【基于PLC的景觀建筑供水水泵控制系統(tǒng)設(shè)計7000字（論文）】

基于PLC的景觀建筑供水水泵控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u2141基于PLC的景觀建筑供水水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 [摘要]隨著生活水準(zhǔn)的積極改善，生存環(huán)境變得越來越美觀精致，山水景觀是人們生活中不可缺少的水系景觀。基本上，公共場合所有建筑樣式，它們單單在大小不同。本設(shè)計細(xì)節(jié)是一種建筑瀑布供水水泵的設(shè)計。本設(shè)計采用PLC和變頻器對水泵的頻率進(jìn)行完全控制。這個設(shè)計的想法是根據(jù)音樂的聲音音量來主動控制瀑布的大小。音頻信號是由PLC互相轉(zhuǎn)換為脈沖信號送入變頻器,所以,使變頻器的頻率輸出隨著音頻信號的變化而變動,這樣就對水泵進(jìn)行了調(diào)速、供水的體積改變和瀑布的大小。目的隨著音樂的變化而變動。采用變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有穩(wěn)定的優(yōu)點突出，適用于大多數(shù)需要調(diào)速的公眾場合。這是一種成熟技術(shù)的方法。因此，利用PLC對水泵的供水進(jìn)行強制控制，既方便又高效。[關(guān)鍵詞]變頻器變頻調(diào)速PLC一、緒論（一）課題研究設(shè)計的目的和意義人工造景的特殊造景，其造景效果干凈漂亮。在高層建筑壁上制造一個瀑布。瀑布隨著音樂的節(jié)奏速度而改變水流。景觀效果是其他人工景觀所無法比擬的。首先，技術(shù)實現(xiàn)PLC控制技術(shù)，設(shè)計本課題的操作系統(tǒng)。然后應(yīng)用擴(kuò)展變頻技術(shù)。將來自音頻播放器的音頻信號選擇輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊，PLC輸出脈沖來加強控制水泵的額定轉(zhuǎn)速，瀑布的流量會隨著音樂的高低而變化[1]。在設(shè)計時應(yīng)注意:核心設(shè)備的基礎(chǔ)性能和成本;操作系統(tǒng)的安全系數(shù)和可伸縮性。該系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用更加可靠穩(wěn)定。（二）系統(tǒng)設(shè)計的來源某景區(qū)景點要建設(shè)了一個藝術(shù)性建筑。當(dāng)它打開時，隨著音樂的節(jié)奏把握，水從現(xiàn)代建筑的頂部流下，形成一個人工瀑布。有了光的改善效果，是美不勝收的觀賞目的。建筑頂部的水是由水泵壓力變化供水的，因此有必要設(shè)計一個水泵控制系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)采用PLC統(tǒng)一控制，水泵由變頻器啟動，變頻器通過改變頻率來改變水的輸出。（三）系統(tǒng)設(shè)計的要求（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須方便簡潔，所使用的運輸機(jī)械必須安全便捷，具有數(shù)據(jù)通信功能，能夠轉(zhuǎn)換其他啟動信號，能夠與設(shè)備連接進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)[3]。（2）可編程控制器的編程工具非常健全完善，包含了許多控制命令。易于監(jiān)控和維護(hù)，系統(tǒng)運行參數(shù)維持穩(wěn)定。（3）系統(tǒng)的運行有較高的安全系數(shù)，利于操作，能夠完善設(shè)計目的[4]。（四）系統(tǒng)設(shè)計思想該系統(tǒng)將可編程控制器、水泵和變頻器按其不同的功能集合在一起。PLC控制系統(tǒng)運行的實用功能，A/D轉(zhuǎn)換器將音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸出脈沖輸入到變頻器。逆變器的輸出頻率改變泵的供水水量[5]。在本次設(shè)計的水泵供水控制系統(tǒng)中，以可編程控制器為主裝置，變頻器為驅(qū)動裝置。該泵在調(diào)試過程中沒有指數(shù)波動，可以去除涌流的形成，從而不影響電網(wǎng)系統(tǒng)。降低了泵的工作電壓，可顯著增加實際工作時間。系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和調(diào)試也很實用簡單。