基于plc與變頻器的小區(qū)恒壓供水控制應(yīng)用

目錄第一章、緒論111變頻恒壓供水的目的和意義112恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)113系統(tǒng)應(yīng)用范圍214恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略215節(jié)能原理216投資回報(bào)及效益分析3第二章、變頻調(diào)速技術(shù)概述321變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用422變頻器工作原理423ACS51001系列變頻器概述5231特點(diǎn)5232綜合技術(shù)特性6第三章、PLC技術(shù)731PLC技術(shù)的概述732PLC基本組成733西門子S7200系列PLC概述7第四章、PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能1041恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及功能簡介1042PID控制的實(shí)現(xiàn)方法1043主要元器件的選型1144控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)12441控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12442主控電路設(shè)計(jì)12443PLC硬件設(shè)計(jì)13444控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)16五、結(jié)束語23六、致謝24七、參考文獻(xiàn)25摘要本論文在分析了供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國城市供水的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的恒壓供水系統(tǒng)。本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，采用了PLC進(jìn)行邏輯控制，采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)的核心部件，時(shí)刻跟蹤管網(wǎng)與給定壓力的偏差變化，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算通過PLC控制變頻與工頻切換，自動(dòng)控制水泵投入的臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水，在保持恒壓下達(dá)到控制流量目的。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。本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和實(shí)際需求進(jìn)行分析，緊密的聯(lián)系實(shí)際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，解決實(shí)際中問題，保證供水安全、快捷、可靠。關(guān)鍵詞恒壓供水；變頻器；PLC。第一章緒論變頻恒壓供水技術(shù)是80年代后期發(fā)展起來的，自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中也得到了很大的發(fā)展。11變頻恒壓供水的目的和意義小區(qū)用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等零件的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。圖1恒壓立式變頻供水設(shè)備12恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)相對與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出的體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1高效節(jié)能變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在1040。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。2恒壓供水變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力都不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3安全衛(wèi)生系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取代了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4自動(dòng)運(yùn)行、管理簡便新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動(dòng)控制，自動(dòng)運(yùn)行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。5延長設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定使用變頻器后，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，減少了機(jī)械磨損，降低了機(jī)泵故障率，而且主泵定時(shí)輪換控制功能自動(dòng)定時(shí)輪換主泵運(yùn)行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機(jī)泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了機(jī)泵軟啟動(dòng)，避免了電機(jī)開停時(shí)的大電流對電機(jī)線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。6占地少、投資回收期短新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜，體積很小，整個(gè)系統(tǒng)占地就非常小可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。13系統(tǒng)應(yīng)用范圍1、自來水廠、加壓泵房。2、居民生活區(qū)、賓館及其它建筑。3、企業(yè)生產(chǎn)用水。4、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)。5、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。14恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實(shí)現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點(diǎn)測的壓力信號420MA直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度，水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。15節(jié)能原理水泵為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積成正比，因此，水泵的軸功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可知，當(dāng)要求出水量減少時(shí)，可使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，而電機(jī)轉(zhuǎn)速微量減少，將使功率大幅下降，節(jié)能效果十分明顯。