【文章內(nèi)容簡介】 機構(gòu)；能向中央執(zhí)行機構(gòu)、重要數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。 因此，進行變頻恒壓供水系統(tǒng)的 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計，可以推動變頻恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，擴大 PLC 在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟和理論研究的價值。 本課題設(shè)計的內(nèi)容 本設(shè)計將在以下幾個方面對恒壓供水控制系統(tǒng)進行研究和論證。 恒壓供水系統(tǒng)的選型 該系統(tǒng)是由儲水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動控制、自動控制）組成，對象系統(tǒng)由三臺不同功率的水泵機組組成，都為常規(guī)變頻循環(huán)泵，用于模擬正常模式下的生活供水動力系統(tǒng)，回水系統(tǒng)采用有機玻璃材料結(jié)構(gòu)，以使實驗系統(tǒng)具有可觀察性。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 第 3頁 (共 39頁 ) PLC 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)由 3 臺水泵，一臺智能型電控柜（包括變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、缺水保護器，斷相保護裝置以及供電主回路等構(gòu)成。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括 PLC 的程序設(shè)計和變頻器的功能參數(shù)設(shè)定，這里主要討論 PLC 的程序設(shè)計， PLC 的程序設(shè)計包括手動控制和自動控制的程序設(shè)計，手動部分是通過按鈕控制水泵在工頻下運行和停止，主要考慮系統(tǒng)調(diào)試或檢修時用。當選擇開關(guān)打到“自動”時，系統(tǒng)能夠進入自動工作狀態(tài)，由 PLC 和變頻器聯(lián)合控制各臺電機的投入或切除、工頻或變頻運行方式。 供水系統(tǒng)共有 3 臺泵組電機，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺數(shù)后，只有最初投入的電機進行變頻調(diào)速，其它后投入的電機則在工頻下全速運行，泵組電機的切換過程由邏輯控制單元PLC 實現(xiàn)。 系統(tǒng)控制的原理 通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成 420mA 的標準信號送入 PLC 的端口進行 PID 調(diào)節(jié)，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC控制切換器進行加減泵。根據(jù)用水 量的大小量的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護功能，尤其是硬件 /軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。 第 4頁 (共 39頁 ) 第 2 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 學(xué)習 PLC 的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對于設(shè)計一個較大的 PLC控制系統(tǒng)時，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計的控制系統(tǒng)的大小，一般都要用以下設(shè)計步驟來進行系統(tǒng)設(shè)計。 隨著 PLC 功能的不斷完善和提高， PLC 幾乎可以完成工業(yè)領(lǐng)域的所以控制任務(wù)。但是 PLC 還是有最適合它的應(yīng)用場合，所以接到一個控制任務(wù)以后，要分析被控對象的控制過程和要求，看看用什么控制設(shè)備來完成該任務(wù)最合適。其實現(xiàn)在的可編程不僅處理開關(guān)量，而且對模擬量的處理能力也很強。所以在很多情況下也可以取代工業(yè)控制計算機（ IPC）作為主控器。 控制對象以及控制裝置確定后，還要進一步確定 PLC 的控制范圍。一般來說，能夠反映生產(chǎn)過程的運行情況，能用傳感器直接測量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由 PLC 控制來完成。 當某一個控制任務(wù)決定由 PLC 來完成后。選擇 PLC 就成為最重要的事情。一方面是選擇多大容量的 PLC，另一方面是選擇什么公司的 PLC 以及外設(shè)。 對第一個問題，首先要對控制任務(wù)進行詳細的分析，把所有的 I/O 點找出來，包括開關(guān)量 I/O 模擬量 I/O 以及這些 I/O 點的性質(zhì)。 I/O 點是性質(zhì)主要是指他們是直流信號還是交流信號，它們的電源電壓?？刂葡到y(tǒng)輸出點的類型非常關(guān)鍵，如果它們之中既有交流 220V 的接觸器、電磁閥，又有直流 24V 的指示燈，則最后選用的 PLC 的輸出點有可能大于實際點數(shù)。因為 PLC 的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組的輸出只能有一個電源的種類和等級 。 對于第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： 1. 功能方面 所有 PLC 一般都具有常規(guī)的功能，但是對于某些特殊要求，就要知道所選用的 PLC 是否有能力完成控制任務(wù)。如對 PLC 與 PLC、 PLC與智能儀表以及上位機之間靈活方便的通訊要求；或?qū)?PLC 的計算速度、用戶 第 5頁 (共 39頁 ) 程序容量有特殊要求的；或?qū)?PLC 的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的 PLC 品種有一個詳細的了解，以便做出正確的選擇。 2. 價格方面 不同廠家的 PLC 產(chǎn)品價格相差很大，有些功能類似、質(zhì)量相當、 I/O 點數(shù)相當?shù)?PLC 的價格能 相差 40%以上。在使用 PLC 較多的情況下，這樣的差價必須是需要考慮的。 輸入 /輸出信號在 PLC接線端子上的地址分配是進行 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。對軟件設(shè)計來說， I/O 地址分配以后才可以進行編程；對控制柜和 PLC 的外圍接線來說，只有 I/O 地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。配單臺電機和水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費，電機選 小了用水量大時供水不足。而且水泵和電機都有維修的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也有兩種配置方式，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費用較高。另一種方案是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機見可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。 恒壓供水泵站的示意圖，如圖 21 所示，圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的 出水口。當用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 第 6頁 (共 39頁 ) 調(diào)節(jié)器是一種電子裝備 ,在系統(tǒng)中完成以下幾種功能 : 1. 設(shè)定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠，用水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值，另外有些供水系統(tǒng)可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設(shè)定值可能不只一個，一般消防用水的水壓要高一些，調(diào)節(jié)器具有給定值設(shè)定功能，可以以數(shù)字量進行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié) 器以模擬量方式設(shè)定。 