PLC变频调速恒压供水系统

1、摘 要本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数量和转速，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。文中详细介绍了系统的控制原理及硬件电路。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(plc)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入具有压力显示的pid调节器运算处理后，输出模拟信号给变频器，利用变频器的两个可编程的继电器输出口ro1，

2、ro2，将信号传给plc，从而plc判断是否加泵还是切泵。用变频器来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。系统的优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命；可以消除启动和停机时的水锤效应。关键词： 变频器；恒压供水系统；pid；plcabstractthispaperintroducesaconstantpressurewatersupplesystem.itcanregulateaut-omaticallythequantityandrotationalspeedofthewat

3、erpumpwiththevariationoftheload.thecontrollingprincipleandthehardwarecircuitarepresentedindetail. the basic control strategy of the control system of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (plc), it carries out o

4、ptimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizi

5、ng electrical energy. the control goal of system is the effluent pressure of pump station. comparing the pressure of system setting and the actual hydraulic pressure coming from feed backed water supply control system, the comparing result inputs the pid regulator which has pressure show, after hand

6、ling the result, exports analogy signal to the inverter, then using the inverter of the two programmable relay exports ro1 and ro2 to give plc signal, so plc judges whether add pump or cut pump. compared realizing the constant pressure water supply with inverter with realizing the constant pressure

7、water supply with adjustable valve, the effect of energy saving is very notable. the systems advantage is that starting steadily, the starting current may be restricted within specified current, so avoided the impact of electrical network when it starts; because the average rotational speed of pump

8、is reduced, may prolong the using of pump and valve etc.; may eliminate water hammer effect when starts and stops machines.key words：inverter；constantpressurewatersupplysystem；pid；plciv目 录第1章 绪 论11.1 plc的产生和定义11.1.1 plc的产生11.1.2 plc的定义21.2 plc的特点21.2.1 抗干扰能力强，可靠性高21.2.2 控制系统结构简单，通用性强31.2.3 编程方便，易于使用

9、31.2.4 功能完善31.2.5 设计、施工、调试的周期短31.3 可编程序控制器的发展趋势41.3.1 向高性能、高速度、大容量发展41.3.2 大力发展微型可编程序控制器41.3.3 大力开发智能型i/o模块和分布式i/o子系统41.3.4 基于个人计算机的编程序软件取代手持式编程器51.3.5 可编程序控制器语言的标准化51.3.6 可编程序控制器通信的易用化和“傻瓜化”61.3.7 可编程序控制器的软件化和pc化61.3.8 组态软件引发的上位计算机编程革命71.3.9 可编程序控制器与现场总线结合7第2章 plc的应用及应用时注意的问题92.1 plc的应用92.2 plc应用时应

10、注意的问题102.2.1 温度102.2.2 湿度112.2.3 振动与冲击112.2.4 周围空气成分12第3章 小区供水系统控制方案的论证133.1 控制系统产生的背景133.2 控制方案143.3 运行特征153.4 经济效益分析183.5 系统的优点183.6 方案论证183.6.1 设备选择183.6.2 控制思想20第4章 系统接线图及i/o口分配214.1 plc的i/o口分配及接线图214.1.1 plc的i/o口分配214.1.2 plc的接线图214.2 变频器的技术参数设定及接线图224.2.1 变频器的技术参数设定224.2.2 变频器的接线图234.3 pid调节器的

11、电路设计244.4 电气控制原理254.4.1 主控制电路图254.4.2 控制电路设计25第5章 梯形图设计及程序设计275.1 梯形图设计275.2 程序设计37第6章 结 论42参考文献43致 谢44附 录45附 录53第1章 绪 论1.1 plc的产生和定义1.1.1 plc的产生20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。由于它的结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广，在工业控制领域中一直占主导地位。但是继电器控制系统有明显的缺点：设备体

12、积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是由于它是靠硬件连线逻辑构成的系统，接线复杂，当生产工艺或对象需要改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。到20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，它必然要求生产线的控制系统亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置。为抛弃传统继电接触器控制系统的束缚，适应白热化的市场竞争要求，1968年美国

