基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水設(shè)計

摘要論文設(shè)計的供水系統(tǒng)由PLC、水泵，傳感器、變頻器等裝置組成。根據(jù)壓力傳感器反饋過來的信號，傳遞到變頻器，變頻器通過內(nèi)部的PID模塊作用，依照用水量的多少，改變水泵機組的轉(zhuǎn)速和水泵運行需要的數(shù)量，調(diào)節(jié)水壓，形成一個閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)。水泵的轉(zhuǎn)速與供水量和轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，而功率則以水泵轉(zhuǎn)速的三次方降低。所以變頻器的變頻調(diào)速方式比以前通過閥門控制的方式更加節(jié)能，而且增加了許多輔助功能，系統(tǒng)的可靠性也相應(yīng)的提高。論文提供了關(guān)于電機如何轉(zhuǎn)換和可能會發(fā)生的問題的分析，并且給出設(shè)計原理圖、控制方案以及PLC應(yīng)用程序設(shè)計。供水系統(tǒng)設(shè)計讓水泵機組合理使用，保護電網(wǎng)，對延長管網(wǎng)的使用壽命都具有一定的意義。關(guān)鍵詞：PLC；恒壓供水；變頻調(diào)速技術(shù)

AbstractThewatersupplysystemiscomposedofPLC,pumpunit,pressuresensorandfrequencyconverter.Accordingtothepressuresensorfeedbacksignal,passedtotheinverter,theinverterthroughinternalPIDmodule,inaccordancewiththeamountofwaterconsumption,changethespeedofthepumpunit,adjustthewaterpressure,formingaclosedloopconstantpressurewatersupplysystem.Asthepumpspeeddecreases,thewatersupplyandspeedarepositivelycorrelated,whilethepowerisreducedbythepowerofthepumpspeedtothethirdpower.Therefore,thefrequencyconversionofinverterismoreenergyefficientthanthepreviouswaythroughvalvecontrol,andmanyauxiliaryfunctionshavebeenadded,andthereliabilityofthesystemhasbeenimprovedcorrespondingly.Thepaperprovidesananalysisofhowthemotortransformsandmayoccur,andgivesthedesignschematicdiagram,controlschemeandPLCapplicationdesign.Thedesignofwatersupplysystemmakesthepumpunitreasonableuseandprotectthepowergrid,whichhascertainsignificancetoprolongtheservicelifeofpipenetwork.Keywords：plc：constantpressurewatersupply；variablefrequencyspeedcontroltechnology目錄第1章緒論 11.1研究背景和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3課題主要研究內(nèi)容 3第2章總體設(shè)計方案 42.1設(shè)計方案的選取 42.1.1工藝介紹 42.1.2調(diào)速原理 52.2泵參數(shù)確定 52.3總體設(shè)計方案 62.3.1能耗分析 62.3.2控制方案選擇 7第3章電路原理設(shè)計以及元器件選擇 73.1供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 93.1.1PLC的選取 93.1.2變頻器的選擇 123.1.3壓力傳感器 143.1.4水泵 143.1.5電機的選擇 143.1.6低壓電器的選擇 143.2電路設(shè)計 153.2.1系統(tǒng)主電路設(shè)計 163.2.2控制電路設(shè)計 15第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 194.1PID的工作原理 194.1.1PID算法 204.2PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計 214.2.1輸入口 214.2.2輸出口 224.2.3輔助觸點 224.3應(yīng)用程序設(shè)計 224.3.1程序的優(yōu)化設(shè)計 224.3.2應(yīng)用程序的設(shè)計 254.3.3故障檢測程序的設(shè)計 28結(jié)論 27致謝 28參考文獻 29第1章緒論1.1研究背景和意義水是生命之源，人們生活離不開水。