毕业设计（论文）基于PLC的变频恒压供水系统的设计(300)

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1、目 录第一章 绪论1.1 现代城市供水的现状及缺陷1.2 变频恒压供水的优点1.3 PLC变频技术的发展现状1.4 PLC变频恒压供水的可行性分析第二章 恒压供水系统的基本构成2.1 系统工艺，设备简介2.2 系统电气控制要求2.3 系统设计2.4 控制思想第三章 硬件设备选型3.1 PLC的选择3.2 变频器的选型3.2.1 变频器容量的确定3.2.2 变频控制器的选型3.2.3 第一水厂变频器其它参数的确定3.3 PID调节器3.4 电机的选型3.5 外围设备的选型3.5.1 电磁阀的选型3.5.2 接触器的选型3.5.3 热继电器的选型3.5.4 液位传感器的选型3.5.5 压力传感器的

2、接线图第四章 PLC程序设计4.1 PLC及其网络概述4.1.1 PLC的特性4.2 PLC网络4.2.1 系统说明4.3 西门子PLC S7-300功能概述4.3.1 S7-300系列PLC简介4.3.2 S7-300PLC的组成4.3.3 S7-300的系统结构4.4 4.4.1 S7-300 CPU315-2DP模块4.4.2 S7-300 CPU SM321数字量输入模块4.4.3 S7-300CPU SM322数字量输出模块4.4.4 S7-300CPU SM331模拟量输入模块4.4.5 S7-300 PS307电源模块4.5 STEP7的程序结构和编程语言4.5.1 STEP7的

3、程序结构4.5.2 STEP7的编程语言4.6 PROFIBUS现场总线技术4.6.1 PROFIBUS现场总线简述4.6.2 PROFIBUS的组成4.6.3 PROFIBUS的介质存取协议4.7 PLC控制4.7.1 手动运行4.7.2 自动运行4.8 编程及介绍4.8.1 总程序的顺序功能图4.8.2 自动运行顺序功能图4.8.3 手动模式顺序功能图4.8.4 程序说明第五章 系统调试5.1 变频器关键参数设定5.2 PLC的变频调速恒压供水系统调试第六章 结束语致谢参考文献基于PLC的变频恒压供水系统的设计第一章 绪论1.1 现代城市供水的现状及缺陷在现代城市及乡镇供水中，基本上都是靠

4、供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的水送给用户。但供水泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂的恒压供水系统。传统的小区供水方式有：恒压泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压

5、罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，器优缺点如下：1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组长处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大而且在用水量较少是，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大。占地面积打，维护不方便，水泵电机为硬启动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。3、气压罐供水具有体积小

6、、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且气动频繁，对电气设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵再低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。4、液力耦合器和电池滑差离合器调速调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。1.2 变频恒压供水的优点通

7、常变频恒业供水存在以下6个特点特点：1、节能，可以实现节点20%-40%，能实现绿色用电；2、占地面积小，投入少，效率高；3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；4、运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高；5、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头；6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。1.3 PLC变频器技术的发展现状变频恒压供水时在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的。20世纪80年代初，日本学者提出了基于刺痛轨迹控制方法。此方

8、法一三相波形的整体生成效果为基础，一逼近电机气息的理想圆形旋转磁场为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。1992年开始德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论（DSC）。1995

9、年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其个系列通用变频器的核心技术。本设计主要针对小区供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制的硬件电路。研究恒压变频供水的控制方法，完成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。解决如何选择变频恒压供水控制方式，如何用变频器构成恒压供水系统及其工作原理，完成可编程逻辑控制器及变频器的选型，对PID调节器进行参数整理，完成PLC的编程。采用PLC控制的变频器调速供水系统，有PLC进行逻辑控制，有变频器进行压力调节，在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。1.4 PLC变频恒压供水的可行性分析传统的供水方式普遍不同

10、程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在： 一是节能显著；二是在开、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击；三是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了具有明显的节能效果外，还具有操作方便、容易维护量

