PLC水塔控制系毕业设计

1、编号： 毕业设计(论文)说明书题 目： PLC水塔控制系统 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 高级工程师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 摘 要水塔控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低及能耗大的缺点，研究设计的基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统，采用可编程控制器、变频器以及压力变送器等器件，完成逻辑控制、变频调速和数据采样等功能，使系统实现自动控制，达到节能的目的，提高了供水系统的质量。本系统采用PLC进行逻辑控制，采用带变频器

2、进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态，实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力变送器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC的A/D模块进行A/D转换，转换后数字信号经PLC的PID指令处理后，获得最佳控制参数，通过D/A模块转换成模拟信号控制变频器，变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、水泵工频/变频的自动切换、供水压力的测量与调节、蓄水池水位的测量和调节、火灾和生活供水的自动切换、故障及异常状况的报警等。关键词：可编程逻辑控制器；比例积分微分调

3、节；变频器；压力变送器；恒压供水；变频调速。AbstractThe water control system for water tower is a typical water supply system that is widely used in residential areas. The traditional control system can not overcome the disadvantages of lower control accuracy and larger power consumption. A giving water system was design

4、ed with transducer andcycling multi-pump based on the PLC controller to keep water pressure invariable composed of the programmable controller, transducer and pressure transmitter, the water supply system could be controlled automatically via logic control, frequency conversion timing and data sampl

5、ing. Thus it has advantages of power saving and good performances. Through the PLC, transducer, relay, contactor control unit running pumps, pipe networks to achieve variable flow constant pressure water supply requirement. Equipment run-time, the pressure transmitter keeps the pressure signal conve

6、rting into electrical signal transported into the A/D unit of PLC for A/D converting, the converted digital signal after processing by the PID command of PLC, turn into the best control parameters, the analog signal converted by D/A unit controls the speed of inverter, through the inverter and the r

7、elay control unit components automatically adjust the pumps to run efficiently. Monitoring of water supply system includes automatic start and stop control, automatic switching of the mode of the pumps, water pressure measurement and adjustment of the hydraulic system in charge of Road; water level

8、measurement and adjustment of the water reservoir, automatic switching of the mode of domestic water supply and fire accident water supply, failure and abnormal state of alarm. Keywords: Programmable logic controller; PID regulator; Frequency converter; Pressure transmitter; Constant pressure water

9、supply; Frequency Control.目 录1 绪论11.1 课题背景11.1.1水塔控制系统的提出11.1.2水塔控制系统的主要特点21.2 可行和现行设计方案的分析21.2.1可行设计方案的提出21.2.2现行设计方案的选择21.3 课题研究的主要内容41.3.1课题研究的概述41.3.2课题的主要工作42 水塔控制系统的构成及运行原理52.1 系统的组成52.2 系统工作原理72.3 PLC在水塔控制系统中的功能83 系统主器件简介93.1可编程逻辑控制器简介93.1.1PLC的特点93.1.2PLC的应用103.2 变频器结构及工作原理113.2.1变频器基本结构113.

10、2.2变频器工作原理123.3 压力变送器概念及选用原则133.3.1压力变送器的基本概念133.3.2压力变送器的选择134 系统硬件设计154.1 主电路设计164.2 电气控制系统控制电路设计194.3 手动、自动和停水操作模式194.4 可编程控制器选型分析204.5 变频器的选型234.6 压力变送器的选型254.7 控制电路器件选型254.7.1热继电器25 4.7.2断路器264.7.3接触器275 系统软件设计285.1 软件的概述285.2 控制系统I/O点及地址分配285.3 PID控制算法295.4 PID指令315.5 编程思路315.6 程序流程图335.7调试与分析

11、 336 结论36谢辞37参考文献38附录39 1 绪论1.1 课题背景1.1.1水塔控制系统的提出水是最重要的资源之一，当前水资源短缺已经成为一大全球性问题，水的节能和充分利用已成为一个重点研究方向，因此一个优质的供水系统也成为社会的迫切需求。供水是国民生产生活必须考虑的问题，成熟的供水系统是一个国家发达的标志之一，而在主供水系统停止运行时保证正常的供水是一个重点问题，水塔供水系统的投入使用解决了这一问题。水塔控制系统是我国住宅小区广泛应用的备用蓄水和供水系统，是国民生产生活中不可缺少的设施之一，传统的供水方式大多以旧式水塔，高位水箱，气压罐式增压设备为主，它们都必须由水泵以高出实际用水的高