本變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，精心的設(shè)備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)能潛力得到了最大的發(fā)揮。16投資回報(bào)及效益分析1直接效益水泵恒壓供水避免了開關(guān)閥門造成的節(jié)流損失和關(guān)閉閥門運(yùn)行時(shí)電機(jī)所做的無用功，按每年運(yùn)行300天閥門平均開度80計(jì)算，22KW電機(jī)年節(jié)電量可做如下計(jì)算W22108324300779萬KWH電費(fèi)單價(jià)按040元/KWH計(jì)算,全年可節(jié)約電費(fèi)M7790403116萬元2間接效益1水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造以后，由于系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)連續(xù)變速運(yùn)行，減少了對水泵的磨損，大大延長了設(shè)備使用壽命和維修周期，減少了維修費(fèi)用和由此帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失。2系統(tǒng)采取過流、過壓、瞬時(shí)斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù)，避免了因電機(jī)燒損而影生產(chǎn)所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。第二章變頻調(diào)速技術(shù)概述21變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用近幾年來電機(jī)調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍亦非常廣泛，變頻調(diào)速器（以下簡稱“變頻器”）就是其中的一種，它不僅操作方便，故障率低，且節(jié)能效果明顯，優(yōu)于調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子調(diào)速和液力偶合調(diào)速等。變頻調(diào)速的主要特點(diǎn)如下1體積小，重量輕，可掛墻安裝，不占地面；2可手控、遙控，亦可與可編程可控制器、計(jì)算機(jī)等聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)自控；3啟動(dòng)電流約為電機(jī)額定電流的1到15倍（電機(jī)啟動(dòng)電流為5倍6倍額定電流），對電網(wǎng)設(shè)備沖擊?。?具有許多種保護(hù)功能（如過壓、欠壓、過流、短路、瞬間停電等）；5可減振降噪，延長設(shè)備使用壽命正是由于變頻器具有上述特點(diǎn)，不少企業(yè)把變頻器的應(yīng)用作為一種重要的節(jié)能手段，立窯水泥企業(yè)也不例外，在風(fēng)機(jī)、磨機(jī)、泵、計(jì)量等諸多系統(tǒng)得到應(yīng)用22變頻器工作原理目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交直交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，它是變頻器的核心電路，由整流回路（交直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動(dòng)電路、控制電路等組成部分。1整流電路通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時(shí)，整流器件的最大反向電壓一般為12001600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。2）濾波電路變頻器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動(dòng)機(jī)，無論異步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動(dòng)機(jī)之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時(shí)，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動(dòng)，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因?yàn)殡娊怆娙萜魅萘坑休^大的離散性，這將使它們瞬時(shí)的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個(gè)阻值相等的均壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的使用壽命。3）逆變電路逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可以得到一定范圍內(nèi)任意頻率的三相交流輸出。通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHZ，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時(shí)輸出故障信號燈。逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動(dòng)機(jī)的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)，同時(shí)處于開通狀態(tài)時(shí)將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實(shí)際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時(shí)，對換流器件進(jìn)行保護(hù)。23ACS51001系列變頻器概述ACS510傳動(dòng)應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，適用各類型負(fù)載。ACS510還針對風(fēng)機(jī)、水泵應(yīng)用做了特別的優(yōu)化，典型的應(yīng)用包括恒壓供水，冷卻風(fēng)機(jī)，地鐵和隧道通風(fēng)機(jī)等等。231特點(diǎn)完美匹配風(fēng)機(jī)水泵高級控制盤用于降低諧波的專利技術(shù)變感式電抗器循環(huán)軟起用戶自定義U/F曲線超越模式內(nèi)置RFI濾波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，適用于第一和第二環(huán)境圖2ABB變頻器型號說明型號代碼一欄清楚地表明了變頻器的功率容量和外形尺寸。對應(yīng)你選中的類型代碼，外形尺寸可以用來確定變頻器尺寸。電壓ACS51001提供的電壓范圍380480V結(jié)構(gòu)類型代碼中“01”代表變頻器的安裝方式及功率范圍。圖3ABB變頻器型號說明232綜合技術(shù)特性1、輸出頻率范圍00060000HZ。2、速度控制方式V/F控制。3、指令通道方式操作面板、端子控制、遠(yuǎn)程通訊控制。4、頻率給定方式數(shù)字鍵盤給定、模擬量給定（電流、電壓信號）、高速脈沖給定、遠(yuǎn)程通訊給定、多段速給定、PLC給定、PID閉環(huán)給定等，可以多種頻率組合和切換。5、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大1HZ/150。