基于PLC恒壓供水控制系統(tǒng)設計

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本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。再加上能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節(jié)能、能適應不同領域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 本論文依據供水要求，設計了一套由PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水，具有全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行和現場手動控制等功能。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)及轉換條件，分析了電機由變頻轉工頻運行方式的切換過程及存在的問題。給出了實現有效狀態(tài)循環(huán)轉換控制的電氣設計方案和PLC控制程序設計方案。 關鍵詞：可編程序控制器；變壓變頻調速；恒壓供水；自動控制 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 1 1.2.2 供水系統(tǒng)的分類 2 1.3 系統(tǒng)設計內容及目標 2 第2章 系統(tǒng)總體設計 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)硬件設計 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 7 3.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢 7 3.1.4 可編程控制器的應用領域 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 9 3.2.1 輸入信號分析 9 3.2.2 輸出信號分析 10 3.3 PLC選擇及擴展模塊的選擇 11 3.3.1 PLC的選擇 11 3.3.2 PLC型號選擇 12 3.3.3 擴展模塊的選擇 12 3.4 I/O分配 13 3.5 系統(tǒng)電氣原理設計 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 17 3.6.3 壓力傳感器的選型 18 3.7 變頻器 19 3.7.1 變頻器的結構 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 20 第4章 軟件設計 21 4.1 程序地址分配 21 4.2 供水壓力信號的采集與數據處理 22 4.2.1 供水壓力信號的采集 22 4.2.2 供水壓力信號的數據處理 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 論 32 參考文獻 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，又是國民經濟的生命線。水工業(yè)是以城市及工業(yè)為對象，以水質為中心，從事水資源的可持續(xù)開發(fā)利用，以滿足社會經濟可持續(xù)發(fā)展所需求的水量作為生產目標的特殊工業(yè)。它是隨著水的商品化和產業(yè)化生產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業(yè)。 供水作為水工業(yè)中關鍵的一環(huán)，其品質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目中，變頻恒壓供水裝置已經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)點死不僅可以保證足夠的水壓，同時又不會因為室外空氣和溫度的變化影響水的質量。 不僅如此，恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)生產或特殊用戶還起著非常重要的作用。例如在某些生產過程中，若供水因壓力不足或短時斷水，就有可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，確保恒壓供水系統(tǒng)的無故障和自動運行，具有重大的經濟意義和社會意義。 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 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展。 在國內外，專門針對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。同時維護操作也越來越簡明顯偏高，維護成本也高于國內產品。目前國內不少公司在從事進行變頻恒壓供水的研制推廣，國產變頻器主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，結合PLC或PID調節(jié)器實現恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領域，國產變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領了相當部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國產變頻器有待于進一步改進和完善。 