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和生活水平不斷提高，人們用水量逐漸增多。因為受到季節(jié)、晝夜等因素的影響，傳統(tǒng)的供水方式已經(jīng)不能滿足人們的用水要求。人們對供水的經(jīng)濟性，靈活性，平穩(wěn)性都提出更高的要求。因為傳統(tǒng)的供水方式不能讓資源得到合理化使用。而且由于水壓的忽高忽低，對管網(wǎng)構(gòu)成了直接的傷害，更是對設(shè)施構(gòu)成了無法彌補的損失，造成資源的浪費。在國際這個大環(huán)境下，節(jié)能已經(jīng)成為這個時代的標簽。我國雖然地大物博，但是依據(jù)可持續(xù)發(fā)展的理念，我們更加需要節(jié)約能源。在我國的二三線城市，供水系統(tǒng)還不是很發(fā)達，造成人力資源的浪費。這種供水形式也要考慮以下會出現(xiàn)的問題:1、浪費電能。城市居民在不同的時間段用水量是有很大差異的。比如一日三餐的做飯時間，晚上的洗浴時間都是用水的高峰期。但大部分的其余時間居民的用水量并不多。而在這用水量不多的時間里，電機一直以用水量多的標準運轉(zhuǎn)，這極大的造成了電能的浪費。2、水資源的浪費。在大量用水的情況下，管道網(wǎng)壓力比較大，導致管道破壞，水資源流失、公廁用水等對水資源構(gòu)成重大浪費。3、用水量多時，由于管道流量的增加，也可以形成管網(wǎng)壓力不足的狀況，以致于出現(xiàn)高層用戶出現(xiàn)斷水的景象。4、形成水錘效應(yīng)，以致于管網(wǎng)毀壞較大。水錘，顧名思義就是水像錘子一樣打擊著管網(wǎng)。它出現(xiàn)的原因是閥門關(guān)閉的太快或者是突然的停電導致閥門關(guān)閉，由于水管內(nèi)部，管內(nèi)壁相對潤滑，水流在慣性的作用下，迅速到達最大，爆發(fā)水流沖擊波，對管網(wǎng)造成破壞。這也叫“正水錘”。與這個完全不一樣的現(xiàn)象是，封閉的閥門忽然開啟，爆發(fā)水流沖擊波，叫“負水錘”這也導致管網(wǎng)毀壞?？萍及l(fā)展的越來越快，供水系統(tǒng)也發(fā)生了許多的變化。變頻恒壓控制系統(tǒng)順應(yīng)節(jié)水節(jié)能的要求代替以前的供水設(shè)備。這個供水系統(tǒng)可分成三個部分：變頻、恒壓、控制。變頻：通過變頻器的頻率和內(nèi)部的PID模塊讓水泵根據(jù)用水量的變化來變頻。恒壓就是讓管網(wǎng)無論遇到什么情況，總是以恒定的壓力存在著。這里需要壓力傳感器和液位傳感器的幫助。控制就是通過PLC對變頻器的控制，來控制電機。這三部分的結(jié)合，對于節(jié)水節(jié)能的要求存在著重大意義。這個供水系統(tǒng)，非常符合當代人的價值觀。而且這也是科技發(fā)展的必須路線。因為我們的水資源越來越匱乏，所以節(jié)水，是我們?nèi)祟惐仨氁龅摹?.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我們研究的課題主要圍繞PLC和變頻調(diào)速技術(shù)兩大主題。關(guān)于變頻調(diào)速技術(shù)，第一個變頻器就是由丹麥的丹佛斯公司創(chuàng)造并且投入生產(chǎn)的。并且丹佛斯在傳動產(chǎn)品方面并且與其他供應(yīng)商并列為全球五大核心供應(yīng)商后，經(jīng)過變頻調(diào)速技術(shù)的革新和變頻恒壓供水模式具有平穩(wěn)性、比較踏實以及高自動化等優(yōu)點并且它的節(jié)能效果是大家公認的被國際所接受的，因此在國外的有許多做變頻器這一塊的敏睿的嗅到了它的前景很快的投入研究出具有恒定壓力的變頻器。變頻器內(nèi)，它的控制基板上包括PID調(diào)節(jié)器和PLC等硬件都集中在里面。PLC和PID等系統(tǒng)想要實現(xiàn)功用必須通過調(diào)整好指令代碼，把恒定壓力的供水單元與之搭配好，就可以管制許多個里面的電磁接觸器進行運作，可形成至多由七臺電機(泵)的組成的供水系統(tǒng)。這些設(shè)施即使是將電路結(jié)構(gòu)簡化了，減少經(jīng)濟的損失，但不好的是它的輸出接口功能不是很完善，整體上是缺少一種變通性。而且系統(tǒng)在動態(tài)功能，和平穩(wěn)方面都不是很足，與其他的監(jiān)控系統(tǒng)難以連接和組態(tài)軟件很難達到數(shù)據(jù)通信，以及大大的限制了負載的承載量，所以它投入使用的話，可能會有許多的限制。在中國經(jīng)歷了科技革命的發(fā)展，直流的拖動暴露出了許多的缺點。直流電機的換向器，它的維護工作太多，并且單機的承載量轉(zhuǎn)速等等，并且直流電機對工作的地點有很大的選擇性，有許多限制。于是異步電動機就在人們的迫切需求中誕生了，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，工作起來也比較平穩(wěn)，踏實。并且成本比較低，維護方面也是比較簡單的。而它的缺點是與生產(chǎn)的需要不匹配，因為它的調(diào)速功能不是很好。