毕业论文PLC变频器在恒压供水上的应用.doc

连云港职业技术学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 学 号： 所在学院： 专 业： 设计(论文)题目： 指导教师： PLC 变频器在恒压供水上的应用摘 要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。关键词：变频调速，PLC，恒压供水，自动控制 PLC FREQUENCY CONVERTER IN THE APPLICATION OF CONSTANT PRESSURE ON THE WATERABSTRACTBuilding the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task. Be centralized according to the university water used time, the water consumption change major characteristic, analyzed the campus original water supply system existence cost to be high, the reliability was low, the water resources waste, the pipe network system treated the consummation the question. Proposed that draws water the way which using the running water hydraulic pressure water supply and the water pump unifies, and matches by the inverter, the soft starter, PLC, Micro reveals the compensator, the pressure transmitter, the fluid position sensor and so on. according to the network management pressure, controls water pumps rotational speed through the inverter, causes in water pipes pressure maintains at throughout the appropriate scope, thus may solve the problem which the floor high pressure is too insufficient when small current capacity the energy consumption is big.Moreover the water pump consumes the electric power and the electrical machinery rotational speed is proportional three cubed the relations, therefore the water pump velocity modulation movements energy conservation effect is obvious, the average power consumption usual water supply way saves 40%.The union uses the programmable controller, may realize the main pump frequency conversion, the auxiliary pump soft start, has the short circuit protection, the overflow protection function stably, the work reliable, lengthened electrical machinerys service life greatly.Key words: variable frequency and speed regulation,PLC, water supply of constant pressure, automatic control目录摘要ABSTRACT目录第一章 绪论1.1变频恒压供水产生的背景和意义1.2变频恒压供水系统的国内研究现状第二章 变频恒压供水系统结构及工艺流程2.1 恒压供水系统原理2.2 工艺流程第三章 硬件设计方案3.1主要器件选型 3.1.1 PLC简介 3.1.2 PLC的选型 3.1.3 变频器简介 3.1.4 变频器的选型3.2供水系统电气设计3.3变频器、PLC接线图及参数设置3.4 PLC I/O分配表第四章 软件设计方案 4.1 梯形图的基本绘制规则 4.2 程序流程图 4.3 程序清单总结致谢参考文献第一章 绪论1.1变频恒压供水产生的背景和意义水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。 供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统,变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。 从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。1.2变频恒压供水系统的国内研究现状目前，就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法：（1）水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点 这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。如图1-1所示。图1-1传统恒压供水方式（2）水池水泵高位水箱用水点 此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。（3）单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点 此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。1这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。水池水泵高位水箱用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。2但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘汰。单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。第二章 变频恒压供水系统结构及工艺流程2.1 恒压供水系统原理本文的供水系统可适用于生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水。以三台水泵组成的供水系统为例3，变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成。其工作过程：PLC首先检测给水池液位保护开关是否动作，否则直接由变频器启动第一台水泵；同时由远传压力表测出出水口管路水压，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值(设定上下限)比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。当变频器频率到达最大或最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。如图2-1所示。VY1EQSLHSLL水池泵1泵3泵2VY2生活用水压力检测PLC变频器消防用水如图2-1恒压供水系统由图可见市网来水用高低水位控制其EQ来控制注水阀YV1，它们自动把水注满水池，只要水位低于高水位，则自动向水池注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC最为报警用。位保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离相差不是很大。生活供水和消防供水公用三个水泵。平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少按一定逻辑控制运行，使生活供水在恒压条件下运行。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台水泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态下进行。火灾结束后，三台水泵再改为生活供水使用。对生活/消防恒压供水的要求：1.生活供水时，系统应低恒压值运行；消防供水时，系统应高恒压值运行。2.三台水泵根据恒压的需要，采取“先开后停”的原则接入和退出。3.在用水量较小时，如果一台泵连续运行超过3小时，则要切换到下一系统，具有”倒泵功能”避免某一台泵工作时间过长。4.要用完善的报警功能。5对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。2.2 工艺流程系统采用3台水泵并联运行方式，把水泵M1，M2，分别和电网及变频器连接，实现变频运行。为保护电机，水泵，M2和M3可以通过变频器逐步启动，启动参数可调，即平滑加速，减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的运行频率。如图2-2所示。升压控制 系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态。系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态。当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速。