2017畢業(yè)論文-基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(300).doc

目 錄第一章 緒論1.1 現(xiàn)代城市供水的現(xiàn)狀及缺陷1.2 變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)1.3 PLC變頻技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.4 PLC變頻恒壓供水的可行性分析第二章 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成2.1 系統(tǒng)工藝，設(shè)備簡介2.2 系統(tǒng)電氣控制要求2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4 控制思想第三章 硬件設(shè)備選型3.1 PLC的選擇3.2 變頻器的選型3.2.1 變頻器容量的確定3.2.2 變頻控制器的選型3.2.3 第一水廠變頻器其它參數(shù)的確定3.3 PID調(diào)節(jié)器3.4 電機(jī)的選型3.5 外圍設(shè)備的選型3.5.1 電磁閥的選型3.5.2 接觸器的選型3.5.3 熱繼電器的選型3.5.4 液位傳感器的選型3.5.5 壓力傳感器的接線圖第四章 PLC程序設(shè)計(jì)4.1 PLC及其網(wǎng)絡(luò)概述4.1.1 PLC的特性4.2 PLC網(wǎng)絡(luò)4.2.1 系統(tǒng)說明4.3 西門子PLC S7-300功能概述4.3.1 S7-300系列PLC簡介4.3.2 S7-300PLC的組成4.3.3 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.4 4.4.1 S7-300 CPU315-2DP模塊4.4.2 S7-300 CPU SM321數(shù)字量輸入模塊4.4.3 S7-300CPU SM322數(shù)字量輸出模塊4.4.4 S7-300CPU SM331模擬量輸入模塊4.4.5 S7-300 PS307電源模塊4.5 STEP7的程序結(jié)構(gòu)和編程語言4.5.1 STEP7的程序結(jié)構(gòu)4.5.2 STEP7的編程語言4.6 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)4.6.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線簡述4.6.2 PROFIBUS的組成4.6.3 PROFIBUS的介質(zhì)存取協(xié)議4.7 PLC控制4.7.1 手動(dòng)運(yùn)行4.7.2 自動(dòng)運(yùn)行4.8 編程及介紹4.8.1 總程序的順序功能圖4.8.2 自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖4.8.3 手動(dòng)模式順序功能圖4.8.4 程序說明第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 變頻器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定5.2 PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)試第六章 結(jié)束語致謝參考文獻(xiàn)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1 現(xiàn)代城市供水的現(xiàn)狀及缺陷在現(xiàn)代城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中的水送給用戶。但供水泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高，需要利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，要求設(shè)計(jì)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠復(fù)雜的恒壓供水系統(tǒng)。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒壓泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，器優(yōu)缺點(diǎn)如下：1、恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組長處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大而且在用水量較少是，管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大。占地面積打，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。3、氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且氣動(dòng)頻繁，對電氣設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵再低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。4、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。5、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。1.2 變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)通常變頻恒業(yè)供水存在以下6個(gè)特點(diǎn)特點(diǎn)：1、節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)20%-40%，能實(shí)現(xiàn)綠色用電；2、占地面積小，投入少，效率高；3、配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠；4、運(yùn)行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高；5、由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭；6、通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力。1.3 PLC變頻器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀變頻恒壓供水時(shí)在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。20世紀(jì)80年代初，日本學(xué)者提出了基于刺痛軌跡控制方法。此方法一三相波形的整體生成效果為基礎(chǔ)，一逼近電機(jī)氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻VVVF成為變頻調(diào)速技術(shù)的核心。從20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。1980年德國人在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了進(jìn)展，促進(jìn)了矢量控制的實(shí)用化。