13、通用汽车公司公开招标，对汽车流水线控制系统提出十条要求。这些要求实际上提出了继电接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬件连线逻辑转变为计算机的软件编程设想。1969年美国数据设备公司根据要求，研发开发世界上第一台可编程序控制器，并在通用公司汽车生产线上首次应用成功。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器（programmable logical controller），简称plc，它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电逻辑、记时、记数等。随着微电子的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算

14、机，人们将微机技术应用到plc上，使得它能更多地发挥计算机的功能，不仅用逻辑编程取代硬件连线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理等功能，使其真正成为一种电子计算机工业控制设备。国外工业界在1980年正式命名为可编程控制器（programmable controller），简称pc。但由于它和个人计算机（presonal computer）的简称容易混淆，所以现在仍把它简称为plc。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大集成电路等微电子技术的迅速发展，以16位和32位微处理器构成的微机化plc得到了惊人的发展，使plc在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗

15、、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程i/o和通信网络、数据处理以及图像显示也有了长足的发展，所有这些已经使plc应用于连续生产的过程控制系统，使之成为今天自动化技术的三大支柱之一。1.1.2 plc的定义plc一直在飞速发展中，因此到现在为止，还未能对其下一个十分确切的定义。国际电工委员会曾与1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年颁布了第三稿。该草案对可变控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。他采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和

16、算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，抑郁扩充其功能的原则设计。”1.2 plc的特点1.2.1 抗干扰能力强，可靠性高微机虽然具有很强的饿功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度以及湿度的变化，都可以使一般通用微机不能正常工作。而plc在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，i/o系统有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地

17、等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所有这些使plc的平均无故障时间通常在几万小时以上，这是一般微机不能比拟的。继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使设备连线复杂且触点在开闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。而plc采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分的继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。1.2.2 控制系统结构简单，通用性强plc及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在plc构成的控制系统中，只需要在plc的端子上接上相应的输入/输出信号线即可，不需要

18、诸如继电器之类的物理电子器件和大量繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，同一个plc装置用于不同的控制对象，只是输入/输出组件和应用的软件不同。plc的输入/输出可直接与交流220v，直流24v等强电相连，并有较强的带负载能力。1.2.3 编程方便，易于使用plc是面向用户的设备，plc的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，plc程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间学会。1.2.

19、4 功能完善plc的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能适应于各种形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。plc内部具备许多控制功能，诸如时序、计算器、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转和强制i/o等诸多功能，不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印以及报表生成功能。此外，它可以和其他微机系统、控制系统共同组成分布式或分散式控制系统，还能实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速中断等功能。因此plc具有极强的适应性能够很好地满足各种类型控制的需要。1.2.

20、5 设计、施工、调试的周期短用继电器控制完成一项工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和极限图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用plc控制，由于其硬件齐全，为模块化积木式结构，且已经商品化，故仅需按性能、容量等选择组装，而大量具体的程序编制工作也可以在plc到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计施工可同时进行。由于软件编程取代了硬接线实现控制功能，大大减轻了繁重的安装接线工作，缩短了施工周期。1.3 可编程序控制器的发展趋势1.3.1 向高性能、高速度、大容量发展大型可编程序控制器大多采用多cpu结构，不断向高性能、高速度和大容量方向发展。三菱的ana系列可

21、编程序控制器使用了世界上第一个在一块芯片上实现可编程序全部功能的32位微处理器，即顺序控制专用芯片，其扫描的时间为0.15s每条基本指令。松下公司的fp10sh系列的可编程序控制器采用了32位5级流水线risc结构的cpu，可以同时处理5条指令，顺序指令的执行速度高达0.04s/步，高级功能指令的执行速度也有很大的提高。在有2个通信接口、256个i/o点的情况下，fp10sh总扫描时间为0.270.42ms。在模拟量控制方面，除了专门用于模拟量闭环控制的pid指令和智能pid模块，某些可编程序控制器还具有模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。1.3.2 大力发展微型可

22、编程序控制器微型可编程序控制器的价格便宜，性能价格比不断提高，很适合于单机自动化或组成分布式控制系统。西门子公司的logo1通用逻辑模块是主要面向民用的超小型、一体化的可编程序控制器，它采用整体式结构，价格便宜，体积小巧，集成了控制功能、实时时钟和操作显示单元，可以装置面板上的小型液晶显示屏和6个键来编程。也有一些没有操作显示单元的模块。1.3.3 大力开发智能型i/o模块和分布式i/o子系统智能i/o模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们的cpu与可编程序控制器的主cpu并行工作，占用主cpu的时间很少，有利于提高可编程序控制器的扫描速度。它们本身就是一个小的微型计算机系统，它有很强

