基于PLC恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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。再加上能源緊缺，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)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。 本論文依據(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。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有多種輔助功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 論文分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過程及存在的問題。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞：可編程序控制器；變壓變頻調(diào)速；恒壓供水；自動(dòng)控制 Abstract With the rapid development of social economy, people water quality and water supply system reliability requirements continue to increase. Coupled with energy shortages, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design high-performance, high energy, able to adapt to different areas of Water Supply System has become an inevitable trend. This thesis, according to water requirements, design a set by the PLC, inverter, remote pressure gauge, multiple pump unit consisting of major equipment such as automatic constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency operation and Field manual control. Systematic and effective way to solve the traditional problems of water supply, and has a variety of auxiliary functions, enhanced system reliability. This paper analyzes a variety of multi-pump water supply status and water conversion condition of the motor frequency from the frequency transfer process and the operation mode switching problems. Given conversion cycle to achieve effective control of the state electrical design and PLC control program design. Key words：Programmable Logic Controller; Variable frequency control; constant pressure water supply; Automatic control 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 研究恒壓供水的意義 1 1.2 供水系統(tǒng)的發(fā)展 1 1.2.1 供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.2 供水系統(tǒng)的分類 2 1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo) 2 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 4 2.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作過程 4 2.2 系統(tǒng)控制方案論證及組成 4 2.2.1 系統(tǒng)控制方案論證 4 2.2.2 系統(tǒng)的組成 6 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 3.1 可編程控制器 7 3.1.1 可編程控制器的概念 7 3.1.2 可編程控制器的優(yōu)點(diǎn) 7 3.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì) 7 3.1.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 8 3.1.5 可編程控制器的系統(tǒng)組成 8 3.1.6 可編程控制器的工作原理 9 3.2 系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào) 9 3.2.1 輸入信號(hào)分析 9 3.2.2 輸出信號(hào)分析 10 3.3 PLC選擇及擴(kuò)展模塊的選擇 11 3.3.1 PLC的選擇 11 3.3.2 PLC型號(hào)選擇 12 3.3.3 擴(kuò)展模塊的選擇 12 3.4 I/O分配 13 3.5 系統(tǒng)電氣原理設(shè)計(jì) 15 3.6 壓力傳感器 15 3.6.1 壓力傳感器的原理 16 3.6.2 壓力傳感器的特性參數(shù) 17 3.6.3 壓力傳感器的選型 18 3.7 變頻器 19 3.7.1 變頻器的結(jié)構(gòu) 19 3.7.2 變頻器的控制方式 19 3.7.3 變頻器的選型 20 3.8 控制電機(jī) 20 第4章 軟件設(shè)計(jì) 21 4.1 程序地址分配 21 4.2 供水壓力信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理 22 4.2.1 供水壓力信號(hào)的采集 22 4.2.2 供水壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)處理 23 4.3 恒壓供水控制算法 23 4.3.1 恒壓供水的原理 23 4.3.2 控制算法 24 4.4 恒壓供水系統(tǒng)的總體流程 24 4.4.1 流程圖 24 4.4.2 控制程序說明 25 4.4.3 指令表 28 第5章 結(jié) 論 32 參考文獻(xiàn) 33 致 謝 34 附 錄Ⅰ 35 附 錄II 42 附 錄III 47 IV 第1章 緒 論 1.1 研究恒壓供水的意義 水是人類最寶貴的資源，是人類生存的基本條件，又是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的生命線。水工業(yè)是以城市及工業(yè)為對(duì)象，以水質(zhì)為中心，從事水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所需求的水量作為生產(chǎn)目標(biāo)的特殊工業(yè)。