PLC和變頻器相結(jié)合的水塔水位控制方式畢設(shè)正文

1、 . . . 緒 論一、課題的背景與研究的目的和意義現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展為自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了日新月異的變化。在工業(yè)、國(guó)防、科研等諸多應(yīng)用領(lǐng)域里，自動(dòng)控制系統(tǒng)正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。一般住宅或大樓頂樓通常設(shè)置水塔儲(chǔ)存有一定的水量以提供充足的水壓供用戶使用，另外配備有地下水槽儲(chǔ)存自來(lái)水公司提供的水源，地下水槽中的水作為頂樓水塔的供水源頭。由于自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，控制理論在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了顯著的應(yīng)用。由于當(dāng)前可編程控制器PLC和變頻技術(shù)已日趨成熟，因而利用PLC和變頻器進(jìn)行水塔水位的控制，它可以避免人工操作或者機(jī)械裝置進(jìn)行水塔水位控制出現(xiàn)的

2、各種問(wèn)題。PLC和變頻器相結(jié)合的水塔水位控制方式與過(guò)去的人工或機(jī)械裝置水塔水位控制方式相比，其運(yùn)行方式的經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，而且還具有顯著的節(jié)能高效的特點(diǎn)。通過(guò)PLC和變頻器結(jié)合的水塔水位控制系統(tǒng)具有不可替代的應(yīng)用價(jià)值。構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)核心的可編程控制器是在繼電器控制的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的以微處理器為核心，集微電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為一體，以工業(yè)自動(dòng)化控制為目標(biāo)的新型控制裝置，它具有功能強(qiáng)、可靠性高、操作靈活、編程簡(jiǎn)單適合于工業(yè)環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前可編程控制器已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為各行業(yè)通用的

3、控制核心產(chǎn)品，在工業(yè)控制領(lǐng)域中PLC控制技術(shù)將成為世界潮流。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，構(gòu)成電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓，固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。在感應(yīng)電機(jī)的諸多調(diào)速方法中，變頻調(diào)速的性能最好，調(diào)速圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，效率高。采用變頻器構(gòu)成變頻電源進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速己得到廣泛應(yīng)用，所以本文采用變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。PLC和變頻器都是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)控制產(chǎn)品，將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，用PLC來(lái)控制變頻器，是當(dāng)代工業(yè)控制中經(jīng)常使用的裝置，本設(shè)計(jì)用PLC的模擬量輸出模塊來(lái)控制變頻器。它具有高效、節(jié)能和高品質(zhì)等供水優(yōu)點(diǎn)

4、。本設(shè)計(jì)介紹了PLC和變頻器在水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在水塔水位控制系統(tǒng)中利用變頻器和PLC相結(jié)合使用的方式，在節(jié)能、恒水位控制等方面均有顯著的效果。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要工作本課題是以大樓頂樓的水箱為控制對(duì)象，采用PLC和變頻器相結(jié)合的控制方式，主要通過(guò)研究PLC來(lái)控制變頻器實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制。PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒水位供水系統(tǒng)主要有可編程控制器、變頻器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，PLC根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩３炙坏暮愣?。根?jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。全部工作為：硬件設(shè)備選

5、型，估算所需I/O點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖，I/O連接圖，分配I/O點(diǎn)數(shù)，列出I/O分配表，使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改，最后用西門(mén)子WinCC flexible設(shè)計(jì)人機(jī)界面。第一章 可編程控制器與其變頻器可編程控制器（PLC）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器邏輯控制相結(jié)合的一種新型控制器，它以微處理器為核心，是用做數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。近幾年來(lái)，在國(guó)已得到迅速推廣普與。PLC正改變著工廠自動(dòng)控制的面貌，對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)改造、發(fā)展新型工業(yè)具有重大的實(shí)際意義。美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)PLC的定義如下：可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱PLC (Programmable logic

6、Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC與其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。1.1 PLC的發(fā)展歷程與趨勢(shì)1.1.1 PLC的發(fā)展歷程世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件與計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，這一

7、階段PLC主要用于簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算與定時(shí)、計(jì)數(shù)運(yùn)算，控制功能比較簡(jiǎn)單。該階段的產(chǎn)品稱為可編程序邏輯控制器。20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、比較以與模擬量運(yùn)算等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算與處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。此時(shí)的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀(jì)70年代末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)

8、算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能與極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代中期，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、功能不斷完善，大中型PLC多配CRT屏幕顯示功能，產(chǎn)品的擴(kuò)展也因通信功能的改善而變的簡(jiǎn)單，此外還采用了標(biāo)準(zhǔn)的軟件系統(tǒng)，增加了高級(jí)編程語(yǔ)言等。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入開(kāi)放階段。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制

9、能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。1.1.2 PLC的發(fā)展方向PLC未來(lái)的發(fā)展將向兩個(gè)方向發(fā)展。1、 大型化方向PLC的CPU從早期的1位逐漸的發(fā)展到64位，晶振頻率已達(dá)到幾百兆赫茲，從單向CPU到多向CPU的并行處理發(fā)展，提高了處理能力和響應(yīng)速度與模塊化程度，存儲(chǔ)器的容量也成倍增加。由于硬件性能的提高，使CPU向大型化方向發(fā)展提供了硬件保障。2、 小型化方向?yàn)榱藵M足不同工業(yè)環(huán)境下的控制要求，各PLC生產(chǎn)廠家研制出了小型化高性能的整體式

