畢業(yè)論文---多泵組消防供水控制器的設(shè)計

1、<p><b>　　學(xué)院</b></p><p><b>　　繼續(xù)教育學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　2012 年 月 日</p><p>　　多泵組消防供水控制器的設(shè)計</p&

2、gt;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。</p><p>　　系統(tǒng)的優(yōu)點是啟動平穩(wěn)，啟動電流可限制在額定電流以內(nèi)，

3、從而避免了啟動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等使用壽命；可以消除啟動和停機時的水錘效應(yīng)。本文介紹一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)運行負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)水泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速，不僅實現(xiàn)了變頻恒壓供水，并使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的控制原理及硬件電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 變頻器 恒壓供水系統(tǒng) PLC</p><p&

4、gt;　　Multi-Pump and Frequency of water supply controllerDesign</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper introduces a constant pressure water supple system. It can regulate aut-o

5、matically the quantity and rotational speed of the water pump with the variation of the load. The controlling principle and the hardware circuit are presented in detail. The basic control strategy of the control system

6、 of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization control pump organization of t</p><p>　　K

7、ey words: Inverter； Constant pressure water supply system ；PLC</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要……………………………………………………………………………………1</p><p>　　Abstract2</p><

8、;p><b>　　第一章 緒論4</b></p><p><b>　　1.1 引言4</b></p><p>　　1.2 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義4</p><p>　　1.3 課題來源4</p><p>　　1.4 研究思路和技術(shù)方法5</p><p>

9、　　第二章 可編程變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計6</p><p>　　2.1 變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理6</p><p>　　2.2 變頻器控制方式的選擇6</p><p>　　2.2.1 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式7</p><p>　　2.2.2 矢量控制（VC）方式7</p><p>　　2.2.3

10、 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式7</p><p>　　2.2.4 矩陣式交—交控制方式8</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的設(shè)計方案8</p><p>　　2.4 系統(tǒng)的工作原理8</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計9</p><p>　　3.1 主電路設(shè)計10</p><p&

11、gt;　　3.2 控制電路的設(shè)計11</p><p>　　3.3 PLC配置12</p><p>　　3.3.1 EM235模擬量工作單元性能指標(biāo)13</p><p>　　3.3.2 EM235的安裝使用14</p><p>　　3.3.3 EM235工作程序編制14</p><p>　　第四章 PLC的設(shè)計

12、15</p><p>　　4.1 PLC的編程語言15</p><p>　　4.2 PLC的編程結(jié)構(gòu)功能圖15</p><p>　　4.3 梯形圖編程語言16</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)的主程序設(shè)置17</p><p><b>　　結(jié)束語18</b></p>&

13、lt;p><b>　　致謝18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活

14、用水要求的不斷提高，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)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵），在對原有供水系統(tǒng)進行變頻改造的實踐中，往往會出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對一個典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢，同時有

15、效的節(jié)省了資金。 </p><p>　　1.2 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義</p><p>　　用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。</p>

16、;<p>　　恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時，若供水壓力不足或或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。</p><p>　　隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智

17、能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運行目的。</p><p><b>　　1.3 課題來源</b>&l

18、t;/p><p>　　通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力</p><p>　　反饋信號，通過PID運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比

19、后種差，但控制程序較復(fù)雜，是未來的發(fā)展方向，比如NKL-A系列恒壓供水控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達(dá)的功能。</p><p>　　1.4 可編程序控制器的應(yīng)用</p><p>　　目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。</p><p>　?。?）開

20、關(guān)量的邏輯控　　這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。</p><p>　?。?）模擬量控制　　在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）

21、和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。</p><p>　　（3）運動控制　　PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制

22、功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。</p><p>　?。?）過程控制　　過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常

23、廣泛的應(yīng)用。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)處理　　現(xiàn)代PLC具有數(shù)學(xué)運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這</p><p>　　些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用

24、于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。</p><p>　　（6）通信及聯(lián)網(wǎng)　　PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。</p><p>　　第二章 可編程變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計</

25、p><p>　　2.1 變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理</p><p>　　變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電