它是隨著水的商品化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)而逐步形成和完善的新興工業(yè)，它是水的的開采、加工、輸送、回收及利用的綜合產(chǎn)業(yè)。 供水作為水工業(yè)中關(guān)鍵的一環(huán)，其品質(zhì)的好壞直接影響到水工業(yè)的綜合利用水平。目前在一些新建建筑及改造項(xiàng)目中，變頻恒壓供水裝置已經(jīng)替代了原來的高位水箱，其節(jié)能性、方便性、衛(wèi)生性是有目共睹的。變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)死不僅可以保證足夠的水壓，同時(shí)又不會(huì)因?yàn)槭彝饪諝夂蜏囟鹊淖兓绊懰馁|(zhì)量。 不僅如此，恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)生產(chǎn)或特殊用戶還起著非常重要的作用。例如在某些生產(chǎn)過程中，若供水因壓力不足或短時(shí)斷水，就有可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，確保恒壓供水系統(tǒng)的無故障和自動(dòng)運(yùn)行，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。 1.2 供水系統(tǒng)的發(fā)展 1.2.1 供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展。 在國(guó)內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，很多專用供水變頻器集成了PLC或PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡(jiǎn)明顯偏高，維護(hù)成本也高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。 1.2.2 供水系統(tǒng)的分類 該系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下幾種方案可供選擇： 1)有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將PTD調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求。 2)通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器。這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價(jià)格比，但開發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大。 3)通用變頻器+PLC+人機(jī)界面+壓力傳感器。這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過Pc機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。 通過對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可看出“變頻器主電路十PLC+人機(jī)界面十壓力傳感器”的控制方式更適合本系統(tǒng)。 1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容及目標(biāo) 本次設(shè)計(jì)的基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是多臺(tái)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行變頻調(diào)速來達(dá)到恒壓供水的目的。 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容：用PLC做控制器，輸入電源為三相380V電源，常規(guī)泵M1、M2、M3的功率為7.5kW，輔助泵的功率為4kW，壓力設(shè)定分消防和生活兩種，為保證每臺(tái)泵不銹蝕，需要按照一定規(guī)律進(jìn)行輪換，保證壓力值控制精度在2%。 設(shè)計(jì)目標(biāo)：用PLC組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)（含一個(gè)輔助泵的電動(dòng)機(jī)）的控制，從而提高工業(yè)自動(dòng)化程度。 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作過程 恒壓供水的供水流程如下。 （1）當(dāng)一臺(tái)水泵工作頻率達(dá)到最高頻率時(shí)，若管網(wǎng)水壓仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則將此臺(tái)泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器將自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，控制其變頻運(yùn)行。此后，如壓力仍然達(dá)不到要求，則將該泵又切換至工頻，變頻器軟啟動(dòng)第三臺(tái)泵，反復(fù)工作，直至滿足設(shè)定壓力要求為止。 （2）反之，若管網(wǎng)水壓大于預(yù)設(shè)水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)頻率低于下限時(shí)自動(dòng)切掉一臺(tái)工頻泵或此變頻泵，始終使管網(wǎng)水壓保持恒定。 （3）輔助泵只在自動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)前處于開啟狀態(tài)，在自動(dòng)狀態(tài)啟動(dòng)后關(guān)閉。 2.2 系統(tǒng)控制方案論證及組成 2.2.1 系統(tǒng)控制方案論證 1、可編程控制器與接觸器控制系統(tǒng)的比較 幾十年來，接觸器控制系統(tǒng)為工業(yè)控制的發(fā)展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工業(yè)領(lǐng)域中大量地應(yīng)用，然而其控制性能與自身的功能已無法滿足與適應(yīng)工業(yè)控制的要求和發(fā)展，接觸器控制系統(tǒng)故障率高，大大降低了控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，因此接觸器控制系統(tǒng)與PLC相比較，存在著質(zhì)的差別，表2.1給出可編程控制器與接觸器控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較。 