高楼恒压供水系统控制设计.doc

摘要众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。该设计对环保、节能、自动补压型给水设备坐了介绍。从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备的应用。以plc电路控制方式，介绍了自能水压控制系统的工作原理及plc控制系统。在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了plc控制系统的硬件和软件设计。智能水压的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（plc）构成控制系统，进行优化控制，完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定给水压力值与反馈的总管压力是机制进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。关键词：压力传感器、变频器、plc控制、恒压供水abstractit is well known, the water is produces in the life the essential important constituent, conserves energy oneself in saving water to become the time characteristic under the actual condition, our this water resources and the electrical energy short country, in the municipal administration water supply, the high-rise construction water supply, aspect technologies and so on industrial production periodical feeding continuously quite are since long ago backward, the automaticity is low.mainly displays in the water used peak, the water supply capacity is lower than the demand frequently, appears phenomenon which the hydraulic pressure reduces falls short of demand, but in the water used trough time, the water supply capacity is higher than the demand frequently, appears the hydraulic pressure ascension supply in excess of demand the situation, this time will be able to create the energy the waste, simultaneously will have the possibility to cause the water pipe demolition and the water used equipment damage. this design to the environmental protection, the energy conservation, made up the profiling to sit the introduction automatically to the water equipment.embarked from the energy conservation science and technology practice, elaborated the frequency conversion velocity modulation technology gave the water equipment in the tall building the application.by the plc electric circuit control mode, introduced from has been able the hydraulic pressure control system principle of work and the plc control system.in the analysis hydraulic pressure control work flow foundation, has given the plc control system hardware and the software design.the intelligent hydraulic pressure basic control strategy is: uses the electric motor speeder and the programmable controller (plc) constitution control system, carries on the optimized control, completes the water supply pressure the constant control, when pipe network current capacity change achieved the stable water supply pressure and saves the electrical energy goal.the system control goal is the pumping station main pipe water leakage pressure, the system hypothesis is the mechanism carries on the comparison for the hydraulic pressure value and the feedback main pipe pressure, after its interpolation input frequency changer operation processing, sends out the control command, controls the pump electric motor to throw transports the taiwan number and the movement variable displacement pump electric motor rotational speed, thus achieved stabilizes for the water main pipe pressure in the hypothesis value of pressure.keywords: pressure sensor, inverter, plc control, the constant pressure water supply目录第一章 绪论5第二章 设计功能及方案论证62.1 设计功能62.2 系统设计方案分析及方案论证62.2.1 系统设计方案论证62.2.2 plc、变频器控制系统方案分析72.3 系统控制方框图9第三章 系统硬件选型103.1 plc可编程控制器部分103.1.1 plc概述103.1.2 plc选型和性能指标133.1.3 plc的工作原理153.1.4 plc的基本指令163.2 变频器的概述及选型173.3 