基于PLC的景觀建筑供水水泵控制系統設計目錄TOC\o"1-3"\h\u2141基于PLC的景觀建筑供水水泵控制系統設計 [摘要]隨著生活條件的提高，環境也越來越美觀，水景作為人們生活中必不可少的景觀。在公共場所基本上都有建設，它們僅僅在規模上有所區別。本次設計就是一個對建筑瀑布供水水泵設計，在本次設計當中，使用了PLC、變頻器，對水泵進行變頻控制。本次設計的思路是依據音樂的音量控制瀑布大小。應用PLC將音頻信號轉換為脈沖信號，然后輸入到變頻器中，使變頻器的輸出頻率隨著音頻信號的變化而變化，這樣就對水泵進行了調速，改變了供水量，達到了瀑布大小隨音樂變化的目的。這就用到了變頻調速。變頻調速有著良好的優點，大部分需要調速的場合都應用了它，是很先進的方式。所以利用PLC控制水泵供水也變得方便，高效。[關鍵詞]變頻器變頻調速PLC一、緒論（一）課題研究設計的目的和意義景觀建筑特殊的人造景色，它的景觀效果是十分優美的。在高層建筑壁上制造一個瀑布，瀑布隨著音樂的節奏變換流量，它的觀賞效果是其它人造景色無法媲美的。首先，應用PLC控制技術，設計該課題的控制程序。然后，應用變頻技術。把音樂播放器的音頻信號輸入到A/D轉換模塊中，PLC輸出脈沖去控制水泵的轉速，瀑布流速就會依照音樂高低變化。在設計中，需要重視的有：系統設備的性能及費用；控制系統的安全性及擴展性。應用本系統工程更加可靠。（二）系統設計的來源某景區要建設了一個觀賞性建筑，開放時，伴隨著音樂的節奏，水從建筑頂端流下，形成一個個人造瀑布，配合燈光效果，美輪美奐，實現觀賞目的。通往建筑頂端的水是由水泵加壓供上去的，所以需要設計一個水泵的控制系統。在這個系統中，PLC集中控制，水泵應用變頻器啟動，變頻器通過改變頻率去改變出水量。（三）系統設計的要求（1）系統需要結構簡潔，所采用的機械設備需要安全可靠，擁有數據通訊功能，能夠轉換其他信號，能夠和其他設備進行數據傳輸。（2）可編程控制器的編程軟件非常完善，有豐富的指令。便于檢查維修，系統的運行狀態平穩。（3）整個系統有較高的安全性，便于操作，能夠完成設計目的。（四）系統設計思想本系統將可編程控制器、水泵、變頻器依據其不同的功能組合在一起。PLC對整個系統的功能進行控制，A/D轉換器將音頻信號轉換為數字量信號，對變頻器進行脈沖輸入，變頻器輸出頻率的改變了水泵供水量大小。在本次設計的水泵供水控制系統中，使用可編程控制器作為主要設備，變頻器作為拖動設備，水泵在啟動過程中沒有波動，能夠將消除沖擊電流的形成，這樣就不會對供電網絡造成影響；水泵的工作頻率減小，能夠使其工作時間大大增加。系統的應用和調試也非常便利。把可編程控制器當成水泵供水系統的主要設備，可以實現設計的目的，而且它還有安全性高、操作簡潔的優點。系統流程圖如圖1-1，結構圖見附錄。圖1-1系統流程圖（五）方案確定水泵供水系統使可編程控制器、A/D轉換模塊、變頻器、水泵和一些其他元器件共同構成的。系統中，可編程控制器去控制變頻器的輸出頻率，改變供水量的大小?！翱删幊炭刂破?A/D轉換模塊+變頻器+水泵”的系統功能強大。在可編程控制器和變頻器上都設計有數據通訊串口，能夠將信息集中處理，可編程控制器通常都是有固定的系列，并且可以加裝各種模擬量模塊，使用者能夠依照不同設計的目的去選擇。