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山西工程技術學院 畢業(yè)設計說明書 畢業(yè)生姓名 ： 張帆 專業(yè) ： 機械電子工程 學號 ： 180533020 指導教師 ： 劉愛萍 所屬系（部） ： 機械電子工程系 二〇二〇年五月 山西工程技術學院 畢業(yè)設計（指導教師）評閱書 題目： 豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài) 機械電子工程系 機械電子工程 專業(yè) 姓名　張帆 　　 設計時間： 年　　月　　日~ 年　　月　　日 評閱意見： 成績： 　　　　　　　　　　　　　　　指導教師：　　　　?。ê炞郑? 　　　　　　　　　　　　　 職　　務：　　　　　 2020年 月 日 山西工程技術學院 畢業(yè)設計（同行教師）評閱書 題目：　　　豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)　　　　　　 　 　 　機械電子工程 系　機械電子工程　專業(yè) 姓名　張帆 設計時間： 年　　月　　日~ 年　　月　　日 評閱意見： 評分內容 具體要求 分值 得分 說明書工作量 字數2.5萬字以上得20分；2萬字以上，不足2.5萬字得15分；2萬字以下的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3張以上，得15分；3張以下得10分。 20 說明書質量 內容完整，裝訂順序正確，結構合理，文字通順；目錄、字體、字號、行距等符合要求，公式、插圖、表格使用合理；文獻翻譯質量、篇幅符合規(guī)定要求。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。 30 圖紙質量 圖紙組成元素完整，表達方式合理，圖框、標題欄、線型、線寬及字體字號符合相關標準。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。 30 總分（百分制） 100 成績： 　　　　　　　　　　　　　　評閱教師：　　　　?。ê炞郑? 　　　　　　　　　　　　　 職　　務：　　　　　 2020年　月　日山西工程技術學院 畢業(yè)設計答辯記錄及成績評定表 機械電子工程 系　機械電子工程 專業(yè) 姓名　張帆 答 辯 內 容 問題摘要 答辯情況 記錄員： （簽名） 成 績 評 定 指導教師成績 評閱教師成績 答辯組評定成績 綜合成績 注：評定成績?yōu)?00分制，指導教師為20%，評閱教師為30%，答辯組為50%。 專業(yè)答辯組組長： （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 本設計是豐裕煤礦排水控制系統(tǒng)PLC控制與組態(tài)，采用西門子公司的S7-200小型PLC為控制核心，外加組態(tài)軟件MCGS為上位機，結合各種傳感器（例如水位傳感器，壓力傳感器，溫度傳感器，流量傳感器等），通過三臺水泵完成排水自動控制。首先分析控制要求，進行了總體設計，然后進行了硬件設計，選擇了PLC，設計了主電路和控制電路，分配了PLC的輸入和輸出，設計了PLC的輸入和輸出接線圖，然后進行了軟件設計，編制了控制程序流程圖，編寫了梯形圖和語句表程序，最后使用MCGS進行了組態(tài)設計，監(jiān)控排水系統(tǒng)運行情況，進行報警處理、參數設定、報表處理、實時和歷史曲線顯示、實時和歷史報表查詢等，做到有故障及時發(fā)現并盡早處理。 關鍵詞：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 選題依據及意義 1 1.2 國內外現狀研究 1 1.3 具體工作要求 2 1.3.1 軟件分析和編寫 2 1.3.2 硬件電路設計 2 2 可編程序控制器（PLC）的概況 3 2.1 PLC的產生和特點及其發(fā)展動向 3 2.1.1 PLC的產生 3 2.1.2 PLC的定義 4 2.1.3 PLC的特點 4 2.1.4 PLC的發(fā)展趨勢 6 2.2 PLC 的系統(tǒng)結構和基本工作原理 7 2.2.1 PLC的系統(tǒng)結構 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 的應用設計步驟 11 3 總體設計 12 3.1 控制分析 12 3.2 方案設計 12 4 硬件設計 14 4.1電路設計 14 4.1.1主電路設計 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 按鈕開關選型 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現場I/O箱 31 4.7.3端子 32 5 程序設計 33 5.1編程軟件STEP7--Micro/WIN概述 33 5.1.1 STEP7-Micro/WIN簡單介紹 33 5.1.2 梯形圖語言特點 34 5.1.3 STEP7-Micro/WIN參數設置（通訊設置） 35 5.2 控制流程圖 37 5.3 PLC梯形圖程序 39 6 組態(tài)設計 50 6.1 通訊定義 50 6.2 變量連接 51 6.3 組態(tài)畫面 53 7 系統(tǒng)測試和仿真 56 結 論 63 參考文獻 64 外文文獻 66 英文原文 66 中文譯文 76 致 謝 84 山西工程技術學院――畢業(yè)設計說明書 1 緒論 1.1 選題依據及意義 近年隨著城市化進程的加快，城市人口急劇增多，國內各大城市的小區(qū)均面臨著巨大的壓力，小區(qū)排水系統(tǒng)是小區(qū)給排水及防災系統(tǒng)的主要設施之一。