反渗透自动控制系统毕业设计.doc

反渗透自动控制系统毕业设计目 录摘要1Abstract2目 录31 引言51.1 设计背景51.2 反渗透系统发展概况71.3国内反渗透膜及其应用81.3国外反渗透及其应用91.4纳滤膜及其应用102反渗透系统工艺流程123 反渗透水处理系统硬件设计143.1 可编程控制器PLC系统模块设计143.1.1 PLC简介143.1.2 PLC控制功能的选择163.1.3 PLC选型（西门子S7-200）173.1.4 模拟量I/O模块的种类183.1.5 PLC输入、输出电路193.2 控制电路设计213.2.1 变频器简介213.2.2 变频器的选型223.2.3变频器的端子接线253.2.4控制电路293.2.5控制面板及所需材料293.3 主电路设计303.4触摸屏的选型313.5反馈设备以及仪表343.5.1压力变送器343.5.2电接点压力表363.5.3 两线制和四线制仪表的接线区别363.6控制系统机构、控制原理、通讯383.6.1控制结构和原理383.6.2通讯384 系统软件设计394.1 系统软件设计概述394.1.1软件需求分析394.1.2软件设计404.2 PID控制设计404.2.1 PID控制原理404.2.2 PID控制器的参数整定414.2.3 PID的反馈逻辑424.2.4 P、I、D参数调整原则424.2.5PID恒压供水设计及实现424.3 STEP 7444.3.1 STEP7 概述444.3.2 STEP7硬件组态与参数设计444.4 PLC控制程序464.5人机界面设计474.5.1 SIMATIC WinCC 简介474.5.2监控设备结构514.5.3流程画面545 结论58致谢59参考文献60附录611 引言反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小（仅为10A左右），因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率高达97%-98%）。反渗透是目前高纯水设备中应用最广泛的一种脱盐技术，它的分离对象是溶液中的离子范围和分子量几百的有机物；反渗透（RO）、超过滤（UF）、微孔膜过滤（MF）和电渗析（EDI）技术都属于膜分离技术。二级反渗透装置是借助压力使水分子强迫透过对水分子有选择透过作用的反渗透膜，即是反渗透净水的原理，这种装置为反渗透装置根椐各种物料的不同渗透压，可以大于渗透压的反渗透法进行分离、提取、纯化和浓缩。反渗透技术应用很广如电子、医疗、食品、锅炉补给水等工业中纯水、超纯水的制备，太空水、蒸馏水的制备及啤酒和饮料用水的净化，高压锅炉补给水的预脱盐处理，海水、苦咸水的脱盐淡化，制药、轻纺、化工、食品等工业用于分离、浓缩、液体脱色为目的的工艺，其它以分离细菌、热源、胶体微粒及有机物为目的的分离过程等1。1.1 设计背景(1) 渗透：是指稀溶液中的水分子自发地透过半透膜进入浓溶液的过程。(2) 渗透压：是指某溶液在自然渗透过程中，浓溶液液面不断升高，稀溶液液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了水分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化，渗透达到平衡点，此时的液柱高差称为该溶液的渗透压。(3) 反渗透：渗透平衡时，如果在浓溶液侧施加一个压力，那么浓侧的溶剂会在压力作用下向淡水一侧渗透，这个渗透由于与自然渗透相反，故叫反渗透（RO）。图1.1 反渗透的基本原理 (4) 渗透压的计算：渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。计算公式如下（仅适用于稀溶液）： CRT 渗透压 C 离子浓度差 R 气体常数 T 绝对温度 (5) 影响反渗透性能的因素：产水通量和脱盐率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱盐率主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值的影响。基本关系式 1、产水率： 2、盐通量： (6) 反渗透预处理的选择： 反渗透预处理的必要性：反渗透的预处理是为了保证膜组件良好的设计性能和长时间的安全稳定运行、保证膜的使用寿命。 反渗透预处理解决的问题：解决反渗透系统的污堵结垢和膜本身发生化学变化。 污堵：有机物、胶体在膜表面上的沉积。 结垢：部分盐类的浓度超过其溶度积在膜表面的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、氟化钙、磷酸钙等。 膜本身发生化学变化：使TFC膜的胺基受氧化而破坏、受到强酸强碱的溶解等。 图1.2 反渗透系统的配置(7) 反渗透系统的设计步骤： 考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质。 选择系统排列和级数。 膜元件的选择。 膜平均通量的确定。 计算所需的元件数量。 计算所需的压力容器数。 段数的确定。 确定排列比。 分析和优化膜系统。 运用反渗透计算软件进行系统模拟运算。1.2 反渗透系统发展概况1748年法国学者阿贝诺伦特(Abble Nellet)发现，水能自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，证实了这种膜的渗透过程，并创造了“Osmosis”一词来描述半透膜的这种现象。1854年，Graham通过对动物膀胱的一系列演示实验。发表了第一篇证实存在膜渗透现象方面的论文，并于1866年第一次提出了透过膜的机理。该机理至今仍具有实用价值。而关于渗透膜的发现及应用是从1860年开始的。1861年，Gramer等人通过进一步实验，提出了透过与非透过的机理在于膜的孔径。首先提出了膜孔径的理论。同年，Sehmidt首次发现了膜超滤现象，并公开了第一个超滤实验，证明牛心胞膜能部分截留溶解的阿拉伯树胶。