12、度的压力来“提升”水压，结果增大了水泵的轴功率和能量损耗，且水压不能保持恒定，导致了生产生活的不方便。现代水塔利用了在各个领域得到广泛应用的变频调速技术，采用了变频调速恒压供水设备，其节能、安全、高品质的供水质量的优点明显。变频器的使用使我国供水行业的技术装备水平实现了一次飞跃。现代水塔采用的是恒压供水变频调速系统，实现水泵电机的无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，即使用水量变化大都能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，被广泛应用。现代水塔供水系统可在主供水系统停止运行时投入使用，其可以完成以下功能：（1）主供水系统停止运行时投入使用（2）消防和生活用

13、水双恒压（3）控制系统可手动/自动运行（4）多台水泵自动切换运行（5）系统的唤醒和睡眠。当外界无用水时，系统处于睡眠状态，有用水需求时自动唤醒（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。为完成以上功能，水塔控制采用了以PLC和变频器为控制核心的多泵循环变频恒压供水系统，该系统基于PLC和变频器调速恒压控制方式，利用PLC、变频器。PID指令控制、压力变送器。电气控制设备以及水泵机组组成闭环控制系统，实现供水控制管网压力的恒定。这样既可以满足用户的供水要求，又能避免出现供水事故，还可以节约能源。系统采用了压力闭环控制、自动补偿用水量的变化、变频器提供软启动功能可以消除电器冲击和机械冲击，延长机械设

14、备的使用寿命。系统可以实现多种起停控制方式，可进行恒压变量控制和双恒压变量控制，具有自动和手动控制操作功能。可以任意修改指令参数，控制运行的水泵数量、泵号和预设的PID参数值等，具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠流、过载、断水、水量不足、火灾、变频器故障等故障都能自行诊断并报警及显示，整个系统具有极高的可靠性和安全性。由于其具有高度自动化、高效节能、维护方便等特点、在小区备用供水，工厂备用供水和缺水地区供水控制中得到了广泛的应用，并取得了良好的控制效益、经济效益、社会效益。现代水塔控制系统已取代了传统的“提升水位增压型”的辅助供水控制系统，多泵循环配合调速恒压系统也取代了单泵系统，P

15、LC控制的多泵循环变频恒压供水系统凭借其节能、安全、供水品质高等优点在主供水系统和辅助供水系统中得到了肯定。1.1.2水塔控制系统的主要特点（1）采用了多泵，能有效满足高水压的需要，能恒压供水，且根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象，实现了节水功能，满足了用户的需求。（2）采用了循环变频技术，应用了变频器，实现了循环变频，且优化的节能控制软件实现对泵的节能控制，可以极大限度节约电能。（3）占地面积小，投资较小，效率高。配置灵活，分段供水，定时供水，能手动选择工作方式，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（4）自我保护功能完善，有健全的故障报警系统和故障停止运行功

16、能，且在必要时能提供消防供水。（5）采用的运行方式合理，运用了软启动，减小了电机轴上了平均扭矩和磨损，也实现了水泵由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂，减少了维修量和维修费用，延长了机器的寿命。1.2 可行和现行设计方案的分析1.2.1可行设计方案的提出对于水塔的多泵循环变频恒压供水系统的设计，当前实际应用的技术已经相当成熟，主要可行的方案有以下三种：利用单片机作为作为多泵循环变频恒压供水系统的逻辑编程控制核心，配合变频器和压力变送器实现功能。利用PLC作为逻辑编程的核心，以PLC的PID指令功能，配合PLC输入模块和输出模块和变频器、压力变送器实现功能。利用PL

17、C作为逻辑编程的核心，以变频器内置PID实现PID控制，配合压力传感器实现功能。1.2.2现行设计方案的选择关于单片机和PLC的区别，其实PLC和单片机本质是一样的，它们的发展都是基于微处理技术。而PLC是建立在单片机之上的一种产品，因为很多PLC内部就是用了单片机，虽然也有一些PLC内部未使用单片机，但却同样使用了与单片机类似的其他智能芯片，如8086等。在体积方面，PLC虽比单片机的体积要大，但其功能完善，内部使用的单片机芯片一般都是工业级的，而且其它构成元件也都经过了标准化处理，所以PLC的稳定性和抗干扰性要远远优于普通的民用级单片机芯片。在价格方面，PLC较单片机价格明显昂贵，同样的任

