基于PLC的楼宇恒压供水控制系统设计毕业论文.doc

西南科技大学本科生毕业论文基于PLC的楼宇恒压供水控制系统设计毕业论文第 1 章 绪 论1.1课题的提出我国的“十一五计划”提出了节能减排，是我国未来发展的长远规划，是社会主义发展的长远规划，是造福子孙后代，利国利民的一项伟大举措，节能减排 工作，利在当代，功在千秋，不仅关系到我国人民的生活质量，同时也与全世界人民的生活息息相关7。然而，当节水节能己成为时代特征的现实时，中国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，水资源浪费严重。主要表现在用水高峰期，水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。在恒压供水技术出现以前，出现过不同的供水方式。以下作就逐一分析。(1) 一台恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。此方式较之前者供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。(3)射流泵十水箱的供水方式这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。(5)恒速泵十气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较14。1.2 课题研究的背景及意义由于以前采用的供水方式存在很多缺点。比如可靠性比较差，运行的效率普遍不高，基本上没有实现自动化，已经跟不上飞速发展的经济建设脚步，势必逃脱不了被淘汰的命运。为了改变这一现状，提高其自动化是必由之路。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、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，这就使变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量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。且具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.3 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、变压变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。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”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，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，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BA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，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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(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、抗干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牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。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4。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(EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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。1.4 设计内容概况本次研究设计对象是针对楼宇用水，面向广大普通住宅用户并根据实验室已有设备设计的一个恒压供水系统。研究内容主要有：了解恒压供水系统的运行工艺情况，以 PLC 和变频器为主，结合水泵机组和压力表等设备，组成一个恒压供水系统；确定工况的转换方式，完成上下位机程序的编写；对PID调节参数进行设定，实验变频恒压供水；解 PLC 与计算机如何通信，选择通信方式并且确定通信协议，开发基于OPC组态软件的监控界面，完成系统监控调试，实现对供水系统远程启停、监控和管理。从而保证了系统的稳定性、可靠性和节能性，更大强度的满足楼宇内用户各方面长期用水需求。 1.5 论文结构安排 本论文总体结构分为五章 第1章 绪论 本章主要介绍了恒压供水系统的重要性，课题的研究背景，以及本次课题的研究背景和主要内容。第2章 系统总体分析 本章主要介绍了供水系统的需求分析，如何满足这些需求，通过变频器来调节水泵工作速度的理论依据，以及本系统各个部分的总体控制结构。第3章 系统硬件设计 本章详细介绍了本系统所构成器件的选型及介绍。第4章 系统运行的软件设计 本章详细分析了PLC软件设计以及PID的参数整定。第5章 系统监控的软件设计 本章详细分析了OPC监控组态软件的设计，系统运行结果的监控分析。