基于PLC、变频器的液位控制系统设计.doc

独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 年月日授权声明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）：签名： 年月日指导教师签名： 年 月 日摘 要本设计系统地介绍了基于PLC、变频器的液位控制系统的组成、设计方案和电路原理，并进行了程序设计。为了实现能源的充分利用，需要对电机进行转速调节，系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。本文基于S7-200系列PLC编程软件，采用模块化的程序设计方法,减少软件的开发和维护,利用PLC软件的设计,实现变频器的参数设置来控制电机的转速从而实现对水箱水位的控制。该设计具有结构简单，操作方便，节能实用的优点，能很好地满足用户的要求，加上触摸屏的灵活运用，使得系统具有很好的人机界面，具有可行性。关键词：PLC；变频器；水箱水位；控制系统 ABSTRACTThis paper systematically introduces design based on PLC, frequency converter control system composed of liquid level of design, and the circuit principle, and the program design. In order to realize the full utilization of energy, it is necessary to adjust speed motor, system by PLC complete data acquisition and equipment for converter, motor control tasks. Based on the series S7-200 PLC programming software, modular programming methods, reduce software development and maintenance of the software design using PLC, frequency converter, the realization of the parameters set to control motor speed so as to realize the control of water tank. This design has simple structure, convenient operation, energy-saving practical advantages, can well satisfy users requirements, add touch screen, the flexible use of system has good human-machine interface, feasible.Keywords: Programmable logic Controller ；Inverter,；Water tank；Control System目 录1 绪论11.1 课题来源11.2 课题研究的目的意义11.3 课题研究内容22 变频调速基础22.1 变频调速的基本原理22.2 变频器的结构42.2.1 变频器的主电路42.2.2 G110变频器简介62.3 变频器的作用83 PID指令介绍931 PID算法932 PID控制回路选项1033 回路输入量输出量的转化1034 PID指令114 可编程控制器介绍124.1 PLC的基本结构124.2 PLC的工作原理134.3 PLC的特点145 液位控制系统设计1551 系统控制要求1552 控制思路1553 系统的控制结构1654 元件选型1755 PLC的I/O分配及电路图1956 PLC编程2057 触摸屏监控246 全文总结及展望26参考文献27附 录29致 谢31基于PLC、变频器的液位控制系统设计 1 绪论1.1 课题来源水是一个和人的生存息息相关的物质，而水位,更确切的说是液位则是一种在生产、生活中需要测量和控制的重要物理量，水位控制广泛应用于工农业生产与民用生活，但其用电量大。而节能是我国社会经济能否保持可持续发展的一个重大问题，所以说研究液位控制是节能研究的主要内容之一。随着经济的发展，能源的过分消耗日益成为影响经济稳定快速增长的阻力，响应国家节能减排的号召，实现能源的充分利用，就需要对电机进行转速调节，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到广泛应用。另外，由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本系统就是利用PLC和变频器实现水箱水位的控制的。考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用西门子公司的G110系列变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于PLC的编程软件，采用模块化的程序设计方法，可减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的没计，实现变频器的参数设置和电机的转速调节。