毕业设计论文S7200PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用

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1、摘 要可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。本课题研究的内容就是利用PLC技术实现自来水厂虹吸刮泥机的自动化控制，设计其电气控制系统，将最新的控制技术应用到工作过程中，提高虹吸刮泥系统的稳定性、可靠性和实时性。本文综述了PLC控制系统的一般结构；简述了PLC控制系统设计的原则、内容和步骤。针对该虹吸刮泥系统的特点和性能要求，采用了德国西门子公司S7-200系列中S7-214作为系

2、统控制器，重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法，并简要分析了用计时器实现掉电自保的方法和用实时时钟功能实现自动定时刮泥的方法。经过运行实践表明，以PLC控制的系统可靠性和实时性良好，完全满足系统设计要求，取得了良好的经济效益。关键词：可编程控制器 虹吸刮泥系统 掉电自保 实时时钟AbstractProgrammable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, tak

3、ing microprocessor as its core, integrating microcomputer technology, automation technology and communication technology. It is applied very diffusely in varied field of industrial control with the characteristics such as all-round functions, flexible application, well reliability, high ratio of cap

4、ability and price and easy maintenance and so on, having become a robust tool to realize industrial automation.The content that this paper studied is to make use of PLC technology to realize the intelligent transformation of the scrape mud system, design the electric control system, apply the latest

5、 control technology to the lathe transform, and improve the stability of the scrape mud system, reliability and real time nature. The paper summarizes the general structure of PLC control system; puts forward the principle, content and step of PLC control system designing. Siphon blow against the sy

6、stem of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-200 series systems as a S7-214 controller focuses on the systems hardware and software design methods, focuses on the systems hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve

7、 power-fail and try to keep the real-time clock function for automatic timing scratching the soil.After running, practice shows that the PLC control system reliability and good real-time, fully satisfy the design requirements, achieved good economic results. Keywords: Programmable Logic Controller S

8、iphon scratching mud system Power down protection Real time clock目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11. 1课题的来源和意义11.2继电器控制系统的特点及存在问题11.2.1继电器控制系统的特点11.2.2继电器控制系统存在的问题11.3可编程序控制器（P LC）及其在电气控制中的应用特点21.3.1可编程序控制器（PLC）的定义21.3.2可编程序控制器（PLC）的特点21.3.3可编程序控制器（PLC）控制虹吸刮泥机的优点41.3.4 可编程序控制器（PLC）的应用领域41.3.5可编程控制技术（PLC）的发展趋势

9、41.4课题的主要研究内容61.5 本章小结6第二章 虹吸刮泥机设备介绍82.1刮泥机简介82.1.1 刮泥机系统组成82.1.2刮泥机的工作状况92.2虹吸刮泥机的工作原理102.2.1虹吸原理102.2.2虹吸刮泥机工作原理102.3刮泥机控制方式112.4刮泥机常规操作112.4.1现场自动开刮泥机操作规范112.4.2手动方式开刮泥机操作112.5本章小结11第三章 PLC基本原理和系统设计方法介绍123.1 PLC基本工作原理123.2 PLC的一般结构133.3 PLC模块化结构分析143.4 PLC控制系统设计的基本原则153.5 PLC控制系统设计与调试的步骤153.6提高PL

10、C控制系统可靠性的措施183.7本章小结20第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计214.1 水厂的工艺流程214.1.1 平流沉淀池224.1.2 平流沉淀池的排泥224.2 虹吸刮泥机的控制要求234.3虹吸刮泥机系统总体方案确定234.4本章小结23第五章 虹吸刮泥机PLC控制系统的硬件设计245.1 PLC控制系统I/O点数的确定245.2 PLC的选择245.2.1 机型选择245.2.2 系统容量255.2.3 I/0模块255.2.4 电源模块255.3西门子S7-200系列PLC简介265.3.1西门子S7-200系列PLC的特点265.3.2 S7-200系列PL