第6章 项目分析 本章分析了该系统投入使用的可行性分析及如何加强系统的抗干扰能力。 第2章 系统总体分析2.1变频恒压供水系统概论 在我们通常所说的供水系统中，广为使用的一种方式就是恒压供水系统。但是人们用水的习惯是不规律的，用水量每时每刻都在不停的发生变化。采用恒速泵供水的方式，管道网络内的压力是可以通过切换水泵来进行控制的，但是想让管道内的水压保持稳定是不可能的。而且水泵的电机如果一直处于启动和停止切换的状态，势必增大设备损坏的可能性，减短设备使用寿命，而且不节能，对人们的供水也不稳定。如果是通过调节阀门，控制水流量的方法来保证管道的压力，不仅会增大机械的损耗，让设备维护的工作量变大，增大设备的维护成本，而且这种方式不够精确，还容易造成能源的无谓损耗。不断启动和停止水泵的电机，肯定会引起水锤效应，从而给整个管道网络和阀门等带来损耗和破坏。我们从系统的实际应用来分析，确定本研究的需求以及功能的实现8。2.2供水系统的基本需求分析根据实验室现有设备，可确定本供水系统内含有3台水泵，一台主生活水泵，一台副生活水泵，一台消防水泵。我们控制的目标一般都选择管道出口处的压力信号，比较我们设定的压力值和采样值，通过计算后结合 PID 调节的方式来保证压力值在管道出口处是稳定不变的，这就可以称之为恒压供水。整个系统中，水泵工作的台数、工频工作还是变频工作，均需要我们根据实际的情况来决定，这样就确定了主回路的控制方式，再通过 PLC的控制来满足用户的实际需求。所以我们首先要做的就是了解用户有哪些实际需求。2.2.1工作水泵台数 在供水系统工作时，通过水网端口压力传感器反馈的信号，经过变频器中内置的PID控制器运算后必须要能及时准确反馈信号至PLC，然后由PLC来控制电动机的启动和停止，即控制工作水泵的台数，以来达到恒压的效果。2.2.2工作频率控制方式必须要在变频和工频之间可以进行转换。这样做是为了让系统更加可靠，一旦变频器发生了故障，或者设备需要进行维护，需要关闭变频器时候，及时切换到工频就不会对供水造成影响。2.2.3火灾时要求 遇到火灾的时候，要求我们的系统对消防报警的信号也要能够做出反应。供水系统遇到火灾，收到消防信号的时候，必须马上停止正常的运行，将供水的重点放到消防系统中来，帮助消防扑灭火灾。这样就要求我们的 PLC 在控制的时候，程序中要实现平时正常的供水和紧急情况下对消防进行供水两种供水模式。消防的信号作为这两种供水模式切换的判断依据。2.3恒压供水系统的理论分析2.3.1水泵的工作原理因为本次设计是针对楼宇供水，所以所用水泵主要是离心泵。普通的离心泵的构造如图2-1所示。 图2-1 水泵构造图 在开动水泵前，泵里灌满了水，当水泵转动时，叶轮旋转，水在离心力的作用下被甩出去，获得一定的速度。利用蜗壳后端的扩散管或导叶的截面逐渐扩大，将速度能转换为压力能，顺着水管把水送出去，这就是离心泵的压水原理。在离心泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，叶轮槽道中的液体的离心力的作用下甩向外转流进泵壳。叶轮中心原来被水占有的地方就变成真空，压力降低，而泵吸入口液面有大气压力的作用，叶轮中心的压力低于吸入管内的压力，液体就在这个压力差的作用下由吸入管流入叶轮。液体在离心力的作用下，又被甩出去，并通过蜗壳、扩散管等的作用将其速度能转换为压力能把液体送出。这样，连续不断地把液体压出去又吸上来，使液体增加能量，达到提升、输送液体的作用。这就是离心泵的工作原理。2.3.2 电动机的调速原理水泵一般采用的是三相异步电动机，电机转速公式为 n=60f（1-s）/p （2-1）在公式（2-1）中， f是交流电频率，通常为50hz；s为转差率，一般取0.01-0.02；p为电机的电磁极对数，2极电机p为1，4极p为2。根据公式，很容易得知调速，其实就是调节电机转速公式里的那几个参数。变极调速的基本原理是:如果电网频率不变，电动机的同步转速与它的极对数成反比。因此，变更电动机绕组的结线方式，使其在不同的极对数下运行，其同步转速便会随之改变。 变压调速是异步电机调速系统中比较简便的一种。由电气传动原理可知，当异步电机的等效电路参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的二次方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定输出转矩下的转速。 转子串电阻调速是在绕线转子异步电动机转子外电路上接入可变电阻，通过对可变电阻的调节，改变电动机机械特性斜率来实现调速的一种方式。 串级调速的基本原理是在绕线转子异步电动机转子侧通过二极管或晶闸管整流桥，将转差频率交流电变为直流电，再经可控逆变器获得可调的直流电压作为调速所需的附加直流电动势，将转差功率变换为机械能加以利用或使其反馈回电源而进行调速的一种方式。变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。当转速变化不大时，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，就可以平滑的改变电动机的转速。但是，单一的调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已经出现了各种性能好、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9。2.3.3 恒压供水系统的节能原理 供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提的，由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量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与用水流量Qu间的关系 H=f（Qu）。