在對機械設備控制時，依照功能設計它的I/O接線和程序，況且可編程控制器不會被輕易干擾，具有很高的穩定性，所以使用可編程控制器的系統是非常安全可靠的。運用這個方案的好處是能夠使水泵平穩運行，數據能夠自由傳送。因此本課題選擇使用可編程控制器控制系統。二、硬件設備（一）可編程控制器1.PLC的概述PLC的本質是微處理器，它運用了微繼電器控制，它主要是為了解決工業領域上的控制，可編程控制器的數據被存放在其內部存儲器中，運用繼電器控制各種生產。計算機技術和傳統的繼電器觸點控制技術組合為一體后衍生了可編程控制器，擁有接線簡單、可靠性高、功耗低的優點，微處理器得到了充分的利用，電氣設備操作和維護人員得到了照顧，尤其是可編程控制器的程序編寫，不用去學習計算機編程語言里的專業知識，將一套簡單的梯形圖作為程序圖，使用十分便捷。2.PLC的基本構成通常在一個PLC中，CPU模塊是它的“大腦”，電源模塊是它的“血液”，I/O模塊是它手臂，這樣它就成為了一個系統的智能處理中心。可編程控制器有著以下優點：便于人們安裝，占有空間小，能耗低還能夠診斷整個系統中的故障，能夠在其他項目中多次使用?，F如今，雖然PLC的各項功能，如運行速速度、數據通信、數據處理能力都被大幅度的優化，但是PLC還是堅持了容易操作的初衷。結構如圖2-1所示：圖2-1PLC結構圖3.PLC的編程與調試可編程控制器的規格是多種多樣的，各種可編程控制器都擁有各自的體系，它們分別有著各自專用的使用方法，但是它們的設計都是一個方式，程序的編寫以及在線編譯如下：I/O接線圖的設計，將程序和現場結合，設計接線圖。書寫PLC的程序梯形圖以及指令表，按照現場生產工藝的要求,使用編程軟件，將生產過程書寫為PLC梯形圖，并將梯形圖轉換為指令語句表（3）程序編寫和在線調試，將電腦和可編程控制器使用配套的數據下載線連接起來，然后下載程序到可編程控制器，并執行程序。PLC輸入連接信號，輸出連接組件，開始調試。4.PLC的工作過程給可編程控制器通電，系統以固定的方式對輸入的程序進行查錯，一遍又一遍的對任務掃描，從而將結果輸出。這就是依次掃描的過程。（1）恢復初值。給可編程控制器通電，先將系統恢復出廠值，將內部的所有元件復位。（2）CPU檢測?？删幊炭刂破髅看螔呙桢X都會對供電端、PLC電路系統、程序是否有錯這些方面實行檢測。保證系統能夠完成任務。（3）通訊檢測。對每個與可編程控制器有通訊連接的設備進行模擬通訊，保證通訊正常。（4）接收外部設備信息?？删幊炭刂破髟诿看螔呙枨敖邮掌渌O備的信息，人們從而對數據進行檢測、更改。實現數據更新。（5）執行。可編程控制器在運行時，每次掃描完畢都會輸出結果。（6）刷新?？删幊炭刂破鬟\行時，每次掃描都會解決輸入和輸出的問題。把輸入信號和輸出結果，通過掃描輸入到映像區中，最后將命令發給機械設備。（二）變頻器1.變頻器概述微電子技術和變頻技術的研究，是制造變頻器的核心，經過改變變頻器輸出端的頻率，也就是改變電動機的輸入頻率，從而完成對電動機的啟動和調速。變頻器把工業用電的頻率轉換成了我們所需要頻率，從而可以完成對電機速度控制的目的，也就是對電動機進行調速。變頻器是一種軟啟動，電壓頻率以特定的百分比的穩定上升的啟動模式，轉差功率的變化在整個過程中不會發生，對電機的平穩啟動非常有利，從而實現了電動機的啟動消除了電動機在啟動時電流對電網影響，進而消除了啟動時電源的損耗，并且電動機的啟動速度也是可以被控制的。