毕业设计-基于PLC水厂虹吸刮泥机系统的设计.doc

摘要
摘 要
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的， 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。它是由传统的继电器控制系统发展而来的，具有功能完善、适用性强、可靠性强等特点，目前已经广泛地应用于工业控制领域，是实现机电一体化的理想控制设备。
本课题研究的内容利用S7-300 PLC来实现水厂虹吸刮泥机的自动控制，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，提高虹吸刮泥机系统的稳定性和可靠性。本文讲述了PLC控制系统的特点和性能要求，采用了德国西门子公司S7-300作为系统控制器，重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法。
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】：虹吸刮泥 可编程控制器 控制系统 掉电自保 实时时钟
Abstract

Programmable Logic Controller (PLC) is a kind of universal industrial control apparatus which is developed rapidly and used widely in recent years, taking 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 capability 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 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 system of soil characteristics and performance requirements Germany adopted a Siemens S7-300 series systems focuses on the system's hardware and software design methods, focuses on the system's hardware and software design methods, Summary and Analysis of the timer used to achieve 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: Siphon scratching mud Programmable Logic Controller Control system Power down protection Real time clock.

I

目录
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 选题目的和意义 1
1.3 本文设计的主要内容 1
本章小结 2
第二章 可编程控制器（PLC）以及在电气控制中的应用特点 3
2.1 可编程控制器（PLC）的定义 3
2.2 可编程控制器（PLC）的应用特点 3
2.2.1 可靠性高，抗干扰能力强 3
2.2.2 控制程序可变，具有很好的柔性 3
2.2.3 编程方法简单易学 3
2.2.4 多功能，性价比高 4
2.2.5 能耗低 4
2.3 可编程控制器（PLC）与继电控制系统的比较 4
2.4 可编程控制器（PLC）的应用 4
2.4.1 开关量逻辑控制 4
2.4.2 运动控制 5
2.4.4 数据处理 5
2.5 PLC的基本工作原理 5
2.5.1 扫描的工作方式 5
2.5.2 循环扫描周期 5
2.6 PLC的一般组成 6
2.6.1 中央处理单元 7
2.6.2 存储器 7
2.6.3 输入输出接口电路 7
2.6.4 电源 8
2.6.5 编程器 8
2.7 PLC控制系统设计的基本原则 8
2.8 PLC控制系统设计及调试的步骤 8
本章小结 10
第三章 虹吸刮泥机介绍以及系统控制方案 11
3.1 水厂的工艺流程 11
3.2 虹吸刮泥机简介 12
3.3 虹吸刮泥机的工作原理 12
3.4 虹吸刮泥机的控制方式 13
3.5 刮泥机常规操作 13
3.5.1 现场自动开刮泥机操作规范 13
3.5.2 手动方式开刮泥机操作 13
3.6 虹吸刮泥机控制系统的控制要求 13
3.7 虹吸刮泥机控制系统总体控制方案 14
本章小结 14
第四章 虹吸刮泥机PLC控制系统的硬件设计 15
4.1 PLC控制系统I/O点数的确定 15
4.2 PLC的选择 15
4.2.1 PLC机型的选择 15
4.2.2系统容量 16
4.2.3 I/O模块 16
4.2.4电源模块 16
4.3 西门子S7-300系列PLC简介 17
4.3.1 西门子S7-300系列PLC的特点 17
4.3.2 西门子S7-300 PLC的编程方式 17
4.4 基于S7-300的虹吸刮泥机控制系统电气原理分析 17
4.5 提高PLC控制系统的可靠性 19
4.5.1 适合的工作环境 19
4.5.1.1 环境温度适宜 19
4.5.1.2 避免环境污染 20
4.5.1.3 远离强干扰 20
4.5.1.4 合理的安装和布线 20
4.5.2 硬件保护措施 20
4.5.2.1 短路保护 20
4.5.2.2 正确的接地保护 20
4.5.2.3 互锁和联锁措施 20
4.5.3 软件保护措施 20
本章小结 21
第五章 虹吸刮泥机PLC控制系统软件设计 22
5.1 PLC控制系统的软件设计 22
5.1.1 PLC软件设计概述 22
5.1.2 PLC程序设计的常用方法 24
5.1.3 PLC程序设计步骤 25
5.2 虹吸刮泥机PLC控制系统软件设计 26
5.2.1 PLC自动控制系统控制工艺流程图 26
5.2.2 虹吸刮泥机PLC I/O分配表 27
5.2.3 虹吸刮泥机PLC实现的控制功能 28
5.2.4 虹吸刮泥机PLC控制系统的梯形图 29
5.2.5 虹吸刮泥机PLC控制程序清单 34
本章小结 36
总结 37
致谢 38
参考文献 39