1.2 课题研究的目的意义21世纪科学技术的发展日新月异，科技的进步带动了节能技术的发展，现代控制设备的性能和结构发生了巨大的变化，随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。我们已经进入了高速发展的信息时代，液位控制技术也成为当今科技研究的主要内容之一，被广泛地应用于生产和生活的各个领域。对于本次设计，其目的在于：（1）掌握变频器的工作原理、性能、使用特点和方法，利用PLC对系统进行编程；（2）本课题综合了现代测控、电力电子技术、计算机技术专业领域方方面面的知识，具有综合性、科学性、代表性，可全面检验和促进学生的理论素养和工作能力；（3）本课题的研究可以使学生更好地掌握基于PLC应用系统的分析与设计方法，培养创新意识、协作精神和理论联系实际的学风，提高电气设备研发素质、增强针对实际应用进行控制系统设计制作的能力。1.3 课题研究内容（1）了解变频器的基本原理；（2）了解并阐述了PID控制的基本知识；（3）对PLC的相关知识给予概括和总结；（4）了解并概要阐述基于PLC的变频器液位控制设计的工作原理；（5）对基于PLC、变频器的液位控制系统进行设计。主要包括控制要求，设备的选型，控制程序设计（流程图和程序框图）。具体实现以下要求：1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；2)要求用户能够实时地监控变频器的启动和停止；3)用户可通过触摸屏监控画面观察水位的高低；4)用户可以通过触摸屏监控画面进行系统及PID参数的设置；5)系统可以使水箱水位保持在一定的位置。2 变频调速基础变频调速是国际上各大电气公司在70年代末80年代末投入全力研制、开发的技术，通过几十年的发展，国内和国外在变频调速技术上都已经成熟。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差率控制，矢量控制，直接转矩控制等。2.1 变频调速的基本原理根据异步电机知识，异步电机的转速公式为：其中n为电动机的转数，f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法只要改变了电源频率f就能够改变电动机的转速。V/F控制原理：U=E=4.44f*N*K*,其中U是电源电压，E是定子绕组的感应电动势，f是电源频率，n为绕组线圈匝数，K为绕组分布系数，为磁通量，从这个公式我们可以看出，如果减小f的话，电源频率U还不变，那么必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，如果增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，所以必须保证为恒定，所以相应的也应该减小电源电压U ，同理，f增大，U也要增大，我们必须保证u/f为一个常量。矢量控制原理：矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f 恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无速度传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。2.2 变频器的结构按变频器主电路的结构形式可分为交直交变频器和交交变频器两种，但交交变频器的控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的1312，不能高速运行。所以，本设计采用交直交变频器。2.2.1 变频器的主电路图2-1 交直交变频器的主电路图交直交变频器的主电路结构图如图2-2所示整 流逆 变ACDC恒压恒频中间直流环节AC变压变频图2-2 交直交变频器的主电路结构图一、交直变换部分1、VD1VD6组成三相整流桥，将交流变换为直流。如三相线电压为UL，则整流后的直流电压UD为：UD=1.35UL2、滤波电容器CF作用：（1）滤除全波整流后的电压纹波；（2）当负载变化时，使直流电压保持平衡。因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 3、限流电阻RL和开关SLRL作用：变频器刚合上闸瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。 4、电源指示HL作用：除作为变频器通电指示外，还作为变频器断电后，变频器是否有电的指示（灯灭后才能进行拆线等操作）。二、能耗电路部分 1、制动电阻RB变频器在频率下降的过程中，将处于再生制动状态，回馈的电能将存贮在电容CF中，使直流电压不断上升，甚至达到十分危险的程度。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。一些变频器此电阻是外接的，都有外接端子（如DB，DB）。 2、制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其作用是为放电电流IB流经RB提供通路。三、直交变换部分 1、逆变管V1V6组成逆变桥，把VD1VD6整流的直流电逆变为交流电。这是变频器的核心部分。常用的逆变管见：变频器常用的逆变管。 