基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

1、南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 基于plc的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計基于plc的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計摘要1第一章 緒論21.1全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)可行性分析21.2全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)控制原理21.3全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍4第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備52.1可編程控制器52.1.1可編程控制器的介紹52.1.2 可編程控制器的特點52.1.3 可編程控制器pid控制原理與特點62.1.4 plc的基本結(jié)構(gòu)和工作原理82.2 4a/d及4d/a擴展模塊112.2.1模擬量輸入模塊fx2n-4ad112.2.2模擬量輸出模塊fx2n-4da132.3變頻器142.3.1變頻器的工作

2、原理及其組成結(jié)構(gòu)142.3.2 變頻控制恒壓供水控制方式162.3.3變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義182.4觸摸屏182.4.1觸摸屏的概述182.4.2觸摸屏的工作原理21第三章 硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計213.1 硬件電路設(shè)計213.1.1工藝過程213.1.2 硬件接線243.1.3 控制電路253.2 plc系統(tǒng)選型263.3系統(tǒng)控制要求及梯形圖程序27第四章 程序的調(diào)試354.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)試內(nèi)容35參考文獻(xiàn)37致謝38摘要本設(shè)計主要是針對城市居民生活用水/消防用水而設(shè)計的，全自動恒壓變頻供水設(shè)備。由plc、變頻器、壓力傳感器、低壓電氣控制臺和水泵等組成。通過plc、變頻器、繼電

3、器、接觸器控制水泵機組運行狀態(tài),實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓變流量供水要求。本文共分為五章。第一章主要介紹本系統(tǒng)的工作原理及特點。第二章介紹了本系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備。第三章講了本系統(tǒng)的硬件電路及軟件程序的設(shè)計。第四章為整個系統(tǒng)的調(diào)試部分。該系統(tǒng)能夠?qū)┧到y(tǒng)進(jìn)行自動控制，有效地降低了能耗，保持系統(tǒng)維持在最佳運行狀態(tài)，保證按需供水。【關(guān)鍵詞】: 恒壓供水，變頻器，plc，4a/d轉(zhuǎn)換器, 4d/a轉(zhuǎn)換器，觸摸屏，壓力傳感器第一章 緒論1.1全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)可行性分析傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度低等缺點，嚴(yán)重影響了居民用水和工業(yè)用水。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人

4、們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)之一。在實際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著

5、的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。但國內(nèi)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步研究改善，使其能夠被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐中。1.2全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)控制原理設(shè)備投入運行前，首先應(yīng)設(shè)定設(shè)備的工作壓力等相關(guān)運行參數(shù)，設(shè)備運行時，由壓力傳感器連續(xù)采集供水管網(wǎng)中的水壓及水壓變化率信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳送至變頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將反饋回來的信號與設(shè)定壓力進(jìn)行比較和運算，如果實際壓力比設(shè)

6、定壓力低，則發(fā)出指令控制水泵加速運行，如果實際壓力比設(shè)定壓力高，則控制水泵減速運行，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時，水泵就維持在該運行頻率上。當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被plc檢測到，變頻器自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵，投入到工頻運行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。若兩臺泵運行仍不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將下一臺泵投入變頻運行。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現(xiàn)；plc首先將工頻運行的泵停掉，以減

7、少供水量。當(dāng)上述兩個信號仍存在時，plc再停下一臺工頻運行的泵，直到最后一臺泵用主變頻器恒壓供水。如果一臺泵連續(xù)運行時間超過3小時，則切換下一臺泵，避免了某一臺泵工作時間過長，確保了泵的可靠壽命，進(jìn)一步提高了工作效率，節(jié)約了能源。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機、供水管網(wǎng)、儲水箱、(智能pid調(diào)節(jié)器)、壓力變送器、plc控制單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖1-1所示。其中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時變頻器還可作為電機軟啟動裝置，限制電機的啟動電流。壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓。智能pid調(diào)節(jié)器實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的plc調(diào)節(jié)。plc

