基于PLC的变频恒压供水系统的设计论文.pdf

兰州理工大学 硕士学位论文 基于plc的变频恒压供水系统的设计 姓名：方桂笋 申请学位级别：硕士 专业：流体机械及工程 指导教师：刘宜 20080515 硕士学位论文 摘要 随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断 提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了 更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠 性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作，也直接体现了小区物业管理 水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方 式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当 前经济生活的需要。 本论文针对兰州某住宅小区的供水要求，设计了一套由p l c 、变频器、远传 压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供 水及其远程监控系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制 和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有 多种辅助功能，增强了系统的可靠性。并和计算机实现了有机的结合，提升了系 统的总体性能。 基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比，论文分析了采取变频调速方 式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器 内置p 模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据 用水量的变化，采取p d 调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工 频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。 论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供 水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。 给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和p l c 控制程序设计方案。 通过对计算机和p l c 之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给 出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故 障报警。 关键词：恒压供水；p l c ；变频调速 基于p l c 的变频恒压供水系统的设计 a bs t r a c t 灿o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i o e c o n o m yo fo u rc o u n t 吼t h eh o u s i n g s y s t e mi sg o i n gd e e pi m or e f o r m s ，a n dp e o p l e sl i v i n gs t 眦d a r di sb e i n gi m p r 0 v e d a tt h e s a m et i m e ，i nt h ec i t y ，e a c hk i n do fs u b d i s t r i c tc o n s t m c t i o ni sd e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y ， w h i c hp u t sf 1 0 r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ei n 仔a s t r u c n j r ec o n s t m c t i o no fs u b - d i s t r i c t a n dt h ec o n s t m c t i o no fs u b - d i s t r i c tw a t e rs u p p l ys y s t e mi sa ni m p o r t a ma s p e c ti nw h i c h t h er e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n de c o n o m yo fw a t e rs u p p l yd i r e c t l ya f r e c t s 观b d i s t r i c t h o u s e h o l d i sn o m a ll i f ea n dw o r l 【衄da l s oe m b o d i e st h ed i 腩r e n c ei nt h el e v e io f 蛐b - d i s t r i c tp r o p e r t ym a n a g e m e n t t h et r a d i t i o n a lm e a n so fw a t e rs u p p l y 眦c ha st h e p u m pp r e s 叭r i z a t i o nw a t e r 眦p p l ya tc o n s t a n ts p e e d ，w a t e rt o w e ro fu p p e rc i s t e m ，t h ej a r e t c a r eh a r dt o s a t i s f y t h en e e d so fc u r r e n te c o n o m i c l i f e ， b e c a u s el o w e f f i c i e n c y ，r e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i o nl e v e la r ea l lc o m m o n l ye x i s t i n gi nt h e s em e a n s a c c o r d i n gt 0t h er e q u i r e m e n to fw a t 既s u p p l yi naa b i d i i l gp l a c eo fl a nz h o u ，as e t o fa u t o m a t i cs y s t e mo fc o n s 伽吐p r e s s u r ew a t e r 跚p p l yb yu s i n gv a r i a b l e 疔e q u e n c y 锄d r e m o t em o n i t o f i n ga n dc o m r o l l i n g ，w r h i c hi s c o m p o s e do fp l c ，t r 觚s d u c e r p r e s 姒r e s e n s o r p u m p sa n de l e c t r o m o t o r s ，c o m p u t e r 觚dd e v i c eo fc o m l n u n i c a t i o ni sd e s i g n e dt o t h a te n d t h i ss e to fs y s t e mh a st h em n c t i o n sl i k ea u t o m a t i cc o n s t a n tp r e s 姒r eo p e r a t i o n b yu s i n gv a r i a b l e 疗e q u e n c y ，a u t o m a t i cw o r k 行e q u 锄c yo p e r a t i o n ，龃dt h e 如n c t i o no f l o n g - r a n g ec o m r o lb yh a n d 孤dt h eo n - t h e s p o tc o m r o lb yh a n de t c t h es y s t e mh a s l v e de f f i c i e n t l yt h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h et r a d i t i o n a lw a yo fw a t e r 叭p p l y w h i c hh a s v a r i o u ss u p p l e m e n t a 哆伍n c t i o n st os t r e n 舀h e nt h er e l i a b i l i t y t h es y s t e mh a s 孤o r g a n i c c o n 曲i n a t i o nw i t hc o m p u t e r 觚dp r o m o t e st h es y s t e m a t i co v e r a l lp e r f o r m a n c e b a s e do nt h a tt h et l l r e es i d eo ft h ep u m pw a t e rd e l i v e 巧r a t e 觚dt h ep u m pr m a t i o n a l s p e e db e c o m ed i r e c tr a t i o ，t h ep a p e ra n a l y s e st h em e c h a n i s mo fe n e 唱ys a v i n gt h a tt h e w a yo fw a t e r 跚p p l yb yu s i n gt h em e t h o do fv a r i a b l ev e l o c i t yv a r i a b l e 丘e q u e n c yi s 叭p e r i o rt 0t h et r a d “i o n a lw a yo fc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r 