10、PLC。在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)。同時(shí)PLC制造廠家也開(kāi)發(fā)了多種類型的高性能模塊，當(dāng)輸入輸出點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，可以根據(jù)控制需要采用靈活的組合方式進(jìn)行工作。1.2 PLC的特點(diǎn)與基本結(jié)構(gòu)與類型1.2.1 PLC的特點(diǎn)1、 應(yīng)用簡(jiǎn)便（1）應(yīng)用靈活、安裝簡(jiǎn)便標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)與模塊化的軟件設(shè)計(jì)，使PLC不僅適應(yīng)大小不同、功能復(fù)雜的控制要求，而且適應(yīng)工藝流程變化較多的場(chǎng)合，安裝和現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單。從硬件連接方面講PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不高，在接線和配置方面都極其方便。（2）編程簡(jiǎn)單PLC采用電氣操作人員習(xí)慣的梯形圖編程，直觀明了。在程序開(kāi)發(fā)方面速度快，修改和調(diào)試都很方便。PLC編

11、程的重點(diǎn)是控制思想而非設(shè)計(jì)程序。（3）操作方面，維修容易已經(jīng)編好的PLC程序直觀清晰，有一定PLC基礎(chǔ)知識(shí)的人員可以很好的讀懂，在操作方面相當(dāng)簡(jiǎn)單。另外PLC的自診斷功能可使運(yùn)行維護(hù)人員與時(shí)準(zhǔn)確的了解故障原因以便于與時(shí)的維修。2、 可靠性高PLC具有較高的可靠性，主要原因是在硬件和軟件方面都采取了嚴(yán)格的措施。在硬件方面選用優(yōu)質(zhì)的原材料和器件，采取嚴(yán)格的制造工藝。在軟件方面，為了避免程序出錯(cuò)導(dǎo)致的重大事故，在運(yùn)行中的每次掃描都對(duì)程序進(jìn)行檢查，如果發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行有錯(cuò)則立即中止運(yùn)行并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。3、 抗電磁干擾性能好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)PLC是直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的控制產(chǎn)品，在特殊的工業(yè)環(huán)境下（如溫度高，濕

12、度大，強(qiáng)烈震蕩中）不需要采取其他措施就可以保證正常的工作。4、 功能完善PLC基本功能包含邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換等，擴(kuò)展功能具有A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、PID控制、高速計(jì)數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制等。完善的功能使它的控制水平大大提高。5、 成熟的工控網(wǎng)絡(luò)體系，通信便捷，易于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展，近年來(lái)工控網(wǎng)絡(luò)通信使得PLC網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，目前基本的網(wǎng)絡(luò)形式為設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、控制層網(wǎng)絡(luò)和信息層網(wǎng)絡(luò)的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1.2.2 PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡一樣，但其結(jié)構(gòu)則小異，通常由主機(jī)、輸入/輸出接口、電源、編程器擴(kuò)展器接口

13、和外部設(shè)備接口等幾個(gè)主要部分組成（如圖1-1）。1.主機(jī)主機(jī)部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。CPU一般是由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路集成在一塊芯片上。CPU通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)器單元、輸入/輸出接口電路連接。系統(tǒng)程序是用來(lái)控制和完成PLC各種功能的程序，由PLC制造廠家用CPU的指令系統(tǒng)編寫(xiě)固化在ROM中。用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放編程設(shè)備輸入的用戶程序。2輸入/輸出接口（I/O）I/O接口是PLC與被控設(shè)備連接的部件?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輸入給PLC各種控制信號(hào)通過(guò)輸入接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU能夠接受和處理的信號(hào)，輸出接口電路將CPU送

14、出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場(chǎng)需要的強(qiáng)電信號(hào)輸出，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。3電源 電源部件將交流電源轉(zhuǎn)換為提供給CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等部電子電路工作所需要的直流電源，它的好壞直接關(guān)系到PLC功能的可靠性。目前大部分PLC采用開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，用鋰電池作停電時(shí)的備用電源。圖1-1 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)4編程器編程器是PLC的一種主要的外部設(shè)備編程器。PLC的編程方式分為兩種，一種是手持編程器，用戶可用以輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。另一種是利用上位計(jì)算機(jī)中的專業(yè)編程軟件，它主要用于編寫(xiě)較大型的程序。5輸入

15、/輸出擴(kuò)展單元I/O擴(kuò)展接口用于連接擴(kuò)充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴(kuò)展單元與基本單元（即主機(jī)）。6外部設(shè)備接口此接口可將編程器、打印機(jī)、等外部設(shè)備與主機(jī)相聯(lián)，以完成相應(yīng)的操作。1.2.3 PLC的類型PLC的種類很多，其實(shí)現(xiàn)的功能、存容量、控制規(guī)模、外型等方面均存在較大的差異。因此，PLC的分類沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而是按照結(jié)構(gòu)形式、I/O點(diǎn)數(shù)、實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行大致的分類。1）按結(jié)構(gòu)形式分類PLC按照硬件的結(jié)構(gòu)形式可以分為整體式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)：整體式結(jié)構(gòu)的PLC把CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出、外部設(shè)備接口和電源等集中安裝在同一機(jī)體，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、價(jià)格低等優(yōu)