当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频(即5O Hz)时，水压仍低于设定值，PLC自动将第二台泵M2启动投入到变频运行，同时将变频泵M1切换到工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频(即5O Hz)时，水压仍低于设定值，PLC自动将最后一台水泵M3启动投入到变频运行，同时将变频泵M2切换到工频运行，系统恢复对水压的闭环调节。此时如果变频器输出频率达到工频及3台泵全负荷工作，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警。降压控制 当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行的水泵M3关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。当一台水泵变速运行，用水量接近于零，水泵最小转速为临界转速时(这是变速运行水泵最小工作转速)，可根据这一工作状态的长短和系统用水的特点，使系统转入间歇运行或小容量水泵运行。开始液位检测报警NYM1变频运行压力检测NM1工频运行 M2变频运行Y压力检测YNM1工频运行 M2工频运行 M3变频运行压力检测YNM1工频运行 M2工频运行 M3工频运行超过设定值超过设定值压力检测超过设定值报警如图2-2 工作流程图第三章 硬件设计方案3.1主要器件选型 3.1.1 PLC简洁PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。一、PLC具有以下特点：1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。二、PLC的应用领域：目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。三、PLC的国内外状况：在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。四、PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1、CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2、I/O模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。3、常用的I/O分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。4、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。5、底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 3.1.2 PLC的选型目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。美国：AB（allen-bradly）、GE（generalelectric）；欧洲：德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）；日本：三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。此外控制工程网版权所有，国内市场上还有韩国、台湾地区等PLC产品。现有的PLC种类繁多，型号齐全。要根据工业的实际需要选择合适的PLC。我国工业企业的自动化程度普遍较低，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器控制。加入我WTO后控制工程网版权所有，中国正日益成为世界新的制造业基地，制造业的控制主要以逻辑控制为主，大量传统产业的自动化改造也为PLC的应用提供广阔的发展空间。ARC咨询集团近期发布的中国可编程序控制器（PLC）展望报告指出：中国制造业增长迅速，某些行业的增长率甚至达到20%。在未来五年内，中国PLC市场的综合年增长率预计将达到14.1%。由于种种原因，国产品牌的PLC在国内PLC市场份额所占比例很小，一直没有形成产业化规模，中国目前市场上95%以上的PLC产品来自国外公司。目前中国PLC市场主要厂商为siemens、mitsubishi、omron、rockwell、schneider、ge-fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型plc领域也有一定市场份额。 2003年10月，国内媒体开始关于中国PLC市场的研究，依据得到的样本分析，初步得出正在使用的众多plc的品牌中，西门子、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些品牌的plc产品，而rockwell/ab、ge-fanuc和富士等品牌也占有相当的市场份额。综合考虑，选择西门子S-200系列的PLC较为合适。SIMATIC S7-200 系列PLC 适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200 系列具有极高的性能/价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床 磨床 印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统S7-200 系列PLC 可提供4 个不同的基本型号的8 种CPU 供您使用。如表3-1西门子S-200系列PLC的型号有：S7-221, S7-222 , S7-224 , S7-224XP , S7-226 表3-1 西门子PLC S-7 200系列分类型号概述S7-221本机集成6 输入/4 输出共10 个数字量I/O 点。无I/O 扩展能力。6K 字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz 高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。S7-222本机集成8 输入/6 输出共14 个数字量I/O 点。可连接2 个扩展模块，最大扩展至78 路数字量I/O 点或10 路模拟量I/O 点。6K 字节程序和数据存储空间。4 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。S7-224本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。S7-224XP本机集成14 输入/10 输出共24 个数字量I/O 点，2 输入/1 输出共3 个模拟量I/O 点，可连接7 个扩展模块，最大扩展至168 路数字量I/O 点或 38路模拟量I/O 点。22K 字节程序和数据存储空间，6 个独立的高速计数器(100KHz)，2 个100KHz 的高速脉冲输出，2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID 功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O 和强大控制能力的新型CPU。S7-226本机集成24 输入/16 输出共40 个数字量I/O 点。可连接7 个扩展模块，最大扩展至248 路数字量I/O 点或35 路模拟量I/O 点。26K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的30kHz 高速计数器，2 路独立的20kHz 高速脉冲输出，具有PID 控制器。2 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些4 复杂的中小型控制系统。控制系统的输入输出信号的代码、名称及地址编号如表3-3所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。从表中分析可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选择XP222 PLC，也需要扩展单元，如果选择XP226 PLC，则价格较高，浪费较大。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选主机为CPU为XP224 PLC（14/10继电器输出）一台，加上一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置时最经济的。如图3-1主机单元CPU 224AC/DC继电器模拟量单元EM 2354AI/IAO图3-1PLC系统配置图 3.1.3 变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要是由主电路、控制电路组成。如图3-2图 3-2变频器电器原理图主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：n=2*60f(1-s)/q ( q-电机极数 s-转差率) （3-1）由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。 (T=Te, P60Hz时，X会相应减小。对于电机来说， T=K*I*X (K-常数，I-电流，X-磁通) （3-4）因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。 结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。变频器中常用的控制方式：2.1 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 2.2 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。 3.1.4 变频器的选型变频器选型时要确定以下几点： (1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 (2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 (3) 变频器与负载的匹配问题； I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 (4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。 (5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。 (6) 对于一些特殊