【正文】 — G9 變頻器，根據(jù)系統(tǒng)中水泵電機(jī)的功率，選用變頻器的具體型號為： AMB— G9— 110T3，“ 110”表示最大適用電機(jī)功率為 110 千瓦。 1810用于高速計數(shù)。 控制鍵 (黃色 )： 12 個，用于編輯，寫入或修改程序。模擬量范圍是 010V 或 020mA,數(shù)字量是 8 位二進(jìn)制數(shù)。 CPU 單元也稱為主機(jī)。 （ 1） 面板 每個 I/O 點(diǎn)都有對應(yīng)的接線端子。在此情況下， PLC 的選擇應(yīng)著重考慮 PLC 的性能價格比，選擇可靠性高，功能相當(dāng)，負(fù)載能力合適，經(jīng)濟(jì)實惠的 PLC。 分析控制要求 確定系統(tǒng)總體 確定 PLC 分配 I/O 點(diǎn) 編制流程圖 設(shè)計控制臺 編制程序 現(xiàn)場連線 調(diào)試程序 滿足要求 調(diào)試程序 滿足要求 完成 修改改 是 否 否 是 是 第 24 頁 共 47 頁 3 水位控制系統(tǒng)中 PLC 硬件電路設(shè)計 在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，經(jīng)常需要對貯槽、貯罐、水池等容器中的液位進(jìn)行監(jiān)控 。 （ 4）用編程器將程序鍵入到 PLC 的用戶存儲器中，并檢查鍵入的程序是否正確。應(yīng)該注意的是，這種響應(yīng)滯后不僅是由于 PLC 掃描工作方式造成，更主要是 PLC 輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動器件的動作時間帶來輸出延遲，同時還與程序設(shè)計 有關(guān)。 在用戶程序中如果對輸出結(jié)果多次賦值 ， 則最后一次有效。當(dāng)遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當(dāng) PLC 處于運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作 外，還要完成輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新 的 工作。 PLC 的掃描時間對于一般工業(yè)調(diào)和通常是可以接受的。 PLC 的掃描工作方式與電器控制的工作原理明顯不同。 第 18 頁 共 47 頁 圖 PLC 邏輯結(jié)構(gòu) 圖 PLC 的工作原理 PLC 實質(zhì)上是一類工業(yè)控 制專用的計算機(jī)， 它的 結(jié)構(gòu)原理與微型計算機(jī)相似，皆由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩部分組成 ， 所以它的工作原理也是建立在計算機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上 。最簡單、最普遍的人 /機(jī)接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、撥碼開關(guān)、指示燈、 LED 顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。與計算機(jī)連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。 PLC 的其它組成部分 （ 1） 電源 PLC 配有開關(guān)電源，以供內(nèi)部電路使用。 常用的開關(guān)量 輸出接口按輸出開關(guān)器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。 I/O 接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高 PLC 的抗干擾能力。存放在 RAM 中，以適應(yīng)隨機(jī)存取的要求。在 PLC 中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。 CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。 對于整體式 PLC，所有部件都裝在同一機(jī)殼內(nèi)；對于模塊式 PLC，各部件獨(dú)立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機(jī)架或?qū)к壣?。高檔PLC 機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng) 功能 ，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化 [14]。疊裝式 PLC 其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨(dú)立的 模塊 ，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各 模塊 可以一層層地疊裝。基本單元和擴(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。 PLC 的分類 及 組成 PLC 的分類 PLC 產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。 PID 處理一般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。 （ 3） 運(yùn)動控制 PLC 可以用于圓周運(yùn)動或直線運(yùn)動的控制。 （ 5） 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦 。近年來 PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中 ， 加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及 人機(jī)界面 技術(shù)的發(fā)展，使 PLC 組成 的 各種控制系統(tǒng)變得非常容易。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均無故障工作時間則更長。