電氣控制與PLC課程設計

1、電氣工程學院課程設計任務書課程名稱： 電氣控制與PLC課程設計 基層教學單位：電氣工程及自動化系 指導教師： 郭忠南等學號學生姓名（專業(yè)）班級09應電2 班設計題目基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設計設計技術參數(shù)采用PLC構成恒壓供水電氣控制系統(tǒng)?？刂埔蟛殚喯嚓P文獻。設計要求1) 根據(jù)控制要求，進行電氣控制系統(tǒng)硬件電路設計，包括PLC硬件配置電路。2) 根據(jù)控制要求，編制PLC控制程序3) 按要求編寫設計說明書并繪制A1幅面圖紙一張。參考資料1、PLC電氣控制技術 漆漢宏主編 機械工業(yè)出版社 20082、圖書館各類期刊文獻相關數(shù)據(jù)庫3、相關電氣設計手冊周次第一周第二周應完成內(nèi)容完成全部方案設計：周一

2、、二：查、閱相關參考資料周二至周五：方案設計周六、日：設計方案完善周一、二：完成設計說明書周三、四：繪制A1設計圖紙周五：答辯考核指導教師簽字基層教學單位主任簽字摘 要隨著城市人口和城鎮(zhèn)建設規(guī)模的不斷擴大，人們的生活水平越來越高，人們對城市集中供水的規(guī)模、質(zhì)量、安全性及穩(wěn)定性等也提出了越來越高的要求；再加上目前能源緊缺，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)成為必然的趨勢。本文分析變頻恒壓供水的原理以及系統(tǒng)的組成結構。在比較各種供水方案后，采用了變頻器和PLC實現(xiàn)恒壓供水。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)、水池、智能PID調(diào)

3、節(jié)器、壓力變感器、PLC控制單元等部分組成。文中說明了系統(tǒng)組成、工作原理和控制要求，詳細介紹了PID特點和控制原理，PLC的選型，壓力傳感器的選擇，對變頻器做了簡要介紹。繪制了電氣控制系統(tǒng)圖，包括主電路圖和PLC硬件接線圖。設計了初始化程序，中斷程序以及主程序流程圖，并對系統(tǒng)的程序設計做了簡要說明，用GX軟件進行了編程和仿真。最后在附錄中給出了梯形圖的程序。關鍵字 變頻調(diào)速 恒壓供水 PID PLC目 錄一.系統(tǒng)的組成、結構及控制要求41.1 系統(tǒng)的結構及原理.41.2 系統(tǒng)的控制要求51.3 PID的控制原理及特點5二系統(tǒng)的硬件選型與設計62.1 變頻器62.2 FX2N系列可編程控制器的基

4、本組成72.3 系統(tǒng)的模擬量輸入輸出模塊72.4 壓力傳感器TPT5037三控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配8四恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)114.1 主電路圖114.2 系統(tǒng)的控制電路及PLC外部系統(tǒng)接線圖12五恒壓供水系統(tǒng)的程序設計135.1 初始化子程序.13.5.2 定時中斷子程序145.3 系統(tǒng)主程序155.4 對系統(tǒng)程序的一些說明175.5 程序中使用的編程組件及含義185.6恒壓供水系統(tǒng)器件目錄簡表19六總結與致謝20附錄.PLC梯形圖程序.20參考文獻30一 系統(tǒng)的原理、結構及控制要求1.1 系統(tǒng)的結構及原理本設計為以三臺泵組構成的生活/消防或者其他緊急狀態(tài)下的雙恒壓無塔供水泵站控制

5、系統(tǒng)的實例。此供水泵站為雙恒壓供水系統(tǒng)，系統(tǒng)的構成示意圖如圖所示。如圖所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器來控制YV1，自動把水池注滿。當水位低于高水位，則自動往水池注水。水池的高低水位信號傳送至PLC，當水位低于水位下限值時，會發(fā)出低水位報警。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水低恒壓值）下進行；當有火災發(fā)生時，電磁閥YV2得電，關閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵共消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高

6、恒壓值）下進行?；馂慕Y束后三臺泵再改為生活供水使用1.2 系統(tǒng)的主要控制要求對三臺泵用于生活/消防供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時，系統(tǒng)低恒壓運行，消防供水時系統(tǒng)高恒壓運行。（2）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺泵，即系統(tǒng)具有倒泵功能，避免某一臺泵工作時間過長。（3）三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取先開先停的原則接入和退出。（4）要有完善的報警功能。（5）三臺泵在啟動時都要有軟啟動功能。1.3 PID 的控制原理及特點在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而

