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1、哈尔滨理工大学学士学位论文基于PLC控制的城市恒压供水系统摘要随着市场经济的发展，人民的生活水平不断提高。人们对供水质量和供水系统可靠性的要求也不断提高；同时，城市需水量日益加大，以及目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术、以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。本文介绍
2、了采用PLC控制的变频调速供水系统,由PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力凋节，通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压变量供水运行结果表明,该系统具有压力稳定,结构简单,工作可靠等特点。该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高供水的质量，并且节省了人力，具有显著的经济效益和社会效益。关键词 恒压供水；变频调速；远程监控；PLCIPressure Constant City Water Supply System Based on PLC control AbstractWith the development of market economy, peoples living s
3、tandards improved. People of water quality and water requirements continuously improve system reliability; Meanwhile, the growing urban water demand increase, and the current energy shortage, the use of advanced automation technology, control technology, and communication technology, design high-per
4、formance, high energy, able to adapt different areas of water supply systems has become an inevitable trend. Based on the analysis of the variable frequency speed constant pressure water supply to achieve the energy saving mechanism of the traditional valve control constant pressure water supply mod
5、e. The converter with built-in PID module parameters preset, using a remote pressure gauge pressure feedback, to form a closed loop system, according to the change of water, take the PID regulation, in the whole flux range using the hierarchical continuous adjusting variable pump and general pump re
6、gulator combination, the realization of constant pressure water supply and effective energy saving. This article describes the use of PLC control frequency control water supply system, the logic is controlled by PLC, withered by the inverter section of the pressure, frequency and frequency switching
7、 through PLC control, closed-loop automatic adjustment constant pressure variable water supply, the results show that the system with pressure stability, simple structure, reliable work. The system has high reliability and real time, which greatly improve the quality of water, and saves manpower, wi
8、th significant economic and social benefits.Keywords Constantp ressure；Variable Velocity Variable frequency；remote Monitoring and Control；PLC不要删除行尾的分节符，此行不会被打印II目 录摘要IAbstractII第1章 绪论- 1 -1.1 概述- 1 -1.2主要供水调节方式的发展- 2 -1.3相关技术概况- 2 -1.3.1供水系统的分类- 2 -1.3.2变频调速技术概况- 3 -1.4研究内容- 3 -第2章 PLC简介- 4 -2.1 引言-
9、 4 -2.1.1 PLC的发展- 4 -2.1.2 PLC的未来趋势- 4 -2.1.3 PLC与工业控制计算机的比较- 4 -2.2 PLC系统介绍- 5 -2.2.1 可编程序控制器（PLC）的概念- 5 -2.2.2 PLC基本组成结构- 5 -2.2.3 PLC技术特点- 5 -2.2.4 PLC原理- 7 -2.2.5 PLC的性能指标- 9 -2.2.6 PLC的设计步骤- 10 -2.2.7 软件PLC- 10 -2.3 PLC程控系统- 11 -2.4 本章小结- 11 -第3章 供水系统恒压控制与硬件设计- 12 -3.1 异步电动机调速方法及选择- 12 -3.1.1 变
10、极调速- 12 -3.1.2 变转差调速- 12 -3.1.3 变频调速- 13 -3.2 供水系统的方案确定- 14 -3.2.1 对泵站供水系统总体要求- 15 -3.2.2 供水系统的流量类型- 15 -3.2.3 总体设计方案确定- 15 -3.3 控制系统的硬件设计与选型- 18 -3.3.1 主电路设计- 18 -3.3.2 电器控制电路设计- 19 -3.3.3 系统主要配置的选型- 19 -3.4 系统可靠性措施- 24 -3.5 本章小结- 25 -第4章 PLC控制程序- 26 -4.1 水泵/变频运行状态及转换过程分析- 26 -4.2 PLC程序设计方法- 29 -4.