11、小的特点。变频器的软启动功能叶减少了对电网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。在国内外，专门针对供水的变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方便的优点以及显著地节能效果被大家

12、发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，但是国外变频调速恒压供水控制系统的水压闭环控制的研究还是不够的，因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。目前变频供水系统正在向集成化、维护操作简单化方向发展。第2章 恒压供水系统的基本构成2.1 系统工艺，设备简介系统原理2.1如图2.1，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感

13、器（反馈05V电压信号）或压力变送器（反馈420mA）；变频器室供水系统的核心，通过改变电机的频率实现点击的无极调速、五波动稳压的效果和各项功能。2.2 系统电气控制要求 变频恒压供水构成图2.2 从原理框图2.2，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人及界面、以及报警装置等部分组成。（1）执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对

14、供水量进行定量的补充. 此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充（2）信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。（3）控制系统供水控制系统一般安装在供水系统柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒压控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集

15、，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。变频器：它是对水泵进行转速控制单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。(4)人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过

16、程进行监视，对报警进行显示。（5）通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以喝组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。（6）报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量及你想那个检测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。2.3 系统设计

17、主电路图2.3由图2.3可以看出，合上空气开关，供水系统投入运行。讲手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率器的运行频率是否到达信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下一台泵变频

18、运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为1、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下线投入调速运行，其运行运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没有达到设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行

19、，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当组后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅助泵投入调速运行，从而达到节能效果。2.4 控制思想 电机有两种工作模式即：再工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2

20、、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。变频恒压供水系统控制流程图2.4第三章 硬件设备选型变频恒压供水系统它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行3.1 PLC的选择传统的控制方法是采用继电器控

21、制。这种控制系统较复杂，并且大量的硬件接线使系统可靠性降低，也降低了设备的工作效率。采用可编程控制器较好地解决了这一问题，可编程控制器是一种将计算机技术、自动控制技术和通讯技术结合在一起的新型工业自动控制设备，不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，还能实现与上位计算机等智能设备之间的通信。因此，将可编程控制器应用于多种液体混合灌装机，完全能满足控制要求。且具有操作简单、运行可靠、工艺参数修改方便、自动化程度高等优点。PLC的一般结构如图3.1所示，由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。S7300PLC 系统结构3.1(1)

22、中央处理器（CPU）与通用计算机的CPU一样。PLC中的CPU也是整个系统的核心部件，主要有运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成，此处还有外围芯片、总线接口以及有关电路。CPU在很大程度上决定了PLC的整体性能，如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。（2）I/O模块输入模块和输出模块通常称为I/O模块或I/O单元。PLC的对外功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系而实现的。输入模块和输出模块是PLC与现场I/O装置或设备之间的连接部件，起着PLC与外部设备之间 传递 信息的作用。通常I/O模块上还有状态显示和I/O接线端子排，以便于连接和监视。(

23、3)电源模块（PS）输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为PLC能够接收和处理的信号，将CPU送来的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。PLC主站指标：名称主要参数电源PS 307 5A处理器CPU 315-2 DP接口模块IM 360输入模块DI16*DC24V输出模块DI16*DC24V0.5APLC主站参数3.2S7-300PLCDD的中央机架最多可以安装8块I/O模块，根据实际需要我选用了IM361接口模块作为从站，它的指标：名称主要参数电源PS 307 5A接口模块IM 360输入模块DI32*DC24V输出模块DI32*DC24VPL

24、C从站参数3.33.2 变频器的选型3.2.1 变频器容量的确定变频器容量是变频器的最重要的参数，如何选择变频器容量是变频器选型的关键。变频器的容量有三种表示方法:额定电流;适配电动机的额定功率;额定视在功率。不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过载能力有两种:不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定.通常变频器的过载能力有两种:12倍的额定电流，可持续1分钟:1.5倍的额定电流，可持续1分钟:而且变频器的允许电流与过程时间呈反时限的

