毕业设计（论文）基于s7-200的楼宇恒压供水控制系统设计

基于S7200的楼宇恒压供水控制系统设计摘要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本论文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置PID变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动2台电动机30KW的起动、运行与调速，2台分别采用循环使用的方式运行。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率来改变电机的转速，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工FN况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。本控制系统中采用了德国SIMENS公司的S7200可编程控制器，同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置PID算法的变频器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。关键词PLC；变频调速；恒压供水BUILDINGONTHES7200WATERSUPPLYCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSOCIALECONOMY,ITDEMANDSTHEBETTEROFWATERSUPPLYSQUALITYANDRELIABILITYOFWATERSUPPLYSYSTEMMEANWHILEENERGYRESOURCESARESERIOUSLYLACKSOITISINEVITABLETENDENCYTODESIGNWATERSUPPLYSYSTEMWHICHHASHIGHFUNCTIONANDSAVESONENERGYWELL,WITHHELPOFADVANCEDTECHNIQUEOFAUTOMATION,CONTROLANDCOMMUNICATIONATTHESAMETIMETHISSYSTEMCANADAPTDIFFERENTWATERSUPPLYFIELDSONTHEBASISOFANALYZINGINQUOOFTHEWATERWORKSINOURCOUNTRY,THISDESIGNSASUITOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYAUTOMATICSYSTEMPAPERBYUSINGVARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGTECHNOLOGYBASEDONPLCTHESYSTEMISMADEUPOFPLC,TRANSDUCER,UNITSOFPUMPSANDELECTROMOTORS,PRESSURESENSOR,INDUSTRIALCONTROLCOMPUTERANDCONSOLETHESYSTEMISUSEDATRANSDUCERTOMAKEFOURELECTROMOTORSSTARTING,RUNNINGANDTIMINGTHETWOELECTROMOTORS30KWISPARTLYCIRCULATEDTOCONNECTCONTROLCOMPUTERWITHPLCANDREALIZESUPERVISE,AREALTIMESUPERVISECONTROLSOFTWAREOFWATERSUPPLYSYSTEMISDEVELOPEDTOTUNEUPTHEFREQUENCYOFPOWERSUPPLYBYTHETRANSDUCERINTHESYSTEM,THISADJUSTINGMAKETHESPEEDOFELECTROMOTORANDPERFORMANCECURVEOFPUMPCHANGEATLAST,ITMAKESTHESTATUSOFAPUMPALTERTHROUGHANALYZINGTHEFIGUREOFENERGYWASTINGOFPUMP,THEQUALITYINPIPESISDIRECTPROPORTIONOFTHESPEEDOFPUMPIFTHESPEEDOFPUMPISREDUCEDTHEPOWEROFELECTROMOTORFELLSTHECUBEOFTHESPEEDOFPUMPSOTHEENERGYWASTINGOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYBASEDONVARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGTECHNOLOGYISEVIDENTLYLESSTHANTHETRADITIONALMODEISUSEDTHROTTLETOSUPPLYWATERTHROUGHUSINGS7200PROGRAMSOFTWAREOFSIMENSCOMPANYINGERMANINTHECONTROLSYSTEMTHECONTROLLERCANCOMPARETHEMEASUREVALUEANDTHEVALUEINADVANCEOFPRESSURETHROUGHREALTIMECONTROLLINGTHEOUTPUTVOLTAGEANDFREQUENCYOFTRANSDUCER,THEOUTPUTQUALITYOFPUMPISCHANGEDALONGWITHTHECHANGINGOFPUMPSSPEEDITMAKESTHEPRESSUREOFPIPESELFREGULATINGANDSTEADYINTHESCHEDULEDVALUEKEYWORDSPLC；VARIABLEFREQUENCYSPEEDREGULATINGCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY目录摘要ABSTRACT第1章绪论111课题来源及其研究意义112多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内1121多泵恒压供水系统中的关键问题1122本