PLC控制的恒压供水系统.doc

毕毕 业业 设设 计计 题目 PLC 控制的恒压供水系统 系别 机 电 系 专业 机电一体化 班级 姓名 学号 指导教师 日期 I 设计任务书 设计题目 设计题目 PLC 控制的恒压供水系统 设计要求设计要求 1 设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统 2 本系统主要以 PLC 来控制 按照控制要求选择器件 设计其硬件主控电路 3 根据要求选择相应的传感器 驱动电机 阀门等 4 按照设计要求设计相应算法 编制相应的 PLC 控制程序 设计进度要求 设计进度要求 第一周 观察恒压供水实验箱 了解单容水箱说明书 第二周 根据设计要求考虑设计思路 第三周 选择控制电路的传感器 电机 阀门等 第四周 查找资料 编写 PLC 控制主程序 第五周 程序编好后进行初步调试 修改 第六周 将电子稿教给老师检查 第七周 修改电子稿 打印论文 第八周 准备毕业答辩 指导教师 签名 指导教师 签名 II 摘 要 本论文主要阐述近年来我国中小城市发展迅速 集中用水量急剧增加 供水方 面迫切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 针对当前供 水系统中存在的自动化程度不高 能耗严重 可靠性低的缺点加以研究 开发出一 种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动和手动双重控制系统降 低能源消耗和资源浪费 从而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 全文共分为四章 第一章阐明了恒压供水系统控制的发展现状和意义 第二章 主要介绍了供水系统的工作原理 第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件 的选择 第四章详细阐述了系统软件的设计开发并对程序进行解释 本论文综合运用了可编程控制器 PLC 变频器 传感器 PID 等现代工业控 制常用的控制部件及其相关程序设计方法 所作的设计对同类系统的研究和开发具 有一定的参考价 关键词关键词 可编程控制器 PID 恒压供水 济源职业技术学院毕业设计 I 目目 录录 摘 要 II 1 恒压供水系统的现状 1 1 1 恒压供水系统的特点 1 1 2 变频调速及 PLC 在供水行业中的应用 1 1 3 设计任务及要求 3 2 恒压供水系统工作原理 5 2 1 系统工作过程 5 2 2 变频调速的节能 调速原理 7 3 系统的硬件工作原理及硬件选择 8 3 1 系统简介 8 3 3 PLC 选型 10 3 4 阀门的选择 14 3 5 水泵的选择 15 3 6 主电路设计 16 3 7 控制电路的设计 17 4 软件设计与实现 19 4 1 PLC 编程简介 19 4 2 PLC 接线图 23 4 3 程序的设计 25 4 4 恒压供水系统的程序语句表 26 4 5 模拟运行与调试过程 33 致 谢 34 参考文献 35 济源职业技术学院毕业设计 1 1 恒压供水系统的现状 1 11 1 恒压供水系统的特点恒压供水系统的特点 近年来我国中小城市发展迅速 集中用水量急剧增加 供水方面迫切希望通过 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 一天时间内 变化大 这种变化在几个小时内是几倍或十 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 1 21 2 变频调速及变频调速及 PLPLC C 在在供供水行业水行业中中的应的应用用 1 2 11 2 1 变频调速技术的特点及变频调速技术的特点及应应用用 作为高性能的调速传动 直流发电机 电动机调速控制方法长期以来应用广泛 但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦 价格也相当昂贵 使异步电机 实现性能好的调速一直是人们的理想 异步电机的调速方法很多 例如变极调速 有极调速 定子调压调速 变频调速等 但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的 应用 2 70 年代以后 由于微电子技术 电力电子技术和微处理机技术的发展 促使晶 体管变频器的诞生 晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点 而且调速 性能可以和直流电动机的调速性能相媲美 三相异步电动机具有维修方便 价格便 宜 功率和转速适应面宽等优点 其变频调速技术在小型化 低成本和高可靠性方 面占有明显的优势 到 80 年代末 交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟 的技术 它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流 再由 IGBT 或 GTR 模块等器件逆变成频率可调的交流电源 以此电源拖动电机在变速状态下运 行 并自动适应变负荷的条件 它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率 定转速的单一运行方式 从而达到节能目的 现代变频调速技术应用于电力水泵供 水系统中 较为传统的运行方式是可节电 40 60 节水 15 30 由于变频调速具有调速的机械特性好 效率高 调速范围宽 精度高 调整特 性曲线平滑 可以实现连续的 平稳的调速 体积小 维护简单方便 