25、关系。如12(1.5)倍的额定电流可持续lmin;而LS(2.0)倍的额定电流，可持续众sn血。这就意味着:不论任何时候向电动机提供在lmin(或0.snun )以上的电流都必须在某些范围内。过载能力这个指标，对电动机来说，只有在启动 (加速)过程中才有意义，在运行过程中，实际上等同于不允许过载.下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器带一台电机时的容量选择。首先计算出负载电流，然后应考虑三个方面的因素:用变频器供电时，电动机电流的脉动相对工频供电时要大些;电动机的启动要求。即是由低频低压启动，还是额定电压、额定频率直接启动.变频器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测试出来的。

26、要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异.故计算变频器的容量时要留适当余量。 3.2.2 变频控制器的选型目前国内不少变频器均自带PID控制器或采用Pl刀控制器整合方式，两者均可以很好的实现压力反馈控制。由于考虑到一是供水厂参数较多，除了常见压力反馈信号，还需要对清水池液位信号、阀门开启信号等进行处理，因此设计采用PLC控制系统，主要利用PID控制压力恒定，并能控制电机的启动停止和泵口阀门的启闭。在控制量上，经过供水厂信号分析，目前至少有8个模拟量 (包括压力量、液位量、流量、水质信号)，8个开关量需要处理 (包括电机、阀门状态、报警信号)，考虑到以后的扩展需要，设计要求P比 系统的模

27、拟输入/输出在 12点以上，开关量输入/输出在10点以上。3.2.3 第一水厂变频器其它参数的确定 经过计算，最终第一水厂变频器的选型需要参考以下要求:(1)频率要求:由第一水厂电机采用50Hz，380v 电网，因此对变频器采用380V电源，变频范围卜50Hz:(2)扩展要求:要求能按设计实现一拖二运行，并能扩展为一拖多运行;(3)环境要求:由于第一水厂泵房温度范围在 1040，湿度常年保持在在 50%以上，因此，对变频器及控制电路要求较高的温湿度要求，在温度.10一50，湿度在30%卯%温度环境中要求变频器能正常工作;(4)保护功能要求:要求具有过电流、短路、过压、欠压、过载、过热、电流保护

28、、主器件自保护功能;(5)可靠性要求:要求变压器平均无故障时间担TBF)大于2万小时;(6)谐波抑制:对电网谐波污染必须满足IEEE519一1992的谐波抑制标准;(7)尺寸要求:变频器及控制电路的尺寸不宜过大，以方便安装在空间较小的第一水厂送水泵房内。3.3 PID调节器仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是， I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小

29、时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。PID控制框图3.4通过对被控制对象

30、的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。 PID控制接线图3.53.4 电机的选型 选用EJ15-3型

31、电动机其中“E”表示电动机，“J”表示交流的，15为设计序号，3为最大工作电流。相关元件主要技术参数及原理如下：EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。(1) 额定电压为220V，额定频率为50HZ，功率为2.5KW，采用三角形接法。(2) 电动机运行地点的海拔不超过1000M。工作温度-1540/湿度90%。(3) EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。其硬件接线如图4： 电机硬件接线图3.63.5 外围设备选型序号名称型号1电磁阀VF5-50/702接触器CJ25-10/CJ25-153热继电器JR16B-60/3D4液位传感器

32、LSF-35压力传感器CY-YZ-1001外围设备参数3.73.5.1 电磁阀的选型(1)入罐液体选用VF5-50型电磁阀。其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，5表示设计序号，50表示口径（mm）宽度。相关元件主要技术参数及原理如下： 材质：聚四氟乙烯。使用介质：硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性的液体； 使用电压：AC:220V 50Hz/60Hz DC:24V； 功率：AC: 2.5KW； 介质温度150/环境温度-2060； 操作方式：常闭：通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。（2）出罐液体选用AVF-70型电磁阀。其中“A”表示可调节流量，“V”表示电磁阀，“F”表示防腐