26、路。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的。</p><p>　　一般使用的風(fēng)機、水泵類它們額定風(fēng)量、水量都超過實際需要，又因工藝的需要，往往運行中要改變風(fēng)量、水量，而目前多數(shù)采用檔板或閥門來調(diào)節(jié)的，雖然方法簡單，但實質(zhì)是人為增加阻力的辦法。因此浪費大量電能，屬不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方式。從流體力學(xué)原理可知，風(fēng)機的風(fēng)量、水泵的流量與電機轉(zhuǎn)速及電機功率的關(guān)系如下： 當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速下降時，電動機的功率迅速

27、降低，例風(fēng)量下降到80％，轉(zhuǎn)速亦下降到80％時，則軸功率下降到額定的51％，若風(fēng)量下降到50％，軸功率將下降到額定的13％，其節(jié)電潛力非常大，采用變頻器調(diào)速方式有很強的節(jié)電效果，其節(jié)電可達(dá)30-40％效果十分明顯[15]。</p><p>　　2.2 變頻器控制方式的選擇</p><p>　　低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，

28、它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。2.1U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式　　其特點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線

29、會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。</p><p>　　2.2.1 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式</p><p>　　它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又

30、有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。</p><p>　　2.2.2 矢量控制（VC）方式</p><p>　　矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等

31、效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換

32、，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。</p><p>　　2.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式</p><p>　　1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。

33、該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。</p><p

34、>　　2.2.4 矩陣式交—交控制方式</p><p>　　VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交—交變頻應(yīng)運而生。由于矩陣式交—交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)

35、的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。矩陣式交—交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)（<2ms），很高的速度精度（±2％，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<＋3％）；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150％～200％轉(zhuǎn)矩[15]。</p><p>　　因此，我們選用最后

36、一種控制方式，矩陣式交-交控制方式。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的設(shè)計方案</p><p>　　恒壓供水的基本控制策略是:采用可編程控制器（plc）與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量,自動補償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求

37、，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水。</p><p>　　變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機、供水管網(wǎng)、儲水箱、壓力變送器、plc控制單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。</p><p>　　圖1可編程恒壓供水控制原理框圖</p><p>　　其中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時變頻

38、器還可作為電機軟啟動裝置，限制電機的啟動電流。壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓。plc控制單元則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時，PLC控制單元可以根據(jù)用水量的實際變化，自動調(diào)整其它工頻泵的運行臺數(shù)。變頻器和plc的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機實現(xiàn)變頻軟啟動,消除了對電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機械設(shè)備的沖擊，延長機電設(shè)備的使用壽命。</p><p>　　2.4 系統(tǒng)的工作原理</p><p

39、>　　該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式：</p><p><b>　?、?手動運行</b></p><p>　　按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。 ⑵ 自動運行</p><p>　　合上開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時變頻器內(nèi)嵌的PID調(diào)節(jié)器接收到

40、自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)適當(dāng)變頻，如變頻器頻率到達(dá)50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2#泵切換至工頻

41、運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上。如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)變頻器內(nèi)嵌的PID調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行。 若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機；待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運行。</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p>

42、<p><b>　　3.1 主電路設(shè)計</b></p><p>　　如上圖2所示為電控系統(tǒng)主電路圖。四臺電機分別為M1、M2、M3、M4。接觸KM1、KM3、KM5、KM7分別控制M1、M2、M3、M4的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6、KM8分別控制M1、M2、M3、M4的變頻運行，F(xiàn)R1、FR2、FR3、FR4分別為四臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3

43、、QS4、QS5分別為變頻器和四臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡單的一般變頻器。</p><p>　　圖2變頻供水控制系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　3.2 控制電路的設(shè)計</p><p>　　圖3所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在2的位置為手動控制狀態(tài)；打在1的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕S

44、B1-SB4控制四臺水泵的啟/停自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行</p><p>　　圖中對變頻器頻率進行復(fù)位時只提供一個干觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共用一個COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復(fù)位控制。圖中的Q0.0-Q0.7及Q1.0-Q1.5為PLC輸出繼電器觸點。HL1、HL3、HL5、HL7分別指示M1、M2、M3、M4工頻工作

45、狀態(tài)，HL2、HL4、HL6、HL8分別指示M1、M2、M3、M4處于變頻工作狀態(tài)。</p><p><b>　　圖3控制電路電路圖</b></p><p><b>　　3.3 PLC配置</b></p><p>　　PLC要能夠識別和接受描述現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)量，同時要能夠發(fā)出控制信號控制一些執(zhí)行設(shè)備，以便對現(xiàn)場設(shè)備進行控制