表2.1 可編程控制器與接觸器控制功能與特點(diǎn)的比較 比較項(xiàng)目 可編程控制器 接觸器控制 控制功能的實(shí)現(xiàn) 進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)所需控制功能 進(jìn)行硬件接線完成控制 生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性 對(duì)程序進(jìn)行修改適應(yīng)性強(qiáng) 需重新設(shè)計(jì)接線適應(yīng)性差 可靠性 采用軟接觸器，可靠性高 元器件多觸點(diǎn)多，易出現(xiàn)故障 續(xù)表2.1 柔韌性與靈活性 有種類齊全的擴(kuò)展單元靈活 差 控制的實(shí)時(shí)性 微處理器控制，實(shí)時(shí)性非常好 機(jī)械動(dòng)作時(shí)間常數(shù)大實(shí)時(shí)性差 占用空間與安裝 體積小，重量輕 控制柜體積大、笨重 使用壽命 壽命長(zhǎng) 易損、壽命短 復(fù)雜控制能力 很強(qiáng) 極差 價(jià)格 較高 較低 維護(hù) 工作量小 復(fù)雜、工作量大 2、可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的比較 通用計(jì)算機(jī)具有十分強(qiáng)大的計(jì)算與數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)數(shù)據(jù)的處理速度已經(jīng)達(dá)到極高的水平，但是應(yīng)用，在很多方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有PLC功能強(qiáng)大，表2.2給出可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較。 表2.2 可編程控制器與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)功能與特點(diǎn)的比較 比較項(xiàng)目 可編程控制器 通用計(jì)算機(jī) 工作方式 掃描式 中斷式 編程語言 語句表、梯形圖等 匯編、高級(jí)語言 工作環(huán)境 可在環(huán)境差工作 要求工作環(huán)境較高 對(duì)使用著要求 語言易學(xué) 專門語言培訓(xùn) 可靠性 工業(yè)級(jí)要求 商業(yè)級(jí)要求 系統(tǒng)軟件 功能專用 功能強(qiáng)大 適用領(lǐng)域 工業(yè)控制 辦公、管理，科學(xué)計(jì)算 從上面的論述和比較可以看出，PLC的硬件決定了它的可靠性和控制功能比接觸器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)高的多，它是專門為工業(yè)控制場(chǎng)合設(shè)計(jì)的，所以它的穩(wěn)定性，而且它操作簡(jiǎn)單靈活，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展。 選用PLC控制機(jī)械手，其硬件接線少、線路設(shè)計(jì)合理、編程簡(jiǎn)單，參數(shù)修改簡(jiǎn)便，降低了維修率，提高了工作效率；具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。所以本設(shè)計(jì)的控制器采用可編程序控制器PLC作控制器。 2.2.2 系統(tǒng)的組成 本設(shè)計(jì)采用PLC進(jìn)行變頻恒壓供水，其系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統(tǒng)組成框圖 （1）PLC控制器 PLC控制器是變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，PLC根據(jù)輸入的信號(hào)自動(dòng)控制變頻器從而控制水泵。 （2）壓力傳感器 壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成的。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用JYB-K型供水壓力傳感器。 （3）A/D轉(zhuǎn)換 采用西門子EM235模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至PLC進(jìn)行控制。 （4）變頻器 變頻器選用AB powerflex 70。 （5）水泵 本系統(tǒng)由1臺(tái)輔助泵和3臺(tái)主泵組成，當(dāng)用水量很少或沒有用水時(shí)，只開動(dòng)輔佐泵即可，當(dāng)檢測(cè)到水壓變低，系統(tǒng)自動(dòng)增加泵或加快抽水速度，滿足用水增大的需要；當(dāng)壓力變大或超高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)減泵或減低抽水速度。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 可編程控制器 可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。它具有可靠性高、適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高溫、沖擊和振動(dòng)等惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，已成為解決自動(dòng)控制問題的最有效工具，是當(dāng)前先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一。 3.1.1 可編程控制器的概念 可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡(jiǎn)稱PLC。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對(duì)PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可 編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令。并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！? 3.1.2 可編程控制器的優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程是復(fù)雜多樣的，它們對(duì)控制的要求也各不相同。PLC一經(jīng)出現(xiàn)就受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。PLC具有如下特點(diǎn)： （1）實(shí)現(xiàn)成本低 （2）范圍廣 （3）高速率 （4）永遠(yuǎn)在線 （5）結(jié)構(gòu)靈活 3.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。 3.1.4 可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 可編程控制器的初期由于其價(jià)格高于接觸器控制裝置，使得其應(yīng)用受到限制。但最近十年來，PLC的應(yīng)用面越來越廣，PLC的應(yīng)用范圍通常分成以下5種類型： 1、 順序控制； 2、運(yùn)動(dòng)控制； 3、過程控制； 4、數(shù)據(jù)控制； 5、通信控制。 3.1.5 可編程控制器的系統(tǒng)組成 PLC種類繁多，但其組成和工作原理基本相同。用PLC實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入/輸出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，它主要是由CPU、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路等組成。 