基于PLC恒壓供水變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,基于,PLC,供水,變頻,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì),CAD 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于plc恒壓供水變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。 基于水泵供水流量和水泵轉(zhuǎn)速的三次方成正比，論文分析了采取變壓變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門(mén)控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。通過(guò)對(duì)變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。 本論文依據(jù)供水要求，設(shè)計(jì)了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水，具有全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等功能。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問(wèn)題，并具有多種輔助功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。 論文分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過(guò)程及存在的問(wèn)題。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。 論文還提出了一些增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的措施。 關(guān)鍵詞：可編程序控制器, 變壓變頻調(diào)速, 恒壓供水, PLC PLC-BASED INVERTER CONTRL CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGN ABSTRACT ???? With the rapid socio-economic development of water quality and water supply systems to improve reliability requirements. In addition, the current energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, the design of high performance, high energy, able to adapt to different areas of constant pressure water supply system has become an inevitable trend. ???? Pumps based on water flow and pump speed is directly proportional to the third power, to take paper analyzes the way VVVF speed control constant pressure water supply compared with the traditional way of constant pressure water supply valve to control the energy-saving mechanism. Converter built by the preset parameters of PID module, using the hydraulic pressure gauge feedback FarEasTone volume, constitute a closed-loop system, in accordance with changes in water consumption, the way to take PID regulator, the flow in the whole range of the continuous use of pump-conditioning pump frequency and adjust the combination of the classification, to achieve constant pressure water supply and effective energy conservation. ???? In this paper, based on water requirements, the design of a set by the PLC, frequency converter, Far EasTone pressure, multi-pump unit consisting of major equipment such as automatic frequency conversion constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency run and on-site features such as manual control. System to effectively solve the traditional way of water supply problems, and have a variety of auxiliary functions, and enhance the reliability of the system. ???? Paper analyzes the various ways water pump the state water supply and conversion conditions, analysis of the motor to change jobs by the frequency of the switching frequency operation and problems of the process. Given the state of the cycle to achieve an effective change of control of the electrical design and PLC control program design. ???? Also made a number of papers to enhance system reliability measures. KEY WORDS: programmable logic controller, VVVF speed control, constant pressure water supply, PLC 目 錄 前 言 1 第1章 恒壓供水原理及工藝 2 1.1 任務(wù) 2 1.2 工藝要求 2 1.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 2 第2章 PLC概述 3 2.1 PLC組成 3 2.1.1 LC的輸入 3 2.1.2 PLC的輸出 3 2.1.3 PLC的控制機(jī)制 3 2.1.4 PLC的定義 5 2.1.5 PLC的特點(diǎn) 5 2.1.6 PLC的性能指標(biāo) 6 2.1.7 PLC的分類(lèi) 7 2.2 PLC工作原理 7 2.2.1 循環(huán)掃描 7 2.2.2 I/O響應(yīng)時(shí)間 8 2.2.3 PLC中的存儲(chǔ)器 9 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 3.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 11 3.2 系統(tǒng)控制要求 13 3.3 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配 14 3.4 系統(tǒng)選型 17 3.5 PLC模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 17 3.5.1 EM235模擬量工作單元性能指標(biāo) 18 3.5.2 校準(zhǔn)及配置 18 3.5.3 EM235的安裝使用 18 3.5.4 EM235工作程序編制 18 3.5.5 電氣控制系統(tǒng)原理圖 20 第4章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 23 4.1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 23 4.2 泵組泵站泵組管理規(guī)范 23 4.3 程序的結(jié)果以及程序功能的實(shí)現(xiàn) 23 結(jié) 論 33 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 外文資料翻譯 36 35 前 言 隨著各住宅小區(qū)的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應(yīng)的生活用水量也大幅度增加。