PLC恒压供水系统设计毕业论文.docx

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1、摘 要本毕业设计来源于开发研究类学校级项目，主要根据一般常见居民住宅楼供水要求，设计了一套基于PLC的可控变频恒压供水系统，并通过美国罗克韦尔公司生产的CompactLogix PLC系统、PowerFlex4M变频器以及浙江求是科教设备有限公司生产的模拟控制设备来进行验证。此恒压供水系统构成包括两台额定频率为工频50Hz的水泵，以一台变频、一台备用的方式进行供水，并可通过组态监控界面对系统进行实时监控。液位传感器检测当前液位信号，经模拟量模块转换后送入PLC，作为过程变量PV与设定点SP比较得出差值并进行PID运算处理，输出控制变量CV并再次经模拟量模块换算成4-20mA的模拟信号，进而控制

2、变频器的输出电压频率，最终调节水泵电动机的转速从而调节供水量，使供水管网水压保持在设定值附近。论文对变频恒压供水系统的原理及组成结构作了一定分析，详细介绍了系统的硬件设计和软件设计。调试和模拟运行结果表明，该恒压供水系统能够对供水过程进行自动控制，并有效地降低了能耗，保证了供水系统运行在最佳状况，提高了对供水系统的管理水平。关键词：恒压供水；PLC；变频器；PID；组态AbstractThe graduation from grade school class research and development projects, mainly residential building unde

3、r the general common water requirements, design a PLC-based control constant pressure water supply system, and through the companys American Rockwell CompactLogix PLC system, PowerFlex4M inverter and Zhejiang Qiushi science and Education Equipment Co., analog control device for authentication.This c

4、onstant pressure water supply system constitutes includes two frequency 50Hz rated frequency of the pumps to a variable frequency, a spare way the water supply and through the configuration monitoring interface for real-time monitoring system. Level sensor detects the current level signal, the analo

5、g module converted into the PLC, as a process variable PV and comparisons of the difference set point SP and PID operation processing and output control variable CV and again converted by the analog module into a 4-20mA analog signal, then control the inverter output voltage and frequency, the final

6、 degree turn adjust the pump motor to change the water supply so that water pressure maintained near the set value.In this thesis, constant pressure water supply system theory and composition were certain analysis, detailed description of the system hardware and software design. Debugging and simula

7、tion run results show that the water supply system is able to automatically control the water supply process, and effectively reduce energy consumption, to ensure the water supply system running at optimal conditions, improve the management level of the water supply system.Keywords: Water Supply，PLC

8、，Converter，PID，Configuration目 录第1章 绪论11.1 恒压供水系统设计的研究背景及意义11.2 恒压供水技术简介21.2.1变频恒压供水的现状21.2.2变频恒压供水系统的特点和应用31.3 本章小结4第2章 恒压供水系统的理论分析及控制方案52.1 变频恒压供水系统的理论分析52.1.1 电动机的调速工作原理52.1.2 水泵的调节52.2 变频恒压供水系统的控制方案72.2.1 理论模型72.2.2 系统构成82.2.3 控制流程92.2.4 机组增减泵规律102.3 本章小结11第3章 恒压供水系统的硬件设计123.1 PLC的选型123.1.1 PLC的简

9、介123.1.2 PLC的特点133.1.3 CompactLogix控制器的应用133.2 变频器的选型143.2.1 变频器简介143.2.2 变频器的特点153.2.3 PowerFlex4M交流变频器的应用153.3 水泵机组的选型163.4 液位传感器的选型163.5 电控设备的选型173.6 本章小结17第4章 恒压供水系统的软件设计184.1 PLC的程序设计分析184.1.1 系统的工作流程图184.1.2 程序变量设置194.2 PLC编程及介绍194.2.1 初始化程序194.2.2 水泵机组选择程序204.2.3 水泵机组执行程序214.2.4 PID运算控制程序214.

