恒壓變頻供水系統(tǒng)

畢業(yè)設(shè)計(論文)題目恒壓變頻供水系統(tǒng)專業(yè)班級電氣工程及自動化層級專升本形式函授學生姓名指導教師設(shè)計（論文）完成日期2015年03月日

畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

注意事項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂

指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設(shè)計）過程1、學生在論文（設(shè)計）過程中的治學態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、學生掌握專業(yè)知識、技能的扎實程度□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□及格□不及格4、研究方法的科學性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計方案的合理性□優(yōu)□良□中□及格□不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）指導教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日

評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格建議成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格（在所選等級前的□內(nèi)畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計）的基本要點和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、學生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□及格□不及格二、論文（設(shè)計）質(zhì)量1、論文（設(shè)計）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計）任務(wù)（包括裝訂及附件）？□優(yōu)□良□中□及格□不及格三、論文（設(shè)計）水平1、論文（設(shè)計）的理論意義或?qū)鉀Q實際問題的指導意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□及格□不及格評定成績：□優(yōu)□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學系意見：系主任：（簽名）年月日

摘要隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的。恒壓變頻供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。在實際應用中發(fā)揮了很大的作用。因此，變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備在住宅小區(qū)及高層建筑生活消防供水系統(tǒng)中起著非常重要的作用。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓變頻，節(jié)能AbstractWiththedevelopmentofelectrictechnology,improvingfrequencycontrolofmotorspeedtechnologyfrequencycontrolofmotorspeedasthecoreoftheintelligentcontrolsystemofwatersupplytoreplacetheprevioushighwatertankandpressuretankwatersupplyequipment,suchassmoothstarting,startingcurrentcanbelimitedwithintheratedcurrent,soastoavoidtheimpacttothegridwhenstarting;Duetothepump'saveragespeedisreduced,whichcanprolongtheservicelifeofpumpsandvalves,etc;Caneliminatethewaterhammereffectwhenstartingandstopping.Thestableandsaferunningperformance,simpleandconvenientoperation,completeandthoughtfulfeatures,willmakewatersavingwater,savingelectricity,savingmanpower,eventuallytoachieveefficientoperation.Constantpressurefrequencyconversionwatersupplysystemfrequencyconversiontechnology,electricaltechnology,moderncontroltechnologyinonebody.Byusingthissystemcanimprovethestabilityandreliabilityofwatersupplysystemofwatersupply,easytorealizecentralizedmanagementofthewatersupplysystemandmonitoring;Systemhasgoodenergysavingatthesametime,itisparticularlyimportantintoday'sincreasinglyscarceenergy,sothedesignofthesystem,toimprovetheefficiencyofenterprisesandpeople'slivingstandard,toreducetheenergyconsumptionandsoonhastheimportantpracticalsignificance.Playsalargeroleinpracticalapplication.Therefore,thefrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplyequipmentlifeinresidentialareaandhighbuildingfirewatersystemplaysaveryimportantrole.KeyWords：Frequencycontrolofmotorspeed,constantpressurefrequencyconversion,energysaving目錄TOC\o"1-3"\u第1章恒壓變頻供水簡介 21.1恒壓變頻供水產(chǎn)生的背景及國內(nèi)現(xiàn)狀 21.