dq008基于S7-200的楼宇恒压供水控制系统设计
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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） 第1章 绪 论1.1 课题来源及其研究竞义近年来，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。例如：有一幢10层（550人）的高层建筑，该楼宇第6层以上有居民90户（270人）且每人每天用水104.14升，该建筑供水系统极不稳定，高峰期供水上不到第7层楼，无法满足居民的用水要求基于以上情况，该业主进行了供水系统的改造。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。本课题采用二次供水系统PLC和变频调速技术研制PLC控制变频调速自动恒压供水系统，与压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。每天24小时不间断按预先设定的水压恒定地向小区供水，保证居民的正常生活。通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了 成本，减少设备维护，降低维修成本:而且提高了整个小区生活质量。1.2 水泵电机的调控技术 在小区的供水系统中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上 3，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 1.2.1 调速控制节能分析 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率与管网的水压H及出水流量的乘积成正比;水泵的转速与出水流量成正比:管网的水压与出水流量的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率与转速的三次方成正比，即: （1-1） (1-2) (1-3) (1-4)式中、为比例常数。图1.1 变频调速节能原理图当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图1.1所示。图中曲线1, 2, 3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速为时的运行特性曲线5为水泵转速为n2时的运行特性曲线。水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时出水流量为，管网压力为H1，水泵转速为。当系统的出水流量减小到时，系统管网特性为曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。此时管网压力为H2，水泵的输出功率正比于。由于.高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为H1，出水流量为，水泵的输出功率正比于。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当为的80%时，通过调速将调为的80%，则水泵的输出功率为的51.2%。如不采用调速控制，48.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。1.2.2 常用的调速方式 水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式:= (1-)=(1-) （1-5） 式中，：异步电动机的同步转速，r/min; ：异步电动机转子的转速。r/min ; ：电动机的磁极对数; ：电源频率，电动机定子电压频率;：转速差= （1-6）改变电动机极对数、改变转速差及改变电源频率都可以改变转速。1.变极对数调速 在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数。以电动机一相绕组为例，电流方向都是由A指向X，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数。如果使=1, 2. 3等，就可以得到=3000. 1500, 1000 r / min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。2.变频调速 变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。 改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变转子转速n，而转差率可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转:频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种:交一直一交变频器，交一交变频器5,6。 (1)交一直一交变频器 它是由三个环节组成:可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电:可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电:滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型(简称PWM )变频器技术获得了飞速的发畏。PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。(2)交一交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交一交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。3可控硅串级调速 它是把异步电动机转子电势经过整流-逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。 电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率PM，一部分成为机械功率P2(即PN (1-S)，另一部分则成为转差功率SPM，电动机正常运行时，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉，因为此时的转差率S很小，转差功率也很小，但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升，可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。串级凋速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。