V

第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 选题背景
现如今，人们更加倡导环保健康的生活习惯，而保证生活用水的质量，越来越成为人们生活中关注的焦点。随着科学技术的不断发展，人们也对水质量提出更高要求。为了满足人们的越来越高的物质要求，保障自来水的供应以及自来水的质量成为供水部门的当务之急。
在自来水厂中，沉淀设备是整个水处理过程最重要的设备之一，是水处理工艺中泥水分离的重要环节，只有不断优化这一设备，才能保障供水的数量以及质量，它关系到每家每户的用水健康。虹吸刮泥机是水厂沉淀工艺上非常重要的电气设备之一，能否正常运行直接关系到水厂自动化正常控制。早期的虹吸刮泥机是通过常规的继电器控制系统来实现自动化，由于继电器控制系统接线繁杂，效率低而且可靠性低，导致继电器控制系统逐渐在高速发展的自动化控制领域中逐渐被淘汰，取而代之的是使用方便、高效率、可靠性高、抗干扰能力强的PLC控制系统。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 软硬件设备构成的水处理自控系统，是实现一个不但满足工程周期的要求，更是确保稳定性、可靠性和先进性的虹吸刮泥机系统的关键。本课题欲达到的目的是采用先进的PLC软硬件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 选题目的和意义
虹吸刮泥机是自来水厂里制水工艺中沉淀池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，影响到自来水厂自动化生产的正常控制。采用基于PLC基础上的国内外著名品牌的软硬件产品构成该控制系统的核心，取代大部分常规继电器控制，实现现场自动化控制，对提高虹吸刮泥机系统的运行可靠性和高效性具有重要意义。
1.3 本文设计的主要内容
本文的设计内容主要是基于PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用与设计，其主要的设计内容为：
1、分析自来水厂虹吸刮泥过程对控制系统的控制要求，确定出该刮泥自动控制系统的总体控制方案。
2、分析刮泥机的运行原理，设计其电气原理图；
3、进行其PLC控制系统软硬件的设计，其中包括根据系统设备对自控系统要求统计出PLC控制器的I/O点数，选定PLC控制器的型号，确定PLC系统的硬件配置，进行PLC控制系统软件设计，设计出自控系统程序流程图并编写程序。
本章小结
本章阐述了基于PLC水厂虹吸刮泥机控制系统的选题目的和意义，以及设计本课题需要完成的主要内容，以便更好地去设计和实现水厂虹吸刮泥机控制系统。
1