1907年，HBechold发表了第一篇系统研究微孔滤膜性质的报告，并首先提出了用气泡法测定滤膜的孔径。而且他第一次在报告中使用了“超滤”(Uhrafiltration)一词。1911年，Donnan提出了膜平衡的概念，后称Donnan理论，至今仍被用于解释半透膜和离子交换膜的选择透过性。1931年，Zemieke位相显微镜和Ardenne Ruska电子显微镜开始出现，并用于对细胞膜的观察研究。从此细胞膜的存在得到了确认，进一步促使了膜分离技术的飞速发展。1935年，Groy开始引出了离子具有主动迁移(active transport)的概念。1936年，Teorell和Meyer以及Sievers通过实验表明荷电型膜既体现了Donnan膜平衡理论，又体现了扩散电位学说。1942年，Goldman定电位学说问世，进一步补充和发展了膜学说。1945年，GE(General Electric)公司成功地用放射线痕迹腐蚀法制得核孔性超滤膜。1950年，Juda论证了从电解质水溶液中分离水和电解质的可能性，并用人工合成的方法制得了第一张离子交换膜，促进了电渗析技术的发展。同年，加利福尼亚大学的Reid和Hassle第一次提出了关于海水渗透膜的设想，同时也开始了对离子交换膜和电渗析技术的研究。1952年，美国研制成功实用性离子交换膜，并组装成功第一台电渗析苦咸水淡化装置。1953年，美国佛罗里达大学的Reid在美国内务部盐水局(OSW)开始反渗透的研究，并向美国国会提交了脱盐报告，首次建议把反渗透用于脱盐。1954年，世界上第一台离子交换膜电渗析的工业装置在美国诞生。同年，沙特阿拉伯也开始使用离子交换膜电渗析装置进行地下水除盐。1960年洛布和索里拉金制成了第一张高通量和高脱盐率的醋酸纤维索膜。为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础。同年，Loeb和Milstein用他们研制成功的醋酸纤维索反渗透膜研究并组装成功第一个实验室规模的板框式反渗透膜装置。1961年美国Hevens公司首先提出管式膜组件的制造方法；1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；1965年美国加利福尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置，生产能力为19 td；1967年美国社邦公司首先研制出以尼龙一66为膜材料的中空纤维膜组件；1970年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“Permasep-9”中空纤维膜组件，并获得1971年美国柯克帕特里克化学工程最高奖1。反渗透技术在美国、日本的研究应用较早。我国的反渗透研究始于1965年，而1967年开始的全国海水淡化会战则为CA不对称反渗透膜的开发打下了良好的基础。因此我国对反渗透的开发与国外起步时间相差不大。但事实上由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。而对超滤的研究探索则开始于70年代初。近年来反渗透技术在我国已得到广泛应用。反渗透技术最初只用于海水淡化，后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面，产生了很高的经济效益。1.3国内反渗透膜及其应用我国从60年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于70年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。国内反渗透应用始于70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，90年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件1997年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点：1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途据不完全统计，我国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时，估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过10家。2.饮用水处理应用限于中、小规模在国外，100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。3.油田用水及废水处理应用还有待开发由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。4.纳滤膜应用刚刚开始纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。1.3国外反渗透及其应用我国从60年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于70年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。国内反渗透应用始于70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，90年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件1997年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点：1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途据不完全统计，我国已建成和在建的100吨/小时以上的反渗透装置已超过50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为600吨/小时，估计本世纪内会出现超过1000吨/小时的超大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过100吨/小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过10家。