所以，從上上個世紀的30年代左右開始，人們開始往交流調(diào)速這個方向去研討，但是進展不是很快，可以說是非常的緩慢，在經(jīng)歷了無數(shù)的歲月過去，直流調(diào)速也依舊在電氣方面可以獨當一面的。差不多經(jīng)歷了三十年后，特別是四十年后，電子技術(shù)領(lǐng)域可以說是邁出了巨大的一步，這時候的交流調(diào)速已經(jīng)有超過直流調(diào)速的趨勢，現(xiàn)在交流調(diào)速已經(jīng)帶領(lǐng)我們走向新時代，而直流調(diào)速逐漸被淘汰了。在我國，變頻器一直和交流電動機搭配使用，用變頻器改變電機的轉(zhuǎn)速是目前最適合的調(diào)整速度方案。除了能夠改變調(diào)整速度功能之外，他還有節(jié)約能量的作用，能夠有效的提高企業(yè)的效率，讓產(chǎn)品更能跟上時代的腳步。在二十一世紀的八十年代，變頻器自從來到中國，在節(jié)能和改變速度方面是越來越離不開它，它在各個領(lǐng)悟都發(fā)揮了不可替代的作用，而且變頻技術(shù)經(jīng)過大量的研究和應(yīng)用，逐漸的得到了完善，它在這個領(lǐng)域大放異彩。變頻器發(fā)揮的功用是控制電氣傳動，無論是它的復雜程度，精讀方面和動態(tài)響應(yīng)有著很高的標準。交流調(diào)速技術(shù)如今已經(jīng)成為第一了。特別是這些年，變頻器逐漸得到完善，創(chuàng)造出以前沒有的功能，比如提升等，它與系統(tǒng)更加搭配的天衣無縫，變頻技術(shù)又達到了一個新的高度。變頻技術(shù)投入使用后系統(tǒng)不再和以前一樣，水泵以一個恒定的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)供水，而是慢慢的電機從零慢慢的逐漸的一直到達到上限值為止，而它電機的速度慢慢的提升，它對系統(tǒng)有一個緩沖的作用，這樣對電網(wǎng)構(gòu)成的傷害就會小很多，避免了電機的損壞，這大大的增加了電機的使用壽命。而且變頻技術(shù)使壓力趨于一個穩(wěn)定值，不會有太大的沖擊力，這樣也對管網(wǎng)有很大的好處，也延長管網(wǎng)的使用時間。雖然它可能會有某種程度的變化，但也不會造成太大的影響。所以這中變頻方式可能它是在某一個范圍內(nèi)使它達到優(yōu)化，倒也是局部的，并不能使它整體都達到最好的。變頻調(diào)速現(xiàn)在是全世界都在使用的，并且在近幾十年還是會繼續(xù)使用，它的效率比較高，精讀要求高，范圍也是比較廣的。如果變頻器和PLC搭配使用的話，它們具有價格低廉，維修更加簡便，靈活性也是高，比較可靠的優(yōu)點。1.3課題主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)直接用供水系統(tǒng)成為控制對象，研討基于PLC的供水系統(tǒng)的設(shè)計，使系統(tǒng)取得較好的性能功用。經(jīng)過西門子PLC控制和變頻器來調(diào)理水泵機組速度。以供水系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)工藝狀況來看，思考系統(tǒng)的可行性、安全性，設(shè)計恒壓供水管制系統(tǒng)的硬件電路。把握變頻器的運行的原理和使用措施，經(jīng)過變頻器里面的PID的設(shè)置，從而完成改動水泵機組的速度，實現(xiàn)對系統(tǒng)的高性能管制。對程序進行模擬調(diào)動，并查看運轉(zhuǎn)后果，可以更加直觀的感受。最終得到變頻恒壓供水模式的可行性和長處。

第2章供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1設(shè)計方案的選取2.1.1工藝分析供水系統(tǒng)由PLC、水泵機組(標號為1、2、3號)，壓力傳感器、變頻器等裝置組成。圖2-1控制原理流程圖由圖2-1所示，水泵機組開始轉(zhuǎn)換時，如果硬件和軟件都沒有準備的情況下，硬件首先，當1號水泵轉(zhuǎn)速從零一直不斷的上升，直到到達上限值，但是這時候水的壓力還處于下限，那么就需要我們延長一些時間，1號泵開始轉(zhuǎn)換到工頻運作，與之同一時間變頻器迅速從上限值下降到零。這時2號泵開始運作，一旦水壓還是沒有達到恒定值，那么再讓3號泵開始工作，2號泵進入工頻模式運行。如果從一開始就讓1號泵作為備用，那么就從2號泵開始運作，如果它的轉(zhuǎn)速從0開始一直到上限值，依舊沒有達到約定的水壓值，那么等一會時間，2號泵進入變頻形勢工作，并且變頻器也從上限值到達零，3號泵開始變頻。如果是1號，2號都備用的情況下，就直接讓3號泵進入變頻模式。泵的轉(zhuǎn)換大致就和上面說的差不多。還有一種情況就是水壓處于上限值時，當3個泵都在運作，3號泵工作時的頻率要迅速下降到零，如果這時候的水壓還在上限值，那么等待一些時間，讓1號泵停止運作，3號泵的頻率就要逐漸的增加，如果這種情況依舊沒有改變，那么增加一些時間，就可以讓2號泵停止工作。在這種來回轉(zhuǎn)換之間，能夠使泵開始和停止工作的次數(shù)減少，而且能夠在水壓做出變化時，變頻器可以作出反應(yīng)，讓水泵機組從工頻到變頻之間轉(zhuǎn)換，避免對管網(wǎng)造成大的損失，延長它們的壽命。在我們的設(shè)計中，如果將變頻器的參數(shù)好好設(shè)置，使水泵切換的沒有任何的沖擊力，讓水壓一直處于一個相對平衡的狀態(tài)，這樣水壓就不會出現(xiàn)忽高忽低的景象，這樣供水的效率會大大的提高，質(zhì)量也會越來越高。