6、載波頻率范圍10K150KHZ。7、速度控制精度5最高速度。8、自動(dòng)電壓調(diào)整（AVR）當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定。9、自動(dòng)限流能限制電機(jī)電流的最大值，從而可靠地保護(hù)變頻器和電機(jī)。10、擺頻控制多種三角波頻率曲線，滿足紡織行業(yè)的個(gè)性化需求。11、多功能鍵盤提供三種快捷調(diào)試模式，滿足用戶的多種應(yīng)用要求。12、所有的輸入、輸出端子皆為可編程的，方便用戶的使用。13、高速脈沖輸入輸出功能可實(shí)現(xiàn)定長控制和脈沖計(jì)數(shù)。第三章西門子PLC的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理31PLC技術(shù)的概述可編程程序控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER），因?yàn)樵缙谥饕獞?yīng)用于開關(guān)量的控制，因此也稱為PLC（PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER），即是可編程邏輯控制器?，F(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。32PLC基本組成PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)基本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。組合式PLC將CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴(kuò)展底板。CPU底板與擴(kuò)展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10M。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。33西門子S7200系列PLC概述德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7200CN，S7200,S7300，S7400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7300）和中、高性能要求的PLC（如S7400）等。1SIMATICS7200PLCS7200PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動(dòng)檢測、監(jiān)測及控制等。S7200PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。S7200PLC可提供4個(gè)不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。圖4西門子PLC2SIMATICS7300PLCS7300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7200PLC比較，S7300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0601S）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面（HMI）從S7300中取得數(shù)據(jù)，S7300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7300操作系統(tǒng)自動(dòng)地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件（例如超時(shí)，模塊更換，等等）；多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7300PLC設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時(shí)，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強(qiáng)大的通信功能，S7300PLC可通過編程軟件STEP7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7300PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接ASI總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)；多點(diǎn)接口（MPI）集成在CPU中，用于同時(shí)連接編程器、PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他SIMATICS7/M7/C7等自動(dòng)化控制系統(tǒng)。3SIMATICS7400PLCS7400PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。S7400PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，可靠耐用，同時(shí)可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大或升級時(shí)，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要。4工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)絡(luò)是自動(dòng)化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMATICNET”是全部網(wǎng)絡(luò)系列產(chǎn)品的總稱，他們能在工廠的不同部門，在不同的自動(dòng)化站以及通過不同的級交換數(shù)據(jù)，有標(biāo)準(zhǔn)的接口并且相互之間完全兼容。5人機(jī)界面（HMI）硬件HMI硬件配合PLC使用，為用戶提供數(shù)據(jù)、圖形和事件顯示，主要有文本操作面板TD200（可顯示中文），OP3，OP7，OP17等；圖形/文本操作面板OP27，OP37等，觸摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）也可以作為HMI硬件使用。HMI硬件需要經(jīng)過軟件（如PROTOOL）組態(tài)才能配合PLC使用。6SIMATICS7工業(yè)軟件西門子的工業(yè)軟件分為三個(gè)不同的種類（1）編程和工程工具編程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于編程、組態(tài)、模擬和維護(hù)等控制所需的工具。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包SIMATICS7是用于S7300/400，C7PLC和SIMATICWINAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)編程和維護(hù)的項(xiàng)目管理工具，STEP7MICRO/WIN是在WINDOWS平臺上運(yùn)行的S7200系列PLC的編程、在線仿真軟件。（2）基于PC的控制軟件基于PC的控制系統(tǒng)WINAC允許使用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為可編程序控制器（PLC）運(yùn)行用戶的程序，運(yùn)行在安裝了WINDOWSNT40操作系統(tǒng)的SIMATIC工控機(jī)或其它任何商用機(jī)。WINAC提供兩種PLC，一種是軟件PLC，在用戶計(jì)算機(jī)上作為視窗任務(wù)運(yùn)行。