23、的信息处理能力和控制功能，有的模块甚至可以自成系统，单独工作。它们可以完成可编程序控制器的主cpu难以兼顾的功能，简化了某些控制领域的系统设计和编程，提高了可编程序控制器的适应性和可靠性。智能i/o模块主要有模拟量i/o、高速计算输入、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、热电阻输入、条形码阅读器、多路bcd码输入/输出、模糊控制器、pid回路控制、通信等模块。1.3.4 基于个人计算机的编程序软件取代手持式编程器在可编程序控制器发展的初期，使用专用编程器来编程。小型可编程序控制器的使用较便宜、携带方便的手持式编程器，大中型可编程序控制器则使用以小crt作为显示器的便携式编程器。专用编程器只能对

24、某一厂家的某些产品编程，使用范围有限。由于可编程序控制器的更新换代很快，致使专用编程器的使用寿命短、价格高、使用范围窄。随着计算机的日益普及，越来越多的用户使用基于个人计算机的编程软件。目前有的可编程序控制器厂商或经销商向用户提供免费的或限时使用的编程软件，有的软件可通过修改计算机实时时钟的日期来解决限时的问题。几乎不需要什么费用，用户就可以得到高性能的可编程序控制器程序开发系统。对于不同厂家和不同型号的可编程序控制器，只需要更换软件就行了。当前笔记本电脑和移动式电脑的价格已降到数千元，为在现场调试时使用编程软件提供了物质条件。编程软件可以对可编程序控制器系统的硬件组态，即设置硬件的结构和参数

25、，例如设置各框架各个插槽上模块的型号、模块的参数、各串行通信接口的参数等。在屏幕上可以直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到可编程序控制器上，也可以将可编程序控制器内的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络或modem卡，还可以实现远程编程和传送。通过与可编程序控制器通信，可以在梯形图中显示触点的通断和线圈的通电情况，查找复杂电路的故障非常方便。现在有的厂商以基于pc的编程软件作为可编程序控制器的首选编程方法，如西门子公司通过赠送光盘或中文网站下载的方法，向用户提供用于s7-200系列plc的编程软件相应的汉化软件，

26、可试用60天，相应的汉化软件可将编程软件的界面和help文件汉化。s7-200系列的用户手册中只介绍了编程软件，没有介绍手持式编程器。1.3.5 可编程序控制器语言的标准化与个人计算机相比，可编程序控制器的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的。在硬件方面，各厂家的cpu模块和i/o模块互不通用，通信网络和通信协议往往也专用的。各厂家的可编程序控制器的编程语言和指令系统的功能和表达方式也不一样。为了解决这一问题，iec（国际电子委员会）制定了可编程序控制器标准（iec1131），其中的第三部分（iec1131-3）是可编程序控制器的编程语言标准。标准中共有5种编程语言，其中顺序功能图（sf

27、c）是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能图是两种图形语言，还有两种文字语言指令表和结构文本。除了提供几种编程语言供用户选择外，标准还允许编程者在统一程序中使用多种编程语言，这使编程者能够选择不同的语言来适应特殊的工作。1.3.6 可编程序控制器通信的易用化和“傻瓜化”可编程序控制器的通信联网功能使它能与个人计算机和其他智能控制设备交换数字信息，使系统形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。通过双绞线、同轴电缆和光纤联网，信息可以送到几十公里远的地方，通过modem和互联网可以和世界上其他地方的计算机装置通信。目前有的厂家的可编程序控制器使用专用的通信协议来通信，或使用较多都厂商支持的通

28、信协议和通信标准，如使用现场总线。为了尽量减少用户在通信编程方面的负担，可编程序控制器厂家做了大量的工作，使设备之间的通信自动地周期性地进行，不需要用户为通信编程，用户的工作只是在组成系统时作一些硬件或软件上的初始化设置。可编程序控制器与计算机通信时，如采用可编程序控制器厂家提供的通信协议，可编程序控制器的编程工作量很小。例如采用ge-fanuc公司的rtu协议时，可编程序空制器作从站，计算机做主站，计算机发出命令，可直接对可编程序控制器的存储区进行读写操作，可编程序控制器收到后自动生成并返回响应，响应中crc校验字也是自动生成的，计算机发出的命令则需要用户编程。1.3.7 可编程序控制器的软