2、续流二极管VD7VD12作用：（1）电机是感性负载，其电流中有无功分量，为无功电流返回直流电源提供“通道”；（2）频率下降，电机处于再生制动状态时，再生电流通过VD7VD12整流后返回给直流电路；（3）V1V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7VD12提供通路。2.2.2 G110变频器简介SINAMICS G110变频器是一种具有基本功能，适用于多种工业变速驱动装置的变频器。其结构特别紧凑，由单相电源供电(200-240V),其输入频率为4763Hz，输出频率为0650Hz，具有电压-频率控制特性，其效率可以达到90%以上。在西门子变频器系列产品中它是一种理想的小功率，低价位变频器。SINAMICS G110变频器特别适合作为水泵和风机的驱动装置，或者作为各种工业设备的驱动装置，例如，食品工业，纺织工业和包装工业，以及传送带驱动系统，工厂大门和车库大门传动链的驱动，还可以作为移动式广告牌的驱动装置。SINAMICS G110变频器的外观图如图2-3所示。图2-3 G110变频器的外观图G110变频器总共有10个控制端子，端子编号分别为110。各端子的端子号、标识及功能如表2-1所示。1、2号端子为一数字输出信号，可用来输出某开关信号；35号端子为数字量输入信号，各端子都可往变频器输入一开关信号；6号端子为输出24V电源正极；7号端子为输出0V（即电源负极）；810号端子的功能按控制方式来确定，在模拟控制方式下，8号端子为输出+10V，9号端子为模拟量输入信号，变频器按此信号的大小决定输出频率，10号端子为0V；在USS串行接口控制方式下，8、9号端子分别为RS-485通信的P+和N-。表2-1 G110控制端子功能表端子号标识功能1DOUT1数字输出（-）2DOUT2数字输出（+）3DIN0数字输入04DIN1数字输入15DIN2数字输入26-带电位隔离的输出+24V50mA7-输出0V控制方式模拟控制USS串行接口控制8-输出+10VRS-485P+9ADC模拟输入RS-485N-10-输出0VSINAMICS G110是适合用于控制三相交流电动机速度的变频器系列，装有 CPM110 可控功率模块。具有单相电源供电的多种型号，功率范围涵盖 120 W 至 3 kW 可供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。SINAMICS G110变频器具有缺省的工厂设置参数时，它是数量众多的采用简单 V/f 控制的电动机变速驱动系统供电理想变频驱动装置。由于 SINAMICS G110变频器具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它适用的领域也非常广泛。变频器的参数既可以用 USS 串行通讯方式进行修改，也可以用 BOP 进行修改。SINAMICS G110变频器可以采用两种控制方式：模拟输入的控制信号或USS串行通讯(采用RS485协议)的控制信号。在使用各种规格和型号的变频器时，可以带有滤波器，也可以不带滤波器(包括带有“平板式”散热器的变频器)。 它们既可用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。其优点有：便于安装，进行参数设置和调试；牢固的EMC设计；参数涉及的范围全面而且具有综合性，其适用范围非常广；电缆连接简易；可以通过模拟方式进行控制，也可以通过USS串行通讯方式进行控制；采用较高的调试脉冲频率时点击运行的噪声小；装有基本控制板（BOP，选件）时，可显示变频器运行的状态信息和报警星系；利用基本操作板（BOP）在变频器之间克隆参数时，可以节省大量时间；具有完备的外部选件，可以实现与PC机的通讯和基本操作板（BOP）的连接；在机械系统具有共振频率的情况下，利用变频器的跳转频率功能，可以避免传动装置出现机械共振及由其产生的问题。斜坡函数曲线的上升和下降时间通过参数化进行设置，最高可达650s。斜坡函数的起始段和结束段可以设置平滑圆弧特性。以及电机仍然转动的情况下世变频器重新与电机连接等功能，可以保证机械系统平滑稳定的运行；变频器在电源电压消失或出现故障后重新上电时的自动在启动功能，提高的设备的稳定性。2.3 变频器的作用变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用还可以大大地提高工艺的高效性（变速不依赖于机械部分），同时可以比原来的定速运行电动机更加节能。变频器主要有以下作用：（1）控制电动机的启动电流。变频调速可以在零速零电压启动，一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分减低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电动机的维护成本将进一步降低、电动机的寿命则相应增加。（2）降低电力线路电压波动。采用变频调速，由于能在零频零压时逐步启动，则能在最大程度上消除电压下降。（3）启动时需要的功率更低。电动机功率与电压和电流的乘积成正比，那么通过工频直接启动的电动机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率。（4）可控的加速功能。变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择（直线加速、S型加速或者自动加速）。（5）可调的运行速度。