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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
畢業(yè)生姓名
：
張帆
專(zhuān)業(yè)
：
機(jī)械電子工程
學(xué)號(hào)
：
180533020
指導(dǎo)教師
：
劉愛(ài)萍
所屬系（部）
：
機(jī)械電子工程系
二〇二〇年五月
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（指導(dǎo)教師）評(píng)閱書(shū)
題目： 豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)
機(jī)械電子工程系 機(jī)械電子工程 專(zhuān)業(yè) 姓名 張帆
設(shè)計(jì)時(shí)間： 年 月 日~ 年 月 日
評(píng)閱意見(jiàn)：
成績(jī)：
指導(dǎo)教師： （簽字）
職 務(wù)：
2020年 月 日
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（同行教師）評(píng)閱書(shū)
題目： 豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)
機(jī)械電子工程 系 機(jī)械電子工程 專(zhuān)業(yè) 姓名 張帆
設(shè)計(jì)時(shí)間： 年 月 日~ 年 月 日
評(píng)閱意見(jiàn)：
評(píng)分內(nèi)容
具體要求
分值
得分
說(shuō)明書(shū)工作量
字?jǐn)?shù)2.5萬(wàn)字以上得20分；2萬(wàn)字以上，不足2.5萬(wàn)字得15分；2萬(wàn)字以下的10分。
20
圖紙工作量
圖紙折合4張A0及以上得20分；不足4張A0，達(dá)3張以上，得15分；3張以下得10分。
20
說(shuō)明書(shū)質(zhì)量
內(nèi)容完整，裝訂順序正確，結(jié)構(gòu)合理，文字通順；目錄、字體、字號(hào)、行距等符合要求，公式、插圖、表格使用合理；文獻(xiàn)翻譯質(zhì)量、篇幅符合規(guī)定要求。存在0—2處錯(cuò)誤得30分；3—5處錯(cuò)誤得20分；5處以上得15分。
30
圖紙質(zhì)量
圖紙組成元素完整，表達(dá)方式合理，圖框、標(biāo)題欄、線型、線寬及字體字號(hào)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。存在0—2處錯(cuò)誤得30分；3—5處錯(cuò)誤得20分；5處以上得15分。
30
總分（百分制）
100
成績(jī)：
評(píng)閱教師： ?。ê炞郑?
職 務(wù)：
2020年 月 日 山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定表
機(jī)械電子工程 系 機(jī)械電子工程 專(zhuān)業(yè) 姓名 張帆
答 辯 內(nèi) 容
問(wèn)題摘要
答辯情況
記錄員： （簽名）
成 績(jī) 評(píng) 定
指導(dǎo)教師成績(jī)
評(píng)閱教師成績(jī)
答辯組評(píng)定成績(jī)
綜合成績(jī)
注：評(píng)定成績(jī)?yōu)?00分制，指導(dǎo)教師為20%，評(píng)閱教師為30%，答辯組為50%。
專(zhuān)業(yè)答辯組組長(zhǎng)： （簽名）
2020年 月 日
豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)
摘 要
本設(shè)計(jì)是豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)，采用西門(mén)子公司的S7-200小型PLC為控制核心，外加組態(tài)軟件MCGS為上位機(jī)，結(jié)合各種傳感器（例如水位傳感器，壓力傳感器，溫度傳感器，流量傳感器等），通過(guò)三臺(tái)水泵完成排水自動(dòng)控制。首先分析控制要求，進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，選擇了PLC，設(shè)計(jì)了主電路和控制電路，分配了PLC的輸入和輸出，設(shè)計(jì)了PLC的輸入和輸出接線圖，然后進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，編制了控制程序流程圖，編寫(xiě)了梯形圖和語(yǔ)句表程序，最后使用MCGS進(jìn)行了組態(tài)設(shè)計(jì)，監(jiān)控排水系統(tǒng)運(yùn)行情況，進(jìn)行報(bào)警處理、參數(shù)設(shè)定、報(bào)表處理、實(shí)時(shí)和歷史曲線顯示、實(shí)時(shí)和歷史報(bào)表查詢(xún)等，做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。
關(guān)鍵詞：排水；梯形圖；組態(tài)軟件
PLC Control and Configuration of Fengyu Coal Mine Drainage Control System
Abstract
This design is the PLC control and configuration of Fengyu coal mine drainage control system, using S7-200 Small PLC of Siemens company as the control core, plus configuration software MCGS as the upper computer, combined with various sensors (such as water level sensor, pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, etc.), through three pumps to complete the drainage automatic control. First, the control requirements are analyzed, the overall design is carried out, then the hardware design is carried out, the PLC is selected, the main circuit and control circuit are designed, the input and output of PLC are allocated, the input and output wiring diagram of PLC is designed, then the software design is carried out, the control program flow chart is compiled, the ladder diagram and statement table program are compiled, and finally the configuration design is carried out with MCGs, Monitor the operation of the drainage system, carry out alarm processing, parameter setting, report processing, real-time and historical curve display, real-time and historical report query, etc., so as to find out the fault in time and deal with it as soon as possible.
