PLC水塔水位控制系统设计.docx
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1、绪 论一、课题的背景及研究的目的和意义现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术的发展为自动控制系统的发展带来了日新月异的变化。在工业、国防、科研等诸多应用领域里,自动控制系统正发挥着越来越大的作用。一般住宅或大楼顶楼通常设置水塔储存有一定的水量以提供充足的水压供用户使用,另外配备有地下水槽储存自来水公司提供的水源,地下水槽中的水作为顶楼水塔的供水源头。由于自动控制技术的发展,控制理论在工业生产和生活中得到了显著的应用。由于当前可编程控制器PLC和变频技术已日趋成熟,因而利用PLC和变频器进行水塔水位的控制,它可以避免人工操作或者机械装置进行水塔水位控制出现的各种问题。PL
2、C和变频器相结合的水塔水位控制方式与过去的人工或机械装置水塔水位控制方式相比,其运行方式的经济性,系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无与伦比的优势,而且还具有显著的节能高效的特点。通过PLC和变频器结合的水塔水位控制系统具有不可替代的应用价值。构成自动控制系统核心的可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心,集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体,以工业自动化控制为目标的新型控制装置,它具有功能强、可靠性高、操作灵活、编程简单适合于工业环境等一系列优点,目前可编程控制器已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用,成为各行业通用的控制核心产品,
3、在工业控制领域中PLC控制技术将成为世界潮流。变频调速是以变频器向交流电动机供电,构成电机的调速系统。变频器是把固定电压,固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器,是异步电动机变频调速的控制装置。在感应电机的诸多调速方法中,变频调速的性能最好,调速范围大,静态稳定性好,效率高。采用变频器构成变频电源进行电动机调速己得到广泛应用,所以本文采用变频器调节水泵转速。PLC和变频器都是以计算机技术为基础的现代工业控制产品,将二者有机地结合起来,用PLC来控制变频器,是当代工业控制中经常使用的装置,本设计用PLC的模拟量输出模块来控制变频器。它具有高效、节能和高品质等供水优点。本设计介绍
4、了PLC和变频器在水位控制系统中的应用。在水塔水位控制系统中利用变频器和PLC相结合使用的方式,在节能、恒水位控制等方面均有显著的效果。二、毕业设计的主要工作本课题是以大楼顶楼的水箱为控制对象,采用PLC和变频器相结合的控制方式,主要通过研究PLC来控制变频器实现水塔水位的控制。PLC控制变频器实现恒水位供水系统主要有可编程控制器、变频器、压力变送器和现场的水泵一起组成一个完整的闭环调节系统,PLC根据压力检测值和给定值之间的偏差进行PID运算,运算结果输出给变频器控制其输出频率,调节水泵转速从而保持水塔水位的恒定。根据以上控制要求,进行系统总体控制方案设计。全部工作为:硬件设备选型,估算所需
5、I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图,I/O连接图,分配I/O点数,列出I/O分配表,使用相关软件,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改,最后用西门子WinCC flexible设计人机界面。第一章 可编程控制器及其变频器可编程控制器(PLC)是计算机技术与继电器逻辑控制相结合的一种新型控制器,它以微处理器为核心,是用做数字控制的专用计算机。近几年来,在国内已得到迅速推广普及。PLC正改变着工厂自动控制的面貌,对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。美国国际电工委员会对PLC的定义如下:简称PLC (Programmable logic Controller)是指以
6、计算机技术为基础的新型工业控制装置,。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。1.1 PLC的发展历程与趋势1.1.1 PLC的发展历程1.1.2 PLC的发展方向1.2 PLC的特点与基本结构及类型1.2.1 PLC的特点PLC采用电气操作人员习惯的梯形图编程,直观明了。在程序开发方面速度快,修改和调试都很方便。PLC编程的重点是控制思想而非设计程序。已经编好的PLC程序直观清晰,有一定PLC基础知识的人员可以很好的读懂,在操作方面相当简单。另外PLC的自诊断功能可使运行维护人员及时准确的了解故障原因以便于及时的维修。PLC具有较高的可靠性
7、,主要原因是在硬件和软件方面都采取了严格的措施。在硬件方面选用优质的原材料和器件,采取严格的制造工艺。在软件方面,为了避免程序出错导致的重大事故,在运行中的每次扫描都对程序进行检查,如果发现程序运行有错则立即中止运行并发出报警信号。PLC是直接应用于工业环境的控制产品,在特殊的工业环境下(如温度高,湿度大,强烈震荡中)不需要采取其他措施就可以保证正常的工作。PLC基本功能包含逻辑运算、定时、计数、数值计算、数制转换等,扩展功能具有A/D转换、D/A转换、PID控制、高速计数、通信联网、中断控制等。完善的功能使它的控制水平大大提高。随着计算机网络通信技术的高速发展,近年来工控网络通信使得PLC网
