1、廣 東 南 方 職 業(yè) 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(b y sh j) 題 目 名 稱 基于PLC與變頻(bin pn)調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 （部） 工程系 專 業(yè) 班 級(jí) 12級(jí)機(jī)電(jdin)1班 學(xué) 生 姓 名 葉木秀 指 導(dǎo) 教 師 萬(wàn)三國(guó) 時(shí) 間 2014 年 11 月至 2015 年 6 月 目 錄 TOC o h z u HYPERLINK l _Toc416009876 畢業(yè)論文(b y ln wn)(設(shè)計(jì))任務(wù)書(shū) VIII畢業(yè)論文(b y ln wn)(設(shè)計(jì))任務(wù)書(shū)系 工程系 專業(yè)(zhuny) 機(jī)電(jdin)一體化技術(shù) 班級(jí) 12機(jī)電1班 學(xué)生姓名 葉木秀 指導(dǎo)教師/職稱 萬(wàn)三

2、國(guó)/講師 1畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目：2畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間： 年 月 日 年 月 日3畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))所需資料（指導(dǎo)教師選定部分）4畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))應(yīng)完成的主要內(nèi)容5畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的目標(biāo)及具體要求任務(wù)書(shū)批準(zhǔn)日期 年 月 日 系主任(簽字) 任務(wù)書(shū)下達(dá)日期 年 月 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 年 月 日 學(xué)生（簽名） 開(kāi)題(ki t)報(bào)告一、選題(xun t)的目的及意義(yy)目前，居民生活用水和工業(yè)用水日益增加，由于居民日常用水和工業(yè)用水會(huì)隨季節(jié)、晝夜等變化而隨之發(fā)生變化，如采取傳統(tǒng)的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優(yōu)化配置，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，為了能更合理的

3、分配資源，能最大限的為人們所用，可采用變頻恒壓供水方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)，以達(dá)到供水穩(wěn)定，滿足人們需求，合理優(yōu)化分配等目的。本文介紹的是關(guān)于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樽冾l恒壓供水系統(tǒng)有高效節(jié)能，恒壓供水，安全衛(wèi)生，自動(dòng)運(yùn)行，管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)在的國(guó)民需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)用水量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速是現(xiàn)在優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式（如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等）的技術(shù)，是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最佳、應(yīng)用廣泛、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。它采用了微機(jī)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)調(diào)速

4、技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，組成簡(jiǎn)單，維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)于調(diào)高企業(yè)效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。二、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的，在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各

5、種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求的不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)先以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)

6、的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī)的供水系統(tǒng)。但是也有其缺點(diǎn)，就是輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此適用范圍受到限制。目前國(guó)內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以(yy)實(shí)現(xiàn)；有的采用PLC及

7、相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司（現(xiàn)已改名艾默生）和成都希望集團(tuán)（森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器（5.5Kw-22kW），無(wú)需外接PLC盒PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)（丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換）。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水

8、系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)(wnglu)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。三、主要(zhyo)研究?jī)?nèi)容、設(shè)計(jì)思想及待解決的問(wèn)題本設(shè)計(jì)是以供水系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證供水系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器、和水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有4臺(tái)泵，大泵電動(dòng)機(jī)功率均為220KW，小泵功率均為160KW；所有泵可設(shè)

9、計(jì)成變頻循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式；采用PID算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制；西門(mén)子S7-200型系列PLC控制變頻及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行；系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)操作功能；具有故障自診和自處理能力，對(duì)過(guò)流，欠壓，過(guò)壓等變頻器故障均能自行診斷，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)的總控制方案設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備選型、PLC選型、估算所需I/O點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接(linji)圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖、分配I/O點(diǎn)數(shù)、列出I/O分配表，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵應(yīng)該是調(diào)速，其中改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方

10、式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門(mén)的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且極差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證(bozhng)其較大的調(diào)速范圍一般采用串級(jí)調(diào)速方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能好，但由于線路復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能消耗，且成本高；下面重點(diǎn)分析改變電源率調(diào)速的方法。根據(jù)公式（n=60f/p（1-s）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行(ynxng)性能的惡化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工