Key words: drainage; ladder diagram; configuration software
ii
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
1 緒論 1
1.1 選題依據(jù)及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究 1
1.3 具體工作要求 2
1.3.1 軟件分析和編寫(xiě) 2
1.3.2 硬件電路設(shè)計(jì) 2
2 可編程序控制器（PLC）的概況 3
2.1 PLC的產(chǎn)生和特點(diǎn)及其發(fā)展動(dòng)向 3
2.1.1 PLC的產(chǎn)生 3
2.1.2 PLC的定義 4
2.1.3 PLC的特點(diǎn) 4
2.1.4 PLC的發(fā)展趨勢(shì) 6
2.2 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理 7
2.2.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7
2.2.2 PLC的基本工作原理 9
2.2.3 PLC的主要功能 10
2.2.4 PLC 的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟 11
3 總體設(shè)計(jì) 12
3.1 控制分析 12
3.2 方案設(shè)計(jì) 12
4 硬件設(shè)計(jì) 14
4.1電路設(shè)計(jì) 14
4.1.1主電路設(shè)計(jì) 14
4.1.2 控制電路圖 16
4.2 PLC接線圖 17
4.3 硬件選型 19
4.3.1 PLC型號(hào)的選擇 19
4.3.2 壓力傳感器選型 19
4.3.3 流量傳感器 21
4.3.4 中間繼電器選型 22
4.3.5 水泵 23
4.3.6 交流接觸器選型 24
4.3.7 熱繼電器選型 25
4.3.8 按鈕開(kāi)關(guān)選型 26
4.3.9 電源指示燈選型 27
4.4 PLC I/O表 28
4.5 電器清單 29
4.6 儀表電源箱 30
4.7其他 31
4.7.1母線系統(tǒng) 31
4.7.2現(xiàn)場(chǎng)I/O箱 31
4.7.3端子 32
5 程序設(shè)計(jì) 33
5.1編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 33
5.1.1 STEP7-Micro/WIN簡(jiǎn)單介紹 33
5.1.2 梯形圖語(yǔ)言特點(diǎn) 34
5.1.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 35
5.2 控制流程圖 37
5.3 PLC梯形圖程序 39
6 組態(tài)設(shè)計(jì) 50
6.1 通訊定義 50
6.2 變量連接 51
6.3 組態(tài)畫(huà)面 53
7 系統(tǒng)測(cè)試和仿真 56
結(jié) 論 63
參考文獻(xiàn) 64
外文文獻(xiàn) 66
英文原文 66
中文譯文 76
致 謝 84
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
1 緒論
1.1 選題依據(jù)及意義
近年隨著城市化進(jìn)程的加快，城市人口急劇增多，國(guó)內(nèi)各大城市的小區(qū)均面臨著巨大的壓力，小區(qū)排水系統(tǒng)是小區(qū)給排水及防災(zāi)系統(tǒng)的主要設(shè)施之一。及時(shí)排放小區(qū)內(nèi)部的積水，對(duì)整個(gè)的排水設(shè)備、自動(dòng)扶梯、公共區(qū)照明等小區(qū)設(shè)備進(jìn)行全面且有效的自動(dòng)化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于高效、節(jié)能、可靠的最佳運(yùn)行狀態(tài)，創(chuàng)造一個(gè)舒適的地下環(huán)境。并能在火災(zāi)等災(zāi)害或阻塞事故狀態(tài)下，更好地協(xié)調(diào)小區(qū)設(shè)備的運(yùn)行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用，保證住戶(hù)的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。?
排水系統(tǒng)包括消防用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。消防用水利用城市現(xiàn)有設(shè)施排入城市雨水系統(tǒng)，生活污水及廁所沖洗水經(jīng)化糞池處理后排入城市污水系統(tǒng)。
目前，PLC在國(guó)內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在排水系統(tǒng)中，采用PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高，因此采用PLC進(jìn)行排水有一定的實(shí)際意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究
隨著采礦工程發(fā)展，隨之產(chǎn)生井下排水系統(tǒng)。隨現(xiàn)代控制理論和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使得自動(dòng)排水系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上的研究取得了很大的進(jìn)展。
目前國(guó)內(nèi)外的研究工作，主要是針對(duì)井下排水控制系統(tǒng)的可靠性、環(huán)保節(jié)能性，以及管道長(zhǎng)期的維護(hù)、清理，以及井下水的質(zhì)量對(duì)排水設(shè)備造成的影響，大量研究注重優(yōu)化排水方案、改造排水設(shè)備及巷道合理布置方面、細(xì)化的進(jìn)行研究。而現(xiàn)在的所有礦用產(chǎn)品都必須防爆送檢及煤安認(rèn)證，煤礦安全要求越來(lái)越高，對(duì)煤礦井下水的監(jiān)控要求也逐漸提升，而具有高準(zhǔn)確性，高可靠性的新型檢測(cè)傳感器也迫切的需要研發(fā)及生產(chǎn)。
井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，排水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著井下積水排除的重要任務(wù)。當(dāng)前，我國(guó)的井下排水系統(tǒng)很多還是依靠傳統(tǒng)的人工操作方式。
1.3 具體工作要求
1.3.1 軟件分析和編寫(xiě)
（1）選擇合適的PLC為西門(mén)子S7-200PLC。
（2）分析傳感器轉(zhuǎn)換器的精度、量程和轉(zhuǎn)換速度是否滿足需求，掌握輸出電壓的計(jì)算公式并編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。
（3）設(shè)計(jì)PLC程序的編寫(xiě)。
（4）根據(jù)課題需要，選出屬于本課題的硬件。
1.3.2 硬件電路設(shè)計(jì)
（1）掌握CAD制圖軟件的使用方法，并且繪制出完整的原理圖。
（2）查閱各元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，掌握元器件的各引腳功能及其封裝尺寸，根據(jù)課題需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制電路。
2 可編程序控制器（PLC）的概況
2.1 PLC的產(chǎn)生和特點(diǎn)及其發(fā)展動(dòng)向
2.1.1 PLC的產(chǎn)生
20世紀(jì)20年代起，人們把各種繼電器、定時(shí)器、接觸器及其觸點(diǎn)按一定的邏輯關(guān)系連接起來(lái)組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機(jī)械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易掌握、價(jià)格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，可靠性差，動(dòng)作速度慢，功能少，難與實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r(shí)，原有的接線和控制盤(pán)就要更換，所以通用性和靈活性較差。
20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)的汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車(chē)型號(hào)不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對(duì)整個(gè)開(kāi)展系統(tǒng)重新配置.為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求，1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司公開(kāi)向社會(huì)招標(biāo)，對(duì)汽車(chē)流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來(lái)是：
1. 編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序
2. 維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)
3. 可靠性高于繼電器控制裝置
4. 體積小于繼電器控制盤(pán)
5. 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī)
