恒壓供水系統(tǒng)演示裝置設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　北京XXX大學(xué)</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目：恒壓供水系統(tǒng)演示裝置設(shè)計(jì)</p><p>　　系 名 機(jī)械工程系 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 機(jī)制10-1班 </p>

2、<p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　日 期 2014.05.09 </p><p><b>　　誠信承諾</b><

3、;/p><p>　　本人__________聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成，論文所利用的一切資料均符合論文著作要求，且在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　簽名: 日期: </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展，家

4、庭和企業(yè)對(duì)自來水質(zhì)量的要求也越來越高，恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)保證水質(zhì)和供水效果最常用的方式。恒壓供水系統(tǒng)逐漸成為了現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)和人們生活中不可缺少的一部分，因此進(jìn)行相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)研究和探索尤為重要。</p><p>　　通過分析和比較國內(nèi)外恒壓供水系統(tǒng)，以及相關(guān)的演示教學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)的供水現(xiàn)狀，重點(diǎn)進(jìn)行恒壓供水教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文對(duì)恒壓供水系統(tǒng)演示裝置方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，設(shè)計(jì)以變頻器的PID變頻調(diào)速技術(shù)

5、為核心，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)無級(jí)調(diào)速。系統(tǒng)由控制和監(jiān)視兩大部分組成，控制部分以S7-200 PLC作為控制器進(jìn)行了詳細(xì)的主電路、控制電路設(shè)計(jì)，元件選型以及控制程序設(shè)計(jì)。監(jiān)視部分通過組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，配合PLC進(jìn)行顯示供水參數(shù)并能針對(duì)故障報(bào)警。通過本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以進(jìn)行電氣控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)以及學(xué)習(xí)接線的鍛煉，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力有極大的促進(jìn)作用。恒壓供水系統(tǒng)演示裝置，具有一定的實(shí)際應(yīng)

6、用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：恒壓供水；PLC控制；變頻調(diào)速；PID控制技術(shù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of society, families and businesses on the water quality requirements ar

7、e also increasing, constant pressure water supply system is most common way of guaranteed water quality and water effects. Water Supply System has gradually become a modern enterprise production and people's lives in

8、dispensable part, and therefore the associated key technology research and exploration is particularly important.</p><p>　　By analyzing and comparing the characteristics of domestic water supply systems, and

9、 related demonstration teaching system, combined with the status of domestic water supply, water supply teaching focus on the design of the experimental system. This paper demonstrates the device for Water Supply System

10、program was elaborated, designed to drive PID frequency conversion technology as the core, realize automatic stepless speed regulating for water pump. Control and monitoring two major components c</p><p>　　K

11、ey Words:Constant pressure water supply; PLC control; frequency control; PID control technology</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　Abstract

12、II</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的研究背景和意義1</p><p>　　1.2PLC監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于恒壓供水設(shè)計(jì)的必要性1</p><p>　　1.3恒壓供水演示系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展概況4

13、</p><p>　　1.4.1PID的發(fā)展4</p><p>　　1.4.2PLC的發(fā)展5</p><p>　　1.4.3組態(tài)軟件的發(fā)展6</p><p>　　1.5論文的主要工作6</p><p>　　第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1變頻恒壓供水演示系統(tǒng)的

14、硬件組成7</p><p>　　2.1.1加壓泵的選型7</p><p>　　2.1.2抽水泵的選型8</p><p>　　2.1.3變頻器的選型8</p><p>　　2.1.4 PLC選型及I/O分配11</p><p>　　2.1.5數(shù)顯壓力表的選型12</p><p>　　2

15、.2恒壓供水演示裝置的電控系統(tǒng)組成13</p><p>　　2.2.1 主電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.2.2電氣控制電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.3 系統(tǒng)可靠性措施18</p><p>　　2.4本章小結(jié)18</p><p>　　第3章 軟件設(shè)計(jì)20</p><p>

16、;　　3.1 PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)過程20</p><p>　　3.2 系統(tǒng)控制過程23</p><p>　　3.3本章小結(jié)24</p><p>　　第4章 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.1系統(tǒng)監(jiān)控軟件的選擇25</p><p>　　4.1.1 組態(tài)王的介紹25</p><p

17、>　　4.1.2 組態(tài)王軟件的使用方法和特點(diǎn)26</p><p>　　4.1.3 組態(tài)王與S7-200PLC通訊26</p><p>　　4.2 組態(tài)王系統(tǒng)的設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.2.1 組態(tài)王系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟27</p><p>　　4.2.2 組態(tài)王系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程27</p><p>　　4

18、.3 變頻調(diào)速恒壓供水演示裝置監(jiān)控用戶畫面32</p><p>　　4.3.1恒壓供水系統(tǒng)登錄畫面32</p><p>　　4.3.2系統(tǒng)運(yùn)行流程窗口33</p><p>　　4.3.3報(bào)警窗口33</p><p>　　4.3.4歷史趨勢(shì)曲線窗口34</p><p>　　4.3.5恒壓供水報(bào)表窗口34<

19、;/p><p>　　4.4本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　附 錄一38</b></p><p><b>　　附 錄二39&

20、lt;/b></p><p><b>　　致 謝51</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　課題的研究背景和意義</p><p>　　隨著人們生活水平的提高和生產(chǎn)力的發(fā)展，水對(duì)人們生活與生產(chǎn)的影響日益突出，人們對(duì)供水的要求也不斷提高，既要保證供水質(zhì)

21、量，又要要求供水系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、易用性。傳統(tǒng)的供水方式有恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等，這些傳統(tǒng)的供水方式不同程度存在效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)當(dāng)前人們的供水需要【1】。恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)正好滿足了現(xiàn)代人們對(duì)供水的需求，相比傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)，恒壓供水系統(tǒng)有可靠性強(qiáng)，省時(shí)經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)化程度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用的變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，不形象直觀，對(duì)于初學(xué)者來說結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易進(jìn)行學(xué)習(xí)

22、和實(shí)踐。然而，恒壓供水的培訓(xùn)裝置種類較少，進(jìn)行區(qū)域性供水的恒壓供水綜合實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)在國內(nèi)則更加匱乏【2】。到目前為止有過不少國內(nèi)和國外的大學(xué)生都把恒壓供水作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究題目，或者有些公司目前也在研究制造恒壓供水設(shè)備，但他們的設(shè)計(jì)方案如果用于恒壓供水的基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)備來進(jìn)行恒壓供水或PID控制的入門學(xué)習(xí)，對(duì)于絕大部分學(xué)生來說過于復(fù)雜，且成本高，不易理解和學(xué)習(xí)，或者具有針對(duì)性，例如針對(duì)小區(qū)的、工廠的恒壓供水設(shè)備。本文中的恒壓供水演示裝置只用