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點 3第2章恒壓變頻供水系統(tǒng)的總體設(shè)計思想 32.1恒壓變頻供水的原理 32.2變頻調(diào)速的原理 42.3PID調(diào)節(jié)器 52.4PLC的控制原理 62.5PLC的基本知識及優(yōu)勢 82.6PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 11第3章元件選擇及其功能設(shè)計 133.1變頻器的選擇 133.2PLC、變頻器及其他部件的要求 13第4章結(jié)論 13致謝 15參考文獻 16附錄 16前言隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設(shè)備適應城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。恒壓變頻供水簡介1.1恒壓變頻供水產(chǎn)生的背景及國內(nèi)現(xiàn)狀我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象;而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會影響設(shè)備壽命;后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。而恒壓變頻供水系統(tǒng)就是在這種情況下產(chǎn)生的。恒壓變頻供水系統(tǒng)通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，設(shè)備運行十分平穩(wěn)，使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。這樣供水系統(tǒng)所供應的水量就和用戶的實際需求不斷接近，最大程度上節(jié)約了水資源。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐。1.2恒壓變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點（1）恒壓變頻供水設(shè)備運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。（2）恒壓變頻供水設(shè)備由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。（3）高效節(jié)能，因為變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠自動控制運行，水泵不必總是工作在最大功率的狀態(tài)，所以恒壓變頻供水系統(tǒng)能夠節(jié)約電能和水資源，節(jié)能量通常在10%-40%。而且單臺水泵流量越小，節(jié)約能量越多。（4）小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動（5）恒壓變頻供水設(shè)備配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。（6）用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。恒壓變頻供水系統(tǒng)的總體設(shè)計思想2.1恒壓變頻供水的原理整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號)或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。如下圖所示：圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制對象是供水系統(tǒng)出口的水流量，它是一個在時刻變化著的非線性量。要使水流量時刻滿足用戶的要求，就必須得有檢測裝置來檢測管網(wǎng)的壓力，然后反饋給系統(tǒng)，再通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)來使其不斷向目標靠近。我們從上面的描述中可以看到，恒壓變頻供水系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)。原理框圖如下：圖2.2原理框圖系統(tǒng)以PLC為核心，其輸入信號主要包括:（1）模擬量輸入:管網(wǎng)的當前壓力(4-20mA，0-5V)。（2）數(shù)字量輸入:進水壓力繼電器;水箱水位;出水壓力繼電器;電機的過載保護;變頻器故障;工作方式選擇;手動操作的按鈕(旋鈕信號)等。PLC的輸出主要控制下列對象:（1）用于各水泵電機工、變頻工作的中間繼電器、交流接觸器;變頻器啟動、停車、故障復位的開關(guān)量信號。（2）操作狀態(tài)切換的中間繼電器。（3）變頻器頻率給定的模擬量信號(0-10V)。2.2變頻調(diào)速原理恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由水泵、電動機、管道等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為：（2-5）異步電機的同步速度為:（2-6）異步電機的轉(zhuǎn)速為：（2-7）其中：為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速；n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f是異步電機的定子電源頻率；p為異步電機的極對數(shù)。從上式可知，當極對數(shù)不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調(diào)速。2.3PID調(diào)節(jié)器采用PID控制較單獨的P、PI、PD控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。圖2.3PID控制示意圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:（1）硬件型：即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標值的設(shè)定。（2）軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機)上做PID控制器。2.4PLC的控制原理PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應輸出設(shè)備工作。可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部分組成。（1）中央處理單元（CPU）CPU作為整個PLC的核心，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。