【正文】 系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定 PLC 的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設計相應的控制系統(tǒng)。選擇合適的機型是 PLC 控制系統(tǒng)硬件配置的關鍵問題。在滿足控制要求的前提下，選型時應選擇性價比最佳的機型。一般來說，機型的選擇可以從以下幾個方面來考慮。(1) I/O 點數(shù)的確定I/O 點數(shù)是衡量可編程控制器規(guī)模大小的重要指標。首先必須清楚控制系統(tǒng)的 I/O總點數(shù)，再按實際所需總點數(shù)的 15～20％留有余量，確定所需 PLC 的點數(shù)，PLC 的 I/O總點數(shù)和種類應根據被控對象所需的模擬量、開關量等輸入/輸出設備情況（包括模擬量、開關量等輸入信號和需控制的輸出設備數(shù)目及類型）來確定。一般控制系統(tǒng)，如果 I/O 點數(shù)較小，且由 PLC 構成單機控制系統(tǒng)，應選用小型的 PLC。如果 I/O 點數(shù)過多，且由 PLC 構成控制系統(tǒng)的控制對象分散，控制級數(shù)較多，應選擇大、中型的 PLC。(2) 存儲器容量的確定一般微型和小型 PLC 的存儲容量是固定的，介于 1～2KB 之間。用戶程序所需內存量與很多因素有關，如開關量 I/O 點數(shù)，模擬量 I/O 點數(shù)，內存利用率，編程水平等，因此我們對用戶存儲容量只能作粗略的估算。一般，根據經驗，每個 I/O 點及有關功能元件占用的內存量大致如下：開關量輸入元件： 10～20B/點開關量輸出元件： 5～10B/點定時器/計數(shù)器： 3～5B/點模擬量： 80～100B/點通信接口： 每個接口需要 200B 以上最后，根據上面算出的總字節(jié)數(shù)，一般按估算容量的 50～100％留有余量，從而選擇合適的 PLC 內存。為了適應各種各樣的控制信號，PLC 有多種 I/O 模塊，智能模塊供選擇。I/O 模塊包括開關量 I/O 模塊和模擬量 I/O 模塊。PLC 輸入模塊的任務是檢測并轉換來自現(xiàn)場設備（按鈕、限位開關、接近開關等）的高電平信號為機器內部的電平信號。開關量輸入模塊的類型分直流 5V、12V、24V、48V 幾種，交流 110V、220V 兩種。根據現(xiàn)場檢測元件與模塊之間的距離選擇電壓的大小。距離較近時，可選擇電壓等級低一些的模塊，如 5V、12V、24V 等。距離較遠的設備選用較高電壓的模塊比較可靠。另外，對于高密度的輸入模塊，如 32 點或 64 點，同時接通點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時接通點數(shù)最好不超過模塊總點數(shù)的 60％，以保證輸入/輸出點承受負載能力在允許范圍內。為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門檻電平（輸入點的接通電平和關斷電平的差值）的大小。門檻電平值越大，抗干擾能力越強，傳輸距離也就越遠。還有在進行連接配線時，存在著不同程度的漏電流。因此在輸入端并聯(lián)適當?shù)碾娮韬碗娙荩越档洼斎肟傋杩?。模擬量輸入模塊的輸入可以是電壓信號或電流信號。在選用時一定要注意與現(xiàn)場過程檢測信號范圍相對應。PLC 輸出模塊的任務時將機器內部信號電平轉換為外部過程的控制信號。開關量輸出模塊的輸出電流必須大于負載電流的額定值，同時還應注意同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共端所允許通過的電流值。對于開關頻率高、電感性、低功率因數(shù)的交流負載可選用晶閘管輸出模塊；而對于開關頻率較高的直流負載，可選用晶體管輸出模塊。模擬量輸出模塊的輸出類型有電壓輸出和電流輸出兩種，在使用時要根據負載情況選擇。西門子提供了 EM231 4 路模擬量輸入、 EM231 AI 4 路熱電偶、EM231 AI 2 路熱電偶（RTD） 、EM232 2 路模擬量輸出模塊、EM235 4 輸入 1 輸出組合模塊等，可根據實際情況選用。PLC 的供電電源，除了引進設備時同時引進 PLC 應根據產品說明書要求設計和選用外，一般 PLC 的供電電源應設計選用 220VAC 電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。 如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。目前，中小型 PLC 種類繁多，發(fā)展迅速，使用范圍從替代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展到更復雜的自動化控制。其中，西門子（SIEMENS）公司 S7200 系列小型 PLC 在同行業(yè)中處于領先地位，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。其強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。S7200 系列小型 PLC 應用領域極為廣泛，覆蓋了所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等。S7200 系列 PLC，有 4 個不同的基本型號的 8 種 CPU 可提供選用。根據控制要求結合本次設計的現(xiàn)場情況，我選擇的是 CPU226，EM223（16 點）和 EM221（16 點） 。 CPU226：寬度 W 為 、高度 H 為 80mm、深度 D 為 62mm；CPU226 功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復雜控制系統(tǒng)的要求。表 51 列出了 PLC 模塊型號的I/O 點數(shù)。圖 為 PLC 的接線圖。表 51 PLC 模塊型號型 號 本機輸入/輸出點數(shù)（I/O）繼電器輸出 晶體管輸出 輸入點數(shù)（I）輸出點數(shù)（O）CPU226AC/DC CPU226DC/DC/DC 24 16EM223 EM223 16 16EM221 EM221 16 0 圖 CPU226 I/O 接線圖(3) 技術經濟分析 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 變頻器的選配 概述 通常，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器” 。使用變頻器的家電產品中不僅有電機（例如空調等） ，還有熒光燈等產品。用于電機控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調節(jié)電源供電的頻率。