型滤池控制系统的设计.docx

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前 言
本次毕业设计我所做的题目是V型滤池控制系统的设计。V型滤池是我国于20世纪80年代末从法国Degremont公司引进的一项用于自来水厂对源头水进行过滤的技术，大部分90年代后新建的水厂都采用了这项技术，它是在普通快滤池基础上发展起来的，它具有出水水质好、滤速高、节能、自动化管理等特点。
过滤工作状态， 这时的开关动作进行，才能完成反冲洗工作。通过采用PLC对滤池的过滤状态和反冲洗状态进行控制，实现滤池控制的自动化。
当初我国引进的V型滤池控制系统采用的是德国西门子的PLC控制，之后也有人改用三菱或是欧姆龙的PLC进行控制，在本次设计中，我采用了Allen-Bradley公司的SLC-500型PLC来对滤池系统进行控制。
Allen-Bradley公司所生产的SLC-500系列处理器，体积小，功能强，配置灵活，性价比高，特别适合中、小型应用，它可以控制单个机架中的全部I/O端口，并且有一个非常强大的控制器装置。它使用的I/O机架的尺寸比它前一代的PLC-5系列的更小，所以所需要的控制面板空间也要比PLC-5系列中所使用的标准尺寸的机架小得多。因此这一系列的PLC已经成为目前大多数新项目的首选。
在本次毕业设计中，整个V型滤池系统的硬件电路设计以及滤池的过滤控制和阀门控制的PLC梯形图设计是由我完成的。而在阀门控制部分的梯形图程序中，反冲洗条件和反冲洗的四个步骤的条件判定是由苏州学院李云同学完成设计的，在论文中我直接引用了其结果，在此表示感谢。

第一章 概述
1.1 V型滤池的结构与作用
V型滤池（图1-1）是我国于20世纪80年代末从法国Degremont公司引

图1-1 V型滤池结构示意图
进的一项用于自来水厂对源头水进行过滤的技术，我国大部分90年代后新建的水厂都采用了这项技术，它是在普通快滤池基础上发展起来的。在进行水处理时，从平流池流入的经过加矾和初步沉淀处理的水从进水阀流入V型滤池，在此处再经过池底部的石英砂层的过滤就直接进入地底的清水库中，再经过加氯后通过管道向外界供水。由于它采用了较粗、较厚的颗粒均匀的石英砂滤层，并使用不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗，又具有待滤水表面扫洗的功能，因此它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。
每一格V型滤池都有进水阀、气冲阀、水冲阀、出水阀、排污阀、排气阀各一个，共6个阀门；反冲洗系统配有反冲水泵和风机。在正常过滤状态下，该滤池的水位要求稳定在120cm，这主要是由出水阀的控制来实现的，当水位过高时，出水阀就加大开度，当水位过低时，出水阀就减小开度，通过这样不断的来调节出水阀的开度，从而实现滤池的恒水位控制。当滤池使用时间过长时，滤池中因过滤而产生的杂质含量就会过高，因此要定期对滤池进行反冲洗，一般是每隔48小时就要冲洗一次，反冲洗的过程可分为以下几个阶段：
（1）气冲阶段 在该阶段，进水阀、水冲阀和排气阀关闭，气冲阀和排污阀打开；
（2）气水混冲阶段 在该阶段，进水阀关闭，水冲阀打开，气冲阀打开，排气阀关闭，排污阀打开；
（3）表面扫洗阶段 在该阶段，进水阀关闭，水冲阀打开，气冲阀打开，排气阀关闭，排污阀打开；
（4）水冲阶段 在该阶段，进水阀和气冲阀关闭，水冲阀、排气阀和排污阀打开。
这里气水混冲和表面扫洗时的阀门状态是相同的，但前者是在对底层冲洗，后者是在对表层冲洗，两者是不同的。此外，在反冲洗时还必须使水位下降到60cm。
1.2 设计思路
V型滤池的工作状态分为正常过滤状态和反冲洗状态两种。在正常过滤状态下进水阀是打开的，气冲阀、水冲阀、排污阀、排气阀均关闭，只需要控制出水阀的开度，使水位能稳定在120cm即可；而在反冲洗状态时，除了要控制出水阀开度，使水位下降到60cm，还要适时地控制其它各阀门的开关，只有在各阀门的协调控制下才能完成反冲洗工作。由此可以知，V型滤池控制系统就是控制上述的六个阀门。
对上述阀门的控制可分为自动控制和手动控制。自动控制是由PLC编程来实现的，在这里我们选用了Allen-Bradley公司的SLC-500型PLC，它又可分为两种状态：①全自动控制。在这种控制方式下，无需人工参与，所有操作都由PLC自动实现；②半自动控制（键控）。它也属于自动控制，当全自动控制方式出现问题时，可以通过这种方式来人为地使PLC梯形图中的一些梯级条件满足，达到控制的目的。在手动控制方式下，工作人员通过开关按钮直接控制各阀门的开关，显然这样的直接控制是无法精确的对系统实现控制，但这种方式还是必要的，当自动控制设备发生故障时，就可以通过这种方式来维持系统运行。
在自动控制部分，编制PLC流程图时可以根据滤池的工作状态分成两个子程序：①正常过滤时控制水位的过滤子程序；②反冲洗时控制各个阀门的阀门控制子程序。而对于一些参数还有通讯方面的设置则放在主程序中，便于管理和进行设置。在过滤子程序中，水位的控制需要用到PID调节才能真正实现精确水位的控制。此外，在通过水位来调节出水阀开度时还必须将水位与阀门的开度整定到一个相同的范围内，这样两者才能进行对比。
在手动控制部分，利用中间继电器控制开关的通断来控制阀门的线圈，从而达到控制阀门的目的。这里没有采用PLC来控制，以避免当PLC发生故障导致自动和手动控制同时失效的情况。