46、。PLC是通過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)動能力的信號，以實現(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/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場設(shè)備向PLC提供信號，包括人為的控制信號和能描述現(xiàn)場狀態(tài)的開關(guān)量信號，例如由按鈕、限位開關(guān)、繼電器觸點、接近開關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量。這些信號經(jīng)過輸入電路進行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成CUP能

47、夠接受和處理的信號。輸出單元將經(jīng)過CUP處理的弱電信號通過光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強電信號，以驅(qū)動各種執(zhí)行元器件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等。</p><p>　　根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如下表所示。水位上下限信號分別位I0.1、I0.2，它們在水淹沒時為0，露出時為1。</p><p>　　表1 輸入輸出

48、點代碼及地址編號</p><p>　　從上面分析可知，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點13個；模擬量輸出點1個、模擬量輸出點1個。如果選用CPU 224 PLC，也需要擴展單元；如果選用CUO 266 PLC則價格較高，浪費較大。參照S7 -200的產(chǎn)品目以及市場實際價格，選用主機為CUP222（8入/6繼電器輸出）一臺，加上一臺擴展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴展一臺模擬量模塊EM235（4AI/

49、1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟的。</p><p>　　S7-200PLC是德國西門子公司生產(chǎn)德一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CPU22*系列PLC。由于它具有多種功能模塊和人機界面（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)[9]。</p><p>　　PL

50、C的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，了使PLC能完成模擬量的處理,常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴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)部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機外可以使用的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(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PLC的模擬量擴展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸入，可以用于恒壓供水控制中。&l

51、t;/p><p>　　3.3.1 EM235模擬量工作單元性能指標(biāo) </p><p>　　表2 模擬量擴展模塊EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范</p><p>　　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)計成可編程，而轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量一般具有固定的長度及格式。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

52、出信號范圍欄給出了EM235的輸出、輸入信號規(guī)格，以供選用。</p><p>　　3.3.2 EM235的安裝使用</p><p>　　（1）根據(jù)輸入信號的類型及變化范圍設(shè)置DIP開關(guān)，完成模塊的配置工作。必要時進行校準(zhǔn)工作。</p><p>　?。?）完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接

53、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傳感器電源無噪聲、穩(wěn)定可靠。</p><p>　?。?）確定模塊安裝入系統(tǒng)時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。S7-200擴展單元安裝時在主機的右邊依次排列，并從模塊0開始編號。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機上的擴展總線插口。</p><p>　　（4）為了在主機中進行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在

54、模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機中安排一定的存儲單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸出AQW單元安排由模擬量模塊送來的數(shù)字量及待入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機的變量存儲區(qū)V區(qū)存放處理產(chǎn)生的的中間數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.3.3 EM235工作程序編制</p><p>　　EM235的工作程序編制包括以下的內(nèi)容：</p><p>　?。?

55、）設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預(yù)置頂及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準(zhǔn)備。</p><p>　?。?）設(shè)置模塊檢測子程序。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。</p><p>　　（3）設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計算工作。</p><p>　?。?）工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。</p><p>　

56、　（5）處理后模擬量的輸出工作。</p><p>　　S7-200PLC硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機包含一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能的模塊。</p><p>　　第四章 PLC的設(shè)計</p><p>　　4.1 PLC的編程語言</p><p>　　PLC的硬件系統(tǒng)中，與PLC的編程應(yīng)用

57、關(guān)系最直接的要算數(shù)據(jù)存儲器。計算機運行處理的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲在存儲區(qū)中，找到待處理的數(shù)據(jù)一定要知道數(shù)據(jù)的存儲地址。</p><p>　　PLC和其他的計算機一樣，為了使用方便，數(shù)據(jù)存儲器都作了分區(qū)，為了每個存儲單元編排了地址，并且經(jīng)機內(nèi)系統(tǒng)程序為每個存儲單元賦予了不同的功能，形成了專用的存儲元件。這就是前面提到過的編程的“軟”元件。為了理解方便，PLC的編程元件用“繼電器”命名， 認(rèn)為它們象繼電器一樣具有線圈以及