文的主要研究内容2第2章变频调速恒压供水系统421水泵理论及水泵工况点确定的4211水泵的工作参数4212水泵基本性能曲线8213水泵理论工况点的确定1122水泵工况的调节1223变频调速恒压供水能耗机理分析13231水泵工况的调节过程13第3章可编程控制器PLC1431PLC的特点与应用领域14311可编程序控制器的特点14312可编程序控制器与继电器控制系统的比较15313PLC的一般结构16314PLC基本工作原理18315PLC控制系统设计步骤20316PLC控制系统的硬件设计2132PLC控制系统的软件设计22321PLC程序设计的常用方法22322PLC程序设计步骤25第4章变频调速恒压供水系统设计2941系统的方案设计及工作过程29411系统的方案设计29412系统控制方案研究3042控制系统硬件设计32421主电路设计32422控制电路设计34423PLC配置34424基于S7200楼宇恒压供水控制电路3543本系统程序设计37431PLC程序设计37432设置切换延时时间38433确保触点互锁39第5章结论40参考文献41谢辞44第1章绪论11课题来源及其研究意义近年来，随着国民经济建设的蓬勃发展，城市居住小区的建设也犹如雨后春笋，纷纷拔地而起。城市给水系统的水量、水压如能随时满足居住小区用水要求，无疑应采用直接供水方式。然而我国某些城市的供水能力不足，城镇水厂发展速度滞后于居住小区建设发展速度，城市给水管道老化、输水能力下降，城郊供水水压不能满足用水要求的情况时有发生。水压不足，需采用加压设备进行增压。目前，恒压变频调速给水加压设备已成功地应用于居住小区给水增压系统且有明显的节能效果和经济效益。本文在智能化要求的基础上，研究了PLC及变频调速技术在该楼宇恒压供水系统电气控制中的应用，提出了供水系统的总体设计方案，并论述了硬件电路的设计和软件的实现方案。以及通过运行实测。分析了节能节水的效果。12多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容121多泵恒压供水系统中的关键问题交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者像软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。122本文的主要研究内容经过系统的调研和分析，并结合楼宇供水情况，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器（内置PID）拖动多台电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。具体而言，论文包括以下内容1对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。2从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点工况点的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。3PID算法在变频横压供水系统中的应用及如何选择变频器。4通过对可编程控制器PLC的端口介绍及软件分析为本论文的PLC选择提供依据，并保证系统能有效的进行工作。5介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。第2章变频调速恒压供水系统随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约205O其节能效果相当可观12,49。采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、高压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对水泵机组设备的冲击等优点13。在讨论变频调速恒压供水的节能机理之前，有必要讨论分析水泵及水泵工况调节等相关理论。21水泵理论及水泵工况点确定的水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中普遍采用的离心式叶片泵，也称离心泵。离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。211水泵的工作参数水泵工作参数共有六个，即流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化14。1流量Q水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。以L/S升/秒、M3/S米3/秒、M3/H米3/小时、KG/S千克/秒、T/S吨/秒等表示。2扬程H水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量E，E2的差值表示，其单位以M计。水泵扬程可用下式表示为GVHZEH21121212（21）式中，Z1,Z2分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离，低于基准面时取负值MH1,H2分别为真空表、压力表读数M；GV、分别为水泵进水口、出水口断面的流速水头M。3功率水泵功率有以下两种，有效功率PM和轴功率PN。有效功率PM为泵内液体实际所获得的净功率KW，可以根据流量和扬程来计算。10RQHPM22式中R液体的比重KGF/M3一一液体的流量M3/SH一一一水泵的扬程M轴功率PN是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由动力机传给水泵轴上的功率KW。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功功率。1010RQHPMN23式中，水泵效率。4效率有效功率与轴功率的比值为效率10NMP24水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。