2.1.2調(diào)速原理異步電動機定子三相對稱繞組空間相隔120°，當通以三相對稱電流時，發(fā)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速為：(2-1)異步電動機的轉(zhuǎn)差率為：(2-2)(2-3)式中：——定子繞組電源頻率；——磁場極對數(shù)；——轉(zhuǎn)差率；——同步轉(zhuǎn)速()；——異步電動機轉(zhuǎn)速()。2.2泵參數(shù)的確定水泵參數(shù)一共有六個：流量、揚程、功率、效率、轉(zhuǎn)速和允許吸上真空高度或氣穴余量。在六個參數(shù)中：流量、揚程和轉(zhuǎn)速都是最基礎(chǔ)的參數(shù)，只需其中一個產(chǎn)生變化，其他參數(shù)都會發(fā)生相應(yīng)的改變。1、流量水泵流量表示水泵出水口流出的水量在規(guī)定時間內(nèi)，大體上有體積流量或質(zhì)量流量2、揚程代表在單位質(zhì)量下總能量經(jīng)過葉輪傳遞，可以由水泵進水口、出水口斷面上的單位總能量，的差值表示，其單位以計。3、功率水泵功率包括兩種，有效功率、軸功率。有效功率是泵內(nèi)的液體實際所獲得的凈功率()，可以依照流量和揚程來計算。(2-4)式中：——液體的比重()；——液體的流量(）；——水泵的揚程()。軸功率表示水泵在規(guī)定流量、揚程下工作時需要的外來功率，就是經(jīng)過動力機傳遞到水泵軸產(chǎn)生的功率()。軸功率大部分是傳給液體的，但是需要消耗小部分功率之后，產(chǎn)生有效功功率。(2-5)式中：——水泵效率(%)4、效率有效功率除以軸功率得出的結(jié)果是效率。(2-6)水泵效率表示水泵傳送的能量的有效度，也更加代表著損失的功率在泵里，是一個特別重要的技術(shù)經(jīng)濟指示。5、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。最后，系統(tǒng)所研究的小區(qū)要求水泵的流量范圍600m3/h,揚程是60m左右，出水口水壓大小為0.4MPa2.3總體設(shè)計方案2.3.1能耗分析水泵所規(guī)定的負荷是根據(jù)最壞的情況下產(chǎn)生的流量和相關(guān)的揚程設(shè)置的。但在實踐情況下水泵產(chǎn)生的最大流量的時間特別短。而且外面的用水量一直在發(fā)生改變，同樣發(fā)生相應(yīng)改變的還有揚程。所以水泵永遠在同一個工況點是不對的。應(yīng)該根據(jù)外界的情況來掌握。有兩種方法比較常用通過閥門和調(diào)整速度來對它控制。閥門的作用就是對管道施加阻礙，從而影響到流量的變化，但是這在很大程度上對能量造成了損失。另一種就是往電動機的轉(zhuǎn)速上下功夫來改變它的工況點。讓流量和揚程依照管內(nèi)用水量來發(fā)生改變。讓壓力處于一個恒定的狀態(tài)，并且能夠節(jié)約能量。圖2-2變頻調(diào)速節(jié)能(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)上面各式中為比例常數(shù)。變頻調(diào)節(jié)速度的設(shè)備是根據(jù)出水量的變化來調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式（2-11），1水泵的功率也和流量有關(guān)系，并且是正相關(guān)，就是流量增大時，水泵的轉(zhuǎn)速和輸出功率都會增加，與之相反的情況，就是都減小。由上面的原理圖我們可以知道：1、2、3、代表著管網(wǎng)受到阻礙時的情況。4就是當轉(zhuǎn)速到達n1的時候水泵的工作軌跡。而5就是水泵的轉(zhuǎn)速到n2時它的工作軌跡。水泵以前工作的地方是曲線3和4交叉的點，標記未A。著這時候的出水流量是，管網(wǎng)遇到的阻礙為，水泵的轉(zhuǎn)速是。當流量逐漸減小，并且一直下降到的時候，這時的管網(wǎng)工作軌跡是1。而交叉點是1和4水泵工作軌跡點。此時管網(wǎng)受到的阻礙是，它的輸出功率和是呈現(xiàn)正相關(guān)的。因為，多余的壓力產(chǎn)生的能量就被損失掉了，而這些太高的壓力對設(shè)施方面也有一定的傷害。如果換一種方法例如變頻調(diào)速裝備，這時水泵的轉(zhuǎn)速下降到，而交叉點就是水泵工作軌跡點。速度調(diào)整結(jié)束后，管網(wǎng)的壓力一直保持一個相同值是，出水流量呈現(xiàn)值，輸出功率和呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢。從圖中可以看出，陰影部分和損失掉的功率輸出也呈現(xiàn)出正相關(guān)。舉個例子，如果是的80%，把水泵的轉(zhuǎn)速從改為的80％，那么它的輸出功率為的一半左右。這是在不使用調(diào)速控制的情況下，48.8％的能量就會損失掉。由此可以得出變頻調(diào)速還是非常有發(fā)展前景的，可以省不少成本。2.3.2控制方案的選擇變頻恒壓供水大多數(shù)用變頻泵固定式或變頻循環(huán)運行方式。變頻泵固定式一般由多個水泵機組成，包括變頻泵一臺，其他都是恒速泵，以工頻運行。