基于三菱PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設計.doc

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摘 要本設計是專門對日常用水而設計的恒壓供水控制系統(tǒng)。根據國內外的研究現(xiàn)狀以及系統(tǒng)的控制要求，制定出了一套適合此系統(tǒng)的控制方案。控制方案中，硬件設計主要對可編程控制器（PLC）機型、變頻器機型以及電機泵組的機型做出了選擇，同時還對系統(tǒng)的輸入輸出點進行了規(guī)劃和分配。在軟件設計部分，針對控制要求畫出了系統(tǒng)的流程圖，并且還對每一部分的流程圖進行了功能的解釋，使讀者能更加輕松的了解整個系統(tǒng)的軟件設計情況。在此課題中，還采用了MCGS組態(tài)軟件，對控制系統(tǒng)進行監(jiān)視與模擬運行，很直觀的再現(xiàn)了現(xiàn)場的實際情況。最后，還對整個系統(tǒng)進行了運行調試，運行結果表明該系統(tǒng)具有水壓穩(wěn)定、硬件組成簡單、運行可靠和操作方便等優(yōu)點。關鍵詞：恒壓供水；可編程控制器；變頻器；組態(tài)軟件AbstractThis design is specially designed for water constant pressure water supply control system. According to the requirements of the current research at home and abroad and the system control, develop a set of control scheme suitable for the system. In the control scheme, the hardware design is mainly to the programmable logic controller (PLC) model , frequency converter and motor pump set model made a choice, but also on the system input and output points of planning and allocation. In software design part, according to draw the flow chart of the system, and the required control and flow chart of every part of the function of explanation, so that readers can more easily understand the software design of the whole system. In this topic, also adopted the MCGS configuration software, to monitor and control systems simulate, intuitive reproduce the actual situation of the scene. Finally, the debugging of the whole system running, the results on the surface of the system has stable pressure, simple structure, reliable operation and convenient operation. Key words: Constant pressure water supply；Programmable logic Controller；Inverter；Configuration software目錄摘 要IAbstractII目錄III第一章 緒論11.1 本課題的目的及研究意義21.2 恒壓供水系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀21.3 恒壓供水系統(tǒng)的控制要求3第二章 恒壓供水控制系統(tǒng)方案論證42.1 恒壓供水控制系統(tǒng)分析42.2 恒壓供水控制方案比較42.3 供水方式與控制方案的選擇5第三章 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設計63.1 恒壓供水控制系統(tǒng)設備選型63.1.1 PLC機型的選擇63.1.2 變頻器機型的選擇63.1.3 電動機機型的選擇83.1.4 水泵機型的選擇83.2 PLC輸入輸出接點分配93.3 PLC中內部觸點的分配93.4 