畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于s7-200的樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于S7200的樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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，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)。本論文結(jié)合我國(guó)中小城市多層住宅小區(qū)的用水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器、內(nèi)置PID變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、及控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)30KW的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，2臺(tái)分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。分析水泵工FN況的能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與傳統(tǒng)供水方式中用閥門(mén)節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。本控制系統(tǒng)中采用了德國(guó)SIMENS公司的S7200可編程控制器，同時(shí)選取了一個(gè)用于供水系統(tǒng)壓力控制的內(nèi)置PID算法的變頻器。該變頻器對(duì)壓力給定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變水泵出水口流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。關(guān)鍵詞PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水BUILDINGONTHES7200WATERSUPPLYCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSOCIALECONOMY,ITDEMANDSTHEBETTEROFWATERSUPPLYSQUALITYANDRELIABILITYOFWATERSUPPLYSYSTEMMEANWHILEENERGYRESOURCESARESERIOUSLYLACKSOITISINEVITABLETENDENCYTODESIGNWATERSUPPLYSYSTEMWHICHHASHIGHFUNCTIONANDSAVESONENERGYWELL,WITHHELPOFADVANCEDTECHNIQUEOFAUTOMATION,CONTROLANDCOMMUNICATIONATTHESAMETIMETHISSYSTEMCANADAPTDIFFERENTWATERSUPPLYFIELDSONTHEBASISOFANALYZINGINQUOOFTHEWATERWORKSINOURCOUNTRY,THISDESIGNSASUITOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYAUTOMATICSYSTEMPAPERBYUSINGVARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGTECHNOLOGYBASEDONPLCTHESYSTEMISMADEUPOFPLC,TRANSDUCER,UNITSOFPUMPSANDELECTROMOTORS,PRESSURESENSOR,INDUSTRIALCONTROLCOMPUTERANDCONSOLETHESYSTEMISUSEDATRANSDUCERTOMAKEFOURELECTROMOTORSSTARTING,RUNNINGANDTIMINGTHETWOELECTROMOTORS30KWISPARTLYCIRCULATEDTOCONNECTCONTROLCOMPUTERWITHPLCANDREALIZESUPERVISE,AREALTIMESUPERVISECONTROLSOFTWAREOFWATERSUPPLYSYSTEMISDEVELOPEDTOTUNEUPTHEFREQUENCYOFPOWERSUPPLYBYTHETRANSDUCERINTHESYSTEM,THISADJUSTINGMAKETHESPEEDOFELECTROMOTORANDPERFORMANCECURVEOFPUMPCHANGEATLAST,ITMAKESTHESTATUSOFAPUMPALTERTHROUGHANALYZINGTHEFIGUREOFENERGYWASTINGOFPUMP,THEQUALITYINPIPESISDIRECTPROPORTIONOFTHESPEEDOFPUMPIFTHESPEEDOFPUMPISREDUCEDTHEPOWEROFELECTROMOTORFELLSTHECUBEOFTHESPEEDOFPUMPSOTHEENERGYWASTINGOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYBASEDONVARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGTECHNOLOGYISEVIDENTLYLESSTHANTHETRADITIONALMODEISUSEDTHROTTLETOSUPPLYWATERTHROUGHUSINGS7200PROGRAMSOFTWAREOFSIMENSCOMPANYINGERMANINTHECONTROLSYSTEMTHECONTROLLERCANCOMPARETHEMEASUREVALUEANDTHEVALUEINADVANCEOFPRESSURETHROUGHREALTIMECONTROLLINGTHEOUTPUTVOLTAGEANDFREQUENCYOFTRANSDUCER,THEOUTPUTQUALITYOFPUMPISCHANGEDALONGWITHTHECHANGINGOFPUMPSSPEEDITMAKESTHEPRESSUREOFPIPESELFREGULATINGANDSTEADYINTHESCHEDULEDVALUEKEYWORDSPLC；VARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY目錄摘要ABSTRACT第1章緒論111課題來(lái)源及其研究意義112多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題和本文的主要研究?jī)?nèi)1121多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題1122本文的主要研究?jī)?nèi)容2第2章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)421水泵理論及水泵工況點(diǎn)確定的4211水泵的工作參數(shù)4212水泵基本性能曲線8213水泵理論工況點(diǎn)的確定1122水泵工況的調(diào)節(jié)1223變頻調(diào)速恒壓供水能耗機(jī)理分析13231水泵工況的調(diào)節(jié)過(guò)程13第3章可編程控制器PLC1431PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域14311可編程序控制器的特點(diǎn)14312可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較15313PLC的一般結(jié)構(gòu)16314PLC基本工作原理18315PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟20316PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2132PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)22321PLC程序設(shè)計(jì)的常用方法22322PLC程序設(shè)計(jì)步驟25第4章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)2941系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及工作過(guò)程29411系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)29412系統(tǒng)控制方案研究3042控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32421主電路設(shè)計(jì)32422控制電路設(shè)計(jì)34423PLC配置34424基于S7200樓宇恒壓供水控制電路3543本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)37431PLC程序設(shè)計(jì)37432設(shè)置切換延時(shí)時(shí)間38433確保觸點(diǎn)互鎖39第5章結(jié)論40參考文獻(xiàn)41謝辭44第1章緒論11課題來(lái)源及其研究意義近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市居住小區(qū)的建設(shè)也猶如雨后春筍，紛紛拔地而起。