本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目基于PLC的恒壓供水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的PLC控制硬件設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化完成日期2014年5月10日A基礎(chǔ)理論B應(yīng)用研究C調(diào)查報(bào)告D其他目錄1前言111傳統(tǒng)供水系統(tǒng)與變頻恒壓供水系統(tǒng)的對(duì)比112變頻恒壓供水的現(xiàn)狀1121國(guó)內(nèi)外變頻恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀1122變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍22變頻恒壓供水的理論分析221水泵的工作原理222供水電機(jī)的搭配323水泵的調(diào)節(jié)方式3231恒速調(diào)節(jié)4232變速調(diào)節(jié)424恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析5241調(diào)節(jié)流量的方法和比較5242從水泵的工作效率看節(jié)能625供水系統(tǒng)的安全性問(wèn)題6251水錘效應(yīng)6252水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因7253水錘效應(yīng)的消除7254延長(zhǎng)水泵壽命的其他因素7255對(duì)供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù)73變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)831變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8311水泵機(jī)組的選擇9312壓力傳感器的選擇9313觸摸屏的選擇10314MM420變頻器概述11315S7200PLC概述和其它器件的選型1132基于S7200PLC恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)13321系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)13322控制系統(tǒng)接線圖14323PLC外圍接線圖164變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1941恒壓供水系統(tǒng)的控制流程1942水泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律1943模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的方法2044下位PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)20441PLC的I/O端口分配21參考文獻(xiàn)24附錄125致謝29基于PLC的恒壓供水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)摘要本系統(tǒng)是由PLC控制器、變頻器、壓力傳感器、電機(jī)、水泵構(gòu)成的，通過(guò)壓力傳感器來(lái)間接獲取水壓信息，然后根據(jù)實(shí)際情況將水壓調(diào)節(jié)到一個(gè)合適的范圍。關(guān)鍵詞PLC；變頻；壓力傳感器THEHARDWAREOFREMOTECONTROLOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYSYSTEMDESIGNBASEDONPLCABSTRACTTHESYSTEM,WHICHISCOMPOSEDOFPLCCONTROLLER,TRANSDUCER,PRESSURESENSOR,MOTORANDWATERPUMP,CANBEOBTAINEDTHEINFORMATIONOFWATERINDIRECTLYBYTHEPRESSURESENSOR,THENMAKETHEPRESSUREADJUSTTOASUITABLERANGEACCORDINGTOTHEACTUALSITUATIONKEYWORDSPLCTRANSDUCERPRESSURESENSOR1前言11傳統(tǒng)供水系統(tǒng)與變頻恒壓供水系統(tǒng)的對(duì)比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中水泵存在運(yùn)行費(fèi)用太高，單位供水的能耗偏大等問(wèn)題。目前各供水廠的供水泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利的條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問(wèn)題。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各個(gè)供水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。變頻調(diào)速技術(shù)具有顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，利用變頻技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在中小型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證系統(tǒng)的安全可靠，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。所以研究設(shè)計(jì)基于PLC變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，傳統(tǒng)供水泵機(jī)和變頻供水泵機(jī)示意圖如圖1所示。圖1傳統(tǒng)供水泵機(jī)示意圖圖1變頻供水泵機(jī)示意圖12變頻恒壓供水的現(xiàn)狀121國(guó)內(nèi)外變頻恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀目前國(guó)外的恒壓供水系統(tǒng)變頻成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)，但主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式。雖然運(yùn)行方式安全可靠，變壓方式更靈活，但是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，因而投資成本高。目前國(guó)內(nèi)也有不少說(shuō)公司在研究推廣變頻恒壓供水，不過(guò)國(guó)產(chǎn)的變頻器在小容量的領(lǐng)域發(fā)展較快，在大功率大容量領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。