18、务若单片机与PLC都能完成，显然采用PLC相应的方案会增加控制系统的成本，但是不论是在硬件还是软件（程序）设计上单片机相应方案相对PLC相应方案要复杂许多，由于单片机的开发主要使用汇编语言而汇编语言指令繁多，格式僵硬而可读性比较差所以造成编程复杂。此外，用单片机实现自动控制，一般要在输入、输出接口上做大量的工作，这也要求设计人员要想从事单片机开发就必须对计算机软件和硬件都要非常熟悉。而PLC的第一开发语言是梯形图，这种语言非常形象直观，其编出的程序和继电器控制线路图相似，人机界面好。此外PLC可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，功能强，扩展能力强，PLC控制系统设计、安装。调试方便，维

19、修方便，维修工作量小，易于实现机电一体化。结合本课题，本课题研究方向属过程控制，且大部分是继电接触器系统，PLC正好提供了条件，且在实际应用中成熟系统也选择了PLC，而不是单片机，二者比较情况可总结为表1-1如下。表1-1 PLC控制系统和单片机控制系统的比较比较内容PLC控制系统单片机控制系统功能用程序可以实现各种复杂控制用程序可以实现各种复杂控制改变控制内容修改程序较简单容易修改程序技术难度大可靠性平均无故障工作时间长比PLC差工作方式顺序扫描中断处理接口直接与生产设备相连要设计专门的接口适应环境性可适应工业生产现场环境要求要有较好的环境，如机房、实验室、办公室抗干扰不用专门考虑抗干扰问题

20、，抗干扰能力强要专门设计抗干扰措施；否则易受干扰影响维护现场检查，维修方便技术难度较高系统开发设计容易、安装方便、调试周期短系统设计复杂，调试技术难度大，需要有系统的计算机编程知识通用性较好，适应面广要进行软、硬件技术改造才能作其他用硬件成本较高比PLC低综合以上的分析和对比，结合了工业水塔供水系统的要求，现实工业应用中的现行方案一般选择使用PLC。选定了控制核心，下面要考虑的是PID控制方式的选择。可以选择两种PID控制方式，第一种就是利用PLC内置的PID控制指令，对A/D转换后的输入模拟信号进行PID控制，然后将调节后的信号通过D/A转换输出，该方式只需在PLC指令表或梯形图中设置相关P

21、ID控制数值，实现了数字式PID控制，使用起来非常方便；另外一种就是利用变频器提供PID控制，PID参数可以通过变频器直接设置，且可直接连接电机进行PID的控制，实现的是模拟量控制；结合两种方式，功能都一样，似乎两种方式都可以选择，但PLC中的PID可以用来调节很多变量，如速度、位置、温度、压力等等，变频器中的PID就只能用于调节速度，相对来说PLC的PID使用较灵活，并广泛应用于工业控制，故在工业应用中的现行方案中选择了PLC的PID控制。关于压力变送器和压力传感器的选择，压力变送器是输出标准信号的压力传感器，其主要由压力传感器、测量电路和过程连接三部分组成，能将传感器的非标准电信号转换成标

22、准控制电信号，实现了压力传感器的功能外，还可以实现更完善的功能，输出的信号更标准，较压力传感器更可靠，适用于工业级的变量测量，故工业应用中的现行方案选择了功能优越的压力变送器。综合以上器件的选择分析，现实应用中选定PLC作为逻辑编程的核心，以PLC的PID控制功能，配合PLC输入模块和输出模块和变频器、压力变送器实现功能。1.3 课题研究的主要内容1.3.1课题研究的概述本文设计了一个PLC和变频器为控制核心的多泵循环变频恒压供水系统，该系统基于PLC和变频器调速恒压控制方式，利用PLC、变频器、PID指令控制、压力变送器、电气控制设备以及水泵机组组成闭环控制系统，完成逻辑控制，变频调速，数据

23、采样等功能，使系统实现自动控制，实现供水控制管网压力的保持恒定。这样即可以满足用户供水要求，又能避免供水事故，还可以节约能源。系统采用了压力闭环控制、自动补偿用水量的变化、变频器提供的软启动功能可消除电器冲击和机械冲击，延长机械设备的使用寿命。本设计是利用可编程控制器制作多泵循环变频恒压供水系统。设计过程中最关键的两个部分：系统硬件的设计和控制程序的编写。这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。因此在各个章节中主要围绕这几个问题展开。1.3.2课题的主要工作本文主要做了以下方面的工作：(1)根据系统功能要求进行对方案和器件进行选择，并考虑器件的性价比，进行系统的整体方案设计。(2)系统硬件设