目前，世界上有 200 多廠家生產(chǎn)300 多種 PLC 產(chǎn)品，主要應(yīng)用在汽車（ 23%）、糧食加工（ %）、化學(xué) /制藥（ %）、金屬 /礦山（ %）、紙漿 /造紙（ %）等行業(yè)。今天的可編程控制器正在 成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界各地發(fā)揮著越來越大的作用 [8]。 課題研究內(nèi)容 變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)主要由變頻器 、 可編程序控制器（ PLC） 、顯示器、 傳感器等組成，其設(shè)計目 的 是 對水位進(jìn)行微機(jī)監(jiān)控。因此急需一種能自動檢測水位，并根據(jù)水位變化的情況自動調(diào)節(jié)的自動控制系統(tǒng)， 本 設(shè)計說明書 所 研究的就是這方面的課題。 供水領(lǐng)域中變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用，改變了上述供水狀況，極大 地 改善了給水管網(wǎng)的供水環(huán) 境。其功能是通過遙訊系統(tǒng)，把應(yīng)保證的供水系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的實際壓力值遙測采集到監(jiān)控中心，利用計算機(jī)進(jìn)行計算、預(yù)測和決策，然后遙控調(diào) 節(jié) 供水，來保證供水系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)達(dá)到水量保證值。變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅具有供水質(zhì)量高，靈活性強(qiáng)， 占地面積小，設(shè)備投資少，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，而且提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)水節(jié)能效果顯著，具有很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益 [3]。水塔供水需要專門的泵房，要有人值班，在用水高峰期要開備用泵，而且只能人工調(diào) 節(jié) 壓力。重力供水方式有水箱和水塔供水，壓力供水方式有氣壓供水。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水企業(yè)新的要求。計算機(jī)和自動控制技術(shù)不斷進(jìn)步使得高性能的供水系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。 本 設(shè)計 對其控制原理、硬件選擇、軟件設(shè)計、報警電路進(jìn)行重點(diǎn)闡述， 使軟件程序的設(shè)計簡單化，硬件接口簡易可行，特別是提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格要求，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了更加深入的應(yīng)用 。缺點(diǎn)是需用金屬制造，其體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需使用張力膜或設(shè)置空氣壓縮機(jī)充氣，維護(hù)費(fèi)用高。 因此，采用傳統(tǒng)的供水方式操作落后，人為 因素很大，管理落后，無法建立嚴(yán)格的科學(xué)管理體制，在維護(hù)和升級系統(tǒng)方面非常昂貴。國外發(fā)達(dá)國家雄厚的經(jīng)濟(jì)實力與技術(shù)基礎(chǔ)促使供水系統(tǒng)的自動控制 廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)供水企業(yè)采取現(xiàn)場手動操作、人工抄表、電話報數(shù)等方式調(diào)度第 7 頁 共 47 頁 供水。根據(jù)壓力設(shè)定值使供水壓力保持恒定，有效地防止水路管網(wǎng)湍振而出現(xiàn)管路爆裂現(xiàn)象。在傳統(tǒng)水位控制中，一般只能實現(xiàn)自動補(bǔ)液，而不能顯示塔內(nèi)水位，更不能對水位問題 作出反應(yīng)。 本 設(shè)計 采用 PLC 作為主體，分為水 位測量和電氣控制兩大部分 。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，使得電氣控制功能實現(xiàn)程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫 Programmable Controller（ PC）。 它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出 ， 控制各種類型的 機(jī)械或生產(chǎn)過程。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。 （ 1） 開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn) 邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及 自動化 流水線。世界上各主要 PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、 機(jī)器人 、電梯等場合。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼? 整體式 PLC 是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點(diǎn)。 模塊 式 PLC 由框架或基板和各種 模塊 組成。 低檔 PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本 功能 ，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等 功能 。 中型 PLC—— I/O 點(diǎn)數(shù) 256～ 2048 點(diǎn)；雙 CPU，用戶存儲器容量 2～ 8K。 