122變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水按所使用的范圍大致分為三類（1）小區(qū)供水變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于工廠、小區(qū)、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在135KW以下，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。（2）國(guó)內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小型供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機(jī)功率在135KW與320KW之間，電網(wǎng)電壓通常為200V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國(guó)產(chǎn)通用變頻恒壓供水變頻器。（3）大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國(guó)外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)，除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)恒壓供水變頻系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對(duì)變頻器的要求和控制方式不是一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。2變頻恒壓供水的理論分析21水泵的工作原理供水所用水泵主要是離心泵，泵啟動(dòng)前泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體，啟動(dòng)后葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開(kāi)葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場(chǎng)所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?jiàn)，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)不斷地被吸入和排出，離心泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2離心泵結(jié)構(gòu)示意圖22供水電機(jī)的搭配電機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來(lái)選擇，盡量使電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)1如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。2如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能浪費(fèi)。23水泵的調(diào)節(jié)方式水泵的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，過(guò)去普遍采用改變閥門(mén)或擋板開(kāi)度的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種調(diào)節(jié)方式雖然簡(jiǎn)便易行，但往往造成很大的能量損失。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，往往是由于采用不合適的調(diào)節(jié)方式。因此，研究并改進(jìn)它們的調(diào)節(jié)方式，是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在水泵的調(diào)節(jié)方式可分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)。231恒速調(diào)節(jié)水泵的恒速調(diào)節(jié)主要有節(jié)流調(diào)節(jié)、動(dòng)葉調(diào)節(jié)、改變泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)三種1節(jié)流調(diào)節(jié)節(jié)流調(diào)節(jié)是在水泵的出口或進(jìn)口管路上裝設(shè)閥門(mén)或擋板，通過(guò)改變閥門(mén)或擋板的開(kāi)度，使裝置需要揚(yáng)程曲線發(fā)生變化，從而導(dǎo)致水泵工作點(diǎn)位置的變化。節(jié)流調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、可靠、方便，且調(diào)節(jié)裝置的初投資很少。缺點(diǎn)是能量損失很大。2動(dòng)葉調(diào)節(jié)動(dòng)葉調(diào)節(jié)的水泵輪毅內(nèi)部安裝動(dòng)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而使動(dòng)葉調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)。動(dòng)葉調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)過(guò)程中其效率變化很小。缺點(diǎn)是動(dòng)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制自動(dòng)化程度低，成本高。3改變機(jī)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)改變機(jī)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)是根據(jù)不同的流量要求，采用不同數(shù)量和型號(hào)的機(jī)泵進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，來(lái)滿足供水量要求。它優(yōu)點(diǎn)是不改變電機(jī)和水泵的電氣及機(jī)械結(jié)構(gòu)，在水泵臺(tái)數(shù)眾多、搭配合理的情況下，可以達(dá)到較好的調(diào)節(jié)效果。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)、需要大量的機(jī)泵進(jìn)行合理搭配、隨著供水量的變化要不斷啟停電機(jī)，電能損失較大。