11、C扩展模块和TD20011265.3.3 SIMATIC S7-200的主要功能265.3.4 SIMATIC S7-200 CPU214简介275.3.5 S7-200系列PLC编程工具STEP 7-Micro/WIN275.4 基于S7-200 CPU 214的虹吸刮泥机电气原理分析3275.4.1 控制方式的选择295.4.2刮泥机行程的选择295.5 本章小结30第六章 虹吸刮泥机PLC控制系统软件设计316.1 PLC控制系统的软件设计316.1.1 PLC软件设计概述316.1.2 PLC程序设计的常用方法336.1.3 PLC程序设计步骤356.2 虹吸刮泥机PLC控制系统软件设

12、计366.2.1 PLC自动控制系统控制工艺流程图366.2.2虹吸刮泥机PLC实现的控制功能376.2.3 虹吸刮泥机PLC控制系统的梯形图396.2.4 虹吸刮泥机PLC控制程序清单12416.3本章小结42结束语43致 谢44参考文献45第一章 绪论1. 1课题的来源和意义在提倡健康绿色生活的社会环境下，生活用水的质量，关系到每家每户的健康，而人们对它的水质提出更高要求。随着自动化技术、控制设备和机电仪表的发展，使水行业的自动化发展成为现实，更好保障水质量。在自来水厂中，沉淀设备是整个水处理工艺系统最重要的过程之一，是水处理工艺中泥水分离的重要环节，是保障水厂优质供水的关键所在，其运行状

13、况直接影响出水水质，关系到千家万户的用水卫生和身体健康。虹吸刮泥机是水厂工艺上沉淀的一种电气设备，其能否正常运行直接影响水厂自动化的正常控制。早期刮泥机因采用常规继电器进行控制，控制线路过于烦琐复杂，不便于维护，故障率又高，因此，建立基于PLC为核心的水厂虹吸刮泥自动控制系统的目的是对虹吸刮泥机刮泥过程的设备工况、工艺参数等现场状况进行监视和自动调控，从而保障刮泥处理过程的稳定性和运行的连续性、可靠性。同时，如何充分发挥PLC丰富的逻辑、控制功能，如何采用国内外著名品牌的PLC软硬件产品构成的水处理自控系统，是实现一个不但可以满足工程周期的要求，更可以确保稳定性、可靠性和先进性的虹吸刮泥机系统

14、的关键。本课题欲达到的目的或预期研究的结果是采用先进的国内外计算机软、硬件技术和设备设计出一套通用的，质量可靠、成本适宜的水处理刮泥自动控制方案。1.2继电器控制系统的特点及存在问题1.2.1继电器控制系统的特点a) 所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。b) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。c) 大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格便宜。d) 多年来我国一直生产和运用这类电器，技术成熟，已形成系列化产品, 技术资料图纸齐全，熟悉掌握的人员较多。1.2.2继电器控制系统存在的问题a) 系统触点繁多接线

15、线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。b) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。c) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。d) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。e) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高;而且检查故障困难，费时费工。因此，继电器控制系统故障率高，大大降低了系统的可靠性和安全性，造成机械部件损坏，造成不必要的损失，甚至可能出现人身事故。1.3可编程序控制器（P LC）及其在电气控制中的应用特点1.3.1可编程序控制器（PLC）的定义可编程控

16、制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer )的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委(IEC)先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义： “可编

17、程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的1，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。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联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。1.3.2可编程序控制器

18、（PLC）的特点为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：a) 可靠性对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。1) PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。2) PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTTR，使可靠性提高。3) PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。4) PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言

19、，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。5) 在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件;采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。6) PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波等;软件自诊断;简化编程语言等。b) 易操作性PLC的易操作性表现在下列几个方面：1) 操作方便。PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输

20、入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。2) 编程方便。PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，十分有助于编程人员的编程。3) 维修方便。PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。c) 灵活性PLC的灵活性表现在以下几个方面：1) 编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语

21、言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。2) 扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。3) 操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。1.3.3可编程序控制器（PLC）控制虹吸刮泥机的优点a) 在虹吸刮泥机控制中采用了PLC，用软件实现对虹吸刮泥机运行的自动控制，可靠性大大提高。b) 去掉了大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。c) PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。d) PLC可进行故障自动检测报警显示，提高运行安全性，并便于检修。e) 更改控制方案时不