城市給水系統(tǒng)的水量、水壓如能隨時(shí)滿足居住小區(qū)用水要求，無(wú)疑應(yīng)采用直接供水方式。然而我國(guó)某些城市的供水能力不足，城鎮(zhèn)水廠發(fā)展速度滯后于居住小區(qū)建設(shè)發(fā)展速度，城市給水管道老化、輸水能力下降，城郊供水水壓不能滿足用水要求的情況時(shí)有發(fā)生。水壓不足，需采用加壓設(shè)備進(jìn)行增壓。目前，恒壓變頻調(diào)速給水加壓設(shè)備已成功地應(yīng)用于居住小區(qū)給水增壓系統(tǒng)且有明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文在智能化要求的基礎(chǔ)上，研究了PLC及變頻調(diào)速技術(shù)在該樓宇恒壓供水系統(tǒng)電氣控制中的應(yīng)用，提出了供水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并論述了硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的實(shí)現(xiàn)方案。以及通過(guò)運(yùn)行實(shí)測(cè)。分析了節(jié)能節(jié)水的效果。12多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題和本文的主要研究?jī)?nèi)容121多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會(huì)給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，故對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)一般都要采用軟起動(dòng)方案。采用變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開(kāi)始起動(dòng)，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時(shí)變頻器同時(shí)承擔(dān)了軟啟動(dòng)的任務(wù)。變頻軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)力矩，故特別適合于需重載或滿載起動(dòng)的大功率水泵電機(jī)。多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費(fèi)用，常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，變頻器可以再去起動(dòng)其他的電動(dòng)機(jī)。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。變頻器的輸出切換問(wèn)題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認(rèn)識(shí)上還存在著一些誤區(qū)一種看法是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源，或者像軟起動(dòng)器一樣，因而可以將電動(dòng)機(jī)在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換另一種看法則認(rèn)為由于變頻器自身的設(shè)計(jì)原理，是不允許變頻器在運(yùn)行中進(jìn)行切換的。122本文的主要研究?jī)?nèi)容經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合樓宇供水情況，本次研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)是基于PLC的單臺(tái)變頻器（內(nèi)置PID）拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的恒壓供水自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，摒棄了原有的自藕降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制都納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的操作控制實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化管理，設(shè)備管理達(dá)到最優(yōu)效果，運(yùn)行調(diào)節(jié)達(dá)到最佳節(jié)能。具體而言，論文包括以下內(nèi)容1對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)控技術(shù)進(jìn)行分析和比較，并對(duì)多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究方法。2從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(diǎn)工況點(diǎn)的確定方法和水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本文重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出一些有益的結(jié)論。3PID算法在變頻橫壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用及如何選擇變頻器。4通過(guò)對(duì)可編程控制器PLC的端口介紹及軟件分析為本論文的PLC選擇提供依據(jù)，并保證系統(tǒng)能有效的進(jìn)行工作。5介紹了基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過(guò)程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。第2章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市人口和城市居民的不斷增加，城市供水不足成為一種普遍現(xiàn)象，傳統(tǒng)的供水方式已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展和人民生活的需要。自八十年代以來(lái)，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)許多城市的自來(lái)水公司。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)不僅能夠保證城市供水的穩(wěn)定，而且可以節(jié)約能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)若采用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)改變流量，可節(jié)約205O其節(jié)能效果相當(dāng)可觀12,49。采用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)和傳統(tǒng)恒速泵供水系統(tǒng)、水塔高位水箱供水系統(tǒng)、高壓罐供水系統(tǒng)相比，具有水壓穩(wěn)定、維護(hù)方便、占地面積小、節(jié)約能源和減少對(duì)水泵機(jī)組設(shè)備的沖擊等優(yōu)點(diǎn)13。在討論變頻調(diào)速恒壓供水的節(jié)能機(jī)理之前，有必要討論分析水泵及水泵工況調(diào)節(jié)等相關(guān)理論。21水泵理論及水泵工況點(diǎn)確定的水泵廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中，但在供水行業(yè)中普遍采用的離心式葉片泵，也稱(chēng)離心泵。離心泵屬于高揚(yáng)程葉片泵，是利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力的原理工作的。離心泵在起動(dòng)前必須使泵和進(jìn)水管中充滿液體，當(dāng)葉輪在泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)在離心力作用下被甩向葉輪外緣，并匯集到泵殼內(nèi)，使液體獲得動(dòng)能和壓能，并沿著出水管輸送出去。211水泵的工作參數(shù)水泵工作參數(shù)共有六個(gè)，即流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速及允許吸上真空高度或氣穴余量。在六個(gè)參數(shù)中，流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速是基本參數(shù)，只要其中一個(gè)發(fā)生變化，其余參數(shù)都會(huì)按照一定的規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的變化14。