丁家根：基于PLC水厂滤池自动控制系统的设计
设时间（6min）后，关闭反冲水阀，关闭水泵，关闭水泵出口阀。最后，关闭排污阀，打开进水阀，滤池进入进水状态，当水位上升到恒水位过滤位置（2.4m）时，自动反冲洗完成，该池转入正常的过滤程序，出水阀打开。反冲洗关键控制部分为水泵和风机。 一、 反冲洗水泵一步化启停设计：
（1） 反冲洗水泵、出水阀联动一步化控制功能 ? 泵机开启过程 a) 开泵命令
b) 检查出水气动碟阀是否关到位，若没则关到位 c) 启动水泵电机
d) 泵机“运行”信号到，延时时间到打开气动蝶阀 e) 气动蝶阀开到“全开位” ? 泵机关闭过程： a) 关泵命令
b) 关出水气动阀碟 c) 气动阀碟到“全关位” d) 停水泵电机
（2） 滤池自动反冲洗控制
主要有排序冲洗、自由冲洗和强制冲洗。
有多个滤格要进行冲洗时，则对其进行排序，顺序进行冲洗；当水头损失不合要求或者过滤时间超过设定值（24h）之外时，进行自由冲洗。强制冲洗可以认为是在人机界面直接下达冲洗的命令。
二、 反冲洗鼓风机一步化启停设计： （1） 开鼓风机控制：开阀门启动 a) 开风机指令 b) 开旁通阀 c) 启动鼓风机 d) 开出气阀 e) 关旁通阀
（2） 停鼓风机控制：关阀门停机 a) 停风机指令 b) 开旁通阀 c) 关出气阀 d) 停鼓风机 e) 关旁通阀
本次设计对工艺设备控制有四级：中央控制室IPC进行操控；PLC根据程序和其他情况，自动控制，无需人的干预；现场人机界面进行管理；手动控制，在MCC或者机器旁边操作箱上的按钮进行控制，手动通过硬件直接切换，优先权较其他三种方式高。
接下来讨论反冲洗故障检测和保护等内容。 ? 反冲洗水泵故障检测和保护设计如下：
（1） 过电流预报警
反冲洗水泵电机电流大于额定电流时，接通报警指示灯或喇叭，以示警告。 （2） 过电流故障
反冲洗水泵电机电流大于额定电流时，立刻关闭水阀门和停止水泵工作，同
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时相应开关接通，以示警告。 （3） 空载故障
反冲洗水泵电机电流小于额定电流，或压低于常值时候，空车故障，立刻停机，启动相应声光报警系统。 （4） 电气故障
反冲洗水泵电机正常启动运行后，在设定时间内不到位，运行信号继续丢失5s为电气故障，PLC停止工作，启动声光报警系统。
? 反冲洗水泵出口阀门故障检测和保护设计如下：
（1） 开阀门故障
开阀指令发出后，在设定的时间内，开阀门出现故障，PLC作开阀故障，立即切断该阀门电源，对反冲洗水泵停电保护，并且启动报警系统。 （2） 关阀门故障
开阀指令发出后，在设定的时间内，开阀门出现故障，PLC作开阀故障，立即切断该阀门电源，对反冲洗水泵停电保护，并且启动报警系统。
? 反冲洗鼓风机故障检测和保护设计如下：
（1） 过电流预警
鼓风机电流大于额定电流时，启动报警系统。
（2） 过电流故障
鼓风机电流大于额定电流时，立即关闭水阀门和停止水泵工作，启动报警系统。 （3） 空车故障
鼓风机电流大小于额定电流或出水压力低于正常值，为空车故障，须立即停机保护，启动报警系统。 （4） 电气故障
鼓风机电机启动正常运动后，运行信号继续丢失5s为电气故障，PLC停止工作，启动声光报警系统。
丁家根：基于PLC水厂滤池自动控制系统的设计
第6章 PLC控制的实现
本章主要介绍PLC控制的硬件设计和软件程序的编写。且选用的PLC为我所熟悉的三菱FX2N系列产品。阀门选择开关阀，而省去了用PID控制的调节阀，使过程变得相对简单。
6.1 PLC基本知识及其工作原理
可编程序控制器(Programmable Logic Controller)简称 PLC。 所谓可编程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电控制系统的硬件设计系统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运算、顺 控制、定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。随着PLC的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制，而且能实现模拟量、数字量的算术运算。用PLC设计的控制系统具有如下的优点： (1)能适应工业现场的恶劣环境，能抗电磁干扰与电压冲击。 (2)简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。 (3)可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过 20000 小。(4)编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。 (5)体积小，价格低。 (6)可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。 (7)可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离很远，内存可以扩展。 (8)有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。 (9)系统化，有标准外围接口模块。 (10)系统在一种现场不需要时，仍可改在另一现场使用等一系列优点。