2.饮用水处理应用限于中、小规模在国外，100010000吨/小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨/小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。3.油田用水及废水处理应用还有待开发由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。4.纳滤膜应用刚刚开始纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。1.4纳滤膜及其应用1.纳滤膜的定义及种类纳滤(NF)膜早期称为松散反渗透(Loose RO)膜，是80年代初继典型的反渗透(RO)复合膜之后开发出来的。其准确定义到目前为止，学术界还没有一个统一的解释，这里暂表达为：(1) NF膜介于RO与UF膜之间，对NaCl的脱除率在90%以 下，RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，但NF膜 只对特定的溶质具有高脱除率；(2) NF膜主要去除直径为1个纳米(nm)左右的溶质粒子，截留 分子量为1001000，在饮用水领域主要用于脱除三卤甲 烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂，可溶性有机 物、Ca、Mg等硬度成分及蒸发残留物质。纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷性。这是它在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。例如日东电工的NTR-7250膜为正电荷膜，NTR-7450为负电荷膜。鉴于国内许多科研及使用单位对纳滤膜不如反渗透膜那样熟悉，现将国外主要的纳滤膜及其性能列于表3和表4，以供参考。2.纳滤膜的应用(1) 软化水处理对苦咸水进行软化、脱盐是纳滤膜应用的最大市场。在美国目前已有超过40万吨/日规模的纳滤膜装置在运转，大型装置多数分布在佛罗里达半岛，其中最大的两套装置规模分别为3.8万吨/日(1989年)和3.6万吨/日(1992年)，这两套装置均为Hydranautics公司承建，使用聚乙烯醇材质的PVD1膜。Film tec公司的NF-70膜也在多套万吨/日以上的大型装置中获得了成功应用。(2) 饮用水中有害物质的脱除传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉降、砂滤和加氯消毒来去除水中的悬浊物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。随着水源的环境污染加剧和各国饮水标准的提高，可脱除各种有机物和有害化学物质的“饮用水深度处理”日益受到人们的重视。目前的深度处理方法主要有活性炭吸附、臭氧处理和膜分离。膜分离中的微滤(NF)和超滤(UF)因不能脱除各种低分子物质，故单独使用时不能称之为深度处理。纳滤膜由于本身的性能特点，故十分适用于此用途的应用。美国环保局(FDA)曾用大型装置证实了纳滤膜脱除有机物、合成化学物的实际效果。日本也曾于19911996年组织国家攻关项目“MAC 21”(Membrane Aqua Century 21)开发膜法水净化系统。该项目的前三年侧重于微滤/超滤膜的固液分离，后三年重点开发以纳滤膜为核心，以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机污染物为目的的饮水深度净化系统。大量工业装置的运行实践表明，纳滤膜可用于脱除河水及地下水中含有的三卤甲烷中间体THM（加氯消毒时的副产物为致癌物质）、低分子有机物、农药、异味物质、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质。(3) 中水、废水处理中水一般指将大型建筑物（宾馆、写字楼、商场等）中排出的生活污水处理后用于厕所冲洗等非饮用再利用水，在中水领域的膜利用，日本作了很多的工作。纳滤膜在各种工业废水的应用也有很多实例，如造纸漂白废水处理等。生活废水中，纳滤膜与生物处理（活性污泥）相结合也已进入实用阶段。(4) 食品、饮料、制药行业此领域中的纳滤膜应用十分活跃，如各种蛋白质、氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓缩、精制。(5) 化工工艺过程水溶液的浓缩、分离如化工、染料的水溶液脱盐处理。2反渗透系统工艺流程本设计的主体工艺流程图如下：(1) 原水：原水为城市管网水，要求达到条件送水量。(2) 原水箱：主要是减少管网水的压力及供水量的波动对系统的影响。(3) 活性碳过滤器：主要用于除去原水中的余氯，以防止余氯对膜的氧化破坏作用；活性炭同时可以部分吸附水中可能存在的有机物，减少对膜的污染。总处理水量约为，操作方式为按设定时间自动运行。(4) 阻垢加药系统：反渗透膜的工作原理是原水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜从原水侧到达另一侧，而无机盐离子就留在原来的一侧。随着原水的向前流动，水分子不断从原水中取走，留在原水中的盐含量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，而最终成为浓水从装置中排出。