采用可編程控制器作為水泵供水系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，既能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，又具有安全系數(shù)高、操作方便等優(yōu)點突出。系統(tǒng)流程圖如圖1-1所示，結(jié)構(gòu)圖在圖表目錄中。圖1-1系統(tǒng)流程圖（五）方案確定水泵供水系統(tǒng)由可編程控制器、a/D輸出端子、變頻器、水泵等部分組合而成。在系統(tǒng)中，可編程控制器控制變頻器的頻率輸出，快速改變供水的大小?！翱删幊炭刂破?A/D轉(zhuǎn)換模塊+變頻器+水泵”軟件功能豐富。可編程控制器和逆變器都安排了一個串行通信傳輸端口，可以集中處置信息。可編程控制器通常有一個位置固定的系列，可以增添幾個模擬模塊。用戶可以根據(jù)不同的設(shè)計動機(jī)進(jìn)行選擇比較。在控制機(jī)械設(shè)備時，根據(jù)功能需求I/O接線和程序運作，可編程控制器不容易受到干擾，穩(wěn)定性能好，因此使用可編程控制器的運行系統(tǒng)非常安全有保障。采用該優(yōu)化方案的優(yōu)點是泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，數(shù)據(jù)傳輸不受約束。因此，本研究主題選擇使用可編程控制器對系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)控制[6]。二、硬件設(shè)備（一）可編程控制器1.PLC的概述PLC的本質(zhì)意義是微型處理器，系統(tǒng)采用微繼電器控制。全面解決工業(yè)制造的控制問題?？删幊炭刂破鞯臄?shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲中，繼電器用于控制各種產(chǎn)品?，F(xiàn)代通信技術(shù)與傳統(tǒng)繼電器觸點控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了線路連接簡單、性能穩(wěn)定、集成度高的可編程控制器。充分利用微處理器，電源設(shè)備人員操作和巡檢人員。提供，特別是編程思維可編程序控制器。沒有必要學(xué)習(xí)計算機(jī)編程語言的專業(yè)理論。使用一系列簡易的梯形圖作為程序流程是非常實用的[7]。2.PLC的基本構(gòu)成通常在一個PLC中，CPU模塊組成是它的“大腦”，電源模塊是它的“血液細(xì)胞”，I/O模塊是它的“手臂”，因此它成為一個系統(tǒng)配合的實時處理中心?？删幊炭刂破骶哂幸韵聝?yōu)勢特點:易于人工安裝，占地面積小，功耗低，能夠在系統(tǒng)整體中進(jìn)行錯誤診斷，可以在具體項目中多次使用。今天，雖然PLC的行走速度、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)運算能力等各種功能都得到了高度優(yōu)化，但PLC仍然堅持著簡單操作的最終目的[8]。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1PLC結(jié)構(gòu)圖3.PLC的編程與調(diào)試可編程控制器的尺寸規(guī)格是種類繁多的，各種可編程控制器都擁有各自的運營體系，它們分別有著各自特殊定制的使用方法，但是它們的設(shè)計都是一個簡單方式，程序的內(nèi)容編寫以及在線編譯如下：I/O接線圖的整體設(shè)計，將處理程序和現(xiàn)場高度結(jié)合，設(shè)計接線原理圖。編寫PLC程序梯形圖和匯編指令，根據(jù)現(xiàn)場制造工藝的嚴(yán)格要求，使用編程環(huán)境將加工工藝寫成PLC梯形圖，并將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令表。（3）編程和在線調(diào)試安裝時，用配套的數(shù)據(jù)下載電纜將計算機(jī)和可編程控制器緊密連接起來，然后將程序下載到可編程控制器上運行文件。PLC輸入連接信號，輸出位置連接元件，開始調(diào)試。4.PLC的工作過程打開可編程控制器，系統(tǒng)固定檢查程序輸入，反復(fù)掃描任務(wù)，并執(zhí)行結(jié)果。這就是連續(xù)掃描的過程。（1）恢復(fù)初值。給可編程控制器電源接通，先將系統(tǒng)恢復(fù)出廠值，將內(nèi)部的元件連接復(fù)位。（2）CPU常規(guī)檢測。可編程控制器每次掃描鈔票時，都要檢查電源連接、PLC電氣系統(tǒng)、程序規(guī)定是否出錯。確保系統(tǒng)能夠完成任務(wù)。（3）通訊技術(shù)檢測。對每個與可編程控制器有數(shù)據(jù)通信的設(shè)備進(jìn)行模擬通訊，切實保證通訊正常。（4）接收關(guān)于外部設(shè)備的信息?？删幊炭刂破髟诿看螔呙钑r從其他設(shè)備接收信息，因此人們可以檢測和更改數(shù)據(jù)。