24、计。主要包括机型的选型、所选机型的功能和设置、控制系统外围电路的合理设计、报警电路设计。(3)系统软件设计。可编程逻辑控制器控制水泵运转操作及内置PID编程控制，水压、警情采集及A/D、D/A的操作，模拟仿真的触摸屏设计。本文包括以下几个部分：在第二章中研究了可编程逻辑控制器水塔控制系统的系统构成及工作原理。在系统组成部分，给出了系统结构框图、水塔控制框图，并对系统的工作原理做了简要的介绍。在第三章说明了控制系统中的主要器件的性能、结构、特点及应用。在第四章论述了系统硬件设计过程，确定了控制系统的方案，研究了控制系统的总体硬件结构；研究了系统硬件设计电路，给出了电气控制框图和可编程控制器控制框

25、图；研究了手动、自动和停水模式；也研究了机型器件的选择，对所选的器件功能和特性做了详细介绍。在第五章中剖析了软件设计开发的过程；详细研究了PID控制算法及程序总体设计思路，确立了模块化的设计思路，开发出了主程序的工作流程。2 水塔控制系统的构成及运行原理2.1 系统的组成旧式供水系统采用两台（一台备用）7.5KW电机控制水塔水位，通过改变阀门的大小的方法调节流量和压力，以达到调节水压供水，系统中电机采用硬启动，且供水中只有一种压力。改造后的水塔供水系统，水泵工作时可由变频转换为工频运行，也可由工频运行转换为变频运行，工频运行与变频运行之间有连锁控制。当电机由变频运行切换至工频电网运行和由工频电

26、网运行切换至变频变频器电动运行时，必须有一定的延时，进行速度稳定后接触器才自动合闸，以防止操作过电压和电机高速产生的感应电势损坏电力电子器件。恒压供水水塔一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而且可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大的电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水就会不足。而且水泵与电机都有维护的时候，备用水泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网用水水压的恒定，水泵电机的转速要随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这样当然方便，电机与变频器间不需要切换，但购买变频器的费用

27、较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需要。多泵循环变频恒压供水系统原理主要采用电机调速装置控制泵的转速，并自动调整泵的运行台数，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能的目的。 本设计中恒压供水水塔的组成部分主要包括水池、PLC、一台变频器、三台水泵、一组高低水位控制器、一个火灾传感器、若干接触器、指示灯、电磁阀、按钮、压力变送器、供水管网以及系统运行所需的电源，可以实现生活供水和消防供水功能双恒压供水切换。PLC内置PID指令的调节参数P、I、D参数均是可以由使用者编程设定的，

28、实现的是数字式PID控制。以变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和可编程控制器组成恒压闭环控制系统。系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经可编程控制器内部进行PID运算，由PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投入台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水。系统结构框图如图2-1所示。图2-1 系统结构框图远程计算机PLC PID调节人机界面变频器压力变送器水泵出水进水蓄水池 水位传感器市网自来水由PLC 控制各台水泵的运行状态(如工频运行、变频运行及停止等)，从而控制水泵的运行台数， 在大范围上控制供水的流量和供水压力。PLC

29、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/输出模块输出的电流信号调节变频器输出频率以调节水泵转速。管网用水由水位控制器来控制注水阀，自动把水注满蓄水水池，设置有高水位和低水位，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也直接送给 PLC，作为低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。压力信号采集部分采用压力变送器，用于测量供水管道的压力，并将水压转换为标准的420mA的模拟信号。控制部分由PLC为核心部件。根据

30、压力变送器测量到的水压完成变频器调速及泵组切换的控制。变频调速部分由空气开关、交流接触器变频器组成。变频器是调速核心设备，其主要作用是通过改变输出电源频率而对电机、水泵实现无级调速，达到随用水量变化而自动调节电机、水泵转速，控制工频和变频运行水泵个数和泵号，使管网保持恒压的目的。另外，系统通过软硬件实现过压过流过热等较齐全的保护功能，以及电机实现热启动，每台水泵均具有变频、手动等操作功能。从而，根据用水所需的压力来调节电机转速控制压力，达到节能的目的。变频恒压水塔控制系统的组成如图2-2所示。图2-2 水塔控制系统框图2.2 系统工作原理欲使稳定水压，需构成一个压力闭环循环控制系统。该系统由P