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、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。根據系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可供選擇： 1)有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器。這種控制系統(tǒng)結構簡單，它將PTD調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求。 2)通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器。這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大。 3)通用變頻器+PLC+人機界面+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)進行數據交換：通用性強，由于PLC產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)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過Pc機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、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合，并且與供水機組的容量大小無關。 通過對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)設計內容及目標 本次設計的基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計系統(tǒng)是多臺電動機聯(lián)動進行變頻調速來達到恒壓供水的目的。 本課題設計內容：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，壓力設定分消防和生活兩種，為保證每臺泵不銹蝕，需要按照一定規(guī)律進行輪換，保證壓力值控制精度在2%。 設計目標：用PLC組成控制系統(tǒng)，實現對4臺電動機（含一個輔助泵的電動機）的控制，從而提高工業(yè)自動化程度。 第2章 系統(tǒng)總體設計 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）當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網水壓仍達不到預設水壓，則將此臺泵切換到工頻運行，變頻器將自動啟動第二臺水泵，控制其變頻運行。此后，如壓力仍然達不到要求，則將該泵又切換至工頻，變頻器軟啟動第三臺泵，反復工作，直至滿足設定壓力要求為止。 （2）反之，若管網水壓大于預設水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉速降低，當頻率低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網水壓保持恒定。 （3）輔助泵只在自動狀態(tài)啟動前處于開啟狀態(tài)，在自動狀態(tài)啟動后關閉。 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)領域中大量地應用，然而其控制性能與自身的功能已無法滿足與適應工業(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)功能與特點的比較。 表2.1 可編程控制器與接觸器控制功能與特點的比較 比較項目 可編程控制器 接觸器控制 控制功能的實現 進行編程實現所需控制功能 進行硬件接線完成控制 生產工藝變化的適應性 對程序進行修改適應性強 需重新設計接線適應性差 可靠性 采用軟接觸器，可靠性高 元器件多觸點多，易出現故障 續(xù)表2.1 柔韌性與靈活性 有種類齊全的擴展單元靈活 差 控制的實時性 微處理器控制，實時性非常好 機械動作時間常數大實時性差 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 易損、壽命短 復雜控制能力 很強 極差 價格 較高 較低 維護 工作量小 復雜、工作量大 2、可編程控制器與計算機控制系統(tǒng)的比較 通用計算機具有十分強大的計算與數據處理能力，同時數據的處理速度已經達到極高的水平，但是應用，在很多方面遠遠沒有PLC功能強大，表2.2給出可編程控制器與計算機控制系統(tǒng)功能與特點的比較。 表2.2 可編程控制器與計算機控制系統(tǒng)功能與特點的比較 比較項目 可編程控制器 通用計算機 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 對使用著要求 語言易學 專門語言培訓 可靠性 工業(yè)級要求 商業(yè)級要求 系統(tǒng)軟件 功能專用 功能強大 適用領域 工業(yè)控制 辦公、管理，科學計算 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)計算機控制系統(tǒng)高的多，它是專門為工業(yè)控制場合設計的，所以它的穩(wěn)定性，而且它操作簡單靈活，易于實現系統(tǒng)升級和功能擴展。 