2. 接受傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制裝置稱為反饋，調(diào)節(jié)器實反饋的接受點。 3. 根據(jù)給定值和實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)器接受了實測水壓的反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實測值之差。如果給定值大于實測值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)工作中還有個調(diào)節(jié)規(guī)律的問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比 例 積分 微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID 調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)圖 21 變頻恒壓供水站的基本組成 第 7頁 (共 39頁 ) 器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如 P、 I、 D 參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的， PID 調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微型計算機調(diào)節(jié)器多為數(shù)字調(diào)節(jié)器。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一般式模擬信號， 4~20mA 變化的電流信號或 0~10V 間變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備工作。 下面以一個三泵生活 /消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程，如圖 22 所示，市網(wǎng)來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 TV1，它們自動把水注滿儲水池，只要水位低于高水位，則 自動往水箱中注水。水池的高 /低水位信號也直接送給 PLC，作為低水位報警用。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥 YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水量的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進行；當有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥 YV2 得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進行?；馂?zāi)結(jié)束后三臺泵再改為生活供水使用。 圖 22 生活消防雙恒壓 供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 可編程控制器（ PLC）的選型 PLC 概述 第 8頁 (共 39頁 ) 可編程控制器，英文稱 Programmable Controller,簡稱 PLC，本 文中 用 PLC作為它的簡稱。 PLC 是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器，它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計算機，它通過運行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現(xiàn)對負載的控制。 PLC 基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的 物理過程一般不考慮的。而 PLC 可以通過它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。 PLC 有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 I/O 接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本功的功能： 1. 邏輯處理功能； 2. 數(shù)據(jù)運算功能； 3. 準確定時功能； 4. 高速計數(shù)功能； 5. 中斷處理（可以實現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能； 6. 程序與數(shù)據(jù)存儲功能； 7. 聯(lián)網(wǎng)通信功能； 8. 自檢測，自診斷功能。 可以說，凡普通小型計算機功能實現(xiàn)的功能， PLC 幾乎也 都有可以做到。像PLC 這樣，集豐富功能于一身，是別的電控器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電器控制電路所無法比擬的。豐富的功能為 PLC 的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時，也為節(jié)水行業(yè)的遠程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 PLC 的選型 在 PLC 系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 1．輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 第 9頁 (共 39頁 ) I/O 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適量的余量，通常根據(jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，在增加10%～ 20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。 2．存儲器容量的估算 存儲器容量是 PLC 本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容 量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 PLC 內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲 2021 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。 3．控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據(jù)本 文 設(shè)計的變頻調(diào)速恒壓控制的需要，主要介紹以下幾 種功能的選擇。 ⑴ . 控制功能 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 ⑵ . 編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器共用一個 CPU，編程器在編程模式時， CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式， CPU 對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式： CPU 和編程器各有自己的 CPU，主機 CPU 負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 五種標準編程語言：順序功能圖（ SFC）、梯形圖（ LD）、功能模塊圖（ FBD）三種圖形化語言和語句表（ IL）、結(jié)構(gòu)文本（ ST）兩種文本語言。選用的編程 第 10頁 (共 39頁 ) 語言應(yīng)遵守其標準，同時，還應(yīng)支持多種語音編程序形式，以滿足特殊控制場合的控制要求。 ⑶ . 診斷功能 PLC 的診斷功能硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯 判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對 PLC 內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷，通