7、成為工業(yè)控制的主要技術之一。當我們不能完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。1 比例（P）控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。2 積分（I）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。 積分項會隨著時間的增加而

8、增大，推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差減小，直到等于零。因此，比例積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。3微分（D）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。具有比例微分的控制器，能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，因此比例微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性?，F(xiàn)在很多中小型PLC都提供PID

9、控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令，它實際上是用于PID控制的子程序，與ADDA模塊一起使用，可以得到過程控制模塊的效果。FX2N的PID功能指令說明如圖所示。 二 系統(tǒng)的硬件選型與設計在本系統(tǒng)中，水壓的恒定是對水泵電動機進行變頻調(diào)速和改變水泵的運行臺數(shù)實現(xiàn)的。壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的壓力，輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，并相應的輸出大小適當?shù)目刂菩盘枺摽刂菩盘柾ㄟ^D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號送給變頻器，對水泵電動機進行變頻調(diào)速，達到控制管網(wǎng)恒壓的目的。如果電動機轉(zhuǎn)速無法進一步改變，則通過改變水泵的運行臺數(shù)來穩(wěn)

10、定壓力。2.1 變頻器簡要介紹變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速關系，對于異步電動機，其轉(zhuǎn)速為：改變電源頻率時，電動機的同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨之變化，如果電源頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，則電動機的轉(zhuǎn)速就可以連續(xù)，平滑的調(diào)節(jié)。根據(jù)設計要求，選用通用變頻器。U、V、W輸出端并聯(lián)三個接觸器分別接M1、M2、M3泵電機，變頻器可分別驅(qū)動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這6個接觸器線包連接到PLC的輸出點上，由PLC控制其工頻、變頻切換工作。2.2 FX2N系列可編程控制器的基本組成PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，三菱公司是日本生產(chǎn)PLC的主要廠家之一。先后推出的小型、

11、超小型PLC有F、F1、FX1、FX2、FX2C、FX2N等系列。其中F系列已經(jīng)停產(chǎn)，取而代之的是FX2系列機型，屬于高性能疊裝式機型，是三菱公司的典型產(chǎn)品。FX2N系列PLC的主機稱為基本單元，包括CPU,存儲器，輸入輸出端口以及電源，是PLC的主要部分。FX2N系列是FX家族中高功能型的子系列，經(jīng)過擴展適當?shù)奶厥夤δ苣K并使用PID指令，完全可以滿足對中等規(guī)模恒壓供水系統(tǒng)死循環(huán)模擬量的控制要求。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模和對I/O點數(shù)的要求，系統(tǒng)的控制器選擇FX2n32MR(16點開關量輸入，16點開關量輸出)。即繼電器輸出型，PLC自身配有24V直流電源，外接負載時考慮其供電容量。PLC接地端采

12、用第三種接地方式，提高抗干擾能力。2.3 系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出模塊模擬量輸入模塊FX2N-4AD 該模塊有四個輸入通道，其分辨率為12位。可選擇電流或電壓輸入，如果是電流輸入，應將端子V+和I+連接?？蛇x為模擬值范圍為-10V10VDC或420mA。FX2N-4AD模塊占用八個I/O點。模擬量輸出模塊FX2n2DA 該模塊用于將12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成2點模擬量輸出。輸出的形式可以是電壓，也可以是電流。電壓輸出時，兩個模擬輸出通道的輸出信號為010VDC，05VDC;電流輸出時為420mADC。FX2n2DA模塊需要占用8個I/O點。2.4 壓力傳感器 TPT503壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號

13、輸出的傳感器，通常又把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。它一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。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(zhuǎn)換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變記轉(zhuǎn)換為壓力成一定關系的電信號。TPT503壓力傳感器采用全不銹鋼封焊結構，具有良好的防潮能力及較好的介質(zhì)兼容性。TPT503壓力傳感的主要性能指針如下：量程：01-450MP；綜合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；輸出型式：420mA/05V/15V/010V;工作溫度：-1080-150；供電電壓：9；長期穩(wěn)定性：./年;負載阻抗:電流型最大800A，電壓型50KV以上。

14、綜上所述，本系統(tǒng)設計采用三菱FX2N-32MR，模擬量輸入模塊選用FX2N-4AD，模擬量輸出模塊選用FX2n2DA，變頻器選用通用變頻器，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，壓力傳感器選用TPT503.三 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配根據(jù)系統(tǒng)圖及控制要求，統(tǒng)計需要輸入輸出的信號名稱、個數(shù)、代碼、地址編號，做表如下。水位上下限信號分別為X001和X002。在達到信號指示值時為0，未達到指示值時為1。輸入輸出點代碼及地址編號名稱代碼地址編號輸入信號手動和自動消防信號SA1X000水池水位下限信號SL-LX001水池水位下限信號SL-HX002變頻器報警信號SUX003消鈴按鈕SB9X004試燈按鈕SB10X005