第二章 可编程控制器（PLC）以及在电气控制中的应用特点
第二章 可编程控制器（PLC）以及在电气控制中的应用特点
2.1 可编程控制器（PLC）的定义
可编程控制器（Programmable Controller）简称PC。个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，人们将最初用于逻辑控制的可编程控制器叫做PLC（Programmable Logic Controller）。
国际电工委员会在1987年颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
相对一般意义上的计算机，可编程控制器并不仅仅具有计算机的内核，它还配置了许多使其适用于工业控制的器件。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。可编程控制器在问世后的短短几十年中获得了突飞猛进的发展，在工业控制中得到了非常广泛的应用。
2.2 可编程控制器（PLC）的应用特点
2.2.1 可靠性高，抗干扰能力强
可编程控制器的平均无故障时间长达30万h,也就是说一台可编程控制器可连续运行30多年不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PLC，PLC采用周期扫描、集中采样、集中输出的工作方式极有效地提高了自身的抗干扰能力。
2.2.2 控制程序可变，具有很好的柔性
在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制逻辑时，PLC不需要改变硬件设备，只需要改变PLC的应用程序就可以达到目的。正因为控制程序可变，减少了很多不必要的人力物力的浪费，所以深受工业控制领域企业的喜爱。经过几十年的不断发展，PLC已经成为工业控制领域不可或缺的工业设备。
2.2.3 编程方法简单易学
目前，对大多数的PLC编程采用的都是与继电控制电路相似的梯形图，由于梯形图形象直观，简单易懂，因此受到了普遍欢迎。PLC还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程，上述编程方式，与复杂难懂的汇编语言相比，更容易被操作人员接受。
2.2.4 多功能，性价比高
现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄存器、几十到几百的定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑运算、定时功能等，还具有很强的数值处理功能、模拟量输入输出处理功能、通信联网功能等；此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比，它还具有很高的性价比。
2.2.5 能耗低
由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。节电能达到50%以上。例如，FX2-40MR型PLC内部具有1540个继电器，1000个状态器，256个定时器，235个计数器，还有大量的数据寄存器。在倡导绿色节能的今天，能耗低使得PLC更加深受工控界的喜爱。
2.3 可编程控制器（PLC）与继电控制系统的比较
可编程控制器是由继电器控制系统逐渐发展进化而来的，究竟继电控制系统有怎样的特点呢？继电器控制系统所有的控制功能及信号处理都是由硬件来实现的，触点多，线路直观，所以易于操作人员的理解，而且控制系统中很多的电气设备都是常用的控制电器，更换比较方便，价格也便宜。
但是，当一个控制项目比较大时，系统的触点就变得非常繁多，而且接线线路非常复杂，触点容易烧坏和磨损，造成接触不良，严重影响控制系统的可靠性，另外，当需要改变控制系统的控制功能时，继电器控制系统需要去改变控制线路的接线，对繁杂的项目中非常繁多的接线进行改变是非常艰难的过程，所以控制功能不易改变。
可编程不但有着继电器控制系统中存在的优点，而且优化了继电器控制系统的缺点，控制系统中的控制功能及信号处理可以由PLC通过硬件或者软件来实现，很多情况下，PLC控制系统中的控制功能需要改变时，通过PLC中软件的调试就可以实现，使用起来更加方便。另外，很多接线和触点已经集成在PLC设备的内部，减少了由于外部损坏对系统造成的干扰。
2.4 可编程控制器（PLC）的应用
2.4.1 开关量逻辑控制
开关量逻辑控制是PLC最早也是最基本的应用。PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串联、并联，取代先前的继电器控制系统进行逻辑控制，顺序控制与定时控制等。
2.4.2 运动控制
由于模拟量输入输出功能的实现，也因为PLC对数据处理功能的提高，制造商相应提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。
过程控制指对温度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。通过PLC模拟量输入输出模块。实现模拟量和数字量之间的转换，并利用PID子程序或专用的智能PID模块对模拟量进行闭环控制。
2.4.4 数据处理
现代的PLC不仅能进行数学运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据转换和数据通信等。PLC也能和机械加工中的数字控制及计算机数控相结合，实现数值控制。
2.5 PLC的基本工作原理
2.5.1 扫描的工作方式
可编程控制器工作时，它的CPU每一瞬间只能做一件事情，也就是说一个CPU每一时刻只能执行一个操作而不可能同时执行多个操作。CPU按分时操作方式来顺序处理各项任务。PLC对许多需要处理的任务一次按规定顺序进行访问和处理的工作方式称为扫描工作方式。
2.5.2 循环扫描周期
可编程控制器中的CPU的扫描过程也就是PLC的工作过程，型号不同的可编程控制器的扫描过程都有所不同，作为比较常见的可编程控制器的扫描工作过程如下图所示，由图片可知，可编程控制器有着两种基本的工作状态，RUN状态以及STOP状态。当可编程控制器处于STOP状态时，只会重复进行PLC内部处理和通信服务工作。处于RUN状态时，从内部处理，通信服务，自诊断到输入处理，用户程序执行，输出处理，一直重复地执行，直到可编程控制器停机或跳转为STOP状态。
当可编程控制器处于内部处理阶段时，它会进行I/O模块配置检测，为了避免原件状态的随机性要进行清零或复位处理，随后执行的一段涉及到各种指令和内存单元的程序，如果执行的时间没有超过规定的时间范畴，则可以将“看门狗”复位，进行下一阶段工作，否则，关闭系统。
以上几个阶段都是执行用户程序之间的准备工作，如果无异常情况，PLC开始扫描执行用户程序。它的扫描过程分为三个阶段：输入处理阶段，程序执行阶段，输出处理阶段。
输入处理阶段也称为输入采样阶段，在这个阶段，PLC首先扫描所有的输入端子，并且将每个输入端子的通断状态顺序存入到寄存器中，输入的映像寄存器被刷新，随后关闭输入通道，转入程序执行阶段。
程序执行阶段中，PLC按从上到下，从左到右的顺序扫描执行梯形图程序。CPU从第一条指令起，顺序地执行存储器中按步序号从小到大排列的由若干条指令组成的用户程序。
输出处理阶段中，CPU一次性将元件的寄存器中输出映像寄存器的通断状态转存到输出锁存器中，信号通过输出模块隔离和功率放大后送到输出端子。
接通电源
内部处理
通信服务
自诊断
输入处理
程序执行
输出处理
停机处理
停机