供水系統(tǒng)開始運行時，變頻泵先開始運行，如果變頻泵在頻率已經(jīng)達到工頻的狀態(tài)下，管網(wǎng)的水壓還沒有達到預(yù)期值，就迅速的降低變頻泵的頻率，同時開啟一臺恒速泵。兩臺水泵一起運行。水泵作用時，控制系統(tǒng)會依照管網(wǎng)的壓力來判斷水泵是否正常運行和切換。通過調(diào)節(jié)變頻泵的運行頻率使管網(wǎng)的壓力達到預(yù)期值。變頻泵固定式運行方式比較容易達到，而且價格比較低廉。但不好的是恒速泵的運行對電網(wǎng)的危害作用比較大，僅僅適合功率比較小的泵。變頻循環(huán)式由多臺變頻泵組成，主要是通過各個泵之間的相互切換來達到管網(wǎng)壓力的預(yù)期值的。舉個例子，如果1號變頻泵在頻率已經(jīng)達到工頻的狀態(tài)下，管網(wǎng)的水壓還沒有達到預(yù)期值時，則1號泵以工頻的頻率運行。同時2號變頻泵加入變頻，若水管壓力還未達到就以此類推。當供水系統(tǒng)停止時，變頻泵要遵循“先開先?！钡脑瓌t。因為每臺變頻泵都是通過變換頻率運行的，所以對電網(wǎng)的危害不大。通過分析比較得知，變頻循環(huán)式具備恒壓、節(jié)能、不傷害電網(wǎng)的特點。所以系統(tǒng)選擇變頻循環(huán)式。控制系統(tǒng)含有PLC抉擇為西門子S7-200作為控制模塊，擴展模塊為EM235壓力傳感器作為檢測信號，以及3個水泵一起構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2-3所示。圖2-3恒壓供水系統(tǒng)的簡化控制框圖圖2-3恒壓供水系統(tǒng)的簡化控制框圖第3章電路原理設(shè)計以及元器件選擇3.1供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1PLC的選取可編程控制器在計算機領(lǐng)域有著舉足輕重的位置，它的產(chǎn)生是滿足工業(yè)控制的存在。以前的可編程控制器叫做可編程邏輯控制器，縮寫就是PLC，它發(fā)揮的功能就是取代繼電器記進行邏輯控制。隨著科技的發(fā)展，日新月異，這種設(shè)備的作用已經(jīng)遠遠不止于邏輯控制了，他還發(fā)揮著各種各樣的作用。所以，現(xiàn)在這種設(shè)備叫可編程控制器，縮寫為PC。但是個人計算機的縮寫和它一樣，因此把可編程控制器叫做PLC。PLC在檢測、監(jiān)測和自動化控制方面，無論在什么樣的環(huán)境。它不管是自己一個運行，還是與網(wǎng)絡(luò)搭配使用發(fā)揮繁瑣的控制功效都有著不可替代的作用。3.1.1.1PLC機型選擇機型如何抉擇？首先肯定是具備的基本控制要求都要具備，能夠使系統(tǒng)平穩(wěn)工作，維護量比較少、而且簡單和高性價比。具體應(yīng)考慮的因素如下所述。1、結(jié)構(gòu)合理整體式PLC要求有不變的工藝過程、工作地點要求高和維修比較簡單等條件，如果不滿足的話就采用模塊式PLC。2、功能強、弱適當?shù)蜋n的PLC要求是控制開關(guān)量的功能，控制速度的衡量標準低。比如西門子公司的S7-200系列機PLC。如果開關(guān)量控制是主體、模擬量控制為輔的工程項目，可選用含有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和含有D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運算和數(shù)據(jù)傳輸功能的低檔。對于控制比較復雜、控制功能標準比較高的工程計劃，并且需要用上PID運算閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，可依照控制規(guī)模和復雜性，就要采納中檔或高檔機。規(guī)模比較龐大的控制、全PLC控制系統(tǒng)范圍廣和自動化工廠都需要用到高檔機。3、機型統(tǒng)一PLC的機構(gòu)包括兩種：整體式、模塊式。整體式的構(gòu)造簡單、價格低廉，而且整體式機構(gòu)的PLC功用少，不復雜、控制標準低的系統(tǒng)還可以使用。比較復雜的控制系統(tǒng)就需要用到模塊結(jié)構(gòu)，這樣性能比較齊全，靈活性高。如果企業(yè)的規(guī)格大購買PLC時，最好都買一摸一樣的。一樣的PLC，它們的模塊可可以互相使用，這樣管理和購買起來比較簡單;并且，性能和編程方式一樣，技術(shù)部門容易學習和培養(yǎng);而且外部裝置都可以用可以分享使用。如果搭配計算機使用，互相通信，可以集中在一起管理，而不雜亂。4、PLC的環(huán)境適應(yīng)性因為PLC是工業(yè)控制器比較直接的，生產(chǎn)廠家都是假設(shè)它在都把它設(shè)想在最壞情況下，依舊可以穩(wěn)定的工作。雖然是這樣，每種PLC都對自己的環(huán)境要求標準不一樣，所以當我們用到它時，應(yīng)該把工作環(huán)境這個因素考慮進去，是非常有必要的。關(guān)于有特殊需求情況下使用的，要依照具體的狀況恰當?shù)木駬瘛?.1.1.2PLC容量選擇PLC容量取決于I/O的點數(shù)和用戶存儲器的容量(字數(shù))兩個參數(shù)。PLC容量的抉擇不僅滿足控制標準，還要留有恰當?shù)脑Ａ?，讓它留做備用。依照以往的?jīng)驗，如何選擇存儲容量？容量要有實際需要的10%～25%。