汽車上使用的由電池（直流電）產生交流電的設備也以“inverter”的名稱進行出售。變頻器的工作原理被廣泛應用于各個領域。例如計算機電源的供電，在該項應用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動及電源的瞬間斷電。 對于異步電動機來說，目前工業(yè)生產中所使用的變頻器可分為交—直—交電壓源型 SPWM 變頻器和交—直—交電流源型 SPWM 變頻器兩種，當今工業(yè)生產中應用最多、最廣泛的變頻器是交—直—交電壓源型 SPWM 變頻器。這類變頻器的主電路用不可控整流器、用 SPWM 逆變器，其輸出電壓波形接近正弦波。由于這類變頻器通用性好，因此通常稱為通用變頻器。20 世紀 90 年代末以來，變頻器制造廠家對這類變頻器增加了矢量控制功能，即恒壓頻比控制方式和矢量控制方式都集于裝置中，成為多控制方式變頻器，用戶可根據生產工藝要求通過設置選擇控制方式。 變頻器控制原理圖設計（1）首先確認變頻器的安裝環(huán)境 ①工作溫度：變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為 0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時應考慮留有余地，最好控制在 40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應安裝在箱體上部，并嚴格遵守產品說明書中的安裝要求，絕對不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。 ② 環(huán)境溫度：溫度太高且溫度變化較大時，變頻器內部易出現(xiàn)結露現(xiàn)象，其絕緣性能就會大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個問題會比較突出。 ③腐蝕性氣體：使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。 ④振動和沖擊：裝有變頻器的控制柜受到機械振動和沖擊時，會引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問題。這時除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動的元器件。設備運行一段時間后，應對其進行檢查和維護。 ④電磁波干擾：變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內儀表和電子系統(tǒng)，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾。所有的元器件均應可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應接地。如果處理不好電磁干擾，往往會使整個系統(tǒng)無法工作，導致控制單元失靈或損壞。 （2）變頻器和電機的距離確定電纜和布線方法 ①變頻器和電機的距離應該盡量的短。這樣減小了電纜的對地電容，減少干擾的發(fā)射源。 ②控制電纜選用屏蔽電纜，動力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機全部用穿線管屏蔽。 ③電機電纜應獨立于其它電纜走線，其最小距離為 500mm。同時應避免電機電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應盡可能使它們按 90 度角交叉。與變頻器有關的模擬量信號線與主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。 ④與變頻器有關的模擬信號線最好選用屏蔽雙絞線，動力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊。 （3）變頻器控制原理圖 ①主回路：電抗器的作用是防止變頻器產生的高次諧波通過電源的輸入回路返回到電網從而影響其他的受電設備，需要根據變頻器的容量大小來決定是否需要加電抗器。濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當變頻器到電機的距離較遠時，應該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護功能，但缺相保護卻并不完美，斷路器在主回路中起到過載，缺相等保護，選型時可按照變頻器的容量進行選擇?？梢杂米冾l器本身的過載保護代替熱繼電器。 ②控制回路：具有工頻變頻的手動切換，以便在變頻出現(xiàn)故障時可以手動切工頻運行，因輸出端不能加電壓，固工頻和變頻要有互鎖。 （4）變頻器的接地變頻器正確接地是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制噪聲能力的重要手段。變頻器的接地端子的接地電阻越小越好，接地導線的截面不小于 4mm，長度不超過 5m。信號線的屏蔽層一端接到變頻器的接地端，另一端浮空。變頻器與控制柜之間電氣相通。 變頻器選型 變頻器選型時要確定以下幾點（1）采用變頻的目的：恒壓控制或恒流控制等。 （2） 變頻器的負載類型：如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。 （3）變頻器與負載的匹配問題： ①電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。 ②電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 ③轉矩匹配；這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生，所以要盡可能避免這種情況。 ④ 在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。 ⑤變頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 ⑥ 對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。 根據以上分析和本次設計實際要求我們選擇三菱 FR—E540——CH 變頻器，它使用的功率是 。這種型號的變頻器端子接線圖、主回路端子說明及控制回路端子說明如下：105U3SDTFCBAL2WVRHME4NP+圖 變頻器端子接線圖表 52 主回路端子說明 端子記號 端子名稱 說明L1，L2，L3(注) 電源輸入連接工頻電源。當使用高功率因數(shù)整流器時不要接任何東西。U，V，W 變頻器輸出 接三相鼠籠電機。+，PR 連接制動電阻器 在端子+—PR 之間連接選件制動電阻器。+， 連接制動單元 連接選件制動單元或高功率