11、3 供水系统控制程序- 32 -4.4 本章小结- 35 -结论- 36 -致谢- 37 -参考文献- 38 -附录A- 39 -附录B- 47 -附录C- 53 -千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- 55 -第1章 绪论1.1 概述随着近些年来我国经济的飞速发展，能源问题日益成为制约经济快速稳定发展的突出问题之一，尤其是最近几年我国大部分省市出现的拉闸限电等现象，对人们的生活，企业的生产活动造成了很大的影响。而这个问题的解决一方面需要发展新能源技术，大力发展可再生能源，另一方面
12、则需要加强能源的节约，提高能源的利用率，减少能源浪费。本课题的研究目的就是研究在供水系统中所造成的能量浪费问题，提出能提高能量利用率的方法。据有关部门统计，在供水行业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用在生产成本中占很大的比例；水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上。以城市供水系统为例，城市供水的一二级泵站往往采用大型水泵耗电量非常高，占给水系统总耗电量的 80-90%，构成了给水系统运行费最重要的一部分因此广泛推行各种节能措施是必不可少的。然而在我国现行的供水系统中，大部分的水泵控制采用的都是传统的电力拖动方式，水泵在工频下定速运转。同时在系统设计时水泵容量普遍
13、偏大，设计时水泵运行在高效区，但是实际应用中却偏离设计的工作点，这样水泵就无法工作在高效区，不仅造成耗电量极大的浪费，而且水泵的性能会受到严重的影响。在供水系统中水力工况失调现象比较严重，系统在实际运行时流经各幢建筑物，各用水设备的流量与设计流量不符。因此电力拖动定速运转状态下，电机的平均负载率较低，造成电机本身功率下降。而传统的调节供水方式是利用调节阀门开度的方式来实现的，这种方法虽然简单，但是存在许多弊端，如能量浪费严重，当流量减小，阀门开度减小时，电机仍在定速运转，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的 阻力上，而且由于电机的启动时间很短，管道内水流量从零迅速增至额定流量，造成管道内过压或欠
14、压，产生所谓的“水锤效应”，不但产生噪声，甚至可能在高压时造成管道或阀门破裂，低压时引起管道的塌瘪。因此，改变传统的供水方式是提高能量利用效率的必不可少的。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。当前，随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统
15、，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。1.2主要供水调节方式的发展传统的供水控制方式是采用工频电带动电机，在固定转速下驱动水泵，用控制阀来控制管道中流量的变化，这种方法是最常用的，成为节流阀，又称阀门调节法。当用水量在设计流量时，水泵在额定条件下，工作在高效区，当用水量发生变化时，开大或关小阀门的开度，从而改变泵装置管路中的阻力系数，以达到调节流量的目的。这一调节方法十分简单，应用甚广。但由于它是依靠改变节流阀处的水力损失来进行调节的，故增加水力损失。除节流法外，在某些化工厂还经常采用吸入池液位变化自动调节法，由于吸入池液位变化，相当于管路特性变化，因而造成泵的运转工况点改变
16、随着变频调速技术的发展，变频调速供水方式便以其调速精度高，功率因数高，能提高出水质量等特点，获得了供水行业专家的青睐。同时在与单片机、PLC 等技术结合起来后，变频调速供水技术得到更大的发展。从目前情况看，变频调速自动供水技术可分为恒水压控制和恒水流控制两种方式。前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出口流量则依用户需求随时改变。其优点是能同时满足用户对流量和扬程的不同要求。不足之处是过于强调恒压指标，对低层用户来说压力会过高，用户不得不进行限流，造成能源的浪费。恒水流控制则强调对出口的水量进行控制，对水压指标比较放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，能
17、最大限度节能。但缺点也比较明显，其 一是仅控制用水量，无法分配水流去向,势必会造成分配不均，特别在低层用户用水量大时，造成高层用户的断流。而高层用户用水量大时又造成低层用户水压过高。其二是水的流量检测难度较大，闭环控制困难。因此，在本课题中采 用的控制方法是变频调速恒压控制技术。1.3相关技术概况1.3.1供水系统的分类该系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的稳定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用
18、场所，有一下几种方案可供选择：1有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器。这种控制系统结构简单，它将PTD调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。2通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器。这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大。3通用变频器+PLC+人机
19、界面+压力传感器。这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可看出“变频器主电路+PLC+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合本系统。1.3.2变频调速技术概况变频调
20、速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。变频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频
21、率跳跃等功能;具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。1.4研究内容采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合。采用PLC控制的变频调速供水系统,由PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力凋节，通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压变量供水。第2章 PLC简介2.1 引言随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器
22、有了突飞猛进的发展，其功能已远远超过了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称PLC已广泛应用与冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。2.1.1 PLC的发展早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始
23、采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU)。这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。2.1.2 PLC的未来趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。1功能更强，速度更快。2模块更丰富。3与其它智能控制系统的融合。4通信功能增