58、觸點，并且線圈得電，觸點動作。當(dāng)然這個線圈和觸點只是假象，所謂線圈得電不過是存儲單元置1，線圈失電，不過就是存儲單元置0，也正因為如此，我們稱之為“軟”元件。但是這種“軟”繼電器也有個突出的好處，可以認(rèn)為它們具有無數(shù)多對動合動斷觸點，因此每取用一次它的觸點，不過是讀一次它的存儲數(shù)據(jù)而已[1]。</p><p>　　4.2 PLC的編程結(jié)構(gòu)功能圖</p><p>　　任何語言都有編程的對象和

59、基礎(chǔ)，重要介紹梯形圖語言和語句表語言，而功能圖是理解這兩種語言的基礎(chǔ)。</p><p>　　輸入繼電器是由外部輸入驅(qū)動的，梯形圖中只能使用其介入點狀態(tài)值，用戶不能改變輸入繼電器的狀態(tài)。輔助繼電器的種類和多少決定了PLC控制功能的強弱，相當(dāng)于工作寄存器的多少和功能的強弱。</p><p>　　實際的PLC中并沒有圖中的物理繼電器，用繼電器來表示PLC的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)是為了使習(xí)慣于繼電器控制的工

60、程技術(shù)人員更好的理解PLC的功能，更好的使用PLC，就像他在設(shè)計繼電器控制電路一樣。</p><p>　　梯形圖語言是一種圖形化的語言，是一種面向控制過程的“自然語言”。梯形圖編程語言形象、直觀、準(zhǔn)確的描述了邏輯控制關(guān)系，容易被廣大的工程技術(shù)人員所掌握。</p><p>　　PLC與被控對象所連接的只是I/O條件，而I/O之間的組合控制關(guān)系需要用軟件的方法來描述清楚，梯形圖是一種描述方法，

61、當(dāng)然還有語句等表示其他的語言。語言的支持取決于廠家開發(fā)的系統(tǒng)程序只要將其輸入PLC的用戶程序存儲器中，PLC就能夠直接解釋并實現(xiàn)I/O間的控制關(guān)系。當(dāng)控制關(guān)系發(fā)生改變時，只要修改梯形圖程序，重新輸入到PLC的存儲器即可，從而快捷的改變生產(chǎn)工序[7]。</p><p>　　4.3 梯形圖編程語言</p><p>　　PLC是通過程序?qū)ο到y(tǒng)進行控制的，作為一種專用計算機，為了適應(yīng)其應(yīng)用領(lǐng)域，一

62、定有其專用的語言。PLC的編程語言有多種，如梯形圖、語句表、功能圖、邏輯方程等。梯形圖編程語言是一種圖形語言，具有繼電器控制電路形象、直觀的優(yōu)點；語句表編程語言類似計算機的匯編語言，用助記符來表示各種指令的功能，是PLC用戶程序的基礎(chǔ)元素。</p><p>　　一般而言，梯形圖程序讓PLC仿真來自電源的電流通過一系列的輸入邏輯條件，根據(jù)結(jié)果決定邏輯輸出的允許條件。邏輯通常被分解成小的容易理解的片，這些片通常被稱為

63、“梯級”或網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　程序一次掃描執(zhí)行一次網(wǎng)絡(luò)，按照從做到右、從上到下的順序進行。一旦CUP執(zhí)行到程序的結(jié)尾，就又從上到下執(zhí)行程序。在每一個網(wǎng)絡(luò)中，指令以列為基礎(chǔ)被執(zhí)行，從上而下、從左到右依次執(zhí)行，直到本網(wǎng)絡(luò)的最后一個線圈列。因此為了充分利用存儲器容量，使掃描時間盡可能短，利用梯形圖編程時應(yīng)限制觸點之間的距離，并使網(wǎng)絡(luò)左上邊這部分空白最少。其中，串聯(lián)觸點較多的支路要寫在上面，并聯(lián)支路應(yīng)寫在左邊，線