人們對(duì)提高供水質(zhì)量的要求越來(lái)越高，另外人們的節(jié)能意識(shí)及對(duì)運(yùn)行的可靠性的要求越來(lái)越強(qiáng)。采用變頻器及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)塔恒壓供水系統(tǒng)，不僅能提高供水質(zhì)量，而且在節(jié)約能源和運(yùn)行可靠性具有較好的改善。其中，采用變頻調(diào)速的主要目的是通過(guò)調(diào)速來(lái)恒定用水管道的壓力以達(dá)到節(jié)能的目的，恒壓供水則是為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)流量的要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵），在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中，往往會(huì)出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問(wèn)題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對(duì)一個(gè)典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)踐中，根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問(wèn)題，既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效的節(jié)省了資金。 　　應(yīng)用PLC技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，減少手動(dòng)操作或撫慰操作，同時(shí)替代部分繼電器減少機(jī)械觸點(diǎn)的故障，增強(qiáng)可靠性。下面筆者根據(jù)這方面的工作經(jīng)驗(yàn)談?wù)勗诤銐汗┧到y(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過(guò)程中的一些思路和做法。 第1章 恒壓供水原理及工藝 1.1 任務(wù) 隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問(wèn)題日益突出。以方面要求提高供水質(zhì)量，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng)造成供水的障礙；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能可靠供水。針對(duì)這兩方面的要求，新的供水方式和控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這就是PLC控制的恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)。恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)包括生活用水的恒壓控制和消防用水的恒壓控制——即雙恒壓系統(tǒng)。恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，以PLC為主機(jī)的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 1.2 工藝要求 對(duì)三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： 1. 生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn)行； 2. 三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開(kāi)先停”的原則介入和退出； 3. 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間超過(guò)3H，則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)； 4. 三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要又軟啟動(dòng)功能； 1.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 以一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明其工藝過(guò)程，市網(wǎng)來(lái)水用高低水位控制器EQ來(lái)控制注水閥TV1，它們自動(dòng)把水注滿(mǎn)儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為底水位報(bào)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(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵共消防用水使用，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(jìn)行。火災(zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為生活供水使用。 第2章 PLC概述 2.1 PLC組成 2.1.1 PLC的輸入 通過(guò)對(duì)繼電器控制特點(diǎn)的介紹和最初通用汽車(chē)公司提出的要求分析。PLC要想取代繼電器控制，首先要解決外部設(shè)備的直接輸入問(wèn)題。由于當(dāng)時(shí)主要集中在開(kāi)關(guān)量控制，也就是開(kāi)關(guān)量（觸點(diǎn)的開(kāi)閉狀態(tài)）如何直接接入PLC并被PLC所識(shí)別，對(duì)此就需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：有源接入，無(wú)源接入，絕緣問(wèn)題，隔離問(wèn)題和互相干擾問(wèn)題。PLC就是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在其發(fā)展過(guò)程，人們?cè)鴮⒂?jì)算機(jī)直接用于工業(yè)控制，但是由于以下兩大問(wèn)題沒(méi)有解決好而難以發(fā)展：一是I/O（輸入/輸出）問(wèn)題，計(jì)算機(jī)不能直接和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接現(xiàn)在了應(yīng)用；二是計(jì)算機(jī)的I/O功能，開(kāi)關(guān)邏輯處理不夠豐富和強(qiáng)大?，F(xiàn)在的PLC成功的解決了這兩個(gè)方面的問(wèn)題，可以讓PLC和外部設(shè)備直接進(jìn)行物理的連接。計(jì)算機(jī)的內(nèi)部提供了豐富的從位邏輯到雙字運(yùn)算的強(qiáng)大的運(yùn)算功能，使其能夠完成復(fù)雜的控制功能，這也是PLC能夠迅速發(fā)展的原因[1]。 2.1.2 PLC的輸出 輸出問(wèn)題主要是接點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題，或者說(shuō)是帶負(fù)載能力和輸出方式的問(wèn)題。輸出動(dòng)作次數(shù)的限制，是保證PLC的輸出接點(diǎn)能否驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥這樣的控制執(zhí)行元器件的問(wèn)題至少要能直接驅(qū)動(dòng)中間繼電器。現(xiàn)在的PLC產(chǎn)品已經(jīng)完全有能力驅(qū)動(dòng)這些元器件,并提供了多種輸出方式且動(dòng)作次數(shù)可保證萬(wàn)次無(wú)故障的產(chǎn)品。 2.1.3 PLC的控制機(jī)制 PLC已經(jīng)完全取代繼電器控制系統(tǒng)。只要對(duì)其控制機(jī)制有了準(zhǔn)確的理解，才能對(duì)其持續(xù)的開(kāi)發(fā)并創(chuàng)造性的使用它。I/O電路已經(jīng)保證了PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的直接連接，并在內(nèi)部寄存器存儲(chǔ)了這些狀態(tài)。但是，為了取代繼電器的控制，更重要的是如何組織和使用這些開(kāi)關(guān)量，從而達(dá)到軟件程序代替硬件連線的目的。在這里通過(guò)對(duì)繼電器的控制的電路的特點(diǎn)的介紹，已經(jīng)知道繼電器控制電路的特點(diǎn)在于各個(gè)控制單元是否動(dòng)作是由其接點(diǎn)條件控制的，并不受其前后位置的影響。同一時(shí)刻，可有多個(gè)不同的控制單元繼電器的動(dòng)作（翻轉(zhuǎn)），控制的結(jié)果、邏輯動(dòng)作順序也是由接點(diǎn)條件來(lái)控制的。