23、了一個(gè)</p><p>　　此次的恒壓供水系統(tǒng)演示裝置的設(shè)計(jì)目的有兩個(gè):一是促進(jìn)和繼承我國供水領(lǐng)域的發(fā)展；二是將此系統(tǒng)作為教學(xué)平臺(tái)可對(duì)學(xué)生進(jìn)行多方面的技能訓(xùn)練。因此將恒壓供水系統(tǒng)作為高校學(xué)生的一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)計(jì)與工控領(lǐng)域的一個(gè)高效的綜合鍛煉平臺(tái)，對(duì)社會(huì)的供水事業(yè)的發(fā)展有著重大意義。</p><p>　　PLC監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于恒壓供水設(shè)計(jì)的必要性</p>

24、<p>　　實(shí)際的恒壓供水系統(tǒng)和相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)控制的核心是PLC，其有以下特點(diǎn):</p><p><b>　　編程簡單，易學(xué)易用</b></p><p>　　PLC是通用的現(xiàn)代化工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其接口簡單便捷。PLC一般采用易于掌握和理解的梯形圖語言及面向工業(yè)控制的簡單指令進(jìn)行編程，因此易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的表達(dá)方式與繼

25、電器電路圖相當(dāng)接近，只需PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事自動(dòng)控制打開了方便之門。如果PID運(yùn)算采用的是單片機(jī)監(jiān)控方案，還得學(xué)習(xí)C語言等計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，學(xué)習(xí)難度大。</p><p>　　功能完善，適用范圍廣</p><p>　　PLC經(jīng)過長期的發(fā)展和完善，已經(jīng)形成了小、中、大各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢?/p>

26、勝任各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。PLC不僅有邏輯處理功能，而且現(xiàn)代的PLC大多還具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了水壓控制、溫度控制、數(shù)控機(jī)床等各種各樣的工業(yè)控制場合中。隨著PLC通信能力越來越強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的監(jiān)視、自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)控制要求改變，需要調(diào)整控制系統(tǒng)的功能的時(shí)候，只需要修改存貯器中的控制程序即可。</p><

27、;p>　　(3)高可靠性，抗干擾性強(qiáng)</p><p>　　可靠性是電氣控制設(shè)備一項(xiàng)非常重要的性能參數(shù)。PLC采用的是大規(guī)模集成電路技術(shù)和嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了一系列先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如:日本三菱公司的FX系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。有些使用冗余cpu的PLC的平均無故障工作時(shí)間則更長。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系

28、統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已大大減少，故障和成本也就因此大大降低。另外，PLC還帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)自動(dòng)地作出相應(yīng)的處理，如報(bào)警、封鎖輸出、保護(hù)數(shù)據(jù)等。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。因此整個(gè)PLC控制系統(tǒng)具有極高的可靠性。</p><p><b>　　便于維護(hù)和操作</b></p>

29、;<p>　　現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)超小PLC，現(xiàn)在的超小PLC的最大尺寸均小于100mm，重量小于150g，能耗還很低，如:松下的FP0R PLC，其尺寸僅為906025mm，還可以無需電池對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，并配備標(biāo)準(zhǔn)編程口USB。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，所以PLC是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。</p><p>　　(5)系統(tǒng)建設(shè)周期短</p><p>　　用PLC建設(shè)一項(xiàng)

30、控制工程時(shí)，由于其硬、軟件可分開使用，因此程序的設(shè)計(jì)和硬件的安裝連線等工作可同時(shí)進(jìn)行。用計(jì)算機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)控制功能，取代了真實(shí)的繼電器硬接線，使得電氣控制箱的尺寸得以大大減小，安裝接線工作量和檢查工作的時(shí)間也大大減少，極大縮短了設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試檢測(cè)周期，特別是工程越大，使用PLC的優(yōu)勢(shì)越明顯。因?yàn)榇蟛糠值挠脩舫绦蚨伎梢栽趯?shí)驗(yàn)室或計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬運(yùn)行測(cè)試，將控制系統(tǒng)調(diào)好之后再將PLC在實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，因此PLC使得系統(tǒng)的搭建十

31、分方便、快捷和安全，因此得以大大縮短設(shè)計(jì)和投運(yùn)時(shí)間。PLC硬件和軟件普遍采用模塊化結(jié)構(gòu)，使其能更方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的局部擴(kuò)展、遠(yuǎn)程擴(kuò)展以及系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，并支持多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。PLC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展正在以極快的速度進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)和人們生活，其發(fā)展方向和趨勢(shì)是高速、多層次、高可靠性、大流量、易用性，并符合國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開放性和跨平臺(tái)的開放體系結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)向更多網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的需求。</p><p>　　PLC的這些特點(diǎn)，以及它越來越強(qiáng)大

32、的系統(tǒng)集成功能，決定了本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用PLC構(gòu)建恒壓供水演示裝置的控制和監(jiān)控模塊的必要性。</p><p>　　恒壓供水演示系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平同時(shí)也得到迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域也得到了更加廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求也更高了。種類繁多的控制設(shè)備和監(jiān)控裝置在供水領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件和硬件已無法滿足人們對(duì)供水的各種需求

33、。無論是工業(yè)供水還是生活用水，無論國內(nèi)還是國外，恒壓供水在目前為止已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，甚至有些家庭已經(jīng)裝上了自家用的小型恒壓供水系統(tǒng)，但系統(tǒng)的恒壓供水技術(shù)的課程或者教學(xué)平臺(tái)卻是少的又少。有不少企業(yè)都在研發(fā)、出售小、中、大型不等的恒壓供水系統(tǒng)，但恒壓供水演示系統(tǒng)的研發(fā)似乎還是一片空白，只有寥寥無幾的研究論文，做出實(shí)體進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的就更少了。</p><p>　　經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外的研究進(jìn)行分析之后，發(fā)現(xiàn)前人的研究大都大

34、同小異，基本上都是控制部分都是采用PLC和變頻器進(jìn)行控制和監(jiān)視，有少數(shù)人使用單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，但估計(jì)單片機(jī)方案較為復(fù)雜所以難以推廣。前人的設(shè)計(jì)方案雖然更貼進(jìn)于實(shí)際應(yīng)用，大部分的方案均采用了水泵組進(jìn)行供水，且方案中沒有蓄水箱。但作為恒壓供水演示系統(tǒng)，主要目的在于演示和教學(xué)。如果只采用一個(gè)加壓泵，也能達(dá)到恒壓供水的教學(xué)，相對(duì)于水泵組的供水系統(tǒng)來說那就顯得經(jīng)濟(jì)多了。而且自動(dòng)化在恒壓供水中也顯得尤為重要，如果將蓄水池的自動(dòng)抽水在恒壓供水演示系統(tǒng)中