10、2.5 增泵程序244.2.6 减泵程序244.3 组态监控界面设计254.4 系统运行与调试264.5 本章小结27结 论28参考文献29致 谢30附录1：程序梯形图1附录2：外文参考文献4附录3：外文参考文献翻译12VPLC恒压供水系统设计PLC恒压供水系统设计第1章 绪论1.1 恒压供水系统设计的研究背景及意义水是生命之源，是人类生存、发展的重要资源。随着当今社会经济的快速发展，水资源对于人们生活用水和工业生产的影响力越来越大，人们对水质和供水系统的可靠性的要求不断提高。特别是在快速城市化的今天，人们生活主要居住在生活小区，供水系统的经济性、可靠性和稳定性直接影响到人们的正常生活和工作。

11、因此，对于社区住宅建筑的水供应系统的建设就非常重要了。在这种情况下，将先进的自动化技术和控制技术应用到供水领域，这将是对当前供水系统的新要求。我国家是一个在人均可利用水资源和电能方面都很匮乏的国家，在大力倡议建设节约环保型社会地今天，人们也更加关注关于如何降低供水系统能耗地问题。据相关统计，风机和泵类负载大概占了我国年总耗电量的80%，这很大程度上与我国工作效率底下、控制方式落后的供水设备有关。相关的信息显示，目前水泵的效率不超过60，大量的能量正在被浪费掉。因此，运用水泵供水节能技术，设计高可靠性、高运行效率地供水系统对于社会具有非常重大地经济意义。变频调速恒压供水系统是一种集变频技术、电气

12、传动技术和现代控制技术于一身地先进供水系统。它可用于在不同的自来水管网瞬间引起的压力变化时，自动改变泵的速度，并自动调节水泵机组数量，保证管网供水压力在一定范围内保持恒定，以满足不同用户关于用水的需求。变频调速恒压供水系统自20世纪80年代以来，世界各国先后把它变成工业应用，已显示出其强大的竞争能力。使用该供水系统，可以实现明显的节能效果，从而提高企业经济和社会效益，这在能源日益稀缺的今天显得尤为重要。因此，研究、设计此系统，对于提高企业业务效率，改善人民的生活水平，减少能源消耗，具有非常重要的现实意义。在恒压供水技术出现之前已经有很多种供水方式在被应用，经过调研，发现了各种比较传统地一些供水

13、方式，其相关优缺点如下：（1）重力供水水塔高位水箱供水方式是重力供水。缺点是基建投资大，覆盖面广，维护清洗不方便，需要定期清洗消毒，可能造成二次污染水源，水泵电机起动困难，起动电流控制柜的接触点容易烧坏。其优点是控制简单，短期的维修时间可以没有水或电。当用水量是非常小时，可以很长一段时间不用再打开泵。（2）压力供水压力罐供水属于压力供水。具有体积小，工艺简单，没有高度限制等优点。但这种方式调节量小，水泵电机起动困难，起动频繁，耦合冲击大，起动电流大，接触点容易燃烧，系统维护工作量大，而且为减少泵的启动次数，停止泵的压力往往较高，从而导致水泵工作效率低下，而不必要的水压力增加，同时也增加了能量浪

14、费，从而限制了其的发展。（3）恒速泵加压供水恒速泵加压供水管网不能立即响应手动增加或减少，严重依赖于手工操作，自动化控制程度低。同时，为了保证恒压供水，机组经常满负荷运行，不仅效率低下，功耗高。而且，当用水量较小时，管网仍会超压运行很长一段时间，这样造成的突发伤害是严重的。电机起动器也容易产生水锤效果，这对电机是毁灭性的。目前比较少使用。（4）调速供水液力偶合器装置和电池滑差离合器调速容易漏油，发热需要冷却，效率低，改造麻烦，只有一个驱动器，需要定期维护。优点是成本低，结构简单，维修方便。单片机变频调速恒压供水的优点是能够做到无级调速，自动化程度优于以上几种供水方式，可定时供水，缺点是系统开发