1.3 多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容1.3.1 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。1.3.2 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。3.PID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。 1.4 本章小结本章首先本文介绍了课题的来源和研究意义，在查阅了大量相关文献和进行了许多调查研究的基础上，对水泵电机的各种调控技术及节能原理进行分析和比较，指出交流电机的变频调速作为一种有效的电机调速技术，能够提高生产自动化程度并大大节约能源。对于我国城市楼宇供水来说，应用此项技术能有效的提高生产管理水平和市场竞争力。 提出了本文的主要研究内容:设计一套基于PLC的变频调速恒压供水系统，对系统中水泵的工况调节、能耗机理以及电机的变频-工频切换问题进行研究。对楼于居民的生活用水有了较好的保障。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20-5O%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。2.1 水泵理论及水泵工况点确定的研究 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。2.1.1 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 （2-1）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(m): H1 ,H2-分别为真空表、压力表读数(m)；、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。 (2-2) 式中液体的比重(kgf/m3) ; 一一液体的流量(m3/s): 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。 (2-3)式中，水泵效率(%)。4.效率有效功率与轴功率的比值为效率. (2-4)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。 (2-5)式中，-流过叶轮的全部流量; 漏损量; , -水泵理论扬程。机械损失的大小用机械效率表示 (2-6)(2)容积损失与容积效率在流过叶轮的全部流量中，除了出水量外，另有一部分流量，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 （2-7）剩下的功率是 （2-8）容积损失只可用容积效率表示 （2-9）将式2-5,2-6,2-7,2-8代入上式得 （2-10） (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 （2-11）用乘以式子(2.1.4)右端可得 （2-12） 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.允许吸上真空高度或临界气穴余量。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。2.1.2 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或临界气蚀余量随着流量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()流体在水泵叶轮内的运动关系可以用下式描述: (2-13)式中，-轮内流体的绝对速度;-轮内流体的相对速度; -轮内流体的牵引速度(圆周速度)。水泵的理论扬程可用式(2-14)表示15 (2-14) (2-15) (2-16)式中，,-水泵叶轮进、出口半径;, -水泵叶轮进、出口处的圆周速度;. ，-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(2-14)经过进一步推导，水泵理论扬程可用下式表示。 （2-17） 式中，-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;-水泵叶轮出水口圆周速度;经验系数;-水泵出水口流量。式(2-17)表示扬程随流量变化的关系，是一个直线方程。在离心泵中，当叶片的时，随的增加而减小。该直线在纵坐标为H的轴上交于，直线的斜度取决于的值，如图4-1 ( a)所示。当叶片为有限多时，理论扬程与的关系用式(2-18 ) （2-18）进行修正、因此与的关系仍然是一条直线，在纵坐标轴上的交点为。 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(-)轴功率是水功率与机械损失功率只之和，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(2-17)代入式(2-5)得 （2-19）对于离心泵来说， ，-是一条向下弯的抛物线。机械损失几乎与流量无关，在-曲线上加上，就得到(-)曲线。再从PN-k曲线的横坐标上减去相应的值，即得-曲线。 3.效率与流量曲线-从己知的-及-曲线，按公式( 2-5 )，求得相应点的功率值，即可绘-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，以为横坐标，以、或为纵坐标，画出的-,-，-,-曲线称为基本性能曲线。2.1.3 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， （2-20）沿程损失表达式为: （2-21） 式中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: （2-22） （2-23）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。 （2-24） 2.水泵工作点的确定 水泵工作点(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。如果把某一水泵的性能曲线(即-曲线)和管路性能曲线画在同一坐标系中图2.1，则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图2.1中可以找出A点的扬程、流量QA以及效率。 图2.1 水泵工作点的确定从图2.1中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。2.2 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16。