另一種是插槽PLC（在用戶計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WINAC與SIMATICS7系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具（如STEP7），編制的程序既可運(yùn)行在WINAC上，也可運(yùn)行在S7系列處理器上。（3）人機(jī)界面軟件人機(jī)界面軟件為用戶自動(dòng)化項(xiàng)目提供人機(jī)界面（HMI）或SCADA系統(tǒng)，支持大范圍的平臺。人機(jī)界面軟件有兩種，一種是應(yīng)用于機(jī)器級的PROTOOL，另一種是應(yīng)用于監(jiān)控級的WINCC。PROTOOL適用于大部分HMI硬件的組態(tài)，從操作員面板到標(biāo)準(zhǔn)PC都可以用集成在STEP7中的PROTOOL有效地完成組態(tài)。PROTOOL/LITE用于文本顯示的組態(tài)，如OP3，OP7，OP17，TD17等。PROTOOL/PRO用于組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)PC和所有西門子HMI產(chǎn)品，PROTOOL/PRO不只是組態(tài)軟件，其運(yùn)行版也用于WINDOWS平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。WINCC是一個(gè)真正開放的，面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的SCADA（SUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITION）軟件，可在任何標(biāo)準(zhǔn)PC上運(yùn)行。WINCC操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與STEP7功能集成，可直接進(jìn)入PLC的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間。它的設(shè)計(jì)適合于廣泛的應(yīng)用，可以連接到已存在的自動(dòng)化環(huán)境中，有大量的通信接口和全面的過程信息和數(shù)據(jù)處理能力，其最新的WINCC50支持在辦公室通過IE瀏覽器動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程。S7200作為西門子SIMATICPLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。SIMATICS7200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。S7200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7200系列具有極高的性能/價(jià)格比。S7200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。圖5S7200CPU第四章PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能41恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及功能簡介小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一臺ABB變頻器拖動(dòng)兩臺75KW功率電動(dòng)機(jī)，可在變頻和工頻兩種方式下運(yùn)行工作。1啟動(dòng)方式為避免啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，電機(jī)采用變頻啟動(dòng)方式，從變頻器的輸出端得到逐漸的上升的頻率和電壓。2變頻調(diào)速根據(jù)供水管網(wǎng)中流量、壓力的變化自動(dòng)控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。如設(shè)備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時(shí)，PLC發(fā)出指令讓1號泵自動(dòng)切換到工頻電源運(yùn)行，待1號水泵退出變頻運(yùn)行，2號泵自動(dòng)投入變頻運(yùn)行。3水泵切換根據(jù)恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設(shè)置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數(shù)，由給定頻率是否達(dá)到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。4故障處理能對源水位過低，變頻器故障等報(bào)警。本系統(tǒng)采用兩套電機(jī)水泵對水網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水,每臺電機(jī)均可工作在變頻方式或工頻方式,但變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動(dòng)一臺電機(jī)。變頻調(diào)速器根據(jù)實(shí)際水壓的變化,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速,通過調(diào)節(jié)流量達(dá)到恒定水壓的目的。另外,可編程序控制器根據(jù)當(dāng)前水泵的供水情況對其進(jìn)行合理切換,實(shí)現(xiàn)最佳匹配。本PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要可以完成的功能有手動(dòng)和自動(dòng)切換功能,對電機(jī)水泵實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，故障報(bào)警，報(bào)警消鈴功能。42PID控制的實(shí)現(xiàn)方法在供水過程中,水泵轉(zhuǎn)速的變化可以調(diào)節(jié)水量,但是轉(zhuǎn)速降低,流量減小,壓力也相應(yīng)降低,為了保證流量并維持一定的供水壓力,最大限度地節(jié)約電能,我們必須建立閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在水泵的出口側(cè),檢測壓力變化,一旦偏離設(shè)定壓力,系統(tǒng)就自動(dòng)響應(yīng),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,維持相應(yīng)壓力下的供水量。該閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng),主要由變頻器、可編程序控制器及壓力傳感器組成。為了使系統(tǒng)更加簡明，本文采用變頻器內(nèi)置PID。其調(diào)節(jié)原理圖如下圖6PLD調(diào)節(jié)原理圖在供水系統(tǒng)中使用水泵的目的，是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供給適當(dāng)水壓的水。因此，不論供水量多少，必須控制水泵的壓力恒定。使用變頻調(diào)速的水泵，其壓力控制常采用出口水壓一定控制。壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管內(nèi)，將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號作為反饋信號。變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運(yùn)算，其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使出口壓力保持一定。