232變速調(diào)節(jié)水泵的變速調(diào)節(jié)可分為變速傳動(dòng)裝置調(diào)節(jié)和變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。1變速傳動(dòng)裝置定速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵可以通過(guò)傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)。變速傳動(dòng)裝置按其工作特性可分為兩類。一類是有級(jí)變速裝置，如齒輪變速等另一類是無(wú)級(jí)變速裝置，主要有液力禍合器、油膜轉(zhuǎn)差離合器、電磁轉(zhuǎn)差離合器等。1液力禍合器水泵通過(guò)液力禍合器實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，從液力藕合器的特性來(lái)看，其調(diào)節(jié)效率等于轉(zhuǎn)速比，故當(dāng)調(diào)節(jié)量越大，其轉(zhuǎn)速比越低，傳動(dòng)效率也越低。它主要具有以下優(yōu)點(diǎn)能輸出連續(xù)、無(wú)級(jí)、變化的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)、加速平穩(wěn)，能空載或輕載啟動(dòng)。液力禍合器的缺點(diǎn)是在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)矩一定而采用較小的轉(zhuǎn)速時(shí)，液力禍合器的工作腔直徑將加大，這不但增加了造價(jià)，而且還會(huì)使禍合器調(diào)速的延遲時(shí)間增加。2電磁轉(zhuǎn)差離合器電磁轉(zhuǎn)差離合器又稱電磁離合器、渦流聯(lián)軸器等。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，控制裝置的容量小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，價(jià)格便宜。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是存在轉(zhuǎn)差損失，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較低，調(diào)速時(shí)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，噪聲較大。2變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，可以通過(guò)改變磁極對(duì)數(shù)和改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面就兩種變速調(diào)節(jié)方式進(jìn)行比較。1）異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速變極調(diào)速原理異步電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，通常其轉(zhuǎn)差率很小，在電源頻率不變的情況下，改變電動(dòng)機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)，就可改變同步轉(zhuǎn)速，從而改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速效率高，調(diào)速控制設(shè)備簡(jiǎn)單，初投資低，維護(hù)方便，可靠性較高。變極調(diào)速的主要缺點(diǎn)是有級(jí)調(diào)速，不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)速。2異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速極對(duì)數(shù)一定的異步電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，轉(zhuǎn)速基本上與電源頻率成正比。因此，只要能設(shè)法改變電源頻率即可改變轉(zhuǎn)速?；谶@個(gè)原理，變頻調(diào)速就是用晶閘管等變流元件組成的變頻器作為變頻電源，通過(guò)改變電源頻率的辦法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。24恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析241調(diào)節(jié)流量的方法和比較在供水系統(tǒng)中，常見(jiàn)調(diào)節(jié)流量的方法有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。L閥門(mén)控制法即通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，而保持轉(zhuǎn)速不變。閥門(mén)控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求。（2）轉(zhuǎn)速控制法即通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度保持不變242從水泵的工作效率看節(jié)能1水泵工作效率的近似計(jì)算公式的近似計(jì)算公式如217（）（217）PC1NQ22式中、效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值；P、常數(shù)，由制造廠家提供，與之，通過(guò)遵循如下規(guī)律12C121122不同控制方式時(shí)的工作效率由式（217）可知，當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門(mén)來(lái)減小流量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，比值可見(jiàn)隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯。采用轉(zhuǎn)速控制NQ方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門(mén)控制方式相比，水泵的工作效率要大得多這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的方面之一。25供水系統(tǒng)的安全性問(wèn)題251水錘效應(yīng)由于水具有動(dòng)量和不可壓縮性，因此，在極短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化將引起對(duì)管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，壓強(qiáng)過(guò)高將引起管道的破裂，反之壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能破壞閥門(mén)和固定件。