35、作為一個(gè)演示環(huán)節(jié)，不僅豐富了學(xué)習(xí)知識(shí)，也能增加動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)和提高動(dòng)手能力。</p><p><b>　　關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展概況</b></p><p>　　本文所描述的恒壓供水演示系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有PID運(yùn)算、PLC控制和組態(tài)軟件。</p><p><b>　　PID的發(fā)展</b></p><p>　

36、　PID控制技術(shù)的發(fā)展分為兩個(gè)階段【3】，20世紀(jì)30年代晚期，微分控制的加入標(biāo)志著PID控制成為了一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),也是PID控制兩個(gè)發(fā)展階段的分水嶺。第一個(gè)階段為發(fā)明階段(1900～1940年)。PID控制的思想漸漸明確,隨后氣動(dòng)反饋放大器被發(fā)明,此時(shí)實(shí)際PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了儀表工業(yè)的重心。1940年以后是第二個(gè)階段，為革新階段。在革新階段中, PID 控制器發(fā)展成了一種魯棒的、易于應(yīng)用的、可靠的控制器。</p>

37、<p>　　PID控制技術(shù)能跟上自動(dòng)控制技術(shù)的最新發(fā)展是儀表工業(yè)的重心。因此從氣動(dòng)控制到電氣控制，再到電子控制最后到數(shù)字控制, PID 控制器的體積變得越來越小,性能也不斷提高。早期的一些自動(dòng)化儀表公司對(duì)PID控制器的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),甚至可以說PID控制器是在實(shí)際的工業(yè)控制應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來的。</p><p>　　PID控制至今依然是應(yīng)用最廣泛的一種實(shí)用控制器。雖然各種現(xiàn)代控制技術(shù)越來越

38、先進(jìn)，但它們的出現(xiàn)并沒有削弱PID控制器的應(yīng)用,相反,新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)PID控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。一方面,很多新的控制思想不斷被應(yīng)用在PID控制器的設(shè)計(jì)之中，或者是使用新的控制思想設(shè)計(jì)出有PID結(jié)構(gòu)的新控制器。另一方面,新控制技術(shù)的發(fā)展要求精確度更高的的PID控制,從而更加刺激了PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　隨著作為控制理論發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合產(chǎn)生的自適應(yīng)控制，它以獨(dú)

39、特的功能和控制性能得到了迅速地發(fā)展，自適應(yīng)控制廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代的各個(gè)工程領(lǐng)域，并與先進(jìn)控制理論集合出現(xiàn)了變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制、魯棒自適應(yīng)控制、模糊自適應(yīng)控制、智能自適應(yīng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制等【4】。自適應(yīng)控制思想與常規(guī)PID控制器相結(jié)合，形成了自校正PID控制技術(shù)或自適應(yīng)PID控制。</p><p><b>　　PLC的發(fā)展</b></p><p>　　微處理器是在2

40、0世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的。隨后人們將其引入可編程控制器，使PLC增加了數(shù)據(jù)傳送、運(yùn)算及處理等功能，創(chuàng)造出了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。當(dāng)個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來后，為了方便和反映可編程控制器的功能和特點(diǎn)，可編程序控制器被定名為:Programmable Logic Controller(PLC)。20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器開始慢慢進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段，可編程控制器全面引入計(jì)算機(jī)技術(shù)，使其功能發(fā)生了質(zhì)的飛躍。更小的體積，更高的運(yùn)算

41、速度、更可靠的抗干擾設(shè)計(jì)、PID功能、模擬量運(yùn)算等，加上其極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升，型號(hào)也越來越多，不斷地有更好的可編程控制器出現(xiàn)，標(biāo)志著可編程控制器已經(jīng)步入成熟階段。20世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持在30%～40%，在這段時(shí)期，PLC在數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力

42、、處理模擬量能力和通訊能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系</p><p>　　2:PLC在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用越來越廣泛。3:通訊功能得到不斷的加強(qiáng)。4:新器件和模塊不斷的被推出，現(xiàn)代高級(jí)的PLC除了采用CPU提高數(shù)據(jù)處理速度以外，還有自帶處理器的EPROM或自帶RAM的智能I/O模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊等專用化模塊。5:編程工具更加豐富，功能更多，

43、編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化，有各種簡單或復(fù)雜的編程器和編程軟件，有梯形圖、語句表、功能圖等編程語言，也有更高級(jí)的PLC指令系統(tǒng)。6:發(fā)展容錯(cuò)技術(shù)，采用并行工作或多數(shù)表決、以及熱備用等工作方式。7:軟硬件的標(biāo)準(zhǔn)化。</p><p><b>　　組態(tài)軟件的發(fā)展</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件也由著自動(dòng)化的進(jìn)步而逐漸進(jìn)入人們的生產(chǎn)活動(dòng)。

44、到目前為止，幾乎全部的PLC都使用計(jì)算機(jī)做為系統(tǒng)的監(jiān)控站。其次，因?yàn)橛?jì)算機(jī)監(jiān)控大大降低了時(shí)間、人力和物力的成本，使得市場空間得到擴(kuò)大，從無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)視(如防盜報(bào)警、交通管制與監(jiān)控、電信線路監(jiān)控、江河汛情監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)控、礦井報(bào)警等)、數(shù)據(jù)的采集與計(jì)量(如居民水氣電表的自動(dòng)抄表、鐵道信號(hào)采集與記錄等)、數(shù)據(jù)分析(如機(jī)車/汽車的自動(dòng)測(cè)試、虛擬儀器、機(jī)組/設(shè)備參數(shù)測(cè)試、生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量抽檢、醫(yī)療化驗(yàn)儀器設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等)到過程控制，幾乎無處

45、不用。各種各樣的智能儀表、調(diào)節(jié)器和PC－Based設(shè)備可與組態(tài)軟件組建完整的低成本自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，因此具有廣闊的市場空間。各類嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的發(fā)展，把組態(tài)軟件推到了自動(dòng)化系統(tǒng)主力軍的位置，組態(tài)軟件在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為了不可分割的一部分【5】。</p><p><b>　　論文的主要工作</b></p><p>　　通過對(duì)國內(nèi)外恒壓供水教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和比較

46、，利用所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)適用于我國的三本院校或高職?？茖W(xué)校作為恒壓供水系統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺(tái)，且要比前人的設(shè)計(jì)方案具有更大的優(yōu)勢(shì)。本自動(dòng)化恒壓供水系統(tǒng)主要涉及PID自動(dòng)控制、PLC自動(dòng)控制，以及組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。此外，論文還將通過研究實(shí)際的恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程，使得恒壓供水教學(xué)演示系統(tǒng)更加貼近于實(shí)際應(yīng)用，又不增加系統(tǒng)的成本和學(xué)習(xí)的難度。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p>