24、强。2.1.3 PLC与工业控制计算机的比较工业控制计算机是通用型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。其硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，并且软件资源丰富，特别是有实际操作系统的支持，股对要求快速、实时性强、模型复杂。计算工作对大的工业对象的控制占有优势。但是，使用工业控制及控制生产工艺过程，要求开发人员有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC最初是针对工业顺序控制应用发展而来的软件都不能直接使用，必须经过二次开发。硬件结构专用性强、通用性差，很多语言编程易学，便于推广应用。但PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图。从革命性方面看，PLC是专为工业现场应用而设计的，
25、结构上采用整体密封或擂件组合器，并采取了一系列抗干扰措施，具有很高的可靠性。而工业控制机虽然也能够在恶劣的永夜环境下可靠运行，但毕竟是由通用机发展额来的。在整体结构上要完全适应现成生产环境，还要靠大量工作。另一方面，PLC用户程序是在PLC监控程序的基础上运行的，软件方面的干扰措施在监控程序里已经考虑的很周全，而工业控制机用户程序必须考虑抗干扰性。一般的编程人员很难考虑周全。 这也是工控机应用系统比PLC应用系统可靠性低的原因。尽管现代PLC在模拟信号处理、数值运算、实时控制等方面有了很大提高，但在模拟复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机更能发挥其长处。PLC控制系统现在应
26、用的越来越广。2.2 PLC系统介绍2.2.1 可编程序控制器（PLC）的概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。2.2.2 PLC基本组成结构虽然各种PLC产品的
27、形式和功能特点各不相同，但他们在结构和组成上基本是相同的，一般由CPU、存储器、输入/输出系统及其他可选部件四大部分组成，如图2-1所示。PLC在运行过程中，一般由CPU、存储器和输入/输出系统三个部分即可完成预定的各种控制任务，因此可将这三个部分称为PLC的基本组成部分。其可选部件包括编程器、外存储器、模拟I/O盘、通信接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于系统的编程组态、程序存储、通信联网、系统扩展和系统的测试与维护等，是PLC的辅助组成部分，在PLC正常运行期间这些部件并不起作用，它们主要用于系统的开发、安装、调试和维护。如图2-1所示。2.2.3 PLC技术特点可编程序控制器是专为在工
28、业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点：1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就
29、大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。输入/输出系统现场输入/输出信号其他可选部件系统总线CPU系统程序用户程序存储器图2-1 PLC的一般组成2配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控
30、制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。4功能强，性能价格比高现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄存器、定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量
31、输入输出处理功能、通信联网功能等。此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比，它具有很高的性能价格比。5 体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.2.4 PLC原理PLC的主要逻辑部件：PLC的制造厂家对微处理机进行了软硬件的开发，为用户提供了许多适用于电气控制的逻辑部件。如继电器逻辑、定时器、计数器、移位寄存器、数据寄存器、触发器等。PLC中的继电器是一个逻辑概念，有时称“软继电器”。与通常的物理继电器相比，其体
32、积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长、有无数多个常开常闭接点供程序使用，在使用中不必考虑接点的容量。同时也提供了描述这些逻辑部件的符号和语言。如图3-2所示。PLC的基本工作原理：PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断反复的重复执行，直到PLC停机或者切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，如图2-2所示。要使程序巡回扫描一次的时间短，首先
33、与每条指令的执行时间长短有关，其次与程序中所用指令类型和包含指令条数的多少有关。前者主要和机器的主频，即时钟的快慢有关，机器选择确定后，它也随之而定。后者则和被控系统的复杂程度，以及程序编制者的水平有关。程序有长有短，而且在各个扫描周期中也随着条件的不同而影响着程序长短的变化。因此，这部分占用的扫描时间不仅对不同的系统其长短不同，而且对同一系统的不同时间也占用不同的扫描时间。执行程序随变量状态的不同而不同，即一部分程序段可能不执行。为了保证生产系统的正常运行，必须做到最长的扫描周期小于系统电器改变状态的时间。实际上扫描周期的不固定给机器实现某些控制会带来一些困难。可编程序控制器扫描工作方式：计
34、算机用于控制、运行程序时常采用扫描工作方式和中断工作方式。PLC主要采用扫描工作方式，顺序扫描工作方式简单直观，简化了程序设计，并为PLC可靠运行提供有利的保证。在有的场合也插入中断方式，允许中断正在扫描运行的程序。这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。整个工作过程可分为以下阶段：每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I/O部分、存储器、CPU等，发现异常状况，则停机显示错误。若自诊断正常，继续向下扫描。PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理。如接收由编程器送图2-2 P
35、LC的基本工作原理来的程序、命令和各种数据，则要把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有计算机等的通信请求，也在这段时间完成数据的接受和发送任务。PLC扫描工作的第一步是采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子，并将个输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，知道下一个扫描周期的输入采样阶段，才能重新写入输入端的新内容。第二步是程序执行阶段，根据PLC梯形图程序“先左后右，先上后下”扫描的原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的