8、控制單元則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是變頻器的驅(qū)動控制，根據(jù)用水量的實際變化，自動調(diào)整其它工頻泵的運行臺數(shù)。變頻器和plc的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機實現(xiàn)變頻軟啟動,消除了對電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機械設(shè)備的沖擊，延長機電設(shè)備的使用壽命。按鈕變頻器信號水位信號等plc設(shè)定壓力智能pid調(diào)節(jié)器變頻器電機一水泵水壓壓力變送器圖1-1恒壓供水系統(tǒng)控制原理框圖一智能pid調(diào)節(jié)器屬于plc擴展模塊，可以與adda模塊一起使用，得到過程控制模塊的效果。同時它的功能可以被變頻器的某些功能代替，達(dá)到同樣的控制效果。其控制原理圖如圖1-2所示。圖1-2恒壓供水系統(tǒng)控制原理框圖二1.3全自動變頻

9、恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍1、系統(tǒng)特點:(1)高效節(jié)能。按需要設(shè)定供水壓力，根據(jù)管網(wǎng)用水量來變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終在高效率工況下運行，同普通的無塔供水設(shè)備相比，節(jié)能效果達(dá)到20。(2)對電網(wǎng)沖擊小，保護(hù)功能完善。消除了水泵電機直接起動時對電網(wǎng)的沖擊和干擾，并且設(shè)備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、 過熱等多種保護(hù)功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。 (3)人機界面觸摸面板操作，設(shè)計參數(shù)靈活方便?？伸`活設(shè)定頻率下限，加速時間、減速時間、換泵時間等各種工作參數(shù)，能夠顯示系統(tǒng)運行時間，查閱各種故障原因。(4)定時喚醒功能。由于系統(tǒng)是根據(jù)管網(wǎng)用水量的多少來決定投入運行水泵的臺

10、數(shù)，所以當(dāng)用水量長期在某一小范圍內(nèi)變化時就會使得某臺水泵長期運行而磨損嚴(yán)重，而其他水泵長期不使用造成生銹，設(shè)定本功能后則可方便的解決該問題。對于同流量的多臺水泵，為使各泵平均工作時間相同，須設(shè)置定時換泵功能。在設(shè)定了定時換泵功能后，當(dāng)一臺變量泵連續(xù)工作時間超過設(shè)定值后，且有變量泵處于“休息”狀態(tài)，則變頻器自動切換啟動“休息”時間最長的變量泵，并停止原變量泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。換泵時間可任意設(shè)定。(5)當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻運行，確保供水不間斷。突然停電后再來電，設(shè)備能夠自動啟動運行。 2、適用范圍: 廣泛應(yīng)用于居民區(qū)、賓館及其它公共建筑的生活用水、鍋

11、爐補給水，加壓泵站、各類工礦企業(yè)的生產(chǎn)用水、消防用水、鍋爐恒壓補水、輸油管道增壓、注水系統(tǒng)、農(nóng)田灌溉等。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備2.1可編程控制器2.1.1可編程控制器的介紹最初，可編程邏輯控制器（programmable logic controller）簡稱plc,主要用于順序控制，雖然采用了計算機的設(shè)計思想，但是實際上只能進(jìn)行邏輯運算。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，plc的功能不斷擴展和完善，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了邏輯控制和順序控制的范圍，具備了模擬量的控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強大的功能。國際電工委員會（iec）于1987年對plc定義為：plc是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)

12、字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行命令，進(jìn)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)等的操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程。plc及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易于擴展其功能的原則設(shè)計。事實上，plc就是以嵌入式cpu為核心，配以i/o等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。因此，plc實際上就是：“工業(yè)專用計算機”2.1.2 可編程控制器的特點1、可靠性高，抗干擾能力強高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有