1机械损失与机械效率机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以及叶轮在水中旋转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后，把剩下的功率传给所抽的水，这部分功率叫做水功率PW。THWHQQRP25式中，QQ流过叶轮的全部流量漏损量,TH水泵理论扬程。机械损失的大小用机械效率表示10NWP262容积损失与容积效率在流过叶轮的全部流量QQ中，除了出水量Q外，另有一部分流量Q，经过减漏环的间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流回进水侧，以及经过填料函渗出泵外，流量带走的功率为THLQHP（27）剩下的功率是LWSP（28）容积损失LP只可用容积效率R表示10WSR（29）将式25,26,27,28代入上式得10QQHTHR（210）3水力损失与水力效率水泵吸入室、叶槽、压出室中的磨擦阻力、旋涡及撞击等引起的水力损失，可用水力效率表示10THTWMSHQP（211）用WSNP乘以式子214右端可得SRJSMWNP（212）由上式可见水泵效率，是三个局部效率的乘积。要提高水泵效率，必须尽量减少机械磨擦和漏水量，并力求改善过流部分的设计和提高制造、装配质量。5转速N。转速N是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。6允许吸上真空高度YZH或临界气穴余量LH。二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数，它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。212水泵基本性能曲线水泵的六个工作参数，标志着水泵的性能。但各个工作参数不是静止孤立的，而是有一定的内在联系和变化规律。如将它们的变化规律用一组曲线表示，则这组曲线就称为性能曲线或称特性曲线。通常是将水泵转速N在某一恒定值时，扬程H，轴功率PN，效率和允许吸上真空高度YZH或临界气蚀余量1H随着流量Q而变化的关系绘制成各种性能曲线。只有了解水泵的性能，掌握其变化规律，熟悉各种水泵性能曲线的特点，才能合理的选型配套，正确的决定水泵的安装高程以及解决水泵装置在运行中所遇到的许多的问题。1扬程与流量曲线QH流体在水泵叶轮内的运动关系可以用下式描述UWV213式中，轮内流体的绝对速度；轮内流体的相对速度；U轮内流体的牵引速度圆周速度。水泵的理论扬程可用式214表示15GVUHTH1221412152U216式中，1R,水泵叶轮进、出口半径1,2U水泵叶轮进、出口处的圆周速度UV2，水泵叶轮进、出口处的绝对速度。从水泵的基本方程式可知，水泵流量与扬程是密切相关的。在叶片无限多时，式214经过进一步推导，水泵理论扬程可用下式表示。KTHQBDCTGUH22（217）式中，2水泵叶轮出水口相对速度与圆周速度的夹角，由叶片的形状决定2U水泵叶轮出水口圆周速度经验系数KQ水泵出水口流量。式217表示扬程随流量变化的关系，是一个直线方程。在离心泵中，当叶片的902时，THH随K的增加而减小。该直线在纵坐标为H的轴上交于GU，直线的斜度取决于2的值，如图41A所示。当叶片为有限多时，理论扬程TH与T的关系用式218PHTHT1（218）进行修正、因此TH与KQ的关系仍然是一条直线，在纵坐标H轴上的交点为GPU12。如果号虑水泵内部的水力损失和水泵的泄漏量，最后可以得到水泵扬程H与Q的关系是一条曲线。2功率与流量曲线NPQ轴功率N是水功率W与机械损失功率JP只之和，计算水泵理论扬程曲线所对应的功率即为水泵的水功率。把式217代入式25得KTHWQBDCTGUP22（219）对于离心泵来说，902，WPKQ是一条向下弯的抛物线。机械损失JP几乎与流量无关，在K曲线上加上J，就得到NPKQ曲线。再从PNK曲线的横坐标上减去相应的Q值，即得N曲线。3效率与流量曲线从己知的H及曲线，按公式25，求得相应点的功率值，即可绘Q曲线。理论性能曲线，只能做为定性分析和比较之用，目前还不能定量确定，在实用时还必须用实测的方法来绘制性能曲线。水泵样本中所绘出的性能曲线，均为实测或根据模型试验换算而来的。在水泵额定转速时，或叶片在设计安放角时，以Q为横坐标，以H、NP、YZH或1H为纵坐标，画出的H,NP，,YZ曲线称为基本性能曲线。213水泵理论工况点的确定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水泵工况调节与这三者密切相关15。1管路水力损失及性能曲线管路水力损失分沿程损失和局部损失两种，JYSH（220）沿程损失表达式为2LQHY（221）式中V管路沿程摩擦损失系数L管路长度，包括进出水管总长，如进出水管管径不同时，应分别计算其沿程损失。局部损失之和的表达式22QGAVHJJJ（222）222SLJS（223）当上下水位确定后，管路所需要的水头就等于上下水位差即实际扬程加上管路损夫。SXH（224）22水泵工况的调节在选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，这就必须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下。1车削调节沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范围，这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围，否则原来的构造被破坏，使叶片末端变粗，使叶轮和泵壳之间间隙过大，增加回流损失，以致水利效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。2变角调节通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵，因此这里不作详述。3节流调节对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的HQ曲线朝着流量减小的方向移动。闸阀关得越小，附加阻力越大，流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节。