毕业论文-变频供水系统设计.doc

摘要
摘 要
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理，接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构。本文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，并对系统的硬件设计进行了详细的介绍。
本文构建了基于力控软件的泵站监测系统框架，提出了以力控软件为监控软件，可编程序控制器(PLC)采用西门子S7-200系列作为下位机的泵站分布式控制系统方案。初步实现了泵站的自动动态采集信号，对监控参数进行趋势分析、趋势预报且能实施报警功能，对各种监控参数的报表也能自动生成并打印，同时利用基于GPRS无线网络，实现了泵站的远程监控，基本满足了用户的需求。

关键词：变频调速恒压供水；PLC可编程控制器；数据采集

I

Abstract

Abstract
With the rapid development of social economy, it demands the better of water supply’s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with the help of advanced technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt to different water supply fields.
This paper explains ester supply system’s energy-saving principle of pump VF speed control according to characteristic curve of running pipelines and water pump, analyzes the structure of VF speed regulating constant pressure water supply. In this paper, on the basis of above PLC and inverter’s method fits water supply system and data transmission very well. Then constant pressure supply water controller is designed by PID control respectively, and the design of the system’s hardware and soften is introduced.
This paper establishes the frame of pumping station supervisory system which is based on configuration software，and proposes the project to develop the distributed control system of pumping station using configuration softwareas supervisory software and Siemens S7-200 as hypogenous machine. It can collect signal automatically, execute trend analysis about the supervisory print the parameter and data. So it fulfills reused, extended and maintained easily, parameter, forecast alarm, and satisfies the main need of user.

Key words: VF speed frequency to working constant pressure water supply; Programmable Logical Controller; Data collection

II

目录
目 录
摘要 I
Abstract II

1 绪论 1
1.1 课题来源及其设计意义 1
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状 2
1.3水泵电机的调速技术 2
1.3.1水泵电机的调速原理 3
1.3.2调速控制节能分析 3
1.3.3变频恒压供水系统的特点 4
1.4变频恒压供水控制系统的常用控制方式 5
1.5本文的主要设计内容 5
1.6本章小结 7
2 PLC可编程控制器简介 8
2.1 PLC的起源与发展 8
2.2可编程控制器的基础知识 10
2.2.1可靠性高 10
2.2.2易操作性 10
2.3 PLC控制系统的组成 13
2.3.1 硬件的组成 13
2.3.2软件的组成 16
2.4 PLC控制系统的发展趋势 20
2.5本章小结 21
3 变频恒压供水自动控制系统的总体设计 22
3.1变频恒压供水系统工作原理简述 22
3.2 系统控制方式 23
3.2.1全自动恒压控制方式 23
3.2.2全自动-手动工频运行方式 23
3.3供水自动控制系统总体方案设计 24
3.3.1功能设定 24
3.3.2 总体结构关系 25
3.3.3总体工作流程 25
3.4 系统硬件设计 26
3.4.1 主电路设计 26
3.4.2控制电路设计 26
3.4.3控制电路分类 27
3.5 主要器件的选择 33
3.5.1 PLC的选择 33
3.5.2 变频器的选择 33
3.5.3 变送器的选择 34
3.6 PLC的配置 34
3.6.1 S7-200型PLC的特点 34
3.6.2 PLC的开关量输入、输出点 34
3.6.3 PLC程序设计 34
3.7 I/O口分配 35
3.8 本章小结 36
4 泵站局部监控及远程监控 38
4.1泵站监控的功能要求 38
4.2泵站局部监控实施方案 39
4.3 力控主控界面 39
4.4 泵站计算机监控系统的构成 39
4.5 远程控制 40
4.6 本章小结 41
5 经济可行性分析 42
6 结论 43
6.1设计工作总结 43
6.2设计展望 43
致谢 44
参考文献 45
附录1 46
附录2 50
科技文章摘译 51