STOP

RUN

不正常

不停机

图2-1 循环扫描示意图

2.6 PLC的一般组成
可编程控制器的硬件由中央处理单元、存储器、输入/输出接口电路、电源、扩展接口、外设接口以及编程器组成。可编程控制器的硬件简化框图如下图所示。

电源
运算器
控制器
系统程序
用户程序
外设接口
输入接口
输出接口
扩展接口
存储器
中央处理单元
电源
运算器
控制器
系统程序
用户程序
外设接口
扩展接口
存储器
输出接口
输入接口
微处理器（CPU）

图2-2 可编程控制的硬件简化框图
2.6.1 中央处理单元
中央处理单元是PLC的大脑，它是有由中央处理器（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、输入输出接口电路相连接。
2.6.2 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、逻辑变量和其他系统信息。
系统程序，相当于个人电脑的操作系统，决定了PLC具有的基本功能，不同型号，不同厂家生产的PLC所具有的系统程序都不同，但都在不断地改进以提高PLC自身的性价比。
用户存储器是用来存放用户输入的程序和数据，所以它又包括用户程序和数据存储两种。用户程序可以通过编程器或者是个人电脑来增加、删除或修改。
2.6.3 输入输出接口电路
输入接口电路一般由光电耦合电路和个人电脑的输入接口电路组成。由于输入和输出端是靠光信号耦合的， 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。输出接口电路一般由个人电脑输出接口电路和功率放大电路组成。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。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。
2.6.4 电源
PLC根据不同型号选择不同的供电电源，有的使用交流供电，有的使用直流供电。交流一般为单相220V，直流的一般采用24V。选择电源需要用户根据PLC型号、负载情况来选择。
2.6.5 编程器
编程器是由键盘，显示器，工作方式选择开关以及外存插口等部件组成的PLC的重要外设，是人机对话的重要窗口，它被用来编辑和输入用户程序，也可以显示工作状态以及查找故障。
2.7 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。最大限度地满足被控对象的控制要求，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。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。保证控制系统的安全与可靠。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。
2.8 PLC控制系统设计及调试的步骤

图2-3 PLC控制系统设计流程图
在设计和实现一个控制方案时，前期的计划很重要，当项目越大时，首先要做好前期的设计，要注意各方面的规划，对于具体的控制问题和控制功能，解决问题的方法总会有很多种，但是如果以系统方式完成应用程序，出错的可能性就会减小，所以，设计好系统的步骤非常的重要。
分析整个系统的控制要求，详细地分析被控对象的整体需求和工作特点，了解系统的大小问题，提出被控对象对整个PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，开始拟定设计任务书。
根据系统的控制要求，确定系统所需要的输入/输出设备，然后确定与PLC相关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
不同系统以及不同的控制要求可能需要不同型号的PLC，选择适合的PLC的机型、容量、I/O模块、电源等对整个PLC控制系统显得尤为关键。
选择好PLC之后要分配I/O点数，列出PLC相应的I/O点和输入/输出设备的对应关系表。
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PLC外接的电气线路图组成系统的电气原理图，到此系统的硬件电气线路设计完毕。
根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要能满足系统控制要求，编写调试实现各控制功能的各控制功能的程序。程序通常还要包括初始化程序、检测、故障诊断和显示等程序、保护和连锁程序。
程序设计和硬件实施完成之后，要结合程序与硬件进行联机调试，联机调试过程应该循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载逐步进行调试。最后是整理和编写技术文献。
本章小结
本章中主要阐述了PLC的简介、基本组成和工作原理，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。

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第三章 虹吸刮泥机介绍以及系统控制方案
第三章 虹吸刮泥机介绍以及系统控制方案
3.1 水厂的工艺流程
投矾点
投氯点
水库
调节水库
混合槽
折板反应池
平流沉淀池
滤池
清水池
排污池
回收水
投氯点
吸水井
清水泵
城市供水系统