自动化水平 高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐 尤其当它应用于风机 水泵等大容量负 载时 可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果 变频调速系统主要设备是提供 变频电源的变频器 变频器可分成交流 直流 交流变频器和交流 交流变频器两 大类 目前国内大都使用交 直 交变频器 自从通用变频器问世以来 变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用 变频 调速恒压供水设备以其节能 安全 高品质的供水质量等优点 使我国供水行业的 技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃 恒压供水调速系统实现水泵电机无 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 在实际应用中得到了很大的发展 随着电力电子技术的飞 速发展 变频器的功能也越来越强 充分利用变频器内置的各种功能 对合理设计 变频调速恒压供水设备 降低成本 保证产品质量等方面有着非常重要的意义 新型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 恒压供水调速系统的这些优越性 引起国 内几乎所有供水设备厂家的高度重视 并不断投入开发 生产这一高新技术产品 目前该产品正向着高可靠性 全数字化微机控制 多品种系列化的方向发展 追求 3 高度智能化 系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发 智能楼宇 网络 供水调度和整体规划要求的必然趋势 在短短的几年内 变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程 早 期的单泵调速恒压系统逐渐被全新的系统所代替 虽然早期单泵调速系统设计简易 可靠 但是其电机深度调速造成水泵 电机运行效率低 而新的调速系统投资更为 节省 运行效率高 被实际证明是最优的系统设计 很快发展成为主导产品 1 2 21 2 2 可编程序控制器的特点及应用可编程序控制器的特点及应用 早期的可编程序控制器 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 在发达工业国家 PLC 已经广泛的应用在所有的工业部门 据 美国市场信息 的世界 PLC 以及软件市场报告称 1995 年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元 随着电子技术和计算机技术的发展 PLC 的功能得到大大的增强 具有以 下特点 1 可靠性高 2 具有丰富的 I O 接口模块 3 采用模块化结构 4 编程简单易学 5 安装简单 维修方便 由于 PLC 强大功能和优点 使得 PLC 在我国的水工业自动化中得到广泛的应用 PLC 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 SCADA 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 信息处理 设备运行状态监测以监测等 1 31 3 设计任务及要求设计任务及要求 本论文的设计课题是 PLC 控制的恒压供水系统软件设计 模拟的设计只是针对 单容水箱进行要求 在这里我们对实际的任务要求大体介绍一下 为以下两项内容 4 1 恒压供水系统的理论原理 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理 变 频器的节能 变频器的工况点的确定和能耗机理分析 以及系统调速范围的确定 2 系统软件设计与实现 主要介绍变频调速恒压供水软件的总体结构设计 设 备状态控制及数据管理 供水软件的数据库设计和供水监控软件结构设计都是采用 西门子 S7 200 编程软件而进行的 5 2 恒压供水系统工作原理 在大多数供水系统中 是通过变频器来改变水泵的转速 从而改变水泵工作点 来达到调节供水流量的目的 反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点 是指水泵在确定的管路系统中 实际运行时所具有的扬程 流量以及相应的效率 功率等参数 在调节水泵转速的过程中 水泵工况点的调节是一个十分关键的问题 如果水泵工况点偏离设计工作点较远 不仅会引起水泵运行效率降低 功率升高或 者发生严重的气穴现象 还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水 水泵在实 际运行时的工作点取决于水泵性能 管路水力损失以及所需实际扬程 这三种因素 任一项发生变化 水泵的运行工况都会发生变化 因此水泵工况点的确定和工况调 节与这三者密切相关 2 12 1 系统工作过程系统工作过程 根据现场生产的实际情况 白天一般只需开动一台大泵和一台小泵 就能满足 生产需要 小型机工频运行做恒速泵使用 大型机变频运行做变量泵 晚上用水低 峰时 只需开动一台大机就能满足供水需要 可以采用一大一小搭配的进行设计 即把 1 水泵电机 160KW 和 2 水泵电机 220KW 为一组 自动控制系统可以根据 运行时间的长短来调整选择不同的机组运行 分析自动控制系统的机组 1 2 水泵电机 工作过程 可分为以下三个工作 状态 1 1 电机变频起动 2 1 电机工频运行 2 电机变频运行 3 2 电机单独 变频运行 