29、件化和pc化个人计算机的价格便宜，有很强的数学运算、数据处理、通信和人机交互的功能。过去个人计算机主要用做可编程序控制器的编程器、操作站或人机接口终端，如果用语工业控制现场，必须使用加固型的工业控制计算机。目前已经有多家厂商推出了在pc上运行的可实现可编程序控制器功能的软件包。如北京同拓公司推出的embiz低成本开放式控制与 自动化方案套装软件，包含通用及嵌入式人机界面、符合iec1131-3标准的软逻辑控制及internet功能。北京俄华通仪表技术有限公司的trance mode工控组态软件的逻辑控制（即开关量控制）部分、亚控公司的kingplc、研华公司的基于pc的逻辑控制器adam-55

30、01/p31，均是按iec1131-3标准设计的软件plc，后者可在pc上用梯形图、顺序功能图和功能块图这三种iec1131-3标准的图形语言来编程。程序输入后，可作过程模拟仿真，以减小试车时的风险。gf-fanuc公司推出了一种外形上类似与笔记本电脑的个人计算机，它用液晶显示器作为人机界面，以windowsce做操作系统，可实现可编程序控制器的cpu模块的功能，可与以太网和i/o模块通信，可用于工业现场，这可能是今后高档可编程序控制器的发展方向。目前可编程序控制器的以太网通信模块和lcd触摸屏的价格都很高，而计算机的以太网卡仅需数十元，其显示器价格也便宜，显示效果比一般的触摸屏要好得多。“软

31、plc”的性能价格比要比传统的“硬plc”加触摸屏高得多，如果允许安装在控制室内，“软plc”是不错的选择。1.3.8 组态软件引发的上位计算机编程革命相当多的大中型控制系统都采用上位计算机加可编程序控制器的方案，通过串行通信接口或网络通信模块交换数据信息，以实现分散控制和集中管理。上位计算机主要完成数据通信、网络管理、人机界面和数据处理的功能。使用dos操作系统时，设计一个美观漂亮、使用方便的人机界面是非常困难的和费时的。在windows操作系统下，使用visual c +、visual basic等可视化编程软件，可以用较少的时间设计出理想的人机界面。但是与种类繁多的现场设备的通信仍然比较

32、麻烦，实现人机界面与现场设备互动的程序设计也比较复杂。为了解决上述问题，用于工业控制的组态软件应运而生。国际上比较著名的组态软件有intouch、fix等，国内也涌现了组态王、力控等一匹组态软件。组态软件的出现降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性。1.3.9 可编程序控制器与现场总线结合iec对现场总线的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替010毫安或420毫安现场电动仪表信号。现场总线i/o集检测、数据处

33、理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表。它不需要框架、机柜、可以直接安装在现场轨槽上，现场总线i/o的接线极为简单，只需要一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线i/o接到下一个现场总线i/o。使用现场总线后，自动控制系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2/3左右，现场总线i/o与可编程序控制器可以组成廉价的dcs系统。我国对现场总线及其开放自动化系统的规划提出了2005年应到达的发展目标，基于现场总线的工业自动化仪表及系统的品种数超过200个，产值超过60亿元，产量产值占工业自动化仪表行业的80%以上，国产产品的市场占有率大雨60%，出口6000万美元。由此

34、不难看出现场总线仪表在未来工业自动控制中的地位和发展前景。现场总线控制系统将dcs的控制站功能分散给现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能。例如将电动调节阀及其驱动电路、输出电路补偿、pid控制和运算、阀门自校验和自诊断功能集成在一起，在配上温度变送器就可以组成一个闭环温度控制系统，有的传感器中也植入了pid控制功能。使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障。可编程序控制器与现场总线相结合，可以组成价格便宜、功能强大的分布式控制系统。随着现场总线国际标准的制定和现场总线i/o的迅猛发展和价格