16、點(diǎn)；輸入輸出路數(shù)固定，實(shí)現(xiàn)的功能和控制規(guī)模固定，靈活性較低，適用于單體設(shè)備的開(kāi)關(guān)量自動(dòng)控制和機(jī)電一體化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)應(yīng)用場(chǎng)合。模塊式結(jié)構(gòu)：模塊式結(jié)構(gòu)的PLC把CPU和I/O模塊等做成各自相對(duì)獨(dú)立的模塊，然后組裝在一個(gè)帶有電源單元的母板上，或者采用無(wú)母板的相互插接方式連接。模塊式PLC的特點(diǎn)是I/O點(diǎn)數(shù)多、模塊組合靈活、便于擴(kuò)展，可構(gòu)成具有不同控制規(guī)模和功能的PLC，適用于復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合。2）按I/O點(diǎn)數(shù)分類 超小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般小于64點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量I/O信號(hào)為主，功能以邏輯運(yùn)算為主，并有定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。結(jié)構(gòu)緊湊，為整體式結(jié)構(gòu)。用戶程序容量在2561K字。小型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般為

17、65128點(diǎn)，開(kāi)關(guān)量I/O信號(hào)為主，控制功能簡(jiǎn)單，用戶程序儲(chǔ)存器容量一般為1K4K，結(jié)構(gòu)形式為整體式。中型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般為129512點(diǎn)，兼有開(kāi)關(guān)量和模擬量的I/O信號(hào)，控制功能較豐富，用戶程序儲(chǔ)存器容量為3.6K13K，多數(shù)采用模塊式結(jié)構(gòu)。大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般為1000點(diǎn)以上，控制功能完善，用戶程序儲(chǔ)存器容量一般為13K以上，采用模塊式結(jié)構(gòu)。超大型PLC：I/O點(diǎn)數(shù)一般為896點(diǎn)以上，用戶程序儲(chǔ)存器容量一般為13K以上，采用模塊式結(jié)構(gòu)，支持CPU單元。3）按實(shí)現(xiàn)的功能分類低檔機(jī)：具有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、移位自診斷監(jiān)控等功能，還具有一定的算術(shù)、數(shù)據(jù)傳送和比較、通訊、遠(yuǎn)程和模擬量

18、處理功能。中檔機(jī)：除具有低檔機(jī)的功能外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程、通訊、子程序、中斷處理和回路控制功能。高檔機(jī)：除具有中檔機(jī)的功能外，還具有帶符號(hào)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算。函數(shù)、表格、CRT顯示、打印機(jī)打印等功能。1.3 PLC的基本工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀

19、態(tài)的刷新等工作。PLC工作時(shí)將采集到的輸入信號(hào)狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上，將運(yùn)算的結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對(duì)應(yīng)的位上。PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需輸入繼電器和輸出繼電器的數(shù)據(jù)取自I/O映像區(qū)，而不是直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。當(dāng)處于停止工作模式時(shí)，PLC只進(jìn)行部處理和通信服務(wù)等容。當(dāng)處于運(yùn)行工作模式時(shí)，PLC要進(jìn)行部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序處理、輸出處理，然后按上述過(guò)程循環(huán)掃描工作，PLC工作流程如圖1-2所示。圖1-2 可編程控制器的工作流程PLC在工作中不僅執(zhí)行用戶程序，而且在每次的循環(huán)過(guò)程中，PLC還要完成部的處理、通信服務(wù)等工作。PLC運(yùn)行時(shí)，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段：部處理、通信服務(wù)、

20、輸入處理、程序處理和輸出處理。PLC的這種周期性的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。1）部處理階段在部處理階段，PLC檢測(cè)CPU部的硬件是否正常，將檢測(cè)定時(shí)器復(fù)位，以與其他部工作。2）通信服務(wù)階段PLC同其他設(shè)備間通信，響應(yīng)編程器輸入的命令。更新編程器顯示的容。如果此時(shí)的PLC處于工作狀態(tài)則還要完成以下的三個(gè)階段的操作容。3）輸入處理階段輸入處理又被稱作為采樣，在PLC的存儲(chǔ)器中，專門(mén)設(shè)置了一片區(qū)間用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)。在此階段，PLC順序讀入所有端子的通斷狀態(tài)，并且把讀入的信息存在輸入映像區(qū)，輸入映像區(qū)的狀態(tài)被刷新。然后進(jìn)入是程序處理階段，處理程序時(shí)輸入映像區(qū)隔離，在下一個(gè)掃描周期的