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-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。图2.2 恒速泵工况节流调节图 从图2.2可以看出，恒速泵水泵的初始工作点在A点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需的水头、流量相等。由必四点所围的面积表示水泵在工作点A的轴功率。 当管网所需流量减少时，即从降至，必须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出水流量，使之与管网所需流量相等，否则会造成管网过载而造成爆管的危险。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，管网特性曲线由曲线1变为曲线2，水泵的工作点则沿着水泵性能曲线由A点移至B点，此时工作点B的轴功率即为。四点所围的面积。 当把闸阀关小时，水泵所供应的能量有一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。节流调节虽不经济，也不准确，但由于简单、易行，在水泵性能试验中，仍被广泛使用。在实际生产中，可用来防止过载和气蚀。 4.变速调节变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相似理论的应用。由节2.3.1可得到 （2-25）即 （2-26） 式(2-26)所表示的曲线称为相似工况曲线。 2.3 变频调速恒压供水能耗机理分析2.3.1 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: （2-27） 式中，-极对数;-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，电动机的转速从降低到。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速，可使供水泵流量Q,扬程H和轴功率N以相应规律改变17 (2-28) (2-29) (2-29)从上述比例律公式中消去:就得到式(2-25)及(2-26 )式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。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。其工况调节过程可由图2.3来说明。图2.3 变频调速恒压供水水泵工况调节图由图2.3可见，设定管网压力值图2.3(扬程)为，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为,，工作点A的轴功率即为四点所围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成4-20mA电流信号送往PID调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至，水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在，因此水泵工作点又沿着转速所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图2.3中可以找出C点的扬程、流量以及效率，工作点C的轴功率即为四点所围的面积。考察水泵的效率曲线-，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行18,37。2.3.2 水泵工况调节与传统节流调节能耗之比较若把水泵工况点的节流调节和变速调节画在同一个坐标系中，可用图2.4表示，考察比较二者的能量损耗。当管网负载减小，管网压力升高，管网所需流量减少，即从必降至时，对恒速泵的节流调节来说，水泵工况点沿着水泵性能曲线自A点降至D点，水泵在工作点D的轴功率即为四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为DH,HZF四点所围的面积，这部分能量损耗用于克服闸阀的附加阻力。对变频调速恒压供水来说，水泵工况点先沿着水泵相似工况曲线自A点降至B点，再沿着水泵性能曲线自B点上升至C点，水泵在工作点C的轴功率即为四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为。二者进行比较，不难看出在相同的管司流量需求下，变频调速恒压供水中水泵消耗的能源少于恒速泵节流调速所消耗的能源，节约的能耗为四点所围的面积减去四点所围的面积，即为四点所围的面积。图2.4 水泵工况点节流调节和变速调节能耗比较图由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。2.3.3 调速范围的确定考察水泵的效率曲线-，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行19。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在2O%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.4 本章小节 水泵的工作点就是同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于水泵工作点是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。本章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。接着介绍了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。本章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，得出了以下结论:1、水泵工况的调节就是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。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f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。2、分析水泵工况点节流调节和变速调节能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。3、考察水泵的效率曲线-，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。实际配泵时扬程应没定在水泵的高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，转速下降在20%以内。