于使用. (4)可连接为控制网络系统 PLC可连成功能很强的网络系统.网络可分为两类:一类是低速网络,采用主从方式通信,传输速率从几千波特到上万波特,传输距离为500—2500m;另一类为高速网络,采用令牌传送方式通信,传输速率为1M—10Mbps,传输距离为500—1000m,网上结点可达1024个.这两类网络可以级连,网上可兼容不同类型的可编程控制器和计算机,从而组成控制范围很大的局部网络. (5)易于安装,便于维护 PLC安装简单而且功能有效,其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间的一半的地方,在从继电器系统改换到PLC系统的情况下,PLC小型模块结构使之能安装在继电器附近并将连线向已有接线端,其实改换很方便,只要将输入/输出设备连向接线端即可. 在大型安装中,长距离输入/输出站点安放在最优地点.长距离站通过同轴电缆双扭线连向CPU,这种配置大大减少了物料和劳力,长距离子系统方法也意味着系统不同部分可在到达安装场地前由PLC制造商预先连好线,这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间. 从一开始,PLC便以易维护作为设计目标.由于几乎所有器件都是固态的,维护时只需更换模块级插入式部件,故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中,就能指示是否正常工作,借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF,还可写编程指令来报告故障. PLC的这些及其它特性使之成为任何一个控制系统的有益部分.一旦安装后,其作用立即显现,其收益也马上实现,向其他智能设备一样,PLC的潜在优点还取决于应用时的创造性. 1.3 PLC的工作原理 PLC具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同.微机一般采用等待命令的工作方式.PLC则采用循环扫描工作方式.在PLC中,用户程序按先后顺序存放,CPU从第一条指令开始执行程序,直至遇到结束符后又返回第一条.如此周而复始不断循环.每一个循环称为一个扫描周期. 所谓I/O刷新即对PLC的输入进行一次读取,将输入端各变量的状态重新读入PLC中存入内部寄存器,同时将新的运算结果送到输出端.这实际是将输入、输出状态的寄存器内容进行了一次更新,故称为"I(输入)/O(输出) 刷新" . 由此可见,若输入变量在I/O刷新期间状态发生变化,则本次扫描期间输出端也会相应的发生变化,或者说输出输入产生了响应.反之,若在本次I/O刷新之后,输入变量才发生变化,则本次扫描输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期间输出才会产生响应.由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对输入的响应速度要受扫描周期的影响.扫描周期的长短主要取决于这几个因数:一是CPU执行指令的速度,二是每条指令占用的时间,三是指令条数的多少,即程序的长短. 对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力.因为干扰常是脉冲式的、短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少,故增加了抗干扰能力. 但对控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统,这一问题就需慎重考虑.应对响应时做出精确的计算,精心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽可能减少周期造成的响应延时等的不良影响. 1.4 PLC的编程语言 PLC为用户提供了完整的编程语言,以适应编制用户程序的需要.PLC提供的编程语言通常有以下几种:梯形图、指令表、功能图和功能块图. (1)梯形图(LAD) 梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的.PLC梯形图与继电器控制系统的基本思想是一致的,只是在使用符号和表达方式上有一定区别.梯形图的一个关键概念是"能流"(Power Flow).如果有"能流"从左至右流向线圈,则线圈被激励.如没有,则线圈未被激励."能流"以通过被激励(ON)的常开接点和未被激励(OFF)的常闭接点自左向右流."能流"在任何时候都不会通过接点自右向左流. 在梯形图中,触点代表逻辑"输入"条件,如开关、按钮、内部条件等;线圈通常代表逻辑"输出"结果,如灯、电机接触器、中间继电器等.对S7—200 的PLC来说,还有一种输出"盒",它代表附加的指令,如定时器、计数器和功能指令等. 