【導讀】際供水控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。此變頻恒壓供水系統(tǒng)由水泵機組，共包括四臺水泵電機，其中三臺為常規(guī)水泵，個變頻循環(huán)運行系統(tǒng)。系統(tǒng)實時比較管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值偏差的變化情況，經(jīng)。運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。經(jīng)軟件仿真及實驗室調(diào)試，證明系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計要求。

　　

【正文】 氣 控制 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 及其擴展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機組 (4) 壓力 傳感器。 PLC 及其擴展模塊選型 PLC 特點及性能指標 （ 1） PLC 的 定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)上 頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做 出 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)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，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械或生產(chǎn)過程。 （ 2） PLC 的 特點： 。 。 。 。 報 警控制輸出 A/D 模塊 PLC 通訊模塊 變頻器 壓力變送器 人機界面 水泵機組 故障狀態(tài)輸入 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 部設(shè)備連接方便。 、重量輕、功耗低。 。與其他控制方式相比，性價 比較高。 ，擴展能力強。 ，功能更改靈活。 （ 3） PLC 的性能指標 。 。 。 。它是衡量 PLC 能力強弱的指標，決定了 PLC 處理能力、控制能力的強弱。限定了計算機發(fā)揮運算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 。 。 。 可編程序控制器（ PLC）的選型 機型的選擇： PLC 機型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護使用方便以及最佳的性能價格比。 (1) 結(jié)構(gòu)合理 對于 工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合， 由于 整體式每一 I/O 點的平均價格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。 (2) 功能強弱適當 對于開關(guān)量控制的工程項目， 由于現(xiàn)代 PLC 具 有足夠高的速度處理大量的 I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說， PLC 的響應(yīng)時間并不是主要的問題 ，所以對 速度要求不高，一般選用低檔的 PLC，如西門子公司的 S7200 系列機。 (3) PLC 容量的選擇 PLC 容量主要是指是 PLC 的 I/O 點數(shù)， I/O 點數(shù)也應(yīng)留有適當裕量 ，以備在某些特 殊情況下使用 。由于目前 I/O 點數(shù)較多的 PLC 價格也較高，若備用的 I/O 點是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常 I/O 點數(shù)按實際需要的考慮留 10%～ 15%點數(shù)備用量。 表 S7200 PLC 的各種 CPU 特性比較 CPU 型號 外形尺寸 /mm 數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 擴展模塊數(shù)量 CPU221 90? 80? 62 6 4 0 CPU222 90? 80? 62 8 6 2 CPU224 ? 80? 62 14 10 7 CPU226/CPU226XM 190? 80? 62 24 16 7 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能 （具體 I/O 分配見下文 ） ， 考慮到 I/O 分配留有一定裕量，設(shè)計 選用西門子 S7200 系列的 CPU226 型。其有以下特點： (1) 具有 24 個輸入點， 10 個 輸出點 ，共 40 個數(shù)字量 I/O 點 。 (2) SIMENS S7200 可編程序控制器是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 (3) 與擴展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨立的 30kHZ 的高速計數(shù)器、兩路獨立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點對點接口 PPI 通信協(xié)議、多點接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設(shè)計需求。 ( 5) 當控制任務(wù)增加時， 具有 7 個擴展模塊， 可以自 由擴展。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。 (7) PLC 編程采用 STEP7Micro/win，它是 SIMATIC PLC 的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試 [12]。 擴展模塊選型 為了擴展 I/O 點和執(zhí)行特殊的功能， S7200 系列 PLC 可以連接擴展模塊（ CPU221除外）。擴展模塊主要有四類：數(shù)字量輸入 /輸出（ DI/DO）模塊、模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊、通信模塊和特殊功能模塊。本次設(shè)計中需要擴展一個采集處理壓力信號的模擬信號，應(yīng)擴 展一個模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊。故主要對此類擴展模塊進行簡要介紹。 (1) EM231： 4 路 12 位模擬量輸入（ AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓： 0~10V、 0~5V、 ? 和 ? 5V；電流： 0~20mA。 2) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 3) 最大輸入電壓 30VDC，最大輸入電流 32mA。 (2) EM232： 2 路 12 位模擬量輸出（ AO）模塊 1) 輸出范圍：電壓 ? 10V；電流： 0~20mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓： 320xx~+320xx；電流 0~+320xx。 3) 分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 (3) EM235：模擬量混合輸入 /輸出 (AI/AO)模塊， 1) 4 路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 2) 差分輸入，電壓 0~10V、 0~5V、 0~1V、 0~500mV、 0~100mV、 0~50mV、 ? 