龇p p l yc o n t m l l e db yv a l v e s e t t i n gu pi na u d v a n c et h ep a u r a m e t e ro ft h e 呻m o d u l a rb u i l t - i nt h et r a n s d u c e r as y s t e m o fc l o s e dc i r c u i tu s i n gt h ef e e d b a c ko f h y d r a u l i cp r e s s u r eo ff a i b i o g r 印h yp r e s s u r et a b l e h a sf o r m e d a c c o r d i n gt 0t h ec h a n g eo fw a t e rc o n s u m p t i o l l w i t hp ，i nt h es p h e r eo f w h o l er a t eo fn o wc o m b i n i n gt h ec o n s t a n t r e g u l a t i o n o ft h ep u m po f 行e q u e n c y c o n v e r s i o nw i t ht h ew o r k 仔e q u e n c yp u m pg r a d er e g u l a t i o n ，t h es y s t e mo f c l o s e dc i r c u i tc a nr e a l i z et h ec o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ya n ds a v ee n e r g ye m c i e n t i y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e a s o n a b i l i t yo fw a t e r 跚p p l ys c h e m ew i t hm u c hp u m p p a r a l l e lc o n n e c t i o n ，a n da n a l y s e st h ec o n v e r s i o nc o n d i t i o na n dt h ev a r i o u ss t a t e so fw a t e r 硕士学位论文 s u p p l yo ft h en m c hp u m pw a yo fw a t e rs u p p l ya sw e l l 弱t h es w i t c hp r o c e s s 勰dt h e p r o b l e mo fag e n e r a t o rf i r o mv a r i a b l e 仔e q u e n c yo p e r a t i o nm o d et ow o r k 疔e q u e n c y o p e r a t i o nm o d e t h i sp a p e rh a sa l s og i v e nt h ee l e c t r i c a l d e s i g ns c h e m ea n dp l c c o n t r o l l i n gp r 0 黟a ms c h e m et h a tr e a l i z e se f i e c t i v es t a t ec i r c u l a t i n gc o n v e r s i o nc o n t r 0 1 b yr e s e a r c h i n gt h ec o m i n u n i c a t i o na 黟e e m e n tb e t w e e nt h ec o m p u t e r 锄dp l c ，t h i s p a p e rh a sf i n i s h e ds e t t i n gu pt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r 觚d a l s oh a sd e s c r i b e dt h em e t h o dt oc o m p i l ec o m p u t e rm o n i t o r i n gp r o g r a mt or e a l i z et h e 1 0 n g r a n g em o n i t o r i n g 姐df a u n r e p o r t i n g f o rw a t e r s u p p l y s y s t e mt 1 1 r o u g h c o m m u n j c a t i o nm o d l l l a r k e yw o r d s ：c o n s t a n tp r e s 蚍r e w a t * s u p p l y ；p l c ；v a r i a b l ev e l o c i t y 、r a r i a b l e仔e q u e n c y ； c o n s t a n tp r e s s u r e w a t e r - s u p p l y i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：刁褪罗 日期沏稗月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：弓杉罗 名：赢f 宝 1 日期：力溺年 日期：垆 石月日 么月名日 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为 时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供 水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低， 而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不 断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出 了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳 定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管 理水平的高低。 传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方 式，其优、缺点如下阻1 ： l 、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增 减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负 荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行 状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2 、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停 电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为 硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 3 、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调 节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量 大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作， 而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 4 、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效 率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单 明了，维修方便。 5 、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比 较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率 基于p l c 的变频恒压供水系统的设计 低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的 用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其 显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩 机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活 用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一 是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系 统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口1 。 p l c 变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用 该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能 性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效 率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1 2 国内外变频调速技术的发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机 控制理论的发展。1 9 6 4 年，最先提出把通信技术中的脉宽调制p 删技术应用到交 流传动中的是德国人。