及時排放小區(qū)內部的積水，對整個的排水設備、自動扶梯、公共區(qū)照明等小區(qū)設備進行全面且有效的自動化監(jiān)控及管理，確保設備處于高效、節(jié)能、可靠的最佳運行狀態(tài)，創(chuàng)造一個舒適的地下環(huán)境。并能在火災等災害或阻塞事故狀態(tài)下，更好地協(xié)調小區(qū)設備的運行，充分發(fā)揮各種設備應有的作用，保證住戶的安全和設備的正常運行。? 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有設施排入城市雨水系統(tǒng)，生活污水及廁所沖洗水經化糞池處理后排入城市污水系統(tǒng)。 目前，PLC在國內外工業(yè)控制中已獲得廣泛應用，在排水系統(tǒng)中，采用PLC自動監(jiān)測排水系統(tǒng)的運行狀況，自動進行數據采集、自動記錄、故障報警、事故分析、多臺水泵啟動的自動切換等，所得到的動態(tài)資料準確性高，控制的可靠性高，因此采用PLC進行排水有一定的實際意義。 1.2 國內外現狀研究 隨著采礦工程發(fā)展，隨之產生井下排水系統(tǒng)。隨現代控制理論和檢測技術的發(fā)展，使得自動排水系統(tǒng)在理論和實踐上的研究取得了很大的進展。 目前國內外的研究工作，主要是針對井下排水控制系統(tǒng)的可靠性、環(huán)保節(jié)能性，以及管道長期的維護、清理，以及井下水的質量對排水設備造成的影響，大量研究注重優(yōu)化排水方案、改造排水設備及巷道合理布置方面、細化的進行研究。而現在的所有礦用產品都必須防爆送檢及煤安認證，煤礦安全要求越來越高，對煤礦井下水的監(jiān)控要求也逐漸提升，而具有高準確性，高可靠性的新型檢測傳感器也迫切的需要研發(fā)及生產。 井下排水系統(tǒng)是煤礦生產中四大系統(tǒng)之一，排水系統(tǒng)擔負著井下積水排除的重要任務。當前，我國的井下排水系統(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 （1）選擇合適的PLC為西門子S7-200PLC。 （2）分析傳感器轉換器的精度、量程和轉換速度是否滿足需求，掌握輸出電壓的計算公式并編寫數據采集應用程序。 （3）設計PLC程序的編寫。 （4）根據課題需要，選出屬于本課題的硬件。 1.3.2 硬件電路設計 （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）查閱各元器件的數據手冊，掌握元器件的各引腳功能及其封裝尺寸，根據課題需要設計系統(tǒng)的控制電路。 2 可編程序控制器（PLC）的概況 2.1 PLC的產生和特點及其發(fā)展動向 2.1.1 PLC的產生 20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng).由于它結構簡單、容易掌握、價格便宜，在一定范圍內能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領域中一直占主導地位。但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現較復雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構成的系統(tǒng)，接線復雜，當生產工藝或對象改變時，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差。 20世紀60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(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，適應白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是： 1. 編程方便，可現場修改程序 2. 維修方便，采用插件式結構 3. 可靠性高于繼電器控制裝置 4. 體積小于繼電器控制盤 5. 數據可直接送入管理計算機 6. 成本可與繼電器控制盤競爭 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，可直接驅動接觸器，電磁閥等 9. 擴展時原系統(tǒng)改變最小 10. 用戶存儲器至少能擴張到4KB（適應當時汽車裝配過程的需要） 11. 十項指標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，實現大規(guī)模生產線的流程控制。 2.1.2 PLC的定義 美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部進行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數和算術運算等功能的面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可遍程序控制器極其相關外部設備，都應按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 定義強調了PLC應直接應用與工業(yè)環(huán)境，它必須具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應能力和應用范圍。這也是區(qū)別與一般微機控制系統(tǒng)的一個重要特征。 定義還強調了PLC是“數字運算操作的電子系統(tǒng)”，他也是一種計算機，它是“專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的”工業(yè)計算機。