選用PLC控制機械手，其硬件接線少、線路設計合理、編程簡單，參數修改簡便，降低了維修率，提高了工作效率；具有較強的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運行的可靠性。所以本設計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 本設計采用PLC進行變頻恒壓供水，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控制器是變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的核心設備，PLC根據輸入的信號自動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變片按照惠斯通電橋原理組成的。本次畢業(yè)設計采用JYB-K型供水壓力傳感器。 （3）A/D轉換 采用西門子EM235模塊進行A/D轉換，將采集到的模擬信號轉換成數字信號送至PLC進行控制。 （4）變頻器 變頻器選用AB powerflex 70。 （5）水泵 本系統(tǒng)由1臺輔助泵和3臺主泵組成，當用水量很少或沒有用水時，只開動輔佐泵即可，當檢測到水壓變低，系統(tǒng)自動增加泵或加快抽水速度，滿足用水增大的需要；當壓力變大或超高時，系統(tǒng)自動減泵或減低抽水速度。 第3章 系統(tǒng)硬件設計 3.1 可編程控制器 可編程控制器是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術與自動化技術而開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。它具有可靠性高、適應工業(yè)現場的高溫、沖擊和振動等惡劣環(huán)境的特點，已成為解決自動控制問題的最有效工具，是當前先進工業(yè)自動化的三大支柱之一。 3.1.1 可編程控制器的概念 可編程控制器(Programmable Logical Controller)簡稱PLC。國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標準草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可 編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令。并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關設備，都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。” 3.1.2 可編程控制器的優(yōu)點 現代工業(yè)生產過程是復雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同。PLC一經出現就受到了廣大工程技術人員的歡迎。PLC具有如下特點： （1）實現成本低 （2）范圍廣 （3）高速率 （4）永遠在線 （5）結構靈活 3.1.3 可編程控制器的發(fā)展趨勢 隨著計算機科學的發(fā)展和工業(yè)自動化愈來愈高的需求，可編程控制技術得到了飛速的發(fā)展，其技術和產品日趨完善。 3.1.4 可編程控制器的應用領域 可編程控制器的初期由于其價格高于接觸器控制裝置，使得其應用受到限制。但最近十年來，PLC的應用面越來越廣，PLC的應用范圍通常分成以下5種類型： 1、 順序控制； 2、運動控制； 3、過程控制； 4、數據控制； 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實施控制，其實質是按一定算法進行輸入/輸出變換，并將這個變換給以物理實現，應用于工業(yè)現場應用而設計，采用了典型的計算機結構，它主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入/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從編程器鍵入的用戶程序和數據；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現場各輸入裝置的狀態(tài)和數據，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數運算的結果送入I/O映象區(qū)或數據寄存器內。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)或輸出寄存器內的數據傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。 2、存儲器 PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。 3、輸入/輸出模塊 輸入（Input）模塊和輸出（Output）模塊簡稱為I/O模塊。PLC的輸入和輸出信號類型可以是開關量、模擬量和數字量。輸入/輸出模塊從廣義上分包含兩部分：一是與控制設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備的各種控制信號，如限位開關、行程開關以及其他一些傳感器的信號。輸出模塊用于將這些信號轉換成CPU能夠識別和處理的信號，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，內部的開關電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供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 為了實現“人─機”或“機─機”之間的對話，PLC配有多種通信接口。 