15、周期较长，参数设置繁琐，可靠性相对较低，维护不方便，并不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的水供应方式不同程度地在浪废水和电力资源，效率低，可靠性差，自动化程度不高，已经无法满足当前社会发展和需要，严重影响了居民的生活用水和工业生产用水质量。PLC恒压供水系统集成逆变技术、电工技术、现代控制技术于一身。有了这个系统，可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时该系统具有良好的能源效率，这在今天的不断突出的能源短缺现状下是特别重要的。研究设计该系统，在改善业务效率、提高人民生活水平、减少能源消耗等方面具有重要的现实意义。1.2 恒压供水技术简介1.2.1变频恒压供水的现状变频恒压供水技术是在变频调速

16、技术发展之后逐渐一步步发展起来的。在早期的日子里，国外生产的变频器频率控制主要功能仅限于起重调速、正反转控制、启动和制动控制、VVVF比控制和多种保护功能。在变频恒压供水系统的应用中，变频器只作为执行机构。为了满足供水需求不一样大小时，确保管网压力恒定，需要在外部为变频器提供压力控制器和压力传感器，对压力实行闭环控制。目前，我国有很多公司都在做恒压供水项目，大部分使用国外品牌的变频器控制水泵的转速、自来水管网压力和多泵回路调节控制。有的采用可编程控制器（PLC）和相应的软件来实现，一些使用单片机和相应的软件来实现，但在系统的动态性能、性能稳定、抗干扰性能和开放性，以及许多其他的技术指标方面上，

17、仍然远远无法满足现今所有用户越来严格的要求。现在，中国有大约200家左右的企业、工厂和科研院所在从事变频技术的工作，但开发和生产的产品和国际频率控制市场上的同类产品相比，仍然有着较大的技术差距。随着改革开放的全面展开和经济的快速发展，中国要么从发达国家进口已有的整套变频调速设备，一应俱全可以直接使用；要么采取内部和外部整合的方法，从国外进口先进控制设备，自行生产配套器件，然后开发自己的应用软件，为国内电气传动控制系统等重大项目提供良好的解决方案，适应社会的需要。总而言之，虽然目前来说，国内在变频调速技术方面取得了一些不错的成绩，但是我们不得不承认国内在自行开发、生产相关设备方面的能力上还比较弱

18、，对国外先进公司的依赖程度还比较严重。1.2.2变频恒压供水系统的特点和应用变频调速恒压供水系统是PLC应用、变频技术、工控机应用等多方面现代化技术的一个集合，所以有较好的性能特点：（1）节能性恒压供水技术通过变频调速闭环控制方式调节水泵转速改变水泵出口压力，相对于通过阀门的控制来调节控制水泵出水口压力的方式来说，管道阻力得以降低，截流损失效应被大大减小，系统在运行过程当中可以节约部分电能，并能从中长期受益。同时，由于电动机故障率地减小，延长了设备寿命，提高了产品质量，这些都必将产生大量极为可观的经济效益和社会效益。（2）可延长电机和水泵寿命水泵在变频下工作，因此当其出口流量小于额定流量时，泵

19、转速将会降低，减少了对轴承的磨损，降低了发热，延长了水泵电机地机械使用寿命。（3）运行安全可靠水泵电机采用软启动方式，可以避免电动机启动时的电流冲击，减少对电网电，以免管网压力超出限定值，管道破裂而造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成水泵系统的喘振。（4）联网功能使用全中文控制组态软件，实时监控各个站点，比如电机的电压、电流、频率，管网压力和流量。并且能够累积统计每个站点的用电量，累积统计每台泵的出水量，同时可以提供各种形式的打印报表，便于分析统计。（5）控制灵活可以实现分段供水；也可以定时供水；还能手动切换工作方式。（6）容错性当出现不可预见的情况时，该系统可以根据泵和变频器状态、