64、圈放于觸點的右邊。</p><p>　　梯形圖和繼電器控制電路圖很相似，這是可以用PLC控制取代繼電器控制的基礎(chǔ)，可以把經(jīng)過實踐證明設(shè)計是成功的繼電器電路圖進行轉(zhuǎn)換，從而設(shè)計出具有相同功能的PLC控制程序，充分發(fā)揮PLC的功能完善、可靠性高、控制靈活的特點。當(dāng)然，它們還是存在著本質(zhì)上的區(qū)別，主要表現(xiàn)如下所述。</p><p>　?。?）繼電器控制電路中使用的繼電器是物理的元器件，繼電器與其

65、他控制電器之間的連接必須通過硬件連接線來完成。PLC中的繼電器是內(nèi)部的寄存器位，稱為“軟繼電器”，它具有物理繼電器相似的功能。當(dāng)它的“線圈”通電時，其所屬的常開觸點閉合，常閉觸點斷開；當(dāng)它的線圈斷電時，其所屬的常開觸點和常閉觸點均恢復(fù)常態(tài)。PLC梯形圖中的接線稱為“軟接線”，這種“軟接線”是通過編程來實現(xiàn)的，具有更改簡單、調(diào)試方便等特點。而繼電器控制電路圖是點線連接圖，相對來素施工困難、更改費力。</p><p>

66、;　?。?）PLC中的每一個繼電器都對應(yīng)著一個內(nèi)部的寄存器，由于可以隨時不受限地讀取其內(nèi)容，所以，可以認(rèn)為PLC的繼電器有無數(shù)個常開、常閉觸點供用戶使用。PLC梯形圖中的觸點代表的是“邏輯”輸入條件、外部的實際開關(guān)、按鈕或內(nèi)部的繼電器觸點條件等。而物理繼電器的觸點個數(shù)是有限的。</p><p>　?。?）PLC的輸入繼電器是由外部信號驅(qū)動的，在梯形圖中只能用其觸點，這在物理繼電器中是不可能的。線圈通常代表“邏輯”

67、輸出結(jié)果，如燈、電機啟動器、中間繼電器、內(nèi)部輸出條件等。</p><p>　　（4）繼電器控制系統(tǒng)中是按照觸點的動作順序和是延遲逐個動作的，動作順序與電路圖的編寫順序無關(guān)。PLC按照掃描方式工作，首先采取輸入信號，然后對所有梯形圖進行計算，造成了宏觀與動作順序的無關(guān)，但是微觀上在一個時間段上的是實際執(zhí)行順序與梯形圖的編寫順序一致而不是無關(guān)的。</p><p>　?。?）PLC梯形圖中的兩根

68、母線以失去原有的意義，它只表示一個梯形的起始和終了，并無實際電流通過，假象的概念電流只能從左向右流。</p><p>　　為了充分發(fā)揮CUP的邏輯運算功能，設(shè)置了大量的稱為盒的附加命令，如定時器、計算器、格式轉(zhuǎn)換、模擬量I/O、PID調(diào)節(jié)或數(shù)學(xué)運算指令等，充分的發(fā)揮了計算機的強大計算功能，他們與內(nèi)部繼電器一起完成PLC的各種復(fù)雜控制功能[2]。</p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)的主程序

69、設(shè)置</p><p>　　主程序包括泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合以及報警處理程序。</p><p>　　利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。供水時系統(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，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定，但還要進一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。</p><p>　　表3

70、程序中使用的元器件及功能</p><p>　　可編程變頻供水系統(tǒng)的梯形圖程序以及程序注釋如下圖。對該程序有幾點說明：</p><p>　?。?）因為程序較長，所以讀圖時請按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號的順序進行。</p><p>　?。?）本程序的控制邏輯設(shè)計針對的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。</p><p>　?。?）詳細(xì)程序見附錄。</p><

71、;p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　本文在提出總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計、應(yīng)用程序的編寫及調(diào)試，經(jīng)實際運行驗證，取得了滿意的效果。通過本次畢業(yè)設(shè)計，感受收獲頗多。在設(shè)計中，使我對本專業(yè)知識在實際運用中有了感性的認(rèn)識和全新的體會，基本做到了將所學(xué)知識融會貫通，學(xué)以致用，同樣我也意識到企業(yè)生產(chǎn)管理自動化的重要性。</p><p&g

72、t;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版2003</p><p>　　[2]張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例[M].北京：中國電力出版社，2005</p><p>　　[3]周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004<

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