35、的下降，可编程序控制器的功能可能在某些领域（如过程控制领域）被现场总线i/o部分取代。7第2章 plc的应用及应用时注意的问题2.1 plc的应用可编程控制器(plc)是以计算机技术为核心的通用自动控制装置,在工业生产中得到了广泛的应用。在发达的工业国家，可编程序控制器已经光法应用在所有的工业部门。随着其性能价格比的不断提高，应用的范围也不断的扩大，主要有以下几个方面：1 数字量逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，可以实现触电和电路的串、并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制和顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各

36、业，甚至深入到家庭。2 运动控制可编程序控制器使用专用的运动控制模块，对直线运动或者圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可实现单轴、双轴和多轴位置控制，使运动控制和顺序控制功能有机地结合在一起。可编程序控制器的运动控制功能广泛地应用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机床、装配机械、机器人、电梯等场合。3 闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。可编程序控制器模拟量i/o模块，实现模拟量和数字量之间的a/d转换和d/a转换，并对模拟量实行闭环pid控制。现代的大中型可编程序控制器一般都有pid闭环控制功能，这一功能可以用pid子程序或专用的pid模块来实现。其

37、pid闭环控制功能应景广泛应用于塑料挤压成形机械、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4 数据处理现代的可编程序控制器具有数学运算（包括四则运算、矩阵运算、函数运算、逻辑运算以及求反、循环、移位、浮点数运算等）、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人柔性制造系统，也可以用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5 通信联网可编程序控制器的通信包括主机与远程i/o之间的

38、通信、多台可编程序控制器之间的通信、可编程序控制器和其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。可编程序控制器与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。必须指出，并不是所有的可编程序控制器都具有上述全部功能，有些小型可编程序控制器只有上述的部分功能，但是价格较低。2.2 plc应用时应注意的问题每种控制器都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。一般情况下，plc及其外部电路能在下列环境条件下可靠地工作：(1)温度：工作温度在055，最高为60；保存温度：-2085；(2)湿度：相对湿度595%；(3)

39、振动和冲击：满足国际电工委员会标准；(4)电源：220v交流供电时，允许变化-15+15%，频率4753hz，瞬间停电保持10ms；(5)空气环境：周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体。下面分别分析温度、湿度、振动和冲击、空气环境plc工作可靠性的影响，并给出在恶劣环境下改善plc工作环境的建议。2.2.1 温度plc及其外部电路都是半导体集成电路、晶体管和电阻电容等元器件构成的，温度的变化将直接影响这些元器件的可靠性和寿命。温度高时容易产生下列问题：(1)半导体器件性能恶化，故障率增高和寿命降低；(2)电容器件等漏电流增大，故障率增大，寿命降低；(3)模拟回路的漂移变的，精度降低等。如

40、果plc的周围环境温度超过极限温度，可以采取下列措施：(1)盘、柜设置风扇或冷风机，把自然风引入盘、柜内，使用时注意不能结霜；(2)把控制系统置于有空调的控制室内，不能直接放在日光下；(3)控制器的安装要考虑通风，控制器的上下要有50mm的距离，i/o模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风；(4)安装时要把发热体，如电阻器或电磁接触器等远离控制器，或者把控制器安装在发热体的下面。另一方面，温度偏低时，除模块回路降低外，回路的安全系数变小，超低温度时可能引起控制系统的动作不正常。特别是温度的急剧变化，由于电子器件热胀冷缩，更容易引起电子器件的恶化和温度特性降低。此时，系统设计应注意如下几点：(1)

41、在盘、柜内设置加热器，使盘、柜内温度保持在0以上。设置加热器时，要选择适当的温度传感器，以便在高温时自动切断加热器电源，在低温时能够自动接通电源；(2)停运时，不切断控制器和i/o模块电源，靠其本身的发热量使周围的温度升高，特别是夜间低温时；(3)温度有急剧变化的场合，要打开盘、柜的门，以防冷气进入。2.2.2 湿度大气环境中的湿度变化可能对plc产生影响有：(1)在湿度大的环境中，水分容易浸入模块上的半导体集成电路内部，引起模块内部元件的老化，印刷电路板可能由于高压或高浪涌电压引起短路等故障，造成电路板损坏；(2)在极干燥的环境下，绝缘物体上可能带有静电，特别是mos集成电路，由于输入阻抗高

