【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 程器還可與打印機(jī)、錄音機(jī)、繪畫儀等設(shè)備連接,有較強(qiáng)的監(jiān)控功能。但它的價(jià)格高,適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于 IBM PC 及其兼容機(jī)的編程器是個(gè)人計(jì)算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?也可直接編制成梯形圖,其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種,編程工作方式是在 PLC 機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程,它的功能主要是輸入新的程序,或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤,一般可以對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,也可以對(duì)成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視,還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài),除搜索、監(jiān)視、跟蹤外,還可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對(duì)控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。第 1 章 緒論7編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器,主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵,在使用雙功能鍵的時(shí)候鍵盤中都備有一個(gè)選擇鍵,以選擇其中一種方式工作。現(xiàn)在產(chǎn)品越來(lái)越模塊化,可編程控制器也不例外,它的結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固,外形小巧,CPU 本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。不同廠家、不同型號(hào)的 PLC 的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)也不同,有的大型機(jī)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá) 16K,而很多小型機(jī)僅有十來(lái)點(diǎn),而且 CPU 本身不帶模擬輸入與輸出,但 CPU 一般都帶有擴(kuò)展接口。因此,用戶選型后,所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí),就需對(duì)系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展,各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固,有易于接線的端子排,帶有擴(kuò)展總線或通過(guò)總線連接器與 CPU 相連。主要有數(shù)字輸入/輸出模板,模擬輸入/輸出模板,熱電阻、熱電偶擴(kuò)展模板,還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。用擴(kuò)展模板來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn):用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求,選用各種合適的擴(kuò)展模塊對(duì) PLC 作硬件組態(tài),以求達(dá)到各種功能或控制精度,同時(shí)節(jié)省開(kāi)支,減少不必要的投資。當(dāng)已運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí),PLC 可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版,所作的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。特殊模板及智能模板的開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步擴(kuò)展可編程控制的功能,專用模板的開(kāi)發(fā)不僅擴(kuò)大了可編程控制系統(tǒng)的控制功能,而且將進(jìn)一步提高控制質(zhì)量與可靠性。PLC 的軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分:⑴系統(tǒng)軟件:也稱之為常駐的操作系統(tǒng)軟件。它又包括基本控制單元軟件和編程軟件兩部分。另外,一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。通常,一個(gè) PLC 機(jī)架只能容納一定數(shù)量的模塊插件,這種包含主機(jī)模塊和部分 I/O 模塊的機(jī)架稱為基本控制單元。基本控制單元軟件固化在主機(jī)模塊的 EPROM 中,其主要功能為:進(jìn)行 PLC 自身的管理和監(jiān)督(如開(kāi)機(jī)自檢,運(yùn)行中監(jiān)督 CPU、電池電壓是否正常)。循環(huán)解釋運(yùn)行用戶程序。集中進(jìn)行輸入信號(hào)的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來(lái)支持用戶程序的輸入,也可以用來(lái)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行過(guò)程。當(dāng)用戶程序己裝入 PLC 的存儲(chǔ)器,編程器就可以被分離,基本控制單元將自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)。考慮到 PLC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,系統(tǒng)軟件應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì),一般用戶不允許直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部操作。⑵用戶程序:這是用戶應(yīng)用 PLC 進(jìn)行控制所需要編制的程序。目前,在 PLC中普遍使用梯形圖編程方法。這種編程方法是在傳統(tǒng)繼電器梯形圖基礎(chǔ)上進(jìn)行一定演變而形成的,突出了各編程原件之間的邏輯關(guān)系。與硬接線的梯形圖不同,華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院8PLC 梯形圖邏輯是由軟件實(shí)現(xiàn)的,因此既形象直觀便于編寫,又易于擴(kuò)展和修改功能。 本課題主要研究?jī)?nèi)容本課題是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，采用 PLC 與變頻技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)。具體包括以下內(nèi)容：⒈論文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容和研究方法。⒉分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程和工作原理；分析了在變頻恒壓供水中水泵切換的工作狀況。⒊進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備的選型，PLC 選型，估算所需I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制硬件配置圖、I/O 連接圖，分配 I/O 點(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，使用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)控制程序，并對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。第 2 章 系統(tǒng)理論分析及控制方案確定9第 2 章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為：n= （式 ）)1(60spf?f:電源頻率，p：電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s：轉(zhuǎn)差率。從式 可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：⑴改變電源頻率；⑵改變電機(jī)極對(duì)數(shù)；⑶改變轉(zhuǎn)差率；改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高；但需要專門的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)械。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是為了保證其較大的調(diào)速范圍，一般采用串級(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能好，但由于線路過(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，成本高而難以推廣。由公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。而且隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置。目前風(fēng)機(jī)泵類節(jié)能型變頻器大多采用了改變輸出頻率和輸出電壓的比例關(guān)系的控制方式。即改變頻率的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定弱磁和磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生，以免電動(dòng)機(jī)發(fā)熱燒毀。從而促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。 變頻恒壓供水控制方案的確定 控制方案的比較和確定從變頻恒壓供水的原理分析可知,該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換,同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求,結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所,有以下幾種方案可供選擇:華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院10⒈有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上,通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu),降低了設(shè)備成本,但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩,無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求,在調(diào)試時(shí),PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難,調(diào)節(jié)范圍小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性,數(shù)據(jù)通信困難,并且限制了帶負(fù)載的容量,因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。