河北工程大学毕业设计说明书
1绪论
1.1课题来源及其研究意义
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的历史条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水、高层建筑供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要是由于受陈旧的供水设备和输送管路的限制，在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低水供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点;不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，也是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。
随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。系统可根据供水管网的用水情况，按照管网瞬间压力变化，通过智能控制器，实时自动调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持在恒定的压力设定值，有效地防止水路管网湍振而出现管路爆裂现象。相比传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统，变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益。
本设计针对中小城市，一般中小城市人口在一百多万，人口分为多个区居住。本课题是其中的一个泵站的电气控制设计和施工，该泵站配有7台45kw水泵，供水能力为1300 T/H,4条专用蓄水水管，3条专用供水水管，建有1座共4500吨的蓄水池，配备7台大流量高扬程水泵。
本系统的水泵用户选用上海双轮泵业有限公司的产品，参数如表1. 1所示:
表1- 1系统中所选用的水泵参数表
型号
流量(m3/h)
扬程（m）
转速（r/min）　　　　　
功率（kw）
150TSWA2
155
60
1450
45
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性能不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标方面，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.3水泵电机的调控技术
在供水企业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占有很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的2196以上，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成.正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。
1.3.1水泵变频调速原理
异步电动机定子三相对称绕组空间相隔120度，当通以三相对称电流时，产生旋转磁场，旋转磁场的转速，即同步转速为
n=60f/p (r/min) (1 .1)
异步电动机的转差率为:
s= (n-n) /n1 (l. 2)
n=nl (1-s) =60f(1-s) /p (l. 3)
式中:f，一定子绕组电源频率
P一磁场极对数
s一转差率
n，一同步转速((r/min)
n一异步电动机转速(r/min)
因此，改变电源频率，就可以改变电动机的转速。从而可以调节水泵的转速，这就是水泵变频调速的基本原理。
1.3.2调速控制节能分析
水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。水泵扬程一流量特性(h-q)曲线如图1-1所示。

图1-1 水泵h-q特性图
1.3.3变频恒压供水系统的特点
⑴滞后性
供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
⑵非线性
用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。
⑶多变性
变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统。而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
⑷时变性
在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。
1.4变频恒压供水控制系统的常用控制方式
在发达国家，城市的供水系统普遍采用无塔上水的调节方式，按管网各节点的需求实时分配水量，即依照各分区的需水量来调节各分区管网入口的水压和流量。这种系统庞大复杂，目前多采用集散控制等分散化、网络化和智能化的控制系统进行局部调节、集中管理。整个系统有较强的控制能力和灵活性。对于一个园区的供水控制系统，可以看作城市供水网络中的单节点。单节点供水管网水压的闭环控制，目前主要有如下几种控制方式:
⑴PID控制
PID控制算法简单并且实用，已成为标准算法。对于小型或用水量变化不大的供水系统，PID控制是常用的控制方式。一般的变频器均带有PID控制单元，仅需将反馈量接入到变频器的反馈端子或PLC的输入端并设定好参数，即可投入使用。目前国内多数的供水系统采用这种控制方式。
⑵模糊控制
模糊控制是处理复杂非线性系统的有效方法之一，已成为供水行业研究的热点。但是常规模糊控制的稳态响应不及PID控制，为此有不少文献中将模糊控制与PID控制结合起来形成恒压供水的自整定模糊PID控制，改善了供水系统的静动态特性。
⑶自适应控制
除了模糊控制之外，自适应控制也是处理被控对象的时变性和不确定性的重要方法。国外有文献针对供水系统进行了自适应控制的实验研究。主要方法是采用自校正调节器(STR ),其框图如图1-2所示。
图中输出是水压值，输入是变频器设定值，参考输入是水压设定值。这类自适应控制系统的基本思想是在系统中加入对象参数的递推估计器，并根据对象估计参数设计调节器参数。系统由内环和外环两个环路组成，内环包括被控对象和一个普通的线性反馈调节器，该调节器的参数由外环调节，外环则由一个递推估计器和一个设计机构组成。系统的过程建模和控制的设计都是自动进行，每个采样周期都更新一次。但是控制算法采用的是对象的局部线性模型，要在不同条件下都能获得高性能指标是困难的。
1.5本文的主要研究内容
经过系统的调研和分析，并结合需求方的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水系统的研制及远程监控，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容:
⑴对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。
⑵介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。根据现场需要，对上位机上的监控软件进行总体方案设计。
⑶通过对PID控制器的基本原理的介绍，深入的分析德国SIMENS公司的S7-200系列CPU中的PID算法的实现。在PID分析的基础上设计一个用于供水系统压力控制的PID控制算法，并通过现场调试，调整和检验PID算法的参数。
⑷用力控软件完成了系统上位机监控软件的开发，使用以太网和GPRS技术构成变频调速恒压供水计算机和数据采集系统(SCADS)的控制网络。