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表面阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系，如图2-2所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上市改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交叉点，称为供水系统的工作点，如图A点所示。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供述系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统得以稳定运行。图2-2 供水系统的基本特征图2.4变频恒压供水系统控制方案的确定2.4.1 供水系统方案的选择 根据恒压供水的相关原理，我们可以知道这个系统包含了压力变送器及传感器，恒压控制单元，变频器，水泵机组和低压电器等部分。而对于恒压供水设计的主要目的是，通过对恒定电压的控制单元的使用，使得变频器有效地控制着一台水泵或者是闭环控制多台水泵，管网和水泵电机的软启动，工作状态在工频和变频之间转换，最后需要能够运行数据传输。根据有关任务的需要，以及考虑到对于该系统的设计同现场的环境等因素，则出现以下有效途径可以作为参考。 一、压力传感器，水泵机组以及含供水基板的变频器相组合这个相对单一的 组合控制系统，主要是采用在一个变频器供水基板上同时融合 Pm 调节器以及可进行设计的控制器等硬件，而电子控制系统如 PLC，PID 等功能，通过设定的指令代码来控制。这个系统确实简化了电路的结构，让设备的成本得到了有效的控制，但是比较麻烦的地方在于压力设定和显示压力的反馈值，而且不是自动在不同时期实现不同的恒定电压的要求。要保证系统的稳态，动态性能很困难，PID 调节器的参数优化难度也比较大，调整的范围是很小的。而且其输出的接口缺乏灵活的扩展功能，难以进行数据的通信，其负载的容量也受到了限制。综上所述，它仅适用于小容量且要求不高的地方。 二、通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器 这种控制系统具有很高的控制精度，其对于算法的控制也具有很高的灵活性，而且易于调整参数，具有较高的性能和较低的成本。可设计时间相对较长，当程序经过固化后会带来相应的问题，对于后期所出现的问题在修改过程中有一定的难度，在现场进行调试时也会出现一些麻烦以及不够灵活的问题。最为重要的是当变频器处于大功率工作的状态之下会产生极大的干扰，因此为了确保该系统的可靠运行，抗干扰的措施必不可少。如果是容量比较小的特定领域变频恒压供水系统，可以考虑使用这个系统。 三、通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器 第三种控制系统最主要的优点就是操作方便灵活，更为重要的是可以便利的运用通信接口，用户能够较为方便的对其他系统交流信息，适用性高。用户可以通过系列化、模块化的 PLC 来灵活的控制系统，达到各种规模的组合要求。我们通过对硬件的设计来选择可编程序控制器及其外部的接线形式。假如控制需求一旦发生改变，我们也可以很容易地通过改变计算机内存里面的控制程序以此满足要求，所以具有非常便利的现场调试特性。 可编程序控制器具有强烈的抗干扰作用，稳定性强，这个组合在同种状态下使得它的可靠性大大提高。所以，这种组合可以被应用到所有不同要求的恒压供水系统中，并具有与供水单元容量大小无关的优势9。 从整个系统的在现场适用性、抗干扰性和控制方式的灵活性来综合考虑，选择了通用变频器、PLC、人机界面和压力传感器的方案。供水方式的控制图如下图2-3所示：图2-3 供述方式控制图2.4.2 恒压供水系统的结构变频恒压供水系统原理如图2-4所示，其主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力机控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4-20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4-20mA参数，4-20mA信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量，根据用水量的不同，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水出于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；两个信号不会同时产生。当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设置内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协议投入工作的水泵电动机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的水泵电动机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。PLC变频器(PID)水泵上位机OPC组态监控软件压力传感器上位机手动操作 图2-4 供水系统结构框图2.4.3 恒压供水系统的调节措施 变频恒压供水系统的调节措施包括以下两种，分别是单台变频器调节单台水泵以及单台变频器调节多台水泵的方案。