恒压变频供水控制系统的设计.doc

摘 要本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统的设计是基于西门子 S7-200 系列 PLC 控制的变频供水系统，本文介绍了该控制系统的节能原理、系统构成和工作原理。通过PLC 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经 PID 运算，PLC 进行控制变频和工频切换，从而使闭环自动调节恒压，进行变量供水。本文在系统的设计部分，对硬件系统配置、选型和软件系统的流程设计、程序设计进行了详细的介绍，并指出了系统设计过程中存在的问题，给出相关解决方法。关键词：PLC 变频调速 恒压供水IIABSTRACTAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. The design of the system is the VF water supply systems that controlled by PLCof Siemens S7-200 series. The paper introduced the principle of energy saving,system structure and working principle of this control system. By the logic control of PLC, pressure adjustment of the frequency converter, operation of PID, PLC controls the switchover between variable frequency and power frequency, which automatically makes the closed-loop adjust constant pressure and conduct the variable water supply. Of the system design, it gives a comprehensive introduction of hardware system configuration, selection, software system process design, and process design. It also points out the problems that existed in design process and gives the related solutions.Key words: PLC variable frequency speed-regulatingconstant-pressure water supply目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1引 言11.2恒压变频供水的意义21.3恒压变频供水的现况31.3.1恒压变频供水国内外的发展情况31.3.2恒压变频供水的优点41.3.3恒压变频供水系统应用范围41.3.4恒压变频供水系统功能设计要求4第2章系统的理论分析与设计62.1恒压变频供水的原理和方法62.2电动机调速原理72.3变频恒压供水的节能原理72.4控制系统方案的设计与选择92.5变频恒压供水系统的构成102.6变频恒压供水的控制流程12第3章恒压变频供水的硬件设计143.1 PLC的选型143.1.1 PLC简介143.1.2 PLC的选型153.1.3 PLC的I/O口分配163.2变频器的选型173.2.1变频器简介173.2.2变频器的选型183.2.3变频器外围端口接线及功能203.3压力变送器的选型223.3.1压力变送器的作用223.3.2压力变送器的选型233.3.3压力变送器的接线233.4水泵机组的选型243.4.1水泵机组的选型原则243.4.2水泵机组的选型243.5系统硬件电路设计253.5.1系统主电路设计253.5.2系统控制电路要求263.5.3系统控制电路设计273.5.4系统控制指示电路设计29第4章恒压变频供水系统软件设计304.1总体流程设计304.11手动运行流程设计304.12自动运行流程设计324.2各个模块梯形图设计354.21软原件设计354.22手动控制程序设计364.23自动控制程序设计384.24初始化程序设计414.3 PID控制器参数整定454.31 PID控制及其算法454.32 PID算法在S7-200中的实现47第5章恒压变频供水系统调试分析485.1 硬件功能调试485.2 系统手动调试485.3 系统自动调试49结 论50致 谢51参考文献52附 录54附录154CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIIChapter 1 Introduction11.1Introduction11.2The significance of constant pressure water supply 21.3 Current status of constant pressure water supply31.3.1Constant pressure water supply developments31.3.2The advantage of constant pressure water supply41.3.3Constant pressure water supply system applications41.3.4Constant pressure water supply design requirements4Chapter 2 System Analysis and Design Theory62.1Constant pressure water supply principles and methods62.2Motor speed control principle72.3Constant pressure water supply of energy conservation principle72.4 Control System Design and Selection92.5 Constant pressure water supply system structure102.6Constant pressure water supply control flow12Chapter 3 Hardware Design of constant pressure water supply143.1 PLC Selection143.1.1 PLC Introduction143.1.2 PLC Selection153.1.3 PLCs I / O port assignment163.2Inverter Selection173.2.1Inverter Introduction173.2.2Inverter Selection183.2.3 Wiring the inverter peripheral ports and functions203.3Selection pressure transmitter223.3.1The role of pressure transmitter223.3.2Selection pressure transmitter233.3.3Pressure transmitter wiring233.4Selection of pump unit24 3.4.1Water pump selection principle243.4.2Selection of pump unit243.5System hardware circuit design253.5.1System main circuit design253.5.2The system control circuit requires263.5.3Design of the system control circuit273.5.4System control instructions Circuit Design29Chapter 4 Constant pressure water supply system software design304.1Overall process design304.11Process Design Manual operation304.12Automatic operation process design324.2Ladder design of each module354.21Soft Original Design354.22Manual control program design364.23Automatic Control Program Design384.24Initialization program design414.5 PID controller parameter tuning454.51 PID control and its algorithm454.52 PID algorithm in the implementation of the S7-20047Chapter 5 Constant pressure water supply system debugging485.1 Debugging hardware functions485.2 System manual debugging485.3 Commissioning the system automatically49Conclusions50Acknowledgements51References52Appendix54Appendix154第1章 绪 论1.1引 言众所周知，水是生活中不可缺少的一部分。