7、編程器 過去的編程設備一般是編程器，其功能僅限于用戶程序讀寫和調試。 8、其他部分 需要時，PLC可配有存儲器卡、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)控制計算機，故它的工作原理是建立在計算機工作原理之上，即通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現的，但是 CPU是以分時操作方式來處理各項任務的，計算機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各電器的動作，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)掃描的方式進行工作的。 3.2 系統(tǒng)的輸入/輸出信號 3.2.1 輸入信號分析 輸入設備用于產生輸入控制信號，本設計中輸入設備包括以下幾種： 1、啟動按鈕和停止按鈕 2、備用按鈕 3、切換開關 根據系統(tǒng)控制要求，輸入信號分析如下： 啟動信號1個； 停止信號1個； 手動/自動切換信號1個； 備用輸入信號1個； 手動輔助泵輸入信號1個； 消防/生活切換信號1個。 開關量輸入信號共6個，輸入設備及其電氣符號如表3.1所示。 表3.1 輸入設備及其電氣符號 輸入信號名稱 電氣符號 手動/自動切換按鈕 SF1 備用按鈕 SF2 手動輔助泵按鈕 SF3 啟動按鈕 SF4 停止按鈕 SF5 消防/生活切換按鈕 SF6 3.2.2 輸出信號分析 輸出設備是PLC的輸出信號驅動的執(zhí)行元件，本設計中由PLC輸出控制的信號有：變頻接觸器信號、工頻接觸器信號、輔助泵接觸器信號、變頻器接觸器信號等。 根據系統(tǒng)控制要求，輸出控制信號分析如下： 1號變頻接觸器驅動信號1個； 2號變頻接觸器驅動信號1個； 3號變頻接觸器驅動信號1個； 1號工頻接觸器驅動信號1個； 2號工頻接觸器驅動信號1個； 3號工頻接觸器驅動信號1個； 輔助泵接觸器驅動信號1個； 變頻器接觸器驅動信號1個。 輸出開關量共8個，輸出設備及其電氣符號如表3.2所示。 表3.2輸出設備及其電氣符號 輸出設備名稱 電氣符號 1號變頻接觸器 QA1 2號變頻接觸器 QA2 續(xù)表3.2 3號變頻接觸器 QA3 1號工頻接觸器 QA4 2號工頻接觸器 QA5 3號工頻接觸器 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，目前國際上生產PLC的公司有很多，如德國的西門子、日本的三菱、歐姆龍、松下；法國的TE、施耐德、韓國的三星等。 本設計選用的是德國西門子公司生產的S7-200系列的PLC。 S7-200系列PLC是西門子公司生產的一種小型PLC，其許多功能已經達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC的一樣。 CPU22*系列PLC它有如下六種不同結構的配置單元： （1）CPU221。 本機集成6輸入/4輸出，無擴展能力。 （2）CPU222。 本機集成8輸入/6輸出，最多可擴展2個模塊。 （3）CPU224。 本機集成14輸入/10輸出，最多可擴展7個模塊。 （4）CPU224XP。 本機集成14輸入/10輸出，最多可擴展7個模塊，并且在主機上增加了2輸入/1輸出的模擬量單元和一個通信口。 （1） CPU226 本機集成24輸入/16輸出，最多可擴展7個模塊，具有2個通信口。 3.3.2 PLC型號選擇 綜上所述，根據I/O點數選擇PLC型號為S7-200CPU224。 3.3.3 擴展模塊的選擇 S7-200系列的PLC的主機提供一定數量的數字量I/O和模擬量I/O，當CPU的I/O點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行I/O的擴展。I/O擴展包括I/O點數的擴展和功能模塊的擴展。不同的CPU有不同的擴展規(guī)范，它主要受CPU的功能限制。 S7-200PLC的I/O擴展模塊有： （1）輸入擴展模塊EM221 共有3種，即：8點和16點DC、8點AC。 （2）輸出擴展模塊EM222 共有5種，即8點DC和4點DC、8點AC、8點接觸器和4點接觸器。 （3）輸入/輸出混合擴展模塊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，它們對應的輸入/輸出點數分別為4點、8點和16點。 （4）模擬量輸入擴展模塊EM231 共有3種： （5）模擬量輸出擴展模塊EM232 只有一種2路模擬量輸出的擴展模塊。 （6）模擬量輸入/輸出擴展模塊EM235只有一種4路AI/1路AO（占用2路輸出地址）。 本系統(tǒng)本設計的CPU224 與EM235模塊連接方式如圖3.1所示。 主機 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、數字量輸入部分 根據系統(tǒng)控制要求，輸入信號有啟動信號、停止信號、手動/自動切換信號、備用輸入信號、手動輔助泵輸入信號、消防/生活切換信號等，輸入信號地址分配如表3.4所示。 表3.4 數字量輸入I/O分配表 輸入地址分配 功能 電氣符號 I0.0 手動/自動切換按鈕 SF1 I0.1 備用按鈕 SF2 I0.2 手動輔助泵按鈕 SF3 續(xù)表3.4 I0.3 啟動按鈕 SF4 I0.4 停止按鈕 SF5 I0.5 消防/生活切換按鈕 SF6 2、數字量輸出部分 PLC輸出控制的信號有：變頻接觸器信號、工頻接觸器信號、輔助泵接觸器信號、變頻器接觸器信號等。輸出信號的地址分配如表3.5所示。 