【文章內(nèi)容簡介】 ，由于它能提供精確的速度控制，因此可以方便地控制機械傳動的提升、下降和變速運動。變頻應(yīng)用還可以大大地提高工藝的高效性，同時可以比原來的定速運行電動機更加地節(jié)能。變頻器主要有以下作用： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 15 1） 控制電動機的啟動電流。 2） 降低電力線路的電壓波動。 3） 啟 動時需要的功率更低。 4） 可控的加速功能。 5） 可調(diào)的運行速度。 6） 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限。 7） 受控的停止方式。 8） 節(jié)能。 9） 可逆運行控制。 10）減少機械傳動部件。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 第二章 基于 PLC 的水塔水位控制系統(tǒng)設(shè)計 項目控制要求 本系統(tǒng) 一般 應(yīng)用在 住宅或大樓頂樓 設(shè)置 的 水塔或水箱 。用戶用水量不穩(wěn)定，有時用水量多有時用水量少，但是水塔必須 提供充足的水壓供用戶使用 。水塔的進水可由水泵泵入， 另備有地下水槽儲存自來水公司提供的水源并給頂樓水塔 供水 使用。 本系統(tǒng)設(shè)計的目的是對水塔 中 水位進行恒液位控制。 本系統(tǒng)可 用一個模型來模擬水塔水位的恒液位控制。水箱的高度為 200cm，水箱中的液位高度可在 0～ 200cm 范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。如設(shè)定水箱水位值為 100cm，則不論水箱的出水量如何，調(diào)節(jié)進水量，都要求水箱水位都能保持在 100cm的位置，如出水量少，則要控制進水量少，相反如果出水量大則要求控制進水量也大，水箱示意圖如圖 21所示。水塔水位控制系統(tǒng)主要由可編程控制器、變頻器 、壓力變送器 及水泵等組成。 圖 21 水箱水位控制示意圖 控制系統(tǒng)設(shè)計思路 系統(tǒng)基本工作原理 :因為液位高度與水箱底部的水壓 成正比，所以可以用一個壓力傳感器來檢測水箱底部的壓力，從而可以確定水箱液位的高度。要控制水位恒定，需要用 PID 算法對水位進行自動調(diào)節(jié)。把壓力傳感器檢測到的水位信號 4～ 20mA 送入至 PLC 中，在 PLC中對設(shè)定值與檢測值的偏差進行 PID 運算，運算的結(jié)果輸出至變頻水池水箱水泵P 2進水管道P 4出水閥0 cm200 cm壓力傳感器PLC變頻器自來水P 6P 7內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 器，變頻器去調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進水量的多少 來保持水箱水位的恒定 。 本 系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)遵循以下的原則： ① 蓄水池容量應(yīng)大于 最大用 水量； ② 水泵揚程應(yīng)大于 水箱最 高 點的高度 ； 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)進行數(shù)據(jù)交換 ；通用性強，由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變 PLC 存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、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液位控制場合。 控制系統(tǒng)的元件選型 PLC 及其模塊選型 S7200 PLC 是小型模塊式的 PLC，整機 I/O 點數(shù)從 10～ 40點，在小型自動化設(shè)備中得到了廣 泛的應(yīng)用。 S7200 PLC 在工業(yè)生產(chǎn)中也得到了充分的應(yīng)用，它可以用于開關(guān)量控制，如邏輯、定時、計數(shù)、順序等功能?？捎糜谀M量控制，具有 PID控制功能，可實現(xiàn)過程控制，也可以用于運動控制，具有發(fā)送高速脈沖功能。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(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 CPU224，其開關(guān)量輸出為 10 點，輸出形式為 DC24V輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU224為 14點，輸入形式為 DC24V 輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1 個，模擬量輸出點 1個，所以需要擴展，擴展模塊 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，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號；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)換成標準輸出信號。 