PLC 中所配置的 CPU隨機(jī)型不同而不同，常用有三類：通用微處理器（如 Z80、 808 80286 等）、單片微處理器（如 803 8096 等）和位片式微處理器 (如 AMD29W 等 )。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。 用戶程序是隨 PLC 的控制對象而定的，由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應(yīng)用程序。 由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，所以在 PLC 產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。 I/O 接口的主要類型有：數(shù)字量（開關(guān)量）輸入、數(shù)字量（開關(guān)量）輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。 模擬量按信號類型分，有電源型（ 420mA， 020mA）、電壓型（ 010V， 05V， 1010V）等； 按精度分，有12bit,14bit,16bit 等。15% 的范圍內(nèi)波動。它作為 PLC 系統(tǒng)的一個模塊 ， 通 過總線與 PLC 相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ， 并在 PLC 的協(xié)調(diào)管理下獨(dú)立地進(jìn)行工作。 3） 輸入輸出設(shè)備：用于永久性的存儲用戶數(shù)據(jù)，如 EPROM、 EEPROM 寫入器、條碼閱讀器，輸入模擬量的電位器，打印機(jī)等。 （ 1） 掃描工作原理 當(dāng) PLC 運(yùn)行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務(wù)的，需要執(zhí)行眾多的操作，但 CPU 不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執(zhí) 行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。 （ 2） PLC 掃描工作過程 PLC 的掃描工作過程除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內(nèi)部處理、通信服務(wù)工作。影響 I/O 滯后的主要原因有：輸入濾波器的特性，輸出畸電器接點(diǎn)的慣性，程序執(zhí)行的時間，程序設(shè)計不當(dāng)?shù)母郊佑绊懙取? 第 20 頁 共 47 頁 圖 PLC 掃描過程圖 （ 3） PLC 執(zhí)行程序的過程及特點(diǎn) PLC 執(zhí)行程序的 過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段 。 內(nèi)部處理 通信操作 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 運(yùn)行 停止 第 21 頁 共 47 頁 3） 輸出刷新階段 當(dāng)所有程序執(zhí)行完畢后，進(jìn)入輸出處理階段。這種方式稱為集中輸出。 在對一個控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計之前，最重要的工作是深入了解系統(tǒng)的控制要求，只有這樣才可能提出標(biāo)準(zhǔn)的合理的系統(tǒng)總體設(shè)計方案，進(jìn)而實現(xiàn)各個階段的設(shè)計任務(wù)。 （ 7）編制技術(shù)文件 [20]。 本文在此介紹采用可編程控 制器（ PLC） 來 完成對 數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù) ，實現(xiàn)對水位進(jìn)行監(jiān)控的一種方法。 第 25 頁 共 47 頁 圖 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)硬件配置 為實現(xiàn)液位的手動 /自動控制，需要輸入口 12 點(diǎn)，輸出口 8 點(diǎn)，選用 C20P20點(diǎn) I/O 單元的 PLC，輸入光電隔離，輸出繼電器隔離，負(fù)載能力強(qiáng)；液位檢測采用干簧管傳感器，手動 /自動轉(zhuǎn)換、運(yùn)行 /試驗轉(zhuǎn)換和液位設(shè)定采用雙位旋鈕，手動啟泵、停泵和確認(rèn)、試驗采用常開按鈕；輸出選用電子音響報警器和 24V 直流指示燈、繼電器。顯 示部分有反映 PLC 工作情況的各種指示燈，如運(yùn)行，出錯，報警等。擴(kuò)展單元名稱上要加一個 E。 圖 編程器面板 RUN此位置使 PLC 執(zhí)行程序，編程器在此狀態(tài)下不能修改程序，可監(jiān)控PLC 工作。其中編程是最基本的操作。 開始掃描時， ON一 個掃描周期，作初始化處理。水泵分別由變頻器軟 啟 動，第 29 頁 共 47 頁 旁路工頻運(yùn)行，進(jìn)行恒壓控制 ?？刂葡到y(tǒng)通過控制變頻調(diào)速器，將 50Hz 的交流電調(diào)到以 0～ 50Hz 之間任意頻率輸出 ，實現(xiàn)交流電機(jī)的無極調(diào)速， 最終達(dá)到生產(chǎn)過程的定量控制及最優(yōu)化控制。 第 30 頁 共 47 頁 圖 PID 指令的表達(dá)式及操作數(shù) 變頻器與其外圍設(shè)備之間的接線如圖 。 LOCAL 操作方式下，通過 LOCAL START/STOP 開關(guān)啟停變頻器，通過 REF LOCAL INPUT0 輸入端口的電位開關(guān)人工調(diào)節(jié)變頻器工作頻率；通過 LOCAL/REMOTE 輸入點(diǎn)可以將變頻器切換到 REMOTE 操作方式下，在 REMOTE 方式下，通過 REMOTE START/STOP 輸入點(diǎn)進(jìn)行PLC 遠(yuǎn)程啟停變頻器，通過 REF REMOTE INPUT0 端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。 系統(tǒng)整體硬件電路如圖 示。水位上升高于 c 時，燈 Lc 亮，顯示較高水位，預(yù)警， 水泵不工作。 第 33 頁 共 47 頁 圖 系統(tǒng)整體硬件電路圖 小結(jié) 本章 詳細(xì)介紹了