13、很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的f系列plc平均無故障時間高達(dá)30萬小時。一些使用冗余cpu的plc的平均無故障工作時間則更長。從plc的機外電路來說，使用plc構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，plc帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除plc以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齊全，功能完善，適用性強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。可以用于各種規(guī)

14、模的工業(yè)控制場合。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通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用plc組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。3、易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎plc作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用plc的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)

15、控制打開了方便之門。4、系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造plc用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護(hù)也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。5、體積小，重量輕，能耗低以超小型plc為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。2.1.3 可編程控制器pid控制原理與特點在工程實際中，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，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid

16、控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不能完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術(shù)。pid控制，實際中也有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、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。(1)比例（p）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比

17、例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（steady-stateerror）。(2)積分（i）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（systemwithsteady-stateerror）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動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。(3)微分（d）控

18、制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）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，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”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，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)。所以對有較大慣性或

19、滯后的被控對象，比例 微分（pd）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。現(xiàn)在很多中小型plc都提供pid控制用的功能指令，如fx2n系列plc的pid指令，它實際上是用于pid控制的子程序，與adda模塊一起使用，可以得到過程控制模塊的效果。fx2n的pid功能指令說明如圖2-1所示。圖2-1 pid功能指令說明2.1.4 plc的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、plc的基本結(jié)構(gòu)(1).plc的硬件組成可編程控制器主要由微處理器(cpu)、存儲器(ram、rom)、輸入輸出接口(i/o)、電源和編程器等幾個部分組成。plc硬件結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2 plc硬件結(jié)構(gòu)、微處理器（cpu）cpu是pl

20、c的運算控制中心，plc在cpu的控制下，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，執(zhí)行監(jiān)控程序，進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)備的控制。、存儲器可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器(rom)和用戶存儲器(ram)。系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序。用戶存儲器：存放用戶編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)。、輸入輸出接口輸入輸出接口是plc和現(xiàn)場輸入與輸出設(shè)備連接的部分。a)輸入接口 輸入接口電路用來接收和采集現(xiàn)場輸入信號，輸入回路中公共點com通過輸入元件連接到對應(yīng)的輸入點上，再通過輸入繼電器將輸入元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成cpu能夠識別和處理的信號，并存儲到輸入映像寄存器中。plc輸入回路接線

21、如圖2-3所示。圖2-3 plc輸入回路接線b)輸出接口 輸出接口電路就是plc的負(fù)載驅(qū)動回路，通過輸出接口，將負(fù)載和負(fù)載電源連接成一個回路，這樣負(fù)載就由plc輸出接口的on/off進(jìn)行控制，輸出接口為on時，負(fù)載得到驅(qū)動。plc輸出回路接線如圖2-4所示。圖2-4 plc輸出回路接線 (2).plc的軟件組成plc的軟件由系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶軟件程序組成。1)系統(tǒng)監(jiān)控程序是每一臺plc必須包括的部分，是由plc的制造者編制的，用于控制plc本身的運行。系統(tǒng)監(jiān)控程序分成管理程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序或系統(tǒng)調(diào)用子程序。2)用戶程序是plc的使用者編制的針對控制問題的程序。它是用梯形圖或某種p

22、lc指令助記符編制而成的，可以是梯形圖、指令表、高級語言、匯編語言等，其助記符形式plc型號的不同而略有不同。用戶程序是線性地存儲在系統(tǒng)監(jiān)控程序指令的存儲空間內(nèi)的，它的最大容量也是由監(jiān)控程序限制的。2、plc的工作原理(1)plc控制邏輯的實現(xiàn)plc是一種工業(yè)控制計算機，其工作原理是建立在計算機工作原理之上的，是通過執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制的。由于計算機在每一瞬間只能做一件事，其cpu是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，所以程序的執(zhí)行時按順序依次完成相應(yīng)的動作，這便形成時間上的串行，即串行工作方式。(2)plc的工作方式采用循環(huán)掃描方式。在plc處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、