1流量Q水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。以L/S升/秒、M3/S米3/秒、M3/H米3/小時(shí)、KG/S千克/秒、T/S噸/秒等表示。2揚(yáng)程H水泵揚(yáng)程也稱(chēng)水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，可以由水泵進(jìn)水口、出水口斷面上的單位總能量E，E2的差值表示，其單位以M計(jì)。水泵揚(yáng)程可用下式表示為GVHZEH21121212（21）式中，Z1,Z2分別為真空表測(cè)壓點(diǎn)、壓力表零位點(diǎn)至基準(zhǔn)面的垂直距離，低于基準(zhǔn)面時(shí)取負(fù)值MH1,H2分別為真空表、壓力表讀數(shù)M；GV、分別為水泵進(jìn)水口、出水口斷面的流速水頭M。3功率水泵功率有以下兩種，有效功率PM和軸功率PN。有效功率PM為泵內(nèi)液體實(shí)際所獲得的凈功率KW，可以根據(jù)流量和揚(yáng)程來(lái)計(jì)算。10RQHPM22式中R液體的比重KGF/M3一一液體的流量M3/SH一一一水泵的揚(yáng)程M軸功率PN是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來(lái)功率，即由動(dòng)力機(jī)傳給水泵軸上的功率KW。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功功率。1010RQHPMN23式中，水泵效率。4效率有效功率與軸功率的比值為效率10NMP24水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。它由泵內(nèi)水力效率、機(jī)械效率及容積效率等三個(gè)局部效率組成。1機(jī)械損失與機(jī)械效率機(jī)械損失包括軸與軸承的磨擦損失、軸與填料函的磨擦損失以及葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的損失即輪盤(pán)損失。水泵克服了機(jī)械損失之后，把剩下的功率傳給所抽的水，這部分功率叫做水功率PW。THWHQQRP25式中，QQ流過(guò)葉輪的全部流量漏損量,TH水泵理論揚(yáng)程。機(jī)械損失的大小用機(jī)械效率表示10NWP262容積損失與容積效率在流過(guò)葉輪的全部流量QQ中，除了出水量Q外，另有一部分流量Q，經(jīng)過(guò)減漏環(huán)的間隙或軸流泵葉輪外緣與泵殼的間隙流回進(jìn)水側(cè)，以及經(jīng)過(guò)填料函滲出泵外，流量帶走的功率為T(mén)HLQHP（27）剩下的功率是LWSP（28）容積損失LP只可用容積效率R表示10WSR（29）將式25,26,27,28代入上式得10QQHTHR（210）3水力損失與水力效率水泵吸入室、葉槽、壓出室中的磨擦阻力、旋渦及撞擊等引起的水力損失，可用水力效率表示10THTWMSHQP（211）用WSNP乘以式子214右端可得SRJSMWNP（212）由上式可見(jiàn)水泵效率，是三個(gè)局部效率的乘積。要提高水泵效率，必須盡量減少機(jī)械磨擦和漏水量，并力求改善過(guò)流部分的設(shè)計(jì)和提高制造、裝配質(zhì)量。5轉(zhuǎn)速N。轉(zhuǎn)速N是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。水泵銘牌上所標(biāo)明的額定轉(zhuǎn)速是設(shè)計(jì)工況時(shí)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。6允許吸上真空高度YZH或臨界氣穴余量LH。二者是表征水泵吸水性能曲線或氣穴性能的參數(shù)，它們是確定水泵安裝高度和評(píng)述水泵發(fā)生氣穴與氣蝕問(wèn)題的主要參數(shù)。212水泵基本性能曲線水泵的六個(gè)工作參數(shù)，標(biāo)志著水泵的性能。但各個(gè)工作參數(shù)不是靜止孤立的，而是有一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。如將它們的變化規(guī)律用一組曲線表示，則這組曲線就稱(chēng)為性能曲線或稱(chēng)特性曲線。通常是將水泵轉(zhuǎn)速N在某一恒定值時(shí)，揚(yáng)程H，軸功率PN，效率和允許吸上真空高度YZH或臨界氣蝕余量1H隨著流量Q而變化的關(guān)系繪制成各種性能曲線。只有了解水泵的性能，掌握其變化規(guī)律，熟悉各種水泵性能曲線的特點(diǎn)，才能合理的選型配套，正確的決定水泵的安裝高程以及解決水泵裝置在運(yùn)行中所遇到的許多的問(wèn)題。1揚(yáng)程與流量曲線QH流體在水泵葉輪內(nèi)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系可以用下式描述UWV213式中，輪內(nèi)流體的絕對(duì)速度；輪內(nèi)流體的相對(duì)速度；U輪內(nèi)流體的牽引速度圓周速度。水泵的理論揚(yáng)程可用式214表示15GVUHTH1221412152U216式中，1R,水泵葉輪進(jìn)、出口半徑1,2U水泵葉輪進(jìn)、出口處的圓周速度UV2，水泵葉輪進(jìn)、出口處的絕對(duì)速度。從水泵的基本方程式可知，水泵流量與揚(yáng)程是密切相關(guān)的。在葉片無(wú)限多時(shí)，式214經(jīng)過(guò)進(jìn)一步推導(dǎo)，水泵理論揚(yáng)程可用下式表示。KTHQBDCTGUH22（217）式中，2水泵葉輪出水口相對(duì)速度與圓周速度的夾角，由葉片的形狀決定2U水泵葉輪出水口圓周速度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)KQ水泵出水口流量。式217表示揚(yáng)程隨流量變化的關(guān)系，是一個(gè)直線方程。在離心泵中，當(dāng)葉片的902時(shí)，THH隨K的增加而減小。該直線在縱坐標(biāo)為H的軸上交于GU，直線的斜度取決于2的值，如圖41A所示。當(dāng)葉片為有限多時(shí)，理論揚(yáng)程TH與T的關(guān)系用式218PHTHT1（218）進(jìn)行修正、因此TH與KQ的關(guān)系仍然是一條直線，在縱坐標(biāo)H軸上的交點(diǎn)為GPU12。如果號(hào)慮水泵內(nèi)部的水力損失和水泵的泄漏量，最后可以得到水泵揚(yáng)程H與Q的關(guān)系是一條曲線。2功率與流量曲線NPQ軸功率N是水功率W與機(jī)械損失功率JP只之和，計(jì)算水泵理論揚(yáng)程曲線所對(duì)應(yīng)的功率即為水泵的水功率。把式217代入式25得KTHWQBDCTGUP22（219）對(duì)于離心泵來(lái)說(shuō)，902，WPKQ是一條向下彎的拋物線。機(jī)械損失JP幾乎與流量無(wú)關(guān)，在K曲線上加上J，就得到NPKQ曲線。再?gòu)腜NK曲線的橫坐標(biāo)上減去相應(yīng)的Q值，即得N曲線。3效率與流量曲線從己知的H及曲線，按公式25，求得相應(yīng)點(diǎn)的功率值，即可繪Q曲線。理論性能曲線，只能做為定性分析和比較之用，目前還不能定量確定，在實(shí)用時(shí)還必須用實(shí)測(cè)的方法來(lái)繪制性能曲線。水泵樣本中所繪出的性能曲線，均為實(shí)測(cè)或根據(jù)模型試驗(yàn)換算而來(lái)的。在水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)，或葉片在設(shè)計(jì)安放角時(shí)，以Q為橫坐標(biāo)，以H、NP、YZH或1H為縱坐標(biāo)，畫(huà)出的H,NP，,YZ曲線稱(chēng)為基本性能曲線。213水泵理論工況點(diǎn)的確定水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程。這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。因此水泵工況點(diǎn)的確定和水泵工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)15。1管路水力損失及性能曲線管路水力損失分沿程損失和局部損失兩種，JYSH（220）沿程損失表達(dá)式為2LQHY（221）式中V管路沿程摩擦損失系數(shù)L管路長(zhǎng)度，包括進(jìn)出水管總長(zhǎng)，如進(jìn)出水管管徑不同時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算其沿程損失。局部損失之和的表達(dá)式22QGAVHJJJ（222）222SLJS（223）當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水頭就等于上下水位差即實(shí)際揚(yáng)程加上管路損夫。SXH（224）22水泵工況的調(diào)節(jié)在選擇和使用水泵的實(shí)踐中，常常會(huì)出現(xiàn)確定的工作點(diǎn)偏離水泵設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，以至引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，這就必須采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來(lái)移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。