第3章 内置PID变频器 在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点39 。 算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现; 适应性强，可以广泛的应用于各种行业; 鲁桥性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 由于其有这些优点，PID控制直到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。3.1 PID控制及其调节规律3.1.1 经典PID控制及调节PID控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。常规PID控制系统原理框图如图3.1所示。PID控制器综合了关于系统过去(I)、现在(P)和未来(D)三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。图3.1 PID控制系统原理PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差 （3-1）将偏差。的比例 (Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)，通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其理想的控制规律为 （3-2）对上式作拉氏变换可得: （3-3）PID控制器的传递函数形式由式(4.1.4)描述 （3-4）式中称为比例系数;称为积分系数; 称为微分系数;为积分时间常数; 为微分时间常数 PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下23,25,39。 1、比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 2、积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。 3,微分部分(D)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。3.1.2 数字PID控制 随着计算机技术的发展，越来越多的系统采用数字控制。计算机对来自A/D转换器的信号进行比例、积分和微分变换处理，既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程和提高系统的稳定性，改善系统的动态特性23。数字控制器的经典设计方法有两种:连续设计法和离散设计法。通常在模拟PID算法的基础上，通过离散化处理就得到数字PID的公式。 （3-5）式中，T为采样周期(或控制周期)，为采样序号，=1,2,.，和分别为第和第次采样所得的偏差信号，为第n时刻的控制量。 在模拟控制器中难以实现的理想微分的de/dt，在计算机中可以利用其差分方程很好的实现，因此式(3-5)也称为理想微分PID数字控制器。 1位置式PID算式 模拟仪表调节器的动作是连续的，任何瞬间的控制量输出:都对应于执行机构的位置。从(3-5)可知，数字PID控制器的输出也和位置对应，因此称为位置型算式。 2.增量式PID算式增量式PID算法就是让计算机输出相邻两次调节结果的增量。 (3-6)增量型算式仅仅是在计算方法上作了一点改变，并未改变增量型算式的本质。由于算式不进行累加计算，增量只与最近几次采样容易获得较好的控制效果。3.2 数字PID控制器的设计 控制系统设计中最重要的一类就是如何根据控制目标，设计适当的控制算法满足给定的系统性能指标。数字控制器的设计通常有两种方法:模拟设计法和离散设计法23。模拟设计法是将数字控制器作为模拟控制器，采用连续系统的设计方法，首先设计模拟控制系统的模拟控制器，使模拟控制系统性能指标满足。然后采用离散化的方法将设计好的模拟控制器离散化成数字控制器，最后构成数字控制系统。该方法在采样周期较大时，系统实际达到的性能往往比预计的设计指标差。离散设计法则首先将图4-1所示系统中的被控对象加上保持器一起构成的广义对象离散化，得到相应的以脉冲传递函数，差分方程或离散系统状态方程表示的离散系统模型。然后利用离散控制系统理论，直接设计数字控制器。这种方法是目前采用较为广泛的控制器设计方法。3.3 本系统内置PID变频器选择 近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为控制核心的、按压频比Ulf控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。3.3.1 变频器输入输出接口本系统选用的变频器为三菱公司的三菱FR- F540- 22K-CH变频器(U)系统，变频器端子为如图3.3所示：3.3.2 变频器的外围设备选择通常变频器的外围设备如图3.2FILM图3.2 变频器的外围设备 变频器容量的选择a应满足变频器的额定输出容量S。 （3-7）式中 最高频率时电动机端电压; 最高频率时电动机的额定电流; 电动机台数 波形修正系数(取1.051.1) 上式表明，变频器额定容量大于电动机组额定容量。由于高次谐波的影响，将使电机的损耗增加，故加入波形修正系数K，再乘以安全系数1.1。b、应满足变频器的60s过载容量S。 （3-8）式中 同时起动的电动机台数; 最高频率时电动机的起动电流。 上式表明，变频器60s过载容量大于电动机组起动容量，两者相差波形系数K及安全系数1.1的数量关系。 图3.3 变频器端子接线图C、应满足变频器额定输出电流， （3-9）式中单台电机最高频率时的额定电流。 上式表明，变频器额定电流大于电动机组的额定电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数d、应满足变频器允许的60s过载电流， （3-10）式中 -最高频率时电动机的起动电流。 即变频器60s过载电流大于电动机组的起动电流，两者相差一个安全系数1.1和波形系数K。 但在实际变频器容量选择中采取大于电机一个等级的办法。对于轻载起动和风机泵类负载，变频器额定电流一般按电动机的1.1倍选，对于恒转矩负载或需要频繁起动和制动运行的负载，变频器的容量应适当增大，一般应1.2倍的电动机的额定电流。本系统根据选用的电机功率为26.5kW，则选用的变频器型号三菱FR- F540- 22K-CH （1）电源变压器电源变压器(刀的作用是将高压电源变换为变频器所需要的电压等级。考虑到变频器输入电流中所含高次谐波对电源侧功率因数的影响，再考虑变频器的运行效率，一般变频器的输出功率（KVA）=其中，变频器输入功率因数在无输入交流电抗器IACL时取0.80.85，有lACL时取0.60.8;变频器效率取0.95;变频器输出功率应为所接电动机的总功率。 （2）电源侧断路器QF QF一是用于电流回路的正常通断，二是当出现过流或短路故障时能自动切断电源，防止事故扩大。