23变频调速恒压供水能耗机理分析231水泵工况的调节过程交流电动机的转速N与电源频率F具有的关系如下160SPF（227）式中，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。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NO改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从1N降低到2N。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速N，可使供水泵流量Q,扬程H和轴功率N以相应规律改变171212/NQ228H22931212/N229从上述比例律公式中消去N就得到式225及226式2KQH是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。第3章可编程控制器PLC31PLC的特点与应用领域311可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点主要包括以下几个方面1、编程方法简单易学。PLC中配备了易于接受和掌握的梯形图语言。梯形图语言的电路符号和表达方式与继电器电路原理图相当接近，只用PLC的20多条开关量逻辑控制指令就可以实现继电器的功能。2、硬件配套齐全，用户使用方便。PLC配有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户不必自己设计和制作硬件装置。PLC的安装接线也很方便，PLC一般用接线端子连接外部接线。3、通用性强，适应性强。由于PLC的系列化和模块化，硬件配置相当灵活，可以组成能满足各种控制要求的控制系统。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速的适应工艺条件的变化。4、可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件取代了继电器系统中容易出现故障的大量触电和接线。除此之外，PLC还采取了一系列抗干扰提高可靠性的措施。5、系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。现代可编程序控制器在控制领域越来越受到人们的重视，并得到广泛的应用，过去许多采用微型算计机、单板/单片计算机和集散控制系统的场合己逐渐被可编程序控制器及其网络控制系统所取代，这是和PLC自身的优点分不开的。312可编程序控制器与继电器控制系统的比较PLC与继电器均可用于开关量逻辑控制。PLC的梯形图与继电器的电路图对逻辑关系的表达方式相同，它们所用的很多电路元件符号相似，梯形图中的有的编程元件也称为继电器，如输入继电器、输出继电器等。1、工作原理继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器实现的，而PLC的控制功能主要是用软件编程来实现的5。2、功能PLC采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通讯联网等功能。继电器控制也可实现顺序控制，但其功能有限。3、可靠性、可维护性与灵活性继电器系统的可靠性差，复杂的继电器系统，其故障诊断与排除比较困难，继电器系统的控制功能被固定在系统线路中，功能单一，不易修改，灵活性较差。PLC控制系统的功能是用软件来实现，可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障，PLC控制系统的柔性很强，仅需修改梯形图就可改变其控制功能。313PLC的一般结构图31PLC的一般结构用可编程控制器实施控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。输入输出变换和物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，而输入输出变换实际上就是信息处理。物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适应于工业现场，而输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用。这就要求I/O系统电路专门设计。根据PLC实施控制的基本点的分析，PLC采用了典型的计算机结构，主要是CPU,RAM,ROM和专门设计的输入输出接口电路等组成10，11。如图31所示。1、中央处理机中央处理机是PLC的大脑，它由中央处理器CPU组成。中央处理器CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出I/O接口电路相连接。2、存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其他一些信息。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，这些程序是由PLC制造厂家用相应CPU的指令系统编写的，并固化到ROM中。用户程序存储器用来存放由编程器或计算机输入的用户程序。用户程序是指使用者根据现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，可以通过编程器或计算机修改或增删。3、输入接口电路现场输入接口电路一般有光电祸合电路和微电脑输入接口电路组成。1光藕合电路由于输入和输出端是靠光信号祸合的，在电气上是完全隔离的，因此输出的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其它串扰。同时，由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。正是由于PLC在现场信号的输入环节采用了光电祸合，因而增强了抗干扰能力。2微电脑输入接口电路它一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电祸合送到数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。