1、中央處理單元（CPU） 單元(CPU)是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。 2、存儲(chǔ)器 PLC的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器兩部分。 3、輸入/輸出模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡(jiǎn)稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號(hào)類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設(shè)備相連接的接口電路；另一部分是輸入和輸出的映像寄存器。 輸入模塊用于接收來自用戶設(shè)備的各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號(hào)。輸出模塊用于將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠識(shí)別和處理的信號(hào)，并存到輸入映像寄存器。 4、電源模塊 PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲(chǔ)器等電路提供5V、12V、24V等直流電源，使PLC能正常工作。 5、接口模塊 接口模塊用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 6、通信接口 為了實(shí)現(xiàn)“人─機(jī)”或“機(jī)─機(jī)”之間的對(duì)話，PLC配有多種通信接口。 7、編程器 過去的編程設(shè)備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫和調(diào)試。 8、其他部分 需要時(shí)，PLC可配有存儲(chǔ)器卡、電池卡等。 3.1.6 可編程控制器的工作原理 PLC是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，故它的工作原理是建立在計(jì)算機(jī)工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)的，但是 CPU是以分時(shí)操作方式來處理各項(xiàng)任務(wù)的，計(jì)算機(jī)在每一瞬間只能做一件事，所以程序的執(zhí)行是按程序順序依次完成相應(yīng)各電器的動(dòng)作，所以它屬于串行工作方式。 概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。 3.2 系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào) 3.2.1 輸入信號(hào)分析 輸入設(shè)備用于產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，本設(shè)計(jì)中輸入設(shè)備包括以下幾種： 1、啟動(dòng)按鈕和停止按鈕 2、備用按鈕 3、切換開關(guān) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸入信號(hào)分析如下： 啟動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 停止信號(hào)1個(gè)； 手動(dòng)/自動(dòng)切換信號(hào)1個(gè)； 備用輸入信號(hào)1個(gè)； 手動(dòng)輔助泵輸入信號(hào)1個(gè)； 消防/生活切換信號(hào)1個(gè)。 開關(guān)量輸入信號(hào)共6個(gè)，輸入設(shè)備及其電氣符號(hào)如表3.1所示。 表3.1 輸入設(shè)備及其電氣符號(hào) 輸入信號(hào)名稱 電氣符號(hào) 手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕 SF1 備用按鈕 SF2 手動(dòng)輔助泵按鈕 SF3 啟動(dòng)按鈕 SF4 停止按鈕 SF5 消防/生活切換按鈕 SF6 3.2.2 輸出信號(hào)分析 輸出設(shè)備是PLC的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)中由PLC輸出控制的信號(hào)有：變頻接觸器信號(hào)、工頻接觸器信號(hào)、輔助泵接觸器信號(hào)、變頻器接觸器信號(hào)等。 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸出控制信號(hào)分析如下： 1號(hào)變頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 2號(hào)變頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 3號(hào)變頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 1號(hào)工頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 2號(hào)工頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 3號(hào)工頻接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 輔助泵接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)； 變頻器接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)1個(gè)。 輸出開關(guān)量共8個(gè)，輸出設(shè)備及其電氣符號(hào)如表3.2所示。 表3.2輸出設(shè)備及其電氣符號(hào) 輸出設(shè)備名稱 電氣符號(hào) 1號(hào)變頻接觸器 QA1 2號(hào)變頻接觸器 QA2 續(xù)表3.2 3號(hào)變頻接觸器 QA3 1號(hào)工頻接觸器 QA4 2號(hào)工頻接觸器 QA5 3號(hào)工頻接觸器 QA6 輔助泵接觸器 QA7 頻器接觸器 QA8 3.3 PLC選擇及擴(kuò)展模塊的選擇 3.3.1 PLC的選擇 PLC誕生不久即顯示了其在工業(yè)控制中的重要地位，目前國(guó)際上生產(chǎn)PLC的公司有很多，如德國(guó)的西門子、日本的三菱、歐姆龍、松下；法國(guó)的TE、施耐德、韓國(guó)的三星等。 本設(shè)計(jì)選用的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列的PLC。 S7-200系列PLC是西門子公司生產(chǎn)的一種小型PLC，其許多功能已經(jīng)達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC的一樣。 CPU22*系列PLC它有如下六種不同結(jié)構(gòu)的配置單元： （1）CPU221。 本機(jī)集成6輸入/4輸出，無擴(kuò)展能力。 （2）CPU222。 本機(jī)集成8輸入/6輸出，最多可擴(kuò)展2個(gè)模塊。 （3）CPU224。 本機(jī)集成14輸入/10輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊。 （4）CPU224XP。 本機(jī)集成14輸入/10輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊，并且在主機(jī)上增加了2輸入/1輸出的模擬量單元和一個(gè)通信口。 （1） CPU226 本機(jī)集成24輸入/16輸出，最多可擴(kuò)展7個(gè)模塊，具有2個(gè)通信口。 3.3.2 PLC型號(hào)選擇 綜上所述，根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇PLC型號(hào)為S7-200CPU224。 3.3.3 擴(kuò)展模塊的選擇 S7-200系列的PLC的主機(jī)提供一定數(shù)量的數(shù)字量I/O和模擬量I/O，當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行I/O的擴(kuò)展。I/O擴(kuò)展包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。不同的CPU有不同的擴(kuò)展規(guī)范，它主要受CPU的功能限制。 S7-200PLC的I/O擴(kuò)展模塊有： （1）輸入擴(kuò)展模塊EM221 共有3種，即：8點(diǎn)和16點(diǎn)DC、8點(diǎn)AC。 （2）輸出擴(kuò)展模塊EM222 共有5種，即8點(diǎn)DC和4點(diǎn)DC、8點(diǎn)AC、8點(diǎn)接觸器和4點(diǎn)接觸器。 （3）輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊EM223 共有6種。其中DC輸入/DC輸出的有三種，DC輸入/接觸器輸出的有三種，它們對(duì)應(yīng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)分別為4點(diǎn)、8點(diǎn)和16點(diǎn)。 （4）模擬量輸入擴(kuò)展模塊EM231 共有3種： （5）模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232 只有一種2路模擬量輸出的擴(kuò)展模塊。 （6）模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM235只有一種4路AI/1路AO（占用2路輸出地址）。 本系統(tǒng)本設(shè)計(jì)的CPU224 與EM235模塊連接方式如圖3.1所示。 主機(jī) CPU224 AC/DC 模塊1 EM235 圖3.1 模塊連接方式 各模塊的編址如表3.3所示。 表3.3 各模塊編址 主機(jī)I/O 模塊EM235 I0.0 Q0.0 I0.1 Q0.1 I0.2 Q0.2 I0.3 Q0.3 I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 I1.0 Q1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 Q1.2 I1.3 Q1.3 I1.4 Q1.4 I1.5 Q1.5 I1.6 Q1.6 I1.7 Q1.7 AIW0 AQW0 AIW2 AIW4 AIW6 3.4 I/O分配 1、數(shù)字量輸入部分 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，輸入信號(hào)有啟動(dòng)信號(hào)、停止信號(hào)、手動(dòng)/自動(dòng)切換信號(hào)、備用輸入信號(hào)、手動(dòng)輔助泵輸入信號(hào)、消防/生活切換信號(hào)等，輸入信號(hào)地址分配如表3.4所示。 表3.4 數(shù)字量輸入I/O分配表 輸入地址分配 功能 電氣符號(hào) I0.0 手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕 SF1 I0.1 備用按鈕 SF2 I0.2 手動(dòng)輔助泵按鈕 SF3 續(xù)表3.4 I0.3 啟動(dòng)按鈕 SF4 I0.4 停止按鈕 SF5 I0.5 消防/生活切換按鈕 SF6 2、數(shù)字量輸出部分 PLC輸出控制的信號(hào)有：變頻接觸器信號(hào)、工頻接觸器信號(hào)、輔助泵接觸器信號(hào)、變頻器接觸器信號(hào)等。輸出信號(hào)的地址分配如表3.5所示。 表3.5 數(shù)字量輸出I/O分配表 輸出地址分配 功能 電氣符號(hào) Q0.0 1號(hào)變頻接觸器 QA1 Q0.1 2號(hào)變頻接觸器 QA2 Q0.2 3號(hào)變頻接觸器 QA3 Q0.3 1號(hào)工頻接觸器 QA4 Q0.4 2號(hào)工頻接觸器 QA5 Q0.5 3號(hào)工頻接觸器 QA6 Q0.6 輔助泵接觸器 QA7 Q0.7 頻器接觸器 QA8 3、模擬量輸入輸出部分 模擬量輸入輸出信號(hào)的地址分配如表3.6所示。 表3.6模擬量輸入輸出分配表 地址分配 功能 AIW0 采樣數(shù)據(jù) AQW0 輸出控制值 3.5 系統(tǒng)電氣原理設(shè)計(jì) 根據(jù)前面對(duì)輸入輸出設(shè)備的分析和I/O分配，進(jìn)行PLC與外部設(shè)備的連接，其接線圖如圖3.2所示。 圖3.2 PLC外部接線圖 3.6 壓力傳感器 壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，通常又把壓力測(cè)量?jī)x表中的電測(cè)式儀表成為壓力傳感器。它一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。 3.6.1 壓力傳感器的原理 壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成的。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變片轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件，它是壓力傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，是應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但阻值的取值范圍應(yīng)注意：組織太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高。在不同的環(huán)境中使用，可能會(huì)使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)雜，從而使電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差，一般均為幾十歐至幾十千歐左右。 在壓阻式傳感器中，惠斯通電橋是最重要的一步，它是采用比較法對(duì)未知電阻進(jìn)行測(cè)量的，如圖3.3所示。測(cè)量時(shí)選擇一定的比例臂數(shù)值（R1 /R2），并將電橋量調(diào)整平衡，這樣就可以將待測(cè)電阻（Rx）與標(biāo)準(zhǔn)電阻（Ro）進(jìn)行比較，從而確定待測(cè)電阻的阻值。 圖3.3 壓阻傳感器的惠斯通電橋 如果是陶瓷壓力傳感器，則壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，是膜片產(chǎn)生微笑的形變，厚膜電阻印制在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋）。