第二章 V型滤池控制系统的硬件设计
所设计的控制系统的接入为220V电源，频率为50Hz。PLC机架部分直接采用接入的220V电源，PLC模块与阀门的继电器部分采用24V直流电源供电。
2.1 控制系统总体设计
V型滤池控制系统的整体设计如图2-1所示：
图2-1 V型滤池控制系统设计框图
整个系统的控制部分分为手动控制和自动控制两部分，系统的控制对象为进水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀、排气阀和出水阀这六个阀门。手动控制部分由进水阀控制电路、水冲阀控制电路、气冲阀控制电路、排污阀控制电路、排气阀控制电路和出水阀控制电路所组成，它们分别对上述六个阀门实现控制；在自动控制部分则是利用PLC来控制阀门，在滤池工作现场安装的PLC称之为子站PLC，利用它来现场控制各阀门的开关，同时它又通过光缆与一个远程的主站PLC相连，该主站PLC能对现场的子站PLC进行数据的读/写操作，从而对滤池实现远程监控。
所设计的控制面板示意图如图2-2所示。当转换开关SA1打到自动档时，整个滤池的操作都由PLC来自动控制，控制面板上的所有按钮都失效；而当SA1打到手动档时，操作人员可以根据具体的需要利用按钮SB1~SB10来控制进水阀、水冲阀、气冲阀、排污阀和排气阀的开关，对于出水阀则可以通过调图2-2 控制面板示意图
节RP来控制其开度，从而达到控制水位的目的。阀门开度计和水位数显计则分别显示了当前的出水阀阀门开度和水位高度。
2.2 控制系统主要元器件的选择
在设计的电气原理图中，所用到的一些主要电器原件清单见表2-1：
表2-1 电器元件清单
序号
名称
数量（个）
图纸
代号
备注
1
空气开关
3
-QF1~ -QF3

2
熔断器
10
FU1~FU10
额定电流1A
3
中间继电器
18
-KA1~-KA17
~220V 2A
4
中间继电器
5
-K1~-K5
DC24V 2A
5
三位转换开关
1
-SA1
带3NO触点
6
按钮
10
-SB1~-SB10
红绿各5个
7
指示灯
10
-HL1~-HL10

8
开度数显计
1
-P1
0~100%/4~20mA输入
（续）
序号
名称
数量（个）
图纸
代号
备注
9
水位数显计
1
-P2
0~4m/4~20mA输入
10
电位器
1
-RP
0~1KΩ
11
电阻变送器
1
-V1
0~1K输入/4~20mA输出
12
出水阀门调节器
1
-EBF
4~20mA输入/4~20mA输出
13
差压计
1
-P4