11、作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，他們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。四、設(shè)計(jì)的工作步驟、進(jìn)度與時(shí)間安排（1）系統(tǒng)主要設(shè)備選型；（2）PLC及其模塊的選型；（3）變頻器的選型；（4）系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)；（5）系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)；（6）PLC的I/O端口分配及外圍接線；（7）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；（8）PLC程序設(shè)計(jì)；（9）PID參數(shù)整定；畢業(yè)設(shè)計(jì)(b y sh j)進(jìn)度安排2014年11月3日2014年11月20日：熟悉設(shè)計(jì)內(nèi)容、要求、任務(wù)；收集(shuj)與設(shè)計(jì)相關(guān)的論文、資料，方案論證與選擇；2014年11月21日2014年12月20日：初步完成(wn chng)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)配置與選型；2014年12月21

12、日2015年1月20日：完善系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)；2015年1月20日2015年2月10日：繪制軟件框圖、編寫(xiě)梯形圖及梯形圖調(diào)試；2015年2月10日2015年3月15日：撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；2015年3月16日2015年4月15日：繪制圖紙；2015年4月16日2015年6月20日：論文修改與答辯。參考文獻(xiàn)1 艷萍.電氣控制與PLC技術(shù).北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.22田淑珍. 可編程控制器原理及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.3孫延永.劉美俠 基于PLC與變頻器的水泵自動(dòng)穩(wěn)壓供水控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā) 期刊論文 -中國(guó)制造業(yè)信息化2012(23)4羅鋒華.房馳.程豪 PLC與變頻器在恒

13、壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 期刊論文 -機(jī)床電器2011(4)5朱寧南 供水系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)探討 期刊論文 -中國(guó)電子商務(wù)2013(12)6王廷才,胡雪梅. 變頻器原理及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.7李二恩.賈敏智 模糊控制在恒壓供水系統(tǒng)改造中的應(yīng)用 期刊論文 -煤礦機(jī)械2013(3)8張燕平,張征,劉崢.我院基于積液透析水處理系統(tǒng)的節(jié)水改造J.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,(10):149-150.9簡(jiǎn)立明. 內(nèi)置PID變頻調(diào)速及PLC控制構(gòu)建的智能恒壓供水系統(tǒng)J.紡織機(jī)械,2004,(04):34-36.10孫立書(shū). 基于PLC的軟啟動(dòng)變頻雙恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)J.機(jī)電工程,201111于紅

14、花. 模糊PID控制在變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用J.科技與企業(yè),2013,(20).12張德田. 基于模糊控制的變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究D.保定:華北電力大學(xué),2012.13李先輝. 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)在建筑給水系統(tǒng)中的應(yīng)用D.西安:西安建筑科技大學(xué),2013.14蔣興加. 基于FCS變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)J.大眾科技,2011,(05).15胡雪梅,徐榮政. 變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用J.電機(jī)與控制應(yīng)用,2011,(08).16趙小國(guó),孫偉,閻曉妹. 基于時(shí)間優(yōu)先級(jí)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的泵組控制方式研究J.電機(jī)與控制應(yīng)用,2011,(10).17康會(huì)峰,黃新春,王元. 基于DSP

15、的變頻(bin pn)恒壓供水模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用J.電機(jī)與控制應(yīng)用,2010,(05).18吳學(xué)娟,郎朗. 模糊自適應(yīng)控制在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用(yngyng)J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2010,(11).六、指導(dǎo)教師(jiosh)意見(jiàn) 系主任意見(jiàn) 畢業(yè)論文(b y ln wn)（設(shè)計(jì)）審閱與評(píng)審成績(jī)學(xué)生姓名班級(jí)（專業(yè)）系 部答辯時(shí)間論文（設(shè)計(jì)）題目指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)（建議：從學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、工作量、論文（設(shè)計(jì)）的實(shí)用性、規(guī)范性與綜合運(yùn)用知識(shí)能力等方面給出評(píng)價(jià)）成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系評(píng)審（答辯）小組意見(jiàn)及成績(jī)成績(jī)： 評(píng)審小組老師簽名： 年 月 日系答辯委員會(huì)審核意見(jiàn)綜合成績(jī)： 主任（