22、需改动硬件接线。1.3.4 可编程序控制器（PLC）的应用领域随着PLC的性能价格比的不断提高，过去许多采用专用计算机或继电器控制的场合，都可使用PLC来代替。PLC的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：a) 开关量逻辑控制。利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。b) 运动控制。运动控制是指通过配用PLC生产厂家提供的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机和伺服电机，从

23、而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆周运动。c) 闭环过程控制。通过配用A/D, D/A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环PID调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。d) 数据处理。现代PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。e) 通信、联网及集散控制(TDCS)。PLC的通信包括PLC之间的通信、PLC和其它智能设备的通信。随着计算机控制技术的发展，现代的PLC可以实现工厂自动化通信网络系统。PLC可与智能仪表、执行装置(如变频器等)进行通信和联网，互相交换数据

24、并实施对其的控制。利用PLC强大的通信联网功能，把PLC分布到工业控制现场，并实现各站间、上下层间通信，达到分散控制、集中管理，即构成了DCS( Distributed Control System) 系统。1.3.5可编程控制技术（PLC）的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去，PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功

25、能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下：a) 可编程控制技术的标准化。在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。b) CPU处理速度进一步加快。

26、目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在80486一级。将来会全部使用64位RISC芯片，实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。c) 可编程控制技术的智能化。提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。d) 系统的开放性和兼容性。开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自

27、动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。e) 通用性和专业化的结合。可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块

28、、网络接口模块等。f) 可靠性进一步提高。随着PLC进入过程控制的领域，对PLC可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其PLC产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。g) 控制系统分散化。根据分散控制、集中管理的原则，PLC控制系统的I/0模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主C

29、PU进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。h) 控制与管理功能一体化。为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论：1) 工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。2) 系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。3) 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。4) 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。1.4课题的主要研究内容课题所研究的内容主要是用可编程控制器(PLC)设计水厂虹

30、吸刮泥机自动控制系统。针对老式虹吸刮泥机采用的继电器逻辑控制方式存在功能差和工作寿命短等缺陷，提出采用功能强、故障率低、弱、故障少、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制刮泥机。论文的主要内容如下：首先对虹吸刮泥机系统及可编程控制器（PLC）作了比较全面的总结和介绍。简述了虹吸刮泥机的工艺流程，分析了自来水厂虹吸刮泥机过程对控制系统的控制要求，确定了虹吸刮泥机PLC控制系统的总体控制方案，完成了可编程控制器（PLC）的选择。然后，完成了PLC的选型，I/O点数分配，完成了虹吸刮泥机基于PLC控制的电气接线图。在分析虹吸刮泥机的软件基础上，设计出了软件流程图，控制系统的梯形图，编写了程序。1.5

31、 本章小结本章阐述了课题的来源和意义，对常规继电器和PLC作了分析和比较，提出了PLC控制虹吸刮泥机的优点，也确定了本课题讨论的主要内容。第二章 虹吸刮泥机设备介绍2.1刮泥机简介沉淀池的排泥是运转中的重要问题，它关系到沉淀池的正常运行。排泥设备有两种，一种是穿孔排泥管，另一种是刮泥机。穿孔排泥是一种较为简易的排泥方法，穿孔排泥管多用于反应池，它是利用沉淀池的水压力，做到无需停池排泥，简单、方便。刮泥机是机械排泥的一种形式，它主要由电动机、变速箱、钢桁架、轴流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等组成。它是原理也相当简单，电动机拖动钢桁架，桁架沿着导轨运动，刮泥板将池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口处，轴

32、流泵将压力水充满虹吸管产生虹吸，虹吸管就能将池底的淤泥连续不断地吸到池外了。由此得知，刮泥机是自来水厂制水工艺上的一种重要的电气设备，其能否正常运行是直接影响到生产运作，影响到自来水厂自动化的正常控制。2.1.1 刮泥机系统组成a) 刮泥机刮泥机布置在水下，采用V型刮板，刮板高0.45m。为防止池底不平整和减少磨损，下衬10mm厚，400mm高橡胶板。刮泥机跨度约7米，车轮直径D200mm。轨道高出池底15cm，滚轮中心距池底40cm，形成悬挂式刮泥机。这样可使滚轮轴套等离开泥浆区，减少泥砂进入2。如图2.1所示：水下滑轮和刮泥机车轮均采用滚动轴承装置，为防止污泥进入轴承箱，采用石棉盘根密封装