随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市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、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。我国对城市水工业系统的研究和应用非常重视，把降低能耗确定为我国供水行业的主攻方向之一。为了实现这个主攻方向，就要求对自来水行业的生产设备、自动化设备进行节能改造，采用新的节能技术，实现水厂降低能耗的目的。在自动送水控制子系统中，主要就是要降低电耗。电费是供水系统的主要生产成本之一，而水泵电耗占供水系统用电量的 70%以上，因此水泵成为供水行业节能的主要对象。在水处理行业中，普遍存在着水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，通过调节阀门来调节用水需求，尽管仍能满足用户的用水需求，但是不仅供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。水泵调速是水泵节能的有效措施。实现水泵机组的节能调速的方式有很多种，如调压调速、变极调速、串极调速、液力耦合器调速、滑差电机调速等。但后来发展起来的交流电机变频调速技术，在调速范围、动态响应、工作效率、调速精度、输出特性等方面的性能均优于其它调速方式。随着该技术的日益完善、变频器价格的大幅下调，变频调速技术在供水行业的应用将越来越实用，也越来越广泛。变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来。由于变频调速具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。变频调速主要用变频器来实现。变频器是一种以变频调速技术为基础，通过改变频率调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，在水处理行业的应用将会越来越广阔。1.2恒压变频供水的意义我国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，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，谁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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质量的安全与可靠性。而恒压供水系统的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。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。而恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。所以，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.3恒压变频供水的现况1.3.1恒压变频供水国内外的发展情况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SAMC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”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID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PLC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。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要 采用进口元件组装或直接进口国外变频器，其发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内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、网络和通讯同时兼顾系统的电磁兼容性，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究的不够。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、生产实践中。1.3.2恒压变频供水的优点1.高效节能:变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在30%-40%。2.恒压供水:该系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在 用水高峰期用户用水困难的情况。3.自动运行、安全可靠:恒压变频供水系统具有过电流、过电压、欠电压、断相、短路保护、瞬时停电保护、低液位保护等功能。全自动控制，自动运行。4.占地少、投资小:新型的变频恒压供水系统在水池上直接安装立式泵，控制期间只要安放一到两个控制柜，体积小，整个系统占地小，可节省投资。1.3.3恒压变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范大致分为三类：1.小区供水变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kv以下，控制系统简单。由于这个范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。2.国内中小型供水厂变变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kW-320kW之间，电网电压通常为220V或380V。 3.大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多采用高压变频系统。1.3.4恒压变频供水系统功能设计要求对变频恒压供水自动控制系统的基本技术要求,项目建设部门和供用水管理机构都有严格的标准和考核指标,可以归纳为:(1)保证供水压力恒定，并达到规定的稳压精度；(2)具有工作泵和备用泵定时切换功能,防止水泵长期闲置造成的锈蚀；(3)基本操作模式应包括:/手动工频/手动变频以及/全自动工作方式；(4)在线修改工作参数,包括:压力和保护阀值设定、变频器工作频率限制、水、泵投入运行的次序、定时切换的时间以及PID参数等；(5)完善的保护措施,包括:超水压、电机过载、水箱缺水、变频器故障等常见系统故障；(6)故障自诊断及处理；(7)良好的元器件品质,采用包括国际知名品牌的变频器、人机界面(HMI)、低压电器等关键部件；(8)在硬件和软件的设计上保证系统的可移植性和扩展,以降低产品二次开发和改进的成本。