PLC 采用的是扫描的工作方式。扫描是一种形象化的术语，用来描述可编程序控制器内部的 CPU的工作过程。所谓扫描就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个CPU 每一个时刻只能执行一个操作而不能同时执行多个 操作，因此CPU按程序的顺序依次执行各个操作，这种需要处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式称为扫描工作方式。由于扫描是周而复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间为扫描周期。顺序扫描的工作方式是PLC的基本工作方式，它简单直观，方便用户程序设计，为PLC的可靠运行提供了有利保证。一方面，所扫描的指令被执行后其结果马上就可以被后面将要扫描的指令所利用；另一方面，还可以通过CPU设置定时器来监视每次扫描时间是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。
PLC 工作过程分为以下五步：(1)自诊断 自诊断功能可使PLC系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此PLC每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 (2)与外设通信 自诊断正常后PLC即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内存等监控命令。在与上位机通信过程中PLC将接收上位机发出的指令进行相应的操作，把现场工作状态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行启动、停机、修改参数等命令。 (3)输入现场状态 完成前两步工作后PLC便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入
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值是该输入值的内存映象值而不是当时现场的实际值。(4)解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 (5)输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果，也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由 输出状态表送到输出模块，其相应开关动作。驱动用户输出设备即PLC的实际输出。在依次完成上述五个步骤操作后PLC又开始进行下一次扫描。如此不断的反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现故障。
丁家根：基于PLC水厂滤池自动控制系统的设计
6.2 传感器和执行器的选择
传感器主要用来检测液位高度，选择使用超声波液位计来作为液位传感器，把现场检测到的模拟信号传输给PLC的模拟量输入模块。
为了维持滤池正常工作时恒水位，所以液位计的选型很重要。超声波液位传感器是近年来普遍使用的一种工控液位传感器，该液位计安装简单方便，信号漂移较小，故障率较低，运行稳定。故近年来受到广大工程设计人员的青睐。故本设计LU 13两线制超声波液位传感器。
安装一前首先确认液位计探头和它的测量终端间距，LU13超声波液位计允许的最大电缆长度为30m，而且要求电缆必需全部屏蔽。两线制信号输入电气连接:
1.和信号变送器以及外供电源连接:
液位计红线端接入直流电源12-28 VDC+端，黑线接仪表输入信号+端，然后将电源12-28 VDC-端和仪表信号输入负端连接。
2.和PLC的连接:
液位计红线端接入直流电源12-28 VDC+端，黑线接PLC输入信号+端，然后将电源12-28 VDC-端和PLC信号输入负端连接。(注意:超声波液位计安装时，其包装盒内的Vinton橡胶垫必须配合超声波液位计一起安装)
水头损失等于液位值减去压力值，故水头损失信号的测量要运用到压力变送器。前些年大都用差压变送器，在滤料上下引压，但由于差压变送器及三阀组安装维护相对麻烦，且差压变送器的安装位置受一定限制，近年来采用压力变送器较多，在单格滤池出水阀前取压由计算机将液位值与压力值相减后得出水头损失，效果不错。本设计中的压力变送器选择通用型YZD-1扩散硅压力变送器。
YZD-1扩散硅压力变送器选用国外进口扩散硅压力芯片作敏感元件，性能稳定可靠，抗过载能力强。灵敏度高，精度高，体积小，重量轻，安装使用方便。广泛应用于国民经济领域的各种气体、液压的压力、液体测量和控制。具有多种量程、多输出形式，标准螺纹接口:M20*1.5结构材料:2Cr13或者1Cr18Ni9Ti。可按要求订制非标准量程、输出形式和压力接口形式。如表5-1所示所示。
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