33、蚀，70表示口径（mm）宽度。相关元件主要技术参数及原理如下： 其最大特点就是能通过设备上的按键设置来控制流量，达到定时排空的效果； 使用电压：AC: 220V 50Hz/60Hz DC:24V； 其阀体材料为：聚四氟乙烯，有较强的抗腐蚀能力； 功率：AC: 5KW。3.5.2 接触器的选型选用CJ25-10/CJ25-15型接触器其中“C”表示接触器，“J”表示交流，25表示设计编号，10/15为主触头额定电流。相关元件主要技术参数及原理如下：(1) 操作频率为1200/h；(2) 机电寿命为1000万次；(3) 主触头额定电流为10/15(A)；(4) 额定电压为380/220(V)；(5

34、) 功率为2.5KW。3.5.3 热继电器的选型选用JR16B-60/3D型热继电器其中“J”表示继电器，“D”带断相保护。相关元件主要技术参数及原理如下：（1） 额定电流为20(A)；（2） 热元件额定电流为32/45(A)。3.5.4 液位传感器的选型选用LSF-3型液位传感器其中“L”表示是光电的，“S”表示传感器，“F”表示是防腐蚀的，3为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光电反射折射原理，当没有液体时，光被前端的凌镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原

35、理可制作成单点或多点液位开关。LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。相关元件主要技术参数及原理如下：（1）工作温度上限为125；（2）工作压力3Mpa；（3）触点容量为70W；（4）触点寿命为100万次；（5）切换电流为0.5A；（6）开关电压为DC24V。3.5.5 压力传感器的接线图、压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补

36、偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为28±3V（DC）压力传感器的接线图3.8第四章 PLC程序设计4.1 PLC及其网络概述PLC(可编程序控制器)及其网络己成为当前工业自动化的支柱单元之一。现在PLC已发展到第四代，具有逻辑控制、定时与计数控制、数据采集、存储与处理、A/D、D/A转换、通信与联网、编程、调试等功能。同时还具有完善的自诊断功能，并正在不断提高和完善网络通信能力，在机电一体化产品中应用范围极广。考虑到起重机自身的特点及其施工工况，其控制系统性能是关系到运行状况好坏进而影响工程进度的重要因素，因此PLC

37、及其网络在大型设备的状态监控及在线诊断中有极好的应用前景。4.1.1 PLC的特性PLC是以微处理机(CPU)为核心，用作数字控制的专用计算机，它由硬件系统和软件系统构成。下面对PLC的工作机理及其工作特性作一浅析。1.准确性高。PL的工作方式通常用循环扫描方式。PLC对输入输出集中进行I/O处理，也只有在I/O扫描期间，外部状态才会被读入CPU内部，而在扫描周期的其余大部分时间，不改写和刷新外部状态。通常把循环扫描周期控制在200ms之内比较合理，这个时间比PLC所驱动的执行器的机电时间常数小得多，这样，即使在某个扫描周期出现输入输出不一致，但当它还来不及使执行器发生错误动作，下一个扫描周期

38、正确的输出就及时将其纠正，实现了PLC实时控制。2.集成度高。PLC集三电(电控、电仪、电传)于一体，在控制装置一级就实现了三电一体化。一台控制装置就能实现所有的控制功能，适合多种规模的自动化系统。3.可靠性高。在硬件上它采取了诸如隔离、滤波、屏蔽、接地等一系列措施，在模板机箱进行了完善的电磁兼容性设计，对元器件进行了精心的筛选;更重要的是在软件方面，它们采用了诸如数字滤波、指令复执、程序卷回、差错校验等一系列抗干扰措施、故障诊断、系统一级的冗余配置等技术措施。4.丰富的I/O接口。由于工业控制机只是整个工业过程自动化控制系统中的一个控制中枢，为了实现对工业生产过程的控制，他还必须与各种工业现