图1-2 自校正调节器图

1.6本章小结
本章首先介绍了课题的来源和研究意义，在查阅了大量相关文献和进行了许多调查研究的基础上，对水泵电机的各种调控技术及节能原理进行分析和比较，指出交流电机的变频调速作为一种有效的电机调速技术，能够提高生产自动化程度并大大节约能源。对于我国广大的中小型水厂和单位供水来说，应用此项技术能有效的提高生产管理水平和市场竞争力。本章对我国目前的变频调速恒压供水研究现状进行了总结，并在此基础上提出了本文的主要研究内容:设计一套基于PLC的变频调速恒压供水系统，对系统中控制技术及远程监控问题进行研究。

2 PLC可编程序控制简介
2.1 PLC的起源与发展
在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出电路和生产现场这4个部分组成的。其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。用已向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。
继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重新设计，布线，装配，和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。
出于上述考虑，美国通用汽车公司（GM）于1968年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即1969年美国数字设备公司（DEC）就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为PLC（Programmable Logical Controller），即可编程序逻辑控制器。
20世纪70年代末80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）将之正式命名为PC（Programmable Controller）。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是PC（Personal Computer），有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称PLC（尽管这是早期的名称）。本书采用PLC的称呼。20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数，中断技术，PID控制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（IEC）制定了PLC的标准，并给出了它的定义。
“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。”
综上所述，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一，被广泛地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。
以PLC作为控制器的PLC控制系统是从根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而PLC控制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。随着计算机和通信几刷的发展，现代PLC控制系统已远不是几十年前的哪个样子，PLC的控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化。尽管现在的PLC控制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的角度来看，PLC控制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的PLC控制系统为例说明集中型PLC控制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解PLC控制系统的工作原理是有帮助的。集中型PLC控制系统的结构。
将两种系统相比，就会发现PCL控制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被PLC中的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可以了。正是上述原因，PLC控制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展，PLC的成本在降低，传统的继电器控制系统被PLC控制系统代替已是发展的必然趋势。
2.2可编程控制器的基础知识
PLC能如此迅速发展的原因是由于它具有通用计算机所不及的一些下列特点:
2.2.1可靠性高
PLC的可靠性高，表现在下列几方面。
⑴与继电器逻辑控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:
PLC不需要大量的活动部件和电子元器件，它的接线也大大减少。与此同时，系统的维修简单、维修时间缩短，因此可靠性得到提高。
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、掉电保护、故障。
PLC有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此对操作和维修人员的技能要求降低，容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性高。
⑵与通用的计算机控制系统比较，PLC可靠性提高的主要原因:
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控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了经简化的编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。因此，PLC的可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。
在PLC的硬件设计方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元件;采用先进的工艺制造流水线生产;对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护并采用看门狗和其他自诊断措施、便于维修的设计等等。
在PLC的软件设计方面，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、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等等。一份用户选用PLC原因的调查报告指出，在各种选用PLC的原因中，第一位的原因是由于PLC可靠性高的用户达93%。其次，才是性能和维修方便等原因。可见，可靠性高是PLC的主要特点。
2.2.2易操作性
对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。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CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号、继电器编号或触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屏幕上显示。所以PLC具有操作方便的特点。
PLC的易操作性表现在下列三个方面:
⑴PLC控制系统与继电器控制系统的比较
表2-1 plc与继电器控制系统比较表
比较项目
继电器控制系统
PLC控制系统
控制功能的实现
由许多继电器，采用接线的方式来完成控制功能
各种控制功能是通过编制的程序来实现的
对生产工艺过程变更的适应性
适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线
适应性强，只需对程序进行修改
控制速度
低。靠机械动作实现
极快。靠微处理器进行处理
计数及其他特殊功能
一般没有
有
安装，施工
连线多，施工繁
安装容易，施工方便
可靠性
差，触点多，故障多
高，因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施
寿命
短
长
可扩展性
困难
容易
维护
工作量大，故障不易查找
有自诊能力，维护工作量小
结论：由于PLC控制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被PLC控制系统所代替是大势所趋。
⑵PLC控制系统与计算机系统的比较：