這種工業(yè)計算機采用“面向用戶的指令”，因此編程方便。它能完成邏輯運算、順序運算、定時、記數和算術運算等操作，它還具有“數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)聯成一體”，易于“擴充”。 2.1.3 PLC的特點 1.抗干擾能力強，可靠性好 PLC在電子線路、機械結構以及軟件結構上都吸取了生產廠家長期積累的生產控制經驗，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)設計有完善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、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傳遞信號。這種光電隔離措施，使外部電路與內部電路之間避免了電的聯系，可有效的抑制外部干擾源對于PLC的影響，同時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主要措施。在PLC的電源電路和輸入/輸出電路中設置了多種濾波電路，用以對高頻干擾信號進行有效的抑制。 （3） 對內部電源還采用了屏蔽、穩(wěn)壓、保護等措施，以減少外界干擾，保護供電質量。另外使輸入輸出接口電路電源彼此獨立，以避免電源之間的干擾。 （4） 內部設置了連鎖、環(huán)境檢測與診斷、watchdog（“看門狗”）等電路，一旦發(fā)現故障或程序循環(huán)執(zhí)行時間超過了警戒時鐘（WDT）規(guī)定時間（預示程序進入了死循環(huán)），立即報警，以保證CPU可靠運行。 （5） 利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采用信息保護和恢復措施。 （6） 對用戶程序及動態(tài)工作數據進行電池備份，以保障停電后有關狀態(tài)或信息不丟失。 （7） 采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結構，以適應工作現場的惡劣環(huán)境。 （8） 以集成電路為基本元件，內部處理過程不依賴于機械觸點，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)結構簡單，通用性強 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是面向用戶的設備，PLC的設計者充分考慮到現場工程技術人員的技能和習慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現象直觀，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內學會。 4.功能完善 PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應與任何形式和性質的開關量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、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，它能夠很方便地實現延時、鎖存、比較、跳轉、和強制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術運算、數制轉換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能。 5.設計、施工、調試的周期短 用繼電接觸器控制完成一項控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進行安裝調試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結構，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到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行。 6.體積小，維護操作方便 PLC體積小，質量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 7.易于實現網絡化 PLC可連成功能很強的網絡系統(tǒng)。 8.可實現三電一體化 PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結（運動控制）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)，以適應各種工業(yè)控制的需要。 2.1.4 PLC的發(fā)展趨勢 PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現在以下幾個方面。 1.向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展 隨著微電子技術的發(fā)展，新型器件大幅度的提高功能和降低價格，使PLC結構更為緊湊，相當與一本精裝本書的大小，操作使用十分方便。PLC的功能不斷增加，將原來大、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，可同時進行多任務操作，處理速度提高，特別是增強了過程控制和數據處理的功能。另外，存儲容量大大增加。 