這于計(jì)算機(jī)順序執(zhí)行的工作的特點(diǎn)是矛盾的。主要體現(xiàn)在：一是亂序，只要條件滿(mǎn)足就執(zhí)行；而另一個(gè)是順序執(zhí)行。PLC充分利用了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序的思想和高速的特點(diǎn)，采用了控制系統(tǒng)中的離散控制方式，使它的控制能夠完全代替繼電器的控制。具體的說(shuō)就是將連續(xù)的控制用離散的控制代替，如下式： Y(n)=f(x(n-1),y(n-1)) 式中，Y（n）為某一時(shí)間段的輸出值； Y（n-1）為上一時(shí)間段的輸出值； X（n-1）為上一時(shí)間段某一時(shí)刻的輸入值； F為他們應(yīng)滿(mǎn)足的控制關(guān)系。 即某一時(shí)間段的輸出完全取決于上一時(shí)間某一時(shí)刻的輸入和上一時(shí)間段的輸出。 至于上一時(shí)間段的輸出，在參加計(jì)算的時(shí)候，只是存儲(chǔ)在映像寄存器中的輸出結(jié)果，執(zhí)行運(yùn)算過(guò)程中并不修改端子的輸出值。真實(shí)的輸出已表現(xiàn)在端子的接點(diǎn)上，并要保持一個(gè)時(shí)間段，也就是采取集中輸出的方式，在計(jì)算的過(guò)程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不會(huì)對(duì)先階段的輸出產(chǎn)生影響。這樣只要時(shí)間段足夠短，并且PLC周而復(fù)始的運(yùn)行著就完全可以模仿繼電器的控制并且取代它[2]。 由于采用集中I/O的思想，其I/O狀態(tài)存儲(chǔ)在寄存器中，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大邏輯家能力，以完成更復(fù)雜的控制功能。 如圖2-1所示，PLC與通用計(jì)算機(jī)沒(méi)有什么區(qū)別，只是一臺(tái)增強(qiáng)了I/O功能的可與控制對(duì)象方便連接的計(jì)算機(jī)。其完成控制的實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行I/O變換，并將這個(gè)變換物理實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 1. 輸入寄存器 輸入寄存器可按為進(jìn)行尋址，每一為對(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)量，其值反映了開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，其值的改變由相互如開(kāi)關(guān)量驅(qū)動(dòng)，并保持一個(gè)掃描周期。CPU可以讀其值，但是不可以寫(xiě)或進(jìn)行修改。 2. 輸出寄存器 輸出寄存器的每一位都表明了PLC在下一個(gè)時(shí)間段的輸出值，而程序循環(huán)執(zhí)行開(kāi)始時(shí)的輸出寄存器的值，表明的是上一時(shí)間段的真實(shí)輸出值，在程序執(zhí)行過(guò)程中，CPU可以讀其值，并作為條件參加控制，還可以修改其值，而中間的變換僅僅影響寄存器的值。只有程序執(zhí)行到一個(gè)循環(huán)的尾部時(shí)的值才影響下一時(shí)間段的輸出，即只有最后的修改才對(duì)輸出接點(diǎn)的真實(shí)值產(chǎn)生影響。 3. 存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶(hù)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的是系統(tǒng)程序，它是由廠家開(kāi)發(fā)固化好了的，用戶(hù)不能修改，PLC要在系統(tǒng)程序的管理下運(yùn)行。用戶(hù)存儲(chǔ)器中存放的是用戶(hù)程序和運(yùn)行所需要的資源，I/O寄存器的值作為條件決定著存儲(chǔ)器中的程序如何被執(zhí)行，從而完成復(fù)雜的控制功能。 4. CPU單元 CPU單元控制著I/O寄存器的讀、寫(xiě)時(shí)序，以及對(duì)存儲(chǔ)器單元中的程序的解釋執(zhí)行工作，是PLC的大腦。 5. 其他單元接口 其他單元接口用語(yǔ)提供PLC與其他設(shè)備和模塊進(jìn)行連接通信的物理?xiàng)l件。 圖2-1 PLC的組成 2.1.4 PLC的定義 最初，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)PLC。只能進(jìn)行計(jì)數(shù)、定時(shí)及開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。1987年2月，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)可編程控制器的定義是：可編程控制器是一種數(shù)學(xué)運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類(lèi)可編程序的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向擁護(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模塊式輸入/輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)[3]。 2.1.5 PLC的特點(diǎn) 1. 可靠性高。在I/O環(huán)節(jié)，PLC采用了光電隔離、濾波等多種措施。系統(tǒng)程序和大部分的用戶(hù)程序都采用EPROM存儲(chǔ)，一般PLC的平均無(wú)故障工作時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)以上。 2. 控制功能強(qiáng)。PLC采用的CUP一般是具有較強(qiáng)位處理功能的為處理機(jī)，為了增強(qiáng)其復(fù)雜的控制功能和連網(wǎng)通訊等管理功能，可以采用雙CPU的運(yùn)行方式，使其功能得到極大的增強(qiáng)。 3. 編程方便易學(xué)。第一編程語(yǔ)言（梯形圖）是一種圖形編程語(yǔ)言，與多年來(lái)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場(chǎng)人員學(xué)習(xí)。 4. 使用于惡劣的工作環(huán)境。采用封裝的方式，適合于各種震動(dòng)、腐蝕、有毒氣體等的應(yīng)用場(chǎng)合。 5. 與外部設(shè)備連接方便。采用統(tǒng)一接線方式的可坼裝的活動(dòng)端子排，提供不同的端子功能適合于多種電器規(guī)格。 6. 體積小、重量輕、功耗底。 7. 性?xún)r(jià)比高。 8. 模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要進(jìn)行不同功能的擴(kuò)展和組裝，一種型號(hào)的PLC可用于控制從幾個(gè)I/O點(diǎn)到幾百個(gè)I/O點(diǎn)的控制系統(tǒng)。 9. 維修方便，功能更靈活。程序的修改就以意味著功能的修改，因此功能的改變非常靈活。 2.1.6 PLC的性能指標(biāo) 1. 存儲(chǔ)容量 這里專(zhuān)指用戶(hù)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，它決定了用戶(hù)所編程序的長(zhǎng)短。大、中、小型PLC的存儲(chǔ)容量變化范圍一般為2KB~~2MB。 2. I/O點(diǎn)數(shù) I/O點(diǎn)數(shù)，即PLC面板上的I/O端子的個(gè)數(shù)。I/O點(diǎn)數(shù)越多，外部可以連接的I/O器件就越多，控制規(guī)模就越大。它是衡量PLC性能的重要指標(biāo)之一。 3. 掃描速度 掃面速度是指PLC執(zhí)行程序的快慢，是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制取代繼電器控制的吻合程度。從自動(dòng)控制的觀點(diǎn)來(lái)看，決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。 4. 指令的多少 它是衡量PLC能力強(qiáng)弱的標(biāo)志，決定了PLC的處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。限定了計(jì)算機(jī)發(fā)揮運(yùn)算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 5. 內(nèi)部寄存器的配置和容量 它直接對(duì)用戶(hù)編制程序提供支持，對(duì)PLC指令的執(zhí)行速度及可完成的功能提供直接的支持。 6. 擴(kuò)展能力 擴(kuò)展能力包括I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和PLC功能的擴(kuò)展兩方面的內(nèi)容。 7. 特殊功能單元 特殊功能單元種類(lèi)多，也可以說(shuō)PLC的功能多。