表3.5 數字量輸出I/O分配表 輸出地址分配 功能 電氣符號 Q0.0 1號變頻接觸器 QA1 Q0.1 2號變頻接觸器 QA2 Q0.2 3號變頻接觸器 QA3 Q0.3 1號工頻接觸器 QA4 Q0.4 2號工頻接觸器 QA5 Q0.5 3號工頻接觸器 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 采樣數據 AQW0 輸出控制值 3.5 系統(tǒng)電氣原理設計 根據前面對輸入輸出設備的分析和I/O分配，進行PLC與外部設備的連接，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換為電信號輸出的傳感器，通常又把壓力測量儀表中的電測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（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。 3.6.1 壓力傳感器的原理 壓力傳感器是由電阻應變片按照惠斯通電橋原理組成的。電阻應變片是一種將被測件上的應變片轉換成為一種電信號的敏感器件，它是壓力傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，是應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。 電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但阻值的取值范圍應注意：組織太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高。在不同的環(huán)境中使用，可能會使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜，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，它是采用比較法對未知電阻進行測量的，如圖3.3所示。測量時選擇一定的比例臂數值（R1 /R2），并將電橋量調整平衡，這樣就可以將待測電阻（Rx）與標準電阻（Ro）進行比較，從而確定待測電阻的阻值。 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，連接成一個惠斯通電橋（閉橋）。由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV(V)等，可以和應變式傳感器相兼容。 如果是擴散硅壓力傳感器，被測介質的壓力直接作用于傳感器的不銹鋼膜片上，使膜片產生與介質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，同時用惠斯通電橋等回路轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。 3.6.2 壓力傳感器的特性參數 在恒壓供水系統(tǒng)中，壓力傳感器一般測量的類型包括絕對壓、表壓和差壓。 參照壓力為真空時所測量的壓力值為絕對壓，通常簡稱絕壓。參照壓力為當地的大氣壓力時，所測量的壓力值為表壓。表壓力為正時簡稱壓力，表壓力為負時稱負壓力或真空度。負壓力的絕對值越大，即絕對壓力越小，則真空度越大。傳感器變送器兩端都感受到被測壓力時，兩端壓力之差稱差壓。在以上三個壓力中，通常我們所測的為表壓。 壓力傳感器的特性參數非常多，包括測量范圍、上限值、下限值、激勵、過載等。具體如下： 測量范圍：在允許誤差限內被測量值的范圍成為測量范圍。 上限值：測量范圍的最高值稱為測量范圍的上限值。 下限值：測量范圍的最低值稱為測量范圍的下限值。 量程：測量范圍的上限值和下限值的代數差就是量程。 準確度：被測量的測量結果與真值間的一致程度。 重復性：相同測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)多次測量所得結果之間的一致性。 蠕變：當被測量及其所有環(huán)境條件保持恒定時，在規(guī)定時間內輸出量的變化。 遲滯：在規(guī)定的范圍內，當被測量值增加或減少時，輸出中出現的最大差值。 激勵：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也不同，所以有的參數，如零點輸出，上限值輸出、漂移等參數要在規(guī)定的激勵條件下測量。 零點漂移：零點漂移是指在規(guī)定的時間間隔及標準條件下，零點輸出值的變化。由于周圍溫度變化引起的零點漂移稱為熱零點漂移。 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量的最大值。 穩(wěn)定性：傳感器變送器在規(guī)定的條件下儲存、試驗或使用，經歷規(guī)定的時間后，仍能保持原來特性參數的能力。 可靠性：指傳感器變送器在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內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步驟： ①按測量介質及使用環(huán)境要求選用 傳感器介質接觸材料包括陶瓷、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按性能指標要求選用 變頻恒壓供水應用非常廣泛，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、準確度和溫度補償。 量程的選用：壓力傳感器量程的選用一般以被測量壓力經常處在整個量程的80%~90%為最好，但最大工作狀態(tài)點不能超過滿量程。 