31、LC、变频器等器件构成。该系统安装在管网干线上的压力变送器，用于检测管网的水压，将压力转化为标准化的420mA的模拟电流信号，利用PLC模拟量输入模块A/D将输入模拟信号转换成数字信号提供给PLC。经PLC内置PID控制与给定参量进行比较，进行PID运算后输出控制信号，经由PLC模拟量输出模块D/A变换模拟量作用到变频器，控制其输出频率，以调节电机水泵的转速，按实际用水量供水并使供水压力恒定。PLC控制变频器变频调速供水系统控制原理如图2-3示。被控制值图2-3 控制原理图D/A变频器电动机水泵机组压力变送器A/DPLC内置PID指令测定值设定值输出值变频器主要由电力电子器件和微处理器组成。它

32、能根据频率设定的输入信号输出相应频率的交流电，在水塔恒压供水系统中，其作用是在PLC控制下，通过D/A模拟量输出模块输出的模拟电压控制变频器，输出相应频率的交流电给水泵机组，用以改变电机水泵机组的转速，即变频调速，从而达到调节供水压力的目的。若当测量值小于设定值时，供水压力小于水压设定值，由水泵特性可知，用水量增加造成供水压力下降，PLC将通过计算提高变频器的输出频率，从而使电动机水泵机组转速增加，使供水压力增加并恢复到水压设定值；如果测量值大于设定值，则供水压力大于水压设定值，说明用水量减少导致供水压力上升，PLC通过计算控制变频器使其输出频率下降，电机水泵组转速下降，使供水压力减小恢复到水

33、压设定值。通过PLC控制水泵电机的状态，实际压力围绕设定压力值上下波动，保持供水压力恒压达到节能、恒压之目的。2.3 PLC在水塔控制系统中的功能（1）设定水管压力的给定值。水塔恒压供水水压的高低也需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外本设计中采用了双恒压设计，将生活用水和消防用水共用一个泵站，水压的设定值不止一个，消防用水的水压要高一些。水压的给定值可以直接在PLC程序中设定，或在PLC外接用数据设定单元做可变设定，本设计采用的是直接在PLC程序中设定。（2）接收变送器送来的官网水压实测值。该值以模拟量形式送到PLC的A/D单元，变

34、换为数字量后送基本单元处理。管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，PLC是反馈的接收点。由PLC控制水泵的运行与切换。在恒压供水水塔中，设备磨损是再所难免的，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换着工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。（3）PLC根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出水压的调节信号。具体过程如下：PLC接收了水压的实测信号，将它与给定值比较，得到给定值和实测值之差。如给定值值大于实测值，说明系统水压低于期望水压，要加大水泵电动机的转速，

35、如水压高于期望水压，要降低泵电动机的转速。这些都由PLC的D/A单元的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，PLC将对给定值和实测值之间的差依一定规律做出处理。比如，采用比例-积分-微分调节规律，PLC也即执行了PID调节器的功能。调节器的调节参数，如P、I、D参数值需要视现场情况设定，本设计中采用的是PI调节。 （4）水塔控制系统的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，水塔还有许多逻辑控制工作，如手动，自动操作转换，系统的软启动，供水系统的工作状态指示，供水工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中设置。3 系统主器件简介3.1 可编程逻辑控制器的简介PLC即

36、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。3.1.1P

37、LC的特点PLC的特点：（1）可靠性高，抗干扰能力强、高可靠性是电气控制设备的关键性能PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 （2）配套齐全，功能完善，适用性强

38、 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 （3）易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现

39、继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 （4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 （5）体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。3.1.2PLC的应用：目前，PLC在国内外已广泛应用

40、于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。 （1）开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 （2）模拟量控制。在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A

41、/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此

42、功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理。现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展

43、，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。3.2 变频器结构及工作原理近几十年以来，随着半导体技术和微处理器的迅猛发展，交流变频器也随着微计算机及现代电力电子技术的发展而发生了巨大的变化。微计算机是变频的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。众所周知，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，我国采用的频率为50Hz。而交流电动机的同步转速为： （3-1）式3-1中 同步转速，r/min； 定子频率，Hz； 电机的磁极对数。而异步电动机转速为式： （3-2） 式3-2中 s异步电机转差率，一般小于3

44、%。均与送入电机的电流频率f成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。3.2.1变频器的基本结构从频率变换的形式来说，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电，然后在把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。市售通用变频器多是间接式变频器，其基本结构图如图所示，由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将每个部分的功能分述如下：（1）整流器。电网侧的变流