變頻器是通過運用在直流電動機的上慢慢的開展、研發出來的；正反轉等因素對直流電機的限制，從而高速旋轉的功能不能實現，但對異步電動機的應用上，上述限制根本不存在，可以以非常高的速度運行。變頻器在對于電動機的控制上，電動機正反轉轉換是非常容易實現的，變頻器內部有變頻逆變管，只需要改變將它閉合和斷開順序改變，轉換可以實現，因為錯誤的換向使電動機燒毀的問題并不會存在。這樣，變頻器可以更方便實現啟動和停止。直流制動的功能使得變頻器適用于各種環境。2.變頻器的基本構造變頻器的基本構造圖如2-2所示。圖2-2變頻器基本構造圖3.變頻器的特點（1）無極調速：可以使電機在整個速度調節范圍穩定運行。使調速更加準確。（2）啟動平穩，啟動時的沖擊電流被明顯減小，電網中的波動被大大降低，電機啟動更加的平穩。（3）擁有多個信號輸入與輸出的端口，可以接收和發送模擬信號、數字信號以及電流、電壓信號，可以將其非常便捷的接入到通訊網絡系統里，可以對生產過程中的自動化完成控制時的命令輸出。（4）電機正反轉的轉換不需要通過外部接觸器來切換。（5）為了使工作效率顯著提升，在機械設備允許頻率改變的情況下，可以使變頻器的輸出頻率改變。三、設備選型（一）系統的構成本系統是由一臺帶有A/D轉換模塊的可編制控制器、兩臺變頻器、兩臺水泵以及其他元器件共同組成的。供水系統由以下單位構成。一．執行機構它由水泵和管道構成，用來為建筑頂端供水。二．信號檢測在系統運行時，音頻輸入信號和變頻器會向可編程控制器傳輸信號，對其檢測?？删幊炭刂破鲀炔恐噶顚⒁纛l信號轉換為數字量信號。變頻器提供系統故障信號。三．控制系統它是這次設計的控制系統的主要部分?？刂葡到y接收外部的按鈕信號以及其他的設備傳輸的數據，分析后，依照程序對水泵進行控制。四．通訊接口通訊接口在這次設計的控制系統里有著非常重要的作用，把各個數據接口連接到可編程控制器上，能夠把系統里的可編程控制器和人機畫面、變頻器的數據互相傳輸。五．報警裝置報警裝置是每個控制系統中必不可缺的。這個控制系統能夠在各式各樣的工業中使用，為了防止系統發生故障，造成更大損失，所以系統一定要對擁有報警裝置，由變頻器對水泵工作過程實時監控，并作出保護，將數據傳輸到人機畫面，在人機畫面上顯示出來。便于維修。（二）水泵的選擇與參數選擇水泵時需要能夠保證平穩運行，在長時間運行中能夠有非常明顯的節能效果。本設計根據某個建筑的用水量數據去研究，然后與本設計對比，確定本系統中的水泵需要滿足：（1）每次使用一臺水泵向建筑頂端供水，流量為45立方米左右，揚程30米左右，（2）為了不間斷景觀的觀賞，在工作時能夠對水泵進行維修，必須有一個備用水泵。（3）完善的過載保護和運行性能。為了滿足以上要求，確定采用兩臺ISG80-160-7.5KW水泵機組。參數如表3-1所示：表3-1水泵參數表額定電壓功率工作溫度流量頻率揚程380V7.5KW90℃50m3/h50Hz32m（三）PLC選型及參數可編輯控制器是這個系統的主要設備，它的作用是：（1）輸入信號的采集（2）輸出單元的控制（3）對外的數據交換。選擇可編程控制器時，必須考慮可編程控制器的以下條件：（1）指令執行速度和豐富程度；（2）內存空間大小；（3）具備通訊接口和標準的通訊協議；（4）能夠安裝擴展模塊。