4、输出接口电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成而成。CPU通过数据总线将要输出的信号放到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC一般采用继电器输出，也有的采用晶闸管或晶体管输出。除了上面介绍的几个主要部件外，PLC还配有和各种外围设备的接口，均用插座引出到外壳上，可配接编程器、计算机、打印机、录音机以及A/DD/A串行通信模块等，可以方便地用电缆进行连接。314PLC基本工作原理PLC虽然具有微机的许多优点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式。如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，有键按下或I/O动作则转入相应的子程序，无键按下则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式，在PLC中，用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。这个工作过程分为五个阶段自诊断，与编程器等的通信，输入采样，用户程序的执行，输出刷新7。其工作过程框图如图32所示。图32PLC的工作过程1、每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。2,PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接收编程器送来的程序、命令和各种数据，并把显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。3,PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入的状态送到输入状态寄存器中，这是输入采样阶段。4、中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态这些状态统称为数据进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。5、当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这五个阶段的工作过程，称为一个扫描周期，完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行，扫描周期是PLC的重要指标之一，在不考虑第二个因素与编程器等通信时，扫描周期T见公式T读入一点时间输入点数运算速度程序步数十输出一点时间输出点数十故障诊断时间显然扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，这对于工业设备通常没什么影响。但对控制要求严格，响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应的时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的不良影响。PLC与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。继电接触器控制是按并行方式工作的，也就是说是按同时执行的方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作，而PLC是以反复扫描的方式工作的，它是循环地连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以串行方式工作的。这种串行工作方式可以避免继电控制的触点竞争和时序失配的问题。总之，采用循环扫描的工作方式也是PLC区别于微机的最大特点，使用者应特别注意。特别注意的是在PLC的程序中，前面逻辑行的执行结果在本次扫描过程中，影响后面逻辑行的执行结果而后面逻辑行的执行结果在本次扫描中不影响前面逻辑行的结果。315PLC控制系统设计步骤PLC控制系统的基本设计步骤如下1、深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。如控制的基本方式，需要完成的动作动作顺序、动作条件、必需的保护和连锁等，操作方式手动、自动、连续、单周期和单步等。2、根据被控对象对PLC控制系统的功能要求和所需要的I/0信号的点数等，选择合适类型的PLC。如果需要网络控制系统，还须选择网络通信系统的类型。3、根据控制要求所需的用户I/O设备，确定PLC的I/O点数，并设计I/O端子的接线图。4、对较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出工作循环图表，必要时，画出详细的状态流程图表，它能清楚的表明动作的顺序和条件。5、根据工作循环图表或动态流程图表设计梯形图。如果被控对象已经有了继电器控制线路图，可把线路图变换为梯形图。设计梯形图是编制程序的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先应熟悉控制要求，同时还要有电器设计的实践经验。6、根据梯形图编制程序清单。7、编制技术文件。以上是一个PLC控制系统设计的一般步骤，可根据控制系统的规模、控制要求的繁简、控制程序步序的多少，根据实际情况有的步骤可以省略。316PLC控制系统的硬件设计PLC控制系统的硬件设计是指硬件选型。近十几年来，国内外众多生产厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品。PLC品种繁多，其结构形式、性能、I/O点数、用户程序存储器容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术、经济指标着重要作用。32PLC控制系统的软件设计321PLC程序设计的常用方法在工程中，对PLC应用程序的设计有多种方法，这些方法的使用，也因各个设计人员的技术水平和喜好有较大差异。现将常用的几种应用程序的设计方法简要进行介绍。1、经验设计法在PLC发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图。