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器為基礎的功能部件，它們的CPU與PLC的主CPU并行工作，占用主CPU的時間很少，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 隨著計算機的日益普及，越來越多的用戶使用基于個人計算機上的編程軟件。編程軟件可以對PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)，即設置硬件的結構和參數，例如設置各框架各個插槽上模塊的型號、模塊的參數、各串行通行接口的參數等。 5.PLC編程語言的標準化 與個人計算機相比，PLC的硬件、軟件的體系結構都是封閉的而不是開放的。在硬件方面，各廠家的CPU模塊和I/O模塊互不通用。PLC的編程語言和指令系統(tǒng)的功能和表達式也不一致，因此各廠家的可遍程序控制器互不兼容。為了解決這一問題，IEC制定了可遍程序控制器標準。標準中共有5種編程語言，允許編程者在同一程序中使用多種編程語言，這使編程能夠選擇不同的語言來適應特殊的工作。 6.PLC通信的易用化 PLC的通信聯網功能使它能與個人計算機和其他智能控制設備交換數字信息，使系統(tǒng)形成一個統(tǒng)一的整體，實現分散控制和集中控制。 7.組態(tài)軟件與PLC的軟件化 個人計算機（PC）的價格便宜，有很強的數學運算、數據處理、通信和人機交互的功能。 8.PLC與現場總線相結合 現場總線I/O與PLC可以組成功能強大的、廉價的DCS系統(tǒng)。 9.開發(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的處理速度進一步加快 目前，PLC的處理速度與計算機相比還比較慢，其高的CPU也不過80486，將來會全面使用64位的RISC芯片，采用多CPU進行處理、分時處理或分任務處理方式，將各種模塊智能化，部分系統(tǒng)程序用門陣列電路固化，這樣可使PLC的處理速度達到納秒級。 2.2 PLC 的系統(tǒng)結構和基本工作原理 2.2.1 PLC的系統(tǒng)結構 目前PLC種類繁多，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)控制的專用計算機，所以其結構和工作原理都大致相同，硬件結構與微機相似。主要包括中央處理單元CPU、存儲器RAM和ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴展接口、外部設備接口等。其內部也是采用總線結構來進行數據和指令的傳輸。PLC控制系統(tǒng)由輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經PLC外部輸入端子，作為PLC的輸出量對外圍設備進行各種控制。由此可見，PLC的基本結構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是由控制器和運算器組成的。運算器也稱為算術邏輯單元，它的功能就是進行算術運算和邏輯運算?？刂破鞯淖饔檬强刂普麄€計算機的各個部件有條不紊地工作，它的基本功能是從內存中取指令和執(zhí)行指令。他的重要功能如下： （1） 診斷PLC電源、內部電路的工作狀態(tài)及編制程序中的語法錯誤。 （2） 采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并送入PLC的寄存器中。 （3） 按用戶程序存儲器中存放的先后順序逐條讀取指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務完成各種運算和操作。 （4） 將存于寄存器中的處理結果送至輸出端。 （5） 應各種外部設備的工作請求。 2.存儲器 PLC的存儲器分為兩大部分： 一大部分是系統(tǒng)存儲器，用來存放系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序及其系統(tǒng)內部數據。 二大部分是用戶存儲器，包括用戶程序存儲區(qū)及工作數據存儲區(qū)。 3.輸入輸出接口電路 PLC通過輸入輸出（I/O）接口電路實現與外圍設備的連接。輸入接口通過PLC的輸入端子接受現場輸入設備的控制信號，并將這些信號轉換成CPU所能接受和處理的數字信號。 4.電源 PLC的電源是指將外部輸入的交流電經過整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸入輸出接口等內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擴展接口 若主機單元的I/O點數不能滿足輸入輸出點數需要時，可通過此接口用扁平電纜線將I/O擴展單元與主機單元相連接。 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。對每個程序，CPU從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉指令，則從則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，如此周而復始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。 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)并寫入輸入狀態(tài)寄存器。完成后關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。 2.程序執(zhí)行階段 在程序執(zhí)行階段，根據用戶輸入的控制程序，從第一條開始逐條執(zhí)行，并將相應的邏輯運算結果存入對應的內部輔助寄存器和輸出狀態(tài)寄存器。 