传感器的介绍及选型203.3.1 传感器的定义与组成203.3.2 传感器的选型203.4 fx0n-3a a/d、d/a转化一体化模块213.4.1 概述213.4.2 性能规格223.5 触摸屏显示器243.5.1 触摸屏概述243.5.2 触摸屏的通信243.5.3 触摸屏与plc的通信253.6 开关电源253.6.1 开关电源的概述253.6.2 ac/dc变换263.6.3 开关电源的选用263.7 电机的选择273.7.1 三相异步电动机的结构273.7.2 三相异步电动机的工作原理273.7.3 额定转矩（mn）283.7.4 变频调速283.8 变压器的选择293.8.1 变压器的概述293.8.2 变压器的结构及功能293.8.3 变压器的选择303.9 电气装备附件的选择303.9.1 电线电缆选择303.9.2 接触器的选择313.9.3 电磁式继电器的选择313.9.4 热继电器的选择323.9.5 熔断器的选择333.9.6 开关的选择34第四章 硬件电路设计364.1 主电路控制电路图364.2 设计功能内容364.2.1主要设计内容364.2.2 i/o端口分配374.3 控制电路及附属电路设计384.3.1主电路分析384.3.2控制电路分析404.4 恒压供水系统的梯形图414.5 恒压供水系统的指令表41第五章 软件设计425.1 软件设计分析425.2 压力控制部分435.3 机械故障处理部分44第六章 结束语45致谢47参考文献48第一章 绪论目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活小区、变郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。这种情况下，一方面要消耗大量的电能，造成能源的浪费；另一方面由于用水量有很大随机性，传统方式在用水波动时难以保持其实时性。针对这一情况，设计了一套变频恒压供水系统，将模糊控制技术应用到系统的控制过程中，采用了plc控制系统及交流变频调速技术，并在控制算法的实现上提出了一种利用plc梯形图编程语言视线模糊控制的新方法，彻底取代了高位水塔或直接水泵加压供水方式，为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式，其水压不稳且浪费电能。有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上，针对高楼供水的工况设计出可编程控制器、和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小、运行平稳可靠，运行一年节约的电费投资设备50%。随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。我们都知道水流量q与水泵电机的转速成正比，而压力与转速的平方成正比。变频器的升降速率随时间是线性变化的，对以水压为参变量的闭环控制供水系统，若变频器速度随时间的曲线变化，则水压变化与升降速时间是线性关系，这样有利于系统的稳定。根据供水系统情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在050hz.在此范围内水泵运行频率和定子相电压成正比，即与变频器输人频率成正比。恒压供水就是利用变频器的pid实现的工业过程的闭环控制。将管网压力信号(420ma)直接输入到变频器中，由变频器与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置pid运算，将结果转换为频率调节信号，调整水泵电机的电源颇率，从而实现控制水泵转速。当用水量超过一台泵的供水量时，通过plc控制切换器进行加泵，实现恒压供水。第二章 设计功能及方案论证2.1 设计功能本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动/自动转换、在线监控及在现场调试、电机过热保护、故障报警等功能。其具体控制要求如下：（1） 本系统提供手动/自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。（2） 模拟量压力输入径pid运算，输出模拟量控制变频器。（3） 在自动方式下，当系统水压低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行、停止三种工作状态。（4） 根据压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。（5） 根据压力的变化能确定用水量是否超过供水负荷，并能够及时的预警和报警。（6） 系统可以在线调试及现场在线监控。2.2 系统设计方案分析及方案论证2.2.1 系统设计方案论证目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电机驱动，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本身调速较难，故常为恒速运转；当需要调节流量时，则采用调节阀门的方法，这至少浪费20%的能源。统计表明，我国每年水泵消耗的电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上。随着变频调速控制技术日益完善，采用变频调速控制方式来调节流量，在节电方面是有效的方法，因为流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此，当电动机转速降低使泵出口流量减少时，消耗功率会大幅度下降，从而达到节电目的。例如转速降低20%50%，可节电50%80%，经济效益显著。由于居民区用水量变化大，电气传动方案宜采用多抬拖动水泵的电机并联传动取代拖动1台大水泵的电机传动，这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是13台泵和1台辅助小泵。如果只采用一台变频调速（vvvf）顺序拖动个台泵的电机，那么可减少投资，因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由plc控制四台拖动水泵的电机启动和停止，及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现（任意一台泵连续运行超过规定时间）停机轮休，防止烧坏变频器，以延长泵组的使用寿命。以上系统功能的实现有以下方案可供选择：（1）单片机控制，利用压力变送器和水位限压器、及a/d转换和d/a转换电路，89c51、变频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能，利用单片机控制具有控制单元小、占地面积小、成本低，控制电路电耗小等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境，具有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元器件老化比较快，因此，利用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。（2）恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路及相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能但是恒压供水控制器具有不可编程性，因此在现场调试和现场监控性能差，不易实现pid运算，控制的精度不够高，相关的报警、故障诊断电路比较复杂。