21、輸入處理階段輸入信號(hào)才能被讀入。4）程序處理階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描先左后右、先上后下的原則，逐句掃描和執(zhí)行。如果遇到跳轉(zhuǎn)指令則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件在執(zhí)行程序跳轉(zhuǎn)位置。當(dāng)程序涉與到輸入/輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中讀取上一階段輸入處理時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入繼電器狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀取對(duì)應(yīng)輸出繼電器狀態(tài)，根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存入有關(guān)元件寄存器中。5）輸出處理階段CPU將輸出映像區(qū)中的每位狀態(tài)傳送到輸出鎖存器，梯形圖中輸出繼電器線圈接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像區(qū)中位的狀態(tài)為ON。信號(hào)經(jīng)輸出單元隔離和功率放大后，繼電器型輸出單元中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器線圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，外部負(fù)載開(kāi)始工作。如果

22、梯形圖中輸出繼電器線圈斷開(kāi)，對(duì)的輸出映像區(qū)中的位為OFF狀態(tài)，在輸出處理階段之后，繼電器輸出單元中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器線圈斷電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷開(kāi)?？删幊绦蚩刂破鲗?duì)用戶程序進(jìn)行串行循環(huán)掃描的工作分為三個(gè)階段：輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，如圖1-3所示。圖1-3 循環(huán)掃描工作原理1.4 PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.4.1 PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則隨著PLC的控制功能不斷提高和完善，它在工業(yè)控制領(lǐng)域中的控制作用越來(lái)越大。PLC對(duì)工業(yè)環(huán)境的要求不高，特別是在較差和復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下還可以高效可靠的運(yùn)行，PLC幾乎可以完成所有的工業(yè)控制。在設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)時(shí)一般要遵循一定的原則。1）滿足控制

23、要求。最大限度地滿足被控對(duì)象的工藝要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)首要前提。2）安全可靠?？刂葡到y(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中是否安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。3）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。在滿足控制要求的前提下，要注意降低系統(tǒng)成本，使得PLC控制系統(tǒng)達(dá)到簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、合理。4）適應(yīng)發(fā)展。要考慮到功能的擴(kuò)充，適當(dāng)留有冗余量。1.4.2 PLC的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試流程圖如圖1-4所示。圖1-4 PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試流程圖1）熟悉被控對(duì)象的工藝過(guò)程，分析控制要求。2）確定I/O設(shè)備。3）PLC的硬件系統(tǒng)配置。4）分配I/O點(diǎn)。5）設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序。6）初步調(diào)試程序。7）聯(lián)機(jī)調(diào)試。8）編寫(xiě)技術(shù)文件。1.5 變

24、頻器變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過(guò)流/過(guò)壓/過(guò)載保護(hù)等功能。1.5.1 異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流互相作用產(chǎn)生的力矩。如果磁場(chǎng)以轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生切割磁力線，產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子電流，通電的轉(zhuǎn)子繞組相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁力。電磁力使轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向一樣。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差：轉(zhuǎn)差與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率：同步轉(zhuǎn)速由決定，

25、式中為輸入電流的頻率；為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。因此可以得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1.5.2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速由于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為，所以它的調(diào)速方法有以下三種：1）改變磁極對(duì)數(shù)，稱為變極調(diào)速變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、機(jī)械特性較硬、效率高、既適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速又適用于恒功率調(diào)速。缺點(diǎn)是次調(diào)速方法為有極調(diào)速，并且極數(shù)有限，只用于不需要平滑調(diào)速的場(chǎng)合。2）改變轉(zhuǎn)差率,稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速以改變轉(zhuǎn)差率為目的的調(diào)速方法有：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)機(jī)械特性較硬，調(diào)速圍較寬，缺點(diǎn)是低速時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因數(shù)低，電流大，效率低。調(diào)壓調(diào)速既非恒功率

26、調(diào)速也非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，比較適合用于風(fēng)機(jī)、泵類特性負(fù)載。轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和線路簡(jiǎn)單，投資不高，但其機(jī)械特性較軟，調(diào)速圍受到一定限制，低速時(shí)轉(zhuǎn)差功率損耗較大，效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，能平滑調(diào)速，采用閉環(huán)控制后可擴(kuò)大調(diào)速圍，常常用在通風(fēng)類或恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，其缺點(diǎn)是低速時(shí)損耗大效率低。3）改變頻率，稱為變頻調(diào)速當(dāng)極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)的改變供電頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或者是恒功率調(diào)速。1.5.3 變頻器的分類

27、變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并且構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換成為可以調(diào)節(jié)的電壓和可調(diào)頻率的交流電的變換器。是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。1）按變頻器主電路結(jié)構(gòu)形式分類按變頻器主電路的結(jié)構(gòu)形式可分為交直交變頻器和交交變頻器。交直交變頻器首先通過(guò)整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電。再由逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值均可變的交流電。交交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過(guò)直流環(huán)節(jié)。2）按變頻電源的性質(zhì)分類按變頻電源的性質(zhì)可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。對(duì)于交直交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什

28、么樣的濾波器。電壓型變頻器在電路中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，故而施加在負(fù)載上的電壓值基本不受負(fù)載的影響而保持恒定，類似電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。電流型變頻器與電壓型變頻器的不同之處在于電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。3）按VVVF調(diào)制技術(shù)分類變壓：Variable Voltage，簡(jiǎn)稱為VV。變頻：Variable Frequency，簡(jiǎn)稱為VF。交直交變頻器按VVVF調(diào)制技術(shù)可分為PAW和PWM兩種方式。PAW是把VV和VF分開(kāi)完成的，稱