3.輸出刷新階段 當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內容，依次送到輸出鎖存電路，并通過一定輸出方式輸出，驅動外部相應執(zhí)行元件工作，這才形成PLC的實際輸出。 顯然掃描周期的長短主要取決與程序的長短。掃描周期越長，響應速度越慢。由于每一個掃描周期只進行一次I/O刷新，即每一個掃描周期PLC只對輸入、輸出狀態(tài)寄存器更新一次，故使系統(tǒng)存在輸入、輸出滯后現象，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度。由此可見，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相應地發(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刷新期間輸出才會發(fā)生變化。這對于一般的開關量控制系統(tǒng)來說是完全允許的，不但不會造成不利影響，反而可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力。這是因為輸入采樣僅在輸入刷新階段進行，PLC在一個工作周期的大部分時間里實際上是外設隔離的。而工業(yè)現場的干擾常常是脈沖式的、短時的，由于系統(tǒng)響應較慢，往往要幾個掃描周期才響應一次，而多次掃描后，因瞬間干擾而引起的誤操作將會大大減少，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。但是對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統(tǒng)，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后等不良影響。 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、并聯極其他各種邏輯連接，進行開關控制。 2.定時/記數控制功能 定時/記數控制功能指用PLC提供的定時器、記數器指令實現對某種操作的定時或記數控制，以取代時間繼電器和記數繼電器。 3.數據處理功能 數據處理功能是指PLC能進行數據傳送、比較、移位、數制轉換、算術運算、邏輯運算以及編碼和譯碼等操作。 4.步進控制功能 步進控制功能是指用步進指令來實現在有多道加工工序的控制中，只有前一道工序完成以后，才能進行下一道工序操作的控制，以取代由硬件構成的步進控制器。 5.A/D與D/A轉換功能 A/D與D/A轉換功能是指通過A/D、D/A模塊完成模擬量和數字量之間的轉換。 6.運動控制功能 運動控制功能是指通過高速記數模塊和位置控制模塊等進行單軸或多軸運動控制。 7.過程控制功能 過程控制功能是指通過PLC的PID控制指令或模塊實現對溫度、壓力、速度、流量等物理參數的閉環(huán)控制。 8.擴展功能 擴展功能是指通過連接輸入輸出擴展單元（即I/O擴展單元）模塊來增加輸入輸出點數，也可通過附加各種智能單元及特殊功能單元來提高PLC的控制功能。 9.遠程I/O功能 遠程I/O功能是指通過I/O單元將分散在遠距離的各種輸入、輸出設備與PLC主機相連接，進行遠程控制，接收輸入信號、傳出輸出信號。 10.通信聯網功能 通信聯網功能是指通過PLC之間的聯網、PLC與上位機的鏈接等，實現遠程I/O控制或數據交換，以完成較大規(guī)模系統(tǒng)的復雜控制。 11.監(jiān)控功能 監(jiān)控功能是指PLC能監(jiān)視系統(tǒng)各部分的進行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)中出現的異常情況進行報警和記錄，甚至自動終止運行；也可在線調整、修改控制程序中的定時器、記數器等設定值或強制I/O狀態(tài)。 2.2.4 PLC 的應用設計步驟 PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來體現其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設計，即程序設計上。PLC程序設計可遵循以下六步進行： 1. 確定被控系統(tǒng)必須完成的動作及完成這些動作的順序。 2. 分配輸入輸出設備即確定哪些外圍設備是送信號到PLC，哪些外圍設備是接受來自PLC信號的。并將PLC的輸入輸出口與之進行分配。 3. 設計PLC程序畫出梯形圖。梯形圖體現了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關系。 4. 實現用計算機對PLC的梯形圖的直接編程。 5. 對程序進行調試（模擬和現場）。 6. 保存已完成的程序。 顯然，在建立一個PLC控制系統(tǒng)時，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關系。確定控制上的相互關系之后，即可進行編程的第二步---分配輸入輸出設備。在分配了PLC的輸入輸出點，內部輔助繼電器，定時器，計數器之后，就可以設計PLC程序畫出梯形圖。在畫梯形圖時要注意每個從左邊開始的邏輯行必須終止于一個繼電器線圈或定時器，計數器，與實際的電路圖不一樣。梯形圖畫好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計算機并下裝到PLC進行模擬調試，修改直至符合控制要求，這便是程序設計的整個過程。 3 總體設計 3.1 控制分析 控制系統(tǒng)示意圖如圖3-1所示，共有3臺水泵進行礦井排水，分別為1號水泵，2號水泵，3號水泵。