典型的特殊功能單元有模擬量、模糊控制連網(wǎng)等功能[4]。 2.1.7 PLC的分類(lèi) 不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成不同的分類(lèi)結(jié)果，PLC常用的分類(lèi)方式有如下兩種。 按其I/O點(diǎn)數(shù)一般分為微型（32點(diǎn)以下）、小型（128點(diǎn)以下）、中型（1024點(diǎn)以下）、大型（2048點(diǎn)以下）、超大型（從2048點(diǎn)以上可達(dá)8192點(diǎn)以上）5種。 按結(jié)構(gòu)可分為箱體式、模塊式和平板式3種。 2.2 PLC工作原理 2.2.1 循環(huán)掃描 CPU連續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱(chēng)為掃描。CPU的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行CPU自診斷測(cè)試及寫(xiě)輸出等等內(nèi)容。 PLC可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他意識(shí)周而復(fù)始的循環(huán)掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶(hù)程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶(hù)程序不運(yùn)行時(shí)，PLC也在掃描，只不過(guò)在一個(gè)周期中去除了用戶(hù)程序和讀輸入、寫(xiě)輸出這幾部分的內(nèi)容。典型的PLC在一個(gè)周期中可以完成以下5個(gè)掃描過(guò)程。 1. 自診斷測(cè)試掃描過(guò)程。為保證設(shè)備的可靠行，及時(shí)放映所出現(xiàn)的故障，PLC都具有自監(jiān)視功能。 2. 與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的掃描過(guò)程。一般小型系統(tǒng)沒(méi)有這一掃描過(guò)程，配有網(wǎng)絡(luò)的PLC系統(tǒng)才有通訊掃描過(guò)程，這一過(guò)程用于PLC之間及PLC與上位計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備之間的通信。 3. 用戶(hù)程序掃描過(guò)程。機(jī)器處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期內(nèi)都包含該掃描過(guò)程。該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是否執(zhí)行是可控的，即用戶(hù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)定。用戶(hù)程序的長(zhǎng)短會(huì)影響過(guò)程所用的時(shí)間。 4. 讀輸入、寫(xiě)輸出掃描過(guò)程。機(jī)器在正常運(yùn)行狀態(tài)下，每一個(gè)掃描周期都包含這個(gè)掃描過(guò)程。該過(guò)程在機(jī)器運(yùn)行中是否被執(zhí)行是可控的。CPU在處理用戶(hù)程序時(shí)，使用的輸入值不是直接從輸入點(diǎn)讀取的，運(yùn)算的結(jié)果也不直接送到實(shí)際輸出點(diǎn)，而是在內(nèi)存中設(shè)置了兩個(gè)映象寄存器：一個(gè)為輸入映象寄存器，另一個(gè)為輸出映象寄存器。用戶(hù)程序所用的輸入值是輸入映象寄存器的值，運(yùn)算結(jié)果也放在輸出映像寄存器。在輸入掃描過(guò)程中，CPU把實(shí)際輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入到輸入映像寄存器：在輸出掃描過(guò)程中CPU把輸出映像寄存器的值的輸出點(diǎn)[5]。 循環(huán)掃描有如下特點(diǎn)： 1. 掃描周期周而復(fù)始地進(jìn)行，讀輸入、輸出和用戶(hù)程序是否執(zhí)行是可控的。 2. 輸入映像寄存器的內(nèi)容是由設(shè)備驅(qū)動(dòng)的，在程序執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)周期內(nèi)輸入映像寄存器的值保持不變，CPU采用集中輸入的控制思想，只能使用輸入映像寄存器的值來(lái)控制程序的執(zhí)行。 3. 對(duì)同一個(gè)輸出單元的多次使用、修改次序會(huì)造成不同的執(zhí)行結(jié)果。 4. 各個(gè)電路和不同的掃描階段會(huì)造成輸入和輸出的延遲，這是PLC的主要缺點(diǎn)。 在讀輸入階段，CPU對(duì)各個(gè)輸入端子進(jìn)行掃描，通過(guò)輸入電路將各輸入點(diǎn)的狀態(tài)鎖入映象寄存器中。緊接著轉(zhuǎn)入用戶(hù)程序執(zhí)行階段，CPU按照先左后右、先上后下的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，根據(jù)輸入映象寄存器和輸出映象寄存器的狀態(tài)執(zhí)行用戶(hù)程序，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果寫(xiě)入輸出映象寄存器。在程序執(zhí)行期間，即使輸入端子狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)改變——輸入端子狀態(tài)變化只能在下一個(gè)周期的輸入階段才被集中讀入。 輸入/輸出采用映象寄存器的優(yōu)點(diǎn)： 1. 集中采用I/O，程序掃描期間輸入值固定不變，程序執(zhí)行完后統(tǒng)一輸出。種集中I/O的方式保證的程序的順序執(zhí)行與外部電路亂序執(zhí)行的統(tǒng)一，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。 2. 程序執(zhí)行時(shí)，存取映象寄存器要比讀寫(xiě)I/O端點(diǎn)快的多，這樣可以加快程序執(zhí)行速度。 3. I/O點(diǎn)必須按位存取，而映象寄存器可按位、字節(jié)、字、雙字靈活的存取，增加了程序的靈活性。 2.2.2 I/O響應(yīng)時(shí)間 由于PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，而且對(duì)輸入和輸出信號(hào)只在沒(méi)個(gè)掃描周期的固定時(shí)間集中輸入/輸出，所以必然會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)滯后的現(xiàn)象。掃描周期越長(zhǎng)，滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。 響應(yīng)時(shí)間有輸入延遲、輸出延遲和程序執(zhí)行時(shí)間部分決定。 1. PLC輸入電路設(shè)置了濾波器，濾波器的常數(shù)越大，對(duì)輸入信號(hào)的延遲作用越強(qiáng)。輸入延遲是由硬件決定的，有的PLC濾波器時(shí)間常數(shù)可調(diào)。 2. 從輸出鎖存器到輸出端子所經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為輸出延遲，對(duì)于不同的輸出形式，其值大小不同。它也是由硬件決定的，對(duì)于不同信號(hào)的PLC可以通過(guò)查表得到。 3. 程序執(zhí)行時(shí)間主要由程序長(zhǎng)短來(lái)決定，對(duì)于一個(gè)實(shí)際的控制程序，編程人員須對(duì)此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，使PLC的響應(yīng)時(shí)間控制在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。 在最有利的情況下，輸入狀態(tài)經(jīng)過(guò)一個(gè)掃描周期在輸出得到響應(yīng)的時(shí)間，稱(chēng)為最小I/O響應(yīng)時(shí)間。在最不利的情況下，輸入點(diǎn)的狀態(tài)恰好錯(cuò)過(guò)了輸入的鎖入時(shí)刻，造成在下一個(gè)輸出鎖定才能被響應(yīng)，這就需要兩個(gè)掃描周期時(shí)間，稱(chēng)為最大I/O響應(yīng)時(shí)間。它們是由PLC的掃描執(zhí)行方式?jīng)Q定的，與編程方法無(wú)關(guān)。 2.2.3 PLC中的存儲(chǔ)器 PLC中的存儲(chǔ)器按用途分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶(hù)程序存儲(chǔ)器以及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 1. 