1992年開始德國西門子公司相繼開發(fā)了6SE70系列通用變頻器，通過FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年該系列通用變頻器的容量就擴(kuò)展到315kw以上。1985年，德國人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論（DSC）。1995年，ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其個(gè)系列通用變頻器的核心技術(shù)。本設(shè)計(jì)主要針對小區(qū)供水系統(tǒng)的運(yùn)行工藝情況，設(shè)計(jì)恒壓供水控制的硬件電路。研究恒壓變頻供水的控制方法，完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的高性能控制。解決如何選擇變頻恒壓供水控制方式，如何用變頻器構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)及其工作原理，完成可編程邏輯控制器及變頻器的選型，對PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整理，完成PLC的編程。采用PLC控制的變頻器調(diào)速供水系統(tǒng)，有PLC進(jìn)行邏輯控制，有變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，在經(jīng)過PID運(yùn)算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。1.4 PLC變頻恒壓供水的可行性分析傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在： 一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時(shí)能減少電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減少水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有很廣闊的應(yīng)用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、容易維護(hù)量小的特點(diǎn)。變頻器的軟啟動(dòng)功能葉減少了對電網(wǎng)的沖擊，使設(shè)備運(yùn)行方式更趨于合理，設(shè)備的自動(dòng)化水平得到提高。在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成了PLC或PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡明顯偏高，維護(hù)成本也高于國內(nèi)產(chǎn)品。目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方便的優(yōu)點(diǎn)以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，但是國外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。目前變頻供水系統(tǒng)正在向集成化、維護(hù)操作簡單化方向發(fā)展。第2章 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成2.1 系統(tǒng)工藝，設(shè)備簡介系統(tǒng)原理2.1如圖2.1，整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)水泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋05V電壓信號）或壓力變送器（反饋420mA）；變頻器室供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊的無極調(diào)速、五波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。2.2 系統(tǒng)電氣控制要求 變頻恒壓供水構(gòu)成圖2.2 從原理框圖2.2，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人及界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng).通常這些水泵包括:調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充. 此外，通常一些變頻系統(tǒng)還會(huì)增設(shè)附屬小泵，它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充（2）信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報(bào)警信號：水壓信號：它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。報(bào)警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。（3）控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水系統(tǒng)柜中，包括供水控制器（PLC系統(tǒng)）、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器：它是整個(gè)變頻恒壓控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號進(jìn)行采集，對來自人機(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)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）進(jìn)行控制。變頻器：它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。(4)人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。通過人機(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需求，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)界面還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)視，對報(bào)警進(jìn)行顯示。（5）通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以喝組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等。（6）報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量及你想那個(gè)檢測，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主電路圖2.3由圖2.3可以看出，合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。