一般情况下 水泵电机都处于这三种工作状态之中 当管网压力突变时 三种工作状态就要发生相应转换 因此这三种工作状态对应着三个切换过程 1 切换过程 1 电机变频起动 频率达到 50HZ 1 电机工频运行 2 电机变频运行 系统开 始工作时 管网水压低于设定压力下限 按下相应的按钮 选择机组 运行 在 i P PLC 可编程控制器控制下 KM2 得电 1 电机先接至变频器输出端 接着接通变频器 FWD 端 变频器对拖动 1 泵的电动机采用软起动 1 电机起动 运行一段时间后 随着运行频率的增加 当变频器输出频率增至工频 即 50Hz 可编程控制器发 0 f 出指令 接通变频器 BX 端 变频器 FWD 端断开 KM2 失电 1 电机自变频器输出端 断开 KM1 得电 1 电机切换至工频运行 1 电机工频运行后 开启 1 泵阀门 1 泵 6 工作在工频状态 接着 KM3 得电 2 电机接至变频器输出端 接通变频器 FWD 端 变 频器 BX 端断开 2 电机开始软起动 运行一段时间后 开启 2 泵阀门 2 水泵电机 工作在变频状态 从而实现 1 水泵由变频切换至工频电网运行 2 水泵接入变频器 并启动运行 在系统调节下变频器输出频率不断增加 直到管网水压达到设定值 为止 ki PPP 2 切换过程 由 1 电机工频运行 2 电机变频运行转变为 2 电机单独变频运行状态 当晚上 用水量大量减少时 水压增加 2 水泵电机在变频器作用下 变频器输出频率下降 电机转速下降 水泵输出流量减少 当变频器输出频率下降到指定值 电机转 min f 速下降到指定值 水管水压高于设定水压上限时 2 电机 在 k P k PPff min PLC 可编程控制器控制下 1 水泵电机从工频断开 2 水泵继续在变频器拖动下变 频运行 3 切换过程 由 2 电机变频运行转变为 2 电机变频停止 1 电机变频运行状态 当早晨用水 量再次增加时 2 电动机工作在调速运行状态 当变频器输出频率增至工频 即 0 f 50Hz 水管水压低于设定水压上限时 2 电机 接通变频器 BX 端 i P i PPff 0 变频器 FWD 端断开 KM3 断开 2 电机自变频器输出端断开 KM2 得电 1 电机接 至变频器输出端 接通变频器 FWD 端 与此同时变频器 BX 端断开 1 电机开始软起动 控制系统又回到初始工作状态 开始新一轮循环 1 和 2 机组工作过程流程图如图 2 1 7 电机频率 工频和2 变频 电机 电网压力 电机 电网压力 变频停机 变频起动 工频停机 变频运行 变频运行 开始 变频起动 图 2 1 1 和 2 机组工作过程流程图 2 22 2 变频调速的节能 调速原理变频调速的节能 调速原理 水泵机组应用变频调速技术 即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转 速 可以相应地改变水泵转速及工况 使其流量与扬程适应管网用水量的变化 保 持管网最不利点压力恒定 达到节能效果 采用变频恒压供水系统除可节能外 还可以使水泵机组启动 降低了起动电流 避免了对供电系统产生冲击负荷 提高了供水供电的安全可靠性 另外 变频器本 身具有过电流 过电压 失压等多种保护功能 提高了系统的安全可靠性 目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机 根据交流电机的转速特性 电 机的转速 n 为 n 120 f 1 s p 式 2 1 式 2 1 中 s 为电机的滑差 s 0 02 p 为电机极对数 f 为定子供电频率 当水 泵电机选定后 p 和 s 为定值 也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比 频率越高 转速越高 反之 转速越低 变频调速是根据这一公式来实现无级调速 的 由流体力学知 管网压力 P 流量 Q 和功率 N 的关系为 N PQ 式 2 2 8 又功率与水泵电机转速成三次方正比关系 基于转速控制比基于流量控制可以 大幅度降低轴功率 1 水泵工作点的调节 交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有如下关系 式 2 3 1 60 s p f n 式中 p 极对数 s 转差率 因此不改变电动机的极对数 只改变电源的频率 电动机的转速就按比例变动 变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比 V F 曲线 设定加减速时间和转 矩补偿曲线 使电动机起动时转速从零开始逐渐升高 实现软启动 减少了启动电 流 在变频调速恒压供水系统中 通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转 速 n 从而改变水泵的转速 由于水泵的流量 扬程和消耗的功率都可以随其转速的 变化而变化 变频调速技术可以使水泵性能曲线改变 达到调节水泵工况 大大扩 展了水泵的高效运行范围 9 3 系统的硬件工作原理及硬件选择 3 13 1 系统简介系统简介 在变频调速供水系统中 是通过变频器来改变水泵的转速 从而改变水泵工作 点来达到调节供水流量的目的 反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点 是指水泵在确定的管路系统中 实际运行时所具有的扬程 流量以及相应的效率 功率等参数 在调节水泵转速的过程中 水泵工况点的调节是一个十分关键的问题 水泵工况点偏离设计工作点较远 会引起水泵运行效率降低 功率升高或者发生严 重的气穴现象 