其选择原则同一般断路器。3.4 变频调速恒压系统的基本特点 本论文设计变频器调速恒压供水系统具有以下几方面特点: 具有自动/手动双运行功能。自动状态下可实现无人值守自动恒压、自动转入消防供水状态;手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。 具有双电源供电，自动/手动供电电源切换功能。 具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。 由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化0.02Mpa:节能效果显著，节电率在1 5%40%左右。 任何一台水泵出现故障，系统会自动启动备用泵满足供水。 采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。 多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的影响，且大大延长了设备的使用寿命。 常压运行时，一泵工频运行，可在不停水情况下对系统进行维护、检修，提高系统的可靠性。 常压单泵运行，欠压两泵运行，满足节能需要。 同时，与其它供水系统相比，具有以下几方面的优点: 不设高位水箱、减轻建筑物负荷、节省基建投资、缩小施工工期。 消除了水源再次污染的可能性。 以变频调速控制水压、实现全天恒压供水。 消防供水响应速度快、供水压力均衡适量。 自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。设备使用寿命长，维护工作量小。3.5 本章小结在前面二章讨论供水系统设计方案基础上，本章以变频调速恒压供水方式设大楼供水系统。系统的构成本着经济、合理、可靠的原则，元器件的选择都本着理论与实际相结合的办法，在满足系统功能要求的前提下，尽可能地节省投资，并随着技术的发展，利用现有的新型器件装备我们的技改设备。 第4章 可编程控制器PLC4.1 PLC的定义 可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大的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，所以将可编程控制器简称PLC。 为了使PLC生产和发展标准化，国际电工委(IEC)先后颁布了PLC标准草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过对它的定义: “可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境应用而设计的，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。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计的1,6。总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。4.2 PLC的发展阶段及发展方向 1, PLC的发展阶段 虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段17： (1)早期的PLC（60年代末70年代中期) 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。(2)中期的PLC (70年代中期80年代中、后期) 在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大变化。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块，使PLC得应用范围得以扩大。 (3)近期的PLC (80年代中、后期至今) 进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。 2,PLC的发展方向 PLC是一门综合技术，其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编程序控制器应用领域的不断扩大，它本身也在不断发展。目前PLC主要朝两个方向发展。3,4 (1)小型化方向发展 目前的小型PLC大都局限在开关量的输入输出，而且CPU和1/O部件组装在一个箱体内，今后的小型PLC也将增加模拟量的处理功能，而且也将有灵活的组态特性，并且能与其它机型连用。 小型PLC的基本特点是价格低廉、经济可靠，适用于回路或设备的单机控制，便于“机电仪”一体化。但免不了要牺牲一些用户使用的方便性。既要简单经济，又要不断增强功能和使用的方便性是小型PLC的发展方向。 (2)大型化方向发展 主要包含以下几个方面: 功能不断加强:不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能，还具数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通讯等功能。 网络功能是PLC发展的一个重要特征。各种个人计算机，图形工作站、小型机等都可以作为PLC的监控主机或工作站，这些装置的结合能够提供屏幕显示、数据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的PLC联网及不同厂家生产的PLC兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。 应用范围不断扩大:不仅能进行一般的逻辑控制，还能进行中断控制、智能控制、过程控制为、远程控制等。 用于过程控制的PLC往往对存贮器容量及速度要求较高，为此，开发了高速模拟量输入模块，专用独立的PID控制器，多路转换器等，使得数字技术和模拟量技术在可编程序控制器中得到统一。 编程软件的多样化和高级化:采用多种编程语言，有面向顺序语言和面向过程控制系统的流程图语言;还有与计算机兼容的高级语言，如BASIC, C及汇编语一言;另外还有专用的高级语言，例如三菱的MELSAP采用编译的方法将语句变为梯形图程序;也有采用布尔逻辑语言的。PLC也将具有数据库，并可实现整用网络的数据库共享。还将不断发展自适应控制和专家系统。构成形式的分散化和集散化:PLC与I/0口分散，PLC本身也可分散，分散的PLC可以连用，这样可将集中控制存在的“危险集中”化为“危险分散”。分散的PLC与上位机结合构成集散系统，分散地进行控制，这就便于构成多层分布式控制，以实现整个工厂或企业的自动化控制和管理。4.3 PLC的特点与应用领域4.3.1 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9, 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。