1.单台变频器调节单台水泵 在国内，通常将一台变频器控制一台水泵成为单台变频器调节单台水泵。由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备，出现问题无法切换，故目前多适用于用水量不大，对供水的可靠性要求不高的场合。本系统不予考虑。2.单台变频器调节多台水泵 对于大部分供水系统而言，最适合的就是单台变频器同时调节多台水泵的控制方案了，同时也是现如今较为先进的一种方案。结合实验室现有设备，接下来我们就以单台变频器调节 2 台水泵的方案进行解释。该方案的调节机理如图2-5所示。主水泵变频运行副水泵停止运行主水泵工频运行副水泵变频运行主水泵工频运行副水泵变频运行主水泵变频运行副水泵停止运行状态1状态2状态4状态3 图2-5 调节机理框图 调节系统的工作机理如下:按照系统所需水量的变化，调整系统来调节 2 台水泵按 12341 的顺序依次运行，使得正常供水得到有效地保障。在工作初期，该系统所需的水量较少，这时变频器只调节主水泵工作，副水泵停止工作，此时就调节系统到1状态。 随着所需水量的扩大，变频器所输出频率也不短加大，故而使得主泵电机的转速也有所提高，变频器输出的频率达到最大时，此时就说明单靠主水泵的运行己完全达不到系统的用水需要，这样，我们就得调整系统，主水泵便由原来的变频电源向平常的交流电源发生转变，此时变频电源启动副水泵，使得系统在状态 2 运行。系统经过用水高峰以后，用水量便开始下降，变频器所输出频率也随着相应的降低，当降低到之前所设定频率时，就可以说明就只要主水泵工作就完全能够达到所需用水量，这样一来，经系统调节，使得副水泵电机停止运行，主水泵电机继续保持变频电源，这样一来，就将系统调节到状态3之下。如果继续加大用水量，此时变频器的输出频率也要相应加大，这样就加大了 主水泵电机的转速，变频器的输出频率达到最大时，说明单靠1台水泵工作已经完全达不到系统的用水需要，这样一来，经系统调节，主水泵便将变频电源变为一般的交流电源，通过变频器电源来使得副水泵电机启动，将系统调节到状态 4 之下。如果将系统调节到状态4之下时，随着用水量的下降，变频器的输出频率也跟着降低，当降低到之前所设定的频率后，这就说明单靠 1 台水泵的运行就完全能够达到系统的供水需要，这样一来，经系统调节，终止副水泵电机的运行，此时对主水泵电机的供电还是靠变频器，这样又将系统调节到了状态 1。经过这样反反复复的运行，来达到系统的供水需求。当发生火灾时，应及时且能可靠启动消防水泵，但不能停止生活供水。第3章 系统的硬件设计3.1 PLC3.1.1 PLC的简介 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），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。3.1.2 PLC的组成可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1.电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。4. 输入输出接口电路（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。（2）现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。5.功能模块如计数、定位等功能模块。6.通信模块3.1.3 PLC的工作原理 当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。3.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。3.1.4 PLC的特点可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点：1.使用方便，编程简单2.功能强，性能价格比高3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4.可靠性高，抗干扰能力强5.系统的设计、安装、调试工作量少6.维修工作量小，维修方便3.1.5 本次设计PLC选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。出于对资源的利用，此处我们选择中控型号为PAC240 PLC，该PLC参数如下表3-1所示，PLC 外部端口分布如图3-1所示。表 3-1 PAC240参数序号项 目 指 标 1 功耗8.8W 2电源DC18-30V 3Flash256KB(片内) 4RAM16KB(片内),512KB(片外) 5RA232115200bps 6 以太网10/100M 自适应 7时钟精度小于2min/month 8 涌流小于250mA 9 DI 点双向、输入电压大于13V 10DO点5A 、30VDC、 5A 、220VAC 11AI 点电流（1-20mA）、电压（0-10V）、PT100输入（-2575度）精度1% 12AO点电流（0-20mA）、电压（0-10V）精度1% 图3-1 PLC外部端口分布图3.2 变频器3.2.1变频器简介 变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。3.2.2 变频器的变频节能原理变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。电动机使用变频器的作用就是为了调速，并降低启动电流。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。变频器输出的波