這種方法叫做水泵工況的調(diào)節(jié)。現(xiàn)將常用的幾種調(diào)節(jié)方法分述如下。1車(chē)削調(diào)節(jié)沿外徑車(chē)小離心泵的葉輪，可以改變水泵的性能曲線，從而擴(kuò)大水泵的使用范圍，這種方法稱(chēng)為車(chē)削調(diào)節(jié)。離心泵葉輪車(chē)削不能超出某一范圍，否則原來(lái)的構(gòu)造被破壞，使葉片末端變粗，使葉輪和泵殼之間間隙過(guò)大，增加回流損失，以致水利效率降低。因而使用單位一般不采用這種調(diào)節(jié)方法來(lái)改變水泵工作點(diǎn)。2變角調(diào)節(jié)通過(guò)改變?nèi)~片安裝角，使水泵性能曲線改變的方法成為水泵工況的變角調(diào)節(jié)，它適用于葉片安放角可以改變的軸流泵及混流泵，并不適合離心泵，因此這里不作詳述。3節(jié)流調(diào)節(jié)對(duì)于出水管路中裝有閘閥的水泵裝置來(lái)說(shuō)，當(dāng)把閘閥關(guān)小時(shí)，由于在管路中增加了一個(gè)局部阻力，則管路性能曲線變陡，于是，其工作點(diǎn)就沿著水泵的HQ曲線朝著流量減小的方向移動(dòng)。閘閥關(guān)得越小，附加阻力越大，流量就變得越小。這種通過(guò)關(guān)小閘閥來(lái)改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱(chēng)為節(jié)流調(diào)節(jié)。23變頻調(diào)速恒壓供水能耗機(jī)理分析231水泵工況的調(diào)節(jié)過(guò)程交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速N與電源頻率F具有的關(guān)系如下160SPF（227）式中，極對(duì)數(shù)S轉(zhuǎn)差率因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率F來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速NO改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過(guò)VVVF降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)?N降低到2N。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速N，可使供水泵流量Q,揚(yáng)程H和軸功率N以相應(yīng)規(guī)律改變171212/NQ228H22931212/N229從上述比例律公式中消去N就得到式225及226式2KQH是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱(chēng)為相似工況拋物線。第3章可編程控制器PLC31PLC的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域311可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面1、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。PLC中配備了易于接受和掌握的梯形圖語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相當(dāng)接近，只用PLC的20多條開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以實(shí)現(xiàn)繼電器的功能。2、硬件配套齊全，用戶使用方便。PLC配有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。PLC的安裝接線也很方便，PLC一般用接線端子連接外部接線。3、通用性強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)。由于PLC的系列化和模塊化，硬件配置相當(dāng)靈活，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。硬件配置確定后，可以通過(guò)修改用戶程序，方便快速的適應(yīng)工藝條件的變化。4、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。PLC用軟件取代了繼電器系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障的大量觸電和接線。除此之外，PLC還采取了一系列抗干擾提高可靠性的措施。5、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少?，F(xiàn)代可編程序控制器在控制領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，并得到廣泛的應(yīng)用，過(guò)去許多采用微型算計(jì)機(jī)、單板/單片計(jì)算機(jī)和集散控制系統(tǒng)的場(chǎng)合己逐漸被可編程序控制器及其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所取代，這是和PLC自身的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。312可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較PLC與繼電器均可用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。PLC的梯形圖與繼電器的電路圖對(duì)邏輯關(guān)系的表達(dá)方式相同，它們所用的很多電路元件符號(hào)相似，梯形圖中的有的編程元件也稱(chēng)為繼電器，如輸入繼電器、輸出繼電器等。1、工作原理繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的，而PLC的控制功能主要是用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的5。2、功能PLC采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。繼電器控制也可實(shí)現(xiàn)順序控制，但其功能有限。3、可靠性、可維護(hù)性與靈活性繼電器系統(tǒng)的可靠性差，復(fù)雜的繼電器系統(tǒng)，其故障診斷與排除比較困難，繼電器系統(tǒng)的控制功能被固定在系統(tǒng)線路中，功能單一，不易修改，靈活性較差。PLC控制系統(tǒng)的功能是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可靠性高，故障率極低，并且很容易診斷和排除故障，PLC控制系統(tǒng)的柔性很強(qiáng)，僅需修改梯形圖就可改變其控制功能。313PLC的一般結(jié)構(gòu)圖31PLC的一般結(jié)構(gòu)用可編程控制器實(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)變換予以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實(shí)現(xiàn)可以說(shuō)是PLC實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，而輸入輸出變換實(shí)際上就是信息處理。物理實(shí)現(xiàn)要求PLC的輸入應(yīng)當(dāng)排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求I/O系統(tǒng)電路專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。根據(jù)PLC實(shí)施控制的基本點(diǎn)的分析，PLC采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是CPU,RAM,ROM和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成10，11。如圖31所示。1、中央處理機(jī)中央處理機(jī)是PLC的大腦，它由中央處理器CPU組成。中央處理器CPU一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出I/O接口電路相連接。2、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，用來(lái)存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。系統(tǒng)程序是用來(lái)控制和完成PLC各種功能的程序，這些程序是由PLC制造廠家用相應(yīng)CPU的指令系統(tǒng)編寫(xiě)的，并固化到ROM中。