通过变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远程PLC或其他控制器来实现速度变化。（6）可调的转矩极限。通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。（7）受控的停止方式。在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择，同样它能减少对机械部件和电动机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。（8）节能。离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于是最终的能耗是与电动机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受。（9）可逆运行控制。在变频控制中，要实现可逆运行控制无需额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。（10）减少机械传动部件。运用直接变频传动系统可降低成本和空间，提高设备的性价比。3 PID指令介绍31 PID算法在工业生产过程控制中，模拟量PID（由比例、积分、微分构成的闭合回路）调节是最常用的方法。运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，并求得控制值。参数表中有9个参数，全部为32位的实数，共占用36个字节。PID控制回路的参数表如附表1所示。典型的PID算法包括三项:比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx+Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)比例项Kc*(SPn-PVn)：能及时地产生与偏差(SPn-PVn)成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的调节速度越快，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。积分项Kc*(Ts/Ti)*(SPn-PVn)+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。从式中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢。微分项Kc*(Td/Ts)*(PVn-1-PVn)：根据误差变化的速度（即误差的微分）进行调节，具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，如Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。32 PID控制回路选项在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路。通过设置常量参数值选择所需的控制回路。（1） 如果不需要积分回路（即在PID计算中无“I”），则应将积分时间Ti设为无限大。由于积分项Mx的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。（2）如果不需要微分运算（即在PID计算中无“D”），则应将微分时间Td设定为0.0。（3）如果不需要比例运算（即在PID计算中无“P”），但需要I或ID控制，则应将增益值Kc指定为0.0。因为Kc是计算积分和微分项公式中的系数，将循环增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的循环增益值为1.0。 33 回路输入量输出量的转化1 回路输入量的转化和标准化每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。在PLC进行PID控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。步骤如下：（1）将回路输入量数值从16位整数转换成32位浮点数或实数。下列指令说明如何将整数数值转换成实数。ITD AIW0 ,AC0 /将输入数值转换为双字DTR AC0 ,AC0 /将32位整数转换成实数（2）将实数转换成0.01.0之间的标准化数值。实际数值的标准化数值=实际数值的非标准化数值或原始实数取值范围+偏移量 其中取值范围=最大可能数值-最小可能数值=32000（单极数值）或64000（双极数值）；偏移量：对单极数值取0.0,对双极数值取0.5；单极（032000），双极（-3200032000）。将上述AC0中的双极数值（间距为64000）标准化，如下所示/R 64000.0,AC0 /使累加器中的数值标准化+R 0.5,AC0 /加偏移量0.5MOVR AC0,VD100 /将标准化数值写入PID回路参数表中2 PID回路输出转换为成比例的整数程序执行后，PID回路输出0.01.0之间的标准化实数数值，必须被转换成16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。