14
超声波水位计
1
-P3

15
开关量输入模块
1

1746-IB16
16
开关量输出模块
1

1746-OB16
17
模拟量输入模块
1

1746-NI4
18
模拟量输出模块
1

1746-NO4I
19
CPU
1

1746-L532
2.2.1 PLC的选择
在PLC市场，罗克韦尔自动化的可编程逻辑控制器技术非常成熟，是业内最值得信赖的品牌之一。它旗下的Allen-Bradley公司所生产的SLC-500系列处理器，体积小，功能强，配置灵活，性价比高，适用与多种场合，从环保、水处理、造纸到石化产业，从单机应用到分步式控制应用，都可以看到它的踪影。
SLC-500系列是一种中间控制器，它可以控制单个机架中的全部I/O端口，并且有一个非常强大的控制器装置。它使用的I/O机架的尺寸比它前一代的PLC-5系列的更小，所以所需要的控制面板空间也要比PLC-5系列中所使用的标准尺寸的机架小得多。这一系列的PLC是大多数新项目的首选。
这种PLC集成了大量的固定I/O模块（最多可达40个I/O端口，还加一个双插槽的扩展机架）和几个多插槽机架式单元。这种机架式的SLC-500/03/04/05能操控多个I/O机架，如此一来，它们能处理的I/O端口就大大增加，其存储容量也相应的增加。大多数的单元都有一个DH-485或RS232编程端口，用于连接作为编程终端的PC机。
1．开关量I/O模块
Allen-Bradley（以下简称A-B）SLC-500型PLC的开关量I/O模块种类丰富，目前已有的模块种类有4、8、16或32个端口几种，并可连接到交流、直流或TTL电平。为了增加灵活性，还有2输入/2输出，4输入/4输出和6输入/6输出等多种形式的混合模块可供选择，其质量非常可靠。这些模块还提供输入滤波、光电隔离以及内置式浪涌保护，以保证在工业环境下的抗干扰和可靠性。其主要有以下几个特点：
1）LED指示每个I/O的状态，并为故障诊断提供帮助。当输入点得到正确的信号时，或处理器让输出点使能时，相应LED就会点亮。
2）模块上所带端子标识示意图使端子标识很容易被理解。
3）所有模块均在内部线路和现场之间提供光电隔离，提高了抗干扰能力，并且避免了由于现场连线电气故障而导致的系统受损。
4）带熔丝和电子保护功能的固态输出模块，免除了用户替换因短路或过载而损坏的模块的需要。
5）可拆卸的端子块允许用户无需重新接线就可替换模块(并非任何模块都适用)。模块前部提供一个匹配色码，以便用户连接正确的端子块。
6）所有模块的配备均为遮闭型端子块，以防止现场接线时的意外短路。
7）自锁式装置保证模块紧紧的固定在框架上，而且在把模块装入框架或取下时不需任何工具帮助。
在系统中，开关量输入模块采用的是1746-IB16(图2-3)，开关量输出模块采用的是1746-OB16，它们各自的参数见表2-2： 图2-3 1746-IB16模块
表2-2 1746-IB16和1746-OB16参数
产品名称
电压种类
输入
数目
每个公共端点数
背板电流要求
5Vdc
24Vdc
1746-IB16
24Vdc
16
16
85mA
0mA
1746-OB16
24Vdc
16
16
280mA
0mA
2．模拟量I/O模块
AB的SLC-500 PLC的模拟量I/O模块主要有以下几个特点：
1）用户可选的输入模块允许用户配置每个通道，以连接来自现场的各类电压或电流信号。
2）高分辨率的输出模块有助于实现高精度的控制。
3）模块上的输入滤波功能有效防止电磁干扰的影响。
4）背板隔离保证了输入信号干扰不会对背板产生影响。
5）可拆卸端子块允许用户无需重新连线就可快速替换模块。
6）通过开路和超量程的故障状态信息，用户可以及时了解现场情况既能提高机器的正常运行时问，还能有效减少故障恢复时问。此外模块还带有模块状态指示灯和通道状态指示灯。
7）通过控制组态程序，用户对通道分别配置，并可在不干扰CPU运行的情况下重新配置。结合易于使用的通道配置表，用户可根据需要选择相应的输入类型、数据格式、滤波频率和状态参数。
在系统中，模拟量输入模块采用了1746- NI4