在直接停機(jī)時(shí)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動(dòng)機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。這也同樣會(huì)引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。252水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。水泵在直接啟動(dòng)過(guò)程中，拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大,所以加速過(guò)程很快253水錘效應(yīng)的消除采用了變頻調(diào)速后，可以通過(guò)對(duì)升速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)啟動(dòng)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩減小。在停機(jī)過(guò)程中，同樣可以通過(guò)對(duì)降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)停機(jī)過(guò)程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。254延長(zhǎng)水泵壽命的其他因素水錘效應(yīng)的消除無(wú)疑可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此外，由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降、工作過(guò)程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使1葉片承受的應(yīng)力大為減小。2軸承的磨損也大為減小。所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)255對(duì)供水電機(jī)和供水電網(wǎng)的保護(hù)由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)頻率低，啟動(dòng)電流小，因此，除了對(duì)供水機(jī)泵和供水管網(wǎng)有保護(hù)作用，對(duì)供水電機(jī)和電網(wǎng)也有良好的保護(hù)作用。供水系統(tǒng)電機(jī)直接啟動(dòng)與變頻啟動(dòng)的對(duì)比表如表1所示。表1電機(jī)直接啟動(dòng)和變頻調(diào)速啟動(dòng)的對(duì)比內(nèi)容直接啟動(dòng)變頻器調(diào)速啟動(dòng)電流額定電流的57倍額定電流以下啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)變壓器的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)接觸器等電器的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)電纜的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)對(duì)聯(lián)結(jié)軸的沖擊巨大無(wú)啟動(dòng)和運(yùn)行的可靠性巨大無(wú)3變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【2】變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門(mén)子S7200PLC作為控制器，變頻器MM420是頻率調(diào)節(jié)器，交流接觸器和電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，壓力傳感器作為控制的反饋元件。S7200PLC選用內(nèi)部控制模塊EM224。EM224有14路輸入/10路輸出，對(duì)于小型的控制系統(tǒng)而言已經(jīng)可以滿足使用要求。異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，S7200PLC數(shù)字輸出口輸出的一路控制信號(hào)到交流接觸器，交流接觸器兩端連接的是工頻或變頻的三相交流電，主要起接通或斷開(kāi)三相交流電與異步電動(dòng)機(jī)。S7200PLC的數(shù)字輸出口輸出的另一路三位數(shù)字控制電壓信號(hào)給MM420的數(shù)字電壓輸入口DIN1和DIN1，該控制電壓主要調(diào)節(jié)三相交流電的頻率。壓力傳感器從供水網(wǎng)絡(luò)中反饋壓力信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為05V的模擬電壓信號(hào)輸入給S7200PLC拓展模塊EM235A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入口，經(jīng)EM235轉(zhuǎn)換為032000的數(shù)字信號(hào)，送到PLC控制器主機(jī)EM224進(jìn)行分析處理，PLC根據(jù)給定的水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)交流電的頻率，精確跟蹤給定的供水壓力。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示圖3恒壓變頻供水系統(tǒng)的原理框圖311水泵機(jī)組的選擇本系統(tǒng)采用3臺(tái)丹麥格蘭富水泵CR156，該水泵的最大流量180M/H,6級(jí)葉輪3的多級(jí)離心水泵，功率55KW,揚(yáng)程最高330米，傳統(tǒng)承壓最大33BAR。312壓力傳感器的選擇本系統(tǒng)采用上海榮漢自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的擴(kuò)散7011壓力變送器，是采用國(guó)外隔離傳感器芯片，抗干擾能力強(qiáng)，適合于遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、氣體、蒸汽壓力的測(cè)量和控制。（1）主要技術(shù)指標(biāo)供電電壓1236VDC一般24VDC輸出信號(hào)420MA兩線制或（010V、05V、15V、110V三線制）負(fù)載電阻0750（一般采用250）工作溫度2580被測(cè)介質(zhì)液體、氣體、蒸汽測(cè)量范圍A非隔離式0500PA至03KPA至060MPA特殊100MPA過(guò)壓極限標(biāo)定液位值的2倍（2）系統(tǒng)連接及調(diào)試變送器在測(cè)量系統(tǒng)中的連接如圖4，建議電源電壓選用24VDC。圖4壓力變送器連接圖313觸摸屏的選擇觸摸屏即人機(jī)界面，是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的要求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。