PID回路输出成比例实数数值=（PID回路输出标准化实数值-偏移量）取值范围程序如下：MOVR VD108 ,AC0 /将PID回路输出送入AC0 -R 0.5 ,AC0 /双极数值减偏移量0.5*R 64000.0,AC0 / AC0的值乘以取值范围，变成为成比例实数数值ROUND AC0 ,AC0 / 将实数四舍五入取整，变为32位整数DTI AC0 ,AC0 /32位整数转换成16位整数MOVW AC0 ,AQW0 /16位整数写入AQW034 PID指令PID指令：使能有效时，根据回路参数表中的过程变量当前值、控制设定值及PID参数进行PID计算。指令格式如表3-1所示。表3-1 PID指令格式LADSTL说明ENOPIDENLOOPTBLPID TBL,LOOPTBL: 参数表起始地址VB,数据类型：字节LOOP: 回路号，常量（07），数据类型：字节说明：（1）程序中可使用8条PID指令，分别编号07，不能重复使用。（2）使ENO=0的错误条件：0006（间接地址），SM1.1(溢出，参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号码操作数超出范围)。（3）PID指令不对参数表输入值进行范围检查。必须保证过程变量和给定值积分项前值和过程变量前值在0.01.0之间。4 可编程控制器介绍4.1 PLC的基本结构PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同其结构简图如4-1所示。图4-1 PLC硬件结构简图4.2 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 一 输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 二 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 三 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。4.3 PLC的特点PLC特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，PLC的未来前景也是不可估量的。5 液位控制系统设计51 系统控制要求有一水箱可向外部用户供水，用户用水量不稳定，有时大有时小。水箱进水可由水泵泵入，现需对水箱中水位进行恒液位控制，并可在0200mm（最大值数据可根据水箱高度确定）范围内进行调节。如设定水箱水位值为100mm时，则不管水箱的出水量如何，调节进水量，都要求水箱水位能保持在100mm位置，如出水量少，则要控制进水量也少，如出水量大，则要控制进水量也大。水箱示意图如图5-1所示。进水出水阀0200图5-1 水箱示意图52 控制思路因为液位高度与水箱底部的水压成正比，故可用一个压力传感器来检测水箱底部的压力，从而确定液位高度。要控制水位恒定，需用PID算法对水位进行自动调节。把压力传感器检测到的水位信号420 m A送入至PLC中，在PLC中对设定值与检测值的偏差进行PID运算，PID调节图如图5-2所示。PID回路参数表如表5-1所示。运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节进水量。水泵电机的转速可由变频器来进行调速。变频器电机水泵压力传感器设定值e水压图5-2 PID调节原理图表5-1 供水水箱PID控制参数表地址参数数值VB200过程变量当前值PVn水位检测计提供的模拟量经A/D转换后的标准化数值VB204给定值SPn05VB208输出值MnPID回路的输出值（标准化数值）VB212增益Kc20VB216采样时间Ts02VB220积分时间Ti30VB224微分时间Td0（关闭微分作用）VB228上一次积分值Mx根据PID运算结果更新VB232上一次过程变量PVn-1最近一次PID的变量值53 系统的控制结构由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。系统控制结构如图5-3所示。液位传感器液位显示PLC变频器泵报警图5-3 系统控制结构图本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小。54 元件选型（1）PLC及其模块选型。PLC可选用S7-200 CPU224,为了能接收压力传感器的模拟量信号和调节水泵电机转速，特选择一块EM235的模拟量输入输出模块。SIEMENS S7-200模拟量扩展模块EM235含有4路输入和1路输出，为12位数据格式，其端子及接线图如图5-4所示。RA、A+、A-为第一路模拟量输入通道的端子，RB、B+、B-为第二路模拟量输入通道的端子，RC、C+、C-为第三路模拟量输入通道的端子，RD、D+、D-为第四路模拟量输入通道的端子。M0、V0、I0为模拟量输出端子，电压输出大小为-10+10V,电流输出大小为020mA。L+、M接EM235的工作电源。图5-4 EM235端子及接线图在上图中，第一路输入通道的输入为电压信号输入的接法，第二路输入通道为电流信号输入的接法。若模拟量输出为电压信号，则接端子V0与M0。EM235的技术规范如附表3所示。EM235有6个DIP设定开关，通过设定开关，可选择输入信号的满量程和分辨率，所有的输入信号设置成相同的模拟量输入范围和格式，如附表2所示。（2）变频器选型。为了能调节水泵电机的转速从而调节进水量，本设计特选择西门子公司的G110变频器。该变频器参数设置如表5-2所示。