39、场的设备相连接才能完成控制任务。因此，plc除了具有计算机的基本部分以外，还有丰富的输入与输出接口模块，对不同的工业现场信号（交流、直流、电压、电流、开关量、模拟量等）都有相应的模块与工业现场的器件或设备直接相连。5.灵活性。有了plc电气工程师不必为每套设备配置专用控制装置。6.采用模块化结构。7.便于改进和修改。8.节点利用率提高。9.模拟调试。10.对现场进行监视。11.快速动作。12.编程简单、使用方便。4.2 PLC网络由于现在PLC一般都有通信的功能，既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之间的通信，从而可方便地构成分布式的PLC网络控制系统。PLC生产

40、厂家常用金字塔结构描述其产品功能(如图4-1所示)。PLC要实现金字塔的功能，采用单层子网显然不行，只有采用多级通信子网构成复合型拓扑结构，在不同级别子网中配置不同的通信协议(PLC通信方式分为并行和串行通信两种，主要以串行通信方式构成网络)不能满足各层对通信的不同要求。目前，PLC网络的拓扑结构大多由3级或4级总线复合而成，在PLC网络中配置的通信协议一般也分为通用协议及专用协议两类，在网络底层子网及中间层一般采用专用的协议。其中最底层子网只有物理层、链路层及应用层，实时性要求高，常采用I/O方式通信;中间层常采用令牌方式、主从方式控制通信的;而高层子网传送管理信息，与标准网络链接，其通信协

41、议大多为通用的。产品功能的金字塔结构4.1PLC网络系统主要由过程控制器(PLC)、操作员站、信息站和上位机等组成，网络结构如图4-2所示，其中系统以不同的通信方案来满足网络不同层次的要求。网络控制是一个开放的、综合的、发布式的自动化网络系统，采用了SQL、DDE等开放技术及国际标准，使系统使用方便。它由计算机家族和各种通信组成，通信包括现场总线，局域网。网络系统可提供过程控制(包括逻辑和顺序控制，位置控制，电机传动调速控制，报警和时间的记录，本地或远程v0的过程接口)、操作者千预、工程服务及管理、通信等功能。PLC网络系统是功能、结构和信息的综合反映体。实时过程数据库完全分散到每个PLC，操

42、作站只包括如何显示及手动控制的信息，它们通过局域网访问过程数据库，区域分布的功能可由低层总线来提供，它可以连接分散的1/0单元、控制器和调速传动设备。网络结构图4.24.2.1 系统说明主机架由电源模块，CPU(S7315-2DP),Profibus-DP通讯模块及数字量输入输出模块组成。CPU的MPI通讯口连接上位机，将采集的外部信号与控制指令与上位机传送。多点接口协议(MPI: MultipointInterface)物理层采用RS485标准，总线存取协议为令牌环。MPI网络传输速率为19.2K, 187.5K，最多连接32个站点。CPU的Profibus-DP通讯口通过光藕模块OLM连接

43、分散式I/O,Profibus采用光纤环网，具有冗余功能。Profibus-DP通讯模块CP342-5连接所有的整流/回馈单元和逆变器装置，通过Profibus发送控制变频器的指令。尽管Profibus-DP的通迅速率达到12Mb/s,通讯站点理论上最多可达127个，但是由于与变频器的通讯量较大，并且要保障通讯的实时性和可靠性，本系统单独设置了一条通讯总线与变频器通讯。主机架的数字量输入输出点用来处理进线电源开关控制及联锁信号。远程I/O共有6个机架，包括有左，右联动台控制;刚性腿，柔性腿控制和上，下小车控制。左、右联动台I/O分站包括电源模块，用于连接至Profibus-DP通讯网络的接口模

44、块IM 153及数字量输入输出模块，主要用于处理点动操作及自动(主令控制器)操作的信号及安全联锁控制。刚性腿，柔性腿I/O分站包括电源模块，用于连接至Profibus-DP通讯网络的接口模块IM153,智能化单通道计数器模块FM350及数字量输入输出模块。计数器模块用来连接增量型编码器，从而对行走机构进行闭环同步控制，确定吊车行走的位置。上，下小车控制I/O分站包括电源模块，用于连接至Profibus-DP通讯网络的接口模块IM153,智能化单通道计数器模块FM350，数字量输入输出模块及模拟量输入模块。计数器模块用来连接增量型编码器，控制上，下小车行走位置。上小车两只主钩，下小车主钩和副钩的