还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水 水泵在实际运行时 的工作点取决于水泵性能 管路水力损失以及所需实际扬程 这三种因素任一项发 生变化 水泵的运行工况都会发生变化 因此水泵工况点的确定和工况调节与这三 者密切相关 恒压供水是指用户端不管用水量大小 总保持管网中水压基本恒定 这样 既可满足各部位的用户对水的需求 又不使电动机空转 造成电能的浪费 为实现上述目标 需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号 调节水泵转速 从而达到控制管网中水压恒定的目的 变频器恒压供水系统如图 3 1 图 3 1 变频器恒压供水系统 10 该系统主要由 3 台水泵 1 台变频器 PLC 模拟量输入 输出块以及线性压力 传感器等组成 其中 PLC 模拟量输入块和压力传感器组成闭环反馈控制系统 PLC 控制各台水泵的运行状态 如工频运行 变频运行 停止 从而控制水泵的运行台 数 在大范围上控制供水的流量 PLC 内部 PID 调节器控制变频器对变频泵进行速 度调节 在小范围上控制供水的流量 水泵的速度调节采用变频调速技术 利用变 频器对水泵进行速度控制 采用 一变多定 的控制方式 并根据模拟量输入 输出 模块输出电流信号驱动变频水泵 3 23 2 工作原理工作原理 1 该系统有手动和自动两种功能和停水模式 1 手动运行 按下按钮启动或停止水泵 可根据需要分别控制 1 3 泵的启停 该方式主要 供检修及变频器故障时用 2 自动运行 合上自动开关后 1 泵电机通电 变频器输出频率从 0HZ 上升 同时 PID 调节 程序将接受到自压力传感器的标准信号 经运算与给定压力参数进行比较 将调节 参数送给变频器 如压力不够 则频率上升到 50HZ 1 号泵由变频切换到工频 对 2 号泵进行变频 变频器逐渐上升频率到给定值 加泵依次类推 如用水量减小 从先启的泵开始减 同时根据 PID 调节器给的调节参数使系统平稳运行 若有电源 瞬时停电的情况 则系统停机 待电源恢复正常后 系统自动恢复运行 然后按自 动运行方式启动 1 泵变频 直至在给定水压值上稳定运行 变频自动功能是该系统 最基本的功能 系统自动完成对多台泵软起动 停止 循环变频的全部操作过程 3 停水模式 当系统出现故障时会自动停机 不论上水泵过载还是水池没水 都会做出相应 的保护 不至于系统损坏 2 控制原理 通过安装在出水管网上的压力传感器 把出口的压力信号变成 4 20mA 的标准信 号送入 PLC 模拟量输入端口进行 PID 调节 经运算与给定压力参数进行比较 得出 一调节参数 送给变频器 由变频器控制水泵的转速 调节系统供水量 使供水系 统管网中的压力保持在给定压力上 当用水量超过一台泵的供水量时 通过 PLC 控 11 制切换器进行加减泵 根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变频器对 水泵的调速 实现恒压供水 当供水负载变化时 输入电机的电压和频率也随之变 化 这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统 此外 系统还设有多种保护 功能 尤其是硬件与软件备用水泵功能 充分保证了水泵的及时维修和系统的正常 供水 3 切泵工作过程 开始时 若 1 变频启动 转速从 0 开始随频率上升 如变频器频率达到 50HZ 而 此时水压还在下限值 延时一段时间 避免由于干扰而引起的误动作 后 1 切换 为工频运行 同时变频器频率由 50HZ 下降至 0HZ 2 号泵变频起动 如水压仍不满 足 则会启动 3 泵 切泵过程同上 同样 若 3 台泵都在运行 3 泵变频运行降到 0HZ 此时水压仍处于上限值 则延时一段时间后 1 泵停止 变频器频率从 0HZ 迅 速上升 若此时水压仍处于上限值 则延时一段时间后使 2 泵停止 这样的切泵过 程 有效的减少泵的频繁启停 同时在实际管网对水压波动做出反应之前 由于变 频器迅速调节 使水压平稳过渡 从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发 生 3 33 3 PLCPLC 选型选型 从上面的分析可以知道 系统共有开关量输入点 9 个 开关量输出点 8 个 如 果选用 CPU222 PLC 也需要扩展单元 PLC 参照西门子 S7 200 产品目录及市场实 际价格 选用主机为 CPU224 14 输入 10 继电器输出 根据我们的实际情况 这 里我们选用 CPU226 同时还加上一个扩展模块 EM235 输入 图 3 2 输出 图 3 3 模块 12 图 3 2 EM 235 的输入方框图 图 3 3 EM 235 输出方框图 3 3 13 3 1 CPU226CPU226 的输入输出地址分配表的输入输出地址分配表 1 输入如表 3 1 表 3 1 输入地址分配表 名称代码地址编码 FA 变频器故障 FAI0 0 1 过载 FR1I0 1 1 停止 SA1I0 2 2 过载 FR2I0 3 13 2 停止 SA2I0 4 3 过载 FR3I0 5 3 停止 SA3I0 6 水位上限 SHI1 0 水位下限 SLI1 1 变频器启动 SA7I0 7 模拟量输入 UpAIWO 2 输出如表 3 2 表 3 2 输出地址分配表 名称代码地址编码 1 变频 KM1Q0 0 1 工频 KM2Q0 1 2 变频 KM3Q0 2 2 工频 KM4Q0 3 3 变频 KM5Q0 4 3 工频 KM6Q0 5 启动变频器 KM7Q0 6 变频器复位 Q1 5 在变频器没有出现以前 