6. 成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng)
7. 輸入可以是交流150V以上
8. 輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等
9. 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小
10. 用戶(hù)存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)張到4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車(chē)裝配過(guò)程的需要）
11. 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。
2.1.2 PLC的定義
美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1987年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
定義強(qiáng)調(diào)了PLC應(yīng)直接應(yīng)用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。這也是區(qū)別與一般微機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。
定義還強(qiáng)調(diào)了PLC是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計(jì)算機(jī)，它是“專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的”工業(yè)計(jì)算機(jī)。這種工業(yè)計(jì)算機(jī)采用“面向用戶(hù)的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，它還具有“數(shù)字量和模擬量輸入和輸出”的能力，并且非常容易與“工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一體”，易于“擴(kuò)充”。
2.1.3 PLC的特點(diǎn)
1.抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好
PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì)耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。具體措施主要有以下幾個(gè)方面：
（1） 隔離：這是抗干擾的主要措施之一。PLC的輸入、輸出接口電路一般采用光電耦合器來(lái)傳遞信號(hào)。這種光電隔離措施，使外部電路與內(nèi)部電路之間避免了電的聯(lián)系，可有效的抑制外部干擾源對(duì)于PLC的影響，同時(shí)防止外部高電壓串入，從而減少故障和誤操作。
（2） 濾波：這是抗干擾的另一個(gè)主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設(shè)置了多種濾波電路，用以對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制。
（3） 對(duì)內(nèi)部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護(hù)等措施，以減少外界干擾，保護(hù)供電質(zhì)量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨(dú)立，以避免電源之間的干擾。
（4） 內(nèi)部設(shè)置了連鎖、環(huán)境檢測(cè)與診斷、watchdog（“看門(mén)狗”）等電路，一旦發(fā)現(xiàn)故障或程序循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過(guò)了警戒時(shí)鐘（WDT）規(guī)定時(shí)間（預(yù)示程序進(jìn)入了死循環(huán)），立即報(bào)警，以保證CPU可靠運(yùn)行。
（5） 利用系統(tǒng)軟件定期進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶(hù)程序、工作環(huán)境和故障檢測(cè)，并采用信息保護(hù)和恢復(fù)措施。
（6） 對(duì)用戶(hù)程序及動(dòng)態(tài)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行電池備份，以保障停電后有關(guān)狀態(tài)或信息不丟失。
（7） 采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)工作現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
（8） 以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過(guò)程不依賴(lài)于機(jī)械觸點(diǎn)，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作循環(huán)方式，也提高了抗干擾能力。
2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)
PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。
3.編程方便，易于使用
PLC是面向用戶(hù)的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類(lèi)似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。
4.功能完善
PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。
5.設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短
用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫(huà)出電氣原理圖，然后畫(huà)出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來(lái)十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。
6.體積小，維護(hù)操作方便
PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
7.易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化
PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
8.可實(shí)現(xiàn)三電一體化
PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過(guò)程控制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。
2.1.4 PLC的發(fā)展趨勢(shì)
PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1.向小型化、專(zhuān)用化、低成本方向發(fā)展
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價(jià)格，使PLC結(jié)構(gòu)更為緊湊，相當(dāng)與一本精裝本書(shū)的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來(lái)大、中型PLC才有的功能部分地移植到小型PLC上。
2.向大容量、高速度方向發(fā)展
大型PLC采用多微處理器系統(tǒng)，有的采用了32位微處理器，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理的功能。另外，存儲(chǔ)容量大大增加。
3.智能型I/O模塊的發(fā)展
智能型I/O模塊是以微處理器和存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時(shí)間很少，有利于提高PLC的掃描速度。
4.基于PC的編程軟件取代編程器
隨著計(jì)算機(jī)的日益普及，越來(lái)越多的用戶(hù)使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的編程軟件。編程軟件可以對(duì)PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設(shè)置硬件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，例如設(shè)置各框架各個(gè)插槽上模塊的型號(hào)、模塊的參數(shù)、各串行通行接口的參數(shù)等。
5.PLC編程語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化
與個(gè)人計(jì)算機(jī)相比，PLC的硬件、軟件的體系結(jié)構(gòu)都是封閉的而不是開(kāi)放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語(yǔ)言和指令系統(tǒng)的功能和表達(dá)式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。為了解決這一問(wèn)題，IEC制定了可遍程序控制器標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中共有5種編程語(yǔ)言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語(yǔ)言，這使編程能夠選擇不同的語(yǔ)言來(lái)適應(yīng)特殊的工作。