講手動(dòng)、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值（根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定）與壓力實(shí)際值（來自于壓力傳感器）的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)信號，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺(tái)泵（或第3臺(tái)泵）。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)?、2、3泵。開始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下線投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接，控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒有達(dá)到設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)組后一臺(tái)正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔助泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。2.4 控制思想 電機(jī)有兩種工作模式即：再工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。KM1、KM3、KM5分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，KM0、KM2、KM4分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3變頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器。熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。熔斷器（FU）是電路中的一種簡單的短路保護(hù)裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載。變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖2.4第三章 硬件設(shè)備選型變頻恒壓供水系統(tǒng)它主要是由PLC、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、TC時(shí)間控制器、壓力傳感器、液位傳感器、動(dòng)力控制線路以及4臺(tái)水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行3.1 PLC的選擇傳統(tǒng)的控制方法是采用繼電器控制。這種控制系統(tǒng)較復(fù)雜，并且大量的硬件接線使系統(tǒng)可靠性降低，也降低了設(shè)備的工作效率。采用可編程控制器較好地解決了這一問題，可編程控制器是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備，不僅能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量信號的邏輯控制，還能實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)等智能設(shè)備之間的通信。因此，將可編程控制器應(yīng)用于多種液體混合灌裝機(jī)，完全能滿足控制要求。且具有操作簡單、運(yùn)行可靠、工藝參數(shù)修改方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。PLC的一般結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，由圖可見主要有6個(gè)部分組成，包括CPU（中央處理器）、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路、電源、外設(shè)接口、I/O擴(kuò)展接口。S7300PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1(1)中央處理器（CPU）與通用計(jì)算機(jī)的CPU一樣。PLC中的CPU也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，主要有運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)他們之間聯(lián)系的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線構(gòu)成，此處還有外圍芯片、總線接口以及有關(guān)電路。CPU在很大程度上決定了PLC的整體性能，如整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)模、工作速度和內(nèi)存容量等。（2）I/O模塊輸入模塊和輸出模塊通常稱為I/O模塊或I/O單元。PLC的對外功能主要是通過各種I/O接口模塊與外界聯(lián)系而實(shí)現(xiàn)的。輸入模塊和輸出模塊是PLC與現(xiàn)場I/O裝置或設(shè)備之間的連接部件，起著PLC與外部設(shè)備之間 傳遞 信息的作用。通常I/O模塊上還有狀態(tài)顯示和I/O接線端子排，以便于連接和監(jiān)視。(3)電源模塊（PS）輸入、輸出接口電路是PLC與現(xiàn)場I/O設(shè)備相連接的部件。它的作用是將輸入信號轉(zhuǎn)換為PLC能夠接收和處理的信號，將CPU送來的弱電信號轉(zhuǎn)換為外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號。PLC主站指標(biāo)：名稱主要參數(shù)電源PS 307 5A處理器CPU 315-2 DP接口模塊IM 360輸入模塊DI16*DC24V輸出模塊DI16*DC24V0.5APLC主站參數(shù)3.2S7-300PLCDD的中央機(jī)架最多可以安裝8塊I/O模塊，根據(jù)實(shí)際需要我選用了IM361接口模塊作為從站，它的指標(biāo)：名稱主要參數(shù)電源PS 307 5A接口模塊IM 360輸入模塊DI32*DC24V輸出模塊DI32*DC24VPLC從站參數(shù)3.33.2 變頻器的選型3.2.1 變頻器容量的確定變頻器容量是變頻器的最重要的參數(shù)，如何選擇變頻器容量是變頻器選型的關(guān)鍵。變頻器的容量有三種表示方法:額定電流;適配電動(dòng)機(jī)的額定功率;額定視在功率。不管是哪一種表示方法，歸根到底還是對變頻器額定電流的選擇，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)電動(dòng)機(jī)有可能向變頻器吸收的電流來決定。通常變頻器的過載能力有兩種:不管是哪一種表示方法，歸根到底還是對變頻器額定電流的選擇，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況根據(jù)電動(dòng)機(jī)有可能向變頻器吸收的電流來決定.通常變頻器的過載能力有兩種:12倍的額定電流，可持續(xù)1分鐘:1.5倍的額定電流，可持續(xù)1分鐘:而且變頻器的允許電流與過程時(shí)間呈反時(shí)限的關(guān)系。如12(1.5)倍的額定電流可持續(xù)lmin;而LS(2.0)倍的額定電流，可持續(xù)眾sn血。這就意味著:不論任何時(shí)候向電動(dòng)機(jī)提供在lmin(或0.snun )以上的電流都必須在某些范圍內(nèi)。