浓水被浓缩后各种离子浓度将成倍增加，基本上接近于原水浓度的4倍。而自然水源中的Ca2+、Mg2 、Ba2+、Sr2+、CO32-、HCO3-、SO42-、SiO2等倾向于产生结垢的离子浓度积常数一般都小于其平衡常数，所以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积常数都有可能超过平衡常数，因此会产生严重的结垢现象。本系统推荐选用的进口阻垢剂是绿色环保型非磷有机复合物，它可以大大提高水中的难溶物质的饱和度，从而防止结垢的产生。(5)高压泵：原水在经过预处理后，已满足反渗透膜进水水质的要求，通过高压泵加压之后，达到反渗透系统的工作压力（1.01.5MPa）。 高压泵为变频启动。 高压泵采用南方特种泵厂生产的立式多级离心泵，其出力及扬程满足工艺系统产水水量的变化要求，高压泵所有过流部分为304不锈钢。 (9) 反渗透装置：采用反渗透膜组件。(10) 反渗透清洗系统：定期清洗反渗透设备。3 反渗透水处理系统硬件设计3.1 可编程控制器PLC系统模块设计3.1.1 PLC简介 (1) PLC基本概念：早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 (2) PLC的基本组成：PLC主要由CPU、存储器、I/O接口、外设接口、电源、编程设备等组成。图3.1 PLC的基本结构(2) PLC的工作过程：PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期5。PLC在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务： 运行监控任务。为了保证系统可靠工作，PLC内部设置了系统监视定时器WDT，WDT的时间设定值一般为扫描周期的23倍，通常为100200 ms。 与编程器交换信息任务。编程器在PLC的外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到PLC中，或对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到它。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给PLC。 与数字处理器(DPU)交换信息任务。一般大中型PLC多为双处理器系统，一个是字节处理器(CPU)，另一个是数字处理器(DPU) ，在一般小型PLC中是没有这个任务的。 与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。 输入/输出信息处理任务。电源ON 内部处理输入处理（输入传送、远程I/O）通信服务（外设、CPU、总线服务）更新时钟、特殊寄存器CPU运行方式？执行程序处理程序执行自诊断PLC正常？存放自诊断错误结果致命错误？CPU强制为STOP图3.2 PLC的工作过程(3) PLC的基本工作原理：PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式： 每次扫描过程集中对输入信号进行采样，集中对输出信号进行刷新。 输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 扫描周期的长短由三条决定：CPU执行指令的速度，指令本身占有的时间，指令条数。 由于采用集中采样、集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。3.1.2 PLC控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。1、运算功能简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。2、控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。3、通信功能大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP)，需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线)通信处理器。4、编程功能离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型可编程逻辑控制器中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123)，同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。5、诊断功能可编程逻辑控制器的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对可编程逻辑控制器的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。可编程逻辑控制器的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。6、处理速度可编程逻辑控制器采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则可编程逻辑控制器将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，可编程逻辑控制器接点的响应快、速度高，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期应满足：小型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型可编程逻辑控制器的扫描时间不大于0.2ms/K。综上所述，再结合实际情况，为便于今后系统的改造或者升级，需要留出一定的I/O点以做扩展使用。