6.PLC通信的易用化
PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能使它能與個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他智能控制設(shè)備交換數(shù)字信息，使系統(tǒng)形成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中控制。
7.組態(tài)軟件與PLC的軟件化
個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的價(jià)格便宜，有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、通信和人機(jī)交互的功能。
8.PLC與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合
現(xiàn)場(chǎng)總線I/O與PLC可以組成功能強(qiáng)大的、廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。
9.開(kāi)發(fā)新型特殊功能模塊
I/O組件可以提高PLC的智能化、高密集度和增大處理能力。
10.CPU的處理速度進(jìn)一步加快
目前，PLC的處理速度與計(jì)算機(jī)相比還比較慢，其高的CPU也不過(guò)80486，將來(lái)會(huì)全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進(jìn)行處理、分時(shí)處理或分任務(wù)處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門(mén)陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達(dá)到納秒級(jí)。
2.2 PLC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理
2.2.1 PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
目前PLC種類(lèi)繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲(chǔ)器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。由此可見(jiàn)，PLC的基本結(jié)構(gòu)有控制部分輸入和輸出組成。其中PLC各部分的作用如下：
1.中央處理器
CPU是由控制器和運(yùn)算器組成的。運(yùn)算器也稱(chēng)為算術(shù)邏輯單元，它的功能就是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€(gè)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下：
（1） 診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。
（2） 采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的寄存器中。
（3） 按用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，進(jìn)行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作。
（4） 將存于寄存器中的處理結(jié)果送至輸出端。
（5） 應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請(qǐng)求。
2.存儲(chǔ)器
PLC的存儲(chǔ)器分為兩大部分：
一大部分是系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。
二大部分是用戶(hù)存儲(chǔ)器，包括用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。
3.輸入輸出接口電路
PLC通過(guò)輸入輸出（I/O）接口電路實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備的連接。輸入接口通過(guò)PLC的輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。
4.電源
PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源電路或電源模塊。
5.輸入輸出I/O擴(kuò)展接口
若主機(jī)單元的I/O點(diǎn)數(shù)不能滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)需要時(shí)，可通過(guò)此接口用扁平電纜線將I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)單元相連接。
2.2.2 PLC的基本工作原理
PLC采用的是循環(huán)掃描工作方式。對(duì)每個(gè)程序，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶(hù)程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。
1.輸入刷新階段
在輸入刷新階段，CPU掃描全部輸入端口，讀取其狀態(tài)并寫(xiě)入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。
2.程序執(zhí)行階段
在程序執(zhí)行階段，根據(jù)用戶(hù)輸入的控制程序，從第一條開(kāi)始逐條執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)算結(jié)果存入對(duì)應(yīng)的內(nèi)部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。
3.輸出刷新階段
當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路，并通過(guò)一定輸出方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實(shí)際輸出。
顯然掃描周期的長(zhǎng)短主要取決與程序的長(zhǎng)短。掃描周期越長(zhǎng)，響應(yīng)速度越慢。由于每一個(gè)掃描周期只進(jìn)行一次I/O刷新，即每一個(gè)掃描周期PLC只對(duì)輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現(xiàn)象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由此可見(jiàn)，若輸入變量在I/O刷新期間狀態(tài)發(fā)生變化，則本次掃描期間輸出會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。反之，若在本次刷新之后輸入變量才發(fā)生變化，則本次掃描輸出不變，而要到下一次掃描的I/O刷新期間輸出才會(huì)發(fā)生變化。這對(duì)于一般的開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全允許的，不但不會(huì)造成不利影響，反而可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因?yàn)檩斎氩蓸觾H在輸入刷新階段進(jìn)行，PLC在一個(gè)工作周期的大部分時(shí)間里實(shí)際上是外設(shè)隔離的。而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾常常是脈沖式的、短時(shí)的，由于系統(tǒng)響應(yīng)較慢，往往要幾個(gè)掃描周期才響應(yīng)一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會(huì)大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對(duì)于控制時(shí)間要求較嚴(yán)格、響應(yīng)速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時(shí)采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應(yīng)滯后等不良影響。
2.2.3 PLC的主要功能
1.條件控制功能
條件控制（或稱(chēng)邏輯控制或順序控制）功能是指用PLC的與、或、非指令取代繼電器接觸的串聯(lián)、并聯(lián)極其他各種邏輯連接，進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。
2.定時(shí)/記數(shù)控制功能
定時(shí)/記數(shù)控制功能指用PLC提供的定時(shí)器、記數(shù)器指令實(shí)現(xiàn)對(duì)某種操作的定時(shí)或記數(shù)控制，以取代時(shí)間繼電器和記數(shù)繼電器。
3.數(shù)據(jù)處理功能
數(shù)據(jù)處理功能是指PLC能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送、比較、移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及編碼和譯碼等操作。
4.步進(jìn)控制功能
步進(jìn)控制功能是指用步進(jìn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進(jìn)行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構(gòu)成的步進(jìn)控制器。