論文中通過(guò)組態(tài)軟件編寫(xiě)了上位機(jī)界面（PC機(jī)和觸摸屏）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)PLC的控制，將PLC、變頻器與電器控制電路連接在一起實(shí)現(xiàn)工頻、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。觸摸屏選用的硬件型號(hào)是深圳市步進(jìn)科技有限公司生產(chǎn)的MT4300C，其編程軟件是EW5000組態(tài)編程軟件（嵌入式）。MT4300C具有MT4000系列HMI穩(wěn)定、可靠、易用的特點(diǎn)。改產(chǎn)品采用了56英寸43高分辨率TFT液晶顯示屏，具有更加清晰的顯示效果。MT4300C的主要特點(diǎn)（1）320234的分辨率，畫(huà)面清晰；（2）采用高性能32位400MHZRISCCPU,快速處理能力保障更高的工作效率；（3）MT4300C的精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，具有更高的性價(jià)比；（4）MT4300C完美替代原MT506T觸摸屏，性價(jià)比更高。314MM420變頻器概述【3】MICROMASTER420是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列，本系列有多種型號(hào)，從單相電源電壓，額定功率120W到三相電源電壓，額定功率11KW可供用戶選用。MM420變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開(kāi)關(guān)頻率是可選的，因而降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。MICROMASTER420具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。由于MICROMASTER420具有全面而完善的控制功能。在設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，它也可以更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。MICROMASTER420變頻器的電路分兩大部分一部分是完成電能轉(zhuǎn)換（整流、逆變）的主電路；另一部分是處理信息的收集、變換和傳輸?shù)目刂齐娐贰?15S7200PLC概述【1】（1）SIMATICS7200系列PLC西門(mén)子公司具有品種豐富的PLC產(chǎn)品。S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC，S7200屬于小型PLC在1998年升級(jí)為第二代產(chǎn)品，2004年升級(jí)為第三代產(chǎn)品。SIMATICS7200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。SIMATICS7200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此SIMATICS7200系列具有極高的性能/價(jià)格比。SIMATICS7200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，使用范圍可以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，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)。S7200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7200系列PLC可提供5個(gè)不同基本型號(hào)的8種CPU可使用CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226。在本論文中采用的是CPU224。（2）PLC的工作原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的，即再PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好的并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令序號(hào)或地址號(hào)作周期性循環(huán)掃描，如果沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開(kāi)始下一輪新的掃描。在每次掃描過(guò)程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采集和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的一個(gè)掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。PLC的輸入采樣階段首先用掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，然后將其寫(xiě)入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。PLC程序執(zhí)行階段PLC按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫(xiě)入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過(guò)一定的方式輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。（3）SIMATICS7200PLC控制器主機(jī)EM224S7200PLC選用內(nèi)部控制模塊CPU224，模擬量2路輸入通用模塊、模擬量2路輸出通用模塊，CPU224有14路輸入，10路輸出，對(duì)于小型的控制而言夠用。（4）SIMATICS7200模擬模塊（擴(kuò)展模塊）本論文中用到了SIMATICS7200模擬模塊EM235A/D轉(zhuǎn)換器，該模塊有4個(gè)模擬輸入，一個(gè)模擬輸出信號(hào)通道。輸入信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。其輸入輸出接線圖如圖5所示。