梯形图语言简单明了,易于理解,是所有编程语言的首选. (2)指令表(STL) 指令表(STL)编程语言类似于计算机中的助记符语言,它是可编程控制器最基础的编程语言.所谓指令表编程,是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制器的某种操作功能. (3)顺序功能流程图(SFC) 顺序功能流程图(SFC)编程是一种图形化的编程方法,亦称功能图.使用它可以对具有选择等复杂结构的系统进行编程,许多PLC都提供了用于SFC编程的指令. (4)功能块图(FBD) S7—200的PLC专门提供了FBD编程语言,利用FBD可以查看到像普通逻辑门图形的逻辑盒指令.它没有梯形图编程器中的触点和线圈,但有与之等价的指令,这些指令是作为盒指令出现的,程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定.也就是说,一个指令(例如AND盒)的输出可以允许另一条指令(例如定时器),这样可以建立所需要的控制逻辑.这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题.FBD编程语言有利于程序流的跟踪,但在目前使用较少. 在编程语言的选择上,具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程,这主要取决于以下几点: (1)有些PLC使用梯形图编程不是很方便,则可用语句表编程,但梯形图比语句表直观. (2)经验丰富的人员可用语句表直接编程,就像使用汇编语言一样. 本设计中,选择用梯形图作为编程语言. 1.5 PLC在恒温供水系统中的应用 随着科技的发展,工业控制的自动化程度不断提高,以微处理器为核心组成的可编程序控制器(PLC)得到了广泛的应用.很多工厂的生产流水线、加工设备、船舶上货物的装卸装置、电梯的运行等都由PLC控制,只要把预定的控制任务编成程序,用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据各种指令,经过模拟量、数字量等输入输出部件对生产过程和设备进行控制. 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,在电梯行业中也迅速发展. S7—200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种新型可编程控制器.如图1.5所示.它工作可靠,功能强,存储容量大,编程方便,输出端可直接驱动2A的继电器或接触器的线圈,抗干扰能力强.因此,能够满足电梯对电气控制系统的要求.S7-200系列小型PLC(Micro PLC)可应用于各种自动化系统.紧凑的结构,低廉的成本及功能强大的指令集使得S7—200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案.利用西门子S7—200可编程序控制器编写一个四层电梯的控制系统.分别完成轿内指令、厅外召唤指令、楼层位置指示、平层换速控制、开门控制等控制任务. 图1.5 西门子S7-200PLC外观 PLC在恒温供水系统中应用也比较广泛.虽然单片机,DSP等微型控制器已经在恒温供水系统中崭露头角,但是作为一种编程简单,性能稳定可靠的控制器,同样也得到了很多设计者的广泛认可.PLC作为主控制器,一方面要采集水温、水深、蒸汽压力的各种输入信号,一方面输出控制水泵,保持水箱始终中有一定高度的水,一方面控制电动蒸汽阀门,控制蒸汽的给入量从而控制水温. 1.6恒温供水的发展历程 怎么才能得到我们生活所需的温水,方式方法上随着人类文明的进步也在不停的不停的进步着.在没有火种以前,人类只能依靠地热或者其他自然界的力量得到温水浴.钻木取火是人类文明的一大进步,有了火就可以加热我们的用水,才不会因为饮用不干净的水源坏肚子,很自然的人们可以用火去加热水.蒸汽革命的到来,人们知道了多余的水蒸气也可以加热水.也随着电学的起步发展,人们知道了电学的热效应,利用这一点人们发明了电加热器.电气时代的到来无疑为人类的衣食住行提供了各种方面.温水主要用于洗浴、洗衣、洗菜.锅炉的产生使得的洗浴用水多数采用蒸汽加热,然而蒸汽或者电加热很能控制其温度,开始为了节约成本,很多地方不会设置温度控制器,对水温进行实时监控.但而今恒温供水已经成为了很热门的词汇,太阳能恒温供水系统,锅炉蒸汽恒温供水系统,电热水器等等都已经实现自动控制.恒温供水一词也在我们的生活中逐渐流行开来,大到工矿企业,小到个人的住宅建筑,都体现了集中自动控制这一特点. 2 恒温供水系统的具体介绍 2.1恒温供水系统的组成 2.1.1恒温供水系统的组成及功能 现代恒温供水系统主要由水箱、水泵、电磁阀、加热器、传感器、控制器、显示器、保护器等部分组成. 水箱 :用于储存水源,同时也可以是加热的器皿. 水泵:用于加水,送水. 电磁阀:用于控制管路的通断. 加热器:可有太阳能,电能,蒸汽能等几种加热方式. 