2 0 世纪8 0 年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨 迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想 圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频v v v f ( v 矾a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 成为变频调速技术的核心。从2 0 世纪8 0 年代后半期开 始，美、日、德、英等发达国家的基于v v v f 技术的通用变频器已商品化并广泛 应用。1 9 8 0 年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢 量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格 两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取 得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成 果。自1 9 9 2 年开始，德国西门子公司相继开发了6 s e 7 0 系列通用变频器，通过f c 、 v c 、s c 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1 9 9 4 年该系列通 用变频器的容量就扩展到3 1 5 k w 以上。1 9 8 5 年，德国人提出了基于六边形乃至圆 形磁链轨迹的直接转矩控制理论( d s c ) 。这种方法不需要复杂的坐标变换，而 是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直 接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能h 3 。最初，这种控制方法主要在高压、 大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方 法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1 9 9 5 年，a b b 公司首先推出 的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。 国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展 迅速；控制理论和微电子技术的支持。 2 硕士学位论文 变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三 个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、 专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础； 1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专用集成电路( a s i c ) 技术的快 速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段哺1 。 在我国，6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技 术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国 电气传动产业始于1 9 5 4 年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动 成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有2 0 0 家左右 的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产 品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济 的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外 结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速 设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传 动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得 了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱， 对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下哺1 ： 1 ) 变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研 究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。 3 ) 相关配套产业及行业落后。 4 ) 产品可靠性及工艺水平低。 1 3 变频恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制 动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中， 变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定， 需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的 资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵 机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成 本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程 度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频 器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本s a m c o 公司，就推 出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式“ 、“变频泵循环方式一两种模式， 它将p i d 调节器和p l c 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置 3 基于p l c 的变频恒压供水系统的设计 指令代码实现p l c 和p i d 等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便 可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7 台电机( 泵) 的供水系统。 这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵 活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统( 如b a 系统) 和组态软件 难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受 到限制“ 。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制 水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程 控制器( p l c ) 及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但 在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来 说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为( 现己更名为艾默生) 电气公司 和成都希望集团( 森兰变频器) 也推出了厦压供水专用变频器( 5 5 k w 2 2 k w ) ，无需 外接p l c 和p i d 调节器，可完成最多4 台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。 该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出 接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于 小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水 控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络 和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性( e m c ) ，的变频恒压供水系统的水压闭 环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使 其能被更好的应用于生活、生产实践阴1 。 1 4 可编程控制器( p l c ) 的特点及应用 可编程序控制器( p r o g r a m1 0 9 i c a lc o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，是一种专为在工业环 境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、 自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置， 是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于p l c 采用了“三机一体化一 的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰 能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器 相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：再加上p l c 发展过程中产品的系列 化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制， 开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱阻1 。