（3）plc控制，利用plc、变频器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好大的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低一系列的优势。因此，经过慎重的论证，本设计采用plc控制作为的控制单元。2.2.2 plc、变频器控制系统方案分析（1）变频调速的特点及分析 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 （2）恒压供水的变频应用方式 通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过pid运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向. （3）pid控制原理 根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和pid相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用pid来保持静态精度。这通过plc加智能仪表可时现该算法，同时对plc的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。 要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用pid调节器进行控制，而采用plc参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。（4）变频控制原理 用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门等来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是：1、 起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；2、 由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；3、 可以消除起动和停机时的水锤效应； 一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。 在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用pid调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由pid调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有pid调节功能时，只要在预置时设定pid功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。（5）恒压供水系统特点1、 节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；2、 节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；3、 运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。4、 联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。5、 控制灵活：自动/手动选择自由选择电机的控制工作方式。6、 自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。2.3 系统控制方框图 本控制系统有可编程控制器plc（fx2n-64mr）、fx0n-3a a/d、d/a转化一体化模块（a/d转换模块、d/a转换模块）、变频器（fr-a540）、触摸屏（f940got）、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框图如图2-3-1所示。水 压压力传感器plcd/a转换触摸屏显示控制回路 本控制系统有可编程控制去（plc）、a/d转换模块、d/a转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框图如图1所示。路电机保护水泵电机变频器a/d转换图2-3-1恒压供水控制系统示意图第三章 系统硬件选型 3.1 plc可编程控制器部分3.1.1 plc概述 （1） plc概述可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称plc。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，plc无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的plc已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会(nema)将其正式命名为可编程控制器(programmable controller)，简称pc，但是为了和个人计算机(persona1 computer)的简称pc相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为plc。plc是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程plc是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似，可编程控制器由硬件和软件组成。（2） plc 的组成1、plc的硬件组成plc的硬件部分由中央处理器（cpu），存储器（ram、rom、eprom、eeprom等），输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程接口，智能i/o接口智能单元等组成。plc硬件的基本结构如图3-1-1 1）中央处理器（cpu）cpu 单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是plc的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方电源中央处理器（cpu）输出单元输入单元系统程序存储器用户程序存储区主机用户输入设备存储器外设接口i/o扩展口编程器打印机plc . . .i/o扩展单元特殊功能单元用户输出设备图3-1-1 plc硬件的基本结构图式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。2）存储器存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（ram）和只读存储器（rom）。随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。如关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存5年，电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦除rom，这种rom只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除rom，这种rom 经过擦除以后可以重写。其中eprom只能用紫外线探险内部信息，e2prom可以用电擦除内部电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留10年左右。3）输入、输出接口输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是plc与现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。