42、，可能由于静电感应而损坏；(3)控制器不运行时，由于湿度的急剧变化可能引起结露。结露后会使绝缘电阻大大降低，由于高压的泄漏，可使金属表面生锈，特别是交流220v的输入/输出模块，由于绝缘的恶化可能产生预料不到的事故。因此在系统设计时应该注意以下几点：(1)盘、柜设计成密封型，并放入吸湿剂；(2)把外面干燥的空气引入盘、柜内；(3)印刷板上再覆盖一层保护层；(4)感应在湿度低、干燥的场合进行检修时，应尽量不接触模块，以防人体产生的电损坏器件。2.2.3 振动与冲击一般情况下，plc能承受的振动和冲击频率为1055hz，振幅为0.5mm，加速度为2g，冲击为10g。超过这个极限时，可能引起误动作、

43、机械结构松动、电气部件疲劳损坏以及接触器不良等后果。在有振动和冲击时，应弄清振动源是什么，并相应采取防振措施：(1)如果振动源来自盘、柜之外，可对相应的盘、柜采用防振橡皮，以达到减振的目的；同时，也可以把盘、柜设置在远离振源的地方；(2)如果振动来自盘、柜内，则要吧产生振动和冲击的设备从盘、柜内移走，或单独设置盘、柜；(3)强固控制器i/o模块印刷板、连接器等可能产生松动的部件或器件，连接线也要固定紧。2.2.4 周围空气成分plc的周围空气不能混有尘埃、导电性粉末、腐蚀性气体、水分、油分、油雾、有机溶剂和盐分等，否则会引起下列不良现象：(1)尘埃会引起接触部分接触不良，或使滤波器的网眼堵住，

44、造成盘内的温度升高；(2)导电性粉末可引起误动作，绝缘性能变差和短路等；(3)油和油雾可能会引起接触不良和腐蚀塑料；(4)腐蚀性其他和盐分可能会引起印刷电路的底板或引线腐蚀，造成继电器或开关类的可动部件接触不良。如果plc周围的空气不清洁，可采用下面相应措施：(1)盘、柜采用密封型结构；(2)盘、柜内打入高压清洁空气，使外界不清洁的空气不能进入盘柜内；(3)印刷板表面涂一层保护层。51第3章 小区供水系统控制方案的论证3.1 控制系统产生的背景小区供水系统用于对小区内生活、消防和喷淋用水的自动供给，是住宅小区公用设施的重要组成部分。供水系统通过对水泵、阀门等设备的开、关和联系来实现小区的正常供

45、水，从而达到居民正常生活和人员、设备安全的目的。 以前，小区供水系统的自动化程度不高，其电气控制部分一般采用传统的继电器进行控制。但是，继电器控制回路存在多种弊端，如继电器由于长期动作容易造成咬死和损坏、继电器回路接线复杂且维护困难、继电器回路难以实现复杂逻辑的控制、继电器回路控制方案不易修改等。随着计算机技术、控制技术和通讯技术的发展，现在供水系统越来越多地采用先进、可靠、实用的可编程控制器(plc)进行控制，以提高设备运行的可靠性和供水系统的经济性。 另外，为满足管理控制一体化的要求，小区供水自动化系统可以纳入上位管理系统统一管理。在用plc对现场设备进行监视和控制的基础上，利用plc通信

46、灵活的优点，通过通信网络把plc和上位管理计算机连接起来，从而构建上位监控系统，做到管理和监控一体化。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(plc)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入具有压力显示的pid调节器运算处理后，输出模拟信号给变频器，利用变频器的两个可编程的继电器输出口ro1，ro2，将信号传给plc，从而plc判断是否加泵还是切泵。 随着电力电子技术的

47、发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用plc控制器，因plc不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字pid调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的crt画面显示、故障报警及打印报表等功

48、能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。3.2 控制方案在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力与满足管网中压力最不利点的压力损失p和流量q之间存在着如下关系： p=kq2式中k为系数。 设pl为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力p应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。 p=pl+p=pl+kq2 因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量