部署數(shù)據(jù)更新。（5）執(zhí)行?？删幊炭刂破髟诜€(wěn)定運行時，每次直接識別完畢都會運算結(jié)果。（6）刷新?？删幊炭刂破鞣€(wěn)定運行時，每次掃描都會解決輸入和輸出的問題。把輸入信號和輸出結(jié)果，通過掃描輸入到映像區(qū)中，最后將命令發(fā)給機(jī)械設(shè)備。（二）變頻器1.變頻器概述微電子技術(shù)和變頻壓縮機(jī)的探索研究是變頻器生產(chǎn)的價值核心。通過改變變頻器輸出端的固定頻率，即改變電機(jī)的輸入頻率，同步完成電機(jī)的啟動和最佳轉(zhuǎn)速。變頻器把工廠用電的頻率轉(zhuǎn)換成了我們所需要頻率，從而可以完成對電機(jī)速度控制的根本目的，也就是對電動機(jī)展開調(diào)速[9]。變頻器是軟啟動模式的電壓和頻率穩(wěn)步增加一定構(gòu)成比例,滑移的變化在整個生產(chǎn)過程中不可能發(fā)生,這是非常有益于順利啟動引擎,所以電機(jī)的開始消除。電機(jī)啟動時，電流影響電網(wǎng)，消除了啟動時電源的損耗，還可以控制電機(jī)的啟動速度。變頻器是通過應(yīng)用于直流電機(jī)而慢慢發(fā)展和發(fā)展起來的;如正反轉(zhuǎn)等因素限制了直流電動機(jī)的運轉(zhuǎn)，因此高速旋轉(zhuǎn)的功能無法實現(xiàn)，但異步電機(jī)的應(yīng)用，上述限制根本不存在，可以運行在非常高的速度。在用變頻器控制電機(jī)時，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)很容易實現(xiàn)。在變頻器中有一個變頻器管。它只需要改變合閘和開閘的順序，就可以因誤交換而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。發(fā)動機(jī)燒壞的問題并不存在。這樣，變頻器的啟停十分容易。直流制動器的功能使逆變器可以快速適應(yīng)不同的環(huán)境。2.變頻器的基本構(gòu)造變頻器的基本構(gòu)造圖如2-2所示。圖2-2變頻器基本構(gòu)造圖3.變頻器的特點（1）無極調(diào)速：在整個調(diào)速范圍內(nèi)保持電機(jī)平穩(wěn)運行。使速度控制更準(zhǔn)確有效。（2）啟動平穩(wěn)，啟動時涌流大幅減小，電網(wǎng)內(nèi)波動幅度明顯減小，發(fā)動機(jī)啟動階段更加平穩(wěn)高效。（3）具有多個信號輸入輸出端口，可接收和發(fā)送模擬信號、數(shù)字信號、電流、電壓信號，并可方便地連接到通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。（4）電機(jī)正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換不需要通過外置開關(guān)進(jìn)行切換。（5）為了顯著提高工作效率，在機(jī)械設(shè)備改變頻率時，可以改變變頻器的輸出頻率[10]。三、設(shè)備選型（一）系統(tǒng)的構(gòu)成該系統(tǒng)由帶a/D轉(zhuǎn)換模塊的可編程控制器、兩個變頻器、兩個水泵等組成。供水系統(tǒng)由以下單元組成。1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)它由水泵和管道構(gòu)成，用來為建筑頂端供水。2.信號檢測當(dāng)系統(tǒng)處于有源狀態(tài)時，音頻輸入信號和逆變器將信號傳輸給可編程控制器進(jìn)行檢測。可編程控制器的內(nèi)部命令將音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。逆變器給出系統(tǒng)故障信號。3.控制系統(tǒng)它是本次設(shè)計的操作系統(tǒng)中最重要的部分?？刂葡到y(tǒng)接收外部按鈕信號和其他設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，分析后根據(jù)程序?qū)Ρ眠M(jìn)行控制。4.通訊接口在本次設(shè)計的操作系統(tǒng)中，通信接口起著非常重要的作用。通過將各數(shù)據(jù)接口連接到可編程控制器上，可以將可編程控制器、人機(jī)界面和系統(tǒng)中變頻器的數(shù)據(jù)相互傳輸。5.報警裝置報警裝置在任何操作系統(tǒng)中都是不可或缺的。該操作系統(tǒng)可用于各種行業(yè)。為了防止系統(tǒng)發(fā)生故障而造成更大的損失，系統(tǒng)必須有報警裝置，變頻器可以實時監(jiān)控泵的工作過程，保護(hù)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)移到HMI和顯示在HMI上。