畢業(yè)設計---基于plc設計出的水廠濾池自動控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　供水是一個關系國計民生的重要產業(yè)。供水不僅要滿足管網壓力的需要、保證充足供水，還要求水質明顯提高。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構筑物的最后一道工序，濾池運行的好壞直接影響到水廠的出水水質。濾池反沖洗工藝復雜，如果仍然沿用人工方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進行濾池自動化系統(tǒng)的改造。</p><

2、;p>　　本文從水廠濾池自動控制系統(tǒng)的控制要求和工藝特點出發(fā)，設計出了一套基于ControlLogix硬件和軟件系統(tǒng)的水廠濾池自動控制系統(tǒng)。在濾池正常過濾時，為實現恒水位過濾，設計了以出水流量為控制參數的濾池液位PID控制系統(tǒng)。而在系統(tǒng)接收到反沖洗信號時，本系統(tǒng)在設計上就主控PLC如何更好的與現場PLC協(xié)調控制濾池的反沖洗方案進行了對比并且做了優(yōu)化，增強了控制思路的清晰性，達到了預期的控制效果。</p><p&

3、gt;　　根據系統(tǒng)的控制要求，進行了硬件設備的選型，設計了控制系統(tǒng)硬件配置圖、I/O模塊接線圖，并編寫了實現控制算法的程序。</p><p>　　關鍵詞：水廠濾池，恒水位PID控制，自動反沖洗，協(xié)調控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Water supply is an important indus

4、try for the people's livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatme

5、nt plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is complexity, if still used in manually, labor-intensive, low producti

6、vity, so it is difficult to en</p><p>　　In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the wate

7、r plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,</p><p>　　in order to keep the constant level, designed the PID fil

8、ter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control system on how to enhance coordination between master PLC</p><p>　　and on-site PLC, has bee

9、n compared and optimized. </p><p>　　According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realizat

10、ion of control algorithm have been accomplished.</p><p>　　Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control </p><p><b>　　目錄</

11、b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1．1課題研究背景1</p><p>　　1.2 課題研究內容2</p><p>　　1.3 研究的目的和意義5</p><p>　　2 控制系統(tǒng)總體方案的設計7</p><p>　　2

12、.1 系統(tǒng)分析7</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案的設計12</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的硬件設計27</p><p>　　3.1 濾池實現自動控制所需的設備27</p><p>　　3.2 傳感器和執(zhí)行器的選擇33</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的硬件配置及I/O連接圖39</p&g

13、t;<p>　　3.4 控制參數整定43</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設計47</p><p>　　4.1 軟件總體方案的設計47</p><p>　　4.2 控制方案程序49</p><p>　　5 監(jiān)控系統(tǒng)的設計61</p><p>　　5.1 組態(tài)王6.52簡介61</p&g

14、t;<p>　　5.2 監(jiān)控界面的設計61</p><p><b>　　結束語72</b></p><p><b>　　參考文獻73</b></p><p><b>　　致謝74</b></p><p><b>　　附錄75</b>

15、</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1．1課題研究背景</b></p><p>　　水對人類而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農業(yè)生產都離不開水。特別是在現代社會中，人們不僅對水的需求量與日俱增，對水質的要求也越來越高。</p><p>　　人類對飲

16、用水進行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理，范圍僅針對某個人或某個家庭。而面向社會興建水廠，工業(yè)化的集中處理水的歷史還不到200年，特別是以快濾池為標志的現代水廠更只有110多年歷史。在我國，水廠的大規(guī)模建設是從解放后開始的，時間較短，但取得了卓越的成就。目前各個城市都已興建了自己的凈水廠，基本普及了自來水。而且，更加現代化的、大規(guī)模的新型水廠也在成批的建設中。水廠和其它行業(yè)的工廠一樣，自出現以來不斷革新，不斷

17、現代化，生產能力、凈化效果都不斷提高。日產百萬噸以上優(yōu)質自來水的超大型水廠也不罕見。維持如此大規(guī)模的水廠正常運行，且要保證出廠水質，對處理工藝和自動化水平都提出了很高的要求。水廠的處理工藝一百年來已經比較成熟，基本上是混凝沉淀、過濾和消毒?；炷齽┮话悴捎娩X鹽、鐵鹽。利用凝聚原理去除原水中的懸浮顆粒。再進行沉淀，過濾。消毒一般采用氯化法。近幾十年，隨著凈水理論的發(fā)展，工藝設計和處理構筑物的形式不斷變化，各類反應藥劑也出現許多新的替代品，比

18、如:以高分子化合物作為混凝劑，臭氧或二氧化氯作為消毒劑等等。不過，基本的工藝過程沒有根本性改變。相比之下，水廠的</p><p>　　在各中小型水廠水質生產過程中，濾池處理過程的有效控制是保證水廠出廠水水質優(yōu)劣及生產效率高低的關鍵因素。在傳統(tǒng)的濾池生產中，一般依靠人工操作進行生產，濾池正常的過濾時間以及濾池反沖洗各環(huán)節(jié)的時間和強弱都要依靠現場操作人員的經驗進行調節(jié)。由于受到人員素質及經驗、環(huán)境溫度、源水水質變化等

19、各種復雜因素的影響，很難使出廠水水質長期穩(wěn)定。因此水廠濾池的自動化控制對于出廠水質優(yōu)劣尤為重要。</p><p>　　為了更好地安全生產，實現水廠自動化控制，本課題希望通過研究PLC在水廠濾池控制系統(tǒng)中的實際應用，使通過PLC設計出的水廠濾池控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)水廠濾池控制系統(tǒng)具有更好的維護性和擴展性，提高水廠濾池控制系統(tǒng)的自動化水平，確保水廠供水更安全更可靠。</p><p>　　1.2 課題