目前， p l c 在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。 早期的可编程序控制器( p f o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) ，主要用来代替 继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展， 可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为 4 硕士学位论文 一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点， 以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广 泛的应用。1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出世界上第一台可编程控制 器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行 原先由继电器完成的顺序控制、定时等。7 0 年代初期，体积小、功能强和价格便 宜的微处理器被用于p l c ，使得p l c 的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其 原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i o 模块和各种特殊功能模块。 在软件方面，p l c 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的 逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功 能。进入8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的 市场价格大幅度下跌，使得p l c 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了 进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大 提高了p l c 软、硬件功能。在发达工业国家，p l c 己经广泛的应用在所有的工业 部门。据“美国市场信息力的世界p l c 以及软件市场报告称，1 9 9 5 年全球p l c 及 其软件的市场经济规模约5 0 亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，p l c 的 功能得到大大的增强，具有以下特点n 们： 1 ) 可靠性高。p l c 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它 特殊的周期循环扫描工作方式。 2 ) 具有丰富的i o 接口模块。p l c 针对不同的工业现场信号，有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人 机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3 ) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i o 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根 据用户的需要自行组合。 4 ) 编程简单易学。p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形 式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术 人员所理解和掌握。 5 ) 安装简单，维修方便。p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下 直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找 故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块 的方法，使系统迅速恢复运行。由于p l c 强大功能和优点，使得其在我国的水工 业自动化中得到广泛的应用。p l c 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系 统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、s c a d a 系统和供水 管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息 5 基于p l c 的变频恒压供水系统的设计 处理、设备运行状态监测以及水质监测等 可编程控制器p c 或p l c 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工 业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为 类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适 应于控制要求的编程语言。p l c 机硬件主要由中央处理单元( c p u ) 、存贮器、 输入输出单元以及编程器、电源和智能输入输出单元等构成。p l c 可分为以下 几个部分： 1 ) 中央处理单元( c p u ) ：同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程 控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根 据处理结果通过输出装置去控制外设。常用的c p u 有通用微处理器，如 m o t o r o l a6 8 0 0 ，单片机有8 0 3 l ，8 0 5 1 和双极型位式微处理器，如j w d 2 9 0 3 。 目前，小型p l c 为单c p u 系统，而中型及大型p l c 则为双c p u 甚至多c p u 系统。 对于双c p u 来说，一般具有一个位处理器和一个字处理器。字处理器是c p u 这个 核心的核心，常由通用的8 位、1 6 位或3 2 位微处理器担任，位处理器也称布尔处 理机，如美国t i 公司的t i 一5 3 0 等，它不仅使p l c 增加了功能，提高了速度，也加 强了p l c 的保密性能。 中央处理器的功能是：c p u 按系统程序所赋予的功能，、接收并存贮从编程器 输入的用户程序和数据；c p u 按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存 入c p u 内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的 任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标 志和输出映像寄存器的内容，以实现输出控制、制表、打印或数据通讯；行系统 诊断程序，诊断电源、p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。 2 ) 存贮器：可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数 据。常用的存贮器形式有c m o sr o m 、e p r o m 和e e p r o m 。 系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。所谓系统程序是指控制和完 成p c 机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、 系统诊断程序、通信管理程序等。机器出厂时，厂家把这些程序存入e p r o m 存 贮器或e e p r o m 存贮器。用户不能访问和修改存贮器这部分的内容 用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户根据工 程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入 到p l c 机的c m o sr a m 存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放 在e e p r o m 中。为确保p l c 机控制系统的可靠性，c m o sr a m 存贮器有预防电源 掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的存贮内容。 数据存贮器用来存放p l c 的数据。包括输入、输出、辅助继电器状态的映像 区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据寄存器和特殊功能寄存器 6 硕士学位论文 等状态的映像寄存器。由于数据在控制器应用中是经常变化、经常存取的，因此 数据存贮器一般选用c m o sr 蝴，以满足随机存取的要求。 3 ) 输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业 生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及 传感输出的开关量或模拟量( 压力、流量、温度、电压、电流) 等，都要通过输 入模块送到p l c 。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器c p u 所处理的信 息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成p l c 能够接受和处理的 数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成 现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机 构。