在本系統當中，需要直接控制的設備只有變頻器，所以選擇的可編程控制器為永宏FBs-20MA，A/D轉換模塊選擇永宏FBs-4A2D模塊，它們通過拓展口組合到一起。永宏FBs-20MA型可編程控制器的占有空間小，結構簡單，性價比非常高，被應用在非常多的控制系統當中。永宏公司的可編程控制器擁有非常高的安全性，擴展功能強大，通訊指令及通信協議使可編程控制器與幾乎所有的設備進行通訊；可編程控制器即能夠連接上位機，又能夠對系統監測?？删庉嬁刂破骱腿藱C畫面使用485數據通訊線連接，擁有PPI協議，能夠將可編程服務器和的人機畫面的通信接口RS232數據通迅轉換為RS485數據通訊，可以對程序設置密碼，進行保護。本次設計需要用到6個輸入點，其中，兩個點連接水泵的啟動按鈕，兩個點連接水泵的停止按鈕，一個點連接浮漂，一個點連接急停按鈕，一個點連接音頻輸入。3個輸出點，其中兩個點分別連接兩個變頻器的啟動端子，一個點對變頻器進行脈沖輸入。而且具有一個I/O拓展插口，可連接A/D轉換模塊。以及通訊端，與變頻器和HMI進行數據通訊。永宏FBs-20MA型參數如表3-2所示：工作電壓輸入點數輸出點數220V128表3-2PLC參數表A/D轉換模塊在本次設計中將音頻信號轉換為數字信號，通過PLC指令，發出脈沖，對水泵進行調速，是必不可少的。永宏FBs-4A2D拓展模塊擁有4個A/D轉換輸入，2個D/A轉換輸出。本設計只需要使用2個A/D轉換輸入。（四）變頻器的選型及參數變頻器在本設計當中是對水泵進行調速的設備，脈沖的輸入改變輸出頻率，進而根據音樂音量對水泵進行調速，改變瀑布的大小。水泵的功率和電流是系統選擇變頻器的重要依據。在本設計當中，需要對水泵進行故障檢測，因此變頻器必須能夠和可編程控制器進行數據通訊。最終根據客戶要求選擇安弗森Z2400-7R5P型變頻器，其規格如表3-3所示：表3-3變頻器參數表額定電壓輸出功率輸入電流輸出電流適用電機380V7.5KW20.0A17.0A7.5KW以下詳細介紹：選擇安弗森Z2400-7R5P變頻器。安弗森Z2400-7R5P是一套用來對三相交流電動機啟停和速度控制的變頻器。在各種啟停及變速傳動中應用，不僅具有模塊化的設計，而且是理想的成本優化的解決方案。它具有可靠的操作性和多樣的功能性。當變頻器在使用時。根據電機的參數、系統功能要求和操作特點，系統設置有關的變頻器參數。接線圖如圖3-1所示：圖3-1變頻器基本接線圖（五）HMI選型本設計需要接受變頻器的故障報告，將其在顯示出來。根據客戶要求選擇AFS700L型HMI，其參數如表3-4所示：表3-4HMI參數表輸入電壓串口24VRS232（六）其他元器件在本次設計中用到的其他元器件如表3-5所示：表3-5元器件參數表器件名稱型號規格參數數量空開DZ47-604PD25D25A4PACU380V1DZ47-603PD16D16A3PACU=380V2DZ47-601PC10C10A1PACU=220V2開關電源HS-100-24ACU=220V1按鈕NP2-BS542急停常閉DCU=24V1NP2-BA31綠色常開DCU=24V4NP2-BA42紅色常閉DCU=24V2指示燈ND16-22DS/2紅色DCU=24V1ND16-22DS/2綠色DCU=24V2浮漂開關DCU=24V1電壓表42L6-450VAC=450V1四、系統方案設計（一）PLC程序編寫本次設計控制系統中PLC的程序如圖4-1所示：圖4-1PLC程序（二）程序介紹1.