20、研究內容</p><p>　　1.2.1 研究現狀</p><p>　　早期的水廠控制是單元式的。根據需要，各個工藝環(huán)節(jié)建立獨立的控制設施。這些設施可以一次建成，也可以分別建設，相互之間沒有聯(lián)系。每個環(huán)節(jié)根據自身的情況進行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調節(jié)問題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調是難以自動實現的，需要人工加以干預。這屬于分散式控制。以后隨著計算機及控制技術的發(fā)展，出現了集中式控制形式，由中心控

21、制室的一臺計算機系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的參數進行巡回檢測、數據處理、控制運算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。一臺計算機往往同時控制多個回路，即多個水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測、控制運算工作量大，要求計算機功能強大，有很高的可靠性。一旦控制系統(tǒng)出現故障，整個系統(tǒng)就都會陷于癱瘓[2]。</p><p>　　進入70年代以來，以微處理器為核心的各種控制設備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應的變化，結構

22、組成種類很多。當前水廠采用的自動控制系統(tǒng)的結構形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC+PLC系統(tǒng)、總線式工業(yè)控制機構成的系統(tǒng)等。IPC+PLC系統(tǒng)是由工業(yè)計算機(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內水廠自動化中得到最廣泛的應用。</p><p><b>　　該系統(tǒng)的優(yōu)點是：</b></p><p>　　(1)可以實現分級分布控制。&l

23、t;/p><p>　　(2)可以實現“集中管理、分散控制”的功能，將危險分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　(3)組網方便。硬件系統(tǒng)配置簡潔，很容易在網絡中增減PLC控制器，來實現擴展網絡的目的。</p><p>　　(4)編程方便，開發(fā)周期短，維護方便。由于應用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護方便。</p><p>　

24、　(5)系統(tǒng)內的配置和調整非常靈活。</p><p>　　(6)與工業(yè)現場信號直接相連，易于實現機電一體化。</p><p>　　當前水廠采用最多的控制系統(tǒng)是IPC+PLC系統(tǒng)。該系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，已經與DCS系統(tǒng)的功能相近，特別是同樣具有分級分布控制、實現集中管理，分散控制的功能，往往從水處理工藝控制的角度也將此系統(tǒng)稱為集散式系統(tǒng)。國外自70年代起開始了供水系統(tǒng)自動控制的研究與應用工作。

25、尤其是自80年代以來，微電子等現代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應地推動供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控技術有了質的飛躍。加之西方發(fā)達國家雄厚經濟實力與技術基礎，供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控已得到普遍應用。一些水廠己實現全自動運行，能對生產工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調節(jié)、記錄、報警等等[3]。</p><p>　　我國自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設，

26、同時引進了成套的水廠現代化監(jiān)控儀表與設備。我國在水廠關鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術與設備方面實現了流動電流及透光率脈動兩種凝控制設備的國產化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領先水平。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設備，如在線檢測濁度儀、計量投加泵等，也有一些廠家開始生產，但是質量水平與國外產品相比仍有距離，難以滿足國內市場需要。我國大多數水廠的監(jiān)控技術仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應現代化的要求，一些水廠(包括有

27、些引進設備的水廠)的自動監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統(tǒng)、投資很大，然而在一些關鍵環(huán)節(jié)上的調節(jié)功能并不強。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運行優(yōu)化，結果水質保證率低，而運行費用高。這些自動監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術經濟效益這一根本目的[4]。</p><p>　　針對我國的技術經濟條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設的較大

28、型的、自動監(jiān)控水平較高的水廠需要認真總結應用經驗，并向優(yōu)化運行方面發(fā)展，為這類水廠自動監(jiān)控技術的進步提供借鑒與指導。對于眾多的中小水廠，經濟條件有限，應在堅持國產化、實用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質量、運行費用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)（水廠濾池的過濾環(huán)節(jié)等）的自動監(jiān)控技術與設備，建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2 研究內容</p&

29、gt;<p>　　濾池自控技術是凈水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，就不能達到預定的水質要求。采用哪一種濾池反沖技術是濾池自控技術中的研究內容。單一水反沖洗技術己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設備簡單等特點，在我國得到了廣泛應用。但實踐證明該技術是一種相對落后的反沖洗方式。該法耗水量較大，剪切、碰撞及摩擦作用較弱，難以完全消除濾料上的泥球及結塊現象，也給過濾帶來許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術存在一些問題，眾多學者通過不

30、斷探索和研究，開發(fā)了氣、水反沖洗技術。目前，國內外氣水反沖洗有3種運行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時反沖洗，最后用水漂洗。本課題主要設計的是基于PLC控制的濾池恒水位過濾和自動反沖洗過程，主要內容是首先在分析系統(tǒng)功能的基礎上確定系統(tǒng)的被控參數和控制參數，明確系統(tǒng)的總體控制方案，制定整體的工藝控制流程圖，進而確定系統(tǒng)所需的硬件設備。其次，根據所選擇的硬件設備，確定

31、恒水位過濾過程中PID控制算法的實現和參數的整定。最后，完成恒水位過濾和自動反沖洗過程功能的軟件的編程實現，根據所設計的自動控制系統(tǒng)設計出整個系統(tǒng)的監(jiān)控</p><p>　　1.3 研究的目的和意義</p><p>　　1.3.1 研究的目的</p><p>　　改革開放以來，我國人民的生活水平逐步提高，飲用水的質受到越來越多的關注，自來水廠的處理工藝要求也不斷提高