過載能力這個(gè)指標(biāo)，對電動(dòng)機(jī)來說，只有在啟動(dòng) (加速)過程中才有意義，在運(yùn)行過程中，實(shí)際上等同于不允許過載.下面討論如何根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的情況來選擇變頻器帶一臺(tái)電機(jī)時(shí)的容量選擇。首先計(jì)算出負(fù)載電流，然后應(yīng)考慮三個(gè)方面的因素:用變頻器供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流的脈動(dòng)相對工頻供電時(shí)要大些;電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求。即是由低頻低壓啟動(dòng)，還是額定電壓、額定頻率直接啟動(dòng).變頻器使用說明書中的相關(guān)數(shù)據(jù)是用該公司的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)測試出來的。要注意按常規(guī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電機(jī)在性能上可能有一定差異.故計(jì)算變頻器的容量時(shí)要留適當(dāng)余量。 3.2.2 變頻控制器的選型目前國內(nèi)不少變頻器均自帶PID控制器或采用Pl刀控制器整合方式，兩者均可以很好的實(shí)現(xiàn)壓力反饋控制。由于考慮到一是供水廠參數(shù)較多，除了常見壓力反饋信號，還需要對清水池液位信號、閥門開啟信號等進(jìn)行處理，因此設(shè)計(jì)采用PLC控制系統(tǒng)，主要利用PID控制壓力恒定，并能控制電機(jī)的啟動(dòng)停止和泵口閥門的啟閉。在控制量上，經(jīng)過供水廠信號分析，目前至少有8個(gè)模擬量 (包括壓力量、液位量、流量、水質(zhì)信號)，8個(gè)開關(guān)量需要處理 (包括電機(jī)、閥門狀態(tài)、報(bào)警信號)，考慮到以后的擴(kuò)展需要，設(shè)計(jì)要求P比 系統(tǒng)的模擬輸入/輸出在 12點(diǎn)以上，開關(guān)量輸入/輸出在10點(diǎn)以上。3.2.3 第一水廠變頻器其它參數(shù)的確定 經(jīng)過計(jì)算，最終第一水廠變頻器的選型需要參考以下要求:(1)頻率要求:由第一水廠電機(jī)采用50Hz，380v 電網(wǎng)，因此對變頻器采用380V電源，變頻范圍卜50Hz:(2)擴(kuò)展要求:要求能按設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一拖二運(yùn)行，并能擴(kuò)展為一拖多運(yùn)行;(3)環(huán)境要求:由于第一水廠泵房溫度范圍在 1040，濕度常年保持在在 50%以上，因此，對變頻器及控制電路要求較高的溫濕度要求，在溫度.10一50，濕度在30%卯%溫度環(huán)境中要求變頻器能正常工作;(4)保護(hù)功能要求:要求具有過電流、短路、過壓、欠壓、過載、過熱、電流保護(hù)、主器件自保護(hù)功能;(5)可靠性要求:要求變壓器平均無故障時(shí)間擔(dān)TBF)大于2萬小時(shí);(6)諧波抑制:對電網(wǎng)諧波污染必須滿足IEEE519一1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn);(7)尺寸要求:變頻器及控制電路的尺寸不宜過大，以方便安裝在空間較小的第一水廠送水泵房內(nèi)。3.3 PID調(diào)節(jié)器僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的PI控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過強(qiáng)時(shí)，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。PID控制框圖3.4通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機(jī))上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。 PID控制接線圖3.53.4 電機(jī)的選型 選用EJ15-3型電動(dòng)機(jī)其中“E”表示電動(dòng)機(jī)，“J”表示交流的，15為設(shè)計(jì)序號，3為最大工作電流。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：EJ15系列電動(dòng)機(jī)是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。(1) 額定電壓為220V，額定頻率為50HZ，功率為2.5KW，采用三角形接法。(2) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的海拔不超過1000M。工作溫度-1540/濕度90%。(3) EJ15系列電動(dòng)機(jī)效率高、節(jié)能、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠。其硬件接線如圖4： 電機(jī)硬件接線圖3.63.5 外圍設(shè)備選型序號名稱型號1電磁閥VF5-50/702接觸器CJ25-10/CJ25-153熱繼電器JR16B-60/3D4液位傳感器LSF-35壓力傳感器CY-YZ-1001外圍設(shè)備參數(shù)3.73.5.1 電磁閥的選型(1)入罐液體選用VF5-50型電磁閥。其中“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，5表示設(shè)計(jì)序號，50表示口徑（mm）寬度。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 材質(zhì)：聚四氟乙烯。使用介質(zhì)：硫酸、鹽酸、有機(jī)溶劑、化學(xué)試劑等酸堿性的液體； 使用電壓：AC:220V 50Hz/60Hz DC:24V； 功率：AC: 2.5KW； 介質(zhì)溫度150/環(huán)境溫度-2060； 操作方式：常閉：通電打開、斷電關(guān)閉，動(dòng)作響應(yīng)迅速，高頻率。（2）出罐液體選用AVF-70型電磁閥。其中“A”表示可調(diào)節(jié)流量，“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，70表示口徑（mm）寬度。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下： 其最大特點(diǎn)就是能通過設(shè)備上的按鍵設(shè)置來控制流量，達(dá)到定時(shí)排空的效果； 使用電壓：AC: 220V 50Hz/60Hz DC:24V； 其閥體材料為：聚四氟乙烯，有較強(qiáng)的抗腐蝕能力； 功率：AC: 5KW。3.5.2 接觸器的選型選用CJ25-10/CJ25-15型接觸器其中“C”表示接觸器，“J”表示交流，25表示設(shè)計(jì)編號，10/15為主觸頭額定電流。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：(1) 操作頻率為1200/h；(2) 機(jī)電壽命為1000萬次；(3) 主觸頭額定電流為10/15(A)；(4) 額定電壓為380/220(V)；(5) 功率為2.5KW。3.5.3 熱繼電器的選型選用JR16B-60/3D型熱繼電器其中“J”表示繼電器，“D”帶斷相保護(hù)。