基于.PLC的流量控制系統(tǒng)

/遼寧工業(yè)大學(xué)電氣控制與PLC技術(shù)課程設(shè)計(jì)〔論文題目：基于PLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院〔系：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化112學(xué)號(hào)：110302032學(xué)生姓名：王毅指導(dǎo)教師：〔簽字起止時(shí)間：2014.6.30~2014.7.11課程設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)及評(píng)語院〔系：電氣工程學(xué)院教研室：自動(dòng)化學(xué)號(hào)110302032學(xué)生姓名王毅專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化112課程設(shè)計(jì)〔論文題目基于PLC的流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)〔論文任務(wù)課題完成的功能：本課程設(shè)計(jì)要求以管道流量作為被控對(duì)象.采用西門子S7-200型PLC作為控制核心.實(shí)現(xiàn)流量大小的控制運(yùn)行。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：〔1認(rèn)真查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料.清楚了解管道流量控制的工作過程?！?完成PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).內(nèi)容包括DI/AI/DO/AO信號(hào)分配、PLC硬件電氣接線原理圖等。〔3完成流量傳感器、變送器、I/V變換、A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換和電動(dòng)閥門的信號(hào)控制。〔4完成PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).內(nèi)容包括主程序及相關(guān)子程序的程序流程圖設(shè)計(jì)和梯形圖程序設(shè)計(jì)?！?撰寫課程設(shè)計(jì)說明書〔論文：其中應(yīng)包含設(shè)計(jì)方案選擇與論證、總體功能框圖、總體電路原理圖、軟件流程圖及部分程序等內(nèi)容。技術(shù)參數(shù)：管道直徑0.5米.要求給定流量0.1m3/s.變送器4-20mA.I/V變換0-5V。進(jìn)度計(jì)劃〔1布置任務(wù).查閱資料.確定系統(tǒng)組成和功能分析〔2天〔2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)〔3天〔3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究〔2天〔4撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書〔2天〔5答辯〔1天指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：總成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：成績(jī)：平時(shí)20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算摘要隨著科技的飛速發(fā)展.自控系統(tǒng)的應(yīng)用正在不斷深入.同時(shí)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制檢測(cè)技術(shù)日益更新。自動(dòng)控制技術(shù)可謂無所不能。本文提出一種對(duì)液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。該方案以PLC控制為基礎(chǔ).由上位機(jī)、PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制.在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對(duì)溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式.逐步做出解釋.從而得出具體結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。關(guān)鍵詞：PLC；自動(dòng)控制；流量控制目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論1第2章課程設(shè)計(jì)的方案22.1概述22.2系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)2控制方案比較和確定2流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖3水流量系統(tǒng)控制流程4第3章硬件設(shè)計(jì)63.1PLCS7-200介紹63.2主機(jī)CPU22473.3變頻器的選擇93.4水泵電機(jī)的選擇93.5流量變送器的選擇10第4章軟件設(shè)計(jì)114.1PLC程序設(shè)計(jì)114.2系統(tǒng)流程圖114.3程序13第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)17參考文獻(xiàn)18緒論P(yáng)LC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器.用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體.易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。目前.PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。PLC發(fā)展到今天.已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外.現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力.可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn).使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展.使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。本文提出一種對(duì)液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制的設(shè)計(jì)方案。該方案以PLC控制為基礎(chǔ).由上位機(jī)、PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。它不僅適用于流量控制.在改變動(dòng)作設(shè)備后同樣適用于對(duì)溫度、液位、速度、高度等模擬量的控制。論文采用文字?jǐn)⑹雠c圖表相結(jié)合的方式.逐步做出解釋.從而得出具體結(jié)論。更清晰的展示了設(shè)計(jì)的全過程與每個(gè)細(xì)節(jié)之間的處理方式。課程設(shè)計(jì)的方案概述本設(shè)計(jì)采用S7-200PLC為核心對(duì)液體流量進(jìn)行控制。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展.PLC對(duì)流量的控制技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。本文采用PLC對(duì)流量進(jìn)行控制.通過合理的設(shè)計(jì).提高流量控制水平.進(jìn)而改善流量運(yùn)行的穩(wěn)定性.使其更加精確。本文主要介紹了流量的PLC控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過程、組成、列出流量的梯形圖.并給出了系統(tǒng)組成框圖.分析流量邏輯關(guān)系.提出PLC的編程方法。能夠給一些初學(xué)者點(diǎn)建議.能夠?qū)α髁康幕驹?、基本編程思路有大致的了解。系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)控制方案比較和確定流量控制系統(tǒng)主要有流量變送器、變頻器、恒流控制單元、電動(dòng)機(jī)組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒流控制單元使變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī).實(shí)現(xiàn)管道流量的恒定.同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求.有以下兩種方案可供選擇：<1>通用變頻器+單片機(jī)<包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制>+流量傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便.具有較高的性價(jià)比.但開發(fā)周期長(zhǎng).程序一旦固化.修改較為麻煩.因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差.同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí).將產(chǎn)生干擾.變頻器的功率越大.產(chǎn)生的干擾越大.所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。<2>通用變頻器+PLC<包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制>+流量傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口.可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.通用性強(qiáng)；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化.用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上.只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線.當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí).可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序.所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高.因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合.并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對(duì)以上兩種方案的比較和分析.可以看出第二種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn).又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。流量控制系統(tǒng)的組成及原理圖基于PLC的流量控制系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、流量變送器和水泵電機(jī)一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng).該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)的控制流程圖從圖中可看出.