由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0/3.0/3.3mV(V)等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。 如果是擴(kuò)散硅壓力傳感器，被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的不銹鋼膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器敏感元件的電阻值發(fā)生變化，同時(shí)用惠斯通電橋等回路轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。 3.6.2 壓力傳感器的特性參數(shù) 在恒壓供水系統(tǒng)中，壓力傳感器一般測(cè)量的類型包括絕對(duì)壓、表壓和差壓。 參照壓力為真空時(shí)所測(cè)量的壓力值為絕對(duì)壓，通常簡(jiǎn)稱絕壓。參照壓力為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫r(shí)，所測(cè)量的壓力值為表壓。表壓力為正時(shí)簡(jiǎn)稱壓力，表壓力為負(fù)時(shí)稱負(fù)壓力或真空度。負(fù)壓力的絕對(duì)值越大，即絕對(duì)壓力越小，則真空度越大。傳感器變送器兩端都感受到被測(cè)壓力時(shí)，兩端壓力之差稱差壓。在以上三個(gè)壓力中，通常我們所測(cè)的為表壓。 壓力傳感器的特性參數(shù)非常多，包括測(cè)量范圍、上限值、下限值、激勵(lì)、過載等。具體如下： 測(cè)量范圍：在允許誤差限內(nèi)被測(cè)量值的范圍成為測(cè)量范圍。 上限值：測(cè)量范圍的最高值稱為測(cè)量范圍的上限值。 下限值：測(cè)量范圍的最低值稱為測(cè)量范圍的下限值。 量程：測(cè)量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差就是量程。 準(zhǔn)確度：被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果與真值間的一致程度。 重復(fù)性：相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。 蠕變：當(dāng)被測(cè)量及其所有環(huán)境條件保持恒定時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的變化。 遲滯：在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測(cè)量值增加或減少時(shí)，輸出中出現(xiàn)的最大差值。 激勵(lì)：為使傳感器正常工作而施加的外部能量，一般是電壓或電流。施加的電壓或電流不同，傳感器的輸出值等參數(shù)也不同，所以有的參數(shù)，如零點(diǎn)輸出，上限值輸出、漂移等參數(shù)要在規(guī)定的激勵(lì)條件下測(cè)量。 零點(diǎn)漂移：零點(diǎn)漂移是指在規(guī)定的時(shí)間間隔及標(biāo)準(zhǔn)條件下，零點(diǎn)輸出值的變化。由于周圍溫度變化引起的零點(diǎn)漂移稱為熱零點(diǎn)漂移。 過載：通常是指能夠加在傳感器變送器上不致引起性能永久性變化的被測(cè)量的最大值。 穩(wěn)定性：傳感器變送器在規(guī)定的條件下儲(chǔ)存、試驗(yàn)或使用，經(jīng)歷規(guī)定的時(shí)間后，仍能保持原來特性參數(shù)的能力。 可靠性：指?jìng)鞲衅髯兯推髟谝?guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所需功能的能力。 3.6.3 壓力傳感器的選型 變頻恒壓供水的壓力傳感器的選型有以下兩個(gè)步驟： ①按測(cè)量介質(zhì)及使用環(huán)境要求選用 傳感器介質(zhì)接觸材料包括陶瓷、316不銹鋼、哈氏合金、蒙耐爾合金等防腐材料，但對(duì)于恒壓供水中凈水系統(tǒng)而言，316不銹鋼材料就能滿足要求。 ②按性能指標(biāo)要求選用 變頻恒壓供水應(yīng)用非常廣泛，比如居民小區(qū)多層、小高層，還有高壓工業(yè)用水，選擇壓力傳感器必須考慮到量程、準(zhǔn)確度和溫度補(bǔ)償。 量程的選用：壓力傳感器量程的選用一般以被測(cè)量壓力經(jīng)常處在整個(gè)量程的80%~90%為最好，但最大工作狀態(tài)點(diǎn)不能超過滿量程。 滿量程輸出：在相同的供電狀態(tài)及其他參數(shù)不受影響的情況下，傳感器的輸出應(yīng)盡可能地大，如輸出接近10V或20mA，這樣便于提高抗干擾能力。 準(zhǔn)確度：準(zhǔn)確度主要是指非線性、重復(fù)性、遲滯等三項(xiàng)綜合參數(shù)。選用高準(zhǔn)確度壓力傳感器時(shí)，首先應(yīng)該考慮遲滯和重復(fù)性這兩個(gè)參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)測(cè)量誤差的控制要求并本著適用經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行選擇；目前常見的壓力傳感器產(chǎn)品提供1.0級(jí)、0.25級(jí)、0.5級(jí)、0.1級(jí)四種準(zhǔn)確度等級(jí)。 溫度補(bǔ)償：對(duì)于工作環(huán)境溫度變化不大，要求不高的壓力傳感器一般不進(jìn)行補(bǔ)償也可以應(yīng)用。對(duì)于特殊用途、溫度范圍寬的壓力傳感器必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 過載：系統(tǒng)的最大過載應(yīng)小于壓力傳感器的過載保護(hù)極限，否則會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命甚至損壞產(chǎn)品。一般來說，2倍測(cè)量范圍的過載保護(hù)是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。 本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用JIB-K型壓力傳感器，主要參數(shù)如下： （1）量程：0-5MPa （2）輸出：4-20mA DC （3）供電：通常+24V （4）響應(yīng)時(shí)間：≤200ms （5）長(zhǎng)期穩(wěn)定性：≤+0.5% FS/年 （6）負(fù)載能力：≤（Vdd-10V）40Ω 3.7 變頻器 3.7.1 變頻器的結(jié)構(gòu) 變頻器的種類可以按照以下幾種方式劃分：按應(yīng)用分，有變頻器和專用變頻器；按結(jié)構(gòu)分，有交-交變頻器（直接變頻器）和交-直-交（間接變頻器）；在交-直-交變頻器中，按直流側(cè)電源性質(zhì)分，有電壓源型變頻器和電流源型變頻器；按輸出電壓調(diào)節(jié)方式分，有脈沖幅值調(diào)節(jié)方式（pulse amplitude modulation，PAM）和脈寬調(diào)制方式（pulse width modulation，PWM）。此外，變頻器還可以按照導(dǎo)通模式、輸出電壓波形、逆變器調(diào)制方式等劃分為許多種類。 