基于plc控制的变频调速恒压供水系统的设计

基于plc控制的变频调速恒压供水系统的设计内容摘要：

PLC 的程序逻辑来完成的。 为了保护 PLC 设备， PLC 输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。 在 PLC 输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。 控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电 路的自锁包括组内互锁和组间互锁。 组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。 在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。 所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动机的变频控制电路。 控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制 PLC 的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。 控制电路中还必须考虑系 统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC 的输出端口，在电路中可以采用 PLC 输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。 PLC 配置 1． S7200 型 PLC 的特点 [15] 由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此 PLC 选用德国 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能 /价格比，广泛适用于一些小型控制系统 [4]。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 ，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点； PLC 可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。 PLC 和上位机的通信采用 PC/PPI 电缆，支持点对点接口（ PPI）协议， PC/PPI电缆可以方便实现 PLC 的通信接口 RS485 到 PC 机的通信接口 RS232 的转换，通信传输速率为 或。 用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护 [37]。 2． PLC 的开关量输入、输出点 PLC 的输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。 变频调速恒压供 水自动控制系统采用分组运行的方式，把 1水泵电机（ 160KW）和 2水泵电机（ 220KW）分为机组Ⅰ， 3水泵电机（ 160KW）和 4水泵电机（ 220KW）分为机组Ⅱ。 两组采用循环使用的方式运行，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。 要求控制的现场设备有四台电机接触器的动作，四个阀门正反转，变频器的控制端子，热继电器输入及报警等。 PLC 输入输出端口地址的分配如下表 31 所示。 （ 1）输入端口 自动控制系统 PLC 的输入端口包括机组Ⅰ启动按钮，阀门关闭按钮，电机停止按钮， 13 以及机组Ⅱ启动按钮 ，阀门关闭按钮，电机停止按钮。 另外 PLC 输入端口还包括电动机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。 （ 2） 输出端口 PLC 的输出端口包括机组Ⅰ内控制 1电机两个交流接触器的动作，分别对应变频 /工频两个工作状态， 1水泵相应阀门的正反转， 2电机变频运行的交流接触器动作， 2水泵相应阀门的正反转。 机组Ⅱ内控制 3电机变频 /工频运行的两个交流接触器 ,3水泵相应阀门的正反转， 4电机变频运行的交流接触器动作， 4水泵相应阀门的正反转。 PLC与这些交流接触器的连接是通过中间继电器来实现的，可以实现控 制系统中的强电和弱电之间的隔离，保护 PLC 设备，增强系统工作的可靠性。 对于变频器，不仅需要一个中间继电器来控制变频器的 FWD 和 CM 的通断，来实现变频器的运行和停止；而且需要一个中间继电器来控制变频器的 BX 和 CM 的通断，断开变频器输出，实现变频 /工频的切换。 此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要四个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。 表 3－ 1 可编程控制器输入、输出端口（ I/0）地址分配表 名称 端口地址 I/O 中间继电器 备 注 XSM1234 SB1 关机 XCV1234 SB2 关阀 X12 SB3 选择（ 1和 2）水泵电机运行 X34 SB4 选择（ 3和 4）水泵电机运行 XBJ1 BJ1 1电机报警开关 XBJ2 BJ2 2电机报警开关 XBJ3 BJ3 3电机报警开关 XBJ4 BJ4 4电机报警开关 YFWD FWD 变频器的 FWD— CM 端子 YBX BX 变频器的 BX— CM 端子 YVF11 YVF1 1变频运行 YWF11 YWF1 1工频运行 YWF12 YWF2 2工频运行 YKF11 YKF1 1开阀 YGF11 YGF1 1关阀 YKF12 YKF2 2开阀 YGF12 YGF2 2关阀 YBJ1 YBJ1 1报警 YBJ2 YBJ2 2报警 YBJ3 YBJ3 3报警 YBJ4 YBJ4 4报警 14 YFM YFM 峰鸣报警器 YVF21 YVF3 3变频运行 YWF21 YWF3 3工频运行 YWF22 YWF4 4工频运行 YKF21 YKF3 3开阀 YGF21 YGF3 3关阀 YKF22 YKF4 4开阀 YGF22 YGF4 4关阀 3． PLC 的模拟量输入、输出点 自动控制系统 PLC 的模拟输入端口包括压力传感器检测的水位信号，水位信号是以标准电流信号 4～ 20mA 进行传输的；变频器反馈的电机频率信号，电机频率信号是 0～10V的 电压信号。 4． PLC 的选型 根据控制系统实际所需端子数目，考虑 PLC 端子数目要有一定的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的 S7200 型 PLC 的主模块为 CPU266，其开关量输出（ DQ）为 16 点，输出形式为 AC220V继电器输出；开关量输入 CPU266 为 24点，输入形式为＋ 24V直流输入。 由于实际的开关量输出有 22 点，所以需要扩展，扩展模块选择的是两个 EM222 型模块，该模块有 8 个开关量输出点，输出形式为 AC220V继电器输出。 此外，为了方便的将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传 输给 PLC,经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了 EM235 模拟量扩展模块。 该模块有 4 个模拟输入（ AIW）， 1 个模拟输出（ AQW）信号通道。 输入输出信号接入端口时能够自动完成 A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（ 16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成 D/A 的转换，一个字长（ 16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。 EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过 DIP 开关进行设置。 系统中 PLC 的选型包括一个 CPU266 主模块，两个 EM222 扩展模块，一个 EM235模拟量扩展模块。 如此 PLC 总共有 24 个数字信号输入， 32 个数字信号输出 ,以及 4 个模拟输入信号， 1 个模拟输出信号。 输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求。 第四章 PLC 的设计 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 编程软件开发 ,该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言，即语句表 (STL)语言、梯形图 (LAD)语言、功能块图 (FWD)语言 [38]。 语句表 (STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来 自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建 用户程序，属于面 向机器硬件的语言。 梯形图 (LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气 控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看 作是 PLC 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容 易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。 功能块图 (FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端， 输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的 连接方式基本相同。 15 PLC 控制程序由一个主程序、若干子程序 构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过 PC/PPI 电缆把程序下载到 PLC，控制任务的完成，是通过在 RUN 模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 编程软件开发 ,基于 WINDOWS 的应用软件，该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言，即语句表 (STL)语言、梯形图 (LAD)语言、功能块图 (FWD)语言。 语句表 (STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计 算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建 用户程序，属于面向机器硬件的语言。 梯形图 (LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气 控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比 ，梯形图可以看作是 PLC 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑 ，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程 工具。 功能块图 (FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输 入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连 接方式与电路的连 接方式基本相同。 梯形图的基本绘制规则： （ 1）．编程顺序 梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。 每个逻辑行开始于左母线，一般来说，触点要放在左侧，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。 （ 2）．编号分配 对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。 （ 3）．触点的使用次数和线圈的使用次数 在 PLC 的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只能是一次，否则，容易引 发系统出现意外的事故。 （ 4）．线圈的连接 使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。 控制系统主程序设计 在硬件系统设计中，采用一台变频器连接 4 台电动机，其中 3水泵电机是小机，具有变频 /工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联； 4水泵电机是大机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。 变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。 对于有变频 /工频两种状态的 1和 3电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。 所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。 变频器主电路电源输入端子（Ｒ、Ｓ、Ｔ）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）的任意两相。 特别是对于有变频 /工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否 16 则在变频 ／工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。 在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子 FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。 水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。 PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、小功率水泵电机变频 /工频切换程序、水泵电机换机程序、阀门开启关闭程序、模拟量（压力、水位、频率）比较计算程序、停机程序和报警程序等构成。 在系统开始 工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量（管网压力、电机频率）数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。 系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。 由于自动控制系统采用分组方式运行，但选择不同机组运行时， PLC 程序自动完成相应的电机起动。 水泵电机起动前先要保证变频器三相电源输入端得电， PLC 发出指令，使连接变频器三相电源输出端与电机的接触器闭合，延时几秒后自动接通变频器的外控端子 FWDCM 之间的常开触点，同时要保证 BXCM 之间断开。 /工频切换程序 小功率水泵电机变频起动后，当变频器输出频率达到 50Hz 时，先由鉴频鉴相控制器检测工频电源和变频输出电源相位是否一致，若相位一致， PLC 的扩展模块接受控制器 4 端子的 0V电压信号，经由 PLC 比较计算， PLC 执行一系列动作 ,使 BXCM之间接通。