45、编码器通过接口模块IM153连接至Profibus-DP网络，由主PLC控制吊钩的同步。称重传感器信号接入模拟量输入模块。上位机系统软件选用iFix，支持通讯。上位机要安装CP5611通讯卡，通过MPI电缆和主CPU连接。4.3 西门子PLC S7-300功能概述S7-300是用来实现中等规模自动化任务的快速，高性能，通用紧凑型PLC。4.3.1 S7-300系列plc简介S7-300plc是西门子公司于20世纪90年代中期推出的新一代plc，采用模块化结构设计，用搭积木的方式来组成系统。S7-300属于中小型PLC，很很强的模拟量处理能力和数字运算处理，uyou许多过去大型PLC才有的功能，

46、其扫描速度甚至超过了许多大型PLC。S7-300PLC功能强、速速快、扩展灵活，它具有紧凑的、五槽位限制的模块化结构S7-300PLC采用U型背板总线将各模块连接起来，可利用MPI、PROFIBUS和工业以太网组成网络。使用STEP7组态软件可以对硬件进行组态和设置，CPU的智能化诊断系统可连续监控系统功能并记录错误和特定的系统事件，多级口令保护壳使用户有效保护其专用技术，防止未允许的拷贝和修改。4.3.2 S7-300PLC的组成1.导轨导轨（BACK）是安装S7-300各类模块的机架，S7-300采用背板的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。2.中央处理器各种中央处理单元（CPU）有不同

47、的性能，例如，有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。3.电源模块电源模块（PS）用于将220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/O模块使用。额定输出电流有2A、5A、10A三种，过载时模块上的LED闪烁。4.信号模块信号模块（SM）是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配，信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可输入热电阻、热电偶、DC-（4-20）ma和DC-（0-10）

48、V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。5.功能模块功能模块（FM）主要用于对实时性和存储容量要求的控制任务，例如，FM-350-1、FM350-2计数器模块等。6.通信处理器通信处理器（CP）用于PLC之间、PLC与计算机和其它智能设备之间的通信，可将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等。7.接口模块接口模块（IM）用于多机架配置是连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。4.3.3 S7-300的系统结构S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统结构如图4-3所示。S7-300系统结构4.3安装时，插槽1为电源模

49、块，中央机架（0号机架）的插槽2为CPU模块，CPU必须紧靠电源模块，对电源和CPU两块模块不分配地址。插槽3为接口模块，用于连接扩展机架，即使不使用接口模块，CPU中也给接口模块分配逻辑地址。插槽4-11可自由分配给信号模块、功能模块和通信模块。4.4 什么题目啊？4.4.1 S7-300CPU 315-2DP模块它的功能块数量：192个FC，192个FB，255个DB，计数器64个，定时器128个等。它有四种工作方式，通过可卸的专用钥匙来控制选择。（1）RUP-P：可编程控制。（2）RUN：运行方式。（3）STOP：停止方式。（4）MRES：清除存储器。（5）SF：系统出错（6）BATF：

50、电池故障指示灯。（7）DC5V：+5V电源指示灯。（8）FRCE（黄色）：强制有效指示灯。（9）RUN（绿色）：运行状态指示灯。（10）STOP（黄色）：停止状态指示灯。4.4.2 S7-300CPU SM321数字量输入模块数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离后输入缓冲器等待采样。4.4.3 S7-300CPU SM322数字量输出模块数字量输出模块是将内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平，可直接驱动电磁阀、接触器、交流输出模块和交直流两用输出模块。4.4.4 S7-30