45、器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。整流器有两种基本类型可控制和不可控制的。（2）直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载，无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容或电感）来缓冲，所以又称直流中间环节为中间直流储能环节。（3）逆变器。负载侧的变流器为逆变器，它的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交

46、流电源。逆变器电路的输出就是变频器的输出。（4）控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口及保护电路等几部分，其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的核心部分，性能的优劣决定了变频器的性能，交-直交-变频器的基本结构见图3-1。DC运行指令ACAC网侧变流器负载侧变流器整流器逆变器M控制电路中间直流环节图3-1 交-直-交变频器的基本结构一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。逆变电路最常见的结构形式是利

47、用6个半导体主开关器U/f件组成的三桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。3.2.2变频器工作原理变频器的工作原理与它的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下：（1）U/f控制。U/f控制即电压与频率成比例变化控制。由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。U/f控制由于忽略了电机漏阻抗的作用，在低频段的工作特性不理想。因而实际变频器中常采用E/f控制。采用U/f控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。（2）转差频率控制。转差频率控制是E/f控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电机的转速角度

48、看,这是一种以电机的实际运行速度加上该速度下电机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是,在E/f=常数条件下,通过对转差频率的控制,可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电机磁场电流及转矩电流可分别控制的启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于变频器对负载的适应性。普通功能变频器适用

49、于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器适用于位能性负载。3.3 压力变送器概念及选用原则3.3.1压力变送器的基本概念一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称压力传感器）、测量电路和过程连接三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如420mA DC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪器进行测量、指示和过程调节。可分成一般压力变送器（0.001MPa35MPa）和微压差变送器（01.5KPa），负压变送器三种。把压力信号传到电子设备，进而在计算机上显示压力，其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变为电信号（420mA）,这

50、样的电信号压力和电压或电流的大小成线性关系，一般是正比关系，所以，压力变送器输出的电压或电流随压力增大而增大，由此得出一个压力和电压或电流的关系式。压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用采用大气压或真空，作用在元(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。3.3.2压力变送器的选择关于变送器的选择，涉及的内容很多，但有些内容，例如法兰变送器的选型

51、，内藏孔板，变送器的选用，特殊用表、避雷器、管用螺纹规格等许多问题，主要介绍技术性能、材料、防爆、防尘与防水等方面的知识和选用。（1）技术性能的选择基本误差力平衡变送器的精度为0.5%(也有1.0%)，微位移变送器的精度为(0.25%-0.3%)，智能变送器的精度为(0.1%-0.2%)，也有0.07%的。仪表精度的提高，对于在条件比较恶劣，测量精度要求高的场合，例如要精确量静压和温度都会有较大变化的流体流量，或要精确切量计量容器的液位，无疑是有好处的。但并不是所有情况都是这样，精度高的仪表，往往价格比较昂贵。而在生产过程的检测与控制中有时测量精度并不要求很高，只要性能稳定，测量相对精确就能满

52、足生产要求。因此，选用变送器时，不能片面追求高性能,而是根据实际需要，恰当选择仪表型号。其次，过程测量的精确与否，不是由一块仪表、一个环节所决定的而是由整个测量系统，多个环节所决定的。如果系统中的其他环节误差很大，光提高变送器一个环节的精度，是无济于事的。上面的分析表明，变送器精度从0.25%提高到0.1%，系统精度只提高了1.15%-1.12%=0.03%，几乎没有什么变化。所以要提高测量精度，应抓住系统中最薄弱的环节，在这里孔板组件是主要的。如果对这一项不重视，而只去做变送器的文章，那收益是不大的。当然孔板的误差一般是系统误差，不大会变的。而交送器的误差主要是偶然误差，有时是要变的，所以也

53、不能忽视。综合误差在选择变送器的精度时，往往只注重它的基本精度，即在常温、常压下的精度，面在实际使用时，这种情况是很少的。实际上，仪表总要忍受一定的静压和温度，而静压和温度都会给仪表带来附加误差。所以在评论一台变送器的性能时，更有代表性的是它的总概率误差TPE(Total Probable Error)、即是基本误差、温度附加误差和静压附加误差的均方根误差。相当于基本误差的3.720.218.6倍。如果使用量程为1.3kPa，则为基本误差的36倍还多。当然，实际使用时、环境温度不可能变化55摄氏度这样剧烈时应予以足够重视。（2）量程选择量程比和使用量程量程比是指变送器最大测量范围和最小测量范围之比，它是变送器的一个重要标准。早年的变送器