(图2-4)，模拟量输出模块采用的是1746- NO4I， 图2-4 1746- NI4模块它们各自的参数见表2-3：
表2-3 1746- NI4和1746- NO4I参数
产品名称
每个模块的输入通道
背板电流需求量
5Vdc
24Vdc
1746- NI4
4路差分，电压或电流可选
25mA
85mA
1746- NO4I
4路电流输出
55mA
195mA
在所设计的V型滤池控制系统的PLC柜中，四个I/O模块的现场安装如图2-5所示，从左到右分别为PLC电源、CPU、输入模块1746-IB16、开关量
图2-5 现场安装的I/O模块
输出模块1746-OB16、模拟量输入模块1746- NI4、模拟量输出模块1746- NO4I，还剩下的4个为备用模块，可供以后扩展使用。
2.2.2 超声波水位计的原理与使用
超声波水位计在滤池系统中，是用来测量滤池的水位，并将测量值以电流的形式传送至PLC模拟量输入模块。在这里，选用了河海大学水文水利自动化研究所的JH2300 型超声波水位计，其输出为4~20mA电流。
超声波水位计的主要部件就是一个超声式传感器，其工作原理是发出一个声音脉冲并计算声音返回传感器的时间，因为声音具有非常稳定的传播速率，所以可以利用它来测得目标的距离。超声式传感器的基本结构如图2-6所示。
超声式传感器有数字和模拟两种输出格式。在数字类型的设备中，在感应范围内可调节传感器的测量距离，如果设备接受 图2-6 超声式传感器的基本结构
到的返回信号处于距离范围之内，则输出被激活。模拟类型的设备会提供对应于一组距离测量值的电流或电压值。PLC控制器可以通过数字输入模块或者模拟量输入模块读出这些传感器的输出。
所选用的超声式传感器发出频率在25KHz到50KHz之间的声波，在低频阶段，能精确测量到40ft远的距离，而在高频阶段，只能限制在测量小于1ft以内的距离。在发射器正前方的较小距离之内所有部件都有一个盲区，该盲区大小为0.75in，在使用时要注意。
2.2.3 开关选择
1．按钮的选择
在系统中，由于采用的电压输入较低，且结构不是太复杂，因此从设计的结构紧凑方面以及节约成本方面考虑，采用了16mm的小按钮，如图2-7所示。按钮数总共10个，红色与绿色各5个，用于在手动方式下控制进水阀、气冲阀、排气阀、水冲阀、排污阀5个阀门的开关，按下红色按钮后阀门关闭，按下绿色按钮阀门 图2-7 16mm按钮
打开。
2．转换开关的选择
转换开关又叫选择开关，它在这里是用来实现对滤池系统的控制方式进行选择，使系统处于手动或是自动方式下工作。转换开关的式样很多，市面上见的比较多的有钥匙式、手柄式和长手柄式等，在此处，选用了16mm标准手柄式旋钮的转换开关（图2-8）。选用带3个触点的开关，其中两个触点分别是自动和手动 图2-8 16mm手柄式转换开关
方式，第三个触点备用。
3．限位开关
限位开关是用来探测一个对象或条件的有无。对象通常是指在机械循环运动中移动的对象，在进行编程以控制机械循环运动时，控制程序需要知道机械装置何时会处在某个确切的位置，这时就需要用到限位开关。在该滤池系统中，限位开关用于探测进水阀、气冲阀、水冲阀和排污阀的开关状态。限位开关安装在上述4个阀门的阀门口，每个阀门装两个，分别用来探测阀门开到位（完全打开）和关到位（完全关闭）。
2.3 控制系统的电路设计
该电气原理图可分为3个主要部分，分别是：①控制方式选择部分，②阀门的开关控制部分，③PLC输入与水位控制部分。下面将按照这3个部分来进行介绍。完整的电器原理图请参见附录一中图1~图8。
2.3.1 控制方式选择电路
在该电气原理图中，转换开关SA1是用来选择系统处于手动还是自动状态的（图2-9）。当SA1处于位置1时为手动档，当SA1处于位置3时为自动档。当处于手动档的时候中间继电器KA1和KA2得电，而当处于自动档的时候中间继电器KA3和KA4得电。KA1所对应的开关在原理图中的位置为：附录一图1中的C6、C8和附录一图2中的C1和C4；KA2所对应的开关在原理图中的位置在附录一图2中的C6；KA3所对应的开关在原理图中的位置为：附 图2-9 控制方式选择电路
录1图1中的C7、C9和附录一图2中的C3、C5；KA4所对应的开关在附录一图2中的C7和附录一图6中的D4、E4。