5.A/D與D/A轉(zhuǎn)換功能
A/D與D/A轉(zhuǎn)換功能是指通過(guò)A/D、D/A模塊完成模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。
6.運(yùn)動(dòng)控制功能
運(yùn)動(dòng)控制功能是指通過(guò)高速記數(shù)模塊和位置控制模塊等進(jìn)行單軸或多軸運(yùn)動(dòng)控制。
7.過(guò)程控制功能
過(guò)程控制功能是指通過(guò)PLC的PID控制指令或模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、速度、流量等物理參數(shù)的閉環(huán)控制。
8.擴(kuò)展功能
擴(kuò)展功能是指通過(guò)連接輸入輸出擴(kuò)展單元（即I/O擴(kuò)展單元）模塊來(lái)增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)，也可通過(guò)附加各種智能單元及特殊功能單元來(lái)提高PLC的控制功能。
9.遠(yuǎn)程I/O功能
遠(yuǎn)程I/O功能是指通過(guò)I/O單元將分散在遠(yuǎn)距離的各種輸入、輸出設(shè)備與PLC主機(jī)相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，接收輸入信號(hào)、傳出輸出信號(hào)。
10.通信聯(lián)網(wǎng)功能
通信聯(lián)網(wǎng)功能是指通過(guò)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)、PLC與上位機(jī)的鏈接等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O控制或數(shù)據(jù)交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復(fù)雜控制。
11.監(jiān)控功能
監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進(jìn)行狀態(tài)和進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報(bào)警和記錄，甚至自動(dòng)終止運(yùn)行；也可在線調(diào)整、修改控制程序中的定時(shí)器、記數(shù)器等設(shè)定值或強(qiáng)制I/O狀態(tài)。
2.2.4 PLC 的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟
PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來(lái)體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時(shí)間將用在軟件設(shè)計(jì)，即程序設(shè)計(jì)上。PLC程序設(shè)計(jì)可遵循以下六步進(jìn)行：
1. 確定被控系統(tǒng)必須完成的動(dòng)作及完成這些動(dòng)作的順序。
2. 分配輸入輸出設(shè)備即確定哪些外圍設(shè)備是送信號(hào)到PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來(lái)自PLC信號(hào)的。并將PLC的輸入輸出口與之進(jìn)行分配。
3. 設(shè)計(jì)PLC程序畫(huà)出梯形圖。梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。
4. 實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)PLC的梯形圖的直接編程。
5. 對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試（模擬和現(xiàn)場(chǎng)）。
6. 保存已完成的程序。
顯然，在建立一個(gè)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來(lái)，然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進(jìn)行編程的第二步---分配輸入輸出設(shè)備。在分配了PLC的輸入輸出點(diǎn)，內(nèi)部輔助繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器之后，就可以設(shè)計(jì)PLC程序畫(huà)出梯形圖。在畫(huà)梯形圖時(shí)要注意每個(gè)從左邊開(kāi)始的邏輯行必須終止于一個(gè)繼電器線圈或定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，與實(shí)際的電路圖不一樣。梯形圖畫(huà)好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計(jì)算機(jī)并下裝到PLC進(jìn)行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。
3 總體設(shè)計(jì)
3.1 控制分析
控制系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示，共有3臺(tái)水泵進(jìn)行礦井排水，分別為1號(hào)水泵，2號(hào)水泵，3號(hào)水泵。其中1號(hào)，2號(hào)水泵是工作水泵，3號(hào)水泵是備用水泵。
通過(guò)超聲波液位傳感器檢測(cè)水位，根據(jù)水位情況控制1號(hào)水泵，2號(hào)水泵運(yùn)行。
水位低時(shí)，不啟動(dòng)水泵運(yùn)行。水位低于高水位，高于中水位，啟動(dòng)1號(hào)水泵運(yùn)行。水位高于設(shè)定高水位，啟動(dòng)1號(hào)水泵和2號(hào)水泵。水泵3是備用水泵，當(dāng)1號(hào)或者2號(hào)水泵故障時(shí)，當(dāng)需要啟動(dòng)1號(hào)或者2號(hào)水泵時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)3號(hào)水泵。
圖3-1 控制系統(tǒng)示意圖
3.2 方案設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)方框圖如圖3-2所示，外部的啟動(dòng)、停止按鈕接PLC的輸入，用于啟動(dòng)和停止系統(tǒng)。外部的急停開(kāi)關(guān)接PLC的輸入，用于發(fā)生緊急情況，按下急停開(kāi)題，緊急停止系統(tǒng)，并進(jìn)行報(bào)警。外部的自動(dòng)手動(dòng)模式選擇開(kāi)關(guān)接PLC的輸入，用于選擇自動(dòng)和手動(dòng)模式。選擇手動(dòng)模式時(shí)，通過(guò)外部的手動(dòng)按鈕單獨(dú)啟動(dòng)和停止各泵。外部的各手動(dòng)啟動(dòng)按鈕和停止按鈕接PLC的輸入，用于選擇手動(dòng)模式，單獨(dú)手動(dòng)啟動(dòng)和停止各泵。外部的泵1、2、3電機(jī)過(guò)載信號(hào)接PLC的輸入，用于檢測(cè)泵1、2、3電機(jī)故障，停止相應(yīng)的電機(jī)，泵1、2故障則自動(dòng)啟動(dòng)備用泵3運(yùn)行。
PLC輸出的泵1主接觸器控制繼電器，PLC通過(guò)控制繼電器線圈得電，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，泵1主接觸器線圈得電，泵1主接觸器常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，為啟動(dòng)泵1提供380V電源做準(zhǔn)備。同樣的，PLC輸出接泵1星啟動(dòng)繼電器，通過(guò)繼電器控制接觸器，控制泵1星啟動(dòng)。其他的泵1三角運(yùn)行，泵2主接觸器、泵2星啟動(dòng)、泵2三角運(yùn)行、泵3運(yùn)行等都是通過(guò)PLC控制繼電器，然后繼電器控制接觸器，然后控制電機(jī)。PLC輸出接自動(dòng)運(yùn)行指示燈，故障指示燈，泵1、2、3運(yùn)行指示燈，泵1、2、3故障指示燈，用于狀態(tài)顯示。
超聲液位傳感器加變送器將液位信號(hào)轉(zhuǎn)成0-10V的電壓信號(hào)，接PLC的模擬量輸入，得到0到32000的整數(shù)，經(jīng)PLC處理得到液位，然后PLC根據(jù)液位實(shí)時(shí)值和設(shè)定值，控制泵1、2、3運(yùn)行，進(jìn)行排水。
PLC
模擬量輸入
模擬量輸入：超聲波液位
數(shù)字量輸入：?jiǎn)?dòng)，停止，急停，自動(dòng)手動(dòng)，手動(dòng)開(kāi)關(guān)，泵電機(jī)故障反饋
數(shù)字量輸出：泵1主接觸器、星啟動(dòng)，三角運(yùn)行；泵2主接觸器、星啟動(dòng)，三角運(yùn)行；泵3啟動(dòng)；自動(dòng)運(yùn)行指示燈，故障指示燈，泵1、2、3運(yùn)行指示燈，泵1、2、3故障指示燈
圖3-2 控制系統(tǒng)方框圖
4 硬件設(shè)計(jì)
4.1電路設(shè)計(jì)
4.1.1主電路設(shè)計(jì)
電路圖以各種圖形、符號(hào)和突顯等形式來(lái)表示電路系統(tǒng)中各電器設(shè)備、裝置、元器件的相互連接關(guān)系。電路圖是聯(lián)系電路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修人員的工程語(yǔ)言，能正確、熟練的識(shí)讀電路圖是從業(yè)人員必備的基本技能。