15、壓力傳感器模擬量值Up模擬量輸入模塊1信道輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1,HL1Y0001#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2,HL2Y0012#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3,HL3Y0022#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4,HL4Y0033#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5,HL5Y0043#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6,HL6Y005生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Y010水池水位下限報警指示燈HL7Y011變頻器故障報警指示燈HL8Y012火災報警指示燈HL9Y013報警電鈴HAY014變頻器頻率復位控制KAY015控制變頻器頻率用電壓信號Vf模擬量輸出模塊電壓信道從以上分析可知

16、，系統(tǒng)開關量輸入點數(shù)為6，開關量輸出點數(shù)為12，模擬量輸入輸出點數(shù)都是1，因此選用三菱FX2N-32MR一臺，加上模擬量輸入模塊FX2N-4AD以及模擬量輸入模塊FX2n2DA可以滿足系統(tǒng)配置要求。四 恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)原理圖包括主電路圖、PLC系統(tǒng)的控制電路及PLC外部系統(tǒng)接線圖4.1 主電路圖在主電路中，M1M3分別為1號3號水泵的電動機，控制三臺電動機M1、M2、M3的交流接觸器為KM1、KM3、 KM5和 KM2、 KM4、 KM6.前者控制1號3號水泵的電動機在工頻下運行，而后者則控制1號3號水泵的電動機在變頻下運行。FR1、FR2 、FR3分別為三臺水泵的

17、電動機熱繼電器。QS1、QS2 、QS3、QS4分別為電機主電路和變頻器的隔離開關。FU1為主電路的熔斷器，UF為變頻器。首先由M1在變頻器UF控制下工作，當用水量增大時，M1已經(jīng)達到額定頻率而水壓不足時，經(jīng)過短暫的延時后，將M1切換至工頻工作。同時，UF輸出頻率迅速降為0；然后是M2投入變頻運行。當2號水泵也達到額定頻率而水壓不足時，又使M2切換為工頻運行，使M3投入變頻運行。相反，當用水量減少時，則一號水泵先退出，完成一次加減泵的循環(huán)。在補泵時，因水泵電動機功率較大，不能直接啟動，應該將原變頻泵切換至工頻運行，而用變頻器對所補的水泵電動機進行軟啟動，并控制其變頻運行。 4.2 系統(tǒng)的控制電

18、路及PLC外部系統(tǒng)接線圖五 恒壓供水系統(tǒng)的程序設計整個程序主要分為三大部分，即初始化子程序、中斷程序及主程序。5.1 初始化子程序系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。初始化子程序的流程圖如圖所示。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結束時用，其目的是大量節(jié)省掃描時間以加快整個程序的運行效率，提高PID中斷的精確度。 通過初始化子程序，使用一系列的傳送指令，傳送用水頻率的上 下限值，再傳送與PID調(diào)節(jié)指令參數(shù)表位元址相關的數(shù)據(jù)寄存器的初始值，然后復位PID輸出值數(shù)據(jù)寄存器，最后使用寫入指令（TO）設定模擬輸入模塊FX2n4AD 工作模式。5.2 定時中斷子程序用來實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)指令測量值的

19、采樣及輸出值的控制，定時中斷程序的流程圖如圖。 定時中斷程序的作用主要是進行PID控制的相應計算，它在PLC的特殊輔助器M8000（運行常為ON）觸點的作用下執(zhí)行。通過定時中斷程序，可以傳送PID指令調(diào)節(jié)結果輸出值，并完成D/A轉(zhuǎn)換，返回主程序。5.3 系統(tǒng)主程序主程序流程圖如圖所示，主程序?qū)崿F(xiàn)的功能最多，如初始化及中斷子程序的調(diào)用，泵的切換信號，泵的工變頻運行以及報警故障處理都需要在主程序中實現(xiàn)。生活及消防的兩個恒壓值是直接設置的。本系統(tǒng)設定生活用水時系統(tǒng)為滿量程的75%，消防用水時系統(tǒng)設定值為滿量程的90%。本系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)中，只是使用了比例和積分控制。其時間參數(shù)及增益需要工程實際操作確定