系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分.具體為：<l>執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個(gè)水泵電機(jī)組成.它用于將水供入管道.通過變頻器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速.以達(dá)到控制管道水流量的目的。<2>信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中.需要檢測(cè)的信號(hào)包括管道水流量信號(hào).其中水流量信號(hào)是本控制系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào).讀入PLC時(shí).需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。<3>控制機(jī)構(gòu)：本系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)包括控制器<PLC>和變頻器兩個(gè)部分?？刂破魇钦麄€(gè)流量控制系統(tǒng)的核心?？刂破髦苯訉?duì)系統(tǒng)中的流量信號(hào)進(jìn)行采集.對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法.得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案.通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)<即水泵電機(jī)>進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元.其跟蹤控制器送來的控制信號(hào)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。流量控制系統(tǒng)以供水出口管道水流量為控制目標(biāo).在控制上實(shí)現(xiàn)出口管道的實(shí)際流量跟隨設(shè)定的水流量。設(shè)定的水流量可以是一個(gè)常數(shù).也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù).在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。水流量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示：圖2.2水流量控制系統(tǒng)框圖水流量控制系統(tǒng)通過安裝在管道上的流量變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水流量.檢測(cè)管道出水流量.并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號(hào).此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)水流量恒定的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量.故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較.將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算.再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào).控制變頻器的輸出頻率.從而控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速.進(jìn)而控制管道中的水流量.實(shí)現(xiàn)水流量恒定。水流量系統(tǒng)控制流程水流量系統(tǒng)控制流程如下:<l>系統(tǒng)通電.按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后.首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作.根據(jù)流量變送器測(cè)得的管道實(shí)際流量和設(shè)定流量的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率.控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速.當(dāng)輸出流量達(dá)到設(shè)定值.轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值.這期間水泵電機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。<2>當(dāng)管道水流量減小時(shí).流量變送器反饋的水流量信號(hào)減小.偏差變大.PLC的輸出信號(hào)變大.變頻器的輸出頻率變大.所以水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大.供水量增大.最終水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之.當(dāng)管道水流量增加時(shí).通過流量閉環(huán).減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。硬件設(shè)計(jì)PLCS7-200介紹<1>適用范圍S7-200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(jiǎn)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(cè).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：中央空調(diào).電梯控制.運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。S7-200系列PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)的8種CPU供您使用?！?CPU單元設(shè)計(jì)集成的24V負(fù)載電源：可直接連接到傳感器和變送器〔執(zhí)行器.CPU221.222具有180mA輸出.CPU224.CPU224XP.CPU226分別輸出280.400mA。可用作負(fù)載電源。CPU221～226各有2種類型CPU.具有不同的電源電壓和控制電壓。本機(jī)數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)：CPU221具有6個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn).CPU222具有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn).CPU224具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn).CPU224XP具有14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn).CPU226具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)。本機(jī)模擬量輸入/輸出點(diǎn)：CPU224XP具有2個(gè)輸入點(diǎn).1個(gè)輸出點(diǎn)。高速計(jì)數(shù)器：CPU221/222：4個(gè)高速計(jì)數(shù)器.可編程并具有復(fù)位輸入.2個(gè)獨(dú)立的輸入端可同時(shí)作加、減計(jì)數(shù).可連接兩個(gè)相位差為90°的A/B相增量編碼器。CPU224/224XP/226：6個(gè)高速計(jì)數(shù)器.具有CPU221/222相同的功能。CPU222/224/224XP/226：可方便地用數(shù)字量和模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？墒褂梅抡嫫鳌策x件對(duì)本機(jī)輸入信號(hào)進(jìn)行仿真.用于調(diào)試用戶程序?！?各型號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)CPU221：本機(jī)集成6輸入/4輸出共10個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。無I/O擴(kuò)展能力。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器.2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU222：本機(jī)集成8輸入/6輸出共14個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接2個(gè)擴(kuò)展模塊。6K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。4個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器.2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。非常適合于小點(diǎn)數(shù)控制的微型控制器。CPU224：本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊.最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器.2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出.具有PID控制器。RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。具有較強(qiáng)控制能力的控制器。CPU224XP：本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn).2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn).可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊.最大擴(kuò)展值至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)。20K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間.6個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器〔100KHz.2個(gè)100KHz的高速脈沖輸出.2個(gè)RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。本機(jī)還新增多種功能.如內(nèi)置模擬量I/O,位控特性.自整定PID功能.線性斜坡脈沖指令.診斷LED.數(shù)據(jù)記錄及配方功能等。是具有模擬量I/O和強(qiáng)大控制能力的新型CPU。CPU226：本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊.最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器.2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出.具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng).具有更多的輸入/輸出點(diǎn).更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力.更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。