我们选用西门子S7-200PLC作为主控制器，其中主机型号：CPU226。3.1.3 PLC选型（西门子S7-200）本系统主要是低端控制，点数不多而且精密要求也不是很高，所以选择西门子公司PLC模块。SIMATIC S7-200是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独 西门子PLC的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-200 PLC采用模块化结构，具备高速的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-200操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-200中取得数据，S7-200按用户指定的刷新速度传送这些数据6。S7-200操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-200 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-200 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-200 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，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：1)极高的可靠性；2)极丰富的指令集；3)易于掌握；4)便捷的操作；5)丰富的内置集成功能；6)实时特性；7)强劲的通讯能力；8)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。CPU226的主要技术指标:1.集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。2.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。3. 13K字节程序和数据存储空间。4. 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。5. 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。6.I/O端子排可很容易地整体拆卸。7.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。8.可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。S7-200的工作模式:S7-200系列PLC有3中工作模式，即RUN，STOP和TERM模式。RUN模式：CPU在RUN模式下执行完整的扫描过程，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。此时，在CPU模式的LED显示面板上“RUN”显示当前的工作模式。在此模式时，不能向PLC装入程序、STOP模式：PLC处于停止方式，CPU不执行用户程序，可装载编程软件的计算机通信，可以创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，向PLC装入用户程序和硬件设置信息。TERM模式：是一种暂态，可以用程序将TERM转换为RUN或STOP状态，在现场调试程序时很有用处。TERM状态还和机器的特殊标志位SM0.7有关，可用于自由口通信时的控制。3.1.4 模拟量I/O模块的种类在工业控制中，某些输入量(例如压力、温度、流量、速度等)是模拟量，某些执行机构(例如电动调节阀、变频器等)要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，PLC用A/D转换器把这些模拟量转换为数字量，带正负号的电流、电压在A/D转换后用二进制补码表示。D/A转换器把数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。A/D转换器和D/A转换其的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。转换时间也是模拟I/O模块的一个重要指标。S7-200PLC主要有2种数字量扩展模块：1.数字量输入模块(EM221，16路)2.数字量输入输出模块(EM223，16路输入，16路输出)S7-200PLC模拟量扩展模块中的A/D、D/A转换器位数均为12位。3.1.5 PLC输入、输出电路输入 / 输出接口是 PLC 与外界连接的接口。 (1) 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 (2) 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 以下是本系统给出的的PLC接线：3.2 控制电路设计3.2.1 变频器简介(1) 变频器基本概念：变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF（Variable Voltage Variable Frequency Inverter）。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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有英威腾、汇川、三 晶、紫日电气科技有限公司、雷诺尔、欧瑞(原烟台惠丰)、蓝海华腾等。 (2) 变频器的作用： 调速：普通的三项异步电动机，加装变频后可以实现调速功能。即任意地改变电动机的转速，变频器的频率范围是：0650HZ。 节能：变频器调速比传统的电磁调速可以节电25%80%，具体节电的多少就要看设备的不同而不同。 