用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放由編程器或計(jì)算機(jī)輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和工藝要求編寫(xiě)的控制程序，可以通過(guò)編程器或計(jì)算機(jī)修改或增刪。3、輸入接口電路現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路一般有光電禍合電路和微電腦輸入接口電路組成。1光藕合電路由于輸入和輸出端是靠光信號(hào)禍合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號(hào)不會(huì)反饋到輸入端，也不會(huì)產(chǎn)生地線干擾或其它串?dāng)_。同時(shí)，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于PLC在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入環(huán)節(jié)采用了光電禍合，因而增強(qiáng)了抗干擾能力。2微電腦輸入接口電路它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一個(gè)芯片上。現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)通過(guò)光電禍合送到數(shù)據(jù)寄存器，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線送給CPU。4、輸出接口電路一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。微電腦輸出接口電路一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成而成。CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號(hào)放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。功率放大電路是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號(hào)加以放大。PLC一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。除了上面介紹的幾個(gè)主要部件外，PLC還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及A/DD/A串行通信模塊等，可以方便地用電纜進(jìn)行連接。314PLC基本工作原理PLC雖然具有微機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式或I/O掃描方式，有鍵按下或I/O動(dòng)作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無(wú)鍵按下則繼續(xù)掃描。PLC則采用循環(huán)掃描工作方式，在PLC中，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。這個(gè)工作過(guò)程分為五個(gè)階段自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新7。其工作過(guò)程框圖如圖32所示。圖32PLC的工作過(guò)程1、每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為I/O部分、存儲(chǔ)器、CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。2,PLC檢查是否有與編程器和計(jì)算機(jī)的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，如接收編程器送來(lái)的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯(cuò)信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有與計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，也在這段時(shí)間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。3,PLC的中央處理器對(duì)各個(gè)輸入端進(jìn)行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。4、中央處理器CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對(duì)輸入和原輸出狀態(tài)這些狀態(tài)統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)進(jìn)行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。5、當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時(shí)，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。PLC經(jīng)過(guò)這五個(gè)階段的工作過(guò)程，稱(chēng)為一個(gè)掃描周期，完成一個(gè)掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過(guò)程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行，掃描周期是PLC的重要指標(biāo)之一，在不考慮第二個(gè)因素與編程器等通信時(shí)，掃描周期T見(jiàn)公式T讀入一點(diǎn)時(shí)間輸入點(diǎn)數(shù)運(yùn)算速度程序步數(shù)十輸出一點(diǎn)時(shí)間輸出點(diǎn)數(shù)十故障診斷時(shí)間顯然掃描時(shí)間主要取決于程序的長(zhǎng)短，一般每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對(duì)于工業(yè)設(shè)備通常沒(méi)什么影響。但對(duì)控制要求嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)，就應(yīng)該精確地計(jì)算響應(yīng)的時(shí)間，細(xì)心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少掃描周期造成的不良影響。PLC與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按并行方式工作的，也就是說(shuō)是按同時(shí)執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個(gè)繼電器同時(shí)動(dòng)作，而PLC是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時(shí)刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說(shuō)PLC是以串行方式工作的。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題?？傊捎醚h(huán)掃描的工作方式也是PLC區(qū)別于微機(jī)的最大特點(diǎn)，使用者應(yīng)特別注意。特別注意的是在PLC的程序中，前面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果在本次掃描過(guò)程中，影響后面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果而后面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果在本次掃描中不影響前面邏輯行的結(jié)果。315PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)步驟如下1、深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求。如控制的基本方式，需要完成的動(dòng)作動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必需的保護(hù)和連鎖等，操作方式手動(dòng)、自動(dòng)、連續(xù)、單周期和單步等。2、根據(jù)被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的功能要求和所需要的I/0信號(hào)的點(diǎn)數(shù)等，選擇合適類(lèi)型的PLC。如果需要網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，還須選擇網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的類(lèi)型。3、根據(jù)控制要求所需的用戶I/O設(shè)備，確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，并設(shè)計(jì)I/O端子的接線圖。