33、置，见图2.2。这样，只需要五年更换一次轴承箱内的润滑油脂。b) 钢丝绳刮泥机通过钢丝绳牵引，由于长期浸于水下，不宜采用镀锌钢丝绳，因镀锌层出现裂纹时反而会由于双金属的电化学作用而加速腐蚀。故选用10mm不锈钢钢丝绳4根。但干、湿交替运行，腐蚀和温度仍是其重要影响因素。c) 慢动式卷扬机慢动式卷扬机两台，布置在池中部的走道平台上，各台传动功率1.0Kw。在两根钢丝绳的牵引下，保持两台卷扬机同步，使两端受力均匀，以防刮泥机出轨。2.1.2刮泥机的工作状况刮泥机运行方向垂直于水流方向，行驶速度为0.8m/min。在沉淀池两侧沿池长方向布置集泥槽两条。喇叭口吸泥管（DN250）放置槽中，穿孔排泥管与

34、刮泥机联动，当刮泥板将泥刮至集泥槽边缘时，大量污泥拥入集泥槽，开启快开排泥阀，将稀释的泥水抽吸输送至池外排泥渠。如图2.3所示：1一套刮泥机（池底轨道上）2四套水下导向滑轮组（与池壁预埋件定位）3四套水上导向张紧滑轮组（与池壁预埋件定位）4两套卷筒装置（池顶走道板上）5两套减速电机（池顶走道板上）6四根不锈钢钢丝绳（连接刮泥机与卷扬筒）2.2虹吸刮泥机的工作原理2.2.1虹吸原理就是连通器的原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。而虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，出水口用手掌或其他物体封闭住。此时管内压强处处相等。一切安置好后，打开出水口，虽然两边的大气压相等，但是来水端的水位高，

35、压强大，推动来水不断流出出水口。2.2.2虹吸刮泥机工作原理安装在沉淀池上的刮泥机是采用虹吸进行吸泥的，故称之为虹吸刮泥机。刮泥机主要由虹吸管、轴流泵、行走电动装置、刮泥机体等主要部件组成。起动轴流泵抽水，水灌射入虹吸管，从另一端射出，从而产生虹吸吸力，慢慢地吸走虹吸管中的空气，当虹吸管形成比较强的真空吸力后，就可以把沉积在沉淀池底的淤泥与水的混合物吸入虹吸管，排放到沉淀池外的排污沟，这个过程称之为虹吸刮泥3。当虹吸形成之后，刮泥机开始向前运行吸泥，当刮泥机到达预定的行程之后，开始破坏虹吸，即打开破坏虹吸电磁阀，让空气进入虹吸管，破坏虹吸管内的真空度，从而使虹吸管停止吸泥。当虹吸被破坏后，刮泥

36、机往初始的方向返回，到初始位置后停止运行，就完成了一次的虹吸刮泥过程。2.3刮泥机控制方式虹吸刮泥机控制系统分手动和自动两种控制方式。行程开关与卷扬机相连，自动控制其往复行程 ，并采用变频调速控制速度。手动控制采用现场电控箱，进行开/停控制；自动系统由微型计算机和PLC站组成，两级分布式集中管理、分散控制的SCADA。PLC通过编制程序直接控制刮泥机运行，监控计算机通过组太软件可控制刮泥机运行，并对运行速度和时间等工艺参数进行实时显示、记录、存储、分析、打印，并对事故状态进行报警。2.4刮泥机常规操作2.4.1现场自动开刮泥机操作规范a) 送上刮泥机的电源（电源灯亮）；b) 将切换开关“程/点

37、/运”切换到“运”状态；c) 用选择开关“I/III/II”，选择刮泥机的行程；d) 点按“运行”按钮，刮泥机自动刮泥。2.4.2手动方式开刮泥机操作a) 送上刮泥机的电源（电源灯亮）；b) 将切换开关“程/点/运”切换到“点”状态；c) 用选择开关“I/III/II，选择刮泥机的行程；d) 按住“开虹吸泵”按钮，开启虹吸泵，直到真空表为-0.035MPa时止；e) 虹吸形成后，按住“行车向前”按钮，使刮泥机向前刮泥；f) 刮泥完成后，按住“破坏虹吸”按钮，破坏虹吸；g) 按住“行车后退”按钮，使刮泥机返回到原位。2.5本章小结简述了刮泥机系统的组成和虹吸刮泥机的工作原理，介绍了刮泥机的控制方