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（1） 額定電流為20(A)；（2） 熱元件額定電流為32/45(A)。3.5.4 液位傳感器的選型選用LSF-3型液位傳感器其中“L”表示是光電的，“S”表示傳感器，“F”表示是防腐蝕的，3為最大工作壓力。LSF系列液位開關(guān)可提供非常準(zhǔn)確、可靠的液位檢測。其原理是依據(jù)光電反射折射原理，當(dāng)沒有液體時(shí)，光被前端的凌鏡面或球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面時(shí)，光被折射出去，這使得輸出發(fā)生變化，相應(yīng)的晶體管或繼電器動(dòng)作并輸出一個(gè)開關(guān)量。應(yīng)用此原理可制作成單點(diǎn)或多點(diǎn)液位開關(guān)。LSF光電液位開關(guān)具有較高的適應(yīng)環(huán)境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關(guān)元件主要技術(shù)參數(shù)及原理如下：（1）工作溫度上限為125；（2）工作壓力3Mpa；（3）觸點(diǎn)容量為70W；（4）觸點(diǎn)壽命為100萬次；（5）切換電流為0.5A；（6）開關(guān)電壓為DC24V。3.5.5 壓力傳感器的接線圖、壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為283V（DC）壓力傳感器的接線圖3.8第四章 PLC程序設(shè)計(jì)4.1 PLC及其網(wǎng)絡(luò)概述PLC(可編程序控制器)及其網(wǎng)絡(luò)己成為當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的支柱單元之一?，F(xiàn)在PLC已發(fā)展到第四代，具有邏輯控制、定時(shí)與計(jì)數(shù)控制、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、通信與聯(lián)網(wǎng)、編程、調(diào)試等功能。同時(shí)還具有完善的自診斷功能，并正在不斷提高和完善網(wǎng)絡(luò)通信能力，在機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用范圍極廣。考慮到起重機(jī)自身的特點(diǎn)及其施工工況，其控制系統(tǒng)性能是關(guān)系到運(yùn)行狀況好壞進(jìn)而影響工程進(jìn)度的重要因素，因此PLC及其網(wǎng)絡(luò)在大型設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及在線診斷中有極好的應(yīng)用前景。4.1.1 PLC的特性PLC是以微處理機(jī)(CPU)為核心，用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)，它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。下面對PLC的工作機(jī)理及其工作特性作一淺析。1.準(zhǔn)確性高。PL的工作方式通常用循環(huán)掃描方式。PLC對輸入輸出集中進(jìn)行I/O處理，也只有在I/O掃描期間，外部狀態(tài)才會(huì)被讀入CPU內(nèi)部，而在掃描周期的其余大部分時(shí)間，不改寫和刷新外部狀態(tài)。通常把循環(huán)掃描周期控制在200ms之內(nèi)比較合理，這個(gè)時(shí)間比PLC所驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器的機(jī)電時(shí)間常數(shù)小得多，這樣，即使在某個(gè)掃描周期出現(xiàn)輸入輸出不一致，但當(dāng)它還來不及使執(zhí)行器發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作，下一個(gè)掃描周期正確的輸出就及時(shí)將其糾正，實(shí)現(xiàn)了PLC實(shí)時(shí)控制。2.集成度高。PLC集三電(電控、電儀、電傳)于一體，在控制裝置一級就實(shí)現(xiàn)了三電一體化。一臺(tái)控制裝置就能實(shí)現(xiàn)所有的控制功能，適合多種規(guī)模的自動(dòng)化系統(tǒng)。3.可靠性高。在硬件上它采取了諸如隔離、濾波、屏蔽、接地等一系列措施，在模板機(jī)箱進(jìn)行了完善的電磁兼容性設(shè)計(jì)，對元器件進(jìn)行了精心的篩選;更重要的是在軟件方面，它們采用了諸如數(shù)字濾波、指令復(fù)執(zhí)、程序卷回、差錯(cuò)校驗(yàn)等一系列抗干擾措施、故障診斷、系統(tǒng)一級的冗余配置等技術(shù)措施。4.豐富的I/O接口。由于工業(yè)控制機(jī)只是整個(gè)工業(yè)過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的一個(gè)控制中樞，為了實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的控制，他還必須與各種工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備相連接才能完成控制任務(wù)。因此，plc除了具有計(jì)算機(jī)的基本部分以外，還有豐富的輸入與輸出接口模塊，對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號（交流、直流、電壓、電流、開關(guān)量、模擬量等）都有相應(yīng)的模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接相連。5.靈活性。有了plc電氣工程師不必為每套設(shè)備配置專用控制裝置。6.采用模塊化結(jié)構(gòu)。7.便于改進(jìn)和修改。8.節(jié)點(diǎn)利用率提高。9.模擬調(diào)試。10.對現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視。11.快速動(dòng)作。12.編程簡單、使用方便。4.2 PLC網(wǎng)絡(luò)由于現(xiàn)在PLC一般都有通信的功能，既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、PLC與計(jì)算機(jī)之間的通信，從而可方便地構(gòu)成分布式的PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。PLC生產(chǎn)廠家常用金字塔結(jié)構(gòu)描述其產(chǎn)品功能(如圖4-1所示)。PLC要實(shí)現(xiàn)金字塔的功能，采用單層子網(wǎng)顯然不行，只有采用多級通信子網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在不同級別子網(wǎng)中配置不同的通信協(xié)議(PLC通信方式分為并行和串行通信兩種，主要以串行通信方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò))不能滿足各層對通信的不同要求。目前，PLC網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多由3級或4級總線復(fù)合而成，在PLC網(wǎng)絡(luò)中配置的通信協(xié)議一般也分為通用協(xié)議及專用協(xié)議兩類，在網(wǎng)絡(luò)底層子網(wǎng)及中間層一般采用專用的協(xié)議。