電路控制系統(tǒng)是由若干電器元件按照一定要求連接而成，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備或裝置的某種控制目的。為了便于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析研究、安裝調(diào)試、使用維護(hù)以及技術(shù)交流，就需要將控制系統(tǒng)中的各電器元件及其相互連接關(guān)系用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)表達(dá)，這個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)就是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)--。用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法表示電路控制系統(tǒng)的控制關(guān)系就稱(chēng)為電路控制系統(tǒng)圖，從而進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)等。
設(shè)計(jì)的主電路如下頁(yè)圖4-1所示，380V交流電接L1，L2，L2，L3，N，PE，其中L1，L2，L3是3相火線，N是零線，PE是接地線。QF1是總的電源開(kāi)關(guān)，起到通斷礦井排水系統(tǒng)電源作用。
M1為1號(hào)水泵電機(jī)，驅(qū)動(dòng)1號(hào)水泵排水。QF2是1號(hào)水泵電機(jī)斷路器，通斷1號(hào)水泵電機(jī)電源，KM1是1號(hào)水泵主接觸器，KM2是1號(hào)水泵電機(jī)星啟動(dòng)接觸器，KM3是1號(hào)水泵電機(jī)三角運(yùn)行接觸器，F(xiàn)R1為1號(hào)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)作用的熱繼電器，用于保護(hù)1號(hào)水泵電機(jī)，防止1號(hào)水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行，燒毀1號(hào)水泵電機(jī)。
同樣的，M2為2號(hào)水泵電機(jī)，驅(qū)動(dòng)2號(hào)水泵進(jìn)行排水。QF3是2號(hào)水泵電機(jī)斷路器，通斷2號(hào)水泵電機(jī)電源，KM4是2號(hào)水泵主接觸器，KM5是2號(hào)水泵星啟動(dòng)接觸器，KM6是2號(hào)水泵三角運(yùn)行接觸器，F(xiàn)R2為2號(hào)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)作用的熱繼電器，用于保護(hù)2號(hào)水泵電機(jī)，防止2號(hào)水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行，燒毀2號(hào)水泵電機(jī)。
同樣的，M3為3號(hào)水泵電機(jī)，驅(qū)動(dòng)3號(hào)水泵進(jìn)行排水。QF4是3號(hào)水泵電機(jī)斷路器，通斷3號(hào)水泵電機(jī)電源，KM7是3號(hào)水泵電機(jī)啟動(dòng)接觸器，F(xiàn)R3為3號(hào)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)作用的熱繼電器，用于保護(hù)3號(hào)水泵電機(jī)，防止3號(hào)水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載運(yùn)行，燒毀3號(hào)水泵電機(jī)。
圖4-1 主電路圖
4.1.2 控制電路圖
控制電路如圖4-2所示，220V交流電接L，N，為控制電路提供交流電源。QF5是控制電路斷路器，F(xiàn)U1是控制電路熔斷器，起到短路過(guò)流保護(hù)作用。
A1是直流開(kāi)關(guān)電源，將220V交流電轉(zhuǎn)換成24V直流電，為PLC的輸入和輸出提供直流24V電源，為模擬量輸入模塊EM231提供24V直流電源。
KM1是1號(hào)泵主接觸器，KA1是1號(hào)泵主接觸器控制繼電器，起到隔離PLC和較高電源的作用，PLC控制KA1線圈得電，KA1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM1線圈得電，KM1常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，為1號(hào)泵提供電源，為1號(hào)泵運(yùn)行做好準(zhǔn)備。
圖4-2 控制電路圖
KM2是1號(hào)泵星啟動(dòng)接觸器，KA2是1號(hào)泵星啟動(dòng)繼電器， PLC通過(guò)控制KA2線圈得電，KA2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM2線圈得電，KM2常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，1號(hào)泵執(zhí)行星啟動(dòng)。
KM3是1號(hào)泵三角運(yùn)行接觸器，KA3是1號(hào)泵三角運(yùn)行繼電器， PLC通過(guò)控制KA3線圈得電，KA3常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM3線圈得電，KM3常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，1號(hào)泵執(zhí)行三角運(yùn)行。
同樣的，KM4是2號(hào)泵主接觸器，KA4是2號(hào)泵主接觸器控制繼電器，PLC通過(guò)控制KA4線圈得電，KA4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM4線圈得電，KM4常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，為2號(hào)泵提供電源，為2號(hào)泵運(yùn)行做好準(zhǔn)備。
同樣的，KM5是2號(hào)泵星啟動(dòng)接觸器，KA5是2號(hào)泵星啟動(dòng)繼電器， PLC通過(guò)控制KA5線圈得電，KA5常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM5線圈得電，KM5常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，2號(hào)泵執(zhí)行星啟動(dòng)。
同樣的，KM6是2號(hào)泵三角運(yùn)行接觸器，KA6是2號(hào)泵三角運(yùn)行繼電器， PLC通過(guò)控制KA6線圈得電，KA6常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM6線圈得電，KM6常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，2號(hào)泵執(zhí)行三角運(yùn)行。
同樣的，KM7是3號(hào)泵啟動(dòng)接觸器，KA7是3號(hào)泵啟動(dòng)繼電器， PLC通過(guò)控制KA7線圈得電，KA7常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM7線圈得電，KM7常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)3號(hào)泵執(zhí)行排水。
4.2 PLC接線圖
PLC接線圖又稱(chēng)為PLC的硬件接線圖，就是將PLC的輸入、輸出端與控制系統(tǒng)中的按鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈以及其它輸入、輸出設(shè)備連線圖畫(huà)出來(lái)。與其它控制電路圖一樣，只不過(guò)PLC作為其中的一器件而已。PLC輸入和輸出接線圖如圖4-3所示，220V交流電接PLC的L，N，為PLC提供220V交流工作電源。24V直流電接PLC的輸入1M，2M和輸入公共端，為PLC輸入提供直流電源。24V直流電接PLC輸出的1L，2L，3L，4L和輸出公共端，為PLC輸出提供24V直流電源，繼電器KA1到KA7都是直流線圈，有一組常開(kāi)觸點(diǎn)。指示燈HL1到HL8都是24V直流指示燈。24V直流電接模擬量輸入模塊EM231的L+和M，為EM231提供24V直流電。超聲液位傳感器加變送器輸出0-10V電壓信號(hào)接EM231的A+和A-，通過(guò)AIW0實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井水位。
圖4-3 PLC 輸入/輸出接線圖
4.3 硬件選型
4.3.1 PLC型號(hào)的選擇
此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)；26K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器；2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；I/O端子排可以很容易地整體拆卸，用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合以上特點(diǎn)，SIMATIC S7-200 CPU226完全可以作為本系統(tǒng)的主機(jī)。
CPU226可擴(kuò)展7個(gè)模塊，而其本身具有24輸入/16輸出共40點(diǎn)數(shù)字量，因此已無(wú)須數(shù)字量擴(kuò)展模塊。但由于有路模擬量輸入，故需選擇模擬量輸入模塊。S7-200系列提供了EM231、EM232、EM235等模擬量擴(kuò)展模塊。
圖 4-4 PLC實(shí)物圖
4.3.2 壓力傳感器選型
本文的壓力傳感器為例，所涉及的概念適用于各種壓力傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。?
FOX-CON公司生產(chǎn)的主流壓力傳感器是一種單片壓阻器件，該器件具有3類(lèi)：?
???? 1.?基本的或未加補(bǔ)償標(biāo)定；?