38、式和操作规范。第三章 PLC基本原理和系统设计方法介绍3.1 PLC基本工作原理PLC虽然具有微机的许多优点，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。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。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，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。这个工作过程分为五个阶段:自诊断，与编程器等的通信，输入采样

39、，用户程序的执行，输出刷新4。其工作过程框图如图3.1所示。图3.1 PLC的工作过程框图a) 每次扫描用户程序之一前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/0部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。b) PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。c) PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。d) 中央处理器CPU将指令逐条调出

40、并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数据)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。e) 当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作，而PLC是以反复扫描的方式

41、工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作。这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。3.2 PLC的一般结构用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，而输入输出变换实际上就是信息处理。物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场，而输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O系统电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是CPU, RAM, ROM和

42、专门设计的输入输出接口电路等组成5。如图3.2所示。图3.2 PLC的一般结构图a) 中央处理机中央处理机是PLC的大脑，它由中央处理器(CPU)组成。中央处理器(CPU)一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(VO)接口电路相连接。b) 存储器存储器是具有一记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。用户程序存储器用来存放由编程器或计算机输入的用户程序。用户

43、程序是指使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可以通过编程器或计算机修改或增删。c) 输入接口电路现场输入接口电路一般有光电祸合电路和微电脑输入接口电路组成。1) 光耦合电路：由于输入和输出端是靠光信号祸合的，在电气上是完全隔离的，因此输出的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它串扰。同时，由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环节采用了光电耦合，因而增强了抗干扰能力。2) 微电脑输入接口电路：它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯

44、片上。现场的输入信号通过光电耦合送到数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。d) 输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。1) 微电脑输出接口电路：一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。2) 功率放大电路：是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。除了上面介绍的几个主要部件外，PLC还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及A/D , D/A串行通信模块等，可以方便地用电缆进行连接。3.3 PL

45、C模块化结构分析可编程控制器都采用模块化设计，模块化可编程控制器采用搭积木的方式组成系统。即把CPU、信号的采集和输出都做成一个一个相对独立的模块，模块之间需要用机架将各模块联乘整体。一个PLC系统可包括以下几种模块类型：a) 电源模块现代PLC一般都配有开关式稳定电源，可供内部电路使用，也有一部分电源还可以向外提供24V的直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用，或给外部传感器供电，应当说明的是，要用多大功率的电源是根据内部电路和外部供电的电流数之和来决定的。即先确定模块的个数和种类，也就确定它们所消耗的电流之和，从而才能确定使用什么样的电源。b) 中央处理器模块CPU板是整个PLC

46、的中央处理单元，是PLC的运算控制中心。CPU板由微处理器、存储器、系统控制电路、I/O控制接口电路、编程器接口及通信接口电路组成，其中存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用于存放PLC的系统程序和系统工作的参数。用户存储器用于存放用户编制的程序和工作数据。c) 通讯处理器（CP）模块当今较为先进的PLC的结构基本上都是属于总线型结构。即无论是上位机还是下位机都被看作总线上一个一个处理单元。它们都是通过通信处理器串联在总线上的。总线的大量数据都是通过通信处理器来进行通信。d) 信号模块实际生产中的信号电平是多种多样的。而可编程控制器的CPU所处理的只能是标准电平，正式通过I/O接口实现

47、了这种信号电平的转换。e) 扩展模板用于中央控制器和扩展单元的连接。为了便于以后的扩展，还提供通讯接，口存储接口，编程接口。当用户所需要的I/O点数或类型超出主机上的点或类型时，可以通过加接I/O扩展单元来解决。主机与I/O扩展单元是通过扩展口连接的。f) 编程接口PLC的设定以及监视控制处理程序的编写一般都由一台编程计算机(PG)来完成。所谓的编程实际上既可以是一台单独的计算机，也可以是上位机。但它们都有一个相同的特点，就是装有PLC的编程组态软件。所有的组态和PLC的编程都是由编程计算机来处理，然后通过编程接口下载到PLC中去。编程计算机也可以通过编程接口读出下位机的组态数据和程序。3.4