圖3.4 變頻器結(jié)構(gòu)圖 3.7.2 變頻器的控制方式 當(dāng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)供電電壓（電流）和頻率進(jìn)行適當(dāng)控制，采用不同的控制方法所得到的調(diào)速性能、特性和作用是不同的。 變頻器所采用的控制方式可按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制主要是U/f 協(xié)調(diào)控制。閉環(huán)控制需要速度等反饋信息，可進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制等。變頻器的控制方式是按U/f 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的順序發(fā)展起來的，越是后來的控制方式其性能越優(yōu)良。特別是矢量控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)恼{(diào)速性能。當(dāng)然，先進(jìn)的控制方式其控制比較復(fù)雜，需要專門的知識(shí)，同時(shí)需要調(diào)整的因素多，變頻器的價(jià)格也比較高。目前各種控制方式的變頻器已產(chǎn)品化，我們可根據(jù)調(diào)速目的、用途和調(diào)速系統(tǒng)所需的性能指標(biāo)選擇合適的控制方式的變頻器，以構(gòu)成性價(jià)比高的交流調(diào)速系統(tǒng)。 3.7.3 變頻器的選型 本系統(tǒng)采用POWERLEX 70系列變頻器。 Rockwell 公司的PowerFlex70 變頻器的設(shè)計(jì)滿足全球?qū)ψ冾l器的標(biāo)準(zhǔn)和功率的要求，使全球的用戶能夠“開箱即用”， 它的額定電壓功率分別為：240VAC，0.37 到7.5kW；380V-480VAC，0.37 到37kW；600VAC，0.37 到15kW。 Rockwell 的PowerFlex7 系列變頻器使用羅克韋爾自動(dòng)化的NetLinxTM 開放網(wǎng)絡(luò)體系。它為DeviceNetTM 設(shè)備網(wǎng)、ControlNetTM 控制網(wǎng)和EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)提供一系列通用的特性和服務(wù)，并導(dǎo)致更低的所有者生產(chǎn)成本。當(dāng)用戶進(jìn)行控制、組態(tài)和采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以很容易地管理從車間底層到頂層的信息并無縫地將他們集成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。 PowerFlex70 產(chǎn)品電壓等級(jí)有： （1）200～240V AC，三相交流PowerFlex70 變頻器。 （2）300～480V AC，三相交流PowerFlex70 變頻器。 （3）600V AC，三相交流PowerFlex70 變頻器產(chǎn)品。 3.8 控制電機(jī) 常規(guī)泵M1、M2、M3的功率為7.5kW，輔助泵的功率為4kW。其控制電路如下圖。 圖3.5 恒壓供水主回路 第4章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 程序地址分配 CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。 在程序設(shè)計(jì)過程中，使用了許多PLC程序分配表及主要中間變量說明，它們的名稱和作用如表4.1所示。 表4.1 PLC程序分配表及主要中間變量說明 符號(hào) 地址 注解 PID_CH SBR0 初始化PID參數(shù) DANG_K SBR1 檔位控制子程序 VB12_0 SBR2 自動(dòng)一號(hào)運(yùn)行規(guī)律 VB12_1 SBR3 自動(dòng)二號(hào)運(yùn)行規(guī)律 VB12_2 SBR4 自動(dòng)三號(hào)運(yùn)行規(guī)律 VB12_K SBR5 泵號(hào)管理，免維護(hù) VB11_K SBR6 自動(dòng)擋增/減泵規(guī)律 SHOU_D SBR7 手動(dòng)規(guī)律控制子程序 采樣運(yùn)算 INTO 0.1s采樣及PID運(yùn)算程序 主 OB1 恒壓供水控制系統(tǒng)主程序 地址 符號(hào) 地址 符號(hào) VB11 規(guī)律控制 VD512 增益 VB12 泵號(hào)管理 T38 自動(dòng)減泵定時(shí) VB13 手動(dòng)增減泵 T37 自定增泵定時(shí) M20.0 自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)志 SM0.5 一秒脈沖 續(xù)表4.1 T39 泵號(hào)切換延時(shí) VW498 變頻頻率 SMB34 定時(shí)中斷 VD504 供水設(shè)定值 VD524 微分時(shí)間 VD508 PID輸出 VD520 積分時(shí)間 VB500 PID開始 VD516 采樣設(shè)時(shí) VD500 采樣輸入值 VD3000 一天計(jì)時(shí) 4.2 供水壓力信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理 4.2.1 供水壓力信號(hào)的采集 在壓力模擬信號(hào)中，一般采取平均值濾波法。平均值濾波法包括算術(shù)平均值濾波法和加權(quán)平均濾波法兩種，適用于供水系統(tǒng)隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。采樣次數(shù)越多，濾波效果越明顯，但考慮到采用時(shí)間及系統(tǒng)控制的需要，采樣次數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)而定。 圖4.1 平移式平均值濾波法程序框圖 這里以PLC中常用的平移式平均值法，其基本原理為：若要采樣N次，則用這N次采樣值的平均值代替當(dāng)前值。每一次的采樣值與前N-1次的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，結(jié)果作為本次采樣的濾波值。這樣每個(gè)掃描周期只需采樣一次，但都要取N-1個(gè)采樣值（1個(gè)當(dāng)前值，N-1個(gè)歷史值）來計(jì)算濾波值。每采樣依稀，采樣值向前平移一次，為下次濾波做準(zhǔn)備。平移式平均值濾波法程序框圖如圖9所示。 4.2.2 供水壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)處理 （1）接線 如圖4.2所示進(jìn)行簡(jiǎn)單接線。 圖4.2 接線圖 （2）進(jìn)行程序編制 采用平移式平均值濾波法，對(duì)五次采樣進(jìn)行處理。 4.3 恒壓供水控制算法 4.3.1 恒壓供水的原理 在恒壓供水中，很多情況下都是利用PLC的PID功能進(jìn)行恒壓供水控制。如圖4.3所示為典型的PLC恒壓供水原理圖。 