其中最底層子網(wǎng)只有物理層、鏈路層及應(yīng)用層，實(shí)時(shí)性要求高，常采用I/O方式通信;中間層常采用令牌方式、主從方式控制通信的;而高層子網(wǎng)傳送管理信息，與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)鏈接，其通信協(xié)議大多為通用的。產(chǎn)品功能的金字塔結(jié)構(gòu)4.1PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由過程控制器(PLC)、操作員站、信息站和上位機(jī)等組成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示，其中系統(tǒng)以不同的通信方案來滿足網(wǎng)絡(luò)不同層次的要求。網(wǎng)絡(luò)控制是一個(gè)開放的、綜合的、發(fā)布式的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用了SQL、DDE等開放技術(shù)及國際標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)使用方便。它由計(jì)算機(jī)家族和各種通信組成，通信包括現(xiàn)場總線，局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可提供過程控制(包括邏輯和順序控制，位置控制，電機(jī)傳動(dòng)調(diào)速控制，報(bào)警和時(shí)間的記錄，本地或遠(yuǎn)程v0的過程接口)、操作者千預(yù)、工程服務(wù)及管理、通信等功能。PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是功能、結(jié)構(gòu)和信息的綜合反映體。實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)庫完全分散到每個(gè)PLC，操作站只包括如何顯示及手動(dòng)控制的信息，它們通過局域網(wǎng)訪問過程數(shù)據(jù)庫，區(qū)域分布的功能可由低層總線來提供，它可以連接分散的1/0單元、控制器和調(diào)速傳動(dòng)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖4.24.2.1 系統(tǒng)說明主機(jī)架由電源模塊，CPU(S7315-2DP),Profibus-DP通訊模塊及數(shù)字量輸入輸出模塊組成。CPU的MPI通訊口連接上位機(jī)，將采集的外部信號與控制指令與上位機(jī)傳送。多點(diǎn)接口協(xié)議(MPI: MultipointInterface)物理層采用RS485標(biāo)準(zhǔn)，總線存取協(xié)議為令牌環(huán)。MPI網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為19.2K, 187.5K，最多連接32個(gè)站點(diǎn)。CPU的Profibus-DP通訊口通過光藕模塊OLM連接分散式I/O,Profibus采用光纖環(huán)網(wǎng)，具有冗余功能。Profibus-DP通訊模塊CP342-5連接所有的整流/回饋單元和逆變器裝置，通過Profibus發(fā)送控制變頻器的指令。盡管Profibus-DP的通迅速率達(dá)到12Mb/s,通訊站點(diǎn)理論上最多可達(dá)127個(gè)，但是由于與變頻器的通訊量較大，并且要保障通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性，本系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了一條通訊總線與變頻器通訊。主機(jī)架的數(shù)字量輸入輸出點(diǎn)用來處理進(jìn)線電源開關(guān)控制及聯(lián)鎖信號。遠(yuǎn)程I/O共有6個(gè)機(jī)架，包括有左，右聯(lián)動(dòng)臺(tái)控制;剛性腿，柔性腿控制和上，下小車控制。左、右聯(lián)動(dòng)臺(tái)I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)的接口模塊IM 153及數(shù)字量輸入輸出模塊，主要用于處理點(diǎn)動(dòng)操作及自動(dòng)(主令控制器)操作的信號及安全聯(lián)鎖控制。剛性腿，柔性腿I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)的接口模塊IM153,智能化單通道計(jì)數(shù)器模塊FM350及數(shù)字量輸入輸出模塊。計(jì)數(shù)器模塊用來連接增量型編碼器，從而對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)同步控制，確定吊車行走的位置。上，下小車控制I/O分站包括電源模塊，用于連接至Profibus-DP通訊網(wǎng)絡(luò)的接口模塊IM153,智能化單通道計(jì)數(shù)器模塊FM350，數(shù)字量輸入輸出模塊及模擬量輸入模塊。計(jì)數(shù)器模塊用來連接增量型編碼器，控制上，下小車行走位置。上小車兩只主鉤，下小車主鉤和副鉤的編碼器通過接口模塊IM153連接至Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，由主PLC控制吊鉤的同步。稱重傳感器信號接入模擬量輸入模塊。上位機(jī)系統(tǒng)軟件選用iFix，支持通訊。上位機(jī)要安裝CP5611通訊卡，通過MPI電纜和主CPU連接。4.3 西門子PLC S7-300功能概述S7-300是用來實(shí)現(xiàn)中等規(guī)模自動(dòng)化任務(wù)的快速，高性能，通用緊湊型PLC。4.3.1 S7-300系列plc簡介S7-300plc是西門子公司于20世紀(jì)90年代中期推出的新一代plc，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用搭積木的方式來組成系統(tǒng)。S7-300屬于中小型PLC，很很強(qiáng)的模擬量處理能力和數(shù)字運(yùn)算處理，uyou許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型PLC。S7-300PLC功能強(qiáng)、速速快、擴(kuò)展靈活，它具有緊湊的、五槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)S7-300PLC采用U型背板總線將各模塊連接起來，可利用MPI、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)。使用STEP7組態(tài)軟件可以對硬件進(jìn)行組態(tài)和設(shè)置，CPU的智能化診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)功能并記錄錯(cuò)誤和特定的系統(tǒng)事件，多級口令保護(hù)殼使用戶有效保護(hù)其專用技術(shù)，防止未允許的拷貝和修改。4.3.2 S7-300PLC的組成1.導(dǎo)軌導(dǎo)軌（BACK）是安裝S7-300各類模塊的機(jī)架，S7-300采用背板的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來。2.