20、电网条件和水源水位、管网压力和其他工作条件进行自动切换，以保证管网内压力恒定。在故障发生时，系统将会开启故障子程序，保证在紧急情况下能够进行供水。变频恒压供水系统的应用范围非常的广泛，其广泛的应用如下:（1）高层建筑、居民供水小区、企事业单位生活用水；（2）特殊类型的工业需要恒压控制的水，如冷却水，供热管网循环水，锅炉水等；（3）自来水厂的增压系统；（4）污水处理，农田灌溉，人造喷泉；（5）各种液体类的恒压控制系统。1.3 本章小结本章对恒压供水技术的历史起源、技术现状、应用特点等作了一定介绍，确定了以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其在运行性能上的稳定安全性、操作方式

21、上的简单方便性以及功能上的齐全周到性，减小了供水水泵的频繁启动，可以使水泵工作在高效状态，从而可以节约能源，减小了对电网电压的冲击。恒压供水水泵电机的转速控制系统可以根据用水量的变化调节运行参数的变化，使得在用量变化的时候，仍能保持恒定的压力，满足用户的用水要求，是现今最合理的节能类型供水系统。第2章 恒压供水系统的理论分析及控制方案2.1 变频恒压供水系统的理论分析2.1.1 电动机的调速工作原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： （2.1）式中：f表示电源的频率，p表示电动机的极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：（1）电源频率调速；（2）电机极对数调速

22、；（3）转差率调速。改变极对数调速的控制简单，投资小，节能效果明显，效率高，但需要专门地变极电机，级差比较大。即是速度变化较大，扭矩变化也比较大，这仅适用于一个特定的速度生产机器。改变转差频率进行速度，为确保其更大的转速范围常使用串级控制。这种方式最大的优点是，它可以回收转差功率，节能效果明显，调节速度表现还不错，但因为线路太复杂，增加了中间部分的能量损失，成本高，影响其推广应用价值。以下重点介绍改变电源频率调节电机转速的控制方法和特性。根据公式可以看出，当电机转差率变化较小时，异步电动机的转速n基本上跟电源的频率f成正比。那么使用连续可调的电源频率，即可以平滑地改变电机的转速。然而，单一的调

23、节电源频率，将导致电机运行性能的下降。随着电力电子技术的发展，已经出现了多种性能优良，运行可靠的可变转速动力单元，它们促进了频率控制调速的广泛应用。2.1.2 水泵的调节对供水系统的控制，最终目标是为了满足不同用户对供水流量的需求。因此，在供水系统中，控制的关键对象是流量。而流量的大小又取决于扬程，实际运行中用水量的变化将导致水泵流量的跟随变化，扬程也因水位、流量的变化而变化。因此，水泵不能一直工作在一个工况点，必须根据实际情况的不同进行控制。因此，在讨论节能方面的问题时，必须首先考虑考察调节流量，即工况点的调节方法，常见的控制方法一般分阀门控制法及转速控制法这两种：（1）阀门控制法：阀门控制

24、法属于节流调节，即通过关小或开大阀门来调节流量，而泵的转速保持不变。阀门控制法的前提是水泵本身的供水能力并不发生变化，而借由改变水路中遇到的阻力大小来强行改变流量大小，以适应不同用户在流量大小上的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的变化而变化，但是扬程特性并不发生变化。图2.1 阀门控制法泵的工作点开始在A点，水泵提供的扬程、流量刚好和管路所要求的扬程、流量一样。当用户需求流量变小时，设从Qa降至Qb，要想减少水泵出口的水流量则必须把水泵出水口闸阀度关小，直至达到管网所需流量水品，否则会因管网所受压力过载而带来爆管的危险。此时，管阻特性变为曲线4而不再是曲线2，水泵的工况点则沿着水泵特性曲线由A