（2）存儲器（RAM、ROM）存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器;存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數(shù)據(jù)的存儲器稱為數(shù)據(jù)存儲器。常用的存儲器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序，生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RAM存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時，可有效地保持存儲的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應用程序。（3）輸入輸出單元（I/O單元）I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關(guān)、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。（4）電源PLC電源單元包括系統(tǒng)的電源及備用電池，電源單元的作用是把外部電源轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。PLC內(nèi)有一個穩(wěn)壓電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電。（5）編程器編程器是PLC的最重要外圍設(shè)備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。除此以外，在個人計算機上添加適當?shù)挠布涌诤蛙浖?，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以直接編制并顯示梯形圖。2.5PLC的基本知識及優(yōu)勢可編程控制器是60年代末在美國首先出現(xiàn)，當時叫可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicController），目的是用來取代繼電器，以執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能。PLC的基本設(shè)計思想是把計算機功能完善、靈活、通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，控制器的硬件是標準的、通用的。根據(jù)實際應用對象，將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶程序存儲器內(nèi)?？刂破骱捅豢貙ο筮B接方便。隨著半導體技術(shù)，尤其是微處理器和微型計算機技術(shù)的發(fā)展，到70年代中期以后，PLC已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出模塊和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的PLC已不再是邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)通信功能。可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算，順序控制、定時、計算和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用微處理器的優(yōu)點。可編程控制器對用戶來說，是一種無觸點設(shè)備，改變程序即可改變生產(chǎn)工藝，因此可在初步設(shè)計階段選用可編程控制器，在實施階段再確定工藝過程。另一方面，從制造生產(chǎn)可編程控制器的廠商角度看，在制造階段不需要根據(jù)用戶的訂貨要求專門設(shè)計控制器，適合批量生產(chǎn)。由于這些特點，可編程控制器問世以后很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，可編程控制器已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛的應用。可編程控制器（PLC）的工作有兩個要點：入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)，入出信息變換主要由運行存儲于PLC內(nèi)存中的程序?qū)崿F(xiàn)。這程序既有系統(tǒng)的（這程序又稱監(jiān)控程序，或操作系統(tǒng)），又有用戶的。系統(tǒng)程序為用戶程序提供編輯與運行平臺，同時，還進行必要的公共處理，如自檢，I/O刷新，與外設(shè)、上位計算機或其它PLC通訊等處理。用戶程序由用戶按照控制的要求進行設(shè)計。什么樣的控制，就有什么樣的用戶程序。可靠物理實現(xiàn)主要通過輸入（I，INPUT）及輸出（O，OUTPUT）電路。每一輸入點或輸出點就有一個I或O電路。而且，總是把若干個這樣電路集成在一個模塊（或箱體）中，然后再由若干個模塊（或箱體）集成為PLC完整的I/O系統(tǒng)（電路）。盡管這些模塊相當多，占了PLC體積的大部分，但由于它們都是由高度集成化的，所以，PLC的體積還是不太大的。輸入電路時刻監(jiān)視著輸入點的（通、ON或斷、OFF）狀態(tài)，并將此狀態(tài)暫存于它的輸入暫存器（還可能有別的稱謂）中。每一輸入點都有一個與其對應的輸入暫存器。輸出電路有輸出鎖存器（還可能有別的稱謂）。它也有兩個狀態(tài)，高、低電位狀態(tài)，并可鎖存。同時，它還有相應的物理電路，可把這個高、低電位的狀態(tài)傳送給輸出點。每一輸出點都有一個與其對應的輸出鎖存器。這里的輸入暫存器及輸出鎖存器實際是PLC的I/O電路的寄存器。它們與PLC內(nèi)存交換信息通過PLCI/O總線及運行PLC的系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。把輸入暫存器的信息讀到PLC的內(nèi)存中，稱輸入刷新。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應位（bit）稱為輸入繼電器，或稱軟觸點，或稱為過程映射輸入寄存器（theprocess-imageinputregister）。這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0為觸點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以，它反映的就是輸入點的狀態(tài)。輸出鎖存器與PLC內(nèi)存中的輸出映射區(qū)也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內(nèi)存位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器，或稱輸出線圈，或稱為過程映射輸出寄存器（theprocess-imageoutputregister）。