圖5SIMATICS7200模擬模塊EM235A/D轉(zhuǎn)換器接線圖（5）其它器件的選型編號(hào)元件名稱型號(hào)生產(chǎn)商數(shù)量1空氣開(kāi)關(guān)DZ20Y225/3300200A上海人民12微型斷路器RMC163C1P10A上海人民123交流接觸器B653022AC220V富士64熱繼電器T754055A上海人民35閃光蜂鳴器LTE1101JAC220V國(guó)產(chǎn)16旋鈕開(kāi)關(guān)LA3910X上海二工67旋鈕開(kāi)關(guān)LA3920XS上海二工132基于S7200PLC恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)321系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖6所示三臺(tái)水泵分別為M1、M2、M3，它們根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運(yùn)行方式，但系統(tǒng)始終只有一臺(tái)主水泵電機(jī)變頻運(yùn)行，其它水泵電機(jī)根據(jù)實(shí)際需要決定是否工頻運(yùn)行。每臺(tái)水泵的變頻和工頻切換均通過(guò)兩個(gè)交流接觸器來(lái)完成，交流接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行，交流接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3為熱繼電器，為三臺(tái)水泵電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)過(guò)載保護(hù)用，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)，F(xiàn)U1、FU2、FU3為主電路的熔斷絲。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵只有1臺(tái)在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其它水泵在工頻下作恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3H，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。圖6變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路三相交流電源經(jīng)低壓熔斷絲接到變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接到電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，接通工頻運(yùn)行的接觸器。主電路中的低壓熔斷絲除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通，而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1、KM3、KM5和KM2、KM4、KM6絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠互鎖。322控制系統(tǒng)接線圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓的核心控制設(shè)備是PLC，本系統(tǒng)采用西門(mén)子系列S7200PLC產(chǎn)品。圖7為控制系統(tǒng)電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，SA達(dá)到1的位置為手動(dòng)控制，達(dá)到2的位置為自動(dòng)控制。（1）手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1到SB6控制三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻啟動(dòng)/停止。該方式主要供檢修和變頻器及PLC故障時(shí)用。手動(dòng)控制水泵電機(jī)啟動(dòng)/停止如表2所示。表2手動(dòng)操作水泵電機(jī)啟/停控制表編號(hào)元件按鍵通/斷接觸器通/斷水泵電機(jī)啟/停1SB1SB1接通KM11號(hào)水泵電機(jī)啟動(dòng)2SB2SB2斷開(kāi)KM11號(hào)水泵電機(jī)停止3SB3SB3接通KM32號(hào)水泵電機(jī)啟動(dòng)4SB4SB4斷開(kāi)KM32號(hào)水泵電機(jī)停止5SB5SB5接通KM53號(hào)水泵電機(jī)啟動(dòng)6SB6SB6斷開(kāi)KM53號(hào)水泵電機(jī)停止（2）自動(dòng)運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。PLC根據(jù)變頻器頻率是否到達(dá)信號(hào)，通過(guò)控制各水泵變頻或工頻接觸器線圈是否得電，從而完成各水泵工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的邏輯切換，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。Q00輸出1時(shí)，KM1線圈得電，1號(hào)水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q01輸出1時(shí)，KM2線圈得電，1號(hào)水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2亮，同時(shí)KM2的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2號(hào)、3號(hào)水泵控制原理也是這樣?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖問(wèn)題，嚴(yán)格的互鎖也是保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)，所以電路的互鎖是指電機(jī)之間運(yùn)行的互鎖。系統(tǒng)中每臺(tái)變頻水泵電動(dòng)機(jī)既有工頻運(yùn)行又有變頻運(yùn)行，工頻與變頻電源絕對(duì)不允許同時(shí)接通，故兩者必須嚴(yán)格互鎖，同時(shí)要求變頻器始終只與一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)相連。除了在程序中實(shí)現(xiàn)互鎖外，在外部電路中也應(yīng)采用電氣互鎖。圖7控制系統(tǒng)電路圖323PLC外圍接線圖PLC是本系統(tǒng)的核心控制器，供水管網(wǎng)內(nèi)壓力反饋信號(hào)由壓力變送器轉(zhuǎn)換成010V的模擬電壓后傳給PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，經(jīng)PLC分析處理，從而控制水泵電機(jī)工頻和變頻的切換啟動(dòng)和關(guān)閉，PLC的輸出端子Q00至Q05接電氣控制回路的交流接觸器，PLC的三位數(shù)字量輸出端Q07、Q10、Q11與變頻器的數(shù)字信號(hào)輸入端DIN1、DIN2、DIN3連接，變頻器的電壓輸出端與水泵電機(jī)之間由接觸器連接。PLC及擴(kuò)展模塊和變頻器的接線圖如圖8所示。