4、對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，畫(huà)出工作循環(huán)圖表，必要時(shí)，畫(huà)出詳細(xì)的狀態(tài)流程圖表，它能清楚的表明動(dòng)作的順序和條件。5、根據(jù)工作循環(huán)圖表或動(dòng)態(tài)流程圖表設(shè)計(jì)梯形圖。如果被控對(duì)象已經(jīng)有了繼電器控制線路圖，可把線路圖變換為梯形圖。設(shè)計(jì)梯形圖是編制程序的關(guān)鍵一步，也是比較困難的一步。要設(shè)計(jì)好梯形圖，首先應(yīng)熟悉控制要求，同時(shí)還要有電器設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。6、根據(jù)梯形圖編制程序清單。7、編制技術(shù)文件。以上是一個(gè)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，可根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模、控制要求的繁簡(jiǎn)、控制程序步序的多少，根據(jù)實(shí)際情況有的步驟可以省略。316PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是指硬件選型。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠家提供了多種系列、功能各異的PLC產(chǎn)品。PLC品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、I/O點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算速度、指令系統(tǒng)、編程方法和價(jià)格等各有不同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對(duì)提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)著重要作用。32PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)321PLC程序設(shè)計(jì)的常用方法在工程中，對(duì)PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)有多種方法，這些方法的使用，也因各個(gè)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和喜好有較大差異?，F(xiàn)將常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)要進(jìn)行介紹。1、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在PLC發(fā)展的初期，沿用了設(shè)計(jì)繼電器電路圖的方法來(lái)設(shè)計(jì)梯形圖。即在一些典型電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，不斷地修改和完善梯形圖。有時(shí)需要多次反復(fù)地調(diào)試和修改梯形圖，不斷地增加中間編程元件和輔助觸點(diǎn)，最后才能得到一個(gè)較為滿意的結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫試湊法。這種方法沒(méi)有普遍的規(guī)律可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果不是唯一的。設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系，所以有人把這種設(shè)計(jì)方法叫做經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較奏效的。但是，由于這種方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，特別是要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)和工業(yè)上常用的各種典型環(huán)節(jié)比較熟悉。對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)法一般設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，不易掌握，系統(tǒng)交付使用后，維護(hù)困難。所以，經(jīng)驗(yàn)法一般只適合于較簡(jiǎn)單的或與某些典型系統(tǒng)相類(lèi)似的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2、邏輯設(shè)計(jì)法邏輯設(shè)計(jì)方法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計(jì)方法進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)。該方法使用邏輯表達(dá)式描述實(shí)際問(wèn)題。在得出邏輯表達(dá)式后根據(jù)邏輯表達(dá)畫(huà)梯形圖，或者直接用邏輯表達(dá)式寫(xiě)助記符程序。該方法在純粹的條件控制系統(tǒng)中，非常好用。因?yàn)榧兇獾臈l件控制系統(tǒng)相當(dāng)于組合邏輯電路，邏輯表達(dá)式書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)單。但是在和時(shí)間有關(guān)的控制系統(tǒng)中，就顯得復(fù)雜。因?yàn)?，這時(shí)的控制問(wèn)題就相當(dāng)于順序邏輯問(wèn)題，不僅要考慮條件，還要考慮時(shí)間。用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用程序的一般步驟如下（1）列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表；（2）繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；（3）進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)；（4）編寫(xiě)程序；3、時(shí)序圖設(shè)計(jì)法如果PLC各輸出信號(hào)的狀態(tài)變化有一定的時(shí)間順序，可用時(shí)序圖法設(shè)計(jì)程序。因?yàn)樵诋?huà)出各輸出信號(hào)的時(shí)序圖后，容易理順各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻和轉(zhuǎn)換的條件，從而建立清晰的設(shè)計(jì)思路。時(shí)序圖設(shè)計(jì)法歸納如下（1）把時(shí)序圖劃分成若干個(gè)時(shí)間區(qū)段，確定各區(qū)段的時(shí)間長(zhǎng)短。找出區(qū)段間的分界點(diǎn)，弄清分界點(diǎn)處各輸出信號(hào)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系和轉(zhuǎn)換條件。（2）根據(jù)時(shí)間區(qū)段的個(gè)數(shù)確定需要的定時(shí)器數(shù)量，分配定時(shí)器號(hào)，確定各定時(shí)器的設(shè)定值，明確各定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)和定時(shí)時(shí)間到這兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)各輸出信號(hào)狀態(tài)的影響。（3）明確各I/O信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，畫(huà)出各I/O信號(hào)的工作時(shí)序圖。（4）根據(jù)定時(shí)器的功能明細(xì)表、時(shí)序圖和I/O分配畫(huà)出梯形圖。4、順序控制設(shè)計(jì)法所謂順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個(gè)輸入信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間的順序，在生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)地有秩序地進(jìn)行操作。順序控制設(shè)計(jì)法又稱(chēng)步進(jìn)控制設(shè)計(jì)法。對(duì)那些按動(dòng)作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法編程。順序控制設(shè)計(jì)法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編出的程序偏長(zhǎng)，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性強(qiáng)。在用順序控制設(shè)計(jì)法編程時(shí)，功能表圖是很重要的工具。