16、簽名）： 年 月 日畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄(jl)及成績(jī)?cè)u(píng)定學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目答辯時(shí)間 年 月 日 時(shí)答辯地點(diǎn)一、答辯小組組成答辯小組組長(zhǎng)：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問(wèn)（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評(píng)判三、答辯小組對(duì)學(xué)生答辯成績(jī)的評(píng)定（百分制）：_ 分答辯小組組長(zhǎng)(簽名) ： 秘書(shū)(簽名)： 年 月 日系答辯委員會(huì)主任(簽名)： 系 (部)(蓋章) 年 月 日第 頁(yè) (共39頁(yè))摘 要摘 要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。再加上目前能源緊缺(jn qu)，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)

17、域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。論文分析了采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門(mén)控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。通過(guò)對(duì)變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。依據(jù)供水要求，設(shè)計(jì)了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組等主要(zhyo)設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水，具有全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等功能。關(guān)鍵詞 可編程序控制器（PLC) 變壓變頻(bin pn)調(diào)速 恒壓供水第1章 緒論(xln)隨著(su zhe)各

18、住宅小區(qū)的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應(yīng)的生活用水量也大幅度增加。人們對(duì)提高供水質(zhì)量的要求越來(lái)越高，另外人們的節(jié)能意識(shí)及對(duì)運(yùn)行的可靠性的要求越來(lái)越強(qiáng)。采用變頻器及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)塔恒壓供水系統(tǒng)，不僅能提高供水質(zhì)量，而且在節(jié)約能源和運(yùn)行可靠性具有較好的改善。其中，采用變頻調(diào)速的主要目的是通過(guò)調(diào)速來(lái)恒定用水管道的壓力以達(dá)到節(jié)能的目的，恒壓供水則是為了滿足用戶對(duì)流量的要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵），在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中，往往會(huì)出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問(wèn)題。本文

19、介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對(duì)一個(gè)典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)(tngsh)有效的節(jié)省了資金。 應(yīng)用PLC技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，減少手動(dòng)操作或撫慰操作，同時(shí)替代部分繼電器減少機(jī)械觸點(diǎn)的故障，增強(qiáng)可靠性。1.1 本課題設(shè)計(jì)的背景隨著變壓器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)，然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（水泵），在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)

20、踐中，往往會(huì)出現(xiàn)一些理論上意想不到的問(wèn)題。本課題介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。 PLC是集自動(dòng)(zdng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。有如下特點(diǎn)：1可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)2設(shè)計(jì)、安裝容易(rngy)、維護(hù)工作量少3通用性好，組合(zh)靈活4功能完善，適應(yīng)面廣5體積小、功耗低6開(kāi)發(fā)周期短、成功率高等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的支

21、柱產(chǎn)品，與繼電器、接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；占位空間小；價(jià)格上能于繼電器、接觸器控制系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；易于在現(xiàn)場(chǎng)變更程序；便于使用、維護(hù)和維修；能直接推動(dòng)電磁閥、接觸器于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)、重要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進(jìn)行變頻恒壓供水系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大PLC在自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。1.2 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容本設(shè)計(jì)將在以下幾個(gè)方面對(duì)恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和論證。1.2.1 恒壓供水系統(tǒng)的選型 該系統(tǒng)是由儲(chǔ)水系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動(dòng)控制、自動(dòng)控制）組成，對(duì)象系統(tǒng)由三臺(tái)不同功率的水泵機(jī)

22、組組成，都為常規(guī)變頻循環(huán)泵，用于模擬正常模式下的生活供水動(dòng)力系統(tǒng)，回水系統(tǒng)采用有機(jī)玻璃材料結(jié)構(gòu)，以使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可觀察性。1.2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由3臺(tái)水泵，一臺(tái)智能型電控柜（包括變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、缺水(qu shu)保護(hù)器，斷相保護(hù)裝置以及供電主回路等構(gòu)成。1.2.3 系統(tǒng)(xtng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括PLC的程序設(shè)計(jì)和變頻器的功能參數(shù)設(shè)定，這里主要討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)，PLC的程序設(shè)計(jì)包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的程序設(shè)計(jì)，手動(dòng)部分是通過(guò)按鈕控制水泵在工頻下運(yùn)行和停止，主要考慮(kol)系統(tǒng)調(diào)試或檢修時(shí)用。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)打