通過PLCI/O總線及運行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)將映射給輸出鎖存器。這個映射的完成也稱輸出刷新。PLC除了有可接收開關(guān)信號的輸入電路，有時，還有接收模擬信號的輸入電路（稱模擬量輸入單元或模塊）。只是后者先要進行模、數(shù)轉(zhuǎn)換，然后，再把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入PLC相應的內(nèi)存單元中。如要產(chǎn)生模擬量輸出，則要配有模擬量輸出電路（稱模擬量輸出模塊或單元）?？克鼘LC相應的內(nèi)存單元的內(nèi)容進行數(shù)、模轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生輸出。這樣，用戶所要編的程序只是，PLC輸入有關(guān)的內(nèi)存區(qū)到輸出有關(guān)的內(nèi)存區(qū)的變換。這是一個數(shù)據(jù)及邏輯處理問題。由于PLC有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全可能的。圖2.4PLC工作原理圖圖2.5對以上敘述作了說明。其中框圖代表信息存儲的地點，箭頭代表信息的流向及實現(xiàn)信息流動的手段。這個圖，既反映了PLC實現(xiàn)控制的兩個基本要點，同時也反映了信息在PLC中的空間關(guān)系。簡單地說，PLC工作過程是：輸入刷新---運行用戶程序---輸出刷新，再輸入刷新---再運行用戶程序---再輸出刷新??永不停止地循環(huán)反復地進行著。圖2.6所示的流程圖反映的就是上述過程。它也反映了信息間的時間關(guān)系。圖2.5PLC工作流程圖有了上述過程，用PLC實現(xiàn)控制顯然是可能的。因為：有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)視得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區(qū)；經(jīng)運行用戶程序，輸出映射區(qū)將得到變換后的信息；再經(jīng)輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀態(tài)，并通過輸出電路產(chǎn)生相應的輸出。又由于這個過程是永不停止地循環(huán)反復地進行著，所以，輸出總是反映輸入的變化。只是響應的時間上，略有滯后。但由于PLC的工作速度很快，所以，這個“略有滯后”的時間是很短的，一般也就是幾毫秒、幾十毫秒，最多也不會超過100到200毫秒。圖2.6a所示的是簡化的過程，實際的PLC工作過程還要復雜些。除了I/O刷新及運行用戶程序，還要做些其它的公共處理工作。公共處理工作有：循環(huán)時間監(jiān)視、外設(shè)服務(wù)及通訊處理等。監(jiān)視循環(huán)時間的目的是避免用戶程序“死循環(huán)”，保證PLC能正常工作。為避免用戶程序“死循環(huán)”的辦法是用“看門狗”（Watchingdog），即設(shè)一個定時器，監(jiān)測用戶程序的運行時間。只要循環(huán)超時，即報警，或作相應處理。外設(shè)服務(wù)是讓PLC可接受編程器對它的操作，或向編程器輸出數(shù)據(jù)。通訊處理是實現(xiàn)與計算機，或與其它PLC，或與智能操作器、傳感器進行信息交換的。這也是增強PLC控制能力的需要。也就是說，實際的PLC工作過程總是：公共處理——I/O刷新——運行用戶程序——再公共處理——?反復不停地重復著。圖2.6b所示的是實際的過程。此外，PLC上電后，也要進行系統(tǒng)自檢及內(nèi)存的初始化工作，為PLC的正常運行做好準備。用這種不斷地重復運行程序以實現(xiàn)控制，稱掃描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，為了應對緊急任務(wù)，PLC還有中斷工作方式。在中斷方式下，需處理的任務(wù)先申請中斷，被響應后停止正運行的程序，轉(zhuǎn)而去處理中斷工作（運行有關(guān)中斷的服務(wù)程序）。待處理完中斷，又返回運行原來程序。PLC的中斷方式的任務(wù)，或稱事件，是分等級的。同時出現(xiàn)兩個或多個中斷事件，則優(yōu)先級高的先處理，繼而處理低的。直到全部處理完中斷任務(wù)，再轉(zhuǎn)為執(zhí)行掃描程序。PLC對大量控制都用掃描方式工作，而對個別急需的處理，則用中斷方式。這樣，既可做到所有的控制都能照顧到，而個別應急的任務(wù)也能及時進行處理。當然，PLC的實際工作過程比這里講的還要復雜一些，分析其基本原理，也還有一些理論問題。但如果能弄清上面介紹的思路，也可知到PLC是怎么工作的了。2.6PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則任何一種電器控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控制對象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：（1）最大限度地滿足工藝流程和控制要求。工藝流程的特點和要求是開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的主要依據(jù)。設(shè)計前，應深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集資料，明確控制任務(wù)，并與機械設(shè)計人員與實際操作人員密切配合，共同擬定電器控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。（2）監(jiān)控參數(shù)、精度要求以滿足實際需要為準，不宜過多、過高，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，使用及維修方便，并降低系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)成本。（3）保證控制系統(tǒng)的運行安全、穩(wěn)定、可靠。正確進行程序調(diào)試、充分考慮環(huán)境條件、選用可靠性高的PLC、定期對PLC進行維護和檢查等都是很重要和必不可少的。（4）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應適當留有余量?？傮w來說，PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。圖2.6PLC程序流程圖元件選擇及其功能設(shè)計3.1變頻器的選擇變頻器采用ABB公司的ACS400變頻器，該產(chǎn)品具有矢量控制，過流、過壓、電機熱保護、失速、瞬時關(guān)斷保護、外部故障、脈沖編碼、電機過載（V|F）、變頻器過載保