EM235 模塊可以針對不同的標準輸入信號， 通過 DIP 開關(guān)進行設(shè)置。 表 21 控制系統(tǒng) I/O分配表 輸入 輸出 啟動 SB1 控制水泵運行 停止 SB2 M0、 V0、 I0 PLC控制 變頻 信號 RA、 A+、 A 壓力變送器信號 本系統(tǒng)中 PLC選用 S7200 CPU224，為了能接受壓力傳感器的模擬量信號和調(diào)節(jié)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 水泵電機轉(zhuǎn)速，特選擇一塊 EM235 的模擬量輸入輸出模塊。 變頻器選型 為了能調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)進水量，選擇西門子 G110 的變頻器。 用于基本驅(qū)動系統(tǒng)的高性價比變頻器 西門子 G110 變頻器是一種使用靈活、結(jié)構(gòu)小巧 、 價位適中的變頻調(diào)速裝置，可用于各種速率的驅(qū)動系統(tǒng)，功率范圍可從120W3kW 不等。 西門子 G110 系列變頻調(diào)速裝置操作簡便，加之 西門子 G110 變頻器與價位 適中的標準電動機相組合的系統(tǒng)所具有的良好性價比，使之成為大多數(shù)應(yīng)用對象驅(qū)動裝置的首選。 G110 變頻器總共有 10個控制端子，端子編號分別為 1～ 10。 2 號端子為一數(shù)字輸出信號，可用來輸出某開關(guān)信號； 3～ 5 號端子為數(shù)字量輸入信號，各端子都可往變頻器輸入一開關(guān)信號； 6 號端子為輸出 24V 電源正極； 7 號端子為輸出 0V（電源負極）； 8～ 10 號端子的功能按控制方式來確定，在模擬控制方式下， 8 號端子為輸出+10V， 9號端子為模擬量輸入信號，變頻器按此信號大小決定輸出頻率； 10 號端子為0V。 觸摸屏選型 為 了能對水位值進行設(shè)定并 對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，特選擇用西門子人機界面TP170B 觸摸屏。 人機界面裝置是操作人員與 PLC之間雙向溝通的橋梁，很多的工業(yè)被控對象要求控制系統(tǒng)具有人機界面功能，用來實現(xiàn)操作人員與計算機控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換。人機界面裝置用來顯示 PLC的 I/O 狀態(tài)和各種系統(tǒng)信息，接收操作人員發(fā)出的各種命令和設(shè)置參數(shù)，并將它傳送到 PLC 中。 觸摸面板 TP170B 采用 、藍色或 16色 STNLCD，有 2個 RS232 接口、 1個RS422/485 接口和 1個 CF卡插槽，支持位圖、圖標、背景圖畫和矢 量圖形對象，動態(tài)對象有圖表、柱形圖和隱藏按鈕，有配方功能。使用 Microsoft Windows 操作系統(tǒng)，用組態(tài)軟件 WinCC flexible 來組態(tài)。 壓力 變送器 選型 一般意義上的壓力變送器主要由測壓 元件 傳感器（也稱作壓力傳感器）、 測量電路 和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的 氣體 、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標準的電信號（如 4～ 20mA DC 等）， 以供給 指示 報警儀、 記錄儀 、調(diào)節(jié)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 器等 二次儀表 進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。將水壓這種壓力的力學(xué)信號轉(zhuǎn)變成 4～20mA 這樣的電子信號 ， 壓力和電壓或電流 的 大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系 。 所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大 ， 由此得出一個壓力和電壓或電流的關(guān)系 。 CYYB120系列壓力變送器為兩線制 4～ 20mA電流信號輸出產(chǎn)品。它采用 CYYB105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進行放大、溫度補償及非線性修正、 V/I 變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有 4～ 20mA 標準信號輸出。