25、点移至B点。此时流量减小了，但扬程却不再是HA，而是增大到HB。由于供水功率是与面积OEBF成正比的，部分由泵所提供的能量由于要克服闸阀的阻力，造成了额外的损失。(2) 转速控制法转速控制法属于变速调节，是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变，转速控制法的实质是根据用户对流量的要求来改变水泵的供水能力，当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。如图2.2，当用户所需用水流量减小，即由QA减小至QB，当转速下降时，扬程特性变为曲线3，管阻特性仍为特性曲线2，故工作点从A点移动到C点，在C点流量减小为QB，而扬程减小为HC，供水功率与面积0ECHC成正比。图2.2 转速

26、控制法两种方法比较:由于阀门控制是通过增加管道的阻力而达到控制流量的目的，因而浪费了能量；而电动机调速控制能够通过改变水泵电机地转速，进而改变水泵的工况点，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，进而达到节能的效果。然而，由于速度开环控制，升力减小，流速降低，往往不能满足实际工程需要，所以本设计采用闭环压力控制。2.2 变频恒压供水系统的控制方案2.2.1 理论模型恒压供水系统主要由水泵，电机，管道和阀门及其他配件组成。通常异步电动机驱动的水泵供水，通过调整异步电机的旋转速度，从而改变了水流大小，进而实现恒压供水。因此，供水系统的本质是关于异步电机的频率控制。变频恒压控制系统的主要目的在于控制住出

27、水口管网水压力，从而在控制上使出口总管网地实际供水压力能够跟随给定的供水压力。给定的供水压力可以是某个常数，所以，在一个特定时间段内，恒压控制的目的就是使出水口管网的实际供水压力保持在给定的供水压力附近。水压由压力传感器的信号4-20mA送入经模拟量模块送入CPU，与用户设定的压力值进行比较，并通过PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。图2.3 恒压供水系统原理图从图2.3中可以看出，在系统实际运行过程中，一旦实际供水压力低于给定压力时，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过PLC计算和转换，PID运算出变频器的输出频率，该值即可以减小实际供水压力

28、与设定压力之间的差值。水泵机组在该频率作用下转速增大，从而可以使实际供水压力得到提高，在运行过程之中该过程将被不断重复，直到实际供水压力与设定压力大小近似相等为止。如果在运行过程中，实际供水压力高于设定压力，情况则刚好相反，变频器的电压输出频率将会被降低，水泵的转速将减小，从而使实际供水压力因此而减小。同样的，经过不断的调节，最终将实现实际供水压力和给定压力大小近似相等。2.2.2 系统构成变频恒压供水控制系统主要由变频器、PLC、水泵机组以及液位传感器一起组成一个完整地闭环调节系统，该系统结构如图2.4所示。控制箱装有手动/自动切换阀，以供维修及手动调节水量之用。在变频恒压供水系统中，检测管

29、路压力采用液位传感器(反馈420mA直流电流)，变频器是恒压供水系统的核心之一，通过改变水泵电机的频率实现电机的调速及各项功能。图2.4 恒压供水系统结构图从原理框图，我们可以看出变频恒压供水系统由信号检测、控制系统和执行机构等部分组成。（1）执行机构执行机构是由两台小型水泵组成，它们用于将水供入用户管网，它们均可以作为变频泵或工频泵运行，但最多只能有一个运行在变频状态。变频泵接受变频器控制，用以在水压变化较小情况下进行调节；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大，即变频泵达到工频运行状态都不能够满足用水需要时投入工作。（2）信号检测在该系统控制过程中，水压信号反映的是用户管网的控

30、制目标水压值，它是恒压供水系统地反馈信号，由液位传感器进行检测。此信号是4-20mA（DC）的模拟信号，在被读入PLC前，需对之进行A/D转换。（3）控制系统变频器、PLC系统以及电控设备三个部分组成了恒压供水控制系统。PLC系统：它是在恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接在系统运行状况下从人机界面和通信接口收集官网水压力，进行数据分析，实施控制运算，操控控制计划的执行机构，通过变频器对执行机构（即泵）控制。变频器：这是一个泵速度控制单元。它跟踪供水控制器发出的控制信号，改变水泵的工作频率，以完成对水泵的转速的速度控制。根据水泵机组被变频器拖动情况的不同，有两种方式可供变频器、水泵机组选用，