主機(jī)CPU224本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊.最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器.2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出.具有PID控制器。1個(gè)RS485通訊/編程口.具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。如圖3.1所示。圖3.1CPU224實(shí)物圖主機(jī)CPU224模塊編址如表3.2所示。表3.2各模塊編址I/O口分配及總電路圖程序中的輸入/輸出地址分配如表3.3所示。表3.3I/O地址分配表輸入輸出名稱符號(hào)地址名稱符號(hào)地址啟動(dòng)按鈕SB1I0.0變頻器輸入模擬量UFQ0.0停止按鈕SB2I0.1流量轉(zhuǎn)換器模擬量UPI0.3系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示。圖3.4系統(tǒng)電路圖變頻器的選擇變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性.各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí).都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí).除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外.多余的力矩增加了有功功率的消耗.造成電能的浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量.其輸入功率大.且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí).如果流量要求減小.通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件.通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控.所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同.通用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)屬泵類負(fù)載.低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小.可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7-200型號(hào).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(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品.由微處理器控制.采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件.具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu).組態(tài)靈活.有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能.有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡(jiǎn)單過程控制的PI閉環(huán)控制器.可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行.磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性.低頻時(shí)也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.75~90KW.適用于要求高、功率大的場(chǎng)合.恰好其輸出信號(hào)能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485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。水泵電機(jī)的選擇水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體.使液體能量增加.主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等.也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量；葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量.有離心泵、軸流泵和混流泵等類型。水泵電機(jī)的選型基本原則.一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行.以求取得較好的節(jié)能效果。要使電機(jī)常處于高效區(qū)運(yùn)行.則所選用的電機(jī)必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電機(jī)額定功率0.37KW,額定轉(zhuǎn)速為2800r/min。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求確定采用1臺(tái)SFL型水泵電機(jī)〔電機(jī)功率0.37KW。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì).葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件.經(jīng)過靜電噴塑處理.效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī).機(jī)械密封.前端配有泄壓保護(hù)裝置.噪聲更低<室外噪音60分貝>、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承.噪音低.壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).水力模型先進(jìn).性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì).一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。流量變送器的選擇流量變送器又稱為流量傳感器簡(jiǎn)稱為流量計(jì)。按照ISO9951標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)外流量?jī)x表先進(jìn)技術(shù)而研制開發(fā)的集溫度、壓力、流量傳感器和智能流量積算儀于一體的新一代高精度、高可靠性的精密計(jì)量?jī)x表.它出色的低壓和高壓計(jì)量性能.多種信號(hào)輸出方式以及對(duì)流體擾動(dòng)的低敏感性.使得流量計(jì)成為一種特別優(yōu)秀的能準(zhǔn)確計(jì)量氣體累積量的商業(yè)貿(mào)易計(jì)量?jī)x表。流量變送器用于檢測(cè)管道中的水流量.常裝設(shè)在泵站的出水口.流量傳感器和流量轉(zhuǎn)換器是將水管中的水流量變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~20mA的模擬量信號(hào).作為模擬輸入模塊<A/D模塊>的輸入.在選擇時(shí).為了防止傳輸過程中的干擾與損耗.我們采用4~20mA輸出流量轉(zhuǎn)換器。根據(jù)以上的分析.本設(shè)計(jì)中選用電磁流量傳感器SHLDG、電磁流量轉(zhuǎn)換器SHLDZ—1實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)、顯示和變送。流量表測(cè)量范圍0—0.6m3/h.精度1.0；轉(zhuǎn)換器輸出4~20mA電流信號(hào).送給與CPU224連接模擬量模塊EM235.作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言.即語句表<STL>語言、梯形圖<LAD>語言、功能塊圖<FBD>語言。語句表<STL>語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言.特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員.它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序.屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖<LAD>語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖.是應(yīng)用最多的一種編程語言.與計(jì)算機(jī)語言相比.梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語言.幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯.因此.它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受.是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖<FBD>的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似.功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端.輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算.模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成.程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成.編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC.控制任務(wù)的完成.是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序.本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些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。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。系統(tǒng)流程圖圖4.1系統(tǒng)流程圖程序程序初始化與故障分析程序初始化一個(gè)程序基本的編程方式。一般會(huì)先將PLC進(jìn)行初始化.設(shè)置基本參數(shù).保證可以與其他設(shè)備正常通訊.然后才開始撰寫實(shí)際的控制程序。在此設(shè)計(jì)初始化程序中用到了特殊輔助繼電器M8000和M8002。M8000起運(yùn)行監(jiān)視的作用。當(dāng)PLC執(zhí)行用戶程序時(shí).M8000為ON.停止監(jiān)視時(shí).M8000為OFF；M8002為初始化脈沖.僅在可編程控制器運(yùn)行開始的瞬間接通一個(gè)掃描周期.M8002的常開觸點(diǎn)常用于某些元件的復(fù)位和清零.也可作為啟動(dòng)條件。以下為系統(tǒng)初始化程序：圖4.2始化程序在程序設(shè)計(jì)中.要考慮到系統(tǒng)運(yùn)行過程中的一些突發(fā)問題.必須要有正確的控制：故障控制開關(guān).急停控制開關(guān).故障復(fù)位控制開關(guān)。以下為故障控制程序：圖4.3故障控制程序PID初始化及程序分析在工程實(shí)際中.應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制.簡(jiǎn)稱PID控制.又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史.它