其中1號，2號水泵是工作水泵，3號水泵是備用水泵。 通過超聲波液位傳感器檢測水位，根據水位情況控制1號水泵，2號水泵運行。 水位低時，不啟動水泵運行。水位低于高水位，高于中水位，啟動1號水泵運行。水位高于設定高水位，啟動1號水泵和2號水泵。水泵3是備用水泵，當1號或者2號水泵故障時，當需要啟動1號或者2號水泵時，自動啟動3號水泵。 圖3-1 控制系統(tǒng)示意圖 3.2 方案設計 控制系統(tǒng)方框圖如圖3-2所示，外部的啟動、停止按鈕接PLC的輸入，用于啟動和停止系統(tǒng)。外部的急停開關接PLC的輸入，用于發(fā)生緊急情況，按下急停開題，緊急停止系統(tǒng)，并進行報警。外部的自動手動模式選擇開關接PLC的輸入，用于選擇自動和手動模式。選擇手動模式時，通過外部的手動按鈕單獨啟動和停止各泵。外部的各手動啟動按鈕和停止按鈕接PLC的輸入，用于選擇手動模式，單獨手動啟動和停止各泵。外部的泵1、2、3電機過載信號接PLC的輸入，用于檢測泵1、2、3電機故障，停止相應的電機，泵1、2故障則自動啟動備用泵3運行。 PLC輸出的泵1主接觸器控制繼電器，PLC通過控制繼電器線圈得電，繼電器常開觸點閉合，泵1主接觸器線圈得電，泵1主接觸器常開主觸點閉合，為啟動泵1提供380V電源做準備。同樣的，PLC輸出接泵1星啟動繼電器，通過繼電器控制接觸器，控制泵1星啟動。其他的泵1三角運行，泵2主接觸器、泵2星啟動、泵2三角運行、泵3運行等都是通過PLC控制繼電器，然后繼電器控制接觸器，然后控制電機。PLC輸出接自動運行指示燈，故障指示燈，泵1、2、3運行指示燈，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轉成0-10V的電壓信號，接PLC的模擬量輸入，得到0到32000的整數，經PLC處理得到液位，然后PLC根據液位實時值和設定值，控制泵1、2、3運行，進行排水。 PLC 模擬量輸入 模擬量輸入：超聲波液位 數字量輸入：啟動，停止，急停，自動手動，手動開關，泵電機故障反饋 數字量輸出：泵1主接觸器、星啟動，三角運行；泵2主接觸器、星啟動，三角運行；泵3啟動；自動運行指示燈，故障指示燈，泵1、2、3運行指示燈，泵1、2、3故障指示燈 圖3-2 控制系統(tǒng)方框圖 4 硬件設計 4.1電路設計 4.1.1主電路設計 電路圖以各種圖形、符號和突顯等形式來表示電路系統(tǒng)中各電器設備、裝置、元器件的相互連接關系。電路圖是聯系電路設計、生產、維修人員的工程語言，能正確、熟練的識讀電路圖是從業(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，從而實現設備或裝置的某種控制目的。為了便于對控制系統(tǒng)進行設計、分析研究、安裝調試、使用維護以及技術交流，就需要將控制系統(tǒng)中的各電器元件及其相互連接關系用一個統(tǒng)一的標準來表達，這個統(tǒng)一的標準就是國家標準和國際標準，我國相關的國家標準已經與國際標準統(tǒng)--。用標準符號按照標準規(guī)定的方法表示電路控制系統(tǒng)的控制關系就稱為電路控制系統(tǒng)圖，從而進行電路的設計等。 設計的主電路如下頁圖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是總的電源開關，起到通斷礦井排水系統(tǒng)電源作用。 M1為1號水泵電機，驅動1號水泵排水。QF2是1號水泵電機斷路器，通斷1號水泵電機電源，KM1是1號水泵主接觸器，KM2是1號水泵電機星啟動接觸器，KM3是1號水泵電機三角運行接觸器，FR1為1號水泵電機過載保護作用的熱繼電器，用于保護1號水泵電機，防止1號水泵電機長時間過載運行，燒毀1號水泵電機。 同樣的，M2為2號水泵電機，驅動2號水泵進行排水。QF3是2號水泵電機斷路器，通斷2號水泵電機電源，KM4是2號水泵主接觸器，KM5是2號水泵星啟動接觸器，KM6是2號水泵三角運行接觸器，FR2為2號水泵電機過載保護作用的熱繼電器，用于保護2號水泵電機，防止2號水泵電機長時間過載運行，燒毀2號水泵電機。 同樣的，M3為3號水泵電機，驅動3號水泵進行排水。QF4是3號水泵電機斷路器，通斷3號水泵電機電源，KM7是3號水泵電機啟動接觸器，FR3為3號水泵電機過載保護作用的熱繼電器，用于保護3號水泵電機，防止3號水泵電機長時間過載運行，燒毀3號水泵電機。 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，FU1是控制電路熔斷器，起到短路過流保護作用。 A1是直流開關電源，將220V交流電轉換成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號泵主接觸器，KA1是1號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常開觸點閉合，接觸器KM1線圈得電，KM1常開主觸點閉合，為1號泵提供電源，為1號泵運行做好準備。 圖4-2 控制電路圖 KM2是1號泵星啟動接觸器，KA2是1號泵星啟動繼電器， PLC通過控制KA2線圈得電，KA2常開觸點閉合，接觸器KM2線圈得電，KM2常開主觸點閉合，1號泵執(zhí)行星啟動。 KM3是1號泵三角運行接觸器，KA3是1號泵三角運行繼電器， PLC通過控制KA3線圈得電，KA3常開觸點閉合，接觸器KM3線圈得電，KM3常開主觸點閉合，1號泵執(zhí)行三角運行。 同樣的，KM4是2號泵主接觸器，KA4是2號泵主接觸器控制繼電器，PLC通過控制KA4線圈得電，KA4常開觸點閉合，接觸器KM4線圈得電，KM4常開主觸點閉合，為2號泵提供電源，為2號泵運行做好準備。 