關(guān)于開關(guān)量控制系統(tǒng)，存儲器字數(shù)是開關(guān)量I/O的8倍；關(guān)于PLC的有模擬量控制性能的，存儲器字數(shù)是模擬內(nèi)存單元數(shù)的100倍。讀PLC閱產(chǎn)品使用手冊可以知道指令占據(jù)的內(nèi)存。3.1.1.3I/O模塊的選擇I/O模塊的型號和具體數(shù)目的多少，模塊點數(shù)包括4,8,16,32和64點，點數(shù)與價格呈負相關(guān)，就是點數(shù)越多成本少一點。從根據(jù)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)和輸出以及外部裝置產(chǎn)生的控制信號相距一些距離。PLC的I/O接口模塊因為有良好的抗干擾性質(zhì)，可以保證采集到的信息準確。依照實際的需求，PLC包含很多I/O接口模塊，蘊含開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，能夠依照實踐需求進行抉擇運用。1、確定I/O點數(shù)I/O點數(shù)首要考慮的就是容量這個因素，這樣對于擴展功能比較容易?？刂茖ο蟛蛔儯琁/O點數(shù)也會發(fā)生改變，因為控制方式或編程的需要不一樣。2、開關(guān)量I/O接口開關(guān)量I/O接口包括隔離式、分組式和匯點式，這是根據(jù)外部接線方法來劃分的。隔離式的點數(shù)成本較高，隔離式需要信號與信號之間分開。如果不需要就選擇分組式或匯點式3、模擬量I/O接口模擬量I/O接口因為傳感器傳遞信號創(chuàng)造出來的。模擬量包括流量、溫度和壓力都是通過接口測試的，適用掌控電壓和電流輸出的裝置。比較著名的接口量程：雙極性電壓是-10～+10V、單極性電壓是0～+10V、電流是4～20mA或10～50mA。綜合以上思考這里咱們抉擇西門子S7-200PLC。模塊量擴展模塊選擇EM235。它具備四路模擬量輸入和一路模擬量輸出，恒壓供水控制可以使用。EM235的工作程序編制包含下面的幾類：1、初始化主程序。預(yù)置頂采樣實線和基本的工作全部清零，為即將需要做的事情打下良好的基礎(chǔ)。2、專門劃分一個模塊測試子程序。這個子程序核實模塊是否正確的連接和模塊是否能夠正常運行。3、將子程序收集好和計算量方面的事情。4、項目對于模擬量的處理相關(guān)程序。S7-200PLC硬件系統(tǒng)包含整體式和積木式兩種配置方式，就是主機包括相應(yīng)數(shù)量的輸入/輸出(I/O)點，I/O模塊和各式各樣性能的模塊用來發(fā)展我們需要的功能。PLC模擬量控制單元的配置和用處PLC的個別輸出輸入端口都是開關(guān)量處理端口，PLC為了實現(xiàn)模擬量的解決,整體式和PLC模擬量擴展單元搭配使用是一個普遍使用的辦法。模擬量擴展單元可以把外界模擬量變成PLC可以掌控的數(shù)字量。這樣機器就可以運行模擬量因為PLC內(nèi)部可以運算數(shù)字量。模擬量擴展單元適用在獨立的模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，還包括模/數(shù)和數(shù)/模兩類性能的，下面咱們簡單介紹一下S7-200系列PLC的模擬量擴展模塊EM235，它擁有4路模擬量輸入和1路模擬量輸入，恒壓供水控制可以使用。EM235模擬量工作單元性能指標因為編寫程序由于不同的模塊擁有的輸出輸入的模擬量不同，這就有一定的難度。而數(shù)字量不同因為它的長度或者形式都是固定的。因此模擬量相通過數(shù)字量的固定性把它的電流量和電壓量替換成標準量，這樣與控制接口更加容易連接。如表3-1所示，清楚的列出了EM235的輸入、輸出信號的范圍，可以方便的抉擇。表3-1EM235輸入\輸出技術(shù)規(guī)范3.1.2變頻器的選擇當系統(tǒng)需要軟啟動的時候，變頻器就作為軟啟動原件而存在。它可以使啟動電流減小，這樣對電網(wǎng)的傷害也會隨之減小。變頻器最重要的一個作用當然是變頻作用了，通過頻率發(fā)生的變化從而影響著電動機轉(zhuǎn)速。如果恰當使用變頻器還能達到節(jié)約能源的效果。在閉環(huán)控制中，采取模擬控制，無論是4-20mA的電流還是0-10V的電壓來充當模擬信號去掌控變頻器。變頻器根據(jù)實際的情況去改變電機的轉(zhuǎn)速，讓它或高或低，這樣它不會以恒定的最高速度運作，因此這樣可以節(jié)約能源。本研究系統(tǒng)選用ABB公司的ACS510變頻器。其主要特點：1、可以和風機或者水泵搭配使用:一旦增加PFC運行的強度，7臺泵的控制不是問題；有專門針對隧道風機發(fā)生火災(zāi)的情況是超越模式；SPFC循環(huán)軟啟性能讓每個泵可以按順序調(diào)節(jié)；因為變頻器的內(nèi)部有兩個PID調(diào)節(jié)器，所以它的參數(shù)可以有兩套，而且其中的PID2可以對一個單獨存在的外界的閥門進行掌控。2、成本更加少:現(xiàn)場的總線可以非常容易的和I/O口或者可以立即插入的元器件連接。噪音可以降低電機的磁通隨著負載的降低而降低，開關(guān)的次數(shù)和傳動的溫度呈現(xiàn)負相關(guān)，如果傳動溫度升高，那么開關(guān)的次數(shù)講減少。3、對環(huán)境好，污染少:EMC和RFI濾波器搭配使用，電感量可通過變感量電抗器依照負載的變化來磨合，這樣出現(xiàn)諧波的概率較低。