10V、? 5V、 ? 、 ? 1V、 ? 500mV、 ? 250mV、 ? 100mV、 ? 50mV 和 ? 250mV；電流：0~20mA。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 3) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 4) 穩(wěn)定時間：電壓 100us，電流 2ms。 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 具 有 4 個模擬輸入 (AIW)通道 ， 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 。 針對不同的標準輸入信號，EM235 模塊可以通過 DIP 開關(guān)進行設(shè)置。 變頻器的選型 變頻器的具體選型 變頻器是控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)，從而改變出水 流 量。變頻器須根據(jù)水泵電機的電流和功率進行選擇。 要求 系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)不同控制功能，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 于 泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器 [11]。 由于本設(shè)計中 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調(diào)速的系列產(chǎn)品 ，由微處理器控制，絕緣柵雙極型晶體管作為 其 功率輸出器件，具有 較 高的運行可靠性和很強的功能。 其 采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動機 和 變頻器保護功能，內(nèi)置 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對 I/O 端子進行自定義。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為~90KW，適用于功率大 、 要求高的場合，恰好其輸出信號能作為 的水泵電機的輸入信號。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。 變頻器與模擬量擴展擴展的連接 在恒壓供水電路中，變頻器與 S7200PLC 配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 （ 1） PLC 部分設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴展模塊 EM235 AIW0 EM235 模擬量輸入通道 1，接一精密電位器； 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 AQW0 EM235 模擬量輸出通道 1，接 MM440 的端口 3 和 4。 整個系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器 380V 三相電源 24V 接地 MA 圖 模擬量擴展模塊和 MM440 變頻器接線原理圖 變頻器參數(shù)設(shè)定 使用基本操作面板對變頻器進行參數(shù)設(shè)置。首先按下 P 鍵對變頻器進 行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時的狀態(tài)。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動機的參數(shù)，以使電動機與變頻器相配，電動機參數(shù)如表 所示 電動機參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)置 P0010 為 0，使變頻器處于準備狀態(tài)。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)，如表 所示 A+ A M0 V0 MM440 3 9 4 18 U V W M 3~ 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 表 設(shè)置電動機參數(shù)表 參數(shù)表 設(shè)置值 說明 P003 1 用戶訪問級為標準級 P0100 1 快速調(diào)試 P010 0 功率以 KW 為單位，頻率為 50HZ P0304 380 電動機額定電壓（ V） P0305 電動機額定電流（ A） P0307 電動機額定功率（ KW） P0310 50 電動機額定頻率 P0311 電動機額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 表 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù) 參數(shù)號 設(shè)置值 說明 P0003 1/2 用戶訪問級為標準級 /擴展級 P0004 命令和數(shù)字 I/O P0700 2 命令源選擇“由端子排輸入” P0701 1 數(shù)字輸入端 1 接通正轉(zhuǎn)，斷開停止 P0702 2 數(shù)字輸入端 2 接通反轉(zhuǎn)，斷開停止 P1000 2 頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入” P1080 電動機運行的最低頻率（ HZ） P1082 50 電動機運行的最高頻率（ HZ） P1120 斜坡上升時間（ s） P1121 斜坡下降時間（ s） 水泵機組的選型 水泵機組的選型原則 供水系統(tǒng)在運行時 是依 靠水泵抽水來實現(xiàn)的， 水泵作為 整個系統(tǒng)的執(zhí)行 機構(gòu)， 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 因此，水泵 型號 選擇 是否 合適 將 影響系統(tǒng)運行節(jié)能高效 、 安全穩(wěn)定的重要因素。在水泵 選型 時有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚程選擇滿足揚程要求的水泵。 所謂揚程 即 所需揚程，并不是 所需 提水高度，明確這一點對選擇水泵 相當 重要。水泵揚程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。選擇水泵時應(yīng)使銘牌上的揚程最好與所需揚程接近，一般偏差不超過 20％，這樣的情況下，水泵的效率最高，也比較節(jié)能，使用會更經(jīng)濟。 （ 2） 根據(jù)水泵抽水的流量選擇流量合適的水泵。 水泵的流量，即出水量，一般不宜選得過大 ，否則會增加購買水泵的費用。 （ 3） 要適當超標選水泵。 實際使用時，只能按標牌所注揚程和流量的 80%～ 90%估算，水泵配套動力的選擇，可按標牌上注明的功率選擇， 但 為了使水泵啟動迅速和使用安全，動力機的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出 10%左右為宜 。 （ 4） 應(yīng)盡量選用高效節(jié)能且噪音較低的水泵，不可采用市場淘汰產(chǎn)品。 （ 5） 根據(jù)實際供水系統(tǒng)的規(guī)