【文章內(nèi)容簡介】 D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報(bào) 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 31 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模 塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機(jī)組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。主要設(shè)備選型 見 表 31。 表 31 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 水泵 4 臺 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26 PLC 概述 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable Logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。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(jì)時、計(jì)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。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體 ，易于擴(kuò)展其功能的電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(jì) (論文 ) 8 原則而設(shè)計(jì) 。 西門子 S7200 PLC 簡介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC， S7200屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2020 年升級為第三代產(chǎn)品 。 特點(diǎn) ： (1)功能強(qiáng)，有 PID 參數(shù)自整定、配方、數(shù)據(jù)歸檔等功能 (2)先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu) (3)靈活方便的尋址方法 (4)功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件 (5)簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ? (6)強(qiáng)大的通信功能 (7)品種豐富的配套人機(jī)界面 (8)有競爭力的價格 (9)完善的網(wǎng)上技術(shù)支持 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇 PLC時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。 PLC 和上位機(jī)的通信采用PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口 (PPI)協(xié)議， PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸 出；開關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點(diǎn)，輸入形式為 +24V 直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1個，模擬量輸出點(diǎn) 1個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235，該模塊有 4 個模擬輸入 (AIW)， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號；電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(jì) (論文 ) 9 輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 變頻器的 選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。 由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。 MicroMaster440變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、 功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電動機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市 給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(jì) (論文 ) 10 的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?1~5V 或 4~20mA 的模擬量信號，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4~20mA輸出壓力變送器。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達(dá)不到， 這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實(shí) 現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA電流信號，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信 號。 液位變送器選型 考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（ 4~20mA 電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號，輸入 PLC。 綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為 DS26 分體式液位變送器，其量程為： 0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號：兩線制 4~20mADC 精度等級： 級。 統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 32 所示 ： 四 臺電機(jī)分別為 MM M M4，它們分別帶動水泵 4。接觸器 KM KM KMKM7 分別控制 M M M M4 的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM KM8分別控制 M M M M4 的變頻運(yùn)行； KH KH KH KH4 分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS QS5 分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔 斷器。 電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計(jì) (論文 ) 11 圖 32 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路