2.3.2 阀门的开关控制电路
该部分主要是对进水阀、气冲阀、水冲阀、排污阀和排气阀这5个阀门进行控制。
1.进水阀开关电路
如图2-10所示，在正常过滤情况下，进水阀阀门处于打开状态，当需要进水阀关闭时，如果处在手动方式下时，KA1开关闭合，操作人员可以按下SB2红色按钮，则KA5继电器得电，SB2按钮被锁住，同时在附录一图7中C3位置的KA5开关闭合，进水阀阀门就会关闭；当需要阀门再次打开时，可以按下SB1绿色按钮，KA5继电器失电，附录一图7中C3位置的KA5开关断开，从而阀门打开。当处在自动方式下时，KA3开关闭合，此时，如果从PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过PLC程序运算或者所编制的PLC程序在运行过程中满足了进水阀阀门关闭的条件， 图2-10 进水阀开关电路
则在PLC输出模块的输出端口（附录一图5中的OUT:2/0端口） 就会输出一个信号，使得K1继电器得电，从而使K1开关闭合，KA5继电器得电，附录一图7中C3位置的KA5开关闭合，实现进水阀阀门的关闭；当PLC程序中进水阀阀门关闭条件失去时，附录一图5中的OUT:2/0端口输出的信号就会消失，K1继电器失电，K1开关打开，KA5继电器就会失电，附录一图7中C3位置的KA5开关断开，从而阀门打开。
2.水冲阀开关电路
如图2-11所示，在正常过滤情况下，水冲阀阀门处于关闭状态，当需要水冲阀打开时，如果处在手动方式下时，KA1开关闭合，操作人员可以按下SB3绿色按钮，则KA6继电器得电，SB3按钮被锁住，同时在附录一图7中C4位置的KA6开关闭合，水冲阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下SB4红色按钮，KA6继电器失电，附录一图7中C4位置的KA6开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时，KA3开关闭合，此时，如果从PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过PLC程序运算或者所编制的PLC程序在运行过程中满足了水冲阀阀门打开的条件，则在PLC输出模块的输出端口（附录一图5中的OUT:2/1端口） 就会输出一个信号，使得K2继电器得电，从而使K2开关闭合，KA6继电器得电，附录一图7中C4位置的KA6开关闭合，实现水冲阀阀门的打开；当PLC程序中水冲阀阀门打开条件失去时，附录一图5中的OUT:2/1端口输出的信号就会消失，K2继电器失电，K2开关打开，KA6继电器就会失电，附录一图7中C4位置的KA6开关断开，从而阀门关闭。
3.气冲阀开关电路
如图2-12所示，在正常过滤情况下，气冲阀阀门处于关闭状态，当需要气冲阀打开时，如果处在手动方式下时，KA1开关闭合，操作人员可以按下SB5绿色按钮，则KA7继电器得电，SB5按钮被锁住，同时在附录一图7中C5位置的KA7开关闭合，气冲阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下SB6红色按钮，KA7继电器失电，附录一图7中C5位置的KA7开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时，KA3开关闭合，此时，如果从PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过PLC程序运算或者所编制的PLC程序在运行过程中满足了气冲阀阀门打开的条件，则在PLC输出模块的输出端口（附录一图5中的OUT:2/2端口） 就会输出一个信号，使得K3继电器得电，从而使K3开关闭合，KA7继电器得电，附录一图7中C5位置的KA7开关闭合，实现气冲阀阀门的打开；当PLC程序中气冲阀阀门打开条件失去时，附录一图5中的OUT:2/2端口输出的信号就会消失，K3继电器失电，K3开关打开，KA7继电器就会失电，附录一图7中C5位置的KA7开关断开，从而使得阀门恢复关闭状态。