便于維修。（二）水泵的選擇與參數(shù)在選擇水泵的時候，一定要能夠保證水泵的平穩(wěn)運行，并且長時間使用后，能夠有非常明顯的節(jié)能效果。本設(shè)計根據(jù)某建筑用水量數(shù)據(jù)，與本設(shè)計進(jìn)行比較，確定本系統(tǒng)水泵必須符合:(1)每次用水泵送水到樓頂，流量約45立方米，電梯約30米。(2)為了能欣賞到通暢的景觀，并在工作期間維護(hù)水泵，必須有備用水泵在場。(3)完善的過載保護(hù)和運行性能。為滿足上述要求，決定采用ISG80-160-7.5KW水泵機(jī)組2臺。參數(shù)如表3-1所示：表3-1水泵參數(shù)表額定電壓功率工作溫度流量頻率揚程380V7.5KW90℃50m3/h50Hz32m（三）PLC選型及參數(shù)可編輯控制器是這個系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的作用是：(1)輸入信號采集(2)輸出單元控制(3)外部數(shù)據(jù)交換。在選擇可編程控制器時，應(yīng)考慮可編程控制器的以下條件:(1)執(zhí)行速度和指令的豐富性;(2)內(nèi)存空間大小;(3)通信接口和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議;(4)適合安裝級聯(lián)模塊。本系統(tǒng)中需要直接控制的設(shè)備只有變頻器，所以選用的可編程控制器為永宏FBs-20MA,A/D轉(zhuǎn)換模塊為選用的永宏FBs-4A2D模塊，通過級聯(lián)口組合在一起。永宏FBs-20MA可編程控制器占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，適用于多種操作系統(tǒng)。這個設(shè)計應(yīng)該使用6個輸入點,其中兩個連接到水泵的啟動按鈕,兩個點連接到水泵的停止按鈕,連接到浮動,一個點連接到緊急停止按鈕和一個點連接到音頻輸入。3個起始點，其中2個分別連接到兩個逆變器的起始端，1個用于脈沖輸入到逆變器。它還有一個I/O擴(kuò)展插孔，可以連接到A/D轉(zhuǎn)換模塊。并通過通信終端與逆變器和人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。永宏FBs-20MA型參數(shù)如表3-2所示：工作電壓輸入點數(shù)輸出點數(shù)220V128表3-2PLC參數(shù)表在本設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換模塊將音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過PLC命令將這些脈沖信號傳輸出去，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速。永宏FBs-4A2D擴(kuò)展模塊具有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入和2路D/A轉(zhuǎn)換輸出。本設(shè)計只需要2個A/D轉(zhuǎn)換輸入。（四）變頻器的選型及參數(shù)在本設(shè)計中，變頻器是一種調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的裝置。輸入的脈沖改變了輸出的頻率，然后調(diào)節(jié)水泵的速度來調(diào)節(jié)音樂的音量來改變瀑布的大小。水泵的功率和流量是系統(tǒng)選擇變頻器的重要依據(jù)。在本設(shè)計中，需要對水泵進(jìn)行誤差檢測，使變頻器能夠與可編程控制器進(jìn)行通信。最后，根據(jù)客戶要求選用安弗森Z2400-7R5P變頻器，規(guī)格如表3-3所示：表3-3變頻器參數(shù)表額定電壓輸出功率輸入電流輸出電流適用電機(jī)380V7.5KW20.0A17.0A7.5KW以下詳細(xì)介紹:選用安弗森Z2400-7R5P變頻器。安弗森Z2400-7R5P是一套三相交流電機(jī)的起動、停止和控制轉(zhuǎn)速的逆變器。它適用于各種啟停和變速驅(qū)動器，不僅具有模塊化設(shè)計，而且是一種理想的成本優(yōu)化方案，運行可靠，功能多樣。當(dāng)逆變器在使用時，根據(jù)電機(jī)的參數(shù)、功能系統(tǒng)的要求和運行特性，系統(tǒng)設(shè)置逆變器的相關(guān)參數(shù)。接線圖如圖3-1所示：圖3-1變頻器基本接線圖（五）HMI選型本設(shè)計需要接受變頻器的故障報告，將其在顯示出來。