调速系统一般采用直流调速图 但是由于结构上的原 因 直流电动机存在着很多缺点 诸如需要定期更换电刷和换向器 维护保养困难 寿命短 机构复杂 难以制造大容量 高转速 高电压的直流电动机等 所以人们 一直在寻找交流调速系统 而变频器的出现刚好解决了这个问题 与传统的交流拖 动系统相比 利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点 如节能 容易实现对现有电动机的调速控制 可以实现大范围内的高效连续调速控 制 容易实现电动机的正反转切换 可以进行高频度的起停运转 可以进行电气制 动 可以对电动机进行高速驱动 可以适应各种工作环境 可以用一台变频器对多 台电动机进行调速控制 电源功率因数大 所需电源容量小 可以组成高性能的控 14 制系统等等 特别是对于工业中大量使用的风扇 鼓风机和泵类负载来说 通过变 频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量 流量和扬程的控制 所以节能效果非常明显 变频调速的原理非常简单 由于异步电动机的转速为 n 120 f 1 s p 式 3 1 式中n为电动机转速 r min f为电源频率 Hz p为异步电动机磁极个数 s为 转差 所以 理论上说 只要改变f就能改变电机转速n 3 3 23 3 2 变频调速控制方式变频调速控制方式 常见的变频调速模式有两种 一种是开环控制 另一种是速度反馈闭环控制 如图3 4所示 本系统根据恒压的控制要求 采用的是PID调节方式 内含在变频器中 的 闭环控制 图3 4 变频调速系统的控制方式 3 3 33 3 3 变频器的输入输出电路变频器的输入输出电路 本系统中变频器的输入信号有两种 一种是控制信号 它包括PLC输给的变频器 FWD信号BX信号和VI 12 电压信号 0 5V FWD信号BX信号由PLC输出 控制变频 器的工作开关 VI 12 控制变频器频率 另一种是输入电源信号 本系统采用的三 相380V的交流电源 三相电流输入连接在端子L1 R L2 S L3 T上 采用三相输入 的话 则用主电路的电源端子L1 R L2 S L3 T通过线路保护用断电器或带漏电保 护的断路器连接至三相交流电源 不需考虑连接相序 尽量不要用主电路电源 15 ON OFF的方法控制变频器的停止和运行 应该用控制电路端子FWD BX 变频器的输出信号也有两种 一是送PLC的超压信号 欠压信号和变频器故障信 号这三个输出控制信号 另一是送水泵的变频器输出电源信号 送PLC的超压 欠压 信号由变频器的Y1 Y2端子送出 Y1的内部功能设定选为频率检测 FDT 功能 幅值 为50Hz 滞后值为0 5Hz Y2的内部功能设定选为0速度输出功能 变频器输出频率 为0Hz时输出ON信号 电源 欠压信号 超压信号 接触器 控 制 面 版 送信号 送信号 送0 5电压信号 变频器故障输出 图3 5 变频器的I O端点连接 送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出 Y3的内部功能设定选择为报警功能 变频器发生指定的故障时输出信号 变频器的输出电源接接触器 它给所有的工频 回路的接触器都提供电源信号 但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制 变频器的 输出端子 U V W 按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上 如果电机旋 转方向不对 则说明连接相序有错 则改变U V W中的任意两相的接线 变频器和 电动机 水泵 间配线很长时 由于线间分布电容产生较大的高频电流 可能造成变 频器过电流跳闸 另外 漏电流增加 电流值指示精度变差 对于本系统中的变频器 变频器和电动机 水泵 之间的距离最好小于50米 如果配线很长时 则必须连接输 出侧滤波器选件 OFL滤波器 接线时还有一点需要注意的是 为了安全和减少噪声 变频器的接地端子G必须良好接地 为了防止电击和火警事故 电气设备的金属外壳 和框架均应按照国家电气规程要求接地 接地线要粗而短 变频器系统应连接专用 接地极 及不要和别的系统串联接地或共同接地 具体接法见图3 5 在最后的程序 16 中 因本人能力有限 故将报警装置去除 在实际应用中应当加入 3 43 4 阀门的选择阀门的选择 闸阀具有体积大 质量重 价格偏高 启闭力矩大的特点 而蝶阀具有体积小 重量轻 价格偏低 启闭力矩小等优点 尤其是DN300以上阀门 更显其优越性 具 体比较见表3 3所示 表3 3 闸阀和蝶阀比较 体积重量 维修难 易 水阻安装使 用土 建价格 启动 力矩 闸阀 大重简单小 垂直安 装 不宜做调节 流 要求管糟深 造价大 大 蝶 阀 小轻稍繁大 应注意 角安装 有方向 性 可做调节流 作用 尺寸小 管 糟深 造价 低 DN300以 上贵 以 下廉 小 由以上比较可以看出 阀门选型应根据不同口径区别对待 一般DN300以上的 选用蝶阀比较经济 实用一些 DN300以下的阀门 选用闸阀比较合适 因为恒压供 水口径较大 大大超过DN300 故选用蝶阀 综合各种因素 我选择上海罗兰流体控制有限公司的液控止回蝶阀RHD7B41X系 列 该液控蝶阀具有以下特点 能按程序启闭 在正常供电和突然断电情况下均能自动按预定的时间和角度分 快 慢二阶段关闭 调节范围大 适应性强 可消除破坏性水锤 防止水泵和水轮机组发生飞逸事故 有效地降低了管网系 统的压力波动 保障设备的安全可靠运行 该阀可取代水泵出口处原电动闸阀和止回阀的功能 减少占地面积及基建投资 同时其流阻系数仅为0 