23、到“自動(dòng)”時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)，由PLC和變頻器聯(lián)合控制各臺(tái)電機(jī)的投入或切除、工頻或變頻運(yùn)行方式。供水系統(tǒng)共有3臺(tái)泵組電機(jī)，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺(tái)數(shù)后，只有最初投入的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，其它后投入的電機(jī)則在工頻下全速運(yùn)行，泵組電機(jī)的切換過(guò)程由邏輯控制單元PLC實(shí)現(xiàn)。 1.3 系統(tǒng)控制的原理通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC的端口進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)PLC控制切換器進(jìn)行加減

24、泵。根據(jù)用水量的大小量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。第2章 系統(tǒng)(xtng)的硬件設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)PLC的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)較大(jio d)的PLC控制系統(tǒng)時(shí)，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的大小，一般都要用以下設(shè)計(jì)步驟來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 隨著PLC功能的不斷完善和提高，PLC幾乎可以完成工業(yè)領(lǐng)域的所以控制任務(wù)。但是PLC還是有最適

25、合它的應(yīng)用場(chǎng)合，所以接到一個(gè)控制任務(wù)以后，要分析被控對(duì)象的控制過(guò)程和要求，看看用什么控制設(shè)備來(lái)完成該任務(wù)最合適。其實(shí)現(xiàn)在(xinzi)的可編程不僅處理開(kāi)關(guān)量，而且對(duì)模擬量的處理能力也很強(qiáng)。所以在很多情況下也可以取代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主控器。控制對(duì)象以及控制裝置確定后，還要進(jìn)一步確定PLC的控制范圍。一般來(lái)說(shuō)，能夠反映生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行情況，能用傳感器直接測(cè)量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由PLC控制來(lái)完成。當(dāng)某一個(gè)控制任務(wù)決定由PLC來(lái)完成后。選擇PLC就成為最重要的事情。一方面是選擇多大容量的PLC，另一方面是選擇什么公司的PLC以及外設(shè)。對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把

26、所有的I/O點(diǎn)找出來(lái)，包括開(kāi)關(guān)量I/O模擬量I/O以及這些I/O點(diǎn)的性質(zhì)。I/O點(diǎn)是性質(zhì)主要是指他們是直流信號(hào)還是交流信號(hào)，它們的電源電壓。控制系統(tǒng)輸出點(diǎn)的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點(diǎn)有可能大于實(shí)際點(diǎn)數(shù)。因?yàn)镻LC的輸出點(diǎn)一般是幾個(gè)一組共用一個(gè)公共端，這一組的輸出只能有一個(gè)電源的種類和等級(jí)。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，則有以下幾個(gè)方面要考慮： 1. 功能方面 所有PLC一般都具有常規(guī)的功能，但是對(duì)于某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務(wù)。如對(duì)PLC與PLC、PLC與智能儀表以及上位機(jī)之間靈活方便的通訊要求

27、；或?qū)LC的計(jì)算速度、用戶程序容量有特殊要求的；或?qū)LC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對(duì)市場(chǎng)上流行的PLC品種有一個(gè)詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。 2. 價(jià)格方面 不同(b tn)廠家的PLC產(chǎn)品價(jià)格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當(dāng)、I/O點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價(jià)格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價(jià)必須是需要考慮的。輸入/輸出信號(hào)在PLC接線端子上的地址(dzh)分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，I/O地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對(duì)控制柜和PLC的外圍接線來(lái)說(shuō)，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控

28、制柜。 2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本(jbn)構(gòu)成恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)和水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時(shí)開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)，電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水不足。而且水泵和電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也有兩種配置方式，一是為每臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不需要切換，但是購(gòu)買(mǎi)變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)見(jiàn)可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，其余水泵工頻運(yùn)行，

29、以滿足不同用水量的需求。恒壓供水泵站的示意圖，如圖2-1所示，圖中壓力傳感器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低；用水量小時(shí)，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 圖2-1 變頻恒壓供水站的基本組成調(diào)節(jié)器是一種(y zhn)電子裝備,在系統(tǒng)中完成以下幾種功能: 1. 設(shè)定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠(yuǎn)，用水地點(diǎn)(ddin)越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時(shí)的恒壓值，另外有些供水系統(tǒng)可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用一個(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不只一個(gè)，一般消防用水的水壓要高一些