一對導(dǎo)線同時用于電源供電及信號傳輸，輸出信號與環(huán)路導(dǎo)線電阻無關(guān)，抗干擾性強、便于電纜鋪設(shè)及遠距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、 A/D 轉(zhuǎn)換器及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。 水泵選型 水泵選用 凌波 1ZDB65自吸旋渦清水泵。泵體材料為鑄鐵，該泵采用優(yōu)質(zhì)機械 材料 密封 。 產(chǎn)品具有運行平穩(wěn)、性能可靠、全揚程運行、經(jīng)久耐用的優(yōu)點；該泵的特 點是小流量、高揚程、體積小、容易安裝。 適用范圍： 輸送清水，液體溫度 ≤45 ℃。 家庭主管增壓供水、高層建筑增壓。 農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水 。 工作條件： 輸送介質(zhì)溫度：常溫型 +5℃ ～ +45℃。 最高環(huán)境溫度： +50℃。最大吸程： 8米 。 三相 380V/50Hz。 表 22 1ZDB65自吸旋渦清水泵 參數(shù)表 型號 最大流量(L/min) 最大流量(m3/h) 最大揚程(m) 最大吸程(m) 功率 (KW) 口徑 (mm) 重量 (KG) 1ZDB65 58 65 8 25 12 EM235 模塊 EM235 的端子與接線 SIEMENS S7200 模擬量擴展模塊 EM235 含有 4路輸入和 1路輸出，為 12位數(shù)據(jù)格式，它的端子及其接線圖如圖 22所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 圖 22 EM235 端子接線圖 其中 RA、 A+、 A為第一路模擬量輸入通道的端子， RB、 B+、 B為第二路模擬量輸入通道的端子， RC、 C+、 C為第三路模擬量輸入通道的端子， RD、 D+、 D為第四路模擬量輸入通道的端子。 M0、 V0、 I0為模擬量輸出端子，電壓輸出大小為 10～ +10V，電流輸出大小為 0～ 20mA。 L+、 M 接 EM235 的工作電流。 EM235 的技術(shù)規(guī)范 表 23 EM235技術(shù)規(guī)范表 模擬量輸入特性 模擬量輸入點 4 輸入范圍 電壓（單極性）信號類型： 0～ 10V、 0～ 5V、 0～ 1V、 0～ 500mV、 0～ 100 mV、 0～ 50 mV 電壓（雙極性）信號類型：177。 10V、177。 5V、177。 、177。 1V、177。 500mV、 177。 250mV、177。 100mV、177。 50mV、177。 25mV 電流信號類型： 0～ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 雙極性全量程范圍 32021～ +32021 單極性全量程范圍 0～ 32021 分辨率 12位 A/D轉(zhuǎn)換器 模擬量輸出特性 模擬量輸出點數(shù) 1 信號范圍 電壓輸出177。 10V 電流輸出 0～ 20mA 數(shù)據(jù)字格式 電壓 32021～ +32021 電流 0～ 32021 分辨率電流 電壓 12 位 電流 11 位 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 DIP 設(shè)定開關(guān) EM235 有 6 個 DIP 設(shè)定開關(guān)。通過設(shè)定開關(guān)，可選擇輸入信號的滿量程和分辨率，所有的輸入信號設(shè)置成相同的模擬量輸入范圍和格式，如下表 24所示。 表 24 DIP開關(guān)設(shè)定表 單極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF ON 0～ 50mV V? OFF ON OFF ON OFF ON 0～ 100mV 25 V? ON OFF OFF OFF ON ON 0～ 500mV 125 V? OFF ON OFF OFF ON ON 0～ 1V 250 V? ON OFF OFF OFF OFF ON 0～ 5V ON OFF OFF OFF OFF ON 0～ 20mA 5 V? OFF ON OFF OFF OFF ON 0～ 10V 雙極性 滿量程輸入 分辨率 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 ON OFF OFF ON OFF OFF 177。 25mV V? OFF ON OFF ON OFF OFF 177。 50mV 25 V? OFF OFF ON ON OFF OFF 177。 100mV 50 V? ON OFF OFF OFF ON OFF 177。 250mV 125 V? OFF ON OFF OFF ON OFF 177。 500mV 250 V? OFF OFF ON OFF ON OFF 177。 1V 500 V? ON OFF OFF OFF OFF OFF 177。 V? OFF ON OFF OFF OFF OFF 177。 5V OFF OFF ON OFF OFF OFF 177。 10V 5mV 如本系統(tǒng)中壓力傳感器