1 0 6 远小于止回阀的流阻系数 1 7 2 6 节能效果明 17 显 3 53 5 水泵的选择水泵的选择 选取2种型号的水泵 小泵为常开泵 能够调节到工频 大泵只能在变频状 态下工作 其中 小泵为Y355M1 4 大泵为Y355 M2 4 参数见表3 4 按实际需要选取 我选了2种比较常用的型号 表3 4 水泵性能参数表 转速流量扬程效率 汽蚀裕 量 轴功率 清 水 配带电机 Sm 1 2 Rpmm3 hl sm mkW 型号 kW 1100435 5121 063 750 04 0151 1Y355M1 4 220kW 850511 0141 962 554 03 0161 1Y355M2 4 250kW 3 63 6 主电路设计主电路设计 该系统包括 3 台水泵电动机 M1 M2 M3 其中 M1 的功率为 45KW M2 为 22KW M3 为 22KW 该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现软启动及转速的调节 实现恒压控制 系统具有变频和工频两种运行状态 当变频泵达到水泵额定转速后 如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时 系统自动将当前变频泵切换为 工频运行状态 并指示下一台为变频泵 主电路如图 3 5 所示 18 图 3 5 主电路图 其中接触器 KM2 KM4 KM6 分别控制 M1 M2 M3 工频运行 KM1 KM3 KM5 变 频运行 KM7 控制变频器的工作 选用西门子公司最新的专用变频器 MICROMASTER Eco 型变频器 西门子 MICROMASTER Eco 型变频器的功能有 1 优化的输入输出功能 2 长电缆运行 电机与变频器的连接电缆线可以长达 150m 无需加输出电抗器 3 通讯功能 内带的 RS 485 可简便的与 DDC 从站或楼宇管理系统连接 4 可与所有感应电动机匹配 通过简单设置即可使 Eco 与各种电机适配 Eco 带电机保护功能 防止电机过热 5 捕捉再启动 为确保电源故障恢复后的正确自动再启动 即使电机还在运转 控制系统会控制变频器输出频率与是动机同步的频率 6 高启动转矩 即使在长时间的运行之后 MICROMA STER Eco 仍可确保各种泵 类负载的稳定启动 在加速时 会自动提供附加的启动转矩 3 73 7 控制电路的设计控制电路的设计 19 控制电路包括继电器控制电路及 PLC 控制电路 电路图如图 3 6 所示 图 3 6 控制电路图 上图给出了系统的控制电路图 其中 KM1 KM3 KM5 是分别控制 M1 M2 M3 变 频运行 KM2 KM4 KM6 是分别控制 M1 M2 M3 工频运行 KM7 控制变频器工作 KA 为自来水阀门电磁阀 SA1 SA2 SA3 分别为 M1 M2 M3 的停止开关 SA4 SA5 SA6 分别为 M1 M2 M3 的手动起停开关 SL 为水位下限开关 SH 为水 位上限开关 FR1 FR2 FR3 分别为 M1 M2 M3 过载保护 FA 为变频器保护 使系 统停止工作 20 4 软件设计与实现 对于一个自动控制系统来说 硬件是基础 软件是灵魂 软件已经成为计算机 系统的主体 在很大程度上决定了系统的先进性 可靠性 实用性以及实时性 信息管理及监控软件是一种特殊的软件 它具有如下特点 1 要求可靠性特别高 可靠性不仅意味着系统工作的正确性 而且要求系统工 作的连续性 例如控制过程不允许中断 系统中各种参数不允许丢失 2 要求系统软件实时性强 实时性要求系统能够实时反映监测量并及时做出控 制决策 即具有较快的响应速度 3 要求软件的使用和维护方便 信息管理及监控软件主要由工程技术人员和操 作人员使用 要求系统的使用和维护都很方便 4 14 1 PLCPLC 编程简介编程简介 PLC 的应用设计 一般应按下述几个步骤进行 具体流程见图 4 1 图4 1 PLC应用的系统开发流程图 1 熟悉被控制对象 首先要全面详细的了解被控对象的机械结构和生产工艺过程 了解机械设备的 21 运动内容 运动方式和步骤 归纳出工作循环图或状态 功能 流程图 2 明确控制任务与设计要求 要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要 求 例如机械部件的传动与驱动 液压 气动的控制 仪表 传感器的连接与驱动 等 归纳出电气执行元件的动作节拍图 电控系统的根本任务就是实现这个节拍图 以上两个步骤得到的图表 综合而完整的反映了被控对象的全部功能和对被控 系统的全部要求 是整个系统设计的依据 也是系统设计的目的和任务所在 3 制定电气控制方案 根据生产工艺和机械运动的控制要求 确定电控系统的工作方式 例如全自动 半自动 手动 单机运行和多机联线运行等 还要确定电控系统应有的其他功能 例如故障诊断与显示报替 紧急情况的处理 管理功能 联网通信功能等 4 确定电控系统的输入输出信号 通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤 各种状态 各种功能的发生 维持 结束 转换和其他相互关系 来确定各种控制信号和各种检测反馈信号 相互的转 换和联系信号 并且确定哪些信号需要输入PLC 哪些信号需要PLC输出或者哪些负 载要由PLC驱动 分类统计出各种输入 输出量的性质与参数 5 PLC的选型和硬件配置 根据以上的各个步骤所得到的结果 选择合适的PLC型号并确定各种硬件配置 本系统选定了西门子公司的S7 200 CPU226 6 PLC元件的编号分配 对各种输入 输出信号占用的PLC输入 