水塔水位控制電路的PLC改造

張略

[摘要]在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中，經(jīng)常需要管理人員對水位進行測量和控制，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保證，非常麻煩。本文以此為背景采用PLC替代傳統(tǒng)的工業(yè)繼電器控制，對水塔水位傳統(tǒng)繼電器控制電路進行改造，為供水系統(tǒng)自動化控制的實現(xiàn)提供技術(shù)支持。以此說明PLC在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中發(fā)揮的巨大效用。

[關(guān)鍵詞]PLC；CPM2A；水塔水位控制

一、可編程控制器（PLC）的簡介

1、PLC的產(chǎn)生

進入20世紀以后，伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)革命的加速進行，傳統(tǒng)的工業(yè)繼電器控制逐漸暴露出他在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的局限性，為了適應(yīng)更加精密和可靠的自動化控制流程，1968年，美國最大汽車制造商通用公司率先提出研發(fā)可以取代傳統(tǒng)繼電器的可編程控制器。通過招標(biāo)，最后在1969年美國數(shù)字設(shè)備公司研發(fā)成功了世界上第一臺PLC，并在通用汽車公司的生產(chǎn)線上使用，獲得成功；隨后，歐洲和日本也先后研發(fā)出多款功能強大的PLC，并且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了推廣和應(yīng)用。PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車裝卸、造紙、環(huán)保及娛樂等行業(yè)，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，具有控制速度快、可靠性高、靈活性強、功能完善等優(yōu)點，同時還可以與變頻器，電腦、觸摸屏等設(shè)備實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。長期以來，PLC始終占據(jù)著工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的主要位置，在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色，為各種各樣的自動化設(shè)備提供了非常靈活的控制功能。它能夠為自動化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動化控制的需求。

2、PLC的定義

可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，采用可編程序的存儲器，存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各類機械或生產(chǎn)過程。

3、PLC與傳統(tǒng)繼電器控制的區(qū)別

（1）控制方式的區(qū)別

繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器機械觸點的串聯(lián)或并聯(lián)及延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。PLC

采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可，稱軟接線。把整個控制過程簡單化，智能化。

（2）控制速度的區(qū)別

繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，毫秒級，機械觸點有抖動現(xiàn)象。PLC是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實現(xiàn)控制，速度快，微秒級，嚴格同步，無抖動、無噪音。更安全，更可靠，更環(huán)保。

（3）延時控制區(qū)別

繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，而時間繼電器定時精度不高，受環(huán)境影響大，調(diào)整時間困難。PLC用半導(dǎo)體集成電路作定時器，時鐘脈沖由晶體振蕩器產(chǎn)生，精度高，調(diào)整時間方便，不受環(huán)境影響。

4、PLC的主要特點

（1）可靠性高，抗干擾能力強。

可靠性高是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電器接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。

（2）配套齊全，功能完善，適用性強。

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

（3）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。

PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。

（4）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造。

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部接的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。

（5）體積小，重量輕，能耗低。

以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。

5、本設(shè)計中PLC選擇OMRON公司CPM2A系列的主要特點

（1）CPM2A的CPU單元與擴展I/O并用，可完成10點到100點的輸入輸出要求。并有AC和DC兩種電源型號可選擇。

（2）CPM2A匯集了各種先進的功能，如高速響應(yīng)功能、高速技術(shù)功能、中斷功能，還備有2個模擬量設(shè)定。

（3）CPM2A由充足的程序容量，具有2048字的用戶程序存儲器和1024字的數(shù)據(jù)存儲器。

（4）CPM2A在編程環(huán)境等方面，它不僅具備了以往的小型PLC所具有的功能，還盡可能使安裝空間最小化，而且還可連接可編程控制終端，創(chuàng)造了尚無前例的靈活運用。它不僅可以替代繼電器控制柜，就是作為小型控制器或在傳感器應(yīng)用中，亦能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場不同的需求。

二、水塔水位控制工作要求

1、當(dāng)水池水位低于水池低水界時，液面?zhèn)鞲衅鞯拈_關(guān)S3接通（ON），電磁閥門YV打開，水池進水。水位高于低水位界時，開關(guān)S3斷開（OFF）。當(dāng)水位升高到高于水池高水位界時，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)S4接通（ON），電磁門YV關(guān)閉，停止進水。

2、如果水塔水位低于水塔低水位界時，液面?zhèn)鞲衅鞯拈_關(guān)S2接通（ON），當(dāng)此時S3為OFF，則電動機M運轉(zhuǎn)，水泵抽水。水塔水位上升到高于水塔高水界時，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)S1接通（ON），電動機M停止運行，水泵停止抽水。

三、使用PLC改造控制電路的方案

1、輸入/輸出（I/O）點數(shù)的分配表

2、PLC外部接線圖（圖略）

3、梯形圖設(shè)計（圖略）

4、指令語句表

5、工作過程

（1）水池水位的控制：如圖4所示，當(dāng)水池水位低于水池低水界時，液面?zhèn)鞲衅鞯拈_關(guān)0.03（S3）接通（ON），電磁閥門10.00（YV）打開并自鎖，水池進水；當(dāng)水位升高到高于水池高水位界時，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)0.04（S4）接通（ON），電磁門10.00（YV）關(guān)閉，停止進水。

（2）水塔水位的控制：如圖5所示，水塔水位低于水塔低水位界時，液面?zhèn)鞲衅鞯拈_關(guān)0.02（S2）接通（ON），當(dāng)此時0.03（S3）為OFF，則電動機10.02（M）運轉(zhuǎn)并自鎖，水泵抽水；水塔水位上升到高于水塔高水界時，液面?zhèn)鞲衅魇归_關(guān)0.01（S1）接通（ON），電動機M停止運行，水泵停止抽水。

6、用PLC改造后的效果

在經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性、等方面呈現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，特別是在提倡低碳環(huán)保的情況下有很好的節(jié)能效果，達到節(jié)能目的的同時也提高了供水系統(tǒng)的質(zhì)量，且由于PLC強大的擴展性可以適應(yīng)今后城市供水建設(shè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]《PLC控制系統(tǒng)梯形圖及指令表》 陸運華主編 中國電力出版社 2013

2[]《可編程序控制器技術(shù)與應(yīng)用》 程周主編 電子工業(yè)出版社 2007

[3]《可編程控制器原理與應(yīng)用》 周旭主編 國防工業(yè)出版社 2011