基于plc的恒壓供水系統設計與調試(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 寄存器中讀出上一階段采入的對應輸入端子狀態，從輸出映象寄存器讀出對應映象寄存器的當前狀態。根據用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關器件寄存器中。 5）輸出處理 程序執行完畢后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y 寄存器的狀態，在輸出處 理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。 4A/D 及 4D/A 擴展模塊 模擬量輸入模塊 FX2N4AD FX2N－ 4AD 的功能 FX2N－ 4AD 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸入模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進行 A/D 轉換。即將模擬量信號轉換成數字信號送給 PLC,以實現對過程參數的控制。 FX2N－ 4AD 的外部接線 FX2N4AD 外部接線如圖 26 所示。圖中模擬量信號采用雙絞屏蔽電纜輸入FX2N－ 4AD 中，電纜應遠離電源線或 其他可能產生電氣干擾的導線。如果輸入電壓有波動，或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 ～ 的平滑電容。 FX2N4AD 的 4 個輸入通道（ CH1～ CH4）通過輸入端子接線，可以選擇為電壓輸入或電流輸入。如果是電流輸入，應將端子 V+和 I+連接。 FX2N4AD 接地端應與 PLC 主單位接地端連接，如果存在過多的電氣干擾，還應將外殼地端 FG 和 FX2N4AD 接地端連接。其外部接線如圖 26 所示。 XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 10 屏蔽V+I+VIFG屏蔽V+I+VIFG24+24 電流輸入20 +20mA 電壓輸入10 +10V輸入通道4 CH4輸入通道1 CH1 外接電源 DC24V177。10 55mA接地電阻小于100 ?擴展電纜250 ?100K ?100K ?CH4AG250 ?100K ?100K ?CH4DC/DC轉換器AG+15V15V模擬量輸入模塊FX2N4AD 圖 26 FX2N4AD外部接線 在 A/D 轉換過程中，輸入的是時間上、幅值上都是連續的模擬量，而輸出的則是時間上，幅值上均離散的數字量，因此，要把模擬量轉換成數字時需經采樣、保持、量化、編碼四個步驟。 A/D 轉換原理框圖如圖 27 所示。 圖 27 A/D轉換原理框圖 模擬量輸出模塊 FX2N4DA FX2N－ 4DA 的功能 FX2N－ 4DA 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸出模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進行 D/A 轉換，即將 PLC 處理后的數字信號轉換成模擬量信號輸出，以實現對現場過程參數的控制。 FX2N4DA 的外部接線 FX2N－ 4DA 的外部接線如圖 28 所示。圖中模擬量輸出信號采用雙絞屏蔽電纜傳輸，電纜應遠離電源線或其他可能產生電氣干擾的導線。如果輸出電壓波動或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 ～ 的平滑電容。 FX2N－ 4DA 的 4 個輸出通道（ CH1～ CH4） 通道輸出端子接線，可以獨立的選擇為電壓輸出或電流輸出。電壓輸出端子為 V+和 VI；電流輸出端子 I+和VI。 FX2N－ 4DA 接地端應與 PLC 主單元接地端連接；雙絞屏蔽電纜應在負載端使用單點接地。其外部接線如圖 28 所示。 模 擬 量 采樣 保持 量化 編碼 數字量 XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 11 控制指令 中間直流環節 AC 控制指令 控制指令 網側變流器 整流器 逆變器 AC M 運行指令 24 +24 V+VI V+VI I+I+變頻器等記錄儀等+1 5VAG1 5V模擬量輸出模塊FX 2N 4DAPL CDC 24 V, 20 0m A外接電源DC /D C轉換器CH 1電壓 輸出CH 2電流 輸出 圖 28 FX2N－ 4DA的外部接線 在 D/A 轉換過程中，輸入的是幅值上均離散的數字量，輸出的是時間上、幅 值上都是連續的模擬量，因此，要把數字量轉換成模擬量時需經控制對象、檢測對象、 A/D 轉換、數字系統、 D/A 轉換、執行機構六個步驟。 D/A 轉換原理 框圖如圖 29 所示。 圖 29 D/A轉換原理框圖 變頻器的工作原理及其組成結構 從頻率變換的形式來說，變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交直 交變頻器，其基本結構圖如圖 210 所示 . 控制對象 檢測 對象 A/D轉換 數字 系統 D/A轉換 執行機構 XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 12 圖 210 變頻器基本結構 由主回路，包括整流器、中間直流環節、逆變器和控制回路組成，現將各部分的功能分述如下： （ 1）整流器 電網側的變流器是整流器，它的作用是把三相 (也可以是單相 )交流整流成直流。 （ 2）直流中間電路 直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質量較高的直流電源。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。無論是電動機處于電動或發電制動狀態其功率因數總不會為 1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環節的儲能元件 (電容器或電抗器 )來緩沖。所以又常稱直流中間環節為中間直流儲能環節。 （ 3）逆變器 負載側的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉換為頻率及電壓都可以任意調 節的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 （ 4）控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能。控制電路是變頻器的核心部分，其性能的優劣決定了變頻器的性能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成．