PLC輸入輸出接線原理圖設計93.5 系統(tǒng)控制流程圖的設計11第四章 恒壓供水系統(tǒng)程序設計134.1 電機啟動的介紹說明134.1.1 程序的準備與啟動134.1.2 電動機工頻與變頻狀態(tài)切換的流程圖與梯形圖144.1.3 七段速度切換的流程圖與梯形圖164.2 工變頻電機的滿載與防負壓運行214.3 電機過載報警21第五章 MCGS組態(tài)軟件的簡介與運用225.1 MCGS組態(tài)軟件簡介225.2 MCGS組態(tài)軟件界面模型的建立235.3 MCGS數(shù)據庫及設備窗口參數(shù)的建立245.3.1 MCGS實時數(shù)據庫的建立245.3.2 MCGS設備窗口參數(shù)的建立255.4 恒壓供水系統(tǒng)的MCGS與PLC聯(lián)機調試27第六章 控制系統(tǒng)程序的調試286.1 系統(tǒng)運行調試286.2 程序調試中出現(xiàn)的故障與解決方案29小結30致謝31參考文獻32附錄33附錄1 PLC源程序清單33附錄2 元器件清單38第一章 緒論日常生活用水中水的品質要求越來越高，同時變頻器也在不斷的發(fā)展中，恒壓變頻供水控制系統(tǒng)因為它保護環(huán)境、節(jié)約能源、使用方便等特點，已經被廣泛應用在了高層的居民住宅和大部分的城市水網供水之中。恒壓變頻供水系統(tǒng)使用的是變頻調速，這是一種無極調速，整個系統(tǒng)通過水管中實時變化的水壓，來不斷反饋給控制器，這些數(shù)據經過處理之后，再反饋給變頻器進行水壓的自動調節(jié)。當用水量發(fā)生劇烈變化時，整個系統(tǒng)能迅速作出反應，使整個水管中的水壓維持在一個相對穩(wěn)定的值，以達到居民的日常用水要求，恒壓變頻供水系統(tǒng)是當今社會中比較先進和節(jié)能環(huán)保的供水系統(tǒng)。變頻器的內置功能是十分強大的，如何更換的利用好它的功能，使其更簡潔方便的實現(xiàn)控制要求，對合理使用整個系統(tǒng)的設備、減少初期投入和后期維護的費用、保證設備已經供水的質量等有著重要意義。恒壓變頻供水系統(tǒng)如今已經能適用于絕大部分的用水場合，并且相較于以往的供水方式，有諸多的優(yōu)點，因此選擇恒壓變頻的方式進行供水是非常好的。1.1 本課題的目的及研究意義水，是我們生活中必須的自然資源。如今我國大部分地區(qū)水嚴重缺乏，節(jié)水已經成為當今國家必須要做的一件事。在我國，飲用水和電能稀缺，長久以來在城市供水、高層住房供水、工業(yè)設備生產供水等方面水平一直比較低下，自動化程度低。集中表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量普遍低于使用量，出現(xiàn)管網壓力下降，出現(xiàn)供不應求的狀況，此時將會造成能源的浪費，同時還會使水管炸裂和用水設備的損壞。據相關統(tǒng)計，風機和泵累負載大概占了我國年總耗電量的80%，這很大程度上與我國工作效率低下、控制方式落后的供水設備有關。相關信息顯示，目前水泵的效率不超過60%，大量的能量正在被浪費掉。因此，運用水泵供水節(jié)能技術，設計高可靠性、高運行效率的給水系統(tǒng)對于社會發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。恒壓變頻供水系統(tǒng)自20世紀80年代以來，世界各國先后吧它變成工業(yè)應用，以顯示出其強大的競爭能力。使用該供水系統(tǒng)，可以實現(xiàn)明顯的節(jié)能效果，從而提高企業(yè)經濟和社會效益，這在資源日益匱乏的今天顯得更加突出。因此，研究恒壓供水控制系統(tǒng)，對于提高供水能效，提高人民的生活狀況，減少能源消耗，具有十分重大的歷史意義。1.2 恒壓供水系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀隨著科學技術的推進，變頻調速技術的日益完備，以PLC來控制變頻器調速為核心的現(xiàn)代供水系統(tǒng)代替了曾經的人工控制電機泵組的供水方式。早期，國外生產的變頻器頻率控制主要功能僅限于起重調速、電機正反轉控制、電機啟動和制動控制、VVVF比控制和許多保護功能。在恒壓供水控制系統(tǒng)的應用中，變頻器只作為執(zhí)行機構。為了達到供水需求不一致大小時，保證管網水壓穩(wěn)定，要求在外部為變頻器提供壓力控制器和壓力繼電器，對壓力進行閉環(huán)控制?？傮w上看，我國電力拖動的科研水平和國際先進水平比，仍然差距較大。國內幾乎所有的產品都是普通的V/f控制，僅有少量的樣機采用矢量控制，因此需要大量的從國外進口。所以研究變頻調速恒壓給水系統(tǒng)在學術界有很重要的意義。