输出端点及其其他元件进行编号分配 并设计出PLC的外部设计图口 7 程序开发 用PLC厂家提供的专用软件包按照特定的规则 开发出梯形图程序或语句表程序 在进行程序开发的同时 可以平行的进行电控系统的其他部分工作 例如PLC外 部电路和电气控制柜等的设计 装配 安装和接线工作 8 现场运行调试 22 完成以上各种工作后 即可将已初步调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器 中 PLC接入实际输入信号和实际负载 进行现场运行调试 及时解决调试中发现的 问题 直到完全满足设计要求 即可交付使用 4 1 14 1 1 PLCPLC 的工作方式的工作方式 PLC采取循环扫描的工作方式 其工作过程简图如图4 2所示 这个过程可分为 内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理几个阶段 整个过程扫描一 次所需的时间称为扫描周期 在内部处理阶段 PLC检查CPU模块内部硬件是否正常 复位监视定时器 以及完成一些其它的内部处理 扫描过程如图4 2 图4 2 PLC扫描过程 通信服务阶段PLC与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 在PLC处于停止运行 STOP 状态时 只完成内部处理和通信服务 工作 在RUN时 要完成全部的工作 1 输入处理阶段 PLC在输入处理阶段 以扫描方式顺序读入所有输入端的通 断状态 并以此状 态存入输入输出印象寄存器 接着转入程序的执行阶段 在程序执行时间 即使输 入输出状态发生变化 输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化 只有在下一个 扫描周期的输入处理阶段才能被读入 2 程序执行阶段 PLC在程序执行阶段 按先左后右 先上后下的步序 逐条执行程序指令 从输 入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通 断状态 根据用户程序进行逻辑运算 运算结果再存入有关的元件印象寄存器中 即对 每个元件来说 元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化 3 处理阶段 在所有的指令执行完毕后 将输出印象寄存器 即Y寄存器 的通 断状态 在输 出处理阶段转存到输出锁存器 通过隔离电路 驱动功率放大电路 输出端子 向 外输出控制信号 这才是PLC的实际输出 23 PLC的扫描既可以按照固定的顺序进行 也可以按用户程序的指定的可变顺序进 行 这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次 而且也因为在一个大的控 制系统中要处理的I O点数比较多 通过安排不同的组织模块 采用分时分批的扫描 办法 可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性 顺序扫描的工作方式简单直观 简化了程序的设计 并为PLC的可靠性运行提供 了保障 一方面 所扫描到的功能经解算后 其结果马上就可以被后面要扫描到的 逻辑解算所利用 另一方面 还可以通过CPU内部设定的监视定时器来监视每次扫描 是否超过规定时间 诊断CPU内部故障 以避免程序异常运行而造成的不良影响 由PLC的工作过程可见 在PLC的程序执行阶段 即使输入发生了变化 输入状 态寄存器的内容也不会发生变化 要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变 暂 存在输出状态寄存器中的输出信号 也需要等到一个循环周期结束后 CPU集中将这 些输出信号全部输送输出锁存器 这才成为实际的CPU输出 因此 全部的输入 输 出状态的改变 就需要一个扫描周期 扫描周期是其中一个比较重要的指标 一般 为几毫秒至几十毫秒 PLC扫描时间取决于程序的长短和扫描速度 因为PLC的输入 处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短 通常只要几毫秒 由此可见 PLC的扫 描时间对于一般的工业设备 改变状态的时间约为几秒以上 通常是没什么影响的 4 1 24 1 2 PLCPLC 程序程序介绍介绍 可编程控制器是按照用户的要求编写程序来进行工作的 程序的编制就是用一 定的编程语言把一个控制任务描述出来 尽管国内外生产厂家采用的编程语言不尽 相同 但程序的表达方式基本有四种 梯形图 指令表 逻辑功能图和高级语言 绝 大多数PLC是使用梯形图和指令表编程 梯形图是一种图形语言 它沿用了传统的继 电接触器控制中的触点 线圈 串并联等术语和图形符号 而且加入了许多功能强 而又使用灵活的指令 将微机的特点结合进去 使得编程容易 梯形图比较形象 直观 对于熟悉继电接触器控制系统的人来说 也容易接受 世界上的各生产厂家 都把梯形图作为第一用户编程语言 所谓指令就是用英文名称的缩写字母来表达PLC 的各种功能的助记符号 常用的助记符语言类似与微机中的汇编语言 由指令构成 的能够完成控制任务的指令组合就是指令表 每一条指令一般由指令助记符和作用 器件编号组成 4 1 34 1 3 编程软件基本功能编程软件基本功能 24 STEP7 Micro WIN 32 的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务 例如 创建用户程序 修改和编辑原有的用户程序 编辑过程中编辑器具有简单语法检查 功能 同时它还有一些工具性的功能 例如用户程序的文档管理和加密等 