30、，調(diào)節(jié)器具有給定值設(shè)定功能，可以以數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。 2. 接受(jishu)傳感器送來(lái)的管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值。管網(wǎng)實(shí)測(cè)水壓回送到泵站控制裝置稱為反饋，調(diào)節(jié)器實(shí)反饋的接受點(diǎn)。 3. 根據(jù)給定值和實(shí)測(cè)值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測(cè)水壓的反饋信號(hào)后，將它與給定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。如果給定值大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)工作中還有個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律的問(wèn)題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)

31、，俗稱PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如P、I、D參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的，PID調(diào)節(jié)過(guò)程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微型計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)器多為數(shù)字調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一般式模擬信號(hào)，420mA變化的電流信號(hào)或010V間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備(shbi)工作。下面以一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明其工藝過(guò)程，如圖2-2所示，市網(wǎng)來(lái)水用高低水位控制器EQ來(lái)控制注水閥TV1，它們自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為低水位報(bào)警用。為了(wi le)保障供水的

32、持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水量的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行。火災(zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為生活供水使用。圖2-2生活消防(xiofng)雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖2.2 可編程控制器（PLC）的選型2.2.1 PLC概述(i sh) 可編程控制器，英文稱Programmable Controller,簡(jiǎn)稱(ji

33、nchng)PLC，本文中用PLC作為它的簡(jiǎn)稱。PLC是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)的電控制器，它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計(jì)算機(jī)，它通過(guò)運(yùn)行存儲(chǔ)在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過(guò)程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過(guò)輸出電路的物理過(guò)程去實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的控制。PLC基于電子計(jì)算機(jī)，但并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行入出信息變換時(shí)，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過(guò)程一般不考慮的。而PLC可以通過(guò)它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強(qiáng)的多。 PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具

34、有以下基本功的功能：1. 邏輯處理功能； 2. 數(shù)據(jù)運(yùn)算功能； 3. 準(zhǔn)確定時(shí)功能； 4. 高速計(jì)數(shù)功能； 5. 中斷處理（可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能；6. 程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；7. 聯(lián)網(wǎng)通信功能；8. 自檢測(cè)，自診斷功能。可以說(shuō)，凡普通小型計(jì)算機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的功能，PLC幾乎也都有可以做到。像PLC這樣，集豐富功能于一身，是別的電控器所沒(méi)有的，更是傳統(tǒng)的繼電器控制電路所無(wú)法比擬的。豐富的功能為PLC的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時(shí)，也為節(jié)水行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 2.2.2 PLC的選型在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求

35、是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。1輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算( sun)I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮(kol)適量的余量，通常根據(jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，在增加10%20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。2存儲(chǔ)器容量(rngling)的估算存儲(chǔ)器容量是PLC本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容

36、量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的1015倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ)2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。 3控制功能的選擇該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速恒壓控

37、制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。. 控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。. 編程功能離線編程方式：PLC和編程器共用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器各有自己的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制

38、的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。五種標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語(yǔ)言。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)音編程序形式，以滿足特殊控制場(chǎng)合(chng h)的控制要求。. 診斷(zhndun)功能PLC的診斷功能硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過(guò)硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過(guò)軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能(xngnng)和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì)PLC的CPU

39、與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強(qiáng)弱直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響維修時(shí)間。 4機(jī)型的選擇目前，國(guó)內(nèi)眾多的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了多種系列功能各異的PLC產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無(wú)所適從，通過(guò)對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇、對(duì)I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分析，決定使用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7 200系列的CUP222型號(hào)的可編程控制器作為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制器。S7-200PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)德一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)退出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-2

40、00CUP22*系列PLC。由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。2.3 PLC模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 PLC的普通輸入輸出端口均為開(kāi)關(guān)量處理端口，了使PLC能完成模擬量的處理,常見(jiàn)的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)化為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外可以使用的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/轉(zhuǎn)換的，也兼有模/數(shù)和數(shù)/模兩種功能的，以下介紹S7-200系列(xli)PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量

41、輸入，可以用于恒壓供水控制中。 EM235模擬量工作(gngzu)單元性能指標(biāo)為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設(shè)計(jì)成可編程，而轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量一般具有固定的長(zhǎng)度(chngd)及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、輸出信號(hào)范圍欄給出了EM235的輸出、輸入信號(hào)規(guī)格，以供選用。校準(zhǔn)及配置模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實(shí)際需接入的信號(hào)類型對(duì)模塊進(jìn)行一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡(jiǎn)單的理解為儀器儀表使用前的調(diào)零以及調(diào)滿度。 EM235的安裝使用 1. 根據(jù)輸入信號(hào)的類型及變化范圍設(shè)置DIP開(kāi)關(guān)，完成模塊的配