48、 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电器控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量，因此在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：a) 最大限度地满足被控对象的控制要求6，设计前应深入现场进行调查研究，收集资料，并与工艺的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案。b) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单,经济,使用和维修方便。c) 保证控制系统的安全与可靠。d) 考虑到生产的发展和工艺的改进,在选择PLC容量时,应适当留有裕量。3.5 PLC控制系统设计与调试的步骤PLC控制系统设计的一般步骤如图3.3所示：确定用户I/O设备选择PLC分配I/O，设计

49、I/O连接图绘制流程图设计控制台设计梯形图调试现场连线修改联机调试满足要求YESNONOPLC程序设计YES编制技术文件交付使用图3.3 PLC控制系统设计步骤工艺流程分析控制要求满足要求NO 在编写和实现一个控制方案时，组织是关键。项目越大，组织工作越多，尤其当多人参与编程时，更要注意各方面的规划，对于具体的控制功能，解决问题的方法有很多种，但是如果以系统方式完成应用程序，出错的可能性就会减少。所以，设计好系统的步骤是很重要的。步骤如下所示：a) 分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制

50、方案，拟定设计任务书。b) 确定输入输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。c) 选择PLCPLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择.d) 分配I/O点并设计PLC外围硬件线路1) 分配I/O点画出PLC的I/O点与输入输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第步中进行。2) 设计PLC外围硬件线路画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和P

51、LC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。e) 程序设计1) 程序设计根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容： 初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生错误动作, 初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等. 检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基

52、本完成时再添加。 保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱.2) 程序模拟调试程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式. 硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。 软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编

53、程器的监控功能。f) 硬件实施硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。2) 设计系统各部分之间的电气互连图。3) 根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。g) 联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可h) 整理和编写技术文献技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。3.6提高PLC控制系统

54、可靠性的措施虽然PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高PLC系统运行的可靠性，使用时应注意以下几个方面的问题。 a) 适合的工作环境1) 环境温度适宜。各生产厂家对PLC的环境温度都有一定的规定。通常PLC允许的环境温度约在055C。因此，安装时不要把发热量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的场所；安装PLC的控制柜最好有通风的百叶窗，如果控制柜温度太高，应该在柜内安装

55、风扇强迫通风。2) 注意环境污染。不宜把PLC安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐烛性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。如果只能安装在这种场所，在温度允许的条件下，可以将PLC封闭；或将PLC安装在密闭性较高的控制室内，并安装空气净化装置。3) 远离振动和冲击源。安装PLC的控制柜应当远离有强烈振动和冲击场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。4) 远离强干扰源。PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC还应该远离强电磁场和强放射源，以及易产

56、生强静电的地方。b) 合理的安装与布线1) 注意电源安装。电源是干扰进入PLC的主要途径。PLC系统的电源有两类：外部电源和内部电源。外部电源是用来驱动PLC输出设备(负载)和提供输入信号的，外部电源的容量与性能由输出设备和PLC的输入电路决定。由于PLC的IO电路都具有滤波、隔离功能，所以外部电源对PLC性能影响不大7。因此，对外部电源的要求不高。内部电源是PLC的工作电源，即PLC内部电路的工作电源。它的性能好坏直接影响到PLC的可靠性。因此，为了保证PLC的正常工作，对内部电源有较高的要求。一般PLC的内部电源都采用开关式稳压电源或原边带低通滤波器的稳压电源。在干扰较强或可靠性要求较高的

57、场合，应该用带屏蔽层的隔离变压器，对PLC系统供电。还可以在隔离变压器二次侧串接LC滤波电路。同时，在安装时还应注意以下问题：隔离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线连接，以控制串模干扰；系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备起动时引起的线路压降；PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。否则可能使PLC接收到错误的信号。2) 远离高压。PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内PLC应远离高压电源线，二者间距离应大于200mm。合理的布线。I/O线、动力线及其它控制线应分开走线，尽量不要在同一线槽中布线。交流线