即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复地调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和辅助触点，最后才能得到一个较为满意的结果。经验设计法也叫试凑法。这种方法没有普遍的规律可以遵循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一的。设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，所以有人把这种设计方法叫做经验设计法。经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。对于较复杂的系统，经验法一般设计周期长，不易掌握，系统交付使用后，维护困难。所以，经验法一般只适合于较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。2、逻辑设计法逻辑设计方法是根据数字电子技术中的逻辑设计方法进行PLC程序的设计。该方法使用逻辑表达式描述实际问题。在得出逻辑表达式后根据逻辑表达画梯形图，或者直接用逻辑表达式写助记符程序。该方法在纯粹的条件控制系统中，非常好用。因为纯粹的条件控制系统相当于组合逻辑电路，逻辑表达式书写简单。但是在和时间有关的控制系统中，就显得复杂。因为，这时的控制问题就相当于顺序逻辑问题，不仅要考虑条件，还要考虑时间。用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下（1）列出执行元件动作节拍表；（2）绘制电气控制系统的状态转移图；（3）进行系统的逻辑设计；（4）编写程序；3、时序图设计法如果PLC各输出信号的状态变化有一定的时间顺序，可用时序图法设计程序。因为在画出各输出信号的时序图后，容易理顺各状态转换的时刻和转换的条件，从而建立清晰的设计思路。时序图设计法归纳如下（1）把时序图划分成若干个时间区段，确定各区段的时间长短。找出区段间的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。（2）根据时间区段的个数确定需要的定时器数量，分配定时器号，确定各定时器的设定值，明确各定时器开始定时和定时时间到这两个关键时刻对各输出信号状态的影响。（3）明确各I/O信号之间的时序关系，画出各I/O信号的工作时序图。（4）根据定时器的功能明细表、时序图和I/O分配画出梯形图。4、顺序控制设计法所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。顺序控制设计法又称步进控制设计法。对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法规律性很强，虽然编出的程序偏长，但程序结构清晰、可读性强。在用顺序控制设计法编程时，功能表图是很重要的工具。功能表图能清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。用顺序控制设计法编程的基本步骤是（1）分析控制要求。将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向进行单序列还是多向进行选择或并行序列的，确定步的转换条件可能是多个信号的“与”、“或”等逻辑组合，必要时可画一个工作流程图。（2）为每个步设定控制位。控制位最好使用同一个内存单元的若干连续位。若用定时器/计数器的输出作为转换条件，则应确定各定时器/计数器的编号和设定值。（3）确定所需输入和输出点的点数。确定所需输入和输出点的个数，选择PLC机型，做出I/O分析。（4）在前两步的基础上画出功能表图、画梯形图。（5）添加某些特殊要求的程序。顺序控制设计法有一定的规律可循，所编写的程序易读、易检查、易修改，是常用的设计方法之一。使用顺序控制设计法的关键有三条一是理顺动作顺序，明确各步的转换条件二是准确地画出功能表图三是根据功能表图正确地画出相应的梯形图，最后再根据某些特殊功能要求，添加部分控制程序。322PLC程序设计步骤根据PLC系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是程序设计。1、程序设计步骤PLC程序设计一般分为以下几个步骤1程序设计前的准备工作；2程序框图设计；3编写程序；4程序测试；5程序调试；6编写程序说明书。2、程序设计前的准备工作1了解系统概况，形成整体概念这一步的工作主要是通过系统设计方案和软件规格说明书了解控制系统的全部功能、控制规模、控制方式、输入/输出信号种类和数量、是否有特殊功能接口、与其他设备的关系、通信内容与方式等。2熟悉被控对象、编制出高质量的程序这一步的工作是通过熟悉生产工艺说明书和软件规格说明书来进行的。可把控制对象和控制功能分类，按响应要求、信号用途或控制区域划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，深入细致地了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模，以及其间的关系和预见以后可能出现的问题，使程序有的放矢。3充分利用手头的硬件和软件工具例如，硬件工具有编程器、GPC图形编程器、FIT工厂智能终端。编程软件有西门子STEP7，LSS，CPT，CXPROGRAMMER等。利用计算机编程，可以大大提高编程的效率和质量。3、程序框图设计这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体情况，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后再根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。如果有人己经做过这步工作，最好借鉴一下。有的系统的应用软件已经模块化，那就要对相应程序模块进行定义，规定其功能，确定各模块之间连接关系，然后再绘制出各模块内部的详细框图。框图是编程的主要依据，要尽可能详细。如果框图是别人设计的，一定要设法弄清楚其设计思想和方法。