4.3.2 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。4.3.3 可编程序控制器的应用领域 随着PLC的性能价格比的不断提高，过去许多采用专用计算机或继电器控制的场合，都可使用PLC来代替。PLC的应用范围不断扩大，主要有以下几个方面: 1、开关量逻辑控制。这是PLC最广泛的应用。逻辑控制是用PLC取代传统继电器和顺序控制器，实现单机或自动化生产线控制。PLC的输入/输出信号都是开关量信号，这种控制与继电器控制非常接近，常作为继电器控制的替代方式。 2、运动控制。运动控制是指通过配用PLC生产厂家提供的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机和伺服电机，从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆周运动。 3、闭环过程控制。通过配用AID, D/A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环PID调节控制，使这些物理参数保持在设定值上。 4、数据处理。现代PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。5、通信。PLC的通信包括PLC之间的通信、PLC和其它智能设备的通信。随着计算机控制技术的发展，现代的PLC可以实现工厂自动化通信网络系统。4.3.4 PLC在现代自动控制系统应用中所面临的问题在现代自动控制系统中，PLC应用越来越普及，PLC的种类、生产厂家也越来越多，但目前缺少对它们应用环境，性能指标的对比研究。PLC控制系统的设计方法很多，但对其缺少系统的、完整的介绍。特别是PLC系统的抗干扰、防雷的措施，有待系统的研究。随着PLC网络控制技术的发展，现在对其网络技术的研究就显得尤为重要。4.4 我国常用PLC的性能比较研究4.4.1 PLC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4.1所示。输入接口存储器中央处理单元数据存储器输出接口编程单元图4.1 PLC的一般结构 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/D .D/A串行通信模块等，可以方便地用电缆进行连接。4.4.2 PLC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4.2所示。自诊断与编程器计算机等通信读入现场信号执行用户程序结果输出图4.2 PLC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l9。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。4.5 我国常用PLC的性能特点4.5.1 SIMATIC S7系列PLC SIMATIC S7系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200/300/400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系列具有极高的性能/价格比。4.5.2 S7-200系列可编程序控制器 SIMATIC 57-200系列PLC适用于各种场合中的检测、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的控制功能，尤其在集散自动化系统中更能充分发挥其强大的功能。其主要特点为2, 1、丰富的指令集; 2、丰富的内置集成功能; 3、实时特性; 4、强劲的通讯能力; 5、丰富的扩展模块。 S7-300系列可编程序控制器 S7-300是一种模块化的小型PLC系统，其优越的性能价格比，使之成为中小规模控制系统理想的选择。其主要特点为24: 1、多种规格的处理器，系统采用独特的导轨安装; 2、高速的指令处理，可满足快速程序控制要求; 3、浮点数运算，可有效地实现更为复杂的数学运算; 4, CPU内集MPI接口，多种通讯模块能用来连接AS-I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统; 5、具有时间/中断驱动、开环定位和PID等高级控制功能; 6 , I/O模块采用前连接器方式，维修或更换十分方便; 7、系统自行组态，信号或通讯模块不受限制地随意安放; 8、具有满足高速计数、步进电机和伺服定位控制等特殊应用的I/O模块:9, STEP7编程语言具有大量的以STEP5为基础的指令集，使程序的编制简单快捷。S7-400系列可编程序控制器 S7-400是为大中型自动化任务而设计的可编程序控制器系统，是各种复杂应用控制的理想解决方案。其主要特点为:1、强大的I/O容量，数字量I/O各128K、模拟量I/O各8192； 2、高速的程序处理速度:二进制指令的运行时间仅为0.08ms/lk； 3、内置MPI, SINECL2-DP等多种通讯网络接口； 4、基板安装，背板采用高速并行I/O总线，用于CPU和信号模块&功能模块之间进行数据交换; 5、可扩充性，集中或分布式扩展可以使系统扩展多达21个单元； 6、多CPU可安放与同一基板，可完成实时多任务控制； 7、具有完善的通用型I/O及特殊功能I/O设计； 8、完整强大的指令集，可实现复杂的浮点、三角函数和其他函数运算；9、灵活多样的编程软件、应用组态软件可为您的应用提供极大的方便。4.5.3 PLC控制系统设计内容 PLC的硬件由PLC及I/O设备构成。PLC控制系统设计的基本内容如下所述。 1、选择I/O设备 通过输入设备(如按钮、操作开关、限位开关和传感器等)可以输入参数给PLC控制系统;输出设备(如继电器、接触器、信号灯等执行机构)是控制系统的执行机构，VO设备是PLC与控制对象连接的惟一桥梁。 2、选择合适的PLC PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量是至关重要的。选择PLC应包括机型、容量、I/O模块和电源等的选择。 3、分配I/O点 绘制I/O端子的连接图，是合理分配I/O点的必要保证。 4、设计控制程序控制程序是控制整个系统工作的指挥棒，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，控制程序的设计必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 5、编制控制系统的技术文件 系统技术文件包括说明书、电器原理图、电器布置图、元器件明细表、PLC梯形图等。在PLC控制系统中这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中还应包括PLC的I/O连接图。4.5.4 PLC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。