可编程控制器有多种输入输出模块，其类型有数字量输入输出模块和模拟 量输入输出模块。这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有 不同的参数等级，主要有数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块，部件上 都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于p l c 内部对信号的处理，这 些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电祸合 电路，其目的是把p l c 与外部电路隔离开来，以提高p l c 的抗干扰能力。数字量 输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入输出模块 主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即a d 或d a 转换。由于工业控制系 统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须 通过模拟量输入输出模块与p l c 的中央处理器连接。模拟量输入模块a d 转换 后的二进制数字量，经光电耦合器和输入锁存缓冲器与p l c 的i o 总线挂接。模 拟量输出模块d a 转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与p l c 的 i o 总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是o 5 伏和o 1 0 伏两种，模拟电流主 要是o 2 0 m a 和4 2 0 m a 两种。另外还有o 5 0 m v ，o 1 v 、5 - + 5 v 、一1 0 - + l o v ，0 - 1 0 m a 等。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8 位、1 0 位或1 2 位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处 理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机 构。 4 ) 扩展模块：当一个p l c 中心单元的i o 点数不够用时，就要对系统进行扩 展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。 模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制 造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完 善。智能i o 接口模块种类很多，例如高速技术模块、p l c a 控制模块、数字位 置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能i o 模块等。 5 ) 编程器：它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的 编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在 7 基于p l c 的变频恒压供水系统的设计 磁带上，磁带上的信息可以重新装入p l c 。目前编程器主要有以下三种类型：便 携式编程器( 也叫简易编程器) ；图形编程器；用于i b m p c 及其兼容机的编程 器。 便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码 管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。 图形编程器以液晶显示器( l c d ) 或阴极射线管( c r t ) 作屏幕，用来显示编程 内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可 在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。使用图形编程器 可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打 印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于 中、大型可编程控制器的编程要求。 用于i b m p c 及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软 件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式 主要有编程和监控两种，编程工作方式是在p l c 机处于停机状态时可以进行编 程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。 监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对 某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视， 还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对 一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运 行是非常有用和方便的。 编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要 的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘 有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选 择其中一种方式工作。 现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外 形小巧，c p u 本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型 号的p l c 的输入输出点数也不同，有的大型机输入输出点数可达1 6 k ，而很多 小型机仅有1 0 来点，而且c p u 本身不带模拟输入与输出，但c p u 一般都带有扩展 接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要 的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形 一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与 c p u 相连。主要有数字输入输出模板，模拟输入输出模板，热电阻、热电偶扩 展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。用扩展模板来扩展系统 具有以下的优点： 用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对p l c 作硬 硕士学位论文 件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。 当己运行的系统需要改造或扩充时，p l c 可以随时进行升级或改版，所作的 工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的 开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系 统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。 p l c 的软件可分为系统软件和用户程序两大部分： 1 ) 系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制单元软件 和编程软件两部分。另外，一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。通常， 一个p l c 机架只能容纳一定数量的模块插件，这种包含主机模块和部分i o 模块 的机架称为基本控制单元。基本控制单元软件固化在主机模块的e p r o m 中，其 主要功能为：进行p l c 自身的管理和监督( 如开机自检，运行中监督c p u 、电池 电压是否正常) ；循环解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制 的更新编程器软件用来支持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过 程。当用户程序己装入p l c 的存储器，编程器就可以被分离，基本控制单元将自 动进入执行用户程序状态。考虑到p l c 内部结构的复杂性，系统软件应有专业技 术人员进行设计，一般用户不允许直接设计系统的内部操作。 2 ) 用户程序：这是用户应用p l c 进行控制所需要编制的程序。目前，在p l c 中普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一 定演变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同， p l c 梯形图逻辑是由软件实现的，因此既形象直观便于编写，又易于扩展和修改 功能。 1 5 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合， 在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点u ： 1 ) 滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量， 同其他一些过程控制量( 如：温度、流量、浓度等) 一样，对控制作用的响应具有 滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 2 ) 非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵 的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压