控制程序X0接一個浮漂開關，在水位降到設定位置時，斷開內部繼電器M0，從而使水泵停止運行。X1和X3分別接一個常開按鈕，M1和M3通過串口連接HMI的啟動鍵，可以實現1號水泵和2號水泵的啟動，X2和X4分別接一個常閉按鈕，M2和M4通過串口連接HMI的停止鍵，可以實現1號水泵和2號水泵的停止。X5接變頻器的故障輸出，當變頻器檢測到水泵和系統發生故障時，輸出信號，使內部繼電器斷開，水泵停止運行,并將故障代碼存放在寄存器R20中。M7通過串口連接HMI的報警復位，在解除故障后，按下按鍵，恢復系統正常。Y1接一號變頻器的正轉，拖動一號水泵；Y2接二號變頻器的啟動端子，拖動二號水泵。音頻信號從X6端子輸入，經過模擬量轉換，轉變為脈沖從Y2端子輸出到變頻器，間接控制變頻器的改變輸出頻率，對水泵進行控制。2.轉換程序音頻信號輸入到A/D轉換模塊中，先存放到寄存器R21中，然后將其搬移到寄存器D0中，然后經過模擬量轉換指令將音頻信號轉換為數字信號，存放到D1寄存器中，最后使用脈沖輸出指令將D1寄存器中的數字信號轉換為脈沖信號并使其從Y2端子輸出到變頻器的脈沖輸入端子。在脈沖輸出階段，脈沖根據音量大小分為六個區段，使得水泵有六個調速區，使效果更加明顯。（三）控制系統I/O點與功能控制系統中的I/O點與功能如表4-1所示：表4-1I/O點與功能輸入端輸出端地址元件功能地址功能X0浮漂開關無水停止Y01號變頻器（水泵）啟動X1SB11號水泵啟動按鈕Y12號變頻器（水泵）啟動X2SB21號水泵停止按鈕Y2脈沖輸出，對水泵調速X3SB32號水泵啟動按鈕RS+變頻器通訊、音頻信號X4SB42號水泵停止按鈕RS-變頻器通訊、音頻信號X5變頻器故障輸出C0變頻器GND端及0VX7SB0急停按鈕（四）變頻器設置變頻器參數如表4-2所示：表4-2變頻器參數功能代號設置參數值功能P0.011無速度傳感器矢量控制P0.021端子命令通道P6.022故障輸出將P0.01設置為1，可對水泵進行矢量控制啟動；將P0.02設置為1，可以通過接線端子控制變頻器啟動，控制面板則不可以控制變頻器的啟動，只可以設置參數；將P6.02設置為2，可以將變頻器檢測到的故障輸出到HMI中，使其顯示出來。（五）控制系統接線圖如圖4-3所示：圖4-3控制系統接線圖接線圖介紹：可編程控制器和A/D轉換模塊的電源輸入端子接24V電源，變頻器的電源輸入端子R、S、T端子接380V電源，U、V、W端子接水泵；X0端子接一個浮漂開關，X1、X3端子接一個常開按鈕，X2、X4接一個常閉按鈕，X6接音頻輸入，X7接一個急停按鈕，這些端子都要與開關電源的24V端子形成回路；FWD端子接可編程控制器的Y0端子，GND端子接可編程控制器的C0端子，使其形成一個回路，控制水泵的啟停；RB端子接可編程控制器的X5端子，RC端子接開關電源的24V輸出，使其形成一個回路，在檢測到故障時停止水泵的運行；變頻器的RS+、RS-端子分別接可編程控制器的RS+、RS-端子，實現變頻器和PLC的數據通訊，HMI再通過與可編程控制器的485通訊將故障顯示出來。音頻信號從A/D轉換模塊輸入，由可編程控制器的接收并更改為脈沖輸出，從而更改水泵的運行頻率。（六）通訊設置通訊設置如表4-3所示：表4-3通訊設置波特率數據位奇偶校驗停止位96008無1