以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握.或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí).控制理論的

其它技術(shù)難以采用時(shí).系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定.這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象.或

不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí).最適合用PID控制技術(shù)。PID控制.實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差.利用比例、

積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

比例<P>控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分<I>控制

在積分控制中.控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng).如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差.則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的

或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差.在控制器中必須引入"積分項(xiàng)"。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分.隨著時(shí)間的增加.積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣.即便誤差很小.積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大.它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小.直到等于零。因此.比例+積分<PI>控制器.可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)

態(tài)誤差。

微分<D>控制

在微分控制中.控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分<即誤差的變化率>成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后<delay>組件.具有抑制誤差的作用.其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化"超前".即在誤差接近零時(shí).抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說.在控制器中僅引入"比例"項(xiàng)往往是不夠的.比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值.而目前需要增加的是"微分項(xiàng)".它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì).這樣.具有比例+微分的控制器.就能

夠提前使抑制誤差的控制作用等于零.甚至為負(fù)值.從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象.比例+微分<PD>控制器能改善系統(tǒng)在

調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。

以下為PID初始化程序.M33是將程序指定到PID初始化部分。圖4.4PID初始化在PID調(diào)節(jié)中.程序固然重要.但是程序里的PID參數(shù)更重要.沒有PID參數(shù)就不可能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)該有的功能。在PID調(diào)節(jié)中主要有比例環(huán)節(jié).積分環(huán)節(jié).微分環(huán)節(jié).在此設(shè)計(jì)中只是用到了比例環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)。此次設(shè)計(jì)主要就是實(shí)現(xiàn)比例控制.所以比例環(huán)節(jié)是必不可少的.而積分調(diào)節(jié)的作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差.提高無差度。因?yàn)橛姓`差.積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行.直至無差。PID參數(shù)主要是：采樣時(shí)間17秒、PID濾波常數(shù)80%、比例增益Kp=70、積分時(shí)間Ti=