软启动：变频器启动对机械设备没有危害，而硬启动则反之。(3) 变频器的构成： 键盘：作用是设置参数、监视各参数值、调速。 电源板：作用是提供各部分电路的工作电压，保证各电路的正工作。 控制主板：作用是产生六路驱动信号来控制逆变模块，同时也对各保护信号的各接口信号的处理。 整流桥：作用是将输入交流电变成直流电。 电解电容：作用是将整流后的脉动直流变成平滑的直流电。 充电电阻：作用是上电瞬间对主电解电容限流以防止充电电流过大损坏整流桥和主电解电容。 继电器或接触器：作用是当主电解电容充电完成以后短接充电电阻而承受主电流。 逆变模块：作用是将平滑的直流电变成接近正弦波的三相交流电。 保险管：作用是保护逆变模块和整流桥。(4) 变频器工作原理：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” 7。 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。 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。 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。 3.2.2 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： 电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 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。 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) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡8-11。综合以上因素，本系统选用西门子M430系列。MicroMaster MM430如图，是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。1、应用范围MICROMASTER 430 变频器适合用于各种变速驱动装置，由于其灵活性而可以在广泛的领域得到应用。这种变频器尤其适合用于工业部门的水泵和风机。变频器的特点是设备性能面向用户的需求，而且使用简便。与MICROMASTER 420变频器相比，这种变频器具有更多的输入和输出端，还具有经过优化的带有手动自动切换功能的操作面板，以及自适应功能的软件。2、主要特点调试简单，便捷采用模块化结构，因此组态特别灵活具有6 个可编程的带电位隔离的数字输入2 个模拟输入(0V 至10V，0mA 至20mA ，可标定)它们也可以作为第7/8 个数字输入使用2 个可编程的模拟输出(0mA至20mA)3 个可编程的继电器输出(30V 直流5A，电阻性负载；250V 交流/2A，电感性负载)由于采用较高的脉冲开关频率，电动机运行的噪声很小 (在开关频率较高的情况下，额定输出功率要降格使用)完善的电动机和变频器保护功能基于PID控制器对三个附加传动装置的控制(电动机分级控制多机循环)传动装置可以直接接在电网上运行(带有外接的旁路开关电路)节能运行方式应用于水泵的驱动时，可以识别水泵是否无水空转(传动皮带故障检测功能)3、控制性能的特点采用最新的IGBT 技术数字微处理器控制磁通电流控制(FCC) 功能改善动态响应特性，并且优化电动机的控制线性v/f 特性平方v/f 特性多点v/f 特性(可编程的v/f特性)捕捉再起动滑差补偿在电源中断或故障跳闸以后自动再起动睡眠运行方式 (停止转动，例如水泵的转速为零)电动机分级运行控制(根据运行需要不断地进行辅助电动机的接通和断开操作，在水泵的分级控制中变频器用于变速传动装置速度的调节)手动/自动操作负载转矩的监测(可以识别水泵是否无水空转)变频器的PID 调节器具有较高的品质(参数自整定)，可用于简单的过程控制升速/降速斜坡函数的时间可参数化确定，范围为0 至650 秒斜坡曲线起始段和结束段的平滑功能快速电流限制功能(FCL)，避免运行中不应有的跳闸快速的，可重复的数字输入响应特性具有2 个高分辨率的10 位二进制模拟输入，实现高精度给定复合制动，实现快速制动4 个跳转频率可拆卸的Y形电容器链路，可用于中性点不接地(IT) 的电源系统(电源中性点不接地时，Y形电容器链路必须拆掉，并安装输出电抗器)4.保护功能过压/欠压保护；变频器过温保护；使用PTC通过数字输入实现电动机过热保护；接地故障保护；短路保护；闭锁电动机保护；防止电动机失速；参数联锁5变频器运行环境1.变频器要求的环境温度都是040度，这个温度比较适合变频器正常运行。2.空气的相对湿度95%，无凝露。3.不允许变频器掉到地上或遭受突然的撞击。不允许把变频器安装在有可能经常受到振动的地方。4.不允许把变频器安装在接近电磁辐射源的地方。5.不要把变频器安装在存在大气污染的环境中，例如，安装在存在灰尘、腐蚀性气体等的环境中。6.变频器的安装位置切记要远离有可能出现淋水的地方。例如，不要把变频器安装在水管的下面，因为水管的表面有可能结露。禁止把变频器安装在湿度过大和有可能出现凝露的地方。7.在变频器附近不要安装有对冷却空气流通造成负面影响的其它设备。确认变频器的冷却风口处于正确的位置，不妨碍空气的流通。6. 使用变频器设计系统时需注意的问题1. 变频器柜内除本机专用的空气开关外，不宜安置其它操作性开关电器，以免开关噪声入侵变频器，造成误动作；2. 变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护，但切记不可频繁操作。由于变频器内部具有大电容，其放电过程较为缓慢，频繁操作将造成过电压而损坏内部元件；3. 注意防止发生共振现象。由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，