47、<p>　　2.1變頻恒壓供水演示系統(tǒng)的硬件組成</p><p>　　本恒壓供水系統(tǒng)由蓄水箱、浮子開關(guān)、用戶管網(wǎng)、數(shù)顯壓力表、工控機(jī)(上位機(jī))、控制面板、電氣控制柜、加壓泵、水井、抽水泵組成，其結(jié)構(gòu)和管路設(shè)計(jì)如圖2-1。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)組成及管路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　2.1.1加壓泵的選型</p><p>

48、;　　根據(jù)恒壓供水演示系統(tǒng)要求的流量和揚(yáng)程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸出流量和設(shè)計(jì)供水壓力(水泵揚(yáng)程)，因?yàn)槭且粋€(gè)恒壓供水演示裝置，因此其水量類型為連續(xù)型低流量變化型，所以本方案只采用1個(gè)加壓泵，設(shè)備選用型號(hào)及參數(shù)如表2-1。</p><p>　　表2-1 加壓泵主要參數(shù)</p><p>　　2.1.2抽水泵的選型</p><p>　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用戶管網(wǎng)流量和

49、加壓泵的流量大小，要必須保證抽水泵的流量大于加壓泵的最大流量，才不會(huì)出現(xiàn)造成抽水泵還沒來得及抽水到蓄水池，而蓄水池的水已經(jīng)被加壓泵抽完空轉(zhuǎn)的情況。這會(huì)對(duì)加壓泵造成很大的傷害，而且也會(huì)影響到用戶管網(wǎng)的供水效果。由于本文的恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)小型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因此選擇的抽水泵揚(yáng)程不能太大，以免沖擊蓄水箱，造成水泄漏或損壞。因?yàn)楹銐汗┧菔狙b置是一個(gè)整體的系統(tǒng)，所以抽水泵的輸入電壓要和系統(tǒng)電壓相統(tǒng)一，再者就是考慮成本問題，既要滿足系統(tǒng)要求又要

50、不能浪費(fèi)。所以綜上因素，本方案只采用1個(gè)抽水泵，設(shè)備選用型號(hào)及參數(shù)如表2-2。</p><p>　　表2-2 抽水泵主要參數(shù)</p><p>　　2.1.3變頻器的選型</p><p>　　要對(duì)系統(tǒng)所用的變頻器進(jìn)行選型，必須得先確定變頻器的容量。確定變頻器容量的方法是依據(jù)其所承載的加壓泵的額定功率和額定電流來確定的。由于變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的是脈動(dòng)電流，其脈動(dòng)值比工頻

51、供電時(shí)電流要大，因此必須將變頻器的容量留有適當(dāng)?shù)挠嗔?。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器容量()應(yīng)同時(shí)滿足下列三式:</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p

52、><b>　　式中: </b></p><p>　　—變頻器的額定容量()；</p><p>　　—電流波形的修正系數(shù)(PWM方式取1.05-1.01)；</p><p>　　一電動(dòng)機(jī)的輸出功率；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)的效率(取0.85)；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)(

53、取0.75)；</p><p>　　—變頻器的額定電流(A)；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)的電流(A)；</p><p>　　—電動(dòng)機(jī)的電壓(V)。</p><p>　　式中如按電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來選擇變頻器時(shí)，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。</p><p>　　這三個(gè)公式是統(tǒng)一的，應(yīng)在同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系下選

54、擇變頻器的容量，尤其變頻器的電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。通用變頻器在一般情況下根據(jù)控制功能的不同可分為以下三種類型:矢量控制高功能型變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器和普通功能型U/f控制變頻器。本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)的變頻器負(fù)載是屬于泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩較小，因此可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器【6】。</p><p>　　綜合以上對(duì)泵的選型要求，本文的設(shè)計(jì)方案選用上海紫日電氣科技有限公司的專為

55、風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型U/f控制方式的ZVF9-P0015T4，屬于紫日電氣為風(fēng)機(jī)、泵用的ZVF9-G\ZVF9-P系列，該系列有自帶的操作面板。適用于一般工業(yè)用的三相交流異步電動(dòng)機(jī)?？梢允褂醚由炜刂七x件，可簡單地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。自帶24V直流輸出端子，可方便給予傳感器供電。此外具有各種通信功能，豐富的實(shí)用功能和保護(hù)功能。變頻器內(nèi)置PID控制模塊，可方便地構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，適用于壓力控制，流量控制等過程控制。</p>

56、<p>　　ZVF9-P0015T4變頻器的主要性能及參數(shù)如表2-3，實(shí)物圖如圖2-2。</p><p>　　表2-3 變頻器參數(shù)</p><p>　　圖2-2 ZVF9-P0015T4變頻器實(shí)物圖</p><p>　　ZVF9-P0015T4變頻器是可選適合于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩(即輸出電壓與頻率成二次曲線關(guān)系)負(fù)載模式的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在0.

57、5Hz時(shí)可達(dá)到100%的額定轉(zhuǎn)矩;還可選用自動(dòng)和手動(dòng)的轉(zhuǎn)矩提升功能，保證最佳的啟動(dòng);加、減速時(shí)間在0.1秒到6000秒連續(xù)可設(shè)定，具有直線加減速和S曲線加減速功能功能，讓加減速過程變得緩和，減少機(jī)械系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng);直流制動(dòng)功能，制動(dòng)時(shí)間在0至30秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動(dòng);多種頻率設(shè)定方式:面板電位器設(shè)定、操作面板設(shè)定、外控端子設(shè)定、模擬電壓信號(hào)或外部電位器設(shè)定、模擬電流設(shè)定、模擬組合設(shè)定、485串行通訊設(shè)定；具有自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能

58、，可根據(jù)負(fù)載變化，自動(dòng)優(yōu)化V/F(電壓/頻率)曲線，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行；具有自動(dòng)電壓調(diào)整(AVR)功能，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM輸出，保持輸出電壓的穩(wěn)定；其滑差補(bǔ)償功能，可根據(jù)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化自動(dòng)調(diào)整變頻器的輸出頻率，補(bǔ)償電機(jī)隨負(fù)載變化而引起的轉(zhuǎn)速便宜，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度。</p><p>　　在接口特征上，紫日電氣ZVF9-P0015T4變頻器有6個(gè)可設(shè)定的開關(guān)量輸入口，給用戶提供了很大的靈活性(如固

59、定頻率、固定給定、電動(dòng)電位計(jì)、點(diǎn)動(dòng));兩路可設(shè)定的開路集電極晶體管輸出，可用于頻率到達(dá)、頻率值檢測(cè)、過載、運(yùn)行等多種提示;而485串行通訊端口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。所以本文所選的變頻器在滿足本設(shè)計(jì)的前提下又不會(huì)浪費(fèi)。</p><p>　　紫日電氣ZVF9-P0015T4變頻器具有輸入缺相保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)等多種保護(hù)功能?！?】</p><p>　　2.1.4