随着3C技术(计算机、通信、控制)的快速发展,楼宇智能化技术也在不断发展,人们对自动供水系统也提出了新的要求,为进一步提高恒压供水自动控制系统的性能，并以信息化和远程监控自动化为主要目标的计算机监控系统成为智能化大楼(小区)的必然选择借助于计算机和网络技术在智能楼宇的广泛应用,建立由工业控制计算机和可编程序控制器(PLC)组成的可进行远程控制的变频恒压供水自动控制系统,同时扩展其在下列几个方面的功能:(1)通过控制中心,实时掌握泵房的运行状态；(2)在线干预系统的运行,包括设置参数,改变水泵的工作次序等；(3)便于用水状况进行分析,为节能源或提高设备运行寿命提供科学依据；(4)便于设备的故障检修和日常维护；(5)实现真正意义的无人值守第2章系统的理论分析与设计2.1恒压变频供水的原理和方法恒压变频供水系统不仅是采用电机调速装置控制水泵的运行状态，并能根据反馈信息调节泵组运行台数，完成恒压供水的闭环控制的系统。系统的控制目标是泵站出水压力，按需求为系统设定供水压力值，与总管反馈的实际压力进行PID调节，之后通过控制调速装置调节泵组的运行速度，从而调节系统的供水压力。变频恒压供水技采用变频器控制水泵向管网供水，由水压传感器反馈信号与水压设定值在PID调节器和变频器中形成闭环系统，以保证水压恒定2。压力比较控制算法变频器水泵机组压力检测仪表 图2-1恒压变频供水系统框图如图，压力检测装置可以检测供水系统的水压。当管网压力低于设定压力值时，通过压力传感器返回值和设定压力值的比较，我们就可以得到正的压力差，然后系统将差值转换，计算出变频器输出所需增加的频率，将增量和变频器当前的输出值相加，得到新的输出频率。这样输出频率变大使水泵机组转速增大，从而使管网供水压力提高。2.2电动机调速原理变频恒压供水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成，通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵来供水，并且把电机和水泵做成一体。变频供水系统是通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。异步电机的转差率定义为： s=1-(n/n0) (2-1)异步电机的同步速度为： n0=60f/p (2-2)异步电机的转速为： n1=60f(1-s)/p (2-3)式中 n0异步电机的理想空载转速n1异步电机转子转速F 异步电机的定子供电电源频率P 异步电机的极对数2.3变频恒压供水的节能原理供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水量间的关系。如图2.1中交点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2-2供水系统的基本特性曲线对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。如前所述，流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：(1)供水能力用水需求，则压力上升；(2)供水能力用水需求，则压力下降；(3)供水能力=用水需求，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处的满足了用户所需的用水流量。2.4控制系统方案的设计与选择该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：1.有供水基板的变频器十水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单,它将PDI调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上,通过设置指令代码实现PLC和PDI等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PDI调节参数寻优困难,调节范围小,系统的稳态、动态性能不易保证、其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,数据通信困难,并且限制了带负载的容量,因此仅适用于要求不高的小容量场合。2.通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性能价格比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差,同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。3.通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和FO的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出：变频器主电路十PLC(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.5变频恒压供水系统的构成由于本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水,我们以三台水泵组成的供水系统为例,其原理框图如图2-2所示。图2-3恒压变频供水系统组成原理框图从上面的原理框图,我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、以及报警装置等部分组成。1.执行机构执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网,图中的3个水泵分为三种类型:(1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定。(2)恒速泵:水泵运行只在工频状态,速度恒定,它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充。当水泵采用循环的控制方式时,Ml、M2、M3既可以做调速泵,也可以做恒速泵。2.信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号和报警信号：(1)水压信号：它反映的是永辉管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。(2)报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3.控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。(1)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。其工作方式为：变频器拖动某一台水泵作为调速泵,当这台水泵运行在50Hz时,其供水量仍不能达到用水要求,需要增加水泵机组时,系统先将变频器从该水泵电机中脱出,将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。(2)电控设备:它是由一组接触器、继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等工作。2.6变频恒压供水的控制流程整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。其需要完成的控制流程如图2-4所示:图2-4变频恒压供水系统控制流程图流程图说明如下:(1)系统上电，按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先启动变频器拖动水泵Ml,通过恒压控制器,根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率,控制Ml的转速,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Ml工作在调速运行状态。(2)当用水量增加水压减小时,通过压力闭环和恒压控制器,增加水泵的转速到另一个新的稳定值,反之,当用水量减少水压增加时,通过压力闭环和恒压控制器,减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3)当用水量继续增加,变频器的输出频率达到上限频率50Hz时,若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力,并且满足增加水泵的条件时,在变频固定式的控制方式下,系统将变频器的输出的频率降为下限频率的同时开启一台恒速水泵。在变频循环式的控制方式下,系统将电机Ml切换至工频电网供电后,Ml恒速运行,同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行,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,满足增加水泵的条件,将继续发生如上转换,并有新的水泵投入并联运行。