滿量程輸出：在相同的供電狀態(tài)及其他參數不受影響的情況下，傳感器的輸出應盡可能地大，如輸出接近10V或20mA，這樣便于提高抗干擾能力。 準確度：準確度主要是指非線性、重復性、遲滯等三項綜合參數。選用高準確度壓力傳感器時，首先應該考慮遲滯和重復性這兩個參數。實際應用中，根據測量誤差的控制要求并本著適用經濟的原則進行選擇；目前常見的壓力傳感器產品提供1.0級、0.25級、0.5級、0.1級四種準確度等級。 溫度補償：對于工作環(huán)境溫度變化不大，要求不高的壓力傳感器一般不進行補償也可以應用。對于特殊用途、溫度范圍寬的壓力傳感器必須進行溫度補償。 過載：系統(tǒng)的最大過載應小于壓力傳感器的過載保護極限，否則會影響產品的使用壽命甚至損壞產品。一般來說，2倍測量范圍的過載保護是國內產品的標準配置。 本次系統(tǒng)設計采用JIB-K型壓力傳感器，主要參數如下： （1）量程：0-5MPa （2）輸出：4-20mA DC （3）供電：通常+24V （4）響應時間：≤200ms （5）長期穩(wěn)定性：≤+0.5% FS/年 （6）負載能力：≤（Vdd-10V）40Ω 3.7 變頻器 3.7.1 變頻器的結構 變頻器的種類可以按照以下幾種方式劃分：按應用分，有變頻器和專用變頻器；按結構分，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，按直流側電源性質分，有電壓源型變頻器和電流源型變頻器；按輸出電壓調節(jié)方式分，有脈沖幅值調節(jié)方式（pulse amplitude modulation，PAM）和脈寬調制方式（pulse width modulation，PWM）。此外，變頻器還可以按照導通模式、輸出電壓波形、逆變器調制方式等劃分為許多種類。 圖3.4 變頻器結構圖 3.7.2 變頻器的控制方式 當對異步電動機調速時，需要根據電動機的特性對供電電壓（電流）和頻率進行適當控制，采用不同的控制方法所得到的調速性能、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)結構分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制主要是U/f 協(xié)調控制。閉環(huán)控制需要速度等反饋信息，可進行轉差頻率控制、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，可以實現與直流電動機拖動系統(tǒng)相當的調速性能。當然，先進的控制方式其控制比較復雜，需要專門的知識，同時需要調整的因素多，變頻器的價格也比較高。目前各種控制方式的變頻器已產品化，我們可根據調速目的、用途和調速系統(tǒng)所需的性能指標選擇合適的控制方式的變頻器，以構成性價比高的交流調速系統(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 變頻器的設計滿足全球對變頻器的標準和功率的要求，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化的NetLinxTM 開放網絡體系。它為DeviceNetTM 設備網、ControlNetTM 控制網和EtherNet/IP 網絡提供一系列通用的特性和服務，并導致更低的所有者生產成本。當用戶進行控制、組態(tài)和采集數據的時候，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完整的系統(tǒng)。 PowerFlex70 產品電壓等級有： （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 變頻器產品。 3.8 控制電機 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 軟件設計 4.1 程序地址分配 CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個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據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態(tài)或數據，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規(guī)定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。 在程序設計過程中，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 地址 注解 PID_CH SBR0 初始化PID參數 DANG_K SBR1 檔位控制子程序 VB12_0 SBR2 自動一號運行規(guī)律 VB12_1 SBR3 自動二號運行規(guī)律 VB12_2 SBR4 自動三號運行規(guī)律 VB12_K SBR5 泵號管理，免維護 VB11_K SBR6 自動擋增/減泵規(guī)律 SHOU_D SBR7 手動規(guī)律控制子程序 采樣運算 INTO 0.1s采樣及PID運算程序 主 OB1 恒壓供水控制系統(tǒng)主程序 地址 符號 地址 符號 VB11 規(guī)律控制 VD512 增益 VB12 泵號管理 T38 自動減泵定時 VB13 手動增減泵 T37 自定增泵定時 M20.0 自動運行標志 SM0.5 一秒脈沖 續(xù)表4.1 T39 泵號切換延時 VW498 變頻頻率 SMB34 定時中斷 VD504 供水設定值 VD524 微分時間 VD508 PID輸出 VD520 積分時間 VB500 PID開始 VD516 采樣設時 VD500 采樣輸入值 VD3000 一天計時 4.2 供水壓力信號的采集與數據處理 4.2.1 供水壓力信號的采集 在壓力模擬信號中，一般采取平均值濾波法。