23、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。注意：由于plc是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。plc循環(huán)掃描過程如圖2-5所示。內(nèi)部處理通信操作輸入處理程序執(zhí)行輸出處理停止 圖2-5 plc循環(huán)掃描過程 (3)plc的工作過程plc的工作過程主要分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。1）內(nèi)部處理階段在此階段，plc檢查cpu模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器，以及完成一些其它內(nèi)部工作。2）通信服務(wù)階段在此階段，plc與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容

24、等，當(dāng)plc處于停狀態(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。3）輸入處理輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進(jìn)入程序的執(zhí)行階段。4）程序執(zhí)行根據(jù)plc梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。若用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，plc從輸入映象寄存器中讀出上一階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應(yīng)映象寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。5）輸出處理程序執(zhí)行完畢

25、后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。2.2 4a/d及4d/a擴展模塊2.2.1模擬量輸入模塊fx2n-4ad1、fx2n4ad的功能fx2n4ad是fx系列plc的模擬量輸入模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。即將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給plc,以實現(xiàn)對過程參數(shù)的控制。2、fx2n4ad的外部接線fx2n-4ad外部接線如圖2-6所示。圖中模擬量信號采用雙絞屏蔽電纜輸入fx2n4ad中，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸入電壓有

26、波動，或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個0.10.47uf的平滑電容。fx2n-4ad的4個輸入通道（ch1ch4）通過輸入端子接線，可以選擇為電壓輸入或電流輸入。如果是電流輸入，應(yīng)將端子v+和i+連接。fx2n-4ad接地端應(yīng)與plc主單位接地端連接，如果存在過多的電氣干擾，還應(yīng)將外殼地端fg和fx2n-4ad接地端連接。其外部接線如圖2-6所示。圖2-6 fx2n-4ad外部接線在a/d轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是時間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，而輸出的則是時間上，幅值上均離散的數(shù)字量，因此，要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字時需經(jīng)采樣、保持、量化、編碼四個步驟。a/d轉(zhuǎn)換原理框圖如圖2-7所示。數(shù)字量編碼量

27、化保持采樣模擬量圖2-7 a/d轉(zhuǎn)換原理框圖2.2.2模擬量輸出模塊fx2n-4da1、fx2n4da的功能fx2n4da是fx系列plc的模擬量輸出模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換，即將plc處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，以實現(xiàn)對現(xiàn)場過程參數(shù)的控制。2、fx2n-4da的外部接線fx2n4da的外部接線如圖2-8所示。圖中模擬量輸出信號采用雙絞屏蔽電纜傳輸，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸出電壓波動或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個0.10.47uf的平滑電容。fx2n4da的4個輸出通道（ch1ch4）通道輸出端子接線，可以獨立的選擇為電壓輸出

28、或電流輸出。電壓輸出端子為v+和vi-；電流輸出端子i+和vi-。fx2n4da接地端應(yīng)與plc主單元接地端連接；雙絞屏蔽電纜應(yīng)在負(fù)載端使用單點接地。其外部接線如圖2-8所示。圖2-8 fx2n4da的外部接線在d/a轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是幅值上均離散的數(shù)字量，輸出的是時間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，因此，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量時需經(jīng)控制對象、檢測對象、a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)字系統(tǒng)、d/a轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機構(gòu)六個步驟。d/a轉(zhuǎn)換原理框圖如圖2-9所示。執(zhí)行機構(gòu)d/a轉(zhuǎn)換數(shù)字系統(tǒng)a/d轉(zhuǎn)換檢測對象控制對象 圖2-9 d/a轉(zhuǎn)換原理框圖2.3變頻器2.3.1變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu)從頻率變換的形式來說，變頻器

29、分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-10所示.控制指令中間直流環(huán)節(jié)ac控制指令控制指令網(wǎng)側(cè)變流器整流器逆變器acm運行指令圖 2-10 變頻器基本結(jié)構(gòu)由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下：（1）整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是單相)交流整流成直流。（2）直流中間電路 直流中