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器中存放的是廠家根據(jù)其選用的PLC的指令的系統(tǒng)編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，它決定了PLC的功能，用戶(hù)不能更改其內(nèi)容。 2. 用戶(hù)程序存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)根據(jù)控制要求而編制的用戶(hù)應(yīng)用程序。 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)PLC的硬件系統(tǒng)、指令系統(tǒng)和編程方法以后，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)較大的PLC控制系統(tǒng)時(shí)，要全面考慮多種因素，不管所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的大小，一般都要用以下設(shè)計(jì)步驟來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 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(chǎng)合，所以接到一個(gè)控制任務(wù)以后，要分析被控對(duì)象的控制過(guò)程和要求，看看用什么控制設(shè)備來(lái)完成該任務(wù)最合適。其實(shí)現(xiàn)在的可編程不僅處理開(kāi)關(guān)量，而且對(duì)模擬量的處理能力也很強(qiáng)。所以在很多情況下也可以取代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主控器 控制對(duì)象以及控制裝置確定后，還要進(jìn)一步確定PLC的控制范圍。一般來(lái)說(shuō)，能夠反映生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行情況，能用傳感器直接測(cè)量的參數(shù)，控制邏輯復(fù)雜的部分都由PLC控制來(lái)完成。 當(dāng)某一個(gè)控制任務(wù)決定由PLC來(lái)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(duì)第一個(gè)問(wèn)題，首先要對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的I/O點(diǎn)找出來(lái)，包括開(kāi)關(guān)量I/O模擬量I/O以及這些I/O點(diǎn)的性質(zhì)。I/O點(diǎn)是性質(zhì)主要是指他們是直流信號(hào)還是交流信號(hào)，它們的電源電壓?？刂葡到y(tǒng)輸出點(diǎn)的類(lèi)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(diǎn)有可能大于實(shí)際點(diǎn)數(shù)。因?yàn)镻LC的輸出點(diǎn)一般是幾個(gè)一組共用一個(gè)公共端，這一組的輸出只能有一個(gè)電源的種類(lèi)和等級(jí)[6]。 對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，則有以下幾個(gè)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(duì)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(duì)PLC與PLC、PLC與智能儀表以及上位機(jī)之間靈活方便的通訊要求；或?qū)LC的計(jì)算速度、用戶(hù)程序容量有特殊要求的；或?qū)LC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶(hù)對(duì)市場(chǎng)上流行的PLC品種有一個(gè)詳細(xì)的了解，以便做出正確的選擇。 2. 價(jià)格方面 不同廠家的PLC產(chǎn)品價(jià)格相差很大，有些功能類(lèi)似、質(zhì)量相當(dāng)、I/O點(diǎn)數(shù)相當(dāng)?shù)腜LC的價(jià)格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價(jià)必須是需要考慮的。 輸入/輸出信號(hào)在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，I/O地址分配以后才可以進(jìn)行編程；對(duì)控制柜和PLC的外圍接線來(lái)說(shuō)，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。 系統(tǒng)調(diào)試分模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試 硬件部分的模擬調(diào)試可在斷開(kāi)主電路的情況下，主要試一試手動(dòng)控制部分是否正確。 軟件部分的模擬調(diào)試可借助于模擬開(kāi)關(guān)和PLC輸出端的輸出指示燈進(jìn)行。需要模擬量信號(hào)I/O時(shí)，可用電位器和萬(wàn)用表配合進(jìn)行。調(diào)試時(shí)。可利用上訴外圍設(shè)備模擬各種現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)和傳感器狀態(tài)，然后觀察PLC的輸出邏輯是否正確。如果有錯(cuò)誤則修改后反復(fù)調(diào)試?，F(xiàn)在PLC的主流產(chǎn)品都可以在P機(jī)上編程，并可以在電腦上直接進(jìn)行模擬調(diào)試。 聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，可以把編制好的程序下載到現(xiàn)場(chǎng)的PLC中。有時(shí)PLC也許只有這一臺(tái)，這時(shí)就要把PLC安裝到控制柜相應(yīng)的位置上。調(diào)試時(shí)一定要先將主電路斷電，只對(duì)控制電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)即可。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)調(diào)信號(hào)的接入常常還會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件以及硬件中的一些問(wèn)題，有時(shí)廠家還需要對(duì)某些控制功能進(jìn)行改進(jìn)，這種情況下，都要經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試系統(tǒng)后，才能最后交付使用。 產(chǎn)生水壓的設(shè)備是水泵，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，產(chǎn)生的水壓就越高。傳統(tǒng)的維持水壓的方法就是建造水塔，水泵開(kāi)者時(shí)將水打到水塔中，水泵休息時(shí)借助水塔的水位繼續(xù)供水。水塔中的水位變化相對(duì)水塔的高度來(lái)說(shuō)很小，也就是說(shuō)水塔能夠維持供水管路中水呀的基本恒定。 但是建造水塔需花費(fèi)財(cái)力，水塔還會(huì)造成水的二次污染。不用水塔，而要解決水壓隨用水量大小變化的問(wèn)題。通常的辦法是：用水量大時(shí)，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以保證管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時(shí)又需作出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路。這在電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可設(shè)想的，但是今天辦到這一點(diǎn)已經(jīng)變的很容易了，交流變頻的誕生為水泵轉(zhuǎn)速的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。交流變頻器是改變交流電源頻率的電子設(shè)備，輸入三相工頻交流電后，可以輸出頻率平滑變化的三相交流電。 建造水塔需要花費(fèi)財(cái)力，水塔還會(huì)造成水的二次污染。那么可不可以不借助水塔來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水？答案是肯定的，但是要解決水壓隨用水量的大小變化的問(wèn)題。通常的辦法是：用水量大時(shí)，增加水泵的數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以保持管網(wǎng)中水壓的不變，用水量小時(shí)又需要做出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路，這在電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)技術(shù)不發(fā)達(dá)的年代是不可以想象的，但是在今天辦到這一切已經(jīng)邊的很容易了[7]。 