20、。而且應該不斷優(yōu)化。在本說明中，暫定增益及時間常數(shù)為:Kc=0.25，采樣時間Ts=0.5s，積分時間T1=60s。5.4 對系統(tǒng)主程序的一些說明為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺泵達到頻率上限仍不能滿足系統(tǒng)要求時，需要啟動第二臺泵。甚至是第三臺泵。這一功能需要通過比較指令實現(xiàn)，即實際壓力值與給定壓力值進行比較，再確定下一步系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了去除偶然性，還需要增加延時環(huán)節(jié)，于是在程序中加入了延時程序。在本設計中，一臺泵的運行時間不允許超過三個小時，而且每一臺啟動時應該是軟啟動，避免應較大的啟動電流使電機損壞。因此在需要增泵時，首先把當前泵從變頻器切除，換至工頻運轉(zhuǎn)，同時

21、把變頻器復位，然后變頻啟動下一臺泵。關于泵的循環(huán)控制，在本設計中采用的是泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制，即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結合泵號來實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。變頻器具有短路、超載等保護功能。當變頻器所驅(qū)動的水泵電機發(fā)生短路、超載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電電路，進入保護狀態(tài)并輸出報警信號。系統(tǒng)把各故障點相應的接觸器、斷路器等組件的輔助觸點接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點的狀態(tài)，再結合控制程序和設備預置狀態(tài)進行邏輯分析，判斷設備或組件是否出了故障。如果發(fā)生故障，則切斷該泵接觸器的主觸點，然后對變頻器復位，再將備用水泵的接觸器主觸點接通，啟動變頻器運行備用泵，同時輸出

22、該泵故障報警信號，如電動機故障時指示燈亮等。5.5 程序中使用的編程組件及其含義編程組件號含義編程組件號含義D100目標值T37工頻泵增泵濾波時間控制D102測定值T38工頻泵增泵濾波時間控制D110采樣時間T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D111動作方向M10故障結束脈沖信號D112輸入濾波常數(shù)M11泵變頻啟動脈沖D113比例增益M12減泵脈沖D114積分時間M13倒泵變頻啟動脈沖D115微分增益M14復位當前變頻泵運行脈沖D116微分時間M15當前泵工頻運行啟動脈沖D150變頻運行頻率下限值M16新泵變頻啟動脈沖D160生活供水變頻運行頻率上限值M20泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D162消防供水變

23、頻運行頻率上限值M21泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D180PI調(diào)節(jié)結果存儲單元M22泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D182變頻工作泵的泵號M30故障信號匯總D184工頻運行泵的總臺數(shù)M31水池水位下限故障邏輯D190倒泵時間內(nèi)存M32水位下限故障消鈴障邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M33變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M34火災消鈴邏輯序號文字符號名稱數(shù)量規(guī)格型號備注1M1M3電動機3Y系列三相交流異步電動機2FR1FR3熱繼電器3JR16B-20/33FU熔斷器4RL1-15熔體電流210A4QS隔離開關45UF變頻器1VVVF6KM1KM6交流接觸器6DJX-9線圈電壓 AC220V

24、7HL1HL9指示燈9AD16-22AC220V8YV1YV2電磁閥2ZCT-50A線圈電壓220V9PLC可編程序控制器1FX2N-32MR繼電器輸出10SB按鈕6LAY3711HA電鈴112FX2N-4AD模擬量擴展模塊1模擬量輸入13FX2N-2DA模擬量擴張模塊1模擬量輸出六 總結與致謝該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)切泵、工變頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)啟動平穩(wěn)，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵的使用壽命，這種水處理技術未來發(fā)展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水發(fā)展方向，是

25、現(xiàn)代人們生活所要求的并且前景光明。本次課程設計歷時兩周，兩周的時間里，同學們首先通過查找相關文獻資料，了解了自己所要設計系統(tǒng)的控制要求，然后就是根據(jù)自己的設想，設計系統(tǒng)，選擇系統(tǒng)所需的硬件，計算參數(shù)。期間得到了老師的悉心指導和同學們的熱情幫助，在此表示感謝。通過兩周的課設以及我所設計的系統(tǒng)，使我初步認識到自動控制系統(tǒng)在現(xiàn)當代工農(nóng)業(yè)中的巨大運用前景。相信這次的課設會使自己的學到的理論知識深深根植于大腦， 并為我將來的發(fā)展奠定一個堅實的基礎。附錄 PLC梯形圖程序圖1 0上電初始化，調(diào)試初始化子程序；4消防生活用水壓力給定值；. 16上電和故障結束時重新激活變頻器泵號內(nèi)存圖2 21 變頻器頻率上限時，啟動增泵延時；46 符合增泵條件時，工頻泵運行數(shù)目加