32、，與之相反的是水源水質卻每況愈下，如何保證水廠出廠水質達標，水處理過程的每一個環(huán)節(jié)都很重要。濾池是自來水廠處理工序中最為關鍵的環(huán)節(jié)之一，它運行質量的好壞可決定一個水廠生產質量的好與壞，并對全水廠的生產成本、效能產生重大影響。濾池最大的特點是控制運行參數多，閥門位置分散，環(huán)境惡劣。因此為了做到安全可靠的生產，應采用自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.2 研究的意義</p><p>　

33、　采用可編程控制器進行水廠濾池的自動化控制，可以縮短設計周期，并便于安裝調試，對于水廠這樣的不便于停產的生產單位來講，這一點是尤其重要的。 由于PLC 自動控制的靈活性，可在現場改變某些工藝參數和動作順序，增加系統(tǒng)的功能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設備運行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經濟效益。</p><p>　　2 控制系統(tǒng)總體方案的設計</p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)分析

34、</b></p><p>　　2.1.1 V型濾池工藝應用及過程</p><p>　　濾池有多種型式，以石英砂作為濾料的普通濾池使用歷史悠久。在此基礎上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的濾池。V型濾池就是在此基礎上由法國德利滿公司在70年代發(fā)展起來的。V型濾池采用了較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層；采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣

35、和專用的長柄濾頭進行氣、水分配等工藝。它具有出水水質好、濾速高、運行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。80年代后期，我國南京、西安、重慶等地開始引進使用。90年代以來，我國新建的大、中型凈水廠差不多都采用了V型濾池這種濾水工藝，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了V型濾池[5]。</p><p>　　水廠生產的基本工藝可分為加藥、反應、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水

36、等幾個相關過程。其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，這兩個子過程交替運行，相互之間間隔一定時間（24 H），圖2.1表示濾池工藝過程簡圖。</p><p>　　圖2.1 濾池工藝過程簡圖</p><p>　　2.1.2 V型濾池的結構、工作原理、工藝特點</p><p>　　濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié)，而濾池過濾能力的再生，是濾池穩(wěn)定高效運行的關

37、鍵。若采用較好的反沖洗技術，使濾池經常處于最優(yōu)條件下工作，不僅可以節(jié)水、節(jié)能，還能提高水質，增大濾層的截污能力，延長工作周期，提高產水量。而V型濾池過濾能力的再生，就采用了先進的氣、水反沖洗兼表面掃洗這一技術。因此濾池的過濾周期比單純水沖洗的濾池延長了75%左右，截污水量可提高118%，而反沖洗水的耗量比單純水沖洗的濾池可減少40%以上。濾池在氣沖洗時，由于用鼓風機將空氣壓入濾層，因而從以下幾方面改善了濾池的過濾性能：

38、 </p><p>　　(1)壓縮空氣的加入增大了濾料表面的剪力，從而使得通常水沖洗時不易剝落的污物在氣泡急劇上升的高剪力下得以剝落，從而提高了反沖洗效果。 </p><p>　　(2)氣泡在濾層中運動產生混合后，可使濾料的顆粒不斷渦旋擴散，促進了濾層顆粒循環(huán)混合，由此得到一個級配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級配濾料的分級濾層，改善了過濾

39、性能，從而提高了濾層的截污能力。 </p><p>　　(3)壓縮空氣的加入，氣泡在顆粒濾料中爆破，使得濾料顆粒間的碰撞磨擦加劇，在水沖洗時，對濾料顆粒表面的剪切作用也得以充分發(fā)揮，加強了水沖清污的效能。</p><p>　　(4)氣泡在濾層中的運動，減少了水沖洗時濾料顆粒間的相互接觸的阻力，使水沖洗強度大大降低，從而節(jié)省沖洗的能耗[5]。

40、 </p><p>　　綜上所述，氣、水反沖洗時，由于氣泡的激烈運動作用，大大加強了污物剝落能力及截污能力。在濾池實際反沖洗時，我們觀察到：當反沖時間約5分鐘時的濾層污物剝落高達95%以上，因此V型濾池的反沖洗效果是肯定的。此外反沖洗時，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個V型槽底部的小孔進入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質推向排水槽，同時掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來的砂

41、又重新沉淀下來。此外濾池的表面掃洗，還加快了反沖水的漂洗速度，用原水養(yǎng)活了反沖洗濾后水用量及電能，也節(jié)約了沖洗水量。養(yǎng)活沖洗水量是原水表面清掃的一個特別優(yōu)點，事實上，它還起到了在一個濾池反沖洗時防止其它濾池在最大輸出負荷下運行的作用。</p><p>　　由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設計包含恒水位過濾控制和自動反沖洗控制，而本濾池的自動反沖洗控制只需設計出氣、水的反沖洗過程便能夠達到控制要求，故本系統(tǒng)并未對濾池的表

42、面掃洗技術進行深入的研究與技術上的實現，從而在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設計的復雜性。</p><p>　　所謂濾池的正常過濾過程就是通過濾料層將待濾水去除雜質顆粒、細菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達到國家飲用水的衛(wèi)生標準。 而濾池的反沖洗，就是先后運行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質，是濾池自凈的工藝措施。現將濾池的基本的工藝結構簡圖繪制如圖2.2所示。

43、 圖2.2 濾池工藝結構簡圖</p><p>　　2.1.3 濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務</p><p>　　濾池控制系統(tǒng)一般由受控設備、電氣執(zhí)行機構、控制器和上位機組成。其中受控設備可以分為兩部分:濾池閥門和反沖洗系統(tǒng)。常見濾池都有5個閥門：</p><p>　　進水閥：控制水流入濾池集水渠的閥門。</p><p>　　清水閥：控制