?? ??2.?有標(biāo)定并進(jìn)行溫度補(bǔ)償；?
? ???3.?有標(biāo)定、補(bǔ)償和放大。?
???? 偏移量、范圍標(biāo)定以及溫度補(bǔ)償均可以通過(guò)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，這種薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)在封裝過(guò)程中采用激光修正。?
???? 該傳感器通常與微控制器結(jié)合使用，而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數(shù)學(xué)模型。微控制器讀取了輸出電壓后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換，該模型可以將電壓量轉(zhuǎn)換為壓力測(cè)量值。?
根據(jù)壓力控制的要求，本文的壓力傳感器美國(guó)公司FOX-CON型號(hào)為r-12的產(chǎn)品，該款傳感器不僅測(cè)量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響等特點(diǎn)。其外觀如下圖4-5所示：
圖4-5 r-12型壓力傳感器實(shí)物圖
該傳感器的主要性能指標(biāo)如下：
1．壓力檢測(cè)范圍：0～2MPA；測(cè)量精度：±0.3MPA
2．工作電壓：10～28V DC；
3．輸出信號(hào)：4～20mA。
4.3.3 流量傳感器
流量傳感器產(chǎn)品內(nèi)部包含一個(gè)近紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光敏接收器。發(fā)光二極管所發(fā)出的光被導(dǎo)入傳感器頂部的透鏡。當(dāng)氣體浸沒(méi)光電流量開(kāi)關(guān)的透鏡時(shí)，則光折射到氣體中，從而使接收器收不到或只能接收到少量光線。流量傳感器通過(guò)感應(yīng)這一工況變化，接收器可以驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的電氣開(kāi)關(guān)，從而啟動(dòng)外部報(bào)警或控制電路。如果沒(méi)有氣體流過(guò)，則發(fā)光二極管發(fā)出的光直接從透鏡反射回接收器。
根據(jù)流量控制的要求，本文的流量傳感器國(guó)產(chǎn)翔恩公司型號(hào)為XE26F的產(chǎn)品，該款傳感器不僅測(cè)量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對(duì)環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響等特點(diǎn)。其外觀如下圖4-6所示：
圖4-6 XE26F型液位傳感器實(shí)物圖
該傳感器的主要性能指標(biāo)如下：
1．液位檢測(cè)范圍：0～50M3/MIN；測(cè)量精度：±0.3M3
2．工作電壓：10～28V DC；
3．輸出信號(hào)：4～20mA。
4.3.4 中間繼電器選型
中間繼電器選型主要參數(shù)：極數(shù)（觸點(diǎn)對(duì)數(shù)），線圈電壓，額定電流，底座，帶燈不帶燈。
根據(jù)以上幾點(diǎn)我們根據(jù)歐姆龍?zhí)峁┑膮?shù)如下幾點(diǎn)選型：?
（1）MY系列? 10萬(wàn)次到60萬(wàn)次。常用線圈電壓?AC200/220/240V?DC24V?。
有1P，2P，3P，4P（2P，4P為常用）。1，2，3P為5A，4P的為3A。型號(hào)帶N為帶燈型（LED）。
（2）帶燈型的貴一點(diǎn)。LED顏色：AC紅，DC綠。線圈AC規(guī)格：線圈斷線有自己診斷功能。
（3）線圈DC規(guī)格：要確認(rèn)線圈的極性，正確接線。? MY2J???2付觸點(diǎn)，額定通電電流?3A????
導(dǎo)軌安裝底座：PYF08A-E?MY4J???4付觸點(diǎn)，額定通電電流?5A????
導(dǎo)軌安裝底座：PYF14A-E?MY2NJ??2付觸點(diǎn)，額定通電電流?3A????
導(dǎo)軌安裝底座：PYF08A-E?MY4NJ??4付觸點(diǎn)，額定通電電流?5A????
導(dǎo)軌安裝底座：PYF14A-E?（2）LY系列? 比MY系列的容量更大。
常用線圈電壓?AC200/220/240V?DC24V。有1P，2P，3P，4P（2P，4P為常用）。
1P的為15A，???2P，3P，4P的為10A。型號(hào)帶N為帶燈型（LED）。帶燈型的貴一點(diǎn)。
LED顏色：AC紅，DC綠。線圈AC規(guī)格：線圈斷線有自己診斷功能。
線圈DC規(guī)格：要確認(rèn)線圈的極性，正確接線? LY2J???2付觸點(diǎn)，額定通電電流?10A????
導(dǎo)軌安裝底座：PTF08A-E?LY4J???4付觸點(diǎn)，額定通電電流?10A????
導(dǎo)軌安裝底座：PTF14A-E?