同樣的，KM5是2號泵星啟動接觸器，KA5是2號泵星啟動繼電器， PLC通過控制KA5線圈得電，KA5常開觸點閉合，接觸器KM5線圈得電，KM5常開主觸點閉合，2號泵執(zhí)行星啟動。 同樣的，KM6是2號泵三角運行接觸器，KA6是2號泵三角運行繼電器， PLC通過控制KA6線圈得電，KA6常開觸點閉合，接觸器KM6線圈得電，KM6常開主觸點閉合，2號泵執(zhí)行三角運行。 同樣的，KM7是3號泵啟動接觸器，KA7是3號泵啟動繼電器， PLC通過控制KA7線圈得電，KA7常開觸點閉合，接觸器KM7線圈得電，KM7常開主觸點閉合，啟動3號泵執(zhí)行排水。 4.2 PLC接線圖 PLC接線圖又稱為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、開關、指示燈以及其它輸入、輸出設備連線圖畫出來。與其它控制電路圖一樣，只不過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，有一組常開觸點。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電壓信號接EM231的A+和A-，通過AIW0實時監(jiān)測礦井水位。 圖4-3 PLC 輸入/輸出接線圖 4.3 硬件選型 4.3.1 PLC型號的選擇 此系統(tǒng)選用S7-200 CPU226集成24輸入/16輸出共40個數字量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點；26K字節(jié)程序和數據存儲空間；6個獨立的30KHz高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器；2個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，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能，可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。根據系統(tǒng)的實際情況，結合以上特點，SIMATIC S7-200 CPU226完全可以作為本系統(tǒng)的主機。 CPU226可擴展7個模塊，而其本身具有24輸入/16輸出共40點數字量，因此已無須數字量擴展模塊。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等模擬量擴展模塊。 圖 4-4 PLC實物圖 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計應用。? FOX-CON公司生產的主流壓力傳感器是一種單片壓阻器件，該器件具有3類：? ???? 1.?基本的或未加補償標定；? ?? ??2.?有標定并進行溫度補償；? ? ???3.?有標定、補償和放大。? ???? 偏移量、范圍標定以及溫度補償均可以通過薄膜電阻網絡實現，這種薄膜電阻網絡在封裝過程中采用激光修正。? ???? 該傳感器通常與微控制器結合使用，而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數學模型。微控制器讀取了輸出電壓后，通過模數轉換器的變換，該模型可以將電壓量轉換為壓力測量值。? 根據壓力控制的要求，本文的壓力傳感器美國公司FOX-CON型號為r-12的產品，該款傳感器不僅測量精度高，易于安裝、響應速度快，對環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學氣體等環(huán)境因素的影響等特點。其外觀如下圖4-5所示： 圖4-5 r-12型壓力傳感器實物圖 該傳感器的主要性能指標如下： 1．壓力檢測范圍：0～2MPA；測量精度：±0.3MPA 2．工作電壓：10～28V DC； 3．輸出信號：4～20mA。 4.3.3 流量傳感器 流量傳感器產品內部包含一個近紅外發(fā)光二極管和一個光敏接收器。發(fā)光二極管所發(fā)出的光被導入傳感器頂部的透鏡。當氣體浸沒光電流量開關的透鏡時，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。流量傳感器通過感應這一工況變化，接收器可以驅動內部的電氣開關，從而啟動外部報警或控制電路。如果沒有氣體流過，則發(fā)光二極管發(fā)出的光直接從透鏡反射回接收器。 根據流量控制的要求，本文的流量傳感器國產翔恩公司型號為XE26F的產品，該款傳感器不僅測量精度高，易于安裝、響應速度快，對環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學氣體等環(huán)境因素的影響等特點。其外觀如下圖4-6所示： 圖4-6 XE26F型液位傳感器實物圖 該傳感器的主要性能指標如下： 1．液位檢測范圍：0～50M3/MIN；測量精度：±0.3M3 2．工作電壓：10～28V DC； 3．輸出信號：4～20mA。 4.3.4 中間繼電器選型 中間繼電器選型主要參數：極數（觸點對數），線圈電壓，額定電流，底座，帶燈不帶燈。 根據以上幾點我們根據歐姆龍?zhí)峁┑膮等缦聨c選型：? （1）MY系列? 10萬次到60萬次。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。型號帶N為帶燈型（LED）。 （2）帶燈型的貴一點。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：要確認線圈的極性，正確接線。? MY2J???2付觸點，額定通電電流?3A???? 導軌安裝底座：PYF08A-E?MY4J???4付觸點，額定通電電流?5A???? 