44、濾后水流出濾池進入清水管的閥門。</p><p>　　氣沖閥：反沖洗時允許氣流對濾層進行沖洗的閥門。</p><p>　　水沖閥：反沖洗時允許清水對濾層進行沖洗的閥門。</p><p>　　反沖洗系統(tǒng)一般包括：</p><p>　　鼓風機：用于產生強勁氣流對濾層進行沖洗。</p><p>　　反沖水泵：用于抽取清水對濾

45、層進行反沖洗。</p><p>　　電氣執(zhí)行機構負責控制的具體實施，它從控制器接收控制命令，然后相關</p><p>　　的繼電器接點閉合或斷開，電路導通，設備獲得動力繼而進行動作。如果控制器故障，操作人員也可以通過電氣執(zhí)行機構的控制面板，對設備進行手動操作?？刂破魇菍崿F自動控制的關鍵，所有自動控制的內容都由控制器編程實現。濾池的控制與其它車間略有不同，它的設備較多且重復，每個濾池的控制內

46、容都是相同的。為了降低控制器故障的風險性，可以采取主、從多個控制器共同工作的方式，這是濾池控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。濾池控制系統(tǒng)的控制任務就是控制過濾、反沖洗和兩者的交替，目的就是</p><p>　　保證濾后水的濁度符合要求。過濾時要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實現，即過濾時要把液位控制在一定范圍之內。當過濾進行一段時間后，濾料吸收的懸濁物積累到一定數量，對濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響，需要進行反沖洗。反

47、沖洗就是對濾層的清洗，需要控制鼓風機、水泵等沖洗設備，以及濾池相關閥門的開、關。反沖洗與過濾是交替進行的，反沖過后進入過濾，過濾一段時間后也需要啟動反沖洗。反沖洗的啟動有兩種方法:人為命令和控制器依條件判斷是否啟動。判斷的條件可以有很多，比如:是否到達設定時間、過濾己經進行的時間、水頭損失大小等。更先進一些的還可以直接根據濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。</p><p>　　本設計水廠濾池部分由8個V型濾池組成

48、，每個濾池的尺寸為6M×6M×6M，濾池的濾料采用單層1.4M加厚均粒石英砂濾料。每格濾池設置一個現場PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗和恒水位過濾控制。在正常的過濾條件下，生產工藝要求將水位的波動限制在400±2CM的范圍內實現等速恒水位過濾。當濾池的運行滿足了反沖洗的條件（運行周期到、水頭信號或強沖信號），需要進行反沖洗，以去除濾料層的雜質。按要求，每次只有一格濾池進行反沖洗，當多格濾池同時要求進行

49、反沖洗時，系統(tǒng)自動按照先進先出的原則排隊進行。</p><p>　　濾池正常過濾時，為實現恒水位過濾，設計以水流量為控制參數的濾池液位PID控制系統(tǒng)。</p><p>　　當系統(tǒng)接收到手動的強制沖洗信號、水頭損失信號、定時沖洗信號中的任何一個指令時，進行單格濾池反沖洗。首先關閉進水閥，濾池內部的存留水經出水閥繼續(xù)過濾排除，當水位降至設定的反沖洗水位時（0.35M），</p>

50、<p>　　關閉出水閥并打開排污閥，排污閥的信號到位后打開反沖氣閥，啟動風機進行氣沖6MIN，然后關閉鼓風機，關閉反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗6MIN，完成后關閉反沖水閥、停水泵，關閉排污閥、開啟進水閥接受待濾水。當水位升到接近過濾恒水位時，濾池反沖洗正式結束，系統(tǒng)轉入正常的過濾程序。</p><p>　　在中控室設置主控PLC，其主要功能是負責和各現場的PLC通信，收集反沖洗水泵、鼓風機

51、等反沖洗設備的信號，協(xié)調各格濾池的反沖洗。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案的設計</p><p>　　2.2.1 濾池自控方案及總體結構的實現</p><p>　　根據本濾池的結構，考慮到自動控制方式的先進性，穩(wěn)定性，可靠性和連續(xù)不停運行的特點，提出如下自控方案:</p><p>　　(1)在每個濾池上，各配置一臺PLC(Progr

52、ammable Logic Controller)，分別控制這個濾格在正常過濾狀態(tài)下和反沖洗狀態(tài)下的運行。</p><p>　　(2)給每個濾池的PLC編制運行程序，以保證每個濾池按生產工藝的要求自動運行。</p><p>　　(3)整個濾池控制系統(tǒng)配一臺主控PLC，負責和各個現場PLC的通信，協(xié)調各格濾池的反沖洗，使每個濾池的反沖洗能按照反沖洗的時間，或水頭損失的大小自動和穩(wěn)定的進行。&

53、lt;/p><p>　　(4)每個濾池的反沖洗，均可在2種狀態(tài)下進行：①自動反沖洗：②半自動反沖洗。其中，半自動反沖洗為強制反沖洗，即用戶可以在任何時候進行反沖洗。</p><p>　　(5)各濾格的PLC運行均由一臺主控PLC控制。主PLC和各分PLC既聯(lián)系又獨立，在正常運行時，它們各司其職，統(tǒng)一運行。如果一旦主PLC發(fā)生故障，并不會影響到各格濾池的正常運行。同時，還能把濾池的各信號，如濾后

54、水流量，濁度，余氯，以及濾池的各個工作狀態(tài)，運行時間等，在聯(lián)網后，傳送到中央控制室。</p><p>　　(6)濾池的控制操作和數據顯示:使用一臺PC機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在PC機上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運行情況。</p><p><b>　　該軟件具有功能：</b></p><p>　?、俑髂M量和各開關量的