⒉通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便,具有較高的性能價(jià)格比,但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),程序一旦固化,修改較為麻煩,因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差,同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí),將產(chǎn)生干擾,變頻器的功率越大,產(chǎn)生的干擾越大,所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。⒊通用變頻器+PLC+人機(jī)界面+壓力變送器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口,可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通用性強(qiáng),由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化,用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上,只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線,當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí),可以方便地通過(guò) PC 機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序,所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高,因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合,并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)以上這幾種方案的比較和分析,可以看出“通用變頻器+PLC+人機(jī)界面+壓力變送器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn),又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖該課題具體是為實(shí)現(xiàn)小區(qū)恒壓供水。由于現(xiàn)在建筑均較高，故采用分層供水，低水位區(qū)（通常為 15 層）直接接市政管網(wǎng)，僅以閥門調(diào)節(jié)水量。而高水位區(qū)選擇使用一臺(tái)變頻器對(duì)多臺(tái)水泵進(jìn)行循環(huán)控制。具體為由壓力傳感器檢測(cè)出的水路管網(wǎng)出口端實(shí)際水壓與設(shè)定水壓進(jìn)行比較，通過(guò) PID 控制算法對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。管網(wǎng)鋪設(shè)如圖 所示：第 2 章 系統(tǒng)理論分析及控制方案確定11圖 管網(wǎng)鋪設(shè)圖華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院12供水系統(tǒng)的恒壓通過(guò)壓力變送器、PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化,由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓。供水系統(tǒng)框圖如下圖 所示：控制算法壓力變送器水泵機(jī)組變頻器Ps f△Pf PtPr圖 恒壓供水系統(tǒng)框圖選用三臺(tái)可調(diào)速泵由一臺(tái)變頻器控制，在一臺(tái)可調(diào)速泵可以滿足供水要求時(shí)，只開(kāi)啟一臺(tái)水泵，由變頻器調(diào)速，當(dāng)該臺(tái)水泵無(wú)法滿足供水要求時(shí)將其由變頻轉(zhuǎn)為工頻，變頻器轉(zhuǎn)而控制另一臺(tái)水泵，以此類推，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)的恒壓供水。在夜間用水量雖小，但由于高水位區(qū)供水需要較高壓力，故選擇同型號(hào)水泵以滿足供水要求。同時(shí)增強(qiáng)設(shè)備互換性。同時(shí)設(shè)一臺(tái)備用泵，方便設(shè)備輪換，提高硬件可靠性。為了減少對(duì)泵組、管道所產(chǎn)生的水錘,泵組配置電動(dòng)蝶閥,開(kāi)啟水泵后打開(kāi)電動(dòng)碟閥,當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)碟閥后停機(jī)。配備穩(wěn)壓罐來(lái)提高系統(tǒng)供水穩(wěn)定性。水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉，變頻轉(zhuǎn)工頻等由 PLC 進(jìn)行控制。具體為由壓力傳感器檢測(cè)出的水路管網(wǎng)出口端實(shí)際水壓與設(shè)定水壓進(jìn)行比較，同時(shí)檢測(cè)入口處壓力，防止空吸。通過(guò) PID 控制算法對(duì)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。控制流程如圖 所示：第 2 章 系統(tǒng)理論分析及控制方案確定13報(bào)警裝置人機(jī)界面通信接口接觸機(jī)組PLC變頻器壓力變送器 M1 M4M3M2穩(wěn)壓罐供水管網(wǎng)工頻電網(wǎng)圖 恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖本系統(tǒng)的人機(jī)界面采用觸摸屏，通過(guò)觸摸屏使用者可以直觀看到水泵機(jī)組運(yùn)行狀況，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制。由上圖可看出系統(tǒng)可分為:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分,具體為:⑴執(zhí)行機(jī)構(gòu):執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成,它們用于將水供入用戶管網(wǎng),由變頻泵構(gòu)成,變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵,用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以維持管網(wǎng)的水壓恒定。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因:用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵,使水泵選型容易,同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)的增容和減容容易,無(wú)需更換水泵,只要再增加恒速泵即可。以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器,以降低系統(tǒng)成本,增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。在用水量不太大時(shí),系統(tǒng)中不是所有的水泵在運(yùn)行,這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命,同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗,達(dá)到節(jié)能的目的。⑵信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu):在系統(tǒng)控制過(guò)程中,需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。水壓信號(hào)反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值,它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院14此信號(hào)是模擬信號(hào),由變頻器自帶 A/D 轉(zhuǎn)換模塊讀入變頻器，并在變頻器中進(jìn)行PID 運(yùn)算。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC,作為數(shù)字量輸入。報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常,該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。⑶控制機(jī)構(gòu):供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集,對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法,得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案,通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元,其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率,完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同,變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式,變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵,當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí),其供水量仍不能達(dá)到用水要求,需要增加水泵機(jī)組時(shí),系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出,將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)。變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵,當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí),其供水量仍不能達(dá)到用水要求,需要增加水泵機(jī)組時(shí),系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵,變頻器不做切換,變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇。本文采用前者。作為一個(gè)控制系統(tǒng),報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域,所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行,防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障,因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè),由 PLC 判斷報(bào)警類別,進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制,以免造成不必要的損失。現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說(shuō)明如下:⑴系統(tǒng)通電,按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后,首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵 Ml,通過(guò)恒壓控制器,根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,控制 Ml 的轉(zhuǎn)速,當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值,其供水量與用水量相平衡時(shí),轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值,這期間 Ml 工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)