29、為脈沖幅值調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱為PAW方式。PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來(lái)完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制方式，簡(jiǎn)稱為PWM方式。1.5.4 變壓變頻協(xié)調(diào)控制進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。1）基頻以下調(diào)速在一定調(diào)速圍維持磁通恒定，在一樣的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機(jī)的電流恒定，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，這就是恒轉(zhuǎn)矩控制，電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定控制能在一定調(diào)速圍近似維持磁通恒定，因此恒定控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。恒定控制是異步電動(dòng)機(jī)

30、變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，并使之二者之比為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。恒定控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。2）基頻以上調(diào)速當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電動(dòng)機(jī)的電壓已經(jīng)達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電動(dòng)機(jī)的絕緣。為此，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加扔維持電動(dòng)機(jī)電壓不變。這樣，電動(dòng)機(jī)所能輸出的功率由電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上

31、增加，但電壓卻不能超過(guò)額定電壓，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。1.5.5 變頻器的作用變頻調(diào)速能夠應(yīng)用在大部分的電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的提升、下降和變速運(yùn)動(dòng)。變頻應(yīng)用還可以大提高工藝的高效性，同時(shí)可以比原來(lái)的定速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)更加地節(jié)能。變頻器主要有以下作用：1） 控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。2） 降低電力線路的電壓波動(dòng)。3） 啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低。4） 可控的加速功能。5） 可調(diào)的運(yùn)行速度。6） 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限。7） 受控的停止方式。8） 節(jié)能。9） 可逆運(yùn)行控制。10）減少機(jī)械傳動(dòng)部件。第二章 基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 項(xiàng)目控制要求本系統(tǒng)

32、一般應(yīng)用在住宅或大樓頂樓設(shè)置的水塔或水箱。用戶用水量不穩(wěn)定，有時(shí)用水量多有時(shí)用水量少，但是水塔必須提供充足的水壓供用戶使用。水塔的進(jìn)水可由水泵泵入，另備有地下水槽儲(chǔ)存自來(lái)水公司提供的水源并給頂樓水塔供水使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)水塔中水位進(jìn)行恒液位控制。本系統(tǒng)可用一個(gè)模型來(lái)模擬水塔水位的恒液位控制。水箱的高度為200cm，水箱中的液位高度可在0200cm圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。如設(shè)定水箱水位值為100cm，則不論水箱的出水量如何，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，都要求水箱水位都能保持在100cm的位置，如出水量少，則要控制進(jìn)水量少，相反如果出水量大則要求控制進(jìn)水量也大，水箱示意圖如圖2-1所示。水塔水位控制系統(tǒng)主要由可編程控

33、制器、變頻器、壓力變送器與水泵等組成。圖2-1 水箱水位控制示意圖2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)基本工作原理:因?yàn)橐何桓叨扰c水箱底部的水壓成正比，所以可以用一個(gè)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)水箱底部的壓力，從而可以確定水箱液位的高度。要控制水位恒定，需要用PID算法對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。把壓力傳感器檢測(cè)到的水位信號(hào)420mA送入至PLC中，在PLC中對(duì)設(shè)定值與檢測(cè)值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果輸出至變頻器，變頻器去調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量的多少來(lái)保持水箱水位的恒定。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下的原則： 蓄水池容量應(yīng)大于最大用水量； 水泵揚(yáng)程應(yīng)大于水箱最高點(diǎn)的高度；這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可

34、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的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變PLC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液位控制場(chǎng)合。2.3 控制系統(tǒng)的元件選型2.3.1 PLC與其模塊選型S7-200 PLC是小型模塊式的PLC，整機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)從1040點(diǎn)，在小型自動(dòng)化設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。S7-200 PLC在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了充分的應(yīng)用，它可以

35、用于開(kāi)關(guān)量控制，如邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序等功能?？捎糜谀M量控制，具有PID控制功能，可實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，也可以用于運(yùn)動(dòng)控制，具有發(fā)送高速脈沖功能。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU224，其開(kāi)關(guān)量輸出為10點(diǎn)，輸出形式為DC24V輸出；開(kāi)關(guān)量輸入CPU224為14點(diǎn)，輸入形式為DC24V輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個(gè)模擬輸入(AIW)，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)

36、字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。表2-1 控制系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出I0.0啟動(dòng)SB1Q0.0控制水泵運(yùn)行I0.1停止SB2M0、V0、I0PLC控制變頻信號(hào)RA、A+、A-壓力變送器信號(hào)本系統(tǒng)中PLC選用S7-200 CPU224，為了能接受壓力傳感器的模擬量信號(hào)和調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，特選擇一塊EM235的模擬量輸入輸出模塊。2.3.2 變頻器選型為了能調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)進(jìn)水量，選擇西門(mén)子G110的變頻器。用于基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的