中央處理器各種中央處理單元（CPU）有不同的性能，例如，有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。3.電源模塊電源模塊（PS）用于將220V電源轉(zhuǎn)換為DC24V電源，供CPU和I/O模塊使用。額定輸出電流有2A、5A、10A三種，過載時(shí)模塊上的LED閃爍。4.信號模塊信號模塊（SM）是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的信號電平匹配，信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。模擬量輸入模塊可輸入熱電阻、熱電偶、DC-（4-20）ma和DC-（0-10）V等多種不同類型和不同量程的模擬信號。5.功能模塊功能模塊（FM）主要用于對實(shí)時(shí)性和存儲(chǔ)容量要求的控制任務(wù)，例如，F(xiàn)M-350-1、FM350-2計(jì)數(shù)器模塊等。6.通信處理器通信處理器（CP）用于PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其它智能設(shè)備之間的通信，可將PLC接入PROFIBUS-DP、AS-I和工業(yè)以太網(wǎng)，或用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信等。7.接口模塊接口模塊（IM）用于多機(jī)架配置是連接主機(jī)架（CR）和擴(kuò)展機(jī)架（ER）。4.3.3 S7-300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)S7-300系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。S7-300系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.3安裝時(shí)，插槽1為電源模塊，中央機(jī)架（0號機(jī)架）的插槽2為CPU模塊，CPU必須緊靠電源模塊，對電源和CPU兩塊模塊不分配地址。插槽3為接口模塊，用于連接擴(kuò)展機(jī)架，即使不使用接口模塊，CPU中也給接口模塊分配邏輯地址。插槽4-11可自由分配給信號模塊、功能模塊和通信模塊。4.4 什么題目??？4.4.1 S7-300CPU 315-2DP模塊它的功能塊數(shù)量：192個(gè)FC，192個(gè)FB，255個(gè)DB，計(jì)數(shù)器64個(gè)，定時(shí)器128個(gè)等。它有四種工作方式，通過可卸的專用鑰匙來控制選擇。（1）RUP-P：可編程控制。（2）RUN：運(yùn)行方式。（3）STOP：停止方式。（4）MRES：清除存儲(chǔ)器。（5）SF：系統(tǒng)出錯(cuò)（6）BATF：電池故障指示燈。（7）DC5V：+5V電源指示燈。（8）FRCE（黃色）：強(qiáng)制有效指示燈。（9）RUN（綠色）：運(yùn)行狀態(tài)指示燈。（10）STOP（黃色）：停止?fàn)顟B(tài)指示燈。4.4.2 S7-300CPU SM321數(shù)字量輸入模塊數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字信號電平轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部信號電平。對現(xiàn)場輸入元件，僅要求提供開關(guān)觸點(diǎn)即可。輸入信號進(jìn)入模塊后，一般都經(jīng)過光電隔離后輸入緩沖器等待采樣。4.4.3 S7-300CPU SM322數(shù)字量輸出模塊數(shù)字量輸出模塊是將內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號電平，可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。4.4.4 S7-300CPUSM331模擬量輸入模塊SM331模擬量模塊主要由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離和邏輯電路等組成。4.4.5 S7-300CPUSM332模擬量輸出模塊SM332與負(fù)載/執(zhí)行裝置的連接：SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。4.4.6 S7-300PS307電源模塊PS307是西門子公司為S7-300專配的DC24V電源。PS307系列模塊除輸出額定電流不同外（有2A、5A、10A三種），其工作原理和各種參數(shù)都一樣。此模塊通過下列方式分擔(dān)CPU的任務(wù):直接連接增量編碼器、通過集成數(shù)字輸入端直接連接門控信號、比較功能和通過集成數(shù)字輸出端輸出響應(yīng)、模塊給編碼器供電。4.5 STEP7的程序結(jié)構(gòu)和編程語言4.5.1 STEP7的程序結(jié)構(gòu)STEP7的程序結(jié)構(gòu)可分為以下三類（1） 線性程序結(jié)構(gòu)。（2） 分塊程序結(jié)構(gòu)。（3） 結(jié)構(gòu)程序結(jié)構(gòu)。4.5.2 STEP7的編程語言（1） 梯形圖（LAD）（2） 語句表（STL）（3） 功能圖（FBD） STEP7支持3種語言的混合編程4.6 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它一其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已被納入現(xiàn)場總線的國際IEC31158和歐美標(biāo)準(zhǔn)EN50170，并于2001年被定為我國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS是不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS用于分布式I/O設(shè)備、傳動(dòng)裝置、PLC和基于PC的自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)是為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展而出現(xiàn)的，在現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)所要求的開放性、集散性、智能化、信息電子化和網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。根據(jù)國際電工委員會(huì)(IEC)的定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。PPROFIBUS支持主從模式、純主站模式、多主多從模式等，主站對總線具有控制權(quán)，可主動(dòng)發(fā)信息。對多主站模式，在主站間按令牌傳遞決定對總線的控制權(quán)，取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通訊。4.6.1 PROFIBUS現(xiàn)場總線簡述過程現(xiàn)場總線PROFIBUS在歐洲占有較大的市場份額，它是以西門子為主的14家德國公司聯(lián)合提出的，1989年12月成立了PNO, 1991年首批產(chǎn)品上市，1998年P(guān)ROFIBUS規(guī)范被列入德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245，進(jìn)而列入歐洲標(biāo)準(zhǔn)PrEN50170。