36、跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”上一个阶段才入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态随着程序执行过程而变化。第三步输出刷新，在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载PLC周期性地循环执行上述步骤，称为扫描周期。它反映PLC对输入信号的灵敏度或滞后程度。扫描周期的大小对系统性能有一定影响，例如对I/O响应时间，定时
37、器精度等都有影响。当程序较长时，就应当计算扫描周期，看看是否符合要求。PLC采用对I/O操作、数据处理等的循环扫描工作方式。这种工作方式在系统软件控制下，顺序扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。1自诊断是指在PLC扫描用户程序之前先执行故障子诊断程序，主要执行I/O部分、存储器和CPU等，自诊断正常则继续向下扫描；2与编程器或计算机通信是指PLC检查编程器或计算机等是否有通信的请求，并接收发出来的程序、指令和各种数据，将相应的状态、数据和信息显示出来。如图3-3所示。3CPU对各输入端扫描并将输入端的状态送到输入状态寄存器，完成对现场信息的输入采样过
38、程。CPU逐条调出并执行用户程序的指令，按照指令对数据进行运算，并将结果送至输出寄存器，实现PLC的程序控制过程。4当所有指令执行完毕后，PLC集中将输出状态寄存器中的状态通过输出模块单元转换成控制设备的电压或电流信号，以驱动控制设备，实现对输出状态的刷新。执行用户程序与编程器或计算机通信读入现场信号并采样自诊断输出刷新图2-4 PLC工作过程示意图2.2.5 PLC的性能指标常见技术性能指标：1I/O点数：PLC外部输入、输出端子数。2扫描速度：以执行1000步指令所需时间来衡量，单位为毫秒/千步。3内存容量：一般以PLC所能存放用户程序多少衡量，在PLC中程序指令是按“步”存放的（一条指令
39、往往不止一步），一步占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节（如一个内存容量为1000步的PLC可推知其内存为2K字节）。4指令条数：衡量PLC软件功能强弱的主要指标。PLC具有的指令种类越多，软件功能越强。5内部寄存器：存放变量状态、中间结果、数据等，是衡量PLC硬件功能强弱的一个指标。6高功能模块：主控模块实现基本控制功能，而高功能模块则实现某一种特殊的专门功能。2.2.6 PLC的设计步骤PLC的工作方式和通用微机不完全一样，因此用PLC设计自动控制系统与微机的控制系统的开发过程也不完全一样。需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。1确定控制对象及控制范围 详细了解被控对
40、象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。 2PLC型号的选定 根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。 3硬件设计 根据所选用的PLC产品，了解其使用的性能。按随机提供的资料结合实际需求，同时考虑软件编程的情况进行外电路的设计，绘制电器控制系统总装配图和接线图。 4软件设计 （1）在进行硬件设计的
41、同时可以同时着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在程序设计的时候建议将使用的软继电器（内部继电器、定时器、计数器等）列表，标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。 （2）程序初调也成为模拟调试。将设计好的程序通过程序编辑工具下载到PLC控制单元中。由外接信号源加入测试信号，通过各种状态指示灯了解程序运行的情况，观察输入/输出之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，并及时修改和调整程序，消除缺陷，直到满足设计的要求为止。 5现场调试 在初调合格的情况下，将PLC与现场设备连
42、接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接的正确无误的情况下即可送电。把PLC控制单元的工作方式布置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改老配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。试运行无问题后可将程序固化在具有长久记忆功能的存储器中，并做备份（至少应该作2份）。2.2.7 软件PLC软件PLC（简称软PLC）是相对于硬件PLC（简称硬PLC）而言的。软PLC克服了硬PLC的一些缺点。CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个C
43、PU，它按PLC的系统程序赋予的功能接受并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态和数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。2.3 PLC程控系统PLC程控是通过可编程序控制器对供水系统生产过程进行控制，其外部设备与强电集控基本相同，室内设备比强电集控多了PC主机及配套设备。由于它可通过软件对系统所需的不同运行方式进行排列组合。所以不仅能够实现强电集控的所有控制要求，而且还可以实现强电集控很难实现的一些较高的控
44、制要求。它可以设置多种闪光频率，使同一信号显示不同的运行状态，因此比强电集控有更多的控制功能和显示功能，更能适应输煤系统复杂的工艺过程变化。况且它操作简便（只要通过键盘或开关、按钮即可实现各种控制要求），不容易引起误操作，从而大大提高了供水系统的运行可靠性。2.4 本章小结本章对PLC的发展史、未来趋势进行了详细论述。细致阐述了PLC在现在工业上的优势，并解答了PLC的构成原理、运行方式和特点。通过描述PLC的设计对后续有关PLC硬件和软件设计步骤进行了铺垫。第3章 供水系统恒压控制与硬件设计3.1 异步电动机调速方法及选择转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用
45、寿命，提高系统的安全性。通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式 (3-1)式中：异步电动机的同步转速，rmin；n异步电动机转子转速，rmin；P异步电动机磁极对数；f异步电动机定子电压频率，即电源频率；s转速差，s=x100。 可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。3.1.1 变极调速在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差
46、大，不适用于供水系统中转速的连续调节。通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.1.2 变转差调速通过
47、改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为 (3-2)该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.1.3 变频调速1变频调速机械特性通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通m基本不变，其关系为常数式中：U1变频器输出电压、f1变频器输出频率变频调速方式时，三相异步