37、高性價(jià)比變頻器西門(mén)子G110變頻器是一種使用靈活、結(jié)構(gòu)小巧、價(jià)位適中的變頻調(diào)速裝置，可用于各種速率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，功率圍可從120W-3kW不等。西門(mén)子G110 系列變頻調(diào)速裝置操作簡(jiǎn)便，加之西門(mén)子G110 變頻器與價(jià)位適中的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)相組合的系統(tǒng)所具有的良好性價(jià)比，使之成為大多數(shù)應(yīng)用對(duì)象驅(qū)動(dòng)裝置的首選。G110變頻器總共有10個(gè)控制端子，端子編號(hào)分別為110。1、2號(hào)端子為一數(shù)字輸出信號(hào)，可用來(lái)輸出某開(kāi)關(guān)信號(hào)；35號(hào)端子為數(shù)字量輸入信號(hào)，各端子都可往變頻器輸入一開(kāi)關(guān)信號(hào)；6號(hào)端子為輸出24V電源正極；7號(hào)端子為輸出0V（電源負(fù)極）；810號(hào)端子的功能按控制方式來(lái)確定，在模擬控制方式下，8號(hào)端子為

38、輸出+10V，9號(hào)端子為模擬量輸入信號(hào)，變頻器按此信號(hào)大小決定輸出頻率；10號(hào)端子為0V。2.3.3 觸摸屏選型為了能對(duì)水位值進(jìn)行設(shè)定并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，特選擇用西門(mén)子人機(jī)界面TP170B觸摸屏。人機(jī)界面裝置是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁，很多的工業(yè)被控對(duì)象要求控制系統(tǒng)具有人機(jī)界面功能，用來(lái)實(shí)現(xiàn)操作人員與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換。人機(jī)界面裝置用來(lái)顯示PLC的I/O狀態(tài)和各種系統(tǒng)信息，接收操作人員發(fā)出的各種命令和設(shè)置參數(shù)，并將它傳送到PLC中。觸摸面板TP170B采用5.7in、藍(lán)色或16色STN-LCD，有2個(gè)RS-232接口、1個(gè)RS-422/485接口和1個(gè)CF卡插槽，支持位

39、圖、圖標(biāo)、背景圖畫(huà)和矢量圖形對(duì)象，動(dòng)態(tài)對(duì)象有圖表、柱形圖和隱藏按鈕，有配方功能。使用Microsoft Windows CE3.0操作系統(tǒng)，用組態(tài)軟件WinCC flexible來(lái)組態(tài)。2.3.4 壓力變送器選型一般意義上的壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、測(cè)量電路和過(guò)程連接件三部分組成。它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如420mADC等）， 以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過(guò)程調(diào)節(jié)。將水壓這種壓力的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成420mA這樣的電子信號(hào)，壓力和電壓或電流的大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。所以，變送器輸出的電壓

40、或電流隨壓力增大而增大，由此得出一個(gè)壓力和電壓或電流的關(guān)系。CYYB-120系列壓力變送器為兩線制420mA電流信號(hào)輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償與非線性修正、V/I變換等處理，對(duì)供電電壓要求寬松，具有420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。一對(duì)導(dǎo)線同時(shí)用于電源供電與信號(hào)傳輸，輸出信號(hào)與環(huán)路導(dǎo)線電阻無(wú)關(guān)，抗干擾性強(qiáng)、便于電纜鋪設(shè)與遠(yuǎn)距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。2.3.5 水泵選型水泵選用凌波1ZDB-65自吸旋渦清水泵。泵體材料為鑄鐵，該泵采用優(yōu)質(zhì)機(jī)械材料密封。產(chǎn)品具有運(yùn)行平穩(wěn)、性能可靠

41、、全揚(yáng)程運(yùn)行、經(jīng)久耐用的優(yōu)點(diǎn)；該泵的特點(diǎn)是小流量、高揚(yáng)程、體積小、容易安裝。適用圍：1、輸送清水，液體溫度45。2、家庭主管增壓供水、高層建筑增壓。3、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水。工作條件：1、輸送介質(zhì)溫度：常溫型 +5+45。2、最高環(huán)境溫度：+50。3、最大吸程：8米。4、三相 380V/50Hz。表2-2 1ZDB-65自吸旋渦清水泵參數(shù)表型號(hào)最大流量(L/min)最大流量(m3/h)最大揚(yáng)程(m)最大吸程(m)功率(KW)口徑(mm)重量(KG)1ZDB-65583.56580.7525122.4 EM235 模塊2.4.1 EM235的端子與接線SIEMENS S7-200模擬量擴(kuò)展模塊EM

42、235含有4路輸入和1路輸出，為12位數(shù)據(jù)格式，它的端子與其接線圖如圖2-2所示。圖2-2 EM235端子接線圖其中RA、A+、A-為第一路模擬量輸入通道的端子，RB、B+、B-為第二路模擬量輸入通道的端子，RC、C+、C-為第三路模擬量輸入通道的端子，RD、D+、D-為第四路模擬量輸入通道的端子。M0、V0、I0為模擬量輸出端子，電壓輸出大小為-10+10V，電流輸出大小為020mA。L+、M接EM235的工作電流。2.4.2 EM235的技術(shù)規(guī)表2-3 EM235技術(shù)規(guī)表模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)4輸入圍電壓（單極性）信號(hào)類型：010V、05V、01V、0500mV、 0100 mV、05