直流中間電路的儲能元件在整流電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電 路最常見的結構形式是利用 6 個半導體主開關器件組成的三橋式逆變電路。有規律的控制逆變器中主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。現代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數字化控制為變頻器的優良性能提供了硬件保障。 變頻控制恒壓供水控制方式 眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即 N=KN3 N：為水泵消耗功率； n：為水泵運行時的轉速； K 為比例系數。而水泵設計是按工頻運行時設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術及微機技術有微機控制，因此可以使水泵運行的轉 速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗，節能率可達 20%40%。 目前國內各廠家生產的供水設備電控柜，除采用落后繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：邏輯電子電路控制方式 、 單片微機電路控制方式 、 帶 PID回路調節器或可編程序控制器（ PLC）的控制方式 和 新型變頻調速供水設備 。 變頻控制恒壓供水的控制方式是 帶 有 PID 回路調節器和可編程序控制器（ PLC）的控制方式 。 該方式 中 變頻器的作 用 是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速 ，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓。壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入 PID 回路調節器，由 PID 回路調節器在調節器內部進行運算后，輸入給變頻XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 13 器一個轉速調節信號。由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調節器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入 /輸 出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入 /數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊 PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入 /輸出的可編程控制器和一個 PID 回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入 /輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中， PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。 變頻器的系統組 成及接口定義 變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元 、 微處理單元等組成的 。 變頻器的接口組成如圖 211 所示。 圖 211 變頻器的接口組成 我們知道，交流電動機的同步轉速表達式位： n ＝ 60 f(1 － s)/p (1) 式中 n——— 異步電動機的轉速； f——— 異步電動機的頻率； s——— 電動機轉差率； p——— 電動機極對數。 由式 (1) 可 知，轉速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 14 轉速，當頻率 f 在 0 ～ 50Hz 的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。 MCGS 組態軟件 MCGS(Monitor And Control Generated System,通用監控系統 )是一套全中文工控組態軟件 ,用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件 ,它能夠在基于Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上運行 ,可以以 Microsoft 的 Windows 95,98,Me,Nt 或 windows 2021 為操作系統 .通過對現場數據的采集處理 ,以動畫顯示 ,報警處理 ,流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案 ,有著廣泛的應化領域用 .它功能齊全，便于方案設計。 MCGS 為解決工程監控問題提供了豐富多樣的手段，從設備驅動（數據采集）到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環節，均有豐富的功能組件能快速完成多數簡單工程項目的監控程序設計和運行操作。用戶可避開復雜的計算機軟硬件問題，集中精力解決工 程本身的問題，組態配置出高性能、高可靠性、高度專業化的上位機監控系統。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。 MCGS 組態軟件的整體結構 MCGS 組態軟件（以下簡稱 MCGS）由 “ MCGS 組態環境 ” 和 “ MCGS 運行環境 ” 兩個系統組成。兩部分互相獨立，又緊密相關 圖 212MCGS組態軟件的整體結構 MCGS 組態環境是生成用戶應用系統的工作環境，由可執行程序 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。用戶在 MCGS 組態環境中完成動畫設計、設備連接 、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態工作后，生成擴展名為 .mcg 的工程文件，又稱為組態結果數據庫，其與 MCGS 運行環境一起，構成了用戶應用系統，統稱為 “ 工程 ” 。 MCGS 工程的五大部分 XXXX 職業技術學院畢業設計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統設計與調試 15 圖 213MCGS的 工程組成 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和