30、間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負(fù)載多為異步電動機，屬于感性負(fù)載。無論是電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。（3）逆變器 負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。（4）控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路

31、、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護(hù)功能?？刂齐娐肥亲冾l器的核心部分，其性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成直流中間電路的儲能元件在整流電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出?，F(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數(shù)字化控制為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件

32、保障。2.3.2 變頻控制恒壓供水控制方式眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即n=kn3 n：為水泵消耗功率；n：為水泵運行時的轉(zhuǎn)速；k為比例系數(shù)。而水泵設(shè)計是按工頻運行時設(shè)計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及微機技術(shù)有微機控制，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%-40%。目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的供水設(shè)備電控柜，除采用落后繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：邏輯電子電路控制方式、單片微機電路控制方式、帶pid回路調(diào)節(jié)器或可編程序控

33、制器（plc）的控制方式和新型變頻調(diào)速供水設(shè)備。變頻控制恒壓供水的控制方式是帶有pid回路調(diào)節(jié)器和可編程序控制器（plc）的控制方式。該方式中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部pid控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入pid回路調(diào)節(jié)器，由pid回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或p

34、id回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊pwm調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鞯某杀緵]有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入/輸出的可編程控制器和一個pid回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，pid控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2

35、.3.3變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成的。變頻器的接口組成如圖2-11所示。圖2-11 變頻器的接口組成我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：n 60 f(1 s)/p (1) 式中 n 異步電動機的轉(zhuǎn)速； f 異步電動機的頻率； s 電動機轉(zhuǎn)差率； p 電動機極對數(shù)。 由式 (1) 可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0 50hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的

36、高效率、高性能的調(diào)速手段。2.4觸摸屏2.4.1觸摸屏的概述隨著多媒體信息查詢的與日俱增，人們越來越多地談到觸摸屏，因為觸摸屏不僅適用于中國多媒體信息查詢的國情，而且觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、易于交流等許多優(yōu)點。利用這種技術(shù)，我們用戶只要用手指輕輕地碰計算機顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機操作，從而使人機交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)大大方便了那些不懂電腦操作的用戶。 觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。觸摸屏在我國的應(yīng)用范圍非常廣闊，主要是公共信息的查詢；如電信局、稅務(wù)局、

37、銀行、電力等部門的業(yè)務(wù)查詢；城市街頭的信息查詢；此外應(yīng)用于領(lǐng)導(dǎo)辦公、工業(yè)控制、軍事指揮、電子游戲、點歌點菜、多媒體教學(xué)、房地產(chǎn)預(yù)售等。將來，觸摸屏還要走入家庭。觸摸屏人機界面是在操作人員和機器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字，按鈕，圖形，數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時可能變化信息的多功能顯示屏幕。隨著機械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需要由熟練的操作人員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機界面能夠明確指示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變得簡單生動，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個機器設(shè)備。使用人機界面還可以使機器的配線標(biāo)準(zhǔn)化，

38、簡單化，同時也能減少plc控制所需的i/o點數(shù)，降低生產(chǎn)成本同時由面板控制的小型化及高性能，相對提高了整套設(shè)備的附加價。2.4.2觸摸屏的工作原理為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標(biāo)或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標(biāo)或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器；而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標(biāo)，再送給cpu，它同時能接收cpu發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。全自動變頻恒壓供水觸摸屏實物圖和

39、控制圖分別如圖2-12、2-13所示。圖2-12 全自動變頻恒壓供水觸摸屏實物圖圖2-13 全自動變頻恒壓供水觸摸屏控制圖1#泵、2#泵3#泵都有與之對應(yīng)的工作指示燈;變頻器頻率是通過模擬量給plc,plc在傳到觸摸屏里的;系統(tǒng)壓力設(shè)定是根據(jù)所需壓力來定的;啟動、停止按鈕是來控制系統(tǒng)得/失電狀態(tài)。第三章 硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計3.1 硬件電路設(shè)計3.1.1工藝過程由三臺泵組構(gòu)成的生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)的實例。如圖3-1所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器eq來控制注誰閥yv1，自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水池注水。水池的高/低水位信號也直接送給plc，作為高/低水位報警