8、络通信技术得到了飞速的发展,目前基本的网络形式为设备层网络、控制层网络和信息层网络的三层网络结构。1.2.2 PLC的基本结构PLC的类型繁多,功能和指令系统也不尽相同,但其结构则大同小异,通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成(如图1-1)。1.主机主机部分包括中央处理器(CPU)、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。CPU一般是由控制电路、运算器和寄存器组成,这些电路集成在一块芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、输入/输出接口电路连接。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序,由PLC制造厂家用CPU的指令系统编写固
9、化在ROM中。用户程序存储器用来存放编程设备输入的用户程序。2输入/输出接口(I/O)I/O接口是PLC与被控设备连接的部件。现场设备输入给PLC各种控制信号通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接受和处理的信号,输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换为现场需要的强电信号输出,以驱动被控设备执行机构。I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰,从而提高了可靠性。3电源 电源部件将交流电源转换为提供给CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所需要的直流电源,它的好坏直接关系到PLC功能的可靠性。目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电,用锂电池作停电时的备用电源。图1-1 可编程控
10、制器的基本结构4编程器编程器是PLC的一种主要的外部设备编程器。PLC的编程方式分为两种,一种是手持编程器,用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。另一种是利用上位计算机中的专业编程软件,它主要用于编写较大型的程序。5输入/输出扩展单元I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元(即主机)。6外部设备接口此接口可将编程器、打印机、等外部设备与主机相联,以完成相应的操作。1.2.3 PLC的类型PLC的种类很多,其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。因此,PLC的分类没有一个严格的统一标准,而是按照结构形式、I/O点数、实现的功能
11、进行大致的分类。1)按结构形式分类PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式结构和模块式结构。整体式结构:整体式结构的PLC把CPU、存储器、输入/输出、外部设备接口和电源等集中安装在同一机体内,这种结构的特点是:结构简单、重量轻、体积小、价格低等优点;输入输出路数固定,实现的功能和控制规模固定,灵活性较低,适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品开发应用场合。模块式结构:模块式结构的PLC把CPU和I/O模块等做成各自相对独立的模块,然后组装在一个带有电源单元的母板上,或者采用无母板的相互插接方式连接。模块式PLC的特点是I/O点数多、模块组合灵活、便于扩展,可构成具有不同控制规模和功能的
12、PLC,适用于复杂过程控制系统的应用场合。2)按I/O点数分类 超小型PLC:I/O点数一般小于64点,开关量I/O信号为主,功能以逻辑运算为主,并有定时和计数功能。结构紧凑,为整体式结构。用户程序容量在2561K字。小型PLC:I/O点数一般为65128点,开关量I/O信号为主,控制功能简单,用户程序储存器容量一般为1K4K,结构形式为整体式。中型PLC:I/O点数一般为129512点,兼有开关量和模拟量的I/O信号,控制功能较丰富,用户程序储存器容量为3.6K13K,多数采用模块式结构。大型PLC:I/O点数一般为1000点以上,控制功能完善,用户程序储存器容量一般为13K以上,采用模块式
13、结构。超大型PLC:I/O点数一般为896点以上,用户程序储存器容量一般为13K以上,采用模块式结构,支持CPU单元。3)按实现的功能分类低档机:具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能,还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。中档机:除具有低档机的功能外,还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。高档机:除具有中档机的功能外,还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。1.3 PLC的基本工作原理PLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时,CPU根据用户按
14、控制要求编制好并存于用户存储器中的程序,按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描,如无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序,直至程序结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC工作时将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上,将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需输入继电器和输出继电器的数据取自I/O映像区,而不是直接与外部设备发生关系。当处于停止工作模式时,PLC只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时,PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、