60、 PLC選型及I/O分配</p><p>　　整個(gè)變頻恒壓供水演示系統(tǒng)的控制核心是PLC，系統(tǒng)的所有輸入信號(hào)的采集、輸出自動(dòng)控制的輸出信號(hào)以及對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換都是由PLC來完成的。所以在選擇PLC時(shí)，必須要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素【8】。</p><p>　　由于專用于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)較

61、少，因此采用德國SIEMENS(西門子)公司S7-200型的PLC作為自動(dòng)控制中心。西門子的S7-200 PLC優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性能價(jià)格比，是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，對(duì)于本文的恒壓供水教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為自動(dòng)控制中心已經(jīng)綽綽有余；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之泛組合以用于擴(kuò)展；簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可以自由擴(kuò)展；大范圍的集成功能

62、使得它的功能非常強(qiáng)勁。多種的性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大，可隨時(shí)使用附加模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，SIEMENS公司的PLC不僅具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，而且又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。PLC和上位機(jī)的通信可以采用PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI

63、電纜可以方便實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，通</p><p>　　表2-4 端子分配表</p><p>　　圖2-3 PLC實(shí)物圖</p><p>　　2.1.5數(shù)顯壓力表的選型</p><p>　　數(shù)顯壓力表的作用是檢測(cè)水管中的壓力大小，并以1-5V或4-20mA的模擬量信號(hào)輸出給變頻器，用于PID

64、的數(shù)值運(yùn)算，控制變頻器輸出的頻率。但為了防止傳輸過程中的干擾和損耗，本文的方案采用的是輸出4-20mA的模擬電流。有時(shí)候操作員可能不在監(jiān)控系統(tǒng)旁邊，因此實(shí)際的應(yīng)用還應(yīng)該能在壓力傳感器處了解到壓力情況，因此還需要實(shí)時(shí)的顯示裝置，即顯示屏。</p><p>　　綜合以上的分析，本文選用YOTO牌的PG-801E數(shù)顯壓力表，此壓力表是壓力傳感器與LED數(shù)碼管顯示屏的一體式傳感器，用于實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。壓力表測(cè)

65、量范圍:負(fù)壓最低-100KPa，正壓最低可10KPa，最高60MPa。精度等級(jí)0.25%、0.5%?？捎糜跍y(cè)量油壓、水壓、胎壓、氣壓、負(fù)壓、絕壓、表壓和真空壓力。數(shù)顯壓力表輸出的4-20mA電流信號(hào)，傳輸給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可通過數(shù)顯壓力表的操控面板設(shè)定壓力報(bào)警和變送的上、下限，低位和高位顯示等功能。</p><p>　　數(shù)顯壓力表的實(shí)物圖如圖2-4，數(shù)顯壓力表與變頻器的電路接線如圖2-5。<

66、;/p><p>　　圖2-4 數(shù)顯壓力表實(shí)物圖</p><p>　　圖2-5 數(shù)顯壓力表接線圖</p><p>　　2.2恒壓供水演示裝置的電控系統(tǒng)組成</p><p>　　恒壓供水演示裝置電氣控制系統(tǒng)可由以下幾部分組成:</p><p>　　(1)主電路:通過接觸器、斷路器等電氣控制設(shè)備為加壓泵及抽水泵提供電源。<

67、;/p><p>　　(2)電氣控制電路:對(duì)主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全開啟與關(guān)閉及信號(hào)燈的自動(dòng)指示。</p><p>　　(3)PLC控制系統(tǒng):包括硬件線路和軟件控制程序，完成對(duì)恒壓供水系統(tǒng)順序控制、信號(hào)指示報(bào)警及與上位機(jī)的通訊聯(lián)絡(luò)。【10】</p><p>　　(4)變頻自動(dòng)控制電路:根據(jù)在變頻器上進(jìn)行設(shè)定的PID目標(biāo)值，比較壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，由變頻器輸出變

68、頻電源給加壓泵；設(shè)置變頻器輸出的上下限頻率及軟啟動(dòng)等控制信號(hào)。</p><p>　　恒壓供水演示系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 恒壓供水演示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2.1 主電路設(shè)計(jì)</p><p>　　抽水泵和加壓泵均只為自動(dòng)供水狀態(tài)，因此加壓泵只具有變頻一種運(yùn)行方式，將最基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)，加壓泵

69、的工頻運(yùn)行方式的電路設(shè)計(jì)作為學(xué)生的練習(xí)作業(yè)。因?yàn)槌樗脽o需變頻供水，所以抽水泵只具有工頻運(yùn)行方式。因此每臺(tái)主水泵只要求通過一個(gè)接觸器與電源相聯(lián)。連線時(shí)一定要注意，保證水泵運(yùn)轉(zhuǎn)方向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來確定。</p><p>　　變頻器的主電路輸出端子(U、V、W)經(jīng)接觸器接至三相電源輸入的加壓泵上，若當(dāng)加壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，只需調(diào)換輸出端子(U、V、W)的任意兩個(gè)相序，即可變換加壓泵

70、的運(yùn)轉(zhuǎn)方向正常工作。變頻器的起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作必須用變頻器控制面板上的運(yùn)行和停止鍵的方式操作，不得以主電路的總開關(guān)QS1的通斷來進(jìn)行，以此正確使用變頻器，降低變頻器的損壞可能性。主電路的設(shè)計(jì)如圖2-7。</p><p>　　圖2-7 主電路圖</p><p>　　2.2.2電氣控制電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于系統(tǒng)中的抽水泵和加壓泵均只有一種運(yùn)行方式，也就是

71、說不存在一臺(tái)電機(jī)同時(shí)接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)，因此在控制電路中無需考慮電路之間互鎖的關(guān)系。因?yàn)榛ユi也是學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，所以若在學(xué)生的工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行相結(jié)合的設(shè)計(jì)作業(yè)中，要考慮互鎖問題也是由學(xué)生自行完成設(shè)計(jì)。提高學(xué)生對(duì)于重要知識(shí)點(diǎn)的掌握和記憶。另外，如果變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，則一定不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行。</p><p>　　控制電路中還考慮了系統(tǒng)和抽水泵的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，由于PLC的輸

72、出端子足已夠用，因此本文在電路中直接采用PLC的輸出端子來控制相應(yīng)電機(jī)和指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)和抽水泵的工作狀態(tài)?；诳煽啃曰A(chǔ)之上，綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的出發(fā)，進(jìn)行系統(tǒng)搭建成本的考慮，因此本方案只設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制電路，節(jié)省了最基礎(chǔ)的工頻運(yùn)行的控制電路設(shè)計(jì)，也降低了系統(tǒng)的搭建的難度。</p><p>　　在完成了所有的控制硬件選型之后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的電氣控制電路的設(shè)計(jì)，其中主要包括PLC的I/O接線設(shè)計(jì)和變頻