plc通过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到plc外部，输出模块具有隔离plc内部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是用于扩展输入输出单元。它使plc的控制规模配置得更加灵活。这种接口为总线形式，可以配置开关量的i/o单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊i/o单元及通信适配器等。编程器接口是连接编程器的，plc本体通常是不带编程器的。为了能对plc编程及监控，plc上专门设置有编程器接口。通过这个接口为了接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。存储器接口是为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在微机与plc、plc与plc之间建立通信建立通信网而建立的接口。4）电源plc一般使用220v单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证plc的正常工作。对于小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可以为cpu、i/o单元及扩展单元提供直流5v工作电源，另一方面可为外部输出原件提供直流24v电源。5）扩展接口扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使plc得配置更加灵活，以满足不同控制系统的需求。6）通信接口为实现“人机”或“机机”之间的对话，plc配有多种通信接口。plc通过这些接口可以与监视器、打印机及其他的plc或计算机相连。当plc与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器（crt）相连时，可将控制过程图像显示出来；当与其他plc相连时，可以组成多机系统或联成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合控制。7）智能单元各型plc都有一些智能单元，他们一般都有自己的cpu，具有自己的系统软件，能独立完成一项专门的工作。智能单元通过总线与主机相联，通过通信方式接受主机的管理。常用的智能单元有a/d单元、d/a单元、高速计数单元、定位单元等。2、plc的软件组成仅有硬件是不能构成plc的，没有软件的plc是什么事情也干不成的。可编程序控制器的软件部分由系统程序和用户程序两大部分组成。1）系统程序由plc制造商固化在机内，用以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。系统程序分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用子程序模块。2）用户程序用户程序是plc的使用者编制的针对控制问题的程序。它是用梯形图或某种plc指令的助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，其他助记符形式随plc型号的不同而略有不同。用户程序是线性地存储在监控程序指令的存储区间内的，它是最大容量也是由监控程序限制的。3、可编程序控制器的用途plc的应用越来越广泛，广泛应用于钢铁、水泥、石化、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。plc的应用通常可分为五种类型：1）顺序控制，2）运动控制，3）闭环过程控制，4）数据处理，5）通信和联网。4、可编程序控制器的特点1）抗干扰能力强，可靠性高；2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活；3）编程方便，易于使用；4）功能完善，扩展能力强；5）plc控制系统设计、安装、调试方便；6）维修方便，维修工作量小；7）结构紧凑，体积小、重量轻易于实现机电一体化。3.1.2 plc选型和性能指标（1）plc的性能指标1、硬件指标硬件指标主要包括环境温度、环境湿度、抗振、抗冲击、抗噪声冲击、耐压、接地要求和使用环境等。由于plc是专门为适应恶劣的工业环境而设计的，因此plc一般都能满足以上硬件指标要求。2、软件指标1. 编程语言：不同机型的plc，具有不同的编程语言。常用的编程语言有梯形图，指令表，控制系统流程图3种。2. 用户存储器容量和类型：用户存储器用来存储用户通过编程器输入的程序。其存储容量通常以字或步为单位计算，比如fx2的存储容量为2k步。常用的用户程序存储器类型有ram，eeprom，eprom 3种。3. i/o总数：plc有开关量和模拟量两种输入、输出。对开关量i/o总数，通常用最大i/o点数表示；对模拟量i/o总数，通常用最大i/o通道数表示。4. 指令数：用来表示plc的功能。一般指令数越多，其功能越强。5. 软元件的种类和点数：指辅助继电器、定时器、计数器、状态、数据寄存器和各种特殊继电器等。（2）plc的选型根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、i/o点数、以及设置数据需要得内存大小，本文中所选用的plc是三菱公司的产品fx2n系列，fx2n系列plc是超小型机，i/o点数最大可扩展的到256点。它有内置8k步的ram，使用存储卡盒后，最大容量可扩展到16k步。编程指令达327条。plc运行时，对一条基本指令的处理时间只要0.08us。它不仅能完成逻辑控制、顺序控制、模拟量控制、位置控制、高速计数等功能，还能做数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根以及浮点数运算、pid运算等更为复杂的数据处理。所以fx2n系列plc具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点。在fx2n系列plc基本单元上，可连接扩展单元、扩展模块以及各种功能的特殊单元、特殊模块，还可在基本单元左侧接口上，连接一台功能扩展板。完成fx2n系列plc与各种外部设备的通信，实现模拟量设定功能。通过功能扩展板还可将fx0n系列适配器与fx2n基本单元连接，增强plc与外部设备的通信功能。根据本系统的需求选择三菱公司的fx2n-64mr，fx2n-64mr的基本单元的型号规格见表3-1-2-1。plc的性能技术指标见表3-1-2-2。表3-1-2-1 fx2n-64mr的型号规格类型型号输入点数（24v）dc输出点数基本单元fx2n-64mr（t）3232表3-1-2-2 fx2n-64mr性能技术指标项目性能指标最大i/o点数256机型基本单元i/o点数64扩展单元5种扩展模块7种指令基本基本（顺序）指令20条，步进指令2条应用128种298条程序容量8000步ram可装eeprom、eprom储存卡盒处理速度0.08us/步辅助继电器一般用500点m0m499锁存用2572点m500m3071特殊用256点m8000m8255状态继电器初始化用10点s0s9一般用500点s0s499报警用100点s900s999定时器100ms200点t0t19910ms46点t200t2451ms4点t246t249（积算）100ms（积算）6点t250t255计数器增计数一般用100点（16位）c0c99锁存用100点（16位）c100c199加/减一般用20点（32位）c200c219锁村用15点（32位）c220c234高速用一相60khz2点，10khz4点，（32位增/减计数）数据寄存器两相30khz2点，5khz1点，通用数据寄存器一般用200点（16位）d0d199锁村用7800点（16位）d200d999特殊用196点（16位）d8000d8255变址用16点跳步指针跳步转移用128点p0p127中断用6点i00i50频率8点n0n7常数十进制k16位：32768+32767/32位：2147483648+2147483647十六进制h16位0ffff（h），32位0ffffffff（h）3.1.3 plc的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（run）状态与停止（stop）状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到stop工作状态。