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化，通過變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤來控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力，以達(dá)到高效供水及高效節(jié)能目的。43主要器件的選型（1）供水泵的選擇生活供水的水泵電動(dòng)機(jī)選LG系列型號為65LG36的高層建筑多級給水泵，每臺自帶交流電動(dòng)機(jī)75KW，380V供電。LG系列泵為立式安裝，電機(jī)軸與泵軸通過爪型連軸器聯(lián)接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。65LG36型產(chǎn)品特點(diǎn)為1）水力模型先進(jìn)效率高，性能范圍廣；2）更少的運(yùn)行、維修費(fèi)用采用優(yōu)質(zhì)機(jī)械密封，耐磨損、無泄漏、使用壽命長，故障率低，具有更少的運(yùn)行維修費(fèi)用；3）獨(dú)特的部件、降低噪音獨(dú)特的水力部件設(shè)計(jì)，良好的過流性能，最大地減少流動(dòng)噪音；4）立式結(jié)構(gòu)，占地面積小。其技術(shù)參數(shù)為流量30150M3/H；揚(yáng)程20200M；功率075132KW；轉(zhuǎn)速2900R/MIN；口徑25150；溫度范圍0180；（2）傳感器選型恒壓供水壓力傳感器，通用壓力變送器，恒壓供水壓力變送器，PTP501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。其技術(shù)參數(shù)如下量程01150（MPA）綜合精度01FS、02FS、05FS、10FS輸出信號420MA（二線制）、05V、15V、010V（三線制）供電電壓24DCV（936DCV）介質(zhì)溫度2085環(huán)境溫度常溫（2085）（3）交流接觸器的選擇該控制系統(tǒng)中的接觸器均選交流接觸器。電機(jī)所選用的接觸器主觸頭在主電路中，所以主觸頭通斷負(fù)載額定電壓為被控制線路額定電壓AC380V，線圈在控制回路中圈電壓取AC220V。主觸頭額定電流經(jīng)驗(yàn)公式ICNPN103/KUN；通常KUN取114；ICN為主觸頭額定電流（A）；PN為被控制器件額定功率（KW）；通過計(jì)算選擇均選為CJ1040型接觸器。（4）中間繼電器的選擇中間繼電器在繼電接觸器系列電控系統(tǒng)中主要具有控制電路傳遞與轉(zhuǎn)換信號，擴(kuò)大控制路數(shù)，將小功率控制信號轉(zhuǎn)換為大容量的觸頭控制，擴(kuò)充交流接觸器及其它電器控制作用的功能。變頻器故障輸出電路中KA選用JZ780，其參數(shù)為吸引線圈額定電壓DC24V，額定電流16A。（5）熱繼電器的選擇本系統(tǒng)中熱繼電器14FR1，F(xiàn)R2是保護(hù)水泵電機(jī)過載和斷相保護(hù)的元件。一般情況下，可按電動(dòng)機(jī)額定電流選取若繼電器，熱繼電器的整定值為電動(dòng)機(jī)額定電流的095105倍，則生活水泵電機(jī)額定電流為20A，消防泵電機(jī)額定電流為21A。取系數(shù)為1，則熱繼電器的整定值分別為20A，21A。經(jīng)查閱資料，選JR163/20。44控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)441控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由西門子S7200系列PLC控制器、ABBACS51001變頻器、壓力變送器、浮球水位計(jì)（開關(guān)）、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。、PLC作為控制單元,根據(jù)現(xiàn)場信號和系統(tǒng)工作狀態(tài)控制兩臺水泵的起動(dòng)和停止,控制變頻器的起動(dòng)和停止,變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率,改變水泵轉(zhuǎn)速,控制管網(wǎng)壓力,并將變頻器工作狀態(tài)輸出到PLC。其基本控制框圖如下圖7系統(tǒng)基本控制框圖442主控電路設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的主電路2臺電機(jī)分別為M1、M2。接觸器KM1、KM3、分別控制電機(jī)M1、M2工頻運(yùn)行，接觸器KM2、KM4、控制電機(jī)M1、M2變頻運(yùn)行。FH1、FH2分別為2臺水泵電機(jī)過載保護(hù)的熱繼電器，QF10、QF11、QF12分別為變頻器和2臺水泵電機(jī)主電路的斷路器，ABBACS51001通用變頻器。圖8電控系統(tǒng)主電路圖443PLC硬件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用S7200CPU224,12輸入6繼電器輸出一臺，即可滿足用戶供水控制要求。1、輸入輸出點(diǎn)數(shù)的確定在該控制系統(tǒng)中,水泵M1和M2可變頻工作也可工頻工作。由接觸器進(jìn)行切換,需占用PLC的四個(gè)輸出信號控制。變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷,由可編程序控制器的一個(gè)輸出信號控制。故障報(bào)警電鈴占用一個(gè)輸出信號，該控制系統(tǒng)共占用PLC的六個(gè)輸出信號。水管壓力檢測信號占用PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn),以控制整個(gè)系統(tǒng)的全線停車系統(tǒng)分自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式,由一個(gè)選擇開關(guān)控制,選擇開關(guān)連接PLC的一個(gè)輸入點(diǎn),水池水位檢測信號占用PLC的兩個(gè)輸入點(diǎn)，一故障消鈴占一輸入，變頻器故障占一輸入。因此,該控制系統(tǒng)中共占用PLC的12個(gè)開關(guān)量輸入信號。整個(gè)控制系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量共為17個(gè)點(diǎn)。2、輸入輸出點(diǎn)表1輸入輸出點(diǎn)手動(dòng)SAI00SA自動(dòng)SAI01SA變頻輸出I02頻率上限I03一號手動(dòng)啟動(dòng)I04SB2一號手動(dòng)停止I05SB1二號手動(dòng)啟動(dòng)I06SB4二號手動(dòng)停止I07SB3報(bào)警復(fù)位I10SB0一號過載I11KA3二號過載I12KA4源水位過低I13KA1一號變頻運(yùn)行Q00KA12一號工頻運(yùn)行Q01KA11二號變頻運(yùn)行Q02KA13二號工頻運(yùn)行Q03KA14報(bào)警電鈴Q04HL8自動(dòng)運(yùn)行Q05KA23系統(tǒng)接線圖圖9S7200外圍接線圖圖10順序流程圖444控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動(dòng)狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)兩種工作方式。選擇手動(dòng)工作狀態(tài)時(shí),可以分別通過按鈕控制兩臺泵在工頻下運(yùn)行與停止,主要用于水泵定期檢修臨時(shí)供水。選擇自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí),完全由PLC軟件控制運(yùn)行。根據(jù)水管網(wǎng)中用水量和壓力變化適時(shí)調(diào)整工頻運(yùn)行的水泵和變頻運(yùn)行