73、器與PLC的接線設(shè)計(jì)，再加上前面的主電路設(shè)計(jì)，就構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)，如圖2-8。</p><p>　　圖2-8系統(tǒng)電氣控制電路圖</p><p>　　圖2-5中，SB1為恒壓供水系統(tǒng)演示裝置的啟動(dòng)開關(guān)；SB2為恒壓供水系統(tǒng)演示裝置的啟動(dòng)開關(guān)；“FZ上”是蓄水箱的上水位的浮子開關(guān)；“FZ下”是蓄水箱的下水位的浮子開關(guān)；HL1和HL2是系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)指示燈，HL1是紅色指示燈，HL2

74、是綠色指示燈。</p><p>　　當(dāng)控制電路通電時(shí)，紅指示燈為亮的狀態(tài)；當(dāng)抽水泵運(yùn)行時(shí)，綠指示為亮的狀態(tài)，若抽水泵停止抽水，則綠指示燈為熄滅狀態(tài)，由此可以知道抽水泵的運(yùn)行狀態(tài)和蓄水池的水位狀態(tài)。上、下浮子的開關(guān)狀態(tài)決定了抽水泵的運(yùn)行狀態(tài)，由系統(tǒng)執(zhí)行PLC的控制程序，自動(dòng)控制KM1接觸器的線圈電路的通斷，由此控制KM1接觸器的觸點(diǎn)動(dòng)作，控制抽水泵電路的通斷，實(shí)現(xiàn)抽水泵的自動(dòng)的啟停；而加壓泵(即用戶供水泵)的狀態(tài)則

75、通過數(shù)顯壓力表測(cè)得的用戶網(wǎng)管的水壓數(shù)據(jù)傳給ZVF9變頻器，由變頻器輸出變頻電源控制加壓泵的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　FR1是抽水泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。</p><p>　　為了安全和規(guī)范使用系統(tǒng)，在滿足控制電器安裝要求的前提下，將系統(tǒng)的控制電氣元件其安裝在控制柜中，其安裝位置圖如圖2-9，控制箱的電氣實(shí)物圖如圖2-10所示。</p><p>

76、　　圖2-9 控制電器位置圖</p><p>　　圖2-10 控制柜電氣實(shí)物圖</p><p>　　2.3 系統(tǒng)可靠性措施</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)方案中采用的工控設(shè)備變頻器和PLC均具有抗干抗能力強(qiáng)，可靠性好的特點(diǎn)。但作為一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，可能會(huì)面對(duì)各種不同的條件，所以還需考慮加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾措施，保障系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。以下是經(jīng)過仔細(xì)分析系統(tǒng)可

77、能的工作條件之后，提出的對(duì)應(yīng)保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的方法:</p><p>　　(1)變頻器和PLC應(yīng)該安裝在專門的控制柜里面，而且一定要保證良好的通風(fēng)環(huán)境和散熱，PLC四周留有50 mm以上的凈空間保證散熱。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境溫度盡量控制在45℃以下，相對(duì)濕度在5～90%，盡可能不裝在多塵、有導(dǎo)電灰塵、有腐蝕性液體和氣體、振動(dòng)、熱源或潮濕的地方。</p><p>　　(2)控制柜與水泵間距離要

78、盡量短，特別是數(shù)顯壓力表至變頻器的4-20mA電流信號(hào)和PLC至抽水泵的傳輸電纜要盡可能短，而且要必須要遠(yuǎn)離那些會(huì)產(chǎn)生電磁干擾的裝置。</p><p>　　(3)和外圍設(shè)備通訊的信號(hào)線、控制線和動(dòng)力線等應(yīng)分開敷設(shè)，不能捆扎在一起，而且應(yīng)該采用接地的屏蔽線。</p><p>　　(4)均要保證變頻器和PLC可靠接地。接地電阻應(yīng)小于100Ω，接地線盡量的短和粗，而且應(yīng)連接于專用的接地極或者公用

79、接地極上。變頻器和PLC二者在接地時(shí)，距離應(yīng)該盡量分開，一定不要使用同一接地線。</p><p>　　(5)電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)冷卻效果下降，應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)具有良好的通風(fēng)條件。</p><p>　　(6)在電氣設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮電氣設(shè)備之間的互鎖關(guān)系。</p><p>　　(7)選用可靠性高的繼電器、接觸器等控制電氣對(duì)于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也具有十分重要的意義。

80、</p><p>　　(8)考慮防雷設(shè)計(jì)。如果電源是架空進(jìn)線，則可以在進(jìn)線處安裝變頻器專用的避雷器，或按規(guī)范要求在離變頻器20m遠(yuǎn)處預(yù)埋鋼管做為專用的接地保護(hù)。若電源是地下電纜引入，則應(yīng)該做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入發(fā)生危險(xiǎn)。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章針對(duì)恒壓供水的特性，進(jìn)行了恒壓供水演

81、示裝置的演講設(shè)計(jì)。在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，確定了變頻調(diào)速恒壓供水演示裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用PLC控制的單抽水泵自動(dòng)控制抽水進(jìn)蓄水箱，和變頻器控制的單泵自動(dòng)無級(jí)變頻調(diào)速結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)的恒壓供水?；谶@一設(shè)計(jì)方案，本章的具體內(nèi)容概括如下:</p><p>　　變頻自動(dòng)調(diào)速恒壓供水演示控制系統(tǒng)由數(shù)顯壓力表、PLC、變頻器、一臺(tái)抽水泵、一臺(tái)加壓泵、控制柜等組成，采用一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)加壓泵的啟

82、停、和調(diào)速；控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括了主電路、電氣控制電路；主要設(shè)備選型以及PLC的I/O端子分配、變頻器接線和功能設(shè)定等，電路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的可靠性。</p><p><b>　　第3章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)過程</p><p>　　PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)自動(dòng)化控

83、制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言，易于學(xué)習(xí)和掌握。盡管國內(nèi)外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達(dá)方式基本類似，主要有以下四種形式:梯形圖，指令表，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級(jí)語言。</p><p>　　PLC的梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號(hào)，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令

84、，它比較直觀、形象，對(duì)于那些熟悉繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。梯形圖編程方式多半適用于比較簡單的控制功能的編程。絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖作為PLC的編程方式。</p><p>　　指令是用英文名稱的縮寫字母來表達(dá)PLC的各種功能的助記符號(hào)，類似于計(jì)算機(jī)匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號(hào)組成。由于直接編程比較抽象，所以一般是先用