圖 4.3 PLC恒壓供水原理圖 在圖4.3中，PLC采集壓力傳感器信號(hào)后，進(jìn)行壓力設(shè)定值與檢測(cè)元件反饋值的比較、PI運(yùn)算等調(diào)節(jié)器功能，通過參數(shù)自整定后輸出標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，該信號(hào)再進(jìn)入到變頻控制器模擬信號(hào)輸入端，從而控制變頻器輸出頻率，最終達(dá)到控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 通過PLC 的PID控制，當(dāng)用戶使用流量增大時(shí)，根據(jù)水泵特性，水泵出口壓力降低，壓力傳感器將壓力作為反饋信號(hào)送到PLC，通過調(diào)節(jié)后刷新輸出，送給變頻器，使變頻器增大輸出頻率，水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增大，管網(wǎng)壓力提高。 4.3.2 控制算法 下圖是PID算法結(jié)構(gòu)框圖。 根據(jù)反饋原理，要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變,就應(yīng)該將這個(gè)物理量與恒定值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的官道上安裝了壓力變送器作為反饋元件，引入水壓反饋值與給定值進(jìn)行比較，從而形成PID閉環(huán)系統(tǒng)（如圖4.4所示）。 圖4.4 PID閉環(huán)系統(tǒng) 在很多情況下，并不一定需要全部比例、積分和微分三個(gè)單元，可以取其中的一列到兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。在恒壓供水控制中，因?yàn)楸豢貕毫α坎粚儆诖髴T量滯后緩解，因此只需PI功能，D功能可以基本不用。 4.4 恒壓供水系統(tǒng)的總體流程 4.4.1 流程圖 下圖是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主流程。 圖4.5系統(tǒng)流程圖 4.4.2 控制程序說明 如圖4.6所示為PID參數(shù)整定。剛開機(jī)初始化PID參數(shù)，供水設(shè)定值VD504=0.6，增益VD512=0.4，采樣時(shí)間VD516=0.1，積分時(shí)間VD520=20.0，微分時(shí)間VD524=0；開啟定時(shí)中斷（事件號(hào)10）。 圖4.6 PID參數(shù)整定 子程序SBR_2、SBR_3和SBR_4的程序基本相同，區(qū)別點(diǎn)在于： （1）當(dāng)一號(hào)泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律時(shí)，分三種情況： VB=1時(shí)，只有Q0.0接通，一號(hào)泵變頻運(yùn)行； VB=2時(shí)，只有Q0.1和Q0.3接通，二號(hào)泵變頻運(yùn)行，一號(hào)泵工頻運(yùn)行； VB=3時(shí)，只有Q0.2、Q0.3、Q0.4接通，三號(hào)泵變頻運(yùn)行，一、二號(hào)泵工頻運(yùn)行。 （2）當(dāng)三號(hào)泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律時(shí)，分三種情況: VB=1時(shí)，只有Q0.1接通,二號(hào)泵變頻運(yùn)行； VB=2時(shí)，只有Q0.2和Q0.4接通,三號(hào)泵變頻運(yùn)行,二號(hào)泵工頻運(yùn)行。 VB=3時(shí)，只有Q0.0、Q0.4、Q0.5接通，一號(hào)泵變頻運(yùn)行，二、三號(hào)泵工頻運(yùn)行。 （3）當(dāng)三號(hào)泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律時(shí)，分三種情況： VB=1時(shí)，只有Q0.2接通，三號(hào)泵變頻運(yùn)行； VB=2時(shí)，只有Q0.0和Q0.5接通，一號(hào)泵變頻運(yùn)行，三號(hào)泵工頻運(yùn)行； VB=3時(shí)，只有Q0.1、Q0.3、Q0.5接通，二號(hào)泵變頻運(yùn)行，一、三號(hào)泵工頻運(yùn)行。 （a） （b） （c） （d） （c） 圖4.7 子程序 4.4.3 指令表 主程序： LD SM0.1 CALL SBR_0 LD SM0.0 CALL SBR_1 CALL SBR_5 LDN I0.0 AB= = VB12,0 CALL SBR_2 AB= = VB12,1 CALL SBR_3 AB= = VB12,2 CALL SBR_4 LD Q0.0 O Q0.1 O Q0.2 = Q0.7 子程序 1： LD I0.0 O I0.4 EU OLD MOVB 0,VB11 AR M20.0 LD I0.0 EU MOVB 0,VB13 A NOT = S0.0 LD I0.3 AB= = VB11,0 AN I0.0 MOVB 0,VB13 AS M20.0,1 LD I0.5 MOVR 0.8,VD504 A NOT MOVR 0.6,VD504 子程序2： LDB= = VB11,1 JMP 1 LDB== VB11,2 JMP 2 LDB= = VB11,3 JMP 3 LBL 1 LD SM0.0 MOVB 2#1,QB0 A RET LBL 2 LD SM0.0 MOVB 2#1010,QB0 A RET LBL 3 LD SM0.0 MOVB 2#11100,QB0 A RET 子程序 5： LDN I0.0 AB= = VB11,0 = Q0.6 AR Q0.6 A NOT =R Q0.6,1 LDI>= VW498,31000 AN I0.0 A M20.0 TON T37,3000 LDB<= VB11,2 A T37 INCB VB11,VB11 LDI<= VW498,16000 AN I0.0 A M20.0 TON T38,3000 LDB>= VB11,1 A T38 DECB VB11,VB11 第5章 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是多臺(tái)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行變頻調(diào)速來達(dá)到恒壓供水的目的。 本課題設(shè)計(jì)內(nèi)容：用PLC做控制器，輸入電源為三相380V電源，常規(guī)泵M1、M2、M3的功率為7.5kW，輔助泵的功率為4kW，壓力設(shè)定分消防和生活兩種，為保證每臺(tái)泵不銹蝕，需要按照一定規(guī)律進(jìn)行輪換，保證壓力值控制精度在2%。 本論文依據(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。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有多種輔助功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 論文分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過程及存在的問題。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。 參考文獻(xiàn) [1] 吳建強(qiáng).可編程控制器原理及應(yīng)用.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000 [2] 吳中俊,黃永紅.可編程序控制器原理及應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003 [3] 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