平均值濾波法包括算術平均值濾波法和加權平均濾波法兩種，適用于供水系統(tǒng)隨機干擾信號的濾波。采樣次數越多，濾波效果越明顯，但考慮到采用時間及系統(tǒng)控制的需要，采樣次數應根據系統(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前值。每一次的采樣值與前N-1次的采樣值進行算術平均運算，結果作為本次采樣的濾波值。這樣每個掃描周期只需采樣一次，但都要取N-1個采樣值（1個當前值，N-1個歷史值）來計算濾波值。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 供水壓力信號的數據處理 （1）接線 如圖4.2所示進行簡單接線。 圖4.2 接線圖 （2）進行程序編制 采用平移式平均值濾波法，對五次采樣進行處理。 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后，進行壓力設定值與檢測元件反饋值的比較、PI運算等調節(jié)器功能，通過參數自整定后輸出標準控制信號，該信號再進入到變頻控制器模擬信號輸入端，從而控制變頻器輸出頻率，最終達到控制水泵電動機的轉速，實現閉環(huán)控制。 通過PLC 的PID控制，當用戶使用流量增大時，根據水泵特性，水泵出口壓力降低，壓力傳感器將壓力作為反饋信號送到PLC，通過調節(jié)后刷新輸出，送給變頻器，使變頻器增大輸出頻率，水泵電動機轉速也隨之增大，管網壓力提高。 4.3.2 控制算法 下圖是PID算法結構框圖。 根據反饋原理，要想維持一個物理量不變或基本不變,就應該將這個物理量與恒定值進行比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，根據反饋定理在管網系統(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、積分和微分三個單元，可以取其中的一列到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。在恒壓供水控制中，因為被控壓力量不屬于大慣量滯后緩解，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參數整定。剛開機初始化PID參數，供水設定值VD504=0.6，增益VD512=0.4，采樣時間VD516=0.1，積分時間VD520=20.0，微分時間VD524=0；開啟定時中斷（事件號10）。 圖4.6 PID參數整定 子程序SBR_2、SBR_3和SBR_4的程序基本相同，區(qū)別點在于： （1）當一號泵自動運行規(guī)律時，分三種情況： VB=1時，只有Q0.0接通，一號泵變頻運行； VB=2時，只有Q0.1和Q0.3接通，二號泵變頻運行，一號泵工頻運行； VB=3時，只有Q0.2、Q0.3、Q0.4接通，三號泵變頻運行，一、二號泵工頻運行。 （2）當三號泵自動運行規(guī)律時，分三種情況: VB=1時，只有Q0.1接通,二號泵變頻運行； VB=2時，只有Q0.2和Q0.4接通,三號泵變頻運行,二號泵工頻運行。 VB=3時，只有Q0.0、Q0.4、Q0.5接通，一號泵變頻運行，二、三號泵工頻運行。 （3）當三號泵自動運行規(guī)律時，分三種情況： VB=1時，只有Q0.2接通，三號泵變頻運行； VB=2時，只有Q0.0和Q0.5接通，一號泵變頻運行，三號泵工頻運行； VB=3時，只有Q0.1、Q0.3、Q0.5接通，二號泵變頻運行，一、三號泵工頻運行。 （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 論 本次設計的基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計系統(tǒng)是多臺電動機聯(lián)動進行變頻調速來達到恒壓供水的目的。 本課題設計內容：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，壓力設定分消防和生活兩種，為保證每臺泵不銹蝕，需要按照一定規(guī)律進行輪換，保證壓力值控制精度在2%。 本論文依據供水要求，設計了一套由PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水，具有全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行和現場手動控制等功能。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)及轉換條件，分析了電機由變頻轉工頻運行方式的切換過程及存在的問題。給出了實現有效狀態(tài)循環(huán)轉換控制的電氣設計方案和PLC控制程序設計方案。 參考文獻 [1] 吳建強.可編程控制器原理及應用.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2000 [2] 吳中俊,黃永紅.可編程序控制器原理及應用.北京:機械工業(yè)出版社,2003 [3] 張萬忠,劉明芹.電器與PLC控制技術.北京:化學工業(yè)出版社,2003 [4] 鄭萍.現代電氣控制技術.重慶:重慶大學出版社,2003 [5] 宋建成.PLC控制和應用.北京:科學出版社, 2002 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