表5-2 G110变频器参数设置参数号参数名称设定值说明P0304电机额定电压220V单位：VP0305电机额定电流0.5单位：AP0306电机额定功率0.75单位：kWP0310电机额定频率50单位：HzP0311电机额定转速1460单位：r/minP0700选择命令信号源2由端子排输入P1000选择频率设定值2模拟设定值P1080最小频率5单位：Hz（3）触摸屏选型。为了能对水位值进行设定其对系统运行状态的监控，特选用西门子人机界面TP170B触摸屏。（4）水箱对象设备选用型号为科莱德KLDSX设备。55 PLC的I/O分配及电路图1PLC的I/O分配PLC的I/O分配如下：启动按钮，I0.0;停止按钮，I0.1; 模拟量输入，AIWO; 模拟量输出，AQW0;Q0.0,控制水泵电机运行。2. 电路图PLC与压力传感器、变频器的连接电路如图5-5所示：图5-5 PLC与压力传感器、变频器的连接电路图56 PLC编程1编程符号表如表5-2所示。表5-2 符号表符号地址注释设定值VD204范围为01的实数回路增益VD2120.25采样时间VD21601S积分时间VD22030S微分时间VD2240 S控制量输出VD208范围为01的实数检测值VD200范围为01的实数启动I0.0停止I0.1电机运行Q0.0触摸屏液位设定值VD100范围为0200的实数触摸屏显示液位值VD110范围为0200的实数2系统的流程图根据本次设计要求，系统流程图如图5-6所示。偏差PID调节检测值设定值 开始初始化，设初值变频器启动结束YN图5-6 系统流程图3.PLC程序如下所示：57 触摸屏监控触摸屏监控画面如图5-75-9所示。图5-7 水位控制画面图5-8 PID参数设置画面图5-9 水位监控曲线画面通过触摸屏的监控画面可以为用户提供一个很好的人机界面，能让用户实时地观察到水箱的水位情况，并可以调整参数更方便的为自己服务，达到了很好的效果。6 全文总结及展望随着变频调速技术的发展，变频调速恒压供水技术在小区已普遍使用。用变频器来实现转速的调节，其优点是非常明显的。节能效果十分显著，启动平稳，启动电流小，避免了电机启动时对电网的冲击，延长了水泵和阀门等的使用寿命，与触摸屏的完美结合，使得人机界面更加完美，供水控制系统提高了小区的供水质量。各项控制达到了用户的要求。十一五规划中，“节能环保”成为了未来发展的主题，变频器因为能节能，且能提高功率因素，减少电网冲击，广泛受到了各个行业的重视，可以预见在未来一段时间内变频器将在电梯，造纸，印刷，机床，食品等地方有越来越多的应用。而与之想匹配的，可控制编程器，人机界面，也将有广泛的应用。参考文献1 巫莉，黄江峰.电气控制与PLC应用M. 北京：中国电力出版社，2008.52 杨公源. 可编程控制器（PLC）原理与应用M.北京：电子工业出版社，2004.103 吴志敏，阳胜峰.西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程M. 中国电力出版社，2009,74 袁任光.可编程序控制器应用技术与实例M.广州：华南理工大学出版社，2003.10：5 王兆明.电气控制与PLC技术M.北京：清华大学出版社，2005.26 郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用M北京：中国电力出版社，2004：21-377 胡学林.可编程序控制器教程（基础篇）M北京：电子工业出版社，2003.118 何学明，王华民提高网络结构PLC控制系统可靠性的研究J自动化仪表2004，9 王洪猛, 等.基于PLC 的过程控制系统设计与实现 J .自动化技术与应用, 2004, 23( 7) : 25- 27.10 江秀汉. 可编程控制器原理及其应用M. 西安：西安电子科技大学出版社，2001，11 陈在平. 可编程控制器技术与应用系统设计M. 北京：机械工业出版社，2003，12 张运波. PLC梯形图设计中的关键技术 J长春工程学院学报(自然科学版) , 2000, 13 吕汀，石红梅. 变频器技术原理与应用M. 北京：机械工业出版社，2003，263-26814 李辉.S7-200PLC编程原理与工程实训M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.15 王永华 现代电气控制及PLC应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2008.16 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术M.北京.机械工业出版社，2009.17 孟晓芳，李策，王钰.西门子系列变频器及其工程运用M.北京.机械工业出版社，2009.18 岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术M.北京.机工业出版社出版19 吴启红.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书M.北京.机械工业出版社出版20 秦虹. PLC 控制系统的编程方法简述J .机床电器,2002 , (3)21 张万忠.可编程控制应用技术M.北京：化学工业出版社，2005.22 王也仿. .可编程控制应用技术M.北京：机械工业出版社，2001.23 张选正，张金远.变频器应用经验M.北京：中国电力出版社，2006.24 李俊秀，赵黎明.