功能表圖能清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。用順序控制設(shè)計(jì)法編程的基本步驟是（1）分析控制要求。將控制過(guò)程分成若干個(gè)工作步，明確每個(gè)工作步的功能，弄清步的轉(zhuǎn)換是單向進(jìn)行單序列還是多向進(jìn)行選擇或并行序列的，確定步的轉(zhuǎn)換條件可能是多個(gè)信號(hào)的“與”、“或”等邏輯組合，必要時(shí)可畫(huà)一個(gè)工作流程圖。（2）為每個(gè)步設(shè)定控制位?？刂莆蛔詈檬褂猛粋€(gè)內(nèi)存單元的若干連續(xù)位。若用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸出作為轉(zhuǎn)換條件，則應(yīng)確定各定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的編號(hào)和設(shè)定值。（3）確定所需輸入和輸出點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)。確定所需輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選擇PLC機(jī)型，做出I/O分析。（4）在前兩步的基礎(chǔ)上畫(huà)出功能表圖、畫(huà)梯形圖。（5）添加某些特殊要求的程序。順序控制設(shè)計(jì)法有一定的規(guī)律可循，所編寫(xiě)的程序易讀、易檢查、易修改，是常用的設(shè)計(jì)方法之一。使用順序控制設(shè)計(jì)法的關(guān)鍵有三條一是理順動(dòng)作順序，明確各步的轉(zhuǎn)換條件二是準(zhǔn)確地畫(huà)出功能表圖三是根據(jù)功能表圖正確地畫(huà)出相應(yīng)的梯形圖，最后再根據(jù)某些特殊功能要求，添加部分控制程序。322PLC程序設(shè)計(jì)步驟根據(jù)PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝要求，在軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)的基礎(chǔ)上，用相應(yīng)的編程語(yǔ)言指令，編制實(shí)際應(yīng)用程序并形成程序說(shuō)明書(shū)的過(guò)程就是程序設(shè)計(jì)。1、程序設(shè)計(jì)步驟PLC程序設(shè)計(jì)一般分為以下幾個(gè)步驟1程序設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作；2程序框圖設(shè)計(jì)；3編寫(xiě)程序；4程序測(cè)試；5程序調(diào)試；6編寫(xiě)程序說(shuō)明書(shū)。2、程序設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作1了解系統(tǒng)概況，形成整體概念這一步的工作主要是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)了解控制系統(tǒng)的全部功能、控制規(guī)模、控制方式、輸入/輸出信號(hào)種類(lèi)和數(shù)量、是否有特殊功能接口、與其他設(shè)備的關(guān)系、通信內(nèi)容與方式等。2熟悉被控對(duì)象、編制出高質(zhì)量的程序這一步的工作是通過(guò)熟悉生產(chǎn)工藝說(shuō)明書(shū)和軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)來(lái)進(jìn)行的。可把控制對(duì)象和控制功能分類(lèi)，按響應(yīng)要求、信號(hào)用途或控制區(qū)域劃分，確定檢測(cè)設(shè)備和控制設(shè)備的物理位置，深入細(xì)致地了解每一個(gè)檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的形式、功能、規(guī)模，以及其間的關(guān)系和預(yù)見(jiàn)以后可能出現(xiàn)的問(wèn)題，使程序有的放矢。3充分利用手頭的硬件和軟件工具例如，硬件工具有編程器、GPC圖形編程器、FIT工廠智能終端。編程軟件有西門(mén)子STEP7，LSS，CPT，CXPROGRAMMER等。利用計(jì)算機(jī)編程，可以大大提高編程的效率和質(zhì)量。3、程序框圖設(shè)計(jì)這步的主要工作是根據(jù)軟件設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)的總體要求和控制系統(tǒng)具體情況，確定應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、按程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖，然后再根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細(xì)功能框圖。如果有人己經(jīng)做過(guò)這步工作，最好借鑒一下。有的系統(tǒng)的應(yīng)用軟件已經(jīng)模塊化，那就要對(duì)相應(yīng)程序模塊進(jìn)行定義，規(guī)定其功能，確定各模塊之間連接關(guān)系，然后再繪制出各模塊內(nèi)部的詳細(xì)框圖?？驁D是編程的主要依據(jù)，要盡可能詳細(xì)。如果框圖是別人設(shè)計(jì)的，一定要設(shè)法弄清楚其設(shè)計(jì)思想和方法。這步完成之后，就會(huì)對(duì)全部控制程序的功能實(shí)現(xiàn)有一個(gè)整體概念。4、編寫(xiě)程序編寫(xiě)程序就是根據(jù)設(shè)計(jì)出的框圖逐條地編寫(xiě)控制程序，這是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的核心部分。如果有編程支持軟件如STEP7,SSS,CPT等，應(yīng)盡量使用。梯形圖語(yǔ)言是最普遍使用的編程語(yǔ)言，再來(lái)編寫(xiě)用戶應(yīng)用程序。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，可以借鑒現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)程序，但必須弄懂這些程序段，否則將會(huì)給后續(xù)工作帶來(lái)困難和損失。另外，編寫(xiě)程序過(guò)程中要及時(shí)地對(duì)編出的程序進(jìn)行注釋?zhuān)悦馔浧溟g相互關(guān)系，要隨編隨注。注釋要包括程序的功能、邏輯關(guān)系說(shuō)明、設(shè)計(jì)思想、信號(hào)的來(lái)源和去向，以便閱讀和調(diào)試。5、程序測(cè)試程序測(cè)試是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，它可以初步檢查程序的實(shí)際效果。程序測(cè)試和程序編寫(xiě)是分不開(kāi)的，程序的許多功能是在測(cè)試中修改和完善的。測(cè)試時(shí)先從各功能單元入手，設(shè)定輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)的變化情況，必要時(shí)可以借用某些儀器、儀表。各功能單元測(cè)試完成后，再貫通全部程序，測(cè)試各部分的接口情況，趕到滿意為止。程序測(cè)試可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。如果是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行程序測(cè)試，那就要將可編程序控制器系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)隔離，可以使用暫停輸入/輸出服務(wù)指令，也可以切斷輸入/輸出模板的外部電源，以免引起不必要的、甚至可能造成事故的機(jī)械設(shè)備動(dòng)作。6、程序調(diào)試程序調(diào)試與程序測(cè)試不同，它是在成功地進(jìn)行了程序測(cè)試之后才開(kāi)始的工作。軟件測(cè)試試的目的是盡可能多地發(fā)現(xiàn)軟件中的錯(cuò)誤，軟件調(diào)試的任務(wù)是進(jìn)一步診斷和改正軟件中的錯(cuò)誤。第4章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)41系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)及工作過(guò)程以上通過(guò)對(duì)變頻器幾PLC的介紹我們可以根據(jù)課題的需要來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。411系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)可編程控制器PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本控制策略是采用變頻調(diào)速的水泵與PLC，構(gòu)成控制系統(tǒng)，根據(jù)水壓的高低自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。