55、數據采集。</p><p>　?、跀祿膶崟r顯示，包括各濾池的水位，濾池運行時間，濾池目前的運行狀態(tài)，各濾池的出水閥的開度，濾后水流量，各閥門的工作狀態(tài)等。</p><p>　?、壑匾獏档娘@示和設置，包括每個濾池的PID參數，反沖洗起始水位，反沖洗的水沖時間，氣洗時間等等。</p><p>　　④模擬數據的實時曲線顯示和歷史曲線顯示。</p><

56、;p>　　⑤模擬數據的比較曲線，即對同一數據作不同日期的比較。</p><p><b>　?、奚舷孪拊O置。</b></p><p><b>　?、吒鞴收蠄缶?。</b></p><p><b>　?、喔黝悢祿牟樵儭?lt;/b></p><p><b>　?、釘祿y(tǒng)計

57、。</b></p><p>　?、鉃V池的自動，半自動選擇。</p><p>　　(7)采用Rockwell AB公司的PLC系列產品，以保證濾池運行的穩(wěn)定和可靠。</p><p>　　濾池自控系統(tǒng)構成一個獨立的PLC控制系統(tǒng)，包括主控部分、現場分控部分。主控部分由一臺主控PLC，一臺上位工控機組成，主控PLC負責和現場PLC的通信和氣水反沖洗的協(xié)調控制，

58、上位機用于實現人機對話；每個現場PLC負責管理每個濾池的恒水位運行和自動反沖洗。</p><p>　　整個濾池的運行可在以下二種方式下工作：(1)半自動控制；(2)PLC自動控制；(3)上位機遠程控制。其網絡拓撲如2.3所示。</p><p>　　圖2.3 濾池自控網絡拓撲圖</p><p>　　2.2.2 PID控制算法的基本原理</p><p

59、>　　PID(proportional Integral Differential)控制算法就是經典的閉環(huán)控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的調節(jié)方式。PID調節(jié)的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數關系進行運算，其運算結果用以輸出控制。在模擬系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律就是PID控制，在工業(yè)生產過程控制中，模擬量的PID(比例、積分、微分)調節(jié)是常見的一種控制方式，這是由于PID調節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數

60、學模型，對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以取得比較令人滿意的效果，同時PID調節(jié)器又具有典型的結構，可以根據被控對象的具體情況，采用各種PID的變種，有較強的靈活性和適用性。</p><p>　　PLC作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在科研、生產、社會生活的諸多領域得到了越來越廣泛的應用。大型的可編程序控制器配備過程控制模塊可同時對幾十路模擬量進行閉環(huán)控制，但造價昂貴。一般中小型PLC控制系統(tǒng)只對一路或幾路模擬量進行

61、閉環(huán)控制。硬件上只需配備A/D及D/A轉換模塊，軟件可購買相應廠家提供的PID編程功能模塊，只需設定好PID功參數，運行PID控制指令，就能求得輸出控制值，而廠家一般只提供標準PID算法，靈活性和適應性較差，如根據被控對象的具體情況不同，采用各種PID控制的變種，如積分分離PID、不完全微分PID等則操作上有些困難，這時用戶可根據控制的算法，自行設計梯形圖程序。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.4所示，系統(tǒng)由模擬PID和被控對象組成[7

62、]。</p><p>　　圖2.4 模擬PID系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　濾池恒水位控制技術的發(fā)展日新月異。從模擬PID、數字PID到最優(yōu)控制、自適應控制、再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現有的濾池控制系統(tǒng)方案中，PID控制應用最多，也最具代表性。在PID控制算法中，存在著比例、積分、微分3種控制作用：</p><p>　　(1)比例控制作

63、用的特點：</p><p>　　即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號E(t)，系統(tǒng)誤差一旦產生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數Kp。缺點是對于具有自平衡(即系統(tǒng)階段響應終值為一有限值)能力的被控對象存在靜差。加大Kp可減少靜差，但Kp過大，會導致系統(tǒng)超調增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。</p><p>　　(2)積分作用的特點：&l

64、t;/p><p>　　能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質變壞，以至于導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　(3)微分控制作用的特點：</p><p>　　通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應，使超調減小。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降

65、低。根據被控對象的不同，適當地調整PID參數，可以獲得比較滿意的控制效果。因為其算法簡單，參數調整方便，并且有一定的控制精度，因此它成為當前最為普遍采用的控制算法。</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值R(t)與實際輸出值C(t)構成控制偏差：</p><p>　　E(t)==R(t)－C(t) (2.1)</

66、p><p>　　將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過組合構成控制量對被控對象進行控制，故稱PID控制器，其控制規(guī)律為： </p><p>　　U(t)=Kp[ E(t)+ + ] (2.2)</p><p>　　上式中:Kp是控制器比例系數</p><p>　　是控制器積分時間常數</p><p

67、>　　是控制器微分時間常數</p><p>　　E(t)是系統(tǒng)設定值和被控量之差</p><p>　　U(t)是控制器輸出</p><p>　　由于式(2.2)為模擬量表達式，而PLC程序只能處理離散數字量，為此，必須將連續(xù)形式的微分方程化成離散形式的差分方程。令</p><p><b>　　U(t)U(KT)</b&g

68、t;</p><p><b>　　E(t)E(KT)</b></p><p><b>　　T</b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　則可得可得到位置式數字PID算法：</p><p>　　U(K)=KpE(K)+Ki

69、+Kd[E(K)-E(K-1)] (2.4)</p><p>　　式中：T為采樣周期,Kp為比例增益系數，Ki=KpT/稱為積分系數，Kd二Kp/T稱為微分常數。U(K)是U(KT)的簡寫，E(K)是E(KT)的簡寫。</p><p>　　位置式算法對偏差進行累加，然后給出執(zhí)行機構的位置控制量。使用位置式PID數字控制器會造成PID運算的積分積累，引起系統(tǒng)超調，這在生產