42、置工作。必要時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 2. 完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號(hào)的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對(duì)接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感器的線路盡可能短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證24VDC傳感器電源無(wú)噪聲、穩(wěn)定可靠。 3. 確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由安裝位置確定模塊的編號(hào)。S7-200擴(kuò)展單元安裝時(shí)在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊0開(kāi)始編號(hào)。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。 4. 為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲(chǔ)單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸

43、出AQW單元安排由模擬量模塊送來(lái)的數(shù)字量及待入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲(chǔ)區(qū)V區(qū)存放處理產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。工作(gngzu)程序編制EM235的工作程序編制包括(boku)以下的內(nèi)容： 1. 設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)(csh)餓預(yù)置頂及采樣和單元清零的工作，為開(kāi)始工作做好準(zhǔn)備。 2. 設(shè)置模塊檢測(cè)子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的正確性。 3. 設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計(jì)算工作。 4. 工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。 S7-200PLC硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機(jī)包含一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，同時(shí)還可以擴(kuò)展I

44、/O模塊和各種功能的模塊。一個(gè)完整的系統(tǒng)組成如圖2-3所示。圖2-3 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成（1）基本單元 基本單元（Basic Unit）有時(shí)又稱CUP模塊，也有的稱之為主機(jī)或本機(jī)。它包括CUP、存儲(chǔ)器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等，是PLC的主要部分。實(shí)際上它就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。（2）擴(kuò)展單元 主機(jī)(zhj)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)由多種因素共同決定的。（3）特殊(tsh)功能模塊當(dāng)需要完成某些特殊功能(gngnng)的控制任務(wù)，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是

45、完成某些特殊控制任務(wù)的一些設(shè)置。（4）相關(guān)設(shè)備相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便地利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開(kāi)發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。（5）工業(yè)軟件工業(yè)軟件是為了更好地管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之相配套的程序，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)借口軟件等幾大類構(gòu)成。2.4 供水系統(tǒng)主要器件選型1.供水泵的選擇根據(jù)我們?cè)O(shè)計(jì)的需要，并結(jié)合它所具有的特點(diǎn)，我們選用滬龍公司的ISG型立式離心泵，它供輸送清水及物理化學(xué)性質(zhì)類似于清水的其他液體之用，適用于工業(yè)和城市給排水、高層建筑增壓送水、園林噴灌、消防增壓、遠(yuǎn)距離輸送、暖通制冷循環(huán)、浴室等冷暖水循環(huán)增壓及設(shè)備配套，

46、使用溫度T：80。 2.變頻器的選型在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動(dòng)/停止由PLC通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過(guò)模擬量輸出端口輸出05（10）V或420mA信號(hào)控制的，這需要購(gòu)買(mǎi)PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對(duì)變頻器故障的檢測(cè)是只是由PLC讀取變頻器的故障報(bào)警觸點(diǎn)，只是知道變頻器出現(xiàn)故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報(bào)警信息后再閱讀變頻器說(shuō)明書(shū)才知道，這對(duì)于一般值班人員來(lái)說(shuō)太難了。因此在本系統(tǒng)中PLC對(duì)變頻器的控制是通過(guò)串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，西門(mén)子變頻器MicroMaster430是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家。功率范圍7.5kW至25

47、0kW。它按照專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)（Bicol）技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性。控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式等。 PLC通過(guò)自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行(ynxng)，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)。2.5 PLC及變頻器控制電路2.5.1 供水系統(tǒng)電氣(dinq)主電路該系統(tǒng)有三臺(tái)水泵，如圖3-1所示，合上空氣開(kāi)關(guān)QS后，當(dāng)交流接觸器KM1、KM3、KM5主觸點(diǎn)閉合時(shí)，水泵為工頻運(yùn)行；當(dāng)KM2、KM4、KM6主觸點(diǎn)閉合時(shí)，水泵為變頻運(yùn)行。三個(gè)熱繼電器