3.1 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(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)和水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少十開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)，電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水不足。而且水泵和電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管壓網(wǎng)水呀的恒定，水泵電機(jī)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(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不需要切換，但是購(gòu)買(mǎi)變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺(tái)電機(jī)陪一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)見(jiàn)可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，其余水泵共頻運(yùn)行，以滿(mǎn)足不同用水兩的需求。 下圖為恒壓供水泵站的示意圖。如圖3-1所示，圖中壓力傳感器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低；用水量小時(shí)，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[8]。 圖3-1 變頻恒壓供水站的基本組成 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(yuǎn)，用水地點(diǎn)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(shí)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(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不只一個(gè)，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(jìn)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(lái)的管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值。管網(wǎng)實(shí)測(cè)水壓回送到泵站控制裝置稱(chēng)為反饋，調(diào)節(jié)器實(shí)反饋的接受點(diǎn)。 3. 根據(jù)給定值和實(shí)測(cè)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(hào)。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測(cè)水壓的反饋信號(hào)后，將它與給定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。如果給定值大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都是由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制。為了實(shí)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(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律的問(wèn)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(chēng)PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)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(guò)程視調(diào)節(jié)器的的內(nèi)部構(gòu)成由數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類(lèi)，以微型計(jì)算機(jī)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(hào)一般式模擬信號(hào)，4~~20mA變化的電流信號(hào)或0~~10V間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前面提到的差值成正比，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。 下面以一個(gè)三泵生活/消防雙恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明其工藝過(guò)程，如圖3-2所示，市網(wǎng)來(lái)水用高低水位控制器EQ來(lái)控制注水閥TV1，它們自動(dòng)把水注滿(mǎn)儲(chǔ)水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為底水位報(bào)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(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，使生活用水的恒壓狀態(tài)（生活用水底恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵共消防用水使用，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(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后三臺(tái)泵再改為生活供水使用 圖3-2生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 3.2 系統(tǒng)控制要求 對(duì)三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： 1. 生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)底恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)高恒壓值運(yùn)行； 2. 三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采用“先開(kāi)先?！钡脑瓌t介入和退出； 3. 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間超過(guò)3H，則要切換到下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)； 4. 三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要又軟啟動(dòng)功能； 5. 要有完整的報(bào)警功能； 6. 對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 3.3 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配 PLC要能夠識(shí)別和接受描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量，同時(shí)要能夠發(fā)出控制信號(hào)控制一些執(zhí)行設(shè)備，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。PLC是通過(guò)I/O單元完成此工作的。I/O單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備與PLC的I/O接口之間的電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。輸入單元接受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC提供信號(hào)，包括人為的控制信號(hào)和能描述現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，例如由按鈕、限位開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接近開(kāi)關(guān)、撥碼器等提供的開(kāi)關(guān)量。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行濾波、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成CUP能夠接受和處理的信號(hào)。