这步完成之后，就会对全部控制程序的功能实现有一个整体概念。4、编写程序编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。如果有编程支持软件如STEP7,SSS,CPT等，应尽量使用。梯形图语言是最普遍使用的编程语言，再来编写用户应用程序。在编写程序的过程中，可以借鉴现成的标准程序，但必须弄懂这些程序段，否则将会给后续工作带来困难和损失。另外，编写程序过程中要及时地对编出的程序进行注释，以免忘记其间相互关系，要随编随注。注释要包括程序的功能、逻辑关系说明、设计思想、信号的来源和去向，以便阅读和调试。5、程序测试程序测试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可以初步检查程序的实际效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试中修改和完善的。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况，必要时可以借用某些仪器、仪表。各功能单元测试完成后，再贯通全部程序，测试各部分的接口情况，赶到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将可编程序控制器系统与现场信号隔离，可以使用暂停输入/输出服务指令，也可以切断输入/输出模板的外部电源，以免引起不必要的、甚至可能造成事故的机械设备动作。6、程序调试程序调试与程序测试不同，它是在成功地进行了程序测试之后才开始的工作。软件测试试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。第4章变频调速恒压供水系统设计41系统的方案设计及工作过程以上通过对变频器几PLC的介绍我们可以根据课题的需要来进行系统的整体设计。411系统的方案设计可编程控制器PLC变频恒压供水系统的基本控制策略是采用变频调速的水泵与PLC，构成控制系统，根据水压的高低自动调整水泵的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。本系统为某高层设计的用1台变频器控制2台水泵，即“一拖二”配置方案，图41也是该供水系统组态模拟的基础。图41变频调速恒压供水自动控制系统组成412系统控制方案研究变频恒压供水系统主要有PLC、变频器、压力控制器、压力传感器、流量检测器、动力控制线路以及2台水泵等组成。用户通过控制柜而板上的按钮、转换开关来控制系统的运行，也可通过组态软件对这套变频供水系统进行远程监控。系统的各设备分别采用西门子S7200可编程控制器PLC，三菱FRF54022KCH变频器U,YTZ150差动变压器式远传压力表SP,PXW5T3F8V压力控制器RP。通用继电器JT18（KA4KA6），中间继电器J214（KA1KA3），接出器GMC25（K0K4），热继电器GHT22（1220A）（2个）。通过安装在出水管网上的压力传感器SP，把出口压力信号变成标准信号送入RP,经与给定压力参数进行运算比较和PID调节，RP的C2,C3端输出模拟控制电流420MA给变频器的4,5端，山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1台泵的供水量时，通过PLC控制加泵。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。开泵时，1号泵变频启动，该泵转速从零开始随频率上升。同时，压力控制器接收到压力传感器的标准信号，经过比较、调节输出420MA电流给变频器作为变频器的控制信号。若变频器频率达到50HZ，而压力仍小于设定值，延时一段时间后,1号泵由变频切换成工频，变频器频率由50HZ下降至OHZ,2号泵变频启动，其转速从零开始随频率上升。当压力大于设定值时，1号泵停机，2号泵继续变频运行。当压力再次小于设定值时，2号泵由变频切换成工频，变频器频率下降至0HZ，延时一段时间后，1号泵变频启动。这样循环下去，2台泵轮流变频工作来完成供水，既可以延长水泵的使用寿命，又不会发生其中一个泵因经常不用而锈死的情况。在PLC程序设计中，必须认真考虑这切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。机组工作过程流程图42如下图42流程图42控制系统硬件设计421主电路设计在硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子R,S,T与三相电源连接，变频器主电路输出端子U，V,W经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子U，V,W的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWDREV来操作，不得以主电路的通断来进行。另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的P，P端子是连接DC电抗器之用。图43为变频恒压供水系统主电路图图43变频恒压供水系统主电路422控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连。所以在一台电动机变频工作的时候，要自动切断另一台电动机的变频控制电路。控制电路中还必须考虑系统电机的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。423PLC配置S7200型PLC的特点由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7200型。S7200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统20。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信PC/PPI电缆，支持点对点接口PPI协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，通信传输速率为96KBAUD或19