31、即变频循环式和变频固定式。变频循环式下变频器拖动一台水泵电机，当该调速泵运行时在工频50Hz时，其供水仍然无法满足供水要求，则需要增加的一台泵，此时系统会自动启动另一台水泵以变频的方式运行，并将已达到工频的水泵转换以工频运行。变频固定式下，当变频调速泵达到极限50Hz时，变频泵并不做转换，而是直接启用另一套泵，以工频运行作补充。本系统设计中采用前者。电控设备：它是由一组转换开关、继电器、接触器等电气元件组成。可以在供水控制器的控制下完成手/自动切换，并可以对水泵机组进行手动控制。2.2.3 控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:(l) 系统通电，按照接收到有效的控制系统启动信号后，首先启动变频

32、器拖动变频泵M1工作，根据液位传感器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量达到平衡状态时，转速才会稳定在某一定值附近，这期间Ml工作在变频调速运行状态。(2) 当用水量增加导致水压减小时，液位传感器反馈的水压信号减小，偏差将变大，PLC的输出信号变大，变频器地输出控制频率变大，所以导致水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值附近。反之，当用水量减少导致水压增加时，通过闭环控制，减小水泵地转速到另一个新的稳定值附近。(3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实

33、际压力仍然没有达到给定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制作用下自动投入水泵M2作变速运行，同时变频泵M1作工频运行，系统继续对水压进行闭环调节，直到水压达到给定值为止。如果用水量继续增加，且满足增加水泵的条件，将继续发生转换，将两台水泵均直接投入到工频运行。(4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于给定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉作变频运行，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。若水压仍高于给定值，则进一步调整为仅M1泵作变频运行。2.2.4 机组增减泵规律在上述系统中的工作流

34、程中，我们提到，当泵已经运行在最大频率，那么实际管网压力仍低于设定压力，则需要增加泵，以满足用水要求，达到的恒定压力的目的。当变频器控制水泵已在较低的频率上运行，而管网的实际压力比设定压力高，则需要减少泵，以减少水流量，达到恒定压力的目的。因此，在切换系统时，为了提供一个稳定可靠的供水压力，同时使水泵机组平率不过于频繁开关变换，那应该怎样做呢？尽管常见的变频器的频率可以在0-400Hz的可调节的范围内，但是，当它被用来在供水系统中运行时，频率调节范围是有限的，不能无限的增加或减少。水泵电机在进行转换时，为减小损伤只有当在50Hz才合适。由于电网限制，以及电机限制，50HZ频率是调整频率上限。此

35、外，逆变器输出频率不能为负值，最小也只能是0HZ。事实上，在实际应用中，逆变器的输出频率不能够降下来到0HZ。因为水泵在运行状态时，水泵的驱动电机工作在供水管网中带动水泵供水，由于水的压力，将在管网中产生阻止泵运行的反向转矩，因此，当电机的运行频率下降到一个值，该泵没有水已被泵送，实际水压力不会降低，则电动机的频率也不能降低。在实际应用中，这个频率是电机在较低的工作频率。这个频率是远大于0HZ，具体数值跟水泵特性及系统所使用的场所有关，一般约为20HZ。因此，选择50HZ和20HZ泵单元作为上下开关频率。在实际应用中，应该在确认需要进行切后才可以进行切换，这就需要进行一个延时判断。所谓的延迟判

36、断，是指系统只能满足频率和压力判断标准是不够的，如果真的需要切换装置，切换所需的频率和压力的条件一定要得到满足，但与此同时，为避免因为水面波动而造成误差，所以需要条件先维持一段时间（例如1-2秒）。如果在这一段时间内延迟切换的条件仍然是保持成立的，则进行切换。如果开关状态不能维持，延迟时间要求得不到保持，说明条件只是暂时的，如果进行切换可能会引发一系列的冗余切换操作。2.3 本章小结本章分析了变频恒压供水系统的工作原理，给出了恒压供水系统的理论模型，确定了系统控制方案，并对其具体内容如系统构成、控制流程、增减泵规律等作了一定概括，充分考虑了水泵机组电机变频运行和工频运行间的关系，为后续设计明确