43、0 mV電壓（雙極性）信號(hào)類型：±10V、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±250mV、±100mV、±50mV、±25mV電流信號(hào)類型：020mA數(shù)據(jù)字格式雙極性全量程圍-32000+32000單極性全量程圍032000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)圍電壓輸出±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+32000電流032000分辨率電流電壓12 位電流11 位2.4.3 DIP設(shè)定開(kāi)關(guān)EM235有6個(gè)DIP設(shè)定開(kāi)關(guān)。通過(guò)設(shè)定開(kāi)關(guān)，可選擇輸入信號(hào)

44、的滿量程和分辨率，所有的輸入信號(hào)設(shè)置成一樣的模擬量輸入圍和格式，如下表2-4所示。表2-4 DIP開(kāi)關(guān)設(shè)定表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON05012.5OFFONOFFONOFFON010025ONOFFOFFOFFONON0500125OFFONOFFOFFONON01250ONOFFOFFOFFOFFON051.25ONOFFOFFOFFOFFON0205OFFONOFFOFFOFFON0102.5雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF±2512.5OFFONOFFONO

45、FFOFF±5025OFFOFFONONOFFOFF±10050ONOFFOFFOFFONOFF±250125OFFONOFFOFFONOFF±500250OFFOFFONOFFONOFF±1500ONOFFOFFOFFOFFOFF±2.51.25OFFONOFFOFFOFFOFF±52.5OFFOFFONOFFOFFOFF±105如本系統(tǒng)中壓力傳感器輸出420mA的信號(hào)至EM235，該信號(hào)為單極性信號(hào)，DIP開(kāi)關(guān)應(yīng)該設(shè)置為：ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON。第三章 基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.

46、1 PLC的I/O分配與其硬件連接圖3.1.1 PLC的I/O分配PLC的I/O分配如下：?jiǎn)?dòng)按鈕為I0.0；停止按鈕為I0.1；Q0.0為控制水泵電機(jī)運(yùn)行。3.1.2 硬件連接圖PLC與壓力傳感器、變頻器的硬件連接電路如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)硬件連接圖3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置西門(mén)子G110變頻器參數(shù)設(shè)置如表3-1所示。表3-1 G110變頻器參數(shù)設(shè)參數(shù)號(hào)參數(shù)名稱設(shè)定值說(shuō)明P0304電機(jī)額定電壓380VP0305電機(jī)額定電流1.99單位：AP0306電機(jī)額定功率0.75單位：kWP0310電機(jī)額定頻率50單位：HzP0311電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000單位：r/minP0700選擇命令信號(hào)源2由端

47、子排輸入P1000選擇頻率設(shè)定值2模擬設(shè)定值P1080最小頻率5單位：Hz3.3 PID控制3.3.1 PID算法在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中，模擬量PID（由比例、積分、微分構(gòu)成的閉合回路）調(diào)節(jié)是常用到的一種控制方法。運(yùn)行PID控制命令，S7-200將根據(jù)參數(shù)表中的輸入測(cè)量值、控制設(shè)定值與PID參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，求得輸出控制值。參數(shù)表中有9個(gè)參數(shù)，全部為32位的實(shí)數(shù)，共占用36個(gè)字節(jié)。PID控制回路的參數(shù)表如表3-2所示。表3-2 PID控制回路的參數(shù)表地址偏移量參數(shù)數(shù)據(jù)格式參數(shù)類型說(shuō)明0過(guò)程變量當(dāng)前值雙字，實(shí)數(shù)輸入必須在0.01.0圍4給定值雙字，實(shí)數(shù)輸入必須在0.01.0圍8輸出值雙字，實(shí)數(shù)

48、輸出在0.01.0圍12增益雙字，實(shí)數(shù)輸入比例常量，可為正數(shù)或者負(fù)數(shù)16采樣時(shí)間雙字，實(shí)數(shù)輸入以秒為單位，必須為正數(shù)20積分時(shí)間雙字，實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)24微分時(shí)間雙字，實(shí)數(shù)輸入以分鐘為單位，必須為正數(shù)28上一次的積分值雙字，實(shí)數(shù)輸出0.0和1.0之間，根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果更新32上一次過(guò)程變量雙字，實(shí)數(shù)輸出最近一次PID運(yùn)算值典型的PID算法包括三項(xiàng)：比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)。即：輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)。計(jì)算機(jī)在周期性地采樣并離散化后進(jìn)行PID運(yùn)算，算法如下： 比例項(xiàng)：能與時(shí)地產(chǎn)生與偏差成正比的調(diào)節(jié)作用，比例系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度越快，但過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)的輸出

49、量震蕩加劇，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。積分項(xiàng)：與偏差有關(guān)，只要偏差不為0的情況下，PID控制的輸出就會(huì)因積分作用而不斷變化，直到偏差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以積分的作用是消除系統(tǒng)誤差，提高控制精度，但積分的動(dòng)作緩慢，給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定帶來(lái)不良影響，很少單獨(dú)使用積分環(huán)節(jié)。從式子中可以看出：積分時(shí)間常數(shù)增大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分項(xiàng)：根據(jù)誤差變化的速度（即誤差的微分）進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有超前和預(yù)測(cè)的特點(diǎn)。微分時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，超調(diào)量減少，動(dòng)態(tài)性能得到改善，如果過(guò)大，系統(tǒng)輸出量在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)可能上升緩慢。3.3.2 PID控制回路選項(xiàng)在很多控制系統(tǒng)中，有時(shí)不是三種控制回路都選擇使用而是只采用其中的