輸出單元將經(jīng)過(guò)CUP處理的弱電信號(hào)通過(guò)光電隔離、功率放大等處理，轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元器件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等[9]。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)如下表3-1及3-2所示。水位上下限信號(hào)分別位I0.1、I0.2，它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0，露出時(shí)為1。 表3-1 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱(chēng) 代 碼 地址編號(hào) 輸 入 信 號(hào) 手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào) SA1 I0.0 水池水位下限信號(hào) SLL I0.1 水池水位上限信號(hào) SLH I0.2 變頻器報(bào)警信號(hào) SU I0.3 消鈴按鈕 SB9 I0.4 試燈按鈕 SB10 I0.5 遠(yuǎn)程壓力表模擬量變壓值 U AIW0 輸 出 信 號(hào) 1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM1，HL1 Q0.0 1#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM2，HL2 Q0.1 2#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM3，HL3 Q0.2 2#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM4，HL4 Q0.3 3#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM5，HL5 Q0.4 3#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM6，HL6 Q0.5 生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥 YV2 Q1.0 輸 出 信 號(hào) 水池水位下限報(bào)警指示燈 HL7 Q1.1 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 Q1.2 火災(zāi)報(bào)警指示燈 HL9 Q1.3 報(bào)警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復(fù)位控制 KA Q1.5 控制變頻器頻率用電電壓 UF AQW0 表3-2 模擬量擴(kuò)展模塊EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范 輸 入 技 術(shù) 規(guī) 范 輸 出 技 術(shù) 規(guī) 范 最大輸出電壓 30VDC 隔離（現(xiàn)場(chǎng)到邏輯） 無(wú) 最大輸入電壓 32mA 信號(hào)范圍 電壓輸出 電流輸出 ±10 0~~20 mA 輸入濾波衰減 -3dB，3.1kHz 分辨率 12位A/D轉(zhuǎn)換器 隔離 否 分辨率，滿(mǎn)量程 電壓 電流 ` 12位 11位 輸入類(lèi)型 差分 輸入范圍 電壓?jiǎn)螛O性 0~10V，0~5V 0~1V，0~500mV 電壓 電流 -32000~+32000 0~+32000 電壓雙極性 電流 0~100Mv,0~50mV ±10V，±5V，±2.5V ±1V，±500mV，±250Mv ±100mV, ±50mV, ±25mv 0~20mA 精度 最差情況0~55℃ 電壓輸出 電流輸出 ±2%滿(mǎn)量程 ±2%滿(mǎn)量程 精度 最差情況0~55℃ 電壓輸出 電流輸出 典型，25℃ 電壓輸出 電流輸出 ±2%滿(mǎn)量程 ±2%滿(mǎn)量程 ±5%滿(mǎn)量程 ±5%滿(mǎn)量程 輸入分辨率 AD轉(zhuǎn)換時(shí)間 ＜250s 模擬輸入階躍響應(yīng) 1.5 mS到95% 共模抑制 4dB,DC 到60Hz 共莫電壓 信號(hào)電壓加共加模電壓≤±12V 24VDC電壓范圍 20.4~~28.8V 設(shè)置時(shí)間 電壓輸出 電流輸出 100s 2ms 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿(mǎn)量程 單極性，滿(mǎn)量程 -32000~+32000 0~32000 3.4 系統(tǒng)選型 從上面分析可知，系統(tǒng)共有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。如果選用CPU 224 PLC，也需要擴(kuò)展單元；如果選用CUO 266 PLC 則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大。參照S7 – 200的產(chǎn)品目以及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為CUP222（8入/6繼電器輸出）一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一臺(tái)模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖3-3所示[10]。 主機(jī)單元 CUP222 AC/DC繼電器 模擬量單元 EM235 4AI/1AO 擴(kuò)展單元 EM222 8點(diǎn)繼電器 圖3-3 PLC 系統(tǒng)組成 S7-200PLC是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)德一種小型PLC，其許多功能達(dá)到大、中型PLC的水平，而價(jià)格卻和小型PLC一樣，因此，它一經(jīng)退出，即受到了廣泛的關(guān)注。特別是S7-200CUP22*系列PLC。由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面（HMI）可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網(wǎng)絡(luò)。 3.5 PLC模擬量控制單元的配置以及應(yīng)用 PLC的普通輸入輸出端口均為開(kāi)關(guān)量處理端口，了使PLC能完成模擬量的處理,常見(jiàn)的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)化為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外可以使用的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于 模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/轉(zhuǎn)換的，也兼有模/數(shù)和數(shù)/模兩種功能的，以下介紹S7-200系列PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸入，可以用于恒壓供水控制中。 3.5.1 EM235模擬量工作單元性能指標(biāo) 為能適用各種規(guī)格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設(shè)計(jì)成可編程，而轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量一般具有固定的長(zhǎng)度及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流量或標(biāo)準(zhǔn)電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、輸出信號(hào)范圍欄給出了EM235的輸出、輸入信號(hào)規(guī)格，以供選用[11]。 3.5.2 校準(zhǔn)及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實(shí)際需接入的信號(hào)類(lèi)型對(duì)模塊進(jìn)行一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡(jiǎn)單的理解為儀器儀表使用前的調(diào)零以及調(diào)滿(mǎn)度。 3.5.3 EM235的安裝使用 1. 根據(jù)輸入信號(hào)的類(lèi)型及變化范圍設(shè)置DIP開(kāi)關(guān)，完成模塊的配置工作。必要時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)工作。 2. 