37、了方向。第3章 恒压供水系统的硬件设计3.1 PLC的选型3.1.1 PLC的简介可编程控制器是20世纪60年代末在继电器的基础上发展起来的，在当时被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。可编程控制器的的发展和继电器控制系统的出现有很大的关系。继电器是一个用弱信号来控制强信号的所述电磁开关，但在复杂的控制系统，查找并排除故障非常困难的，不适合在工艺要求变化的场合。因此，产生了可编程控制器，这是以微处理器为基础，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术，以控制过程为导向，面向用户的编程语言。它适应工业环境，简单易懂，易于理解，便于操作，是拥

38、有高可靠性和通用工业控制器的新一代，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并且具有很强的驱动能力，但其产品并非针对特定的工业应用。它的灵活性，可以适应行业标准配置的各种控制。在实际应用中，根据实际需要来进行硬件配置，该软件则根据需要设计的要求来设计。图3.1 PLC的硬件结构框图可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计理念，最初主要用于顺序控制，逻辑运算。随着微电子技术，计算机技术和通信技术，工业自动化和控制不断增长的需求，PLC在功能方面、速度、智能模块化、网络通信化上均已大大提高。现在的PLC不只是控制开关，其功能远远超出了顺序控制，逻辑控制，模拟控制，过程控

39、制和远程通信等强大功能。全国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称为PC，但在为了和个人电脑(Persona1 Computer)相互区别，它往往还是被称作为可编程控制器PLC。事实上PLC本身也具有一些局限性，这一点与所有器件一样，它无法向操作者及时显示设备的动态状态参数变化，无法进行存贮与转化大批量数据，尤其是在当系统工艺改变时，无法方便、快速的改变相关参数。因此，如今当控制系统稍微复杂一些的时候，PLC通常与工业控制计算机相配合使用，从而得以实现完整地控制功能。3.1.2 PLC的特点现代可编程控制器不仅能实现对开关量

40、的逻辑控制，也有数学运算、数学处理、运动控制、模拟PID控制、通信网络等功能。在工业化国家中，可编程控制器已广泛应用于所有工业领域，其应用已经延伸到楼宇自动化，家庭自动化，商业，公用事业，测试设备和农业等领域。经过归纳可以发现，可编程控制器主要具有以下一些方面的优点：（1）简单易学的编程方法；（2）功能强，性能价格比高；（3）硬件齐全，用户使用方便，适应性强；（4）非接触式免布线，可靠性高，抗干扰能力强；（5）系统的设计，安装，调试工作方便；（6）维护工作量小，维护方便；（7）体积小，功耗低。3.1.3 CompactLogix控制器的应用CompactLogix系统是为中小型应用系统提供的一

41、个高效的控制方案，可以取代现在普遍应用的传统PLC和多回路控制器，并可通过网络集成伺服控制，实现真正意义上的一体化中小型控制系统。1769-L32E处理器支持最大30个本地I/O口，并且内置支持IP/100Mbps EtherNet实时工业控制以太网络接口，在同一个IP/ EtherNet网络上，可以同时进行多处理器/上位机联网以及分布式I/O控制 。当然，还可以通过附加的多个DeviceNet工业现场总线连接现场设备和分布式I/O。1769-IF4XOF2模拟量扩展模块有四路输入、一路输出，可以实现对输入/输出电压/电流信号在模拟量与数字量之间的转换，详情见下表3.1、3.2。表3.1 模拟