最終我們選用了PYF08A-E?MY4J+PYF08A-E?MY4NJ帶燈的小型中間繼電器作為此設(shè)備的中間繼電器。（實(shí)物如下頁(yè)圖4-7）
圖4-7 中間繼電器實(shí)物圖
4.3.5 水泵
水泵的選擇要按具體情況作具體分析，主要考慮水泵流量和水泵揚(yáng)程。首先，應(yīng)該從以下四點(diǎn)原則入手：
1、水泵的選擇應(yīng)滿足流量和揚(yáng)程的要求；
2、水泵機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行中，水泵工作點(diǎn)的效率最高；
3、水泵的選擇應(yīng)按所選的水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)設(shè)計(jì)的水泵站；
4、水泵的選擇應(yīng)選擇便于操作維修，管理費(fèi)用少。
（1）水泵的選擇要確定流量：流量=（需水總量+損失水量）/水泵工作時(shí)間需水總量很難一概而論，水泵的選擇一般損失量在需水量的5%-25%之間。水泵工作時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需要確定。
（2）水泵的選擇要確定揚(yáng)程：實(shí)際揚(yáng)程可到實(shí)地測(cè)量，即從水源水面到渠道水面或農(nóng)田面的垂直髙度。如果是江河湖泊,水源水面應(yīng)以抗旱時(shí)的枯水位為標(biāo)準(zhǔn)。
（3）水泵的選擇：在確定了流量和揚(yáng)程以后,就可以根據(jù)水泵的性能,從配套動(dòng)力功率、效率、傳動(dòng)方式和經(jīng)濟(jì)條件等方面作比較,確定選用合適的水泵類(lèi)型和型號(hào)。
（4）水泵的選擇類(lèi)型：離心泵流量小，揚(yáng)程高，適用于10米以上實(shí)際揚(yáng)程；
（5）水泵的選擇型號(hào)：水泵的選擇流量與揚(yáng)程應(yīng)與前述的確定流量和確定揚(yáng)程基本相符，且應(yīng)是效率最高、軸功率最低的。
所以綜合以上幾點(diǎn)，我們選用了國(guó)產(chǎn)光泉公司型號(hào)為A2R510型水泵。
圖4-8 A2R510型水泵實(shí)物圖
三相水泵名牌參數(shù)
1.型號(hào) A2R510；
2.電壓 380V；
3.接法 星型;
4功率 1.5kw;
5.電流 3A
6.轉(zhuǎn)速 1400r/min
7.頻率 50hz;
8.揚(yáng)程 40M
9.流量 300L/MiN
4.3.6 交流接觸器選型
根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類(lèi)選擇。交流負(fù)載應(yīng)選用交流接觸器，直流負(fù)載應(yīng)選用直流接觸器，如果控制系統(tǒng)中主要是交流負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)或直流負(fù)載的容量較小，也可都選用交流接觸器來(lái)控制，但觸點(diǎn)的額定電流應(yīng)選得大一些。
因此根據(jù)以上幾點(diǎn)分析，我們選用國(guó)產(chǎn)正泰品牌的效流接觸器，型號(hào)為CJX21210；
圖4-9 交流接觸器實(shí)物圖
4.3.7 熱繼電器選型
熱繼電器是用于電動(dòng)機(jī)或其它電氣設(shè)備、電氣線路的過(guò)載保護(hù)的保護(hù)電器。電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)隨著負(fù)載增加電流則增加，負(fù)載減小電流則減小，所以在這種過(guò)載是電動(dòng)機(jī)不能過(guò)制的。所以在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，有必要增加一個(gè)熱繼電器來(lái)保護(hù)電機(jī)。
熱繼電器的選型應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：??
1、類(lèi)型選擇?
一般情況下，可選用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器，但當(dāng)三相電壓的均衡性較差，工作環(huán)境惡劣或無(wú)人看管的電動(dòng)機(jī)，宜選用三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。對(duì)于三角形接線的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用帶斷相保護(hù)裝置的熱繼電器。?
2、熱繼電器額定電流選擇?
熱繼電器的額定電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)額定電流。然后根據(jù)該額定電流來(lái)選擇熱繼電器的型號(hào)。?
3、熱元件額定電流的選擇和整定?
熱元件的額定電流應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)額定電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流為其額定電流的6倍及啟動(dòng)時(shí)間不超過(guò)5S時(shí)，熱無(wú)件的整定電流調(diào)節(jié)到等于電動(dòng)機(jī)的額定電流；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)、拖動(dòng)沖擊性負(fù)載或不允許停車(chē)時(shí)，熱元件整定電流調(diào)節(jié)到電動(dòng)機(jī)額定電流的1.1～1.15倍。?
圖4-10 熱繼電器實(shí)物圖
4.3.8 按鈕開(kāi)關(guān)選型
停止按鈕，選擇常閉觸點(diǎn)，紅色的，按下斷開(kāi)，松開(kāi)自動(dòng)恢復(fù)，只需要一個(gè)觸點(diǎn)。選擇施耐德的，按鈕型號(hào)為XB2-BA42C Φ22金屬平頭，彈簧復(fù)位，1NC，紅色，共1個(gè)。
啟動(dòng)按鈕，選擇常開(kāi)觸點(diǎn)，綠色的，按下閉合，松開(kāi)自動(dòng)斷開(kāi)，只需要一個(gè)觸點(diǎn)?？梢赃x擇施耐德的，按鈕 XB2-BA31C Φ22金屬平頭，彈簧復(fù)位，1NO，綠色，共1個(gè)。
圖4-11 按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)物圖
4.3.9 電源指示燈選型
電源指示燈選型原則：
1、根據(jù)工藝要求選擇對(duì)應(yīng)的電源指示燈顏色；
2、根據(jù)當(dāng)前控制設(shè)備的功能選擇電源指示燈工作電壓；
綜合以上幾點(diǎn)我們選用了正泰品牌型號(hào)為ND16-22DS/2 AC/DC 24V；
4-12 電源指示燈實(shí)物圖
4.4 PLC I/O表
數(shù)字量輸入點(diǎn)地址具體如表4-13，數(shù)字量輸出地址表如表4-14。模擬量輸入地址表如表4-15。
表4-13數(shù)字量輸入點(diǎn)地址表
功能描述
內(nèi)部地址
外部編號(hào)
啟動(dòng)按鈕
I0.0
SB1
停止按鈕
I0.1
SB2
急停
I0.2
SB3
自動(dòng)手動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)
I0.3
SA1
手動(dòng)啟動(dòng)泵1
I0.4
SB4
手動(dòng)停止泵1
I0.5
SB5
手動(dòng)啟動(dòng)泵2
I0.6
SB6
手動(dòng)停止泵2
I0.7
SB7
手動(dòng)啟動(dòng)泵3
I1.0
SB8
手動(dòng)停止泵3
I1.1
SB9
泵1過(guò)載反饋
I1.2
FR1
泵2過(guò)載反饋
I1.3
FR2
泵3過(guò)載反饋
I1.4
FR3
表4-14 數(shù)字量輸出地址表
功能描述
內(nèi)部地址
外部編號(hào)
泵1主接觸器
Q0.0
KA1
泵1星啟動(dòng)
Q0.1
KA2
泵1三角運(yùn)行
Q0.2
KA3
泵2主接觸器
Q0.3
KA4
泵2星啟動(dòng)
Q0.4
KA5
表4-14續(xù)
功能描述
內(nèi)部地址
外部編號(hào)
泵2三角運(yùn)行
Q0.5
KA6
泵3啟動(dòng)