当最后一台水泵M3投入运行,变频器输出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用水量下降水压升高,变频器的输出频率降至下限频率,用户管网的实际压力水压仍高于设定压力值,并且满足减少水泵的条件时,系统将先运行的那台恒速水泵关掉,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,并且满足减少水泵的条件时,将继续发生如上转换,直到剩下一台变频泵运行为止。第3章恒压变频供水的硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1 PLC简介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。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。3.1.2 PLC的选型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1。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，包括机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等15。西门子S-200系列PLC的型号有：S7-221， S7-222 ，S7-224 ， S7-226如表3.1。表3.1西门子PLC S7-200系列分类型号概述7-221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。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。具有PID 控制器。1 个RS485 通讯/编程口，具有PPI 通讯协议和自由方式通讯能力。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。，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。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。从表中分析可以知道，系统共有开关量输入点14关量输出点7；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）这样的配置是最经济的。3.1.3 PLC的I/O口分配本系统采用SIMATIC S7-200 系列PLC，型号为S7-224，本机集成14输入/10输出，共24个数字量I/O点，和35路模拟量I/O点。其具体I/O外围接线图如下图所示：图3-1 PLC的I/O接口外围接线图3.2变频器的选型3.2.1变频器简介通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。其总的选用原则是在满足控制要求的前提下，尽可能考虑系统的投入成本。要根据负载的具体要求，比如需要考虑系统特性、负载的起动转矩、调速范围等参数，选择性价比相对较高的类型和品牌。选择时还需注意一个问题是一定按照变频器说明书内规定配用电机水泵容量11。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。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”。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。3.2.2变频器的选型目前，国内外通用变频器品牌很多，国外市场占用率较高的有西门子、ABB、安川、三菱等品牌；国内有森兰、四方、台安等众多品牌。通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。其总的选用原则是在满足控制要求的前提下，尽可能考虑系统的投入成本。要根据负载的具体要求，比如需要考虑系统特性、负载的起动转矩、调速范围等参数，选择性价比相对较高的类型和品牌。变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。要对系统所用的变频器进行选型,首先得确定变频器的容量,方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量在一台变频器驱动一台电机连续运转时,变频器容量(KVA)应同时满足下列公式： （3.1） （3.2） 式中: PM 负载所要求的电动机的输出功率；PCN 变频器的额定容量（kVA）；电动机的功率因数（通常在0.8以上）； UM 电动机电压（V）；IM 电动机工频电源时的电流（A）； k 电流波形的修正系数，这些公式是统一的，选择变频器的容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其是变频器电流时一个较关键的量。根据控制功能不同,通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能变频器。供水系统属泵类负载,低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。综合以上因素,系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX, 此为富士变频器低噪声高性能多功能变频器,为风机、泵用的P11S系列，功率范围为7.5-500KW，该系列有自带的操作面板。功率大于75KW以上的，有自带直流电抗器。可以使用延伸电缆选件,可简单地实现远方操作。高性能和多功能的理想结合,动态转矩控制,能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制,具有PG反馈更高性能的控制系统,新方式在线自整系统,能使电机低转速时脉动大大减小,更方便了使用的键盘面板,适应了各种环境的结构。其特点为:采用富士电机独自开发的动态转矩矢量控制方式,在0.5Hz时的启动转矩可达到200%；具有包括自整定功能在内的许多方便功能;小型、全封闭防护结构（22KW），容量范围0.2-400KW，机种规格齐全。P11S系列有它内在的性能以及功能，即动态转矩矢量控制、带PG反馈更高的性能的控制系统、电动机低转速时脉动大大减小、新方式在线自整系统、优良的环境兼容性。具有各种通信功能，丰富的使用功能，保护功能，变频器内置PID控制板块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。富士FRN55P11S -4CX变频器的主要性能及参数为：额定容量： 85（KVA）额定输出电流：112（A）过载容量： 110%额定输出电流、1分钟启动转矩： 50%以上适配电机容量：55（KW）富士FRN55P11S变频器是风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器;可选用自动和手动的转矩提升功能,保证最佳的启动;加速时间设定范围宽（0.01秒到3600秒），具有S形加减速功能和曲线加减速功能,让加减速过程变得缓和,防止冲击和载物倒塌;直流制动功能,制动时间在0一30秒范围可调，保证快速可控的制动,不需要外接电阻;内置PID模块,可用于闭环控制;多种频率设定方式;多种附加功能;五路晶体管输出。在I/O接口特征上,富士FRN55P11S-4CX变频器有9个可设定的开关量输入口,给操作者极大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动)；四路可设定的开路集电极晶体管输出,可用于频率到达、频率检测、过载、运行等多种提示;而RS-85接口,可实现远程通信。在保护功能上,富士FRN55P11S-4CX变频器具有过电压/欠电压保护、短路保护、过热保护、PTC热敏电阻保护、电机锁死保护、缺相保护、电涌保护、失速保护、CPU/存贮器异常保护等。3.2.3变频器外围端口接线及功能1.变频器端口介绍本系统采用富士FRN55P11S型变频器。系统中R0、T0为变频器电源端，当KA1闭合时，变频器自动运行，13、12、11端口作为输入量可调节变频器压力值，当输入点X1、CM接通变频器实施报警复位，端口11端接DC24-，C1为电流量输入点接压力变送