图2-11 水冲阀开关电路 图2-12 气冲阀开关电路
4.排污阀开关电路
如图2-13所示，在正常过滤情况下，排污阀阀门处于关闭状态，当需要排污阀打开时，如果处在手动方式下时，KA1开关闭合，操作人员可以按下SB7绿色按钮，则KA8继电器得电，SB7按钮被锁住，同时在附录一图7中C6位置的KA8开关闭合，排污阀阀门就会打开；当需要阀门再次关闭时，可以按下SB8红色按钮，KA8继电器失电，附录一图7中C6位置的KA8开关断开，从而阀门关闭。当处在自动方式下时，KA3开关闭合，此时，如果从PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过PLC程序运算或者所编制的PLC程序在运行过程中满足了排污阀阀门打开的条件，则在PLC输出模块的输出端口（附录一图5中的OUT:2/3端口） 就会输出一个信号，使得K4继电器得电，从而使K4开关闭合，KA8继电器得电，附录一图7中C6位置的KA8开关闭合，实现排污阀阀门的打开；当PLC程序中排污阀阀门打开条件失去时，附录一图5中的OUT:2/3端口输出的信号就会消失，K4继电器失电，K4开关打开，KA8继电器就会失电，附录一图7中C6位置的KA8开关断开，从而阀门关闭。
5.排气阀开关电路
如图2-14所示，在正常过滤情况下，排气阀阀门处于打开状态，当需要排气阀关闭时，如果处在手动方式下时，KA2开关闭合，操作人员可以按下SB10红色按钮，则KA9继电器得电，SB10按钮被锁住，同时在附录一图7中C9位置的KA9开关闭合，排气阀阀门就会关闭；当需要阀门再次打开时，可以按下SB9绿色按钮，KA9继电器失电，附录一图7中C9位置的KA9开关断