58、与直流线、输入线与输出线最好分开走线。开关量与模拟量的/线最好分开走线，对于传送模拟量信号的/线最好用屏蔽线，且屏蔽线的屏敝层应一端接地。PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频率高，很容易受干扰，不能与其它的连线敷埋在同一线槽内。PLC的I/O回路配线，必须使用压接端子或单股线，不宜用多股绞合线直接与PLC的接线端于连接，否则容易出现火花。c) 正确的接地。良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制干扰，PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置，也可以采用公共接地。PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。d) 必须的安全保护环节1) 短路保护。当PL

59、C输出设备短路时，为了避免PLC内部输出元件损坏，应该在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。2) 互锁与联锁措施。除在程序中保证电路的互锁关系，PLC外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行，如电动机正、反转控制，要利用接触器KM1、KM2常闭触点在PLC外部进行互锁。在不同电机或电器之间有联锁要求时，最好也在PLC外部进行硬件联锁。采用PLC外部的硬件进行互锁与联锁，这是PLC控制系统中常用的做法3) 失压保护与紧急停车措施。e) 必要的软件措施有时硬件措施不一定完全消除干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC控制

60、系统的抗干扰能力和可靠性起到很好的作用。1) 消除开关量输入信号抖动。在实际应用中，有些开关输入信号接通时，由于外界的干扰而出现时通时断的“抖动”现象。这种现象在继电器系统中由于继电器的电磁惯性一般不会造成什么影响，但在PLC系统中，由于PLC扫描工作的速度快，扫描周期比实际继电器的动作时间短得多，所以抖动信号就可能被PLC检测到，从而造成错误的结果。因此，必须对某些“抖动”信号进行处理，以保证系统正常工作。2) 故障的检测与诊断。PLC的可靠性很高且本身有很完善的自诊断功能，如果PLC出现故障，借助自诊断程序可以方便地找到故障的原因，排除后就可以恢复正常工作8。3.7本章小结本章介绍了PLC

61、的工作原理和结构组成，也阐述了PLC系统设计的原则、步骤，另外讲述了PLC系统可靠性的提高。第四章 虹吸刮泥机系统控制要求及其总体控制方案设计4.1 水厂的工艺流程水厂水处理基本过程如下图4.1所示：水库调节水库混合槽折板反应池平流沉淀池滤池源水回收水排淤系统后投氯点清水池吸水井清水泵城市供水管网wang 网出厂水投矾点前投氯点水厂图4.1 水厂工艺流程图水厂的源水通过干渠输送到水厂。源水进入厂区后，先进行前加氯，接着进入净水处理系统，该系统是水厂的核心部分，由净水构筑物及投加系统组成。净水构筑物指的是反应池、沉淀池、滤池、清水池等一系列的工艺水池；而净水处理所需投放的净水剂及其投放设备、控制

62、系统构成了水厂投加系统的主体。从工艺流程上看，净水处理通常包括澄清和消毒两大部分。澄清的重要流程为：在源水中投入适量的混凝剂，在混合槽中经过快速搅拌后，混合了混凝剂的水进入折板反应池，水中均匀分布的杂质颗粒逐步凝结形成较大的、易于沉降的颗粒，颗粒经过沉淀池时，被沉淀、收集、排除。这一过程使浑浊的河水变成较清澈的待滤水。待滤水进入滤池后，残余的杂质颗粒被过滤掉，过滤后的水随即进入消毒流程，即投加适量的消毒剂，用以杀灭水中的细菌，并使自来水出厂后仍保留一定的消毒能力。成品水进入清水池后，最后经吸水井由清水泵房的泵机加压进入城市供水管网，则可以饮用。4.1.1 平流沉淀池平流式沉淀池的表面为矩形水池，如图4.2所示。其上部为沉淀区，下部为污泥区，原水经混凝过后的水从前部的进水区进入沉淀池，缓缓向前流动，固体悬浮物(矾花)慢慢地沉到池底，最后从出水区流出，利用重力达到固液分离的效果9。图4.2 平流式沉淀池立面图一般来说，为了达到较好的沉淀效果，给水处理厂沉淀池一般都会采用整流措施，使得整个沉淀池内的水流流动平稳以有利于沉淀。如图2中的穿