本系統(tǒng)為某高層設(shè)計(jì)的用1臺(tái)變頻器控制2臺(tái)水泵，即“一拖二”配置方案，圖41也是該供水系統(tǒng)組態(tài)模擬的基礎(chǔ)。圖41變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)組成412系統(tǒng)控制方案研究變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有PLC、變頻器、壓力控制器、壓力傳感器、流量檢測(cè)器、動(dòng)力控制線路以及2臺(tái)水泵等組成。用戶通過(guò)控制柜而板上的按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，也可通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)這套變頻供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)的各設(shè)備分別采用西門(mén)子S7200可編程控制器PLC，三菱FRF54022KCH變頻器U,YTZ150差動(dòng)變壓器式遠(yuǎn)傳壓力表SP,PXW5T3F8V壓力控制器RP。通用繼電器JT18（KA4KA6），中間繼電器J214（KA1KA3），接出器GMC25（K0K4），熱繼電器GHT22（1220A）（2個(gè)）。通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器SP，把出口壓力信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入RP,經(jīng)與給定壓力參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算比較和PID調(diào)節(jié)，RP的C2,C3端輸出模擬控制電流420MA給變頻器的4,5端，山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)1臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)PLC控制加泵。根據(jù)用水量的大小由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。開(kāi)泵時(shí)，1號(hào)泵變頻啟動(dòng)，該泵轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始隨頻率上升。同時(shí)，壓力控制器接收到壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)比較、調(diào)節(jié)輸出420MA電流給變頻器作為變頻器的控制信號(hào)。若變頻器頻率達(dá)到50HZ，而壓力仍小于設(shè)定值，延時(shí)一段時(shí)間后,1號(hào)泵由變頻切換成工頻，變頻器頻率由50HZ下降至OHZ,2號(hào)泵變頻啟動(dòng)，其轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始隨頻率上升。當(dāng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，1號(hào)泵停機(jī)，2號(hào)泵繼續(xù)變頻運(yùn)行。當(dāng)壓力再次小于設(shè)定值時(shí)，2號(hào)泵由變頻切換成工頻，變頻器頻率下降至0HZ，延時(shí)一段時(shí)間后，1號(hào)泵變頻啟動(dòng)。這樣循環(huán)下去，2臺(tái)泵輪流變頻工作來(lái)完成供水，既可以延長(zhǎng)水泵的使用壽命，又不會(huì)發(fā)生其中一個(gè)泵因經(jīng)常不用而銹死的情況。在PLC程序設(shè)計(jì)中，必須認(rèn)真考慮這切換過(guò)程，才能保證系統(tǒng)在一個(gè)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)正常切換與運(yùn)行。機(jī)組工作過(guò)程流程圖42如下圖42流程圖42控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)421主電路設(shè)計(jì)在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器連接2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)都通過(guò)兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，每臺(tái)電機(jī)只通過(guò)一個(gè)接觸器與變頻輸出電源連接。同時(shí)熱繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱保護(hù)。變頻器主電路電源輸入端子R,S,T與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子U，V,W經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子U，V,W的任意兩相。特別是對(duì)于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無(wú)法成功。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子FWDREV來(lái)操作，不得以主電路的通斷來(lái)進(jìn)行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)的DC電抗器，變頻器的P，P端子是連接DC電抗器之用。圖43為變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖圖43變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路422控制電路設(shè)計(jì)在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問(wèn)題。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，所有控制電機(jī)，都是按照PLC的程序邏輯來(lái)完成的。為了保護(hù)PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過(guò)中間繼電器去控制電機(jī)的動(dòng)作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù)系統(tǒng)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問(wèn)題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)分組的組內(nèi)自動(dòng)循環(huán)，所以電路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。組內(nèi)互鎖是指同一組中電動(dòng)機(jī)的互鎖，組間互鎖是指不同機(jī)組之間電動(dòng)機(jī)的互鎖。在實(shí)現(xiàn)組內(nèi)互鎖的時(shí)候，嚴(yán)禁出現(xiàn)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)接在工頻電源和變頻電源的情況，同時(shí)要求變頻器始終只與一臺(tái)電動(dòng)機(jī)相連。所以在一臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻工作的時(shí)候，要自動(dòng)切斷另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻控制電路?？刂齐娐分羞€必須考慮系統(tǒng)電機(jī)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門(mén)的工作狀態(tài)。423PLC配置S7200型PLC的特點(diǎn)由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC選用德國(guó)SIEMENS公司的S7200型。S7200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性能/價(jià)格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)20。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)PLC可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。PLC和上位機(jī)的通信PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口PPI協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，通信傳輸速率為96KBAUD或19