1.3 恒壓供水系統(tǒng)的控制要求(1)共有3臺水泵，按設計要求2臺運行，1臺備用，運行與備用10天輪換一次；(2)用水高峰時，1臺工頻全速運行，1臺變頻運行；低谷時，只需1臺變頻運行；(3)3臺水泵分別由電動機M1、M2、M3拖動,而3臺電動機又分別由變頻接觸器KM1、KM3、KM5和工頻接觸器KM2、KM4、KM6控制如圖1-1所示:圖1-1 主電路原理圖(4)電動機的轉速由變頻器的七段調速來控制，七段速度與變頻器的控制端子的對應關系如表1-1所示：表1-1 七段速度與變頻器的控制端子的對應關系速度 1 2 3 4 5 6 7接點 RH RH RH RH接點 RM RM RM RM接點 RL RL RL RL Hz 15 20 25 30 35 40 45(5)變頻器的七段速度及變頻運行與工頻運行的轉換由水管壓力繼電器的壓力上下限觸點控制；(6)水泵投入工頻運行時，電動機的過載由熱繼電器保障，并有報警信號提示；(7)變頻器的有關參數(shù)自行設定； (8)實驗時KM1、KM3、KM5并聯(lián)接變頻器與電動機，KM2、KM4、KM6用指示燈代替；壓力繼電器的壓力上限接點與下限接點分別用按鈕來代替；運行與備用10天輪換一次改為30s輪換一次。第二章 恒壓供水控制系統(tǒng)方案論證2.1 恒壓供水控制系統(tǒng)分析社會發(fā)展到現(xiàn)在，水的品質越來越高，供水的方式也越來越節(jié)能和高效。如今，常見的供水方式有高位水箱供水、氣壓水罐供水（無塔供水）和變頻供水三種。首先，高位水箱供水方式受到水泵的揚程和樓層的高度的影響，頂層的住戶會出現(xiàn)水壓不足的現(xiàn)象，因此此方式有嚴重的不足之處，故已經逐漸被淘汰。對于第二種無塔供水方式，它可以不受樓層高度影響，對各層用戶都實現(xiàn)恒壓供水，相對于第一種供水方式，已經有很大的提高，但其也有缺點，其系統(tǒng)必須在變壓狀態(tài)下工作，要保持一定的“絕壓比”，因此耗能較大。對于第三種恒壓變頻供水方式，它消除了水泵的富裕揚程以節(jié)省能耗，還充分利用了城市管網的余壓，更加擁有節(jié)能的功效。2.2 恒壓供水控制方案比較（1）數(shù)字邏輯電路控制方式這類控制電路難以完成水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調整，往往采用一臺電機穩(wěn)定于變頻運行，其余電機均為工頻狀況的形式。因此，控制精度不夠、電機泵組切換時水壓波動大、調試較繁瑣、工頻電機起動時有沖擊、抗干擾能力差，但其價格低廉。（2）單片機控制方式這類控制方式比邏輯電路先進一些，但在應付不同水管、不同供水形式時，調試較復雜；附加功能時往往要對電路進行更改，浪費時間且不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是特別好。（3）繼電器控制方式繼電器是指當輸入量或激勵量，達到某些特定的狀態(tài)時，能在一個或多個電器輸出電路中產生突變的一種器件 。如今繼電器已使用在日常及工業(yè)控制的各個領域，他們比以往的控制方式具有更高的可靠性。但是，這也隨之帶來了一些問題。如絕大多數(shù)控制繼電器都是長期消耗和疲勞工作條件下發(fā)生的，容易損壞。在滿載運行的情況下，大的繼電器將產生大量的熱及噪聲，同時也使用了巨額的電能。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是人工接線、裝配，如果有簡單的變化，也需要花費巨額時間及人力和金錢去修正、安裝和調試。用繼電器控制的電泵現(xiàn)在顯然不能滿足高要求，一旦報廢，將很難維修。（4）采用PLC來控制PLC是一種為“工業(yè)環(huán)境”下而專門設計出來的計算機，它采用了嚴格的制造工藝，能夠防粉塵、防噪聲，并且在強烈的空間磁場干擾下或者變化劇烈的環(huán)境溫度下仍然能夠穩(wěn)定正常工作，故其具有非常大的運行可靠性。例如日本三菱設備公司制造的F系列PLC平均可靠運行時間高達30萬小時。同時相對于以為的單片機工業(yè)控制系統(tǒng)中，使用PLC控制具有更大的靈活性，并且控制功能完善，安裝接線簡單等諸多特點，在工業(yè)控制中取得了非常廣泛的應用。從PLC的外部接線來說，使用PLC組成的恒壓供水控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到非常小的地步，發(fā)生故障的情況也就大大減少10。2.3 供水方式與控制方案的選擇因為另外兩種供水方式較第三種方式有明顯的不足之處，因此，此課題選用“恒壓變頻”的方式來進行設計。本課題的恒壓供水控制系統(tǒng)應根據供水過程中的各種控制信號和當時的運行狀態(tài)，根據省時、高效的原則，自動進行綜合分析，確定下一個工作狀態(tài)。