15、输出处理,然后按上述过程循环扫描工作,PLC工作流程如图1-2所示。图1-2 可编程控制器的工作流程PLC在工作中不仅执行用户程序,而且在每次的循环过程中,PLC还要完成内部的处理、通信服务等工作。PLC运行时,一次循环可分为5个阶段:内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理。PLC的这种周期性的循环工作方式称为扫描工作方式。1)内部处理阶段在内部处理阶段,PLC检测CPU内部的硬件是否正常,将检测定时器复位,以及其他内部工作。2)通信服务阶段PLC同其他设备间通信,响应编程器输入的命令。更新编程器显示的内容。如果此时的PLC处于工作状态则还要完成以下的三个阶段的操作内容。3)输入处理
16、阶段输入处理又被称作为采样,在PLC的存储器中,专门设置了一片区间用来存放输入信号和输出信号的状态。在此阶段,PLC顺序读入所有端子的通断状态,并且把读入的信息存在输入映像区,输入映像区的状态被刷新。然后进入是程序处理阶段,处理程序时输入映像区隔离,在下一个扫描周期的输入处理阶段输入信号才能被读入。4)程序处理阶段根据PLC梯形图程序扫描先左后右、先上后下的原则,逐句扫描和执行。如果遇到跳转指令则根据跳转条件在执行程序跳转位置。当程序涉及到输入/输出状态时,PLC从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应的输入继电器状态,从输出映像寄存器读取对应输出继电器状态,根据用户程序进行逻辑运算,运算
17、结果存入有关元件寄存器中。5)输出处理阶段CPU将输出映像区中的每位状态传送到输出锁存器,梯形图中输出继电器线圈接通时,对应的输出映像区中位的状态为ON。信号经输出单元隔离和功率放大后,继电器型输出单元中对应的硬件继电器线圈通电,其常开触点闭合,外部负载开始工作。如果梯形图中输出继电器线圈断开,对的输出映像区中的位为OFF状态,在输出处理阶段之后,继电器输出单元中对应的硬件继电器线圈断电,常开触点断开,外部负载断开。可编程序控制器对用户程序进行串行循环扫描的工作分为三个阶段:输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段,如图1-3所示。图1-3 循环扫描工作原理1.4 PLC的应用系统设计1.4.
18、1 PLC的应用系统设计原则随着PLC的控制功能不断提高和完善,它在工业控制领域中的控制作用越来越大。PLC对工业环境的要求不高,特别是在较差和复杂的工业环境下还可以高效可靠的运行,PLC几乎可以完成所有的工业控制。在设计PLC系统时一般要遵循一定的原则。1)满足控制要求。最大限度地满足被控对象的工艺要求是设计控制系统首要前提。2)安全可靠。控制系统长期运行中是否安全、可靠、稳定的运行是设计控制系统的重要原则。3)经济实用。在满足控制要求的前提下,要注意降低系统成本,使得PLC控制系统达到简单、经济、合理。4)适应发展。要考虑到功能的扩充,适当留有冗余量。1.4.2 PLC的应用系统设计步骤P
19、LC系统设计与调试流程图如图1-4所示。图1-4 PLC系统的设计与调试流程图1)熟悉被控对象的工艺过程,分析控制要求。2)确定I/O设备。3)PLC的硬件系统配置。4)分配I/O点。5)设计应用系统梯形图程序。6)初步调试程序。7)联机调试。8)编写技术文件。1.5 变频器变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。1.5.1 异步电动机旋转原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流互相作用产生的力矩。如果磁场以转速顺时针旋转,转子绕组产生切割磁力线,产生了转
20、子电流,通电的转子绕组相对磁场运动,产生电磁力。电磁力使转子绕组以转速旋转,方向与磁场旋转方向相同。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此,转子的转速低于定子磁场的转速,转子转速和磁场转速之差称为转差: 转差与定子磁场转速之比称为转差率: 同步转速由决定,式中为输入电流的频率;为旋转磁场的极对数。因此可以得到转子的转速为 1.5.2 异步电动机调速由于异步电动机转速为,所以它的调速方法有以下三种:1)改变磁极对数,称为变极调速变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速又适用于恒功率调速。缺点是次调速方法为有极调速,并且极数有限,只用于不
21、需要平滑调速的场合。2)改变转差率,称为变转差率调速以改变转差率为目的的调速方法有:定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速。调压调速的优点是调速平滑,采用闭环系统时机械特性较硬,调速范围较宽,缺点是低速时,转差功率损耗较大,功率因数低,电流大,效率低。调压调速既非恒功率调速也非恒转矩调速,比较适合用于风机、泵类特性负载。转子变电阻调速的优点是设备和线路简单,投资不高,但其机械特性较软,调速范围受到一定限制,低速时转差功率损耗较大,效率低,经济效益差。电磁转差离合器调速的优点是控制简单,运行可靠,能平滑调速,采用闭环控制后可扩大调速范围,常常用在通风类或恒转矩类负载,其缺点是低速时损耗
22、大效率低。3)改变频率,称为变频调速当极对数和转差率不变时,电动机转子转速与定子电源频率成正比,因此连续的改变供电频率,就可以连续平滑的调节电动机的转速。异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点,可以方便地实现恒转矩或者是恒功率调速。1.5.3 变频器的分类变频调速是以变频器向交流电动机供电,并且构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换成为可以调节的电压和可调频率的交流电的变换器。是异步电动机变频调速的控制装置。1)按变频器主电路结构形式分类按变频器主电路的结构形式可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直
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