48、FR1FR3分別對(duì)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，避免電動(dòng)機(jī)在過(guò)載時(shí)可能產(chǎn)生的過(guò)熱(u r)損壞。圖2-4 恒壓供水的主電路2.5.2 供水系統(tǒng)控制電路如圖2-5所示，0.00.5為PLC輸出軟電器觸點(diǎn)，其中0.1、0.3、0.5控制變頻運(yùn)行電路；0.2、0.4、控制工頻運(yùn)行電路。SAC為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制切換。當(dāng)SAC切換在手動(dòng)位時(shí)，通過(guò)(tnggu)1SB23SB2按鈕分別起動(dòng)三臺(tái)水泵工頻運(yùn)行；當(dāng)SAC在自動(dòng)位時(shí)，由PLC控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動(dòng)、切換、停止運(yùn)行。圖2-5 恒壓供水系統(tǒng)的控制電路KA1為缺水保護(hù)電路的中間繼電器觸點(diǎn)，當(dāng)水池缺水或水位(shuwi)不足時(shí)，配合缺水保護(hù)裝

49、置斷開(kāi)控制電路，切斷主電路，實(shí)現(xiàn)缺水保護(hù)作用。1缺水(qu shu)保護(hù)當(dāng)水池缺水或水位不足時(shí)，若不及時(shí)切斷電源就會(huì)損壞水泵，甚至發(fā)生事故。本系統(tǒng)設(shè)置了缺水自動(dòng)保護(hù)電路。如圖2-5所示。利用液位繼電器等裝置時(shí)刻檢測(cè)水池里的水位，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換及處理后對(duì)控制回路電源進(jìn)行控制。水池水位正常時(shí)，控制回路電源接通，系統(tǒng)正常工作。水池缺水或水位不足時(shí)，液位繼電器K1釋放，系統(tǒng)報(bào)警、指示燈亮并通過(guò)KA1切斷系統(tǒng)控制電路和主電路，水泵停止，水位正常后，液位繼電器K1吸合，重新啟動(dòng)系統(tǒng)。2缺相相序保護(hù)(boh)水泵工作在三相交流電下，電源發(fā)生缺相時(shí)，電動(dòng)機(jī)中某一相無(wú)電流(dinli)，而另外兩相電流會(huì)增大，容易燒

50、壞電動(dòng)機(jī)；另外，為了避免電源相序相反，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)水泵抽空的現(xiàn)象，設(shè)置了缺相相序保護(hù)電路,采用缺相相序保護(hù)電路繼電器KP接在主電路電源進(jìn)線空氣開(kāi)關(guān)之后，三相正常時(shí)，KP得電吸合，控制電路中KP的1-2觸點(diǎn)吸合，接通PLC控制電路。反之，缺相或反向時(shí)，KP的1-2觸點(diǎn)斷開(kāi)，會(huì)切斷PLC控制電路，系統(tǒng)停止工作，缺相相序保護(hù)指示燈亮。2.6 硬件(yn jin)接線圖系統(tǒng)的硬件連接圖即PLC和系統(tǒng)中各個(gè)硬件的連線。其輸入通道數(shù)字分辨率為8位，A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us，在模擬量與數(shù)字信號(hào)之間采用光電隔離，適用于S7-200CUP22*系列PLC。由于PLC為6個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)

51、又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.0Q1.5為PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。圖2-6 PLC接線圖圖2-7 變頻器接線圖2.7 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址(dzh)分配PLC要能夠識(shí)別和接受描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量，同時(shí)要能夠發(fā)出控制信號(hào)控制一些執(zhí)行設(shè)備，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。PLC是通過(guò)I/O單元完成此工作的。I/O單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備與PLC的I/O接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/

52、并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC提供信號(hào)，包括人為的控制信號(hào)和能描述現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，例如由按鈕、限位開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接近開(kāi)關(guān)、撥碼器等提供的開(kāi)關(guān)量。這些(zhxi)信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成CPU能夠接受和處理(chl)的信號(hào)。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(mngchng)、代碼及地址編號(hào)如表2-1及2-2所示。水位上下限信號(hào)分別位I0.1、I0.2，它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0，露出時(shí)為1。表2-1 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址(dzh)編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào)SA1I0.0水池水位下限信號(hào)SLLI