图2-13 排污阀开关电路 图2-14 排气阀开关电路
开，从而阀门打开。当处在自动方式下时，KA4开关闭合，此时，如果从PLC输入模块的输入端口输入的测量值经过PLC程序运算或者所编制的PLC程序在运行过程中满足了排气阀阀门关闭的条件，则在PLC输出模块的输出端口（附录一图5中的OUT:2/4端口） 就会输出一个信号，使得K5继电器得电，从而使K5开关闭合，KA9继电器得电，附录一图7中C9位置的KA9开关闭合，实现排气阀阀门的关闭；当PLC程序中排气阀阀门关闭条件失去时，附录一图5中的OUT:2/4端口输出的信号就会消失，K5继电器失电，K5开关打开，KA9继电器就会失电，附录一图7中C9位置的KA9开关断开，从而阀门打开。
2.3.3 PLC输入与水位控制电路
该部分主要是用来对滤池系统的PLC开关量输入模块输入阀门的开关信息，以及对出水阀进行阀门开度控制，从而达到恒水位控制的目的。
1.PLC开关量输入模块的信号输入
对开关量输入模块1746-IB16所输入的信号是进水阀、水冲阀、气冲阀和排污阀的开关信号，以及排气阀的打开信号。
在进水阀、水冲阀、气冲阀和排污阀这4个阀门的阀门口各装有2个限位开关（参见附录一图3），用来检测阀门开到位（完全打开）和关到位（完全关闭）。在每个限位开关后都连接一个中间继电器，而在输入模块的每个输入端口又装有与中间继电器相关联的开关（参见附录一图5），当阀门开到位或关到位时，限位开关闭合，所连接的中间继电器就得电，输入端口的关联开关就会闭合，阀门的开关信息就输入到了PLC中。各阀门开关状态的PLC输入端口、开关位置的限位开关与所对应的中间继电器情况见表2-4。
对于排气阀门，它一般是处于打开状态，在PLC中用不到排气阀关闭状
态下的信息，因此在PLC输入端口I:1/9安排了一个常闭的KA9开关，也就是说在正常状态下一直有排气阀阀开信号输入，而当排气阀关闭的时候就没有信号输入了。
表2-4 阀门开关状态输入地址表
阀门
进水阀
水冲阀
气冲阀
排污阀
开关状态
全开
全关
全开
全关
全开
全关
全开
全关
限位开关
SQ1
SQ2
SQ3
SQ4
SQ5
SQ6
SQ7
SQ8
中间继电器
KA10
KA11
KA12
KA13
KA14
KA15
KA16
KA17
输入端子号
I:1/1
I:1/2
I:1/3
I:1/4
I:1/5
I:1/6
I:1/7
I:1/8
2.出水阀开度控制部分与模拟量输入模块的输入（附录一图6）
出水阀开度的调节是通过调节输入出水阀电流的大小来实现的。对出水阀输入4~20mA的电流，所对应的阀门开度大小为0~100%。
在手动方式下，阀门开度的调节主要是由电阻变送器V1来实现的。如图
2-15所示，在手动方式下，由于KA4继电器不通电，因此KA4开关处于打开状态，它与电阻变送器的两个输出端相连，同时又连到出水阀调节器的输入I+和I-两端。电阻变送器实际就是一个滑 动变阻器，当需要调节阀门 图2-15 出水阀手动控制电路
开度大小时，操作人员调节滑动变阻器的电阻大小，从而输出相应大小的电流输入到出水阀调节器中，出水阀调节器根据所输入电流的大小调节阀门的开度，达到控制水位的效果。
在自动方式下，阀门的开度是由PLC来控制的。如图2-16所示，在自动方式下，KA4继电器得电，图中的KA4开关闭合，出水阀调节器（EBF）的输入端I+和I-分别连到了模拟量输出模块1746-NO4I的OUT 0和ANL COM端口。1746-NO4I的OUT 0即为梯形图中的OUT:4.0信号地址，它可根据梯形图程序的运行情况来输出4~20mA的电流，输出的电流从出水阀调节器的I+端输入，从而达到了控 图2-16 出水阀自动控制电路
制出水阀阀门开度的目的。
此外，开度计（P1）一端连接到出水阀调节器的0+端，用于记录出水阀的开度，另一端连到了模拟量输入模块1746-NI4的IN 0+端，用于将出水阀当前的开度输入到PLC中。超声波水位计（P3）连接到水位数显表（P2）后再连接到1746-NI4的IN 1+端，将测得的水位输入PLC。差压计连接到1746-NI4的IN 2+端，将测得的差压值输入到PLC。