49、恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值，而泵站出口总管压力连续可调。自动恒压供水系统的结构框图如图3.1所示：pid调节器 plcp变频器交流接触器小区储水池p1#泵2#泵3#泵水管网压力信号液位信号图3.1供水系统结构框图3.3 运行特征以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量q1/3qmax时(qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量)，可编程控制器cpu根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量q在1/3qmaxq23qmax之间时，1#泵已不能满足用

50、户所需的用水量，这时可编程控制器发出指令将1#泵转为工频运行，并软启动2#泵，使2#泵进入变频运行工况，2#泵的运行转速由用户用水量决定，以保证供水系统最不利点所需的供水压力。当外需供水量q为2/3qmaxqqmax时，可编程控制器发出指令再将2#泵置于工频运行状态，同时软启动3#泵进入变频运行工况，此时3#泵的运行转速由用户的用水量确定，以保证供水系统最不利点的供水压力恒定。 当外供水量减少至1/3qmaxq23qmax之间时，3#泵的转速逐渐降至接近于零，此时可编程控制器发出1#泵退出运行指令。在3#泵退出运行后，3#泵的转速逐渐升高，继续处于变频运行工况，其转速仍由外供水量决定。当外供水

51、量继续减少至q1/3qmax时，可编程控制器发出2#泵退出运行指令，此时3#泵仍处于变频运行工况。当外供水量再增至1/3qmaxq2/3qmax之间时，3#泵转为工频运行状态，可编程控制器发出1#泵软启动指令并使其进入变频运行工况，如此往复循环以实现系统的恒压供水。如图3.2所示：启动1#泵变频运行延时10s1#运行是否到达50hz延时1s2#变频运行延时10s2#运行是否到达50hz延时1s3#变频运行启动结束y1 # 工 频 运 行y2 # 工 频 运 行转模拟调节n n图3.2 三个水泵运行的流程图3.4 经济效益分析变量泵的功率n1、供水量q1与泵转速n1三者的关系如下式： n1/q1

52、=(n1/n3) q1/q=n1/n式中q一额定流量，q1q；n一额定流量q时的轴功率；n一水泵的额定转速。 因额定流量q=100时，n=100，n=100，若n1=90n时q1=90q，n1=72.9n，即可节电27.1。若n1=80n时q1=80q，n1=51.2n，即可节电48.8。3.5 系统的优点(1)恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。(2)由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

53、(3)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。 (4)水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。 (5)由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。3.6 方案论证3.6.1 设备选择根据系统在提高供水质量和节能方面的要求和功能，本设计采用以seimens s7-200的cpu224和

54、变频器为中心组成的恒压供水控制系统。seimens s7-200的cpu224具有14个输入点和10个输出点，没有模拟输入点。集成的24v负载电源直接连接到传感器和变送器，其输出为280毫安，可直接用做负载电源。可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。s7-200系列出色表现在以下几个方面：l 极高的可靠性l 极丰富的指令集l 易于掌握l 便捷的操作l 丰富的内置集成功能l 实时特性l 强劲的通讯能力l 丰富的扩展模块s7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应

55、用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。 acs 400变频器作为comp-ac家族的一元，在2.237kw的功率范围内，带给您最大的利益享受：节约能源，控制准确，安全可靠。 acs 400的可靠性来自于灵活的模块化设计和最少的元件数量。 acs 400是当前市场上体积最小的变频器之一。结构设计中充分考虑了有效的使用面积和尽可能的安装简便。铝铸件和塑料件的使用，保证了足够的加工精度。acs400变频器具有五个可编程的数字量输入，两个可编

56、程的模拟输入，一个可编程的模拟输出，两个可编程的继电器输出。acs400有两个串行通道：通道0和通道1。通道1是标准的rs485接口，出厂设定的通讯协议是modbus，参数由用户自己定义。通道0专门用于操作盘和调试用pc。jsa系列pid调节器，采用高亮度双数字屏及光柱三重显示系统，可同时显示过程参数值，给定值和阀位输出值。具有极宽的pid参数和设定范围，可进行p、pi、pd或pid调节。其功能为：pid参数自整定或p参数独立自整定，以适应控制严格的工况。测量输入信号可进行开方及小信号切除。体积流量、质量流量转换系数设置。外给定输入（与测量同类的模拟信号），键控远程内外给定切换功能可同时并存。阀位反馈信号可任意选择（各种模拟输入或电位器输入）。测量模拟输出