51、0CPUSM331模拟量输入模块SM331模拟量模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离和逻辑电路等组成。4.4.5 S7-300CPUSM332模拟量输出模块SM332与负载/执行装置的连接：SM332可以输出电压，也可以输出电流。4.4.6 S7-300PS307电源模块PS307是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2A、5A、10A三种），其工作原理和各种参数都一样。此模块通过下列方式分担CPU的任务:直接连接增量编码器、通过集成数字输入端直接连接门控信号、比较功能和通过集成数字输出端输出响应、模块给编码器供

52、电。4.5 STEP7的程序结构和编程语言4.5.1 STEP7的程序结构STEP7的程序结构可分为以下三类（1） 线性程序结构。（2） 分块程序结构。（3） 结构程序结构。4.5.2 STEP7的编程语言（1） 梯形图（LAD）（2） 语句表（STL）（3） 功能图（FBD） STEP7支持3种语言的混合编程4.6 PROFIBUS现场总线技术PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它一其独特的技术特点、严格的认证、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被纳入现场总线的国际IEC31158和欧美标准EN50170，并于2001年被定为我国的行业标准。PROFIBUS是

53、不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可以通过同样的接口交换信息。PROFIBUS用于分布式I/O设备、传动装置、PLC和基于PC的自动化系统。现场总线技术是为了适应现代工业自动化的发展而出现的，在现场总线基础上构成的自动控制系统具有现代工业自动化系统所要求的开放性、集散性、智能化、信息电子化和网络化等特点。根据国际电工委员会(IEC)的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。PPROFIBUS支持主从模式、纯主站模式、多主多从模式等，主站对总线具有控制权，可主动发信息。对多主站模式，在主站间按令牌传递决定对总线的控制权，取得控

54、制权的主站，可向从站发送、获取信息，实现点对点通讯。4.6.1 PROFIBUS现场总线简述过程现场总线PROFIBUS在欧洲占有较大的市场份额，它是以西门子为主的14家德国公司联合提出的，1989年12月成立了PNO, 1991年首批产品上市，1998年PROFIBUS规范被列入德国国家标准DIN 19245，进而列入欧洲标准PrEN50170。其传输速率为9.6-12kbps，最大传输距离在12kbps时为100m, 1.5mbps时为400m，可用中继器延长至lOkm，最多可挂接127个站点。从表4-4可以看出，PROFIBUS协议采用了ISOtOSI模型中的物理层、数据链路层，必要时还

55、采用了应用层。PROFIBUS的协议结构4.44.6.2 PROFIBUS的组成1. PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。2. PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP以德国标准DfN19245的第一部分为基础，根据其需要达到的目标对其通信功能加以扩充。3. PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA应用于过程自动化。PROFIBUS-PA实现了IEC1 1582标准中规定的通信规程，用于对安全性要求较高的场合以及由总线供电的站点。4.6.3 PROFIBUS的介质存取协议PROFIBUS的介质存取协议包括

56、主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主一从方式，这种混合的方式称为混合介质存取。令牌方式使得到令牌的站点可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权。令牌是一条特殊的电文，它在总线之间传递总线控制权。令牌在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的。在PROFIBUS中，令牌只在主站之间按地址升序传递。主从方式允许主站在得到总线控制权时可以与从站通讯，每一个主站均可向从站发送及索取信息。利用PROFIBUS的混合介质存取方式可以实现:(1) 纯主从系统单主站);(2) 纯主站系统(多主站);(3) 混合系统(多主多从)。4.7 PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵

57、工作数量的调整。工作流程如图4.5所示。图4.5 PLC程序流程图工作流程图4.5系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。4.7.1 手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够

58、需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用。4.7.2 自动运行由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制. 升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停

59、止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到

60、工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。 4.8 编程及介绍4.8.1 总程序的顺序功能图系统分为手动运行和自动运行两部分总程序的顺序功能图4.64.8.2 自动运行顺序功能图按下SB8按钮，系统进入自动运行模

61、式，顺序功能图如4.7所示。自动运行顺序功能图4.7Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。 当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