第三章 V型滤池控制系统的梯形图设计
罗克韦尔公司为它旗下的A-B SLC-500型PLC开发了两种不同的开发软件，它们分别是基于DOS平台的PLC-500-AI和基于Windows平台的RSLogix-500，这里我们选用了基于Windows平台的RSLogix-500来编制V型滤池控制系统的梯形图。所编制的I/O地址表见表3-1。
表3-1 I/O地址表
I/O类型
地址
作用

输

入
I:1.0/0
滤池自动
I:1.0/1
进水阀开到位
I:1.0/2
进水阀关到位
I:1.0/3
水冲阀开到位
I:1.0/4
水冲阀关到位
I:1.0/5
气冲阀开到位
I:1.0/6
气冲阀关到位
I:1.0/7
排污阀开到位
I:1.0/8
排污阀关到位
I:1.0/9
排气阀开
I:3.0/0
出水阀开度
I:3.1/0
滤池液位
I:3.2/0
水头损失（差压）

输

出
O:2.0/0
进水阀控制
O:2.0/1
水冲阀控制
O:2.0/2
气冲阀控制
O:2.0/3
排污阀控制
O:2.0/4
排气阀控制
O:4.0/0
出水阀开度控制
3.1 主程序的编制
主程序部分主要是用于对程序中需要用到的参数进行设置，并把子站PLC中的一些数据传送至主站PLC中。完整的主程序梯形图参见附录二的主程序部分。
在主程序的第一梯级中First Pass指令是SLC-500 PLC梯形图的起始指令，规定所有SLC-500 PLC的梯形图都必须以它开头，之后的一条MOV指令将参数1025放入内部寄存单元S:15是设定波特率。
3.1.1 参数的设定
参数的设置主要是由MOV指令来实现的，MOV指令允许程序员将一个位置中的内容移到另一个位置。源位置中的内容不会改变，但目的位置中的内容将被移来的值取代。主程序中设置的一些重要参数有以下一些：1.PID设定点SP（用户希望的控制点），设定值为水位120的整定值，存入N11:32；2.PID增益，设定值63，存入内存单元N11:33；3.PID积分时间常数，设定值为9，存入内存单元N11:34；4.PID微分时间常数，设定值为4，存入内存单元N11:35；5.PID给定最大值，设定值为16383，存入内存单元N11:37；6.PID给定最小值，设定值为0，存入内存单元N11:38；7.滤池过滤周期设定，设定值为48，存入内存单元N10:14；8.滤池水头损失（差压），设定值200，存入内存单元N10:15；9.滤池水位控制值，设定值为120，存入内存单元N10:16。
3.1.2 SCP指令与参数整定计算
V型滤池系统根据超声波水位计所测得的水位值实时地调节出水阀的开度，从而实现水位的恒定。出水阀阀门开度的调节是通过向出水阀调节器输入范围为4~20mA的电流来实现的，也就是说需要模拟量输出模块1746-NO4I的OUT0端口和ANL COM端口输出范围为4~20mA的电流。而对于SLC-500型PLC的模拟量输入/输出模块，罗克韦尔公司对其输入/输出的模拟量电流或电压值都规定了相应的十进制范围，如表3-2和表3-3所示。
表3-2 模拟量参数整定范围1
参数
4到20mA
0到5V
0到10V
输入最小值
0
0
0
输入最大值
16384
16384
32767
整定最小值
0
0
0
整定最大值
16383
16383
16383
表3-3模拟量参数整定范围2
参数
4到20mA
0到5V
0到10V
输入最小值
3277
0
0
输入最大值
16383
16383
16383
整定最小值
6242
0
0
整定最大值
31208
16384
32764
在本次设计中选用的是表3-3中4~20mA电流的那组参数。对于输入的水位值和出水阀开度值都必须整定到3277~16383的范围之内，因为只有这两者都处于相同的范围之内才能进行对比，也就是说才能使相应的水位值对应于相应的出水阀开度值。
为了实现整定的目的，就需要使用SCP数据整定指令，SCP指令的基本模块如图3-1所示，用SCP指令能产生一个整定输出值，输入与整定值之间呈线性关系。这一指令支持整数和浮点数。
编程该指令时输入下列参数：
输入值（Input value）可以是一个字地址或浮点数元素地址。
输入最小值（Input Min.）和输入最大值（Input Max.）该值确定出现在输入值参数的数据范围。这一值可以是一个字地址，一个整数常数，浮点数元素， 或浮点数常数。
整定最小值（Scaled Min.）和整定最大值（Scaled Max）该值确定了出现在整定输出参数的数据范围。 图3-1 SCP指令模块
这一值可以是一个字地址，一个整数常数，浮点数元素，或浮点数常数。
整定输出（Scaled Output）该值可以是一个字地址或一个浮点数元素。
下列方程示出在输入值与得出的整定值之间的线性关系：
Scaled value=( input value×slope)+ offset
Slope=（scaled max — scaled min）/ (input max — input min)
Offset= scaled min — （input min×slope）
公式中Slope为斜率，显然，在系统的输入值范围不变的情况下，增大整定值范围可以是Slope变大，从而提高系统的响应速度；Offset为系统的偏差。
在主程序中，对要求恒定的水位值进行整定的程序段为梯级0004，如图3-2所示。它的输入值input value = 120，最大输入值input max = 200，最小输入值input min = 0，最大整定值scaled max = 16383，最小整定值scaled min = 3277，由此可得：
Slope =（scaled max — scaled min）/ (input max —
input min)
=（16383 — 3277）/（200 — 0）
= 65.53 图3-2 水位值的设定
Offset = scaled min —（input min×slope）
= 3277 —（0×65.53）
= 3277
Scaled value = (input value×slope) + offset
= （120×65.56）+ 3277
= 11140.6
在指令中，以上运算过程是自动进行的，程序员只需指定输出（Output）的单元地址，SCP指令既会把运算的结果存入所指定的内存单元中去。因此，所指定的恒定水位120经过整定，变为11141后存入了内存单元N11:32。
在梯级0006（图3-3）中，SCP指令是将当前由阀门开度计所输入的值转换位实际的阀门开度。阀门开度计输入模拟量输入模块测得的一个模拟量（实际是一个4~20mA的电流），根据罗克韦尔公司所给的参数表，在SLC 500 PLC中，该模拟量所在的范围是3277~16383之间。在这里由I:3.0端口的输入值为8718，需要将它整定到0~100的范围之内。根据理论值的计算如下：
Slope =（scaled max — scaled min）/ (input max
— input min)
=（100 — 0）/（16383 — 3277）
= 0.00763，
Offset = scaled min —（input min×slope）
= 0 —