53、0.1水池水位上限信號(hào)SLHI0.2變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5遠(yuǎn)程壓力表模擬量變壓值UAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1，HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2，HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3，HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4，HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6，HL6Q0.5生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q1.0水池水位下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1

54、.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5控制變頻器頻率用電電壓UFAQW0表2-2 模擬量擴(kuò)展模塊(m kui)EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范輸入技術(shù)規(guī)范輸出技術(shù)規(guī)范最大輸出電壓30VDC隔離（現(xiàn)場(chǎng)到邏輯）無(wú)最大輸入電壓32mA信號(hào)范圍電壓輸出電流輸出10020 mA輸入濾波衰減-3dB，3.1kHz分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器隔離否分辨率，滿量程電壓電流12位11位輸入類型差分輸入范圍電壓?jiǎn)螛O性010V，05V01V，0500mV電壓電流-32000+320000+32000電壓雙極性電流0100Mv,050mV10V，5V，2.5V1V500mV250Mv100mV, 50mV,25mv 020mA精

55、度最差情055電壓輸出電流輸出2%滿量程2%滿量程輸入分辨率精度最差情況055電壓輸出電流輸出典型，25電壓輸出電流輸出2%滿量程2%滿量程5%滿量程5%滿量程AD轉(zhuǎn)換時(shí)間250 s模擬輸入階躍響應(yīng)1.5 ms到95%共模抑制4dB,DC到60Hz共模電壓信號(hào)電壓加共加模電壓12V24VDC電壓范圍20.428.8V設(shè)置時(shí)間，電壓輸出，電流輸出100s2ms數(shù)據(jù)字格式雙極性，滿量程單極性，滿量程-32000+32000032000第3章 系統(tǒng)(xtng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1 PLC梯形圖設(shè)計(jì)(shj)梯形圖是使用(shyng)的最多的圖形編程語(yǔ)言，被稱為PLC的第一編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)

56、的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)稱為編程。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實(shí)的物理繼電器，而是一些(yxi)存儲(chǔ)單元(軟繼電器)，每一軟繼電器與PLC存儲(chǔ)器中映像寄存器的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)，該存儲(chǔ)單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對(duì)應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲(chǔ)單元為“0”狀態(tài)，對(duì)應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點(diǎn)的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或

57、“OFF”狀態(tài)，使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線，在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時(shí)，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側(cè)母線(左母線和右母線)之間有一個(gè)左正右負(fù)的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動(dòng)，右母線可以不畫(huà)出。3.1.1 梯形圖繪制根據(jù)梯形圖中各觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對(duì)應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算，梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進(jìn)行的。雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖程序見(jiàn)大圖，子程序見(jiàn)下圖，對(duì)該程序有幾點(diǎn)說(shuō)明： 1. 因?yàn)槌绦蜉^長(zhǎng)，所以讀圖時(shí)請(qǐng)按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的順序進(jìn)行； 2. 本程序的控制邏輯設(shè)計(jì)針對(duì)的

58、是較少泵數(shù)的供水系統(tǒng)。圖3-1 梯形圖的子程序3.1.3 程序的結(jié)果以及程序功能(gngnng)的實(shí)現(xiàn)由于PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，本程序可分為3部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。主程序的功能最多，如泵切換(qi hun)信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合以及報(bào)警處理都在主程序。邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工

59、程計(jì)算初步(chb)確定，但還要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。程序中使用的PLC元器件及其功能如表3-2所示。表3-2 PLC 元器件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T38工頻/泵減泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動(dòng)脈沖VD116積分時(shí)間M0.3復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖VD120積分時(shí)間M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)動(dòng)泵脈沖VD124微分時(shí)間M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)脈沖VD204變頻起運(yùn)動(dòng)頻率下限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208生活供水變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值M2.0泵

60、工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD212消防供水變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD300變頻工作泵的泵號(hào)M3.0故障信號(hào)總匯VD301工頻運(yùn)行的泵的總臺(tái)數(shù)M3.1水池水位下限故障邏輯VD310倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.4火災(zāi)消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制3.2 系統(tǒng)(xtng)工作流程圖1開(kāi)始(kish)2初始化程序(chngx)3PLC檢測(cè)給水池液位保護(hù)開(kāi)關(guān)是否動(dòng)作4啟動(dòng)第一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻工作5變頻輸出率