85、其它方式表達(dá)，然后改寫成相應(yīng)的語句表。</p><p>　　狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計(jì)算機(jī)常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過程比較詳細(xì)具體，包括每一框前的輸入信號(hào)，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這是一種容易構(gòu)思的方式，也是一種常用的程序表達(dá)方式。而高級(jí)語言是類似于C語言、BACIC語言等編程語言，只在極少數(shù)個(gè)別廠家的PLC中應(yīng)用?！?1】 </p><p>　　基于

86、本設(shè)計(jì)的要求是要簡單易學(xué)，所以本設(shè)計(jì)采用梯形圖來進(jìn)行PLC的程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　首先，設(shè)計(jì)出未使用PLC對(duì)抽水泵進(jìn)行控制時(shí)的恒壓供水演示系統(tǒng)的控制電路(如圖3-1)，這一步驟完全通過電氣控制線路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，PLC不參與控制。</p><p>　　圖3-1 繼電器控制系統(tǒng)電路圖</p><p>　　然后使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行電路的電路仿真操作，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否存

87、在短路或者其他問題。本次設(shè)計(jì)使用到的是V-ELEQ電器電路仿真軟件，其中抽水泵的傳統(tǒng)繼電器自動(dòng)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)仿真，如圖3-2。</p><p>　　圖3-2 抽水泵繼電器控制系統(tǒng)模擬</p><p>　　當(dāng)確認(rèn)繼電器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有任何錯(cuò)誤之后，才能開始PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)要求繼電器控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)一致，而且繼電器的電路符號(hào)畫法與PLC梯形圖畫法相似，因此若要將繼

88、電器控制系統(tǒng)的電路轉(zhuǎn)化成PLC的梯形圖控制程序，只需按照PLC梯形圖的編程要求即可實(shí)現(xiàn)。將繼電器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成PLC控制系統(tǒng)，需要舍棄所有的中間繼電器，由PLC的設(shè)計(jì)程序中的軟繼電器進(jìn)行代替。根據(jù)本文所設(shè)計(jì)繼電器控制系統(tǒng)的電路圖，轉(zhuǎn)化成PLC的梯形圖程序之后，結(jié)果如圖3-3。</p><p>　　圖3-3 PLC梯形圖程序</p><p>　　在進(jìn)行傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)到PLC控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化

89、的程序設(shè)計(jì)之后，最好先通過計(jì)算機(jī)的仿真程序來驗(yàn)證程序是否有錯(cuò)誤或者干擾。</p><p>　　本文采用的是S7-200_V4.0仿真軟件。其界面和本設(shè)計(jì)的仿真記錄如圖3-4。</p><p>　　圖3-4 PLC程序仿真驗(yàn)證</p><p>　　如果PLC程序沒有錯(cuò)誤出現(xiàn)且符合系統(tǒng)的控制邏輯，方可上載至PLC進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。</p><p>

90、　　3.2 系統(tǒng)控制過程</p><p>　　恒壓供水演示系統(tǒng)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能有自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)抽水進(jìn)水箱控制兩個(gè)控制功能。全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式是系統(tǒng)中最主要的功能，是指利用變頻器的PID調(diào)節(jié)功能，通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓供水，其核心是變頻器根據(jù)數(shù)顯壓力表的信號(hào)，進(jìn)行PID運(yùn)算，然后自動(dòng)調(diào)節(jié)加壓泵的電源頻率，調(diào)節(jié)加壓泵的轉(zhuǎn)速，使水壓恒定。而抽水泵自動(dòng)抽水井水箱的核心是PLC程序的設(shè)計(jì)。PLC和程序的

91、主要任務(wù)是接收受各種外部開關(guān)量信號(hào)的輸入，判斷當(dāng)前的蓄水池水位狀態(tài)，輸出信號(hào)去控制接觸器和信號(hào)燈等電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制水泵的運(yùn)行，并給出相應(yīng)指示或報(bào)警。</p><p>　　抽水泵受PLC自動(dòng)控制:系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，水箱水位為零，兩個(gè)浮子開關(guān)均處于通電狀態(tài)，因此開始抽水泵抽水。當(dāng)水位越過下浮子時(shí)，下浮子開關(guān)浮起斷電，抽水泵繼續(xù)抽水。當(dāng)水位升高超過上浮子時(shí)，上浮子開關(guān)也浮起斷電，此時(shí)抽水泵停止運(yùn)行。一直到蓄水箱的水位下降

92、，當(dāng)水位低過下浮子開關(guān)的位置時(shí)，兩個(gè)浮子開關(guān)又同時(shí)處于通電狀態(tài)，抽水泵重新開始抽水。由PLC的程序控制抽水泵如此往復(fù)運(yùn)行，使得蓄水箱的水位一直處于上下浮子之間浮動(dòng)。</p><p>　　加壓泵受變頻器升降壓控制:系統(tǒng)開始工作時(shí)，用戶供水管網(wǎng)內(nèi)水壓力為零，在變頻器控制系統(tǒng)作用下，抽水泵開始以軟啟動(dòng)方式進(jìn)入運(yùn)行。當(dāng)用戶供水管網(wǎng)內(nèi)水壓力達(dá)到設(shè)定的壓力目標(biāo)值時(shí)，加壓泵開始恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)用水量增加，水壓降低時(shí)，水壓低于設(shè)

93、定值，變頻器開始提高輸出頻率，加快加壓泵的轉(zhuǎn)速，使得水壓又恢復(fù)到設(shè)定值。但用水量減少，水壓過高時(shí)，變頻器開始降低輸出頻率，減慢加壓泵的轉(zhuǎn)速，使得水壓穩(wěn)定地回到設(shè)定值。</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要簡單介紹了PLC的程序設(shè)計(jì)方法以及設(shè)計(jì)過程、程序的設(shè)計(jì)思路；給出了出未使用PLC參與控制的電路圖、抽水泵的傳統(tǒng)繼電器控制系

94、統(tǒng)電路仿真記錄、PLC梯形圖程序及其仿真記錄。</p><p>　　第4章 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1系統(tǒng)監(jiān)控軟件的選擇</p><p>　　到目前為止的PC監(jiān)控系統(tǒng)中，制作工控程序方法有多種，如VB、VC等可視化編程工具制作控制界面，利用Windows API函數(shù)或者調(diào)用MOSCOMM控件進(jìn)行上下位機(jī)串口通訊;或者大部分情況都會(huì)直接利用專業(yè)的工業(yè)組態(tài)

95、軟件來制作上位機(jī)監(jiān)控程序。由于工業(yè)組態(tài)優(yōu)勢(shì)大，且本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于教學(xué)和學(xué)習(xí)，考慮到成本和演示教學(xué)的難度，所以本系統(tǒng)選用工業(yè)組態(tài)軟件來進(jìn)行監(jiān)控程序的開發(fā)。目前流行的組態(tài)軟件很多，國內(nèi)外都有，如INTOUCH、FIX、WinCC、MCGS、易控、組態(tài)王、虎翼、開物2000等，其中相對(duì)來說組態(tài)王畫面制作簡單，美觀且易學(xué)，網(wǎng)絡(luò)通訊功能比較完善，足已滿足本系統(tǒng)的監(jiān)控要求，故采用它作為本系統(tǒng)的組態(tài)軟件。</p><p>