4.5.5 PLC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。PLC机型选择 机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便及最佳的性能价格比。具体应考虑的因素如下所述。1结构合理 对于工艺过程比较固定、环境条件较好、维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC;否则，选用模块式结构的PLC。 2、功能强、弱适当 对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。如西门子公司的S7-200系列机。 对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档PLC。 对于控制比较复杂、控制功能要求较高的工程项目，如要求实现PID运算闭环控制、通信联网等，可根据控制规模及复杂的程度，选用中档机或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统和整个工厂的自动化等。 3、机型统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构体积小、价格便宜，但由于整体式结构的PLC功能有限，只适用于控制要求比较简单的系统。一般大型的控制系统都使用模块结构，这样功能易扩展，比整体式灵活。 一个大型企业选用PLC时，尽量要做到机型统一。同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便备件的采购和管理;另外，功能及编程方法统一，有利于技术人员的培训;其外部设备通用也有利于资源共享。若配备了上位计算机，可把各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中协调管理。 4, PLC的环境适应性 由于PLC是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下，可靠地工作。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，我们在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要进行充分的考虑。对于需要应用在特殊环境下的PLC，要根据具体的情况进行合理的选择。PLC容量选择： PLC容量包括两个方面:一是I/O的点数;二是用户存储器的容量(字数)。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际需要的10%25%考虑裕量。对于开关量控制系统，存储器字数为开关量I/O乘以8;对于有模拟量控制功能的PLC，所需存储器字数为模拟内存单元数乘以1006。各种指令占存储器的字数可查阅PLC产品使用手册。 I/O点数应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点的数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的10%15%考虑备用量。I/O模块的选择 PLC是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。 根据PLC输入量和输出量的点数和性质，可以确定I/0模块的型号和数量，每一模块点数可能有4,8,16,32和64点，点数多的每点平均价格低一些。PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离。为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，PLC相应有许多种I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，可以根据实际需要进行选择使用。 1、确定I/O点数 I/O点数的确定要充分的考虑到裕量，能方便地对功能进行扩展。对一个控制对象，由于采用不同的控制方法或编程水平不一样，I/O点数就可能有所不同。 2、开关量I/O接口 开关量I/O接口按外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式，隔离式的每点平均价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选后两种。 (1)选择开关量输入模块主要从下面两方面考虑:一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近来选择电平的高低。一般24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。 (2)选择开关量输出模块时应从以下三个方面来考虑:一是输出方式选择。输出模块有三种输出方式:继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出。其中，继电器输出价格便宜，使用电压范围广，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开关频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高压，必须采取抑制措施。二是输出电流的选择。模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。三是允许同时接通的输出点数。在选用负载能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流值。 3、模拟量I/O接口模拟量I/O接口是用来传输传感器产生的信号的。这些接口能测量流量、温度和压力等模拟量的数值，并用于控制电压或电流输出设备。PLC的典型接口量程对于双极性电压为-10+10V、单极性电压为0+10V、电流为420mA或1050mA。4.6PLC控制系统的软件设计4.6.1 PLC软件设计概述 PLC控制系统软件开发的过程与任何软件的开发一样，先要进行可行性研究，然后，还要经历需求分析、软件设计、编码实现、软件测试和运行维护等几个环节。要想使开发的PLC应用系统达到预期的结果，能够安全、可靠并令用户满意，都要依赖于一个好的软件开发过程。 PLC软件开发过程主要包括几个环节: 1、需求分析; 2、软件设计; 3、编程实现; 4、软件测试。PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求既要有PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的知识，还要有一定的现场实践经验。 首先，必须深入现场，了解并熟悉被控对象(机电设备或生产过程)的控制要求，明确PLC控制系统必须具备的功能和性能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标。