最后我們選擇SPFC宏來控制水泵機組的運行，具體情況如下：DI信號閉合，傳動單元啟動，繼電器RO1、接觸器K1閉合，經(jīng)過PFC啟動延長一段時間，變頻器依舊不能起到變頻作用。直到接觸器趨于穩(wěn)定狀態(tài)才可以啟動調(diào)節(jié)，首先1號水泵變頻，1號水泵轉(zhuǎn)速從零一直不斷的上升，直到到達上限值，但是這時候水的壓力還處于下限，這時就需要2號水泵的加入，如果輸出功率Fout-啟動功率>1HZ，一切停止斷開，那么就需要我們延長一些時間，傳動單元、RO2、K2閉合，和上述一樣，延時等待穩(wěn)定，然后RO1、K1閉合1號泵開始轉(zhuǎn)換到工頻運作，2號泵開始變頻運作，一旦水壓還是沒有達到恒定值，3號泵運行模式和2號泵運行步驟類似。如果水壓處于上限值時，輸出頻率Fout-停止頻率<1HZ時，停止延時從開始直到結(jié)束后，RO1、K1斷開，1號水泵停止運行，如果水壓還是過高，依次停掉2、3號水泵。原理與1號水泵停止類似。如圖3-1所示，是變頻器的控制連接示意圖以及表3-2、3-3所示的功能表。(a)(b)(c)圖3-1變頻器控制連接示意圖表3-2變頻器功能說明表表3-3功能表3.1.3壓力傳感器如何能夠?qū)崟r的檢測壓力，知道壓力的具體數(shù)值，這就是壓力傳感器存在的意義。將用標準的電子信號去代替壓力信號，因為壓力和標準信號成正相關(guān)，并且標準信號是有線性關(guān)系存在的。這里我們選用CHKYB系列擴散硅壓力傳感器(二線制)。擴散硅壓力傳感器究竟是怎么工作的呢？當有一個壓力的存在，壓力正好對這個傳感器施加一個力的作用，這時，傳感器里面的電阻的阻值發(fā)生改變，再把阻值的變化通過一個具體的數(shù)值表現(xiàn)出來，將它用一個標準的數(shù)字信號代替。這就是通過壓阻效應(yīng)來運作的具有以下優(yōu)點：1、測量精度高，因為所用的材料都是新出來的，測量的準確性高，而且里面是固體，受環(huán)境的因素影響不大。2、抗干擾能力比較強，即使受到的壓力太大，或者直接被比較硬的東西砸，這對測量原件都沒有影響，準確性更加不會改變。3、可靠性較高，前面說過因為它的中間介質(zhì)是固體的，所以溫度對它的影響可以說是非常的渺小，而且它的技術(shù)水平已經(jīng)和智能壓力儀表相媲美了，有此可知，它測量的準確性是非常高，而且誤差也小。3.1.4水泵流量、揚程以及功率是抉擇水泵必須要考慮的基本因素。流量的抉擇是依照每天各個時間段所用掉的水多不多來決定的。并且流量和用水量呈現(xiàn)正相關(guān)，而和揚程呈負相關(guān)。依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定，大體可以確定流量的范圍，揚程的大小，最后咱們想到用水量的問題，最后決定選用3臺上海熊貓機械的SFL系列型號。3.1.5電機的選擇抉擇電機應(yīng)該想到以下幾點：1、電機電源類型，因為電機有三相，還有單相，用的電源有交流電或直流電都是要考慮的；2、工作地點，電機即將所處的位置是惡劣的還是舒適的，對電機的抉擇也是有影響的；3、工作方法，購買這個是需要它長時間工作，還是偶爾工作一下也是考慮；4、安裝形式，到底立式安裝還是臥式安裝以及還有其他；5、功率及轉(zhuǎn)速等，負載對功率和電機的轉(zhuǎn)速都是有要求的；6、其它參數(shù)，電機的速度是否要變化，在控制方面有沒有特別的要求，以及負載的類型。綜合以上因素，我們選擇YVP系列變頻調(diào)速三相異步電動機。3.1.6低壓電器的選擇1、接觸器的選擇由于電機在啟動時，啟動電流是電機正常工作的5-7倍，并且電機容量和啟動電流呈負相關(guān)，就是電機容量大，啟動電流反而小。電機在斷開時，因為電機為感性負荷，它的開關(guān)觸頭在兩端會感受到相對高的電壓，以致于能夠把觸頭間的空氣隙擊穿，成為電弧。所以，選擇開關(guān)電機的元器件應(yīng)該能夠承受啟動電流大的沖擊力和滅弧能力。最后選擇使用接觸器。而且接觸器有一個功能:30萬次的合-開操縱，元件可以滿足關(guān)于壽命的需求。這里我們選擇上海上聯(lián)牌的CJX2-1210接觸器。2、熔斷器的選擇熔斷器就是電路不正常運行或者發(fā)生故障時，電流會由于短路不斷增大，增大的電流會燒毀電路中重要的元器件，甚至可能發(fā)生火災(zāi)，造成一定的經(jīng)濟損失。如果電路中有熔斷器的存在，它就會在電流達到熔斷器上限值的時候，熔斷本身，斷開電流，這樣就可以起到保護電路，安全運轉(zhuǎn)的效果。這里我們選擇廣州芬隆電器有限公司的RT18熔斷器。3、繼電器的選擇熱繼電器一般是起保護作用。在電機運轉(zhuǎn)時，由于過載，運行電壓太低，啟動次數(shù)過多的原因，引起繞組的溫度偏高，以致于把電動機燒毀。所以這里就需要熱繼電器的存在。而且電動機壞掉很大程度是因為斷相工作。所以繼電器兼有斷相保護的功能。所以我們選用型號未JR36-20的熱繼電器。中間繼電器從字面上來看，就是放在中間作用的。在低電壓過渡到高電壓的過程中起到保護作用。由于過載能力較弱，它的輔助觸頭數(shù)量較多，但主觸點幾乎沒有。而且通過它的電流也較小，只能在控制回路中使用。這些都和接觸器是不一樣的。它還可以增添觸點的數(shù)目和承載量，在自動控制體系中。我們選擇歐姆龍品牌的選用MY2N-J中間繼電器。