除了执行用户程序之处外，在每次循环过程中，可如上图编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查cpu模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信阶服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。可当编程序控制器处于停止（stop）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制器处于（run）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。在可编程序控制的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入印象寄存器和输出印象寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的印象存储区，它们统称为元件印象寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（on/off）状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入印象寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，对应的输入印象寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部外部输入信号的状态发生了变化，在输入印象寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，cpu从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入印象寄存器或别的元件印象寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件印象寄存器中，因此，各编程元件的印象寄存器（输入印象寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。在输出处理阶段，cpu将输出印象寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。梯形图某一输出继电器的线圈通电时，对应的输出印象寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出印象寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的印象寄存器为“1”状态时，称该编程元件为on，印象寄存器为“0”状态时，称该编程元件为off。 扫描周期可编程程序控制器在run工作状态时，执行一次下图所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和cpu执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间再扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。3.1.4 plc的基本指令plc的simatic指令有梯形图lad（ladderprogramming）、语句表stl （statement list）和功能图fbd （function block diagram）3种编程语言。（1）基本指令包括基本逻辑指令，算数、逻辑运算指令，数据处理指令，程序控制指令等。（2）梯形图直观易懂，与继电器控制电路图在结构形式、元件符号及逻辑功能等方面是相类似的，但他们又有很多不同之处。梯形图具有自己的特点及涉及规则。梯形图的特点：梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列；一般情况下，在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点（常开或常闭）可无限次引用；在每一逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方；在每一逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边；梯形图中，不允许在一个触点上有双向“电流”通过；梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这 些逻辑行合并；如果电路结构复杂，用anb、orb等指令难以处理时，可以重复使用一些触点改成等效电路，在进行编程；设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开进行设计更为合适，不易出错。（3）功能图是一种用于描述顺序控制系统控制过程的一种图形。它具有简单、直观等特点，是设计plc顺序控制程序的一种有力工具。它由步、转换条件及有向连线组成。3.2 变频器的概述及选型 （1）变频器的概述由于交流电动机具有一些固定的优点：1. 容量、电压、电流和转速上限不像直流电动机那样受限制；2. 结构简单、造价低；3. 坚固耐用，事故率低，易维护。在交流异步电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。采用通用变频器对笼型异步电机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高，并且经济效益显著，得到了大量的推广。根据异步电机的转速表达式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速no，从而实现异步电动机的无级调速，从机械特性分析，其调速性能比调磁极对数和转差率好得多，近似直流电动机调压的机械特性。（2）变频器的选用：变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。选取fr-a540变频器来恒压供水的调压。1、主电路接线电源必须接r、s、t，绝对不能接u、v、w，否则回损坏变频器。在接线时不必考虑电源的相序。使用单相电源时必须接r、s端。电动机接到u、v、w端子上。当加入正传开关（信号）时，电动机旋转方向从轴向看时为逆时针方向。2、主电路接线端子1） 交流电源输入端子r、s、t：连接工频电源，当使用高功率因数转换器选件时，确保这些端子不连接高功率因数转换器。2） 变频器输出端子u、v、w：接三相笼型异步电动机。3） 控制电路电源输入端子r1、s1：与交流电源端子r、s连接。在保持异常显示和异常输出时，或当使用高功率因素转换器时，必须拆下r-r1和s-s1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。4） 连接制动电阻器端子p/+、pr：拆开端子pr-px之间的短路片，在p/+与pr之间连接选件制动电阻器。5） 连接制动单元端子p/+、n/-：