40、。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離較小。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥yv2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，維持生活用水低恒壓。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥yv2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值。火災(zāi)結(jié)束后，三臺泵再改為生活用水。圖3-1 生活、消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)構(gòu)成圖3.1.2 硬件接線1. plc輸入輸出設(shè)備的外部接線圖如圖3-2 plc及擴展模塊外圍接線圖?；馂?zāi)時，火災(zāi)信號sa1被觸動，x000為1。本例忽略了以下因素：(1) 直流電源容量(2) 電源方面的抗干擾措施(3) 輸出方面的

41、保護(hù)措施(4) 系統(tǒng)保護(hù)措施(5)圖3-2 恒壓供水控制系統(tǒng)plc及擴展模塊外圍接線2、控制系統(tǒng)主電路圖3-3 控制系統(tǒng)主電路如圖3-3,接觸器km1、km3及km5用于電動機的工頻控制；接觸器km2、km4及km6用于電動機的變頻控制。fr1,fr2,fr3分別為三臺水泵的電動機過載保護(hù)用的熱繼電器。3.1.3 控制電路 如圖3-4為電控系統(tǒng)控制電路圖。途中sa為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，sa打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的位置為制動控制。手動運行時，可用按鈕sb1-sb6控制三臺泵的啟動/停止和電磁閥yv2的通/斷；自動運行時，系統(tǒng)在plc程序下運行。圖3-4 系統(tǒng)控制電路3.2 plc系統(tǒng)

42、選型全自動變頻恒壓供水電氣控制系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量輸入點1個、模擬量輸出點1個。選用三菱fx2n-32mr一臺、加上一臺模擬量輸入擴展模塊fx2n-4ad、一臺模擬量輸出擴展模塊fx2n-4da構(gòu)成系統(tǒng)。整個plc系統(tǒng)的配置如圖3-5所示。主機單元-32mr模擬量輸出模塊-4da模擬量輸入模塊-4ad圖3-5 plc系統(tǒng)組成3.3系統(tǒng)控制要求及梯形圖程序1、泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：(1)生活用水時，系統(tǒng)低恒壓值運行，消防供水時高恒壓值運行。(2)三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。(3)在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時

43、間超過3h，則要切換下一臺泵。即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺工作時間過長。(4)三臺泵在啟動時都需要有軟啟動功能。(5)要有完善的報警系統(tǒng)。(6)操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。2、信號分配如表3-1所示。表3-1 i/o信號分配表輸入（i）元件功能信號地址開關(guān)sa1手動/自動消防信號x0低水位傳感器sll水池水位下限信號x1高水位傳感器slh水池水位上限信號x2變頻器報警su變頻器報警信號x3按鈕sb9消鈴x4按鈕sb10試燈x5壓力傳感器up測取水壓模擬量輸入模塊通道1輸出（o）接觸器km1指示燈hl11號泵工頻運行接觸器及指示y0接觸器km2指示燈hl21號泵變頻

44、運行接觸器及指示y1接觸器km3指示燈hl32號泵工頻運行接觸器及指示y2接觸器km4指示燈hl42號泵變頻運行接觸器及指示y3接觸器km5指示燈hl53號泵工頻運行接觸器及指示y4接觸器km6指示燈hl63號泵變頻運行接觸器及指示y5電磁閥yv2生活/消防供水轉(zhuǎn)換y10指示燈hl7水池水位下限報警y11指示燈hl8變頻器故障報警y12指示燈hl9火災(zāi)報警y13電鈴ha報警y14繼電器ka變頻器頻率復(fù)位控制y15模擬量模塊電壓輸出控制變頻器頻率用電壓信號模擬量輸出模塊電壓通道 3、梯形圖程序向蓄水池注水上電初始化調(diào)初始化子程序消防/生活供水壓力給定值設(shè)定上電和故障結(jié)束時重新激活變頻泵號存儲器變