传感器有:压力传感器、温度传感器等. 控制器:PLC、单片机、DSP等可编程控制器. 显示器:液晶、或者简单的LED进行显示. 安全保护系统:保证安全供水使用,防止一切危及人身安全的事故发生.由防漏电、防过热、防溢水等保护装置组成. 2.2 恒温供水的原理 2.2.1恒温供水系统的结构原理 温供水系统主要由水箱、水泵、电磁阀、加热器、传感器、控制器、显示装置、保护器等部分组成.如图2.1所示. 图2.1 恒温供水系统结构图 2.2.2 恒温供水的工作原理 PLC作为主控制器,一方面要采集水温、水深、蒸汽压力的各种输入信号,一方面输出控制水泵,保持水箱始终中有一定高度的水,一方面控制水泵,和加热器给入量从而控制水温. 2.3 恒温供水的PLC控制系统的功能分析 整个供水控制系统的组成由核心控制元件PLC、水箱、水泵、电磁阀、加热器、控制器、显示器、保护器等部分组成.PLC得到传感器的信息,水位过低时关闭加热器,有水时检测水温如果水温过低时,开启加热器加热,加热到设定温度时停止加热,当按键按下按钮时停止加热. 2.4 恒温供水PLC控制系统的解决思路 恒温供水系统电气部分的主要组成就是水泵,信号采集主要是靠压力传感器和温度传感器,.如何合理的设置和使用这些资源,对于解决这类问题至关重要.设计中首先要了解控制对象的特点,从而确定有关的PLC输入、输出点的选择. 对于PLC的控制,要解决的主要问题包括以下几个方面: 停止加热按扭的设置; 传感器检测; 进水、出水水泵控制; 确定控制的逻辑. 通过上述问题的分析,可以完成对所需PLC的控制点数的选择,同样作为一个逻辑控制为主的系统,需要将被控电机作为唯一的控制目标,所有的逻辑实现都是针对这一目标进行的,而对此目标的控制又分成了进水泵和出水泵还有加热器.当传感器动作时,根据监测到的上行或下行指令给出相应的信号,从而控制水泵的驱动电机进行相应的动作和控制加热器工作.当有停止加热信号到达时,执行方式为优先响应加热器停止. 3 恒温供水系统的硬件设计 3.1 控制器的选择 PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等.从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型. 整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统. 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一.例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求.对输出模块,应考虑选用的 输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合, 但价格较贵,过载能力较差.输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致. PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致.重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电.如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源.为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离. 通过上述分析,可以得出此恒温供水程序实现运行时需使用5个输入和3个输出,又对PLC机型的选择作了详细分析可得出对于电梯控制系统可以选用一些小型PLC来实现,如德国西门子S7-200系列的PLC. 3.2 各种传感器的选择 温度传感器我们可以选择稳定的PT100传感器pt100是铂热电阻,它的阻值会随着温度的变化而改变.PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆.它的工业原理:当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的.PT100配合电位器,经三极管放大驱动继电器应用继电器的开关量来输入PLC.同时调节电位器也起到了调节水温的作用.这样两对PT100就可以实现水温的控制.分别设置好两个电位器就可以使得PLC在两个不同的温度收到两个不同的开关量输入信号,如图3.2.同时输入继电器也对PLC起到保护作用,如果加热器漏电或着遇到过电压比如雷击,此时输入继电器可以对PLC设备起到保护作用. 图3.2 测温电路图 3.3 PLC输入输出点数的确定 通过以上分析实现控制,设计中对这一控制功能必须的信号进行设置,主要是完成PLC输入输出点数的确定. (1)输入信号 设置PLC的输入: 表3.1 控制系统输入点分配表: 序号 名称 输入点 0 停止加热 I0.0 1 水箱满 I0.1 2 水箱液面低 I0.2 3 水温达高温 I0.3 4 水温达低温 I0.4 (2)输出信号 通过以上分析可得出对输出点数的确定如表3.2所示. 