图3-1 水厂水处理流程图
水厂的水源通过渠道输送到水厂，水源进入到水厂之后，先进性加氯处理，接着进入净水处理系统，该系统是水厂的核心部分，是由净水构筑物和投加系统组成的。净水构筑物是指反应池，沉淀池，滤池，清水池等一系列的工艺构筑物，净水处理所需投放的净水剂及其投放物、控制系统组成了水厂投加系统的整体。从工艺流程图上来看，净水处理通常是包括了澄清和消毒两部分，澄清的主要流程是：在水源中加入适量的混凝剂，在混合槽中经过快速的搅拌之后，混合了混凝剂的水源进入到折板反应池中，水中均匀分布的杂质颗粒逐步形成较大，容易沉积的颗粒，颗粒经沉淀池时，被沉淀、收集、排除。这一过程使浑浊的河水变成较为清澈的待滤水，待滤水进入到滤池后，残余的杂质颗粒被过滤掉，过滤水随即进入消毒流程，在过滤水中投加适量的消毒剂，用来杀灭水中的细菌，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，最后经过吸水井由清水泵房的泵机加压进入到城市供水系统中，供市民们饮用。
平流式沉淀池的表面为矩形水池，其上部为沉淀区，下部为污泥区，经过混凝剂混凝之后的水从前部的进不去进入沉淀池，缓缓向前流动，固体颗粒慢慢下沉到池底，最后水从出水区排出。一般情况下，为了达到较好的沉淀效果，水厂沉淀池一般采用了整流措施，使得整个沉淀池中的水流流动速度慢而平稳，这样有利于固体颗粒的充分沉淀。平流式沉淀池构造简单，沉淀效果非常好，深受人们的喜爱而被广泛使用。
沉淀过程是大量出去水中悬浮物和杂质颗粒的重要过程，沉淀过程的充分与否直接关系到整个水处理工艺的优劣。沉淀过后出水浊度的高低，对后续进行的过滤过程至关重要。沉淀过后出水浊度较大将加重过滤的负荷，导致经济成本的提高和出水的效果不理想。如果效果良好，大量的悬浮物和杂质在沉淀中被去除，这样就能提高出水质量，降低成本。沉淀所积累的污泥需要连续或定期地被排出池外。

3.2 虹吸刮泥机简介
刮泥机是水厂水处理沉淀工艺上一个非常重要的电气设备之一，它能否正常运行直接关系水处理中的沉淀工艺，也影响着水厂自动化的正常控制。水厂中排泥的设备有两种，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，简单而方便。刮泥机是机械排泥的一种形式，它的原理也比较简单，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的末端的吸泥口处，轴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。
3.3 虹吸刮泥机的工作原理
虹吸刮泥机工作时采用的虹吸原理就是连通器原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。当虹吸管里装满水，没有气，自来水端水位高，出水口用物体将其封住，此时虹吸管内压强处处相等。虹吸刮泥机属于是机械排泥的一种设备，它采用的是虹吸进行吸泥的，所以它被称为虹吸刮泥机。刮泥机主要包括虹吸管，轴流泵、行走电动装置，刮泥机体等主要部件。起动轴流泵抽水，水灌入到虹吸管中，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，这个过程称为虹吸刮泥，当虹吸形成之后，刮泥机开始向前运行吸泥，当刮泥机达到预定的形成之后，开始破坏虹吸，即打开破坏虹吸的电磁阀，让空气进入虹吸管，破坏虹吸管内的真空度，使得虹吸管停止吸泥。当虹吸被破坏后，刮泥机往初始的方向返回，到初始位置后停止运行。
3.4 虹吸刮泥机的控制方式
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。
3.5 刮泥机常规操作
3.5.1 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/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。
3.5.2 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。
3.6 虹吸刮泥机控制系统的控制要求
虹吸刮泥机控制系统分为手动和自动两种控制方法，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，手动控制对现场电控箱进行开/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，监控计算机通过组态软件来控制刮泥机运行，并且对运行速度和时间等参数进行显示、记录、存储、分析、打印，具体控制有：刮泥机实现手动/自动两种控制方式的切换虹吸刮泥机系统自诊断功能，故障提示报警实现故障停机；运行行程的控制和定时工作功能。
3.7 虹吸刮泥机控制系统总体控制方案
虹吸刮泥机系统设计需要考虑一下几个方面：系统可靠性强。运行稳定，操作方便，维护便利，经济环保。
基于以上几个方面的考虑，和本身系统所需有具备的功能，使用PC+PLC模式。可编程控制器具有可靠、方便、功能齐全等特点，适用于包含逻辑控制，顺序控制等多种复杂算法的系统。PLC主要任务是进行运行过程的数据采集和处理，它通过相应的模拟量，开关量输入卡采集一次仪表及反应各类执行设备状态的电信号数据，并对其中的一些数据进行处理，一方面的数据通过自身的通讯接口上传到本站的PC机，另一方面将有关数据通过相应的模拟量，开关量输出卡传送到各个执行机构，控制执行机构的动作，上位机的主要任务是借助于组态软件和PLC内控制程序完成数据统计，分析和计算功能，保证和维持执行级中各个PLC的正常运行，从而实现对工艺工程的连锁保护及整个运行过程的控制。
本章小结
本章介绍了水厂工艺流程中的重要环节—虹吸刮泥机的简介和工作原理等，以及虹吸刮泥机的控制方式，最后根据虹吸刮泥机控制系统的控制要求来确定控制系统的总体控制方案。