導軌安裝底座：PYF14A-E?MY2NJ??2付觸點，額定通電電流?3A???? 導軌安裝底座：PYF08A-E?MY4NJ??4付觸點，額定通電電流?5A???? 導軌安裝底座：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。型號帶N為帶燈型（LED）。帶燈型的貴一點。 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：要確認線圈的極性，正確接線? LY2J???2付觸點，額定通電電流?10A???? 導軌安裝底座：PTF08A-E?LY4J???4付觸點，額定通電電流?10A???? 導軌安裝底座：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備的中間繼電器。（實物如下頁圖4-7） 圖4-7 中間繼電器實物圖 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程。首先，應該從以下四點原則入手： 1、水泵的選擇應滿足流量和揚程的要求； 2、水泵機組在長期運行中，水泵工作點的效率最高； 3、水泵的選擇應按所選的水泵型號和臺數設計的水泵站； 4、水泵的選擇應選擇便于操作維修，管理費用少。 （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。水泵工作時間可根據實際需要確定。 （2）水泵的選擇要確定揚程：實際揚程可到實地測量，即從水源水面到渠道水面或農田面的垂直髙度。如果是江河湖泊,水源水面應以抗旱時的枯水位為標準。 （3）水泵的選擇：在確定了流量和揚程以后,就可以根據水泵的性能,從配套動力功率、效率、傳動方式和經濟條件等方面作比較,確定選用合適的水泵類型和型號。 （4）水泵的選擇類型：離心泵流量小，揚程高，適用于10米以上實際揚程； （5）水泵的選擇型號：水泵的選擇流量與揚程應與前述的確定流量和確定揚程基本相符，且應是效率最高、軸功率最低的。 所以綜合以上幾點，我們選用了國產光泉公司型號為A2R510型水泵。 圖4-8 A2R510型水泵實物圖 三相水泵名牌參數 1.型號 A2R510； 2.電壓 380V； 3.接法 星型; 4功率 1.5kw; 5.電流 3A 6.轉速 1400r/min 7.頻率 50hz; 8.揚程 40M 9.流量 300L/MiN 4.3.6 交流接觸器選型 根據電路中負載電流的種類選擇。交流負載應選用交流接觸器，直流負載應選用直流接觸器，如果控制系統(tǒng)中主要是交流負載，直流電動機或直流負載的容量較小，也可都選用交流接觸器來控制，但觸點的額定電流應選得大一些。 因此根據以上幾點分析，我們選用國產正泰品牌的效流接觸器，型號為CJX21210； 圖4-9 交流接觸器實物圖 4.3.7 熱繼電器選型 熱繼電器是用于電動機或其它電氣設備、電氣線路的過載保護的保護電器。電動機在實際運行中，會隨著負載增加電流則增加，負載減小電流則減小，所以在這種過載是電動機不能過制的。所以在電路設計當中，有必要增加一個熱繼電器來保護電機。 熱繼電器的選型應注意以下幾點：?? 1、類型選擇? 一般情況下，可選用兩相結構的熱繼電器，但當三相電壓的均衡性較差，工作環(huán)境惡劣或無人看管的電動機，宜選用三相結構的熱繼電器。對于三角形接線的電動機，應選用帶斷相保護裝置的熱繼電器。? 2、熱繼電器額定電流選擇? 熱繼電器的額定電流應大于電動機額定電流。然后根據該額定電流來選擇熱繼電器的型號。? 3、熱元件額定電流的選擇和整定? 熱元件的額定電流應略大于電動機額定電流。當電動機啟動電流為其額定電流的6倍及啟動時間不超過5S時，熱無件的整定電流調節(jié)到等于電動機的額定電流；當電動機的啟動時間較長、拖動沖擊性負載或不允許停車時，熱元件整定電流調節(jié)到電動機額定電流的1.1～1.15倍。? 圖4-10 熱繼電器實物圖 4.3.8 按鈕開關選型 停止按鈕，選擇常閉觸點，紅色的，按下斷開，松開自動恢復，只需要一個觸點。選擇施耐德的，按鈕型號為XB2-BA42C Φ22金屬平頭，彈簧復位，1NC，紅色，共1個。 啟動按鈕，選擇常開觸點，綠色的，按下閉合，松開自動斷開，只需要一個觸點?？梢赃x擇施耐德的，按鈕 XB2-BA31C Φ22金屬平頭，彈簧復位，1NO，綠色，共1個。 圖4-11 按鈕開關實物圖 4.3.9 電源指示燈選型 電源指示燈選型原則： 1、根據工藝要求選擇對應的電源指示燈顏色； 2、根據當前控制設備的功能選擇電源指示燈工作電壓； 綜合以上幾點我們選用了正泰品牌型號為ND16-22DS/2 AC/DC 24V； 4-12 電源指示燈實物圖 4.4 PLC I/O表 數字量輸入點地址具體如表4-13，數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數字量輸入點地址表 功能描述 內部地址 外部編號 啟動按鈕 I0.0 SB1 停止按鈕 I0.1 SB2 急停 I0.2 SB3 自動手動選擇開關 I0.3 SA1 手動啟動泵1 I0.4 SB4 手動停止泵1 I0.5 SB5 手動啟動泵2 I0.6 SB6 手動停止泵2 I0.7 SB7 手動啟動泵3 I1.0 SB8 手動停止泵3 I1.1 SB9 泵1過載反饋 I1.2 FR1 泵2過載反饋 I1.3 FR2 泵3過載反饋 I1.4 FR3 表4-14 數字量輸出地址表 功能描述 內部地址 外部編號 泵1主接觸器 Q0.0 KA1 泵1星啟動 Q0.1 KA2 泵1三角運行 Q0.2 KA3 泵2主接觸器 Q0.3 KA4 泵2星啟動 Q0.4 KA5 表4-14續(xù) 功能描述 內部地址 外部編號 泵2三角運行 Q0.5 KA6 泵3啟動