50、一種或兩種控制回路。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)值選擇所需的控制回路。（1）如果不需要積分回路，則應(yīng)將積分時(shí)間設(shè)為無(wú)限大。由于積分項(xiàng)的初始值，雖然沒(méi)有積分運(yùn)算，積分項(xiàng)的數(shù)值也可能不為零。（2）如果不需要微分運(yùn)算，則應(yīng)將微分時(shí)間設(shè)定為0.0。（3）如果不需要比例運(yùn)算，但需要I或者ID控制，則應(yīng)將增益值指定為0.0。因?yàn)槭怯?jì)算積分和微分項(xiàng)公式中的系數(shù)，將循環(huán)增益設(shè)為0.0會(huì)導(dǎo)致在積分和微分項(xiàng)計(jì)算中使用的循環(huán)增益值為1.0。3.3.3 水塔水位PID控制回路參數(shù)表在PID參數(shù)整定方法中，最基本和最簡(jiǎn)單的方法為湊試法。對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。首先只整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的

51、系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)已滿意系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)也由此確定。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)先置積分時(shí)間常數(shù)為一較大值，并將經(jīng)上一步整定得到的比例系數(shù)縮小為原值的0.8倍，然后減少積分時(shí)間常數(shù)，使在保持系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。經(jīng)過(guò)反復(fù)改變比例系數(shù)與積分時(shí)間常數(shù)，以期得到滿意的控制過(guò)程。上述方法如果還不能保證有滿意的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程，則加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間為零。在第二步的基礎(chǔ)上增大微分時(shí)間，同時(shí)相應(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，逐步湊試，以

52、獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。依據(jù)PID控制器參數(shù)的工程整定方法，各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可參照下表3-3所示。表3-3 PID控制器參數(shù)工程整定表控制系統(tǒng)參數(shù)圍溫度=2060%=180600s=3180s壓力=3070%=24180s液位=2080%=60300s流量=40100%=660s供水箱的控制要求見(jiàn)2.1系統(tǒng)控制任務(wù)。PID回路參數(shù)表設(shè)定根據(jù)PID控制器參數(shù)工程整定方法與表3-3的數(shù)據(jù)估算本系統(tǒng)的PID參數(shù)如表3-4所示。表3-4 PID控制回路的參數(shù)表地址參數(shù)數(shù)值VB200過(guò)程變量當(dāng)前值水位檢測(cè)計(jì)提供的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值VB204給定值0.5VB208輸出值

53、PID回路的輸出值（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值）VB212增益2.0VB216采樣時(shí)間0.2VB220積分時(shí)間3VB224微分時(shí)間0（關(guān)閉微分環(huán)節(jié)）VB228上一次的積分值根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果更新VB232上一次過(guò)程變量最近一次PID的變量值3.3.4 水塔水位PID控制框圖和系統(tǒng)流程圖圖3-2 系統(tǒng)PID控制框圖圖3-3 水位控制系統(tǒng)流程圖3.3.5 水塔水位控制回路程序編寫(xiě)分析PID調(diào)節(jié)與I/O分配。模擬量輸入：AIW0：模擬量輸出：AQW0。表3-5 編寫(xiě)符號(hào)表序號(hào)符號(hào)地址說(shuō)明1設(shè)定值VD204圍為01實(shí)數(shù)2回路增益VD2123采樣時(shí)間VD2164積分時(shí)間VD2205微分時(shí)間VD2246控制輸出VD208

54、圍為01實(shí)數(shù)7檢測(cè)值VD200圍為01實(shí)數(shù)8啟動(dòng)I0.09停止I0.110觸摸屏液位設(shè)定VD100圍為0200實(shí)數(shù)11觸摸屏顯示液位值VD110圍為0200實(shí)數(shù)第四章基于PLC的水塔水位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 STEP7-Micro/Win軟件的使用STEP7-Micro/Win軟件是S7-200的編程軟件，可以在全漢化的界面下進(jìn)行操作。4.1.1 軟件界面介紹雙擊PC桌面上的STEP7-Micro/Win軟件，即可打開(kāi)軟件界面。圖4-1 打開(kāi)編程軟件軟件窗口畫(huà)面如上圖4-1所示，包括標(biāo)題欄、菜單欄、瀏覽條、指令樹(shù)、輸出窗口、狀態(tài)條、局部變量表和程序編輯區(qū)等。（1）瀏覽條。提供按鈕控制的快速窗口切換功能。可用“檢視”菜單的“瀏覽欄”項(xiàng)選擇是否打開(kāi)。引導(dǎo)條包括程序塊（Program Block）、符號(hào)表（Symbol Table）、狀態(tài)圖表（Status Chart）、數(shù)據(jù)塊（Data Block）、系統(tǒng)塊（System Block）、交叉索引（Cross Reference）和通