完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號(hào)的類(lèi)型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對(duì)接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。接線還應(yīng)注意傳感器的線路盡可能短，且應(yīng)使用屏蔽雙絞線，要保證24VDC傳感器電源無(wú)噪聲、穩(wěn)定可靠。 3. 確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由安裝位置確定模塊的編號(hào)。S7-200擴(kuò)展單元安裝時(shí)在主機(jī)的右邊依次排列，并從模塊0開(kāi)始編號(hào)。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。 4. 為了在主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量，要在主機(jī)中安排一定的存儲(chǔ)單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸出AQW單元安排由模擬量模塊送來(lái)的數(shù)字量及待入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。而在主機(jī)的變量存儲(chǔ)區(qū)V區(qū)存放處理產(chǎn)生的的中間數(shù)據(jù)。 3.5.4 EM235工作程序編制 EM235的工作程序編制包括以下的內(nèi)容： 1. 設(shè)置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(shù)餓預(yù)置頂及采樣和單元清零的工作，為開(kāi)始工作做好準(zhǔn)備。 2. 設(shè)置模塊檢測(cè)子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的正確性。 3. 設(shè)置子程序完成采樣以及相關(guān)的計(jì)算工作。 4. 工程所需的有關(guān)該模擬量的處理程序。 S7-200PLC硬件系統(tǒng)的配置方式采用整體式和積木式，即主機(jī)包含一定數(shù)量的輸入/輸出（I/O）點(diǎn)，同時(shí)還可以擴(kuò)展I/O模塊和各種功能的模塊。 一個(gè)完整的系統(tǒng)組成如圖3-4所示。 圖3-4 S7-200 PLC 系統(tǒng)組成 （1）基本單元 基本單元（Basic Unit）有時(shí)又稱(chēng)CUP模塊，也有的稱(chēng)之為主機(jī)或本機(jī)。它包括CUP、存儲(chǔ)器、基本輸入/輸出點(diǎn)和電源等，是PLC的主要部分。實(shí)際上它就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。 （2）擴(kuò)展單元 主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)量不能滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求時(shí)，用戶(hù)可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的 I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)由多種因素共同決定的。 （3）特殊功能模塊 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)，需要擴(kuò)展功能模塊。它們是完成某些特殊控制任務(wù)的一些設(shè)置。 （4）相關(guān)設(shè)備 相關(guān)設(shè)備是為了充分和方便地利用系統(tǒng)的硬件和軟件資源而開(kāi)發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 （5）工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為了更好地管理和使用這些設(shè)備而開(kāi)發(fā)的與之相配套的程序，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)借口軟件等幾大類(lèi)構(gòu)成[12]。 EM235安裝使用 1. 根據(jù)輸入信號(hào)的類(lèi)型以及范圍設(shè)置DIP開(kāi)關(guān)，完成模塊的控制工作。 2. 完成硬件的接線工作。 3. 確定模塊安裝入系統(tǒng)時(shí)的位置，并由按裝位置確定模塊的編號(hào)。 4. 為了主機(jī)中進(jìn)行輸入模擬量轉(zhuǎn)換后數(shù)字量以及待送入模塊轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量輸出的數(shù)字量。 3.5.5 電氣控制系統(tǒng)原理圖 電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及PLC外圍接線圖。 1. 主電路圖如下圖3-5所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器喝三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡(jiǎn)單的一般變頻器。 圖3-5 電控系統(tǒng)主電路 2.控制電路圖 圖3-6所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB2控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行[13]。 圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5為PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。外圍接線圖如圖3-7所示。 圖3-6 電控系統(tǒng)控制電路 圖3-7外圍接線圖 第4章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 硬件條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下： 4.1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量控制管理 前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)泵不能滿(mǎn)足要求時(shí)，需啟動(dòng)第2臺(tái)或第3太泵。判斷需啟動(dòng)新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可以同過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)該濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時(shí)間濾波[14]。 4.2 泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電機(jī)都為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有一個(gè)管理規(guī)范?？刂埔笾幸?guī)定任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不得超過(guò)3h，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，這里我們使用泵號(hào)加1的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制（3加1等于零），用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 4.3 程序的結(jié)果以及程序功能的實(shí)現(xiàn) 由于PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，本程序可分為3部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合以及報(bào)警處理都在主程序。 邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在豬程序。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的90%。在本系統(tǒng)中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算初步確定，但還要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果[15]。 程序中使用的PLC元器件及其功能如下表4-1所示。 表4-1 程序中使用的元器件及功能 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T38 工頻泵減泵濾波時(shí)間控制 VD104 壓力給定值 T39 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI計(jì)算值 M0.0