4、開關(guān)的選擇隔離開關(guān)的作用是把高壓配電設(shè)備中，停電的區(qū)域和帶電的區(qū)域有效的隔離，來保障檢驗和維修的安全性。這里選用型號HDJW1低壓隔離開關(guān)。單刀雙擲開關(guān)就是一個開關(guān)，兩個線路。雙擲就是有兩種線路可供選擇，將它用123編號，2號是永遠連接的一端，如果刀閘推到編號1時，控制的電路就會運行，而編號2的電路就不會運行。最后選用86型，因為性價比高。按鈕開關(guān)就是沒有鎖的開關(guān)，按一下，手松開又會變成原樣的開關(guān)。選擇LA10-3H系列按鈕開關(guān)。3.2電路設(shè)計電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及PLC外圍接線圖。3.2.1系統(tǒng)主電路的設(shè)計如下圖所示為系統(tǒng)主電路圖。FU是熔斷器，KM是接觸器，QS是隔離開關(guān)，F(xiàn)R是熱繼電器。主要工作過程:如圖3-2所示，當居民開始用水時，這時QS1,KM2閉合，變頻器讓電機M1處于變頻狀態(tài)，如果用水量過大，管網(wǎng)的壓力太小，一臺水泵已經(jīng)不能達到居民用水要求，這時我們需要讓QS1,KM2斷開，閉合QS2,KM1，讓電機M1處于工頻的狀態(tài)運作。將M2啟動，并開始進入變頻模式；如果用水需求更加龐大，那么M2也進入工頻，M3開始處于變頻狀態(tài)。水泵準守先開先停的原則，這樣可以讓水泵工作時間比較平均，延長水泵的壽命。圖3-2主電路圖3.2.2控制電路設(shè)計如下圖3-3所示控制電路圖。HL1-6代表工頻或者變頻運行指示燈，SA表示單刀雙擲開關(guān)，SA在1的時候，是手動狀態(tài)，方便工作人員對電機、變頻器等設(shè)備進行維修和查看設(shè)施是否能夠正常運行。SA在2的時候，是自動狀態(tài)。PLC對變頻器等元器件進行控制。當PLC進入自動狀態(tài)，Q0.0表示為1時，KM1線圈得電，HL1燈亮暗示著水泵M1進入工頻狀態(tài)。因為KM1線圈得電，它的常閉觸點分開，這樣就能保證水泵M1處于工頻的狀態(tài)不受影響。當Q0.1表示為1時，KM2線圈得電，HL2燈亮暗示著水泵M1進入變頻狀態(tài)。由于KM2線圈得電，它的常閉觸點KM2分開，這樣可以保證水泵處于變頻狀態(tài)不受影響。接觸器KM1和2互鎖，讓電機能夠可靠的運行。水泵M2和3工作原理和M1同理。圖3-3控制原理圖第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1PID的工作原理圖4-1PID工作原理圖4.1.1PID算法：PLC內(nèi)設(shè)定了一個PID算法，如圖4-1所示，變頻器怎么操作，泵之間怎么來回轉(zhuǎn)換，都是以PID為核心來完成的。PID原理PID算法控制原則基于以下公式：(4-1)輸出=比例項+積分項+微分項式中：——作為時間函數(shù)的回路輸出;——回路增益;——回路錯誤（設(shè)定值和進程變量之間的差別);——回路輸出的初始值。如果想讓控制函數(shù)在數(shù)字計算機運轉(zhuǎn)，就一定要把一直不間斷的函數(shù)量作為錯誤值按照一定時間的試樣。然后把輸出量計算出來。計算機應(yīng)該用下面寫出的算式作為基礎(chǔ)來運作：(4-2)輸出=比例項+積分項+微分項式中：——采樣時間的回路輸出計算值；——回路增益；——采樣時間的回路錯誤值；——回路錯誤的前一個數(shù)值(在采樣時間)；——積分項的比例常數(shù)；——微分項的比例常數(shù)；——微分項的比例常數(shù)。從公式中我們可以看出，積分項從首個試樣一直到現(xiàn)在所在的試樣，都被當作錯誤的函數(shù)呈現(xiàn)出來。微分項代表現(xiàn)在的試樣和上一個試樣的函數(shù)。而數(shù)字計算機是不存在把錯誤的試樣全部保存下來的，因為沒有必要性。數(shù)字計算機從首個試樣開始就每次把錯誤項運算出輸出值，所以僅僅需要把上個錯誤值以及上個積分項的具體值存儲起來就可以了。因為運算出結(jié)論有很多是一樣的，所以可以把公式簡單化解一下在采集試樣的時候。簡化后的公式為：(4-3)輸出=比例項+積分項+微分項式中：——采樣時間的回路輸出計算值；——回路增益；——采樣時間的回路錯誤值；——回路錯誤的前一個數(shù)值(采樣時間)；——積分項的比例常數(shù)；；——積分項的前一個數(shù)值(采樣時間)；——微分項的比例常數(shù)。如果想要運算控制回路的輸出值時，可以用上面已經(jīng)簡化好的修正格式。修改后的公式為：(4-4)輸出=比例項+積分項+微分項式中：——采樣時間的回路輸出計算值；——采樣時間的回路輸出比例項數(shù)值；——采樣時間的回路輸出積分項數(shù)值；——采樣時間的回路輸出微分項數(shù)值。4.2PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計4.2.1輸入口輸入口功能如表4-1所示表4-1分配表4.2.2輸出口輸出口功能如表4-2所示表4-2分配表4.2.3輔助觸點輔助觸點功能如表4-3所示表4-3分配表4.3PLC控制系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用程序設(shè)計4.3.1程序的優(yōu)化設(shè)計