表3.2 控制系统输出点分配表 序号 名称 输出点 0 进水泵工作 Q0.1 1 出水泵工作 Q0.2 2 加热器工作 Q0.3 3.4 PLC的选择 PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等.从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型. 整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统. 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一.例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求.对输出模块,应考虑选用的 输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合, 但价格较贵,过载能力较差.输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致. PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致.重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电.如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源.为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离. 通过上述分析,可以得出此恒温供水程序实现运行时需使用5个输入和3个输出,又对PLC机型的选择作了详细分析可得出对于此控制系统可以选用一些小型PLC来实现,如德国西门子S7-200系列的PLC. 3.5 PLC外部硬件电路的设计 综上分析,可设计出恒温供水控制系统的PLC配置示意图如下: 图3..3.2 PLC输出控制示意图 4 .PLC软件设计 4.1 程序流程图 以下是根据西门子S7-200系统设计的恒温供水的程序流程图(图4.1)以及梯形图(图4.2). 图4.1 程序流程图 4.2 程序梯形图 图4.2 程序梯形图 5.调试 经过连接硬件电路,用灯代替所用到的水泵和加热装置,用4个按钮代替所用到的传感器,输入程序,想一次性把程序完成是非常难的,在调试中就出现了不少的错误.刚开始的时候把程序写进去然后运行却发现有些灯亮不起来后来在老师的耐心指导下,调试成功,实现了该实验的自动控制要求, 6心得体会 调试失败时那时真的不知道从哪里入手,只好一条一条地检查才发现了一条指令把常闭写成了输出真正的输出口就没有收到信号了.灯虽然是一亮全都亮.从梯形图又仔细的看了一次却看不出什么问题出来.突然想起来编程器还可以进行监控于是再在运行的同时进行监控,于是发现了在程序的第步一切都运行正常但再运行下去的时候第二步就再没有反应了,包括里面的辅助继电器,最后发现原来是程序前面没有并上完成这个循环的继电器号.后来就这样把加上其他功能出现的错误也找出来了.虽然找错误是一个枯燥无味的工作,但只要你耐心的去做的话,你肯定能学到有用的动西. 致谢此设计运用PLC的控制功能,实现了恒温供水系统的控制. 本毕业设计的完成,首先得感谢我的指导教师的悉心指导,在完成毕业设计的过程中,为我创造了良好的工作和学习环境,提供了很多发展机会,不仅教会我很多的专业技能,也在工作方式、治学态度上言传身教.在老师的指导与帮助下,是我的毕业设计能顺利地完成,在他孜孜不倦的教导下,我才能掌握基本的编程方法和编程思路,使我得以解决了许多困难.在软件的测试过程中,老师要求我们要不断的测试,不断的发现问题,研究问题,然后解决问题,做到精益求精,这种严谨的科研态度让我受益终身,对我以后的工作和学习都有很大的指导意义,在此向指导老师表示衷心的感谢!同时感谢所有曾经教导过我、帮助过我的老师,正是因为他们多年来孜孜不倦的教诲才使得我的专业技能有很大的提高.同时,感谢同学们在学业上的的帮助,也感谢他们在毕业设计中给予我的帮助.最后,感谢学校的支持. 参考文献 [1]王兆义编著.可编程控制器教程.可编程控制器教程.北京.机械工业出版社,2001 [2]1胡汉文 张鑫主编 《电气控制与PLC》案例教程 [3]林小峰编著.可编程控制器原理及应用.北京.高等教育出版社,1991 [4]弭洪涛主编《PLC应用技术》, [5]王整风 谢云敏主编?《可编程控制器原理与实践教程》 [6]西门子(中国)有限公司.S7-200可编程器系统手册.2005. 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