96、　　4.1.1 組態(tài)王的介紹</p><p>　　組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè)監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場操作以及工廠資源管理于一體，將各種控制系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集到一起，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化管理。它基于Microsoft Windows 7/XP/NT/2000操作系統(tǒng)，用戶可以在控制系統(tǒng)的上位機(jī)上獲得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息，甚至也可以發(fā)布互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控頁面。</p><p>　　組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控

97、系統(tǒng)軟件，以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，是一種新型的工業(yè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。它具有易于擴(kuò)展、、開發(fā)周期短、開放性好經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為管理層、監(jiān)控層、控制層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層是中間層，對(duì)下連接著控制層，對(duì)上則連接著管理層，它不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且能在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題:動(dòng)畫、畫面、數(shù)據(jù)。組態(tài)軟件也為使用

98、者提供了可視化的監(jiān)控畫面，有利于使用者進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控。組態(tài)王充分了利用Windows的圖形編輯功能，十分方便地構(gòu)成了監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示受控設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線功能等，也可便捷地生成各種報(bào)表。它還具有靈活的組態(tài)方式和豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、以及數(shù)據(jù)鏈接功能。</p><p>　　4.1.2 組態(tài)王軟件的使用方法和特點(diǎn)</p><p>　　(1)使用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的

99、實(shí)驗(yàn)仿真基本步驟：</p><p>　?、龠M(jìn)行圖形界面的設(shè)計(jì)；</p><p>　?、跇?gòu)建數(shù)據(jù)庫，正確組態(tài)各種變量參數(shù)；</p><p>　?、蹖D形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫變量建立動(dòng)畫連接；</p><p>　?、鼙O(jiān)控程序的運(yùn)行和調(diào)試。</p><p>　　(2)使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn): </p>&l

100、t;p>　?、傧到y(tǒng)的運(yùn)行過程全部通過軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),只需用計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn),極大減少了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性以及經(jīng)費(fèi)，人力和財(cái)力。 </p><p>　?、谟捎谑俏覈援a(chǎn)的軟件，所以該系統(tǒng)是中文界面,具有可視化強(qiáng)、人機(jī)界面友好等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于其他組態(tài)軟件而言,組態(tài)王操作簡單易學(xué),參數(shù)輸入與修改十分靈活。能夠?qū)崟r(shí)地顯示數(shù)據(jù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線,對(duì)于顯示控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線也非常直觀,以上這些很強(qiáng)大

101、的交互能力使它能在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中可以實(shí)現(xiàn)理想的效果。 </p><p>　　(3)采用組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控程序過程中必須要注意以下3個(gè)方面: </p><p>　?、贁?shù)據(jù),就是建立一個(gè)具體的數(shù)據(jù)庫,并使用數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對(duì)象的各種屬性,比如流量、水位、溫度等。 </p><p>　　②圖形,就是用簡單的圖形畫面來模擬實(shí)際的控制現(xiàn)場和相應(yīng)的工控設(shè)備狀態(tài)。<

102、/p><p>　?、坻溄?就是畫面上的圖形以什么樣的動(dòng)畫來模擬實(shí)際控制現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),以及怎么讓操作者輸入控制設(shè)備的命令。</p><p>　　4.1.3 組態(tài)王與S7-200PLC通訊</p><p>　　(1)組態(tài)王的通訊機(jī)制</p><p>　　每臺(tái)與組態(tài)王通訊的設(shè)備都被它看作是外部設(shè)備，為了實(shí)現(xiàn)和外部設(shè)備通訊，組態(tài)王內(nèi)置了大量的設(shè)備驅(qū)

103、動(dòng)作為外部設(shè)備的通訊接口。開發(fā)過程中，只需根據(jù)工程瀏覽器的“設(shè)備組態(tài)”，根據(jù)提示一步步完成連接過程，即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)連接。在運(yùn)行過程中，組態(tài)王能經(jīng)過驅(qū)動(dòng)接口與外部設(shè)備進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的采集以及發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)。組態(tài)王的驅(qū)動(dòng)程序采用的是ActiveX技術(shù)，因此每一個(gè)驅(qū)動(dòng)都是一個(gè)COM對(duì)象，這種方式使組態(tài)王與驅(qū)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而保障了系統(tǒng)運(yùn)行的高效率。因此，組態(tài)王可以與一些常用I/O設(shè)備直接進(jìn)行通訊，例如:可編

104、程控制器(PLC)、板卡、智能儀表、智能模塊等。組態(tài)王采用以下5種方式與I/0設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換:DDE方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方式、人機(jī)接口卡方式、串行通訊方式、板卡方式。</p><p>　　(2)組態(tài)王與S7-200的PPI通信方式</p><p>　　本文的設(shè)計(jì)方案中，上位機(jī)(PC)與PLC是采用PPI通信方式來進(jìn)行通訊。PPI是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，即point to point interface，

105、是西門子專為s7-200系列開發(fā)的一種通訊協(xié)議。PPI是一種主從協(xié)議，主站發(fā)送指令到從站，從站才作出響應(yīng)。從站不主動(dòng)發(fā)信息，只是等待主站的要求并作出響應(yīng)。在該方式下，使用PPI電纜將PC的串口與S7—200PLC的通訊口相接來進(jìn)行通訊。</p><p>　　4.2 組態(tài)王系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 組態(tài)王系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟</p><p>　　一般情況下

106、，在組態(tài)王軟件上建立一個(gè)工程大致可分為以下幾個(gè)步驟:</p><p>　　第1步:為新工程創(chuàng)建一個(gè)目錄用來存放和工程相關(guān)的文檔。</p><p>　　第2步:定義硬件設(shè)備并添加工程變量，添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，包括I/O變量和內(nèi)存變量。</p><p>　　第3步:制作圖形畫面，并定義動(dòng)畫連接，按照實(shí)際工程的設(shè)計(jì)要求繪制恒壓供水演示裝置的監(jiān)控畫面

107、，并使靜態(tài)畫面隨控制過程中相應(yīng)的對(duì)象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。</p><p>　　第4步:編寫命令語言，通過腳本程序的編寫來實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的操作上位控制。</p><p>　　第5步:進(jìn)行運(yùn)行系統(tǒng)的配置，對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警以及歷史數(shù)據(jù)記錄表等進(jìn)行設(shè)置是系統(tǒng)正式使用前的必備工作。</p><p>　　第6步:保存工程并運(yùn)行。</p><p>　　完成以上步驟后