在此基础上再进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们之间在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁，流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完全性和一致性。然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编程语言进行程序设计，对每一个程序模块进行单元测试、确认(功能)测试和集成测试，并通过调试来修改错误。4.6.2 软件设计 软件设计过程是对程序结构、数据结构和过程细节逐步求精的过程。软件设计是将需求规格说明逐步转化为源代码的过程。软件设计主要包括两个部分:一是根据需求确定软件和数据的总体框架;二是将其精化成软件的算法表示和数据结构。 1、程序结构设计 模块化的程序设计方法，是PLC程序设计和编制的最有效、最基本的方法。程序结构设计的基本任务就是以模块化程序结构为前提，以系统功能要求为依据，按照相对独立的原则，将全部应用程序划分为若干个“软件模块”，并对每一“模块”提供软件要求和规格说明。 软件设计常采用“自顶而下”的设计方法(Top To Down )，只给出软件模块的定义和说明。 2、数据结构设计 数据结构设计的任务，就是对程序中所用的数据结构进行具体的规划和设计，合理地对内存进行估算，提高内存的利用率。 数据结构设计的主要内容有: (1)按照软件设计的要求，将PLC的数据空间做进一步的划分，分为若干个子空间，并对每一子空间进行具体的定义。当然这要以功能算法、硬件设备要求、预计的程序结构和占有量为依据，综合考虑来决定。 (2)规定子空间的数据存放方式、编码方式和更改时的保护方法。 (3)在采用模块化程序设计时，最好对每一个程序规定独立的中间结果存放区域，以防混用。当然，对于公用的数据也应考虑它的存放区域。 (4)为了清晰起见，数据结构的设计可以以数据结构表的形式给出，其中明确规定各子空间的名称、起始地址、编码方式、存放格式等。 I/O信号及数据结构的分析与设计为 PLC编程提供了重要的依据。 3、软件过程设计程序结构考虑软件总体结构中模块之间的控制分层关系，而软件过程设计的任务主要是描述算法的细节，以及模块间的处理顺序。可用流程图、框图、梯形图等工具来描述。常采用结构化程序设计技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口、单出口的控制构件。4.6.3 PLC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40。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37。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30-35。 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。4.6.4 PLC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，CX-Programmer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。4.7 本章小节本章主要介绍了PLC的基本概念 PLC的特点与应用领域及其结构、工作原理并对目前我国常用的几种系列PLC进行了性能比较。介绍了PLC的典型计算机结构，I/O端口和控制系统的软件设计。因此我们可以根据以上的分析来对课题所要求的进行设计。第五章 变频调速恒压供水系统设计5.1 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。5.1.1 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5.1也是该供水系统组态模拟的基础。PLCCPU224变频器内置PID控制信号电控设备2号泵1号泵报警显示故障保护压力传感器流量检测器图5.1 变频调速恒压供水自动控制系统组成5.1.2 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S7-200可编程控制器(PLC)，三菱FR- F540- 22K-CH变频器(U) ,YTZ-150差动变压器式远传压力表(SP), PXW-5T3F-8V压力控制器(RP)。通用继电器JT18（KA4-KA6），中间继电器J214（KA1-KA3），接出器GMC-25（K0-K4），热继电器GHT-22（12-20A）（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5.2如下:启动1（2）号泵工频2（1）号泵变频增泵？1（2）号泵变频2（1）号泵停止减泵？YYNN图5.2 流程图5.2 控制系统硬件设计5.2.1 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FWD(REV)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5.3为变频恒压供水系统主电路图：图5.3 变频恒压供水系统主电路5.2.2 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。5.2.3 PLC配置S7-200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S7-200型。S7-200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9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护2。 自动控制系统PLC的输入端口包括电机的启动（停止）按钮。另外PLC输入端口还包括电动机的热故障保护等，保护继电器输入（输入形式是热继电器的常开触点）。 PLC的输出端口包括1号2号电机两个交流接触器的动作，分别对应变频/工频两个工作状态，还有与进行手动控制的继电器连接。5.2.4 基于S7-200楼宇恒压供水控制电路图5.4为PLC输入/输出接口电路图5.4 PLC输入/输出接口电路自动控制时当PLC得到一个开机信号接触器KM0线圈得电，KM0常开触点闭合，变频器接通。延时几秒钟后，KM1线圈得电，1号泵变频启动。当得到低水压信号时，KM1线圈失电，KM2,KM3线圈得电，2号泵变频，1号泵工频。当得到高水压信号时，KM3线圈失电，2号泵变频。若又有低水压信号，KM2线圈失电，KM1,K
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