根據(jù)客戶要求選擇AFS700L型HMI，其參數(shù)如表3-4所示：表3-4HMI參數(shù)表輸入電壓串口24VRS232（六）其他元器件在本次設(shè)計中用到的其他元器件如表3-5所示：表3-5元器件參數(shù)表器件名稱型號規(guī)格參數(shù)數(shù)量空開DZ47-604PD25D25A4PACU380V1DZ47-603PD16D16A3PACU=380V2DZ47-601PC10C10A1PACU=220V2開關(guān)電源HS-100-24ACU=220V1按鈕NP2-BS542急停常閉DCU=24V1NP2-BA31綠色常開DCU=24V4NP2-BA42紅色常閉DCU=24V2指示燈ND16-22DS/2紅色DCU=24V1ND16-22DS/2綠色DCU=24V2浮漂開關(guān)DCU=24V1電壓表42L6-450VAC=450V1四、系統(tǒng)方案設(shè)計（一）PLC程序編寫本次設(shè)計控制系統(tǒng)中PLC的程序如圖4-1所示：圖4-1PLC程序（二）程序介紹1.控制程序X0接一個浮漂開關(guān)，在水位降到設(shè)定位置時，打開內(nèi)部繼電器M0，停止泵。X1和X3是連接到一個常開按鈕,分別M1,M3連接到人機(jī)界面通過串行端口的開始按鈕,即開始水泵1號和2號水泵、X2和X4是連接到一個常閉按鈕,M2和M4分別通過串口連接到人機(jī)界面。停止按鈕可實現(xiàn)1號水泵和2號水泵的停止。X5連接到逆變器的干擾輸出。當(dāng)逆變器檢測到水泵和系統(tǒng)有故障時，發(fā)出信號斷開內(nèi)部繼電器，停止水泵，并將故障碼保存在R20寄存器中。M7通過串口連接HMI告警復(fù)位。錯誤排除后，按下按鈕恢復(fù)系統(tǒng)正常。Y1連接逆變器1號正轉(zhuǎn)，驅(qū)動水泵1號;Y2連接2號逆變器的啟動端，驅(qū)動2號水泵。音頻信號由X6插口輸入，經(jīng)過模擬轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成脈沖信號，由Y2插口輸出給變頻器，間接控制變頻器改變輸出頻率，控制水泵[11]。2.轉(zhuǎn)換程序音頻信號送入A/D轉(zhuǎn)換模塊，首先存儲在寄存器R21，然后移動到寄存器D0，然后通過模擬轉(zhuǎn)換指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸出命令將D1寄存器中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，從Y2箝位器輸出到逆變器的脈沖輸入箝位器。在脈沖輸出級，根據(jù)體積將脈沖分為六段，使泵具有六個調(diào)速區(qū)，使效果更清晰。（三）控制系統(tǒng)I/O點與功能控制系統(tǒng)中的I/O點與功能如表4-1所示：表4-1I/O點與功能輸入端輸出端地址元件功能地址功能X0浮漂開關(guān)無水停止Y01號變頻器（水泵）啟動X1SB11號水泵啟動按鈕Y12號變頻器（水泵）啟動X2SB21號水泵停止按鈕Y2脈沖輸出，對水泵調(diào)速X3SB32號水泵啟動按鈕RS+變頻器通訊、音頻信號X4SB42號水泵停止按鈕RS-變頻器通訊、音頻信號X5變頻器故障輸出C0變頻器GND端及0VX7SB0急停按鈕（四）變頻器設(shè)置變頻器參數(shù)如表4-2所示：表4-2變頻器參數(shù)功能代號設(shè)置參數(shù)值功能P0.011無速度傳感器矢量控制P0.021端子命令通道P6.022故障輸出將P0.01設(shè)置為1，可對水泵進(jìn)行矢量控制啟動；將P0.02設(shè)置為1，可以通過接線端子控制變頻器啟動，控制面板則不可以控制變頻器的啟動，只可以設(shè)置參數(shù)；將P6.02設(shè)置為2，可以將變頻器檢測到的故障輸出到HMI中，使其顯示出來[12]。（五）控制系統(tǒng)接線圖如圖4-3所示：圖4-3控制系統(tǒng)接線圖接線圖介紹：可編程控制器和A/D轉(zhuǎn)換模塊的電源輸入端子接24V電源，變頻器電源輸入端子R、S、T接380V電源;其中，X6接音頻輸入，X7接急停按鈕，這些端子應(yīng)與24V夾鉗形成回路的電源變化；FWD端子接可編程控制器的Y0端子，GND端子接可編程控制器的C0端子，使其形成一個回路，控制水泵的啟停；RB端子接可編程控制器的X5端子，RC端子接開關(guān)電源的24V輸出，形成回路，檢測到錯誤時停止水泵運行;逆變器的RS+和RS端分別接在可編程控制器的RS+和RS端，用于逆變器和可編程控制器的485通信顯示錯誤。音頻信號由A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入，經(jīng)可編程控制器接收后變?yōu)槊}沖輸出，改變水泵的工作頻率[13]。（六）通訊設(shè)置通訊設(shè)置如表4-3所示：表4-3通訊設(shè)置波特率數(shù)據(jù)位奇偶校驗停止位96008無1（七）HMI畫面設(shè)置1.操作界面圖