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第四章 虹吸刮泥机PLC控制系统的硬件设计
第四章 虹吸刮泥机PLC控制系统的硬件设计
4.1 PLC控制系统I/O点数的确定

根据前面对虹吸刮泥机的工作状况和设备对PLC控制系统要求的分析，确定出虹吸刮泥机PLC控制系统所需I/O点数如下：
数字量输入控制点数：9
数字量输出控制点数：5
数字量输入控制信号分别为：启动开机信号、虹吸已被破坏信号、虹吸已经形成信号、前进到位信号、后退到位信号、刮泥机故障信号、预设1/3行程信号、预设2/3行程信号、现场PLC自动控制信号。
数字量输出控制命令为：虹吸形成命令、刮泥机后退命令、刮泥机前进命令、开虹吸泵命令、破坏虹吸命令。
4.2 PLC的选择
PLC是虹吸刮泥机控制系统的核心，PLC的选择对整个系统的正常运行十分重要，但是PLC的品种繁多，结构、功能、容量、指令系统、编程方法都各有不同，使用的场合也各不相同。所以，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用，PLC的选择必须包括机型的选择，容量的选择，I/O模块的选择，电源的选择等等几个方面。
基于虹吸刮泥机控制系统的控制要求以及控制系统环境条件等因素的考虑，本课题中选用西门子S7-300系列PLC作为控制仪器。控制器的CPU选用西门子CPU312。
4.2.1 PLC机型的选择
机型的选择必须在满足功能要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性价比。
结构合理：对于工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，选用整体式结构PLC。
功能、规模相当：对于开关量控制的工程项目，对其控制速度无须考虑，一般的小型PLC就可以满足要求，对于开关量控制为主，带少量模拟量控制的工程项目，可以选用带A/D，D/A转换，加减运算、数据传送功能的小型PLC，对于控制比较复杂的系统，控制功能要求更高的工程项目，需要选用大中型PLC进行系统设计。
控制系统中机型统一：作为大型企业，应尽量做到机型统一，因为同一机型的PLC，其模块可以互为备用，便于备件的采购和管理，其功能和编程方法也相同，有利于技术力量的培训，技术水平的提高和功能的开发。
4.2.2系统容量
PLC的容量指用户存储器的存储容量和I/O的点数两方面的含义。在选择存储器容量时，一般按实际需要的25%的裕量来考虑，I/O点数可按实际需要的10%-15%考虑裕量。
4.2.3 I/O模块
不同的I/O模块的电路和性能都各不相同，它影响着PLC控制系统的应用，所以，PLC中的I/O模块需要按照具体情况来合理选择。
输入模块的作用是接收现场的输入信号，并将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号，选择输入模块必须注意：
（1） 电压的选择：根据现场设备与模块之间的距离来考虑，一般5V，12V，24V属于低电平，其传输距离不适合太远，
（2） 同时接通的点数：同时接通的点数取决于输入电压和环境温度，一般来说，同时接通的点数不要超过输入点数的60%。
（3） 门槛电平：为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小，门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远。
输出模块的作用是将PLC的输出信号传递给外部负载，将PLC内部的低电平信号转换为外部所需要的输出信号，输出模块按输出方式不同分为继电器输出，晶体管输出，晶闸管输出3种。选择输出模块需要注意：
（1） 输出方式的选择：继电器输出的价格最便宜，适用电压范围较宽，导通压降小。但是它原有触点元件，其动作速度较慢，寿命较短，因此适用于不频繁通断的负载。
（2） 输出电流：电流的规格很多，输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，模块输出应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。
（3） 同时接通的点数：端口所允许通过的电流值，输出模块同时接通点数的是电流累计值必须小于公共一般来讲，同时接通的点数不要超过输出点数的60%。
基于虹吸刮泥机控制系统的控制要求以及控制系统环境条件等因素的考虑，本课题中选用西门子SM