其傳輸速率為9.6-12kbps，最大傳輸距離在12kbps時(shí)為100m, 1.5mbps時(shí)為400m，可用中繼器延長至lOkm，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。從表4-4可以看出，PROFIBUS協(xié)議采用了ISOtOSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，必要時(shí)還采用了應(yīng)用層。PROFIBUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)4.44.6.2 PROFIBUS的組成1. PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS用來完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換。2. PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP以德國標(biāo)準(zhǔn)DfN19245的第一部分為基礎(chǔ)，根據(jù)其需要達(dá)到的目標(biāo)對其通信功能加以擴(kuò)充。3. PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA應(yīng)用于過程自動(dòng)化。PROFIBUS-PA實(shí)現(xiàn)了IEC1 1582標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的通信規(guī)程，用于對安全性要求較高的場合以及由總線供電的站點(diǎn)。4.6.3 PROFIBUS的介質(zhì)存取協(xié)議PROFIBUS的介質(zhì)存取協(xié)議包括主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主一從方式，這種混合的方式稱為混合介質(zhì)存取。令牌方式使得到令牌的站點(diǎn)可在一個(gè)事先規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)得到總線控制權(quán)。令牌是一條特殊的電文，它在總線之間傳遞總線控制權(quán)。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時(shí)間是事先規(guī)定的。在PROFIBUS中，令牌只在主站之間按地址升序傳遞。主從方式允許主站在得到總線控制權(quán)時(shí)可以與從站通訊，每一個(gè)主站均可向從站發(fā)送及索取信息。利用PROFIBUS的混合介質(zhì)存取方式可以實(shí)現(xiàn):(1) 純主從系統(tǒng)單主站);(2) 純主站系統(tǒng)(多主站);(3) 混合系統(tǒng)(多主多從)。4.7 PLC控制PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖4.5所示。圖4.5 PLC程序流程圖工作流程圖4.5系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號執(zhí)行相應(yīng)的操作。手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問題在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。4.7.1 手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式。按下SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時(shí)，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時(shí)切斷電機(jī)變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過大時(shí)，可以手動(dòng)按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行?？筛鶕?jù)需要，停按不同電機(jī)對應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺(tái)水泵.該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用。4.7.2 自動(dòng)運(yùn)行由PLC分別控制某臺(tái)電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制. 升壓控制：系統(tǒng)工作時(shí)，每臺(tái)水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài).系統(tǒng)開始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，第一臺(tái)水泵M1，啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行;同時(shí)，使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行.當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警.降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺(tái)水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。 4.8 編程及介紹4.8.1 總程序的順序功能圖系統(tǒng)分為手動(dòng)運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩部分總程序的順序功能圖4.64.8.2 自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖按下SB8按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，順序功能圖如4.7所示。自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖4.7Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，KM1閉合，#1泵以變頻方式運(yùn)行。 當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率超出一個(gè)上限信號后，PLC通過這個(gè)上限信號后將1#水泵有變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，KM1斷開KM0吸合，同時(shí)KM3吸合變頻起動(dòng)第2#水泵。如果再次接收到變頻器上限信號，則KM3斷開KM2吸合，第2#水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，3#水泵變頻起動(dòng)。如果變頻器頻率偏低，即壓力過高，輸出的下限信號使PLC關(guān)閉KM5、KM2，開啟KM3，2#水泵變頻起動(dòng)。再次接到下限信號就關(guān)閉KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵變頻運(yùn)行。為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