70、過程中是不允許的。</p><p>　　由(2.4)不難得到：</p><p>　　U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ Kd[E(K-1)-E(K-2)] (2.5)</p><p>　　將式(2.4)與式(2.5)相減即可得到增量式算法：</p><p>　　U(K)=U(K)一U(K-1)</p><p

71、>　　=(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)+ KdE(K-2) (2.6)</p><p>　　增量式PID控制算法是對偏差增量進行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機構位置的增量。增量式PID數字控制器不會出現飽和，而且當計算機故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應用[7]。</p><

72、;p>　　至此，式(2.6)已可以用作編程算法使用了。</p><p>　　2.2.3 現場濾池控制器</p><p>　　濾池控制器首先控制濾池的液位，把液位大致穩(wěn)定在一個范圍內，達到維持相對穩(wěn)定的濾速的目的。一般的液位控制是由調節(jié)閥來完成的。以來自液位計的液位信號作為反饋信息，PLC作為控制器，調節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2.5所示。一般PLC都可以實現PID

73、功能。液位控制時，把液位計測定值與設定值比較，使用比例或比例積分環(huán)節(jié)進行計算，結果作為閥位給定值送至調節(jié)閥的比例執(zhí)行器，由其完成閥門的動作。這種控制實現簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。</p><p>　　圖2.5 濾池液位控制框圖</p><p>　　但是在凈水廠濾池中，對液位的精度要求不高，無需將液位穩(wěn)定在一指定高度，只要保持在一個較寬松的范圍內即可。此時，可以用開關閥替代調節(jié)

74、閥來調節(jié)液位，降低投資成本。開關閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況與調節(jié)閥的有很大不同。開關閥的驅動信號有兩個，一個開閥，一個關閥，兩者都是開關量，只要持續(xù)為ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關，不會始終保持在一個位置上；而調節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。所以，可以對調節(jié)閥進行控制的PID計算結果，對開關閥無效。通過PLC計算得出閥門位置的機制也就不再適用，需

75、要重新設計。</p><p>　　最簡單的辦法是采用雙位調節(jié)，即液位高于設定時，打開閥門，低于設定時，關閉閥門。此方法非常容易實現，但缺點也非常突出:它的動作非常頻繁。系統(tǒng)中的運動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經常摩擦，很容易損壞。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。所以，該方法不能直接使用。</p><p>　　雙位調節(jié)可以看作是一個極端的比例系數很大的比例控制

76、，對任何一個偏</p><p>　　差，不論大小，都會產生飽和滿載的輸出。根據比例環(huán)節(jié)比例系數對過渡過程的影響，當比例系數增大時，會產生如下變化：</p><p>　　(1)振蕩傾向加強，穩(wěn)定程度下降；</p><p>　　(2)工作頻率提高，工作周期縮短。</p><p>　　這就是雙位調節(jié)導致閥門頻繁開關的原因。如果減小這個所謂的比例系數

77、，就可以減小閥門動作頻率，并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p>　　下面談談如何實現。實際上開關閥的開與關不是瞬時完成的，而是有一個</p><p>　　動作時間。如果對這個動作時間做出限制，就可以對閥門開度進行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機構的改變。一般的開關閥，執(zhí)行機構是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底(關死或開足)，不會中途停止。也就是說，閥門每次的動作時間

78、都是相同的，不可更改。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機構中就不能有連鎖。這樣一來，PLC就可以通過控制動作信號的持續(xù)時間，控制閥門的動作時間了。</p><p>　　然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實現穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強，PLC在檢測到其改變(由低于設定變?yōu)楦哂谠O定，或反之)前，會不斷發(fā)出閥門動作信號，直至動作到底。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁?，頻繁性沒有得到根本的改變。單純的比

79、例控制在對付滯后系統(tǒng)時確實很困難。參考常被應用在較強的滯后系統(tǒng)中的采樣PID，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩PID輸出的更新頻率，以適應系統(tǒng)的滯后性。采樣周期和動作時間的結合，極大的降低了閥門的動作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。</p><p>　　這樣，對雙位調節(jié)增加兩個時間控制，實現了開關閥對液位的調節(jié)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調試。首先估算濾速，平均的濾速V可通過下式求得：</p>

80、<p><b>　　V=</b></p><p>　　以日產量為144000噸為例：</p><p>　　V==0.0058（米/秒）</p><p>　　假設這個速度是在閥門90%開啟度的時候達到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對濾速的影響為0.006厘米/秒。由于事實上不斷地有水流入濾池，實際的液位下降速度要比0.58厘米/

81、秒慢很多，所以采樣的間隔可以設的比較長，達到十幾秒鐘。閥門的動作時間也不必很長，有整個開啟(或關閉)時間的5%即可。在本例中，最終的取值是這樣的:采樣間隔15秒，一次動作時間1秒(由全開至全關的動作時間為18秒)。</p><p>　　至此，液位控制己經可以實現，但仍然可以進一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動作頻率。當液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預期相同時，閥門的動作是非必要的，可以免除，當趨勢與預期不同時，

82、才需要閥門動作進行調節(jié)。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢，就可以進一步減少閥門動作。具體實現是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時被更新。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個比較，判斷液位的升降。之后再結合液位情況，確定閥門是否動作。比如：液位高于設定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動作。相應的，液位低于設定而正在上升，閥門也不動作。</p><p>　　圖2.6出水閥的液位控制流程</p>&

83、lt;p>　　2.2.4 現場控制器與反沖洗控制器的協(xié)調</p><p>　　先從反沖洗的一般過程說起。在一般濾池系統(tǒng)的五個閥門中，進水閥、出水閥在過濾時應打開，而反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應關閉。在反沖洗時，進水、出水閥關閉，氣沖、水沖、排污閥打開。所以，反沖洗過程會伴隨著一系列的開閥關閥動作。具體過程是這樣的:得到信號開始反沖洗后，首先關閉進水閥，并將清水閥開至最大，液位加速下降，濾池即將真正退出過濾