此外 还可直接用软件设置 PLC 的工作方式 参数和运行监控等 程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误 软件功能的实现可以在联机工作方式 在线方式 下进行 部分功能的实现也 可以在离线工作方式下进行 联机方式 有编程软件的计算机与 PLC 连接 此时允许两者之间做直接通信 离线方式 有编程软件的计算机与 PLC 断开连接 此时能完成大部分基本功能 如编程 编译和调试程序系统组态等 两者的主要区别是 联机方式下可直接针对相连的 PLC 进行操作 如上装和下 载用户程序和组态数据等 而离线方式下不直接与 PLC 联系 所有程序和参数都暂 时存放在磁盘上 等联机后再下载到 PLC 中 4 24 2 PLCPLC 接线图接线图 PLC 接线图如图 4 3 图4 3 PLC接线图 如图所示 总共有24个输入数字量I O口 其中的 25 SAN1 SAN2 SAN3 SAN4 SAN5 SAN6为输入开关 总共有16个输出数字量I 0口 JNW1 JNW2 JNV1 JNV2 JNV3 JNV4 JF1 JF2 JF3 JF4 JF5 JF6 JF7 JF 8 FWD BX为PLC控制的开关量 PLC可以增加数字量输出扩展模块 假如该系统还要增加数字量输出的话 可以 增加一个模块 这样也吻合数字量输出I O口要预留10 30 的条件 EM235为模拟量输入输出模块 其中A 端 A 端接压力传感器 接受4 20mA电流 信号 进行模数转换 输入符合CPU标准要求的信号 B 端 B 端接变频器频率信号 接受0 5V电压 输入同样符合CPU标准要求的信号 C 端 C 端接鉴频鉴相比较器 信号只有0伏和5伏两种状态 我依然把他看作模拟量 当输入为0时 变频器的输出 频率相位和电网的频率相位一致 能进行工频转变频和变频转工频的切换 输出为 5V时 不能进行工频转变频或变频转工频的切换 4 2 14 2 1 现场器件与现场器件与 PLCPLC 内部继电器对照内部继电器对照 表4 1 现场器件与PLC内部继电器对照表 现场器件内部继电器地址说明 输 入 SAN1 SAN2 SAN3 SAN4 SAN5 SAN6 I0 0 I0 1 I0 2 I0 3 I0 4 I0 5 1组水泵启动按钮 2组水泵启动按钮 1组蝶阀关闭按钮 2组蝶阀关闭按钮 1组水泵关闭按钮 2组水泵关闭按钮 输 出 JNW1 JNW2 JNV1 JNV2 JNV3 JNV4 JF1 JF2 JF3 JF4 JF5 JF6 Q0 0 Q0 1 Q0 2 Q0 3 Q0 4 Q0 5 Q0 6 Q0 7 Q1 0 Q1 1 Q1 2 Q1 3 1组1号水泵工频 2组3号水泵工频 1组1号水泵变频 1组2号水泵变频 2组3号水泵变频 2组4号水泵变频 1号蝶阀关闭 1号蝶阀打开 2号蝶阀关闭 2号蝶阀打开 3号蝶阀关闭 3号蝶阀打开 26 JF7 JF8 FWD BX Q1 4 Q1 5 Q1 6 Q1 7 4号蝶阀关闭 4号蝶阀打开 变频器FWD端接口 变频器BX端接口 其中 I 为输入量 Q 为输出量 4 34 3 程序的设计程序的设计 本程序分为主程序 子程序和中断程序 逻辑运算及变频器复位等放在主程序里 系统初始化的一系列放在子程序中完 成 这样可以节省扫描时间 利用定时中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控 制 供水系统的给定值为 70 在本系统中 只是用比例 P 和积分 I 控制 其回路增益和时间常数可通过工程计算和经验初步确定 但需要进一步调整达到最 佳控制效果 在设计程序之前先给 PID 控制器作一下简单的介绍 PID 控制器是应用广泛的 闭环控制器 估计现在有 90 以上的闭环控制都采用 PID 控制器 这是因为 PID 控 制器有以下的优点 1 不需要被控对象的数学模型 自动控制理论中的分析和设计方法主要是建立在 被控对象的线性定常数学模型的基础上的 这种模型忽略了实际系统中的非线性和 时变性 与实际系统有很大的差距 对于有些工业控制对象根本无法建立较为准确 的数学模型 因此自动控制理论中的设计方法很难用于大多数控制系统 对于这一 类系统 使用 PID 控制器可以得到比较满意的效果 2 结构简单 容易实现 3 有较强的灵活性和适用性 4 使用方便 4 3 14 3 1 PIDPID 功能及其编程功能及其编程 1 S7 200 CPU226 内置 PID 功能及其编程 在系统中 是通过 PID 调节器来调节输出 保证偏差值为零 使系统在到稳定 状态 偏差值 e 是给定值 SP 希望值 与过程变量值 PV 实际值 的差 PID 控制 原理模型如图 4 4 所示 27 图 4 4 循环泵变频控制系统 2 PID 的控制参数 PID 的控制参数如表 4 2 所示 表 4 2 PID 控制参数表 参数编号地址编号变量名变量类型注释 1 0PVnI输出量 2 4SPnI给定量 3 8MnI O控制量 4 12KcI增益 5 16TsI积分时间 s 6 20TiI微分时间 Min 7 24TdI累积误差 8 28MxI O上次输出量 9 32PVn 1I O 3 PID 运算的控制算式如下 Mn Kc sPn p Vn Ts Ti sPn pVn Tp Ts PVn 1 PVn Mx 式中 PVn 被控对象的输出量 SPn 被控对象的给定量 该控制方式中共有 9 个变量上表 4 44 4 恒压供水系统的程序语句表恒压供水系统的程序语句表 TITLE 恒压供水主程序 Network 1 网络标题 LD SM0 1 CALL SBR0