45、頻器故障上限時增泵濾波符合增泵條件時，工頻泵運行數(shù)加1頻率下限時，減泵濾波符合減泵條件時工頻泵運行數(shù)減1變頻增泵或減泵時置位m20復(fù)位變頻器頻率，為軟啟動作準(zhǔn)備產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前變頻泵脈沖信號變頻泵號加1產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號復(fù)位變頻置位工頻產(chǎn)生下一臺泵變頻運行啟動信號變頻工作泵的泵號轉(zhuǎn)移變頻泵號加1產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號產(chǎn)生下一臺泵變頻運行啟動信號變頻工作泵的泵號轉(zhuǎn)移一臺變頻泵運行持續(xù)3h時間到，則產(chǎn)生下一臺泵的變頻啟動信號有工頻泵運行時，復(fù)位d1901號泵變頻運行控制邏輯2號泵變頻運行控制邏輯1號泵工頻運行控制邏輯2號泵工頻運行控制邏輯3號泵工頻運行控制邏輯水災(zāi)時，閥yv2打開水池低水位

46、信號處理變頻器故障信號燈火災(zāi)指示燈3號泵變頻運行控制邏輯1號泵工頻運行控制邏輯2號泵工頻運行控制邏輯3號泵工頻運行控制邏輯火災(zāi)時，閥yv2打開水池低水位信號處理水池水位下限信號燈變頻器故障信號燈水災(zāi)指示燈水池水位下限信號報警變頻器故障消鈴邏輯水災(zāi)消鈴邏輯報警電鈴故障信號及故障處理結(jié)束主程序結(jié)束初始化子程序中斷程序4、程序中使用的plc元件及其功能見表3-2。表 3-2 程序中使用的plc元件及其功能器件地址功能器件地址功能d100目標(biāo)值t37工頻泵增泵濾波時間控制d102檢測值t38工頻泵減泵濾波時間控制d110采樣時間t39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d111動作時間m10故障結(jié)束脈沖信號d112

47、輸入濾波常數(shù)m11泵變頻啟動脈沖d113比例增益m12減泵脈沖d114積分時間m13換泵變頻啟動脈沖d115微分增益m14復(fù)位當(dāng)前變頻泵運行脈沖d116微分時間m15當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖d150變頻運行頻率下限值m16下一臺泵變頻啟動脈沖d160生活供水變頻運行頻率上限值m20泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d162消防供水變頻運行頻率上限值m21泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d180pi調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元m22泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d182變頻工作泵的泵號m30故障信號匯總d184工頻運行泵的總臺數(shù)m31水池水位下限故障邏輯d190換泵時間存儲器m32水池水位下限故障消鈴邏輯t33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制

48、m33變頻器故障消鈴邏輯t34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制m34火災(zāi)消鈴邏輯第四章 程序的調(diào)試4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)試內(nèi)容調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及相應(yīng)的解決方案1、計算機傳入plc或在程序運行時經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，或無法傳入。程序在編寫或輸入時有誤、編程電纜選用錯誤等，通過plc診斷發(fā)現(xiàn)錯誤所在，根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的修改。2、在程序輸入后系統(tǒng)運行，交流接觸器不吸合通過程序監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，y0得電但接觸器常開觸點不吸合，說明了接觸器線圈沒得電，需將交流24v電源接入接觸器線圈。3、變頻器沒有頻率顯示接線時沒有給變頻器一個啟動信號，此次試驗給變頻器的輸入信號是電壓信號，接變頻器的5、10兩個端子，將stf或str與公共端子com連接作為啟動信號。4、變頻器的啟動頻率值設(shè)定過小，系統(tǒng)