84、。液位降至設定的反沖洗水位時，關閉出水閥，打開排污閥，待排污閥信號到位后準備開始反沖洗。反沖洗包括氣沖、水沖。先開反沖氣閥、鼓風機，氣沖開始。6分鐘后，關閉鼓風機、反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗6分鐘，完成后關閉反沖水閥，停水泵，關閉排污閥。最后，打開進水閥，等液位升到接近恒水位時，濾池反沖洗正式結束，打開清水閥，系統(tǒng)進入正常的過濾程序。整個過程，如圖2.7所示。</p><p>　　這樣一個繁瑣的過

85、程，要由兩套控制器共同完成，一套(濾池控制器，即現場PLC)控制閥門，另一套(反沖系統(tǒng)控制器，即主控PLC)控制鼓風機和水泵，它們之間的協(xié)調與溝通至關重要，需要約定一個可靠的溝通機制。基本上，這個機制就是一系列的標識，用來向其它控制器表明自己當前的狀態(tài)。這些標識作為信號在通訊網絡上發(fā)送，以“O”、“1”表示。當濾池或反沖系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時，相應標識置“1”，向另一控制器發(fā)送，當這一狀態(tài)結束時，標識清零，再向另一控制器發(fā)送。標識的值隨著狀

86、態(tài)的變化而變化。一般的通訊溝通都要求接收方返回一個確認信號，表明正確收到被發(fā)送信號，以備信號在傳送過程中丟失。但這里無須考慮此問題，因為連接控制器的網絡自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號傳送的可靠性[8]。</p><p>　　下面再討論一下標識的設立。首先，不能有兩個濾池同時進行反沖洗，一旦有兩個濾池的氣沖或水沖閥同時打開，沖洗就不能順利進行。</p><p>　　圖2.7 調整前的反沖洗過程

87、</p><p>　　因此，要建立一個標識，表明有濾池在反沖洗，其它濾池不能進行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進入反沖洗狀態(tài)。接著，當氣沖閥打開后，要有一個標識，傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風機。同樣，還要有一個標識，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開反沖水泵。在鼓風機和水泵停止后，又分別要有一個標識，通知濾池控制器關閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的標識，就是兩套控制器之間實現溝通協(xié)調的方法。然而，若不對反沖洗的過

88、程作一些調整和簡化，這種方法會十分復雜，不易實現。原因如下:上述的標識只是一部分，實際的工程中還涉及了故障報警，故障處理等問題，需要添加大量標識。這不但提高了工作程復雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時的有效處理，整個溝通過程將會設計的很龐大、復雜。而且當系統(tǒng)中不只兩臺控制器時，標識個數又會成倍增加，尤其在大系統(tǒng)中應用時，如此數量龐大的標識使溝通的編程實現十分困難。</p><p>　　要減少表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處

89、狀態(tài)的標識，須從反沖洗過程入手，減少需要向其他控制器傳送的中間狀態(tài)。經過與老師和同學們的討論，可以對原先的反沖洗過程作一些修改，以得到一套簡化許多的通訊方案。原先溝通機制過于復雜的原因在于閥門控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進行，兩套控制器各自實施控制常要以對方的控制完成為條件。新的方案則可以減少這種條件，使通訊大為簡化。</p><p>　　調整后的反沖洗過程可分為三個階段:反沖洗前的開、關閥階段，反沖洗階段，反沖洗

90、后的關、開閥階段。流程示意圖如圖2.8所示。第一階段由濾池控制器控制，也是先關閉進水閥，開足清水閥，液位降到設定的反沖洗水位后關閉出水閥，再打開排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。與原來不同的是，此處現場PLC僅僅只涉及到這些閥門的動作，沒有任何涉及反沖洗系統(tǒng)的控制。所有閥門到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個標識，進入第二階段。這一階段沒有任何涉及閥門的控制，全部是關于鼓風機、水泵的操作，由反沖洗系統(tǒng)控制器獨立完成。沖洗完畢，反沖洗系

91、統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個標識，進入第三階段。濾池控制器關閉反沖氣閥、反沖水閥、排污閥，再打開進水閥，液位接近過濾恒水位時，開出水閥，進入正常的過濾工序。</p><p>　　圖2.8 調整后的反沖洗過程</p><p>　　這個方案中，兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務，不僅簡化了協(xié)調過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。比如:在開反沖水閥時遇到故障，原先的處

92、理要發(fā)出報警，主控PLC還要阻止水泵的啟動，兩套控制器都要參與處理。而新方案中，閥門沒有到位，就不會送出標識，故障的處理僅由濾池控制器單獨進行。</p><p>　　上述的控制器協(xié)調機制是只有兩套控制器的最簡情況，當濾池控制器有多個時，情況要復雜一些，但并沒有太多不同。每個濾池控制器都可以此機制與反沖控制器溝通。由于同一時刻只允許有一個濾格處于反沖洗狀態(tài)，其它濾格只能進入等待隊列，所以一次反沖洗只會有一個濾格控制

93、器與反沖洗控制器進行溝通，換句話說，實際上的通訊并不會很復雜，而是有一定的秩序。由此也可見，在多濾池系統(tǒng)中，正在反沖洗的狀態(tài)標識是最重要的一個，它類似于交通信號燈中的紅燈，禁止其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進行非法的通訊，保證通訊協(xié)調的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。</p><p>　　以兩臺控制器組成的濾池控制系統(tǒng)，在凈水廠濾池自動化中有較強的實際意義，既可以在它的基礎上，擴展成為多控制器濾池系統(tǒng)，適應大型水廠的需要，也可以