表2-2 PLC与计算机系统比较表
比较项目
通用计算机系统
PLC控制系统
工作目的
科学计算，数据管理等
工业自动控制
工作环境
对工作环境要求比较高
对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作
工作方式
中断处理方式
循环扫描方式
系统软件
需配备功能较强的系统的软件
一般只需要简单的监控程序
采用的特殊措施
掉电保护等一般性措施
采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修
编程语言
汇编语言，高级语言
梯形图，助记符语言，SFC标准化语言
对操纵人员的要求
需专门培训，并具有一定的计算机基础
一般技术人员，稍加培训即可操作使用
对内存的要求
容量大
容量小
价格
价格高
价格较低
其他
若用于控制，一般需自行设计
机种多，模块种类多，易于集成系统
结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用PLC可靠，方便，易于维护。
进入20世纪70年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与PLC共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现，PLC与一般的工业控制计算机相比，PLC还是有着较强的优势，其原因是PLC专为在工业环境下的应用而设计，在PLC中采用了如下的硬件和软件措施：
⑴ 光电耦合隔离和R-C滤波器，有效地防止了干扰信号的进入。
⑵ 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。
⑶ 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。
具有良好的自诊断功能可对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。
⑷ 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。
⑸ 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。
⑹ 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型PLC还采用了双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。
⑺ 随着构成PLC的元器件性能的提高，PLC的可靠性也在相应的提高。一般PLC的平均无故障时间可达到几万小时以上。某些PLC的生产厂家甚至宣布，今后生产PLC不再标明可靠性这一指标，因为对PCL来讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现PLC系统在使用中发生的故障大是是由于PLC的外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是PLC本身发生的。
⑻ 另外，PLC程序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工程技术人员。因此，PLC在工业控制方面获得了极大成功，成为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信息处理方面还是优于PLC，所以在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来，PLC做下位机进行现在控制，计算机做上位机信息处理。计算机与PLC之间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。
⑶PLC控制系统与集散型控制系统的比较
由前所述可知，PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统DCS（Distribution Control System）是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。而PLC随微电技术，计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以PLC为重要部件的分布式控制系统。随着PLC网络通信功能不断增强，PLC与PLC及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上（Data Highway）挂接在线通用计算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态，加上PLC的价格和可靠性优势，使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。
2.3 PLC控制系统的组成
PLC控制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指PLC本身及其外围设备，软件是指管理PLC的系统软件，PLC的应用程序，编程语言和编程支持工具软件。
2.3.1 硬件的组成

图2-1 典型的PLC控制系统的硬件组成框图
PLC控制系统的硬件是由PLC，输入/输出（I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。
⑴PLC系统
①主控模块
除了早期生产的整体式PLC（PLC的各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的PLC都已采用模块化的结构（PLC的各个部件独立封装，称之为模块）。在PLC中各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称CPU），它包括：CPU，存储器，通信接口等部分。
(A)CPU：CPU是PLC的控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器是用来统一指挥和控制PLC工作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。PLC在CPU的控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。CPU的具体作用如下：
执行接受，存储用户程序的操作指令。
用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。
执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。
响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。
PLC中所采用的CPU随机型的不同而不同，通常有3种：通用微处理器（如8086，80286，80386等），单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型PLC大采用8位微处理器或单片机作为CPU，如Intel8086，Inter96系列单片机，具有集成度高，运算速度快，可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的OMRONC200H型PLC采用的是Motorola公司生产的MC68B09的CPU芯片。这是一种增强型8位微处理器。对大型PLC，大多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。
目前，一些厂家生产的PLC中，还采用了冗余技术，即采用双CPU或三CPU工作，进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使PLC的平均无故障工作时间达几十万小时以上。
(B)存储器：PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。
系统程序存储区：采用PROM或EPROM芯片存储器。它是由生产厂家直接存放的，永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和PLC的硬件组成与专用部件的特性有关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。
存储器区：工作数据是PLC运行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器RAM。数据存储区包括输入，输出数据映象区，定时器/计数器预置和当前数值的数据。
用户程序存储区：用于存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用EPROM或EEPROM存储器，用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表P