圖8PLC及擴(kuò)展模塊和變頻器接線圖在PLC外圍硬件連接方面，要增加一些保護(hù)設(shè)備。由于輸出太多是和接觸器等元件連接，寄出去的突然斷開(kāi)和閉合會(huì)形成突波并對(duì)PLC的輸出端子造成損壞，因此需要加裝一些保護(hù)裝置，延長(zhǎng)觸點(diǎn)的壽命。由于本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了上位PC機(jī)和觸摸屏監(jiān)控界面，上位PC機(jī)與PLC的通信連接是通過(guò)RS232PPI多主站電纜實(shí)現(xiàn)的，上位機(jī)、PLC及其擴(kuò)展模塊和變頻器的接線圖如圖9所示，觸摸屏與PLC的通信連接是先利用計(jì)算機(jī)將觸摸屏程序通過(guò)S45下載線下載到觸摸屏上，然后通過(guò)S45通信線將觸摸屏與PLC連接，觸摸屏、PLC及其擴(kuò)展模塊和變頻器的接線圖如圖10所示。圖9上位PC機(jī)、PLC及擴(kuò)展模塊和變頻器接線圖圖10觸摸屏、PLC及擴(kuò)展模塊和變頻器接線圖4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)41恒壓供水系統(tǒng)的控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方式分為手動(dòng)控制、自動(dòng)控制兩種方式。在手動(dòng)方式下，各類設(shè)備的控制是根據(jù)PLC手動(dòng)操作面板上的輸入按鈕輸入來(lái)控制，沒(méi)有邏輯限制。在自動(dòng)方式下，進(jìn)行閉環(huán)控制，供水系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到外部傳感器的狀態(tài)對(duì)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)停止、調(diào)速控制。42水泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律水泵自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，要根據(jù)反饋電壓的變化進(jìn)行泵數(shù)的增減、工頻變頻的切換和變頻狀態(tài)下頻率的變化。（1）水泵自動(dòng)運(yùn)行規(guī)律反饋電壓在05V之間變化時(shí)，三臺(tái)水泵電機(jī)在PLC和變頻器的控制下，自動(dòng)切換工作方式以及在變頻狀態(tài)下的頻率變化。當(dāng)反饋電壓很低（005V）時(shí)，三臺(tái)水泵電機(jī)都停止運(yùn)行，當(dāng)反饋電壓很高（46V5V）時(shí)，三臺(tái)水泵電機(jī)也處于停止?fàn)顟B(tài)。（2）3號(hào)泵變頻狀態(tài)運(yùn)行規(guī)律三臺(tái)水泵某一時(shí)刻只能一臺(tái)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，其它水泵根據(jù)實(shí)際情況決定是否工頻運(yùn)行。3號(hào)泵在反饋電壓為1022V范圍變化時(shí)處于變頻運(yùn)行。（3）2號(hào)泵變頻狀態(tài)運(yùn)行規(guī)律當(dāng)反饋電壓在2234V范圍內(nèi)變化時(shí)，2號(hào)泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。（4）1號(hào)泵變頻狀態(tài)運(yùn)行規(guī)律當(dāng)反饋電壓在3446范圍內(nèi)變化時(shí)，1號(hào)泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。43模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的方法在編程時(shí)，反饋電壓的數(shù)值不能用模擬量表示，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，PLC控制器的主機(jī)CPU224才能識(shí)別。來(lái)自用戶官網(wǎng)的水壓力傳感器將其變換成05V的模擬電壓，經(jīng)由PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235轉(zhuǎn)換為032000的數(shù)字量，送到CPU224分析處理。44下位PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)可編程控制器是按照用戶的要求編寫(xiě)程序來(lái)進(jìn)行工作的，程序的表達(dá)方式有四種梯形圖、指令表、邏輯功能圖和高級(jí)語(yǔ)言。大多數(shù)PLC是使用梯形圖和指令表編程。梯形圖是一種圖形語(yǔ)言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，而且加入了許多功能強(qiáng)而使用靈活的指令，將微機(jī)的特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)去，使得編程容易。梯形圖比較形象、直觀，對(duì)于熟悉繼電接觸器控制系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，也容易接受。本供水系統(tǒng)使用的方法就是將控制任務(wù)用梯形圖編程實(shí)現(xiàn)，然后下載至PLC，經(jīng)調(diào)試實(shí)現(xiàn)其功能。441PLC的I/O端口分配本系統(tǒng)的PLC采用西門(mén)子S7200，其控制主機(jī)CPU224有14路輸入，10路輸出。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC的I/O進(jìn)行配置，具體如下（1）數(shù)字量輸入部分I在此控制系統(tǒng)中所需要輸入量基本上都屬于數(shù)字量，主要包括各種控制按鈕、旋鈕等數(shù)字來(lái)輸入，共有12個(gè)數(shù)字輸入量，如表3所示。表3數(shù)字輸入量地址分配序號(hào)輸入地址設(shè)備功能1I00按鈕開(kāi)機(jī)2I01按鈕關(guān)機(jī)3I02按鈕1號(hào)泵啟停4I03按鈕2號(hào)泵啟停5I04按鈕3號(hào)泵啟停6I05按鈕頻率增大7I06按鈕頻率減小8I07按鈕自動(dòng)/手動(dòng)9I10轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1號(hào)變頻/工頻10I11轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2號(hào)變頻/工頻11I12轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)3號(hào)變頻/工頻12I13轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上位機(jī)/控制面板（2）數(shù)