94、用于老舊中小型水廠的擴建、改造。在我國目前許多城市規(guī)模擴大、人口增加，對自來水需求量迅速增長的情況下，有很大的應用前景。</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　3.1 濾池實現自動控制所需的設備</p><p>　　3.1.1 自控設備清單</p><p>　　整個濾池的自動控制所需的硬件設備，由表3.1所示。<

95、;/p><p>　　表3.1 濾池自控硬件設備清單</p><p>　　濾池設備中，用一臺LOGIX 5550作為主要的控制器，用于和各個現場PLC的通信，收集反沖洗水泵，鼓風機等設備的開關量信號，協(xié)調各格濾池的反沖洗。其它的8臺PLC分別用于各格濾池的工作，即每個濾池分別由一臺PLC和相應的I/O模塊組成，保證正常過濾時的工作。</p><p>　　3.1.2 PLC

96、基本知識及其工作原理</p><p>　　可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC。所謂可編程序控制器，就是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲器，在其內部存儲并執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數和算術操作的指令，通過數字量或模擬量的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。隨著PLC的發(fā)展，它不僅能完成編輯、運算、控制，

97、而且能實現模擬量、數字量的算術運算。</p><p>　　用PLC設計的控制系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點：</p><p>　　(1)能適應工業(yè)現場的惡劣環(huán)境，能抗電磁干擾與電壓沖擊。</p><p>　　(2)簡單，易于使用，不必要求微機軟硬件方面的知識，編程不需要高級語言。</p><p>　　(3)可靠性高，平均故障間隔時間(MTBF)超過200

98、00小時，羅克韋爾公司的產品MTBF達到50000小時。</p><p>　　(4)編程或修改程序容易，程序可以保存和固化。</p><p>　　(5)體積小，價格低。</p><p>　　(6)可直接將數據送入處理器中，可直接連接到現場。</p><p>　　(7)可在基本系統(tǒng)上擴展，系統(tǒng)容易配置，與負載最遠距離可達10000英尺，內存可以

99、擴展。</p><p>　　(8)有很強的通訊功能，可與多種支持設備連接。</p><p>　　(9)系統(tǒng)化，有標準外圍接口模塊。</p><p>　　(10)系統(tǒng)在一種現場不需要時，仍可改在另一現場使用等一系列優(yōu)點。</p><p>　　PLC采用的是掃描的工作方式。掃描是一種形象化的術語，用來描述可編程序控制器內部的CPU的工作過程。所謂

100、掃描就是依次對各種規(guī)定的操作項目全部進行訪問和處理。PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要執(zhí)行，但是一個CPU每一個時刻只能執(zhí)行一個操作而不能同時執(zhí)行多個操作，因此CPU按程序的順序依次執(zhí)行各個操作，這種需要處理多個作業(yè)時依次按順序處理的工作方式稱為掃描工作方式。由于掃描是周而復始無限循環(huán)的，每掃描一個循環(huán)所用的時間為掃描周期[8]。</p><p>　　順序掃描的工作方式是PLC的基本工作方式，它簡單直觀，方

101、便用戶程序設計，為PLC的可靠運行提供了有利保證。一方面，所掃描的指令被執(zhí)行后其結果馬上就可以被后面將要掃描的指令所利用；另一方面，還可以通過CPU設置定時器來監(jiān)視每次掃描時間是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。</p><p>　　本設計系統(tǒng)PLC采用的是梯形圖編程語言。梯形圖在形式上類似于繼電器控制電路圖，它簡單，直觀，易讀，好懂，是PLC中普遍采用的一種編程方式。梯形圖中沿用了繼電

102、器線路的一些圖形符號，這些圖形符號被稱為編程元件，每一個編程元件對應有一個編號。不同廠家的PLC，其編程元件的多少及編號方法不盡相同，但是基本的元件及功能很相近。</p><p><b>　　梯形圖有如下特點：</b></p><p>　　(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個繼電器為一個邏輯行，稱為一個梯形。每一個邏輯行起始于左母線，然后是觸點的各種聯(lián)接

103、，最后是線圈，整個圖形呈梯形。</p><p>　　(2)梯形圖中的繼電器不是繼電器控制電路中的物理繼電器，它實質上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，因此稱為軟繼電器，相應的某位觸發(fā)器為真態(tài)，表示該繼電器通電，其常開觸點閉合，常閉觸點打開。</p><p>　　梯形圖中的繼電器的線圈的定義是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器以外，還包括定時器、計數器等。</p><p>　

104、　(3)梯形圖中，一般情況下某個編號的繼電器線圈只能出現一次，而繼電器的觸點是可以被無限制的引用，既可是常開觸點也可以是常閉觸點。</p><p>　　(4)梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側的母線不接任何電源，因而圖中各個支路也沒有真實的電流通過，但是為了方便，常用有電流來形象的描述輸出線圈的動作條件。所以僅僅是概念上的電流，而且認為它只能從左向右流動，層次的改變只能是先上后下。</p>

105、<p>　　PLC的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個輸出點發(fā)出相應的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時的接收外來的控制命令，每個掃描周期還要進行故障自診斷和處理與編程器、計算機的通信請求。因此，PLC工作過程分為以下五步：</p><p><b>　　(1)自診斷</b><

106、/p><p>　　自診斷功能可使PLC系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時能盡快的修復，為此PLC每次掃描用戶程序以前都對CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進行掃描，而一旦發(fā)現故障或異?，F象則轉入處理程序，保留現行工作狀態(tài)，關閉全部輸出，然后停機并顯示出錯的信息。</p><p><b>　　(2)與外設通信</b></p><p