42、量模块输入口Full Input Range RAW/Proportional Data 0 V to 10.5 V dc0 to 326400 mA to 21 mA0 to 32640表3.2 模拟量模块输出口Full Output Range RAW/Proportional Data 0 V to 10.5 V dc0 to 326400 mA to 21 mA0 to 32640下表3.3为本设计中用到的I/O口：表3.3 系统I/O分配表名称说明Analog I In 0+液位反馈信号Analog I Out 0+变频控制信号DC Output 111泵工频运行DC Output

43、121泵变频运行DC Output 132泵工频运行DC Output 142泵变频运行3.2 变频器的选型3.2.1 变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，其电路由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式。先通过整流将工频50Hz的交流电变为直流电，然后再将直流电逆变成为所需要频率的交流电。在工业控制领域，变频调速普遍适用于各种调速系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和控制的特性，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

44、。变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。总的来说，变频器的选用应该满足以下原则：变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的电流大于电机的电流。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。3.2.2 变频器的特点变频节能主要表现在风机和水泵的应用。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，保留有一定的富余量。当电动机不运行在满负荷，除了能达到要求电力驱动外，额外的力矩增加了有功功率消耗，造成能源的浪费。风机、泵和其它设备的传统的方法是通过调节速度控制的入口或出口的挡板、阀门的开度来调节风和水的供应量，输入功率大，阀门、挡板的关闭过程

45、消耗了大量的能量。当使用变频器时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的速度，则可以满足要求。无功功率不仅会带来的线损和设备的发热，增加热量，最主要的是还会降低导致电网的功率因数变小，降低了有功功率，造成无功功率消耗量大，设备使用效率低下。使用变频调节控制装置，由于变频器内部的滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。从理论上讲，该变频器可以被用于在所有的机械设备电机，电机启动时电流将高于额定值的5-6倍，不仅会影响电机的使用寿命，并消耗更多的功率。系统在设计电机时会选择留有一定的余量，电机的转速是固定的，但在实际使用中，有时在一个较低或较高的速度，使频率变换是非常必要的。变频器

46、可实现电机软启动，功率因数补偿，通过改变频率的输入电压频率达到节能调速的目的，而且还给设备提供过流、过压、过载保护功能。3.2.3 PowerFlex4M交流变频器的应用罗克韦尔公司的PowerFlex4M交流变频器给用户提供了强大的电机速度控制功能，它结构紧凑、节省空间，PowerFlex4M交流变频器是PowerFlex变频器家族中最小的一款变频器。PowerFlex4M交流变频器满足了全球原始设备制造商（OEM）和最终用户对灵活性、空间节省和易用性的要求，是理想的元器件级速度控制器。此款变频器具有使用灵活，馈通式接线和编程简单等特点。PowerFlex4M交流变频器有三种框架类型（A、B

47、和C），并且额定功率从0.2至11kW（0.25至15Hp），电压等级为120V、220V、380V和480V，可输出0400Hz的三相交流电。本系统设计采用的是060Hz输出，220V交流电单相输入，4-20mA直流电模拟信号控制变频输出的接线方式。3.3 水泵机组的选型电机水泵调速方式有调压调速、变级调速、串级调速、变频调速等四种，在本设计中选用变频调速。电机根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到恒压供水的目的。用水户的供水一般是动态的，因此供水不足或供给过剩的局面常发生。供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水压力低，则压力小；用少水而供水多，则压力大。为了保持供水压力恒定，供水量和用水量相平衡，提高供水质量，可以通过调节电机的转速来实现变频恒压供水。水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:1、水泵扬程应该大于实际水位；2、水泵流量的总和应该大于实际最大的供水量；3、泵的容量应满足最高的水消耗，为了减少电力消耗，水泵的扬程应该在该泵特性曲线的高效工作区内；4、水泵型号应该使泵站地基础埋深和泵站建筑面积为最小，使泵站造价得到降低；5、为减小水头损失，水泵构造必须尽可能使泵站内的管线简单；6、便于安装管理。本系统采用上海浙日机械厂育英分厂生产的两台D