為此，控制系統(tǒng)要求共有3臺水泵，要求2臺運行，1臺備用，運行與備用10天輪換一次；用水高峰時，1臺工頻全速運行，1臺變頻運行；用水低谷時，只需1臺變頻運行；主控運行過程是，恒壓供水的PLC控制系統(tǒng)啟動，第一個周期內1#電機工頻運行，2#電機變頻運行，3#電機備用。PLC根據水壓上下限觸點的導通情況，來實現(xiàn)變頻電機的7段速度的選擇，每當水壓下限來臨，變頻器的頻率輸出增加，直至工頻電機與變頻電機滿負載運行。當?shù)诙€周期來臨，2#電機工頻運行，3#電機變頻運行，1#備用，工作狀態(tài)同上；以此類推，第三個周期3#電機工頻運行，1#電機變頻運行，2#備用。三個狀態(tài)的完成，周期為1個月，下一個月來臨時，重復上述步驟。根據上述過程，我們在此時選擇第4種方案采用PLC來控制。PLC控制方式比其他三種控制方式更加穩(wěn)定可靠，價格便宜，結構簡單，且可根據實際情況輕松的改變PLC的程序。因此，我們選擇以PLC為控制器的方案來實現(xiàn)此課題。第三章 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設計3.1 恒壓供水控制系統(tǒng)設備選型3.1.1 PLC機型的選擇由控制要求可知，本設計共有7個輸入點、11個輸出點，I/O實際需18點。為今后工藝改進與功能擴充留有余地，在實際統(tǒng)計I/O點數(shù)基礎上，一般加10-20余量，再考慮PLC產品本身規(guī)格1，選擇FX2N-48MR-001型PLC，其I/O總點數(shù)為48點，即輸入與輸出各有24個接點，與其它PLC的比較，三菱PLC編程直觀易懂，學習起來輕松，并且其指令集豐富，并且相對于其他的PLC產品，三菱的產品價格有一定的優(yōu)勢，故選用此型號的PLC控制器2。三菱FX2N-48MR型PLC實物圖如圖3-1所示。圖3-1 FX2N-48MR型PLC實物圖3.1.2 變頻器機型的選擇在交流異步電動機的諸多變速方式中，變頻調速的性能優(yōu)異，調速范圍廣，靜態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)異，運行效率高；使用通用變頻器對籠型異步電動機進行調速控制，由于使用方便、可靠性高，并且經濟效益顯著，得到了大量的推廣3。變頻器選擇中，應按電動機的額定功率及額定電流、額定電壓綜合考慮，合理選擇變頻器的參數(shù)，與用電設備配套。由于變頻器產生的高階級波動的影響，對補償電容的影響較大，在選擇電容器時需選擇帶電抗器的電容器，最好使用帶消諧裝置的電容器組8。恒壓供水系統(tǒng)控制的參數(shù)不多，但仍需綜合各種信息綜合確定控制模型，變頻裝置應充分考慮與其它控制系統(tǒng)數(shù)據和信息傳遞地能力，以便更好觀察變頻器的各種狀態(tài)及更合理的控制，充分展現(xiàn)各種裝置在同一系統(tǒng)中現(xiàn)實應用的潛力，達到動態(tài)、互補、可靠運行的目的9。變頻器組裝及接線中，應嚴格依據產品安裝使用手冊實施，各種輔助方式，如裝置環(huán)境條件的確保，接地安全措施都該預留到位，否則會直接減少變頻器的使用壽命和效率，還會造成對其它系統(tǒng)干擾情況。特別是環(huán)境溫度的變化，尤為重要，變頻器發(fā)熱量龐大，安裝在柜內時要考慮散熱的情況，必要時需增設通風裝置，對大功率變頻器尤為重要3。變頻器是變頻調速系統(tǒng)控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電動機轉速的調節(jié)。變頻器的選擇必頒根據電動機的功率和電流進行選擇。此設計采用的是三菱的FR-A740-2.2K-CHT型號的變頻器，其具有先進的磁通矢量控制功能、強大的擴展能力、簡單的操作及維護等。相較于其他品牌的變頻器，三菱的產品價格具有一定的優(yōu)勢，且在穩(wěn)定性上，更加得到 廣大用戶的肯定，故此課題選用該型號的變頻器。變頻器實物圖如圖3-2所示。 圖3-2 變頻器實物圖3.1.3 電動機機型的選擇異步電機主要用作電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是日常生活中應用最廣泛的電動機，為多種機械設備提供動力，例如機床，中下型軋鋼設備、風機、水泵等，都采用三相異步電動機拖動。異步電動機被廣泛應用，是由于它結構簡單、制造容易、成本和價格低、堅固耐用、運行可靠、運行效率較高并有適用于多種機械負載的工作特性。缺點是需要從電網吸收滯后的無功功率，功率因數(shù)總小于1。本課題中采用Y90L-2型號的電動機，此型號的電動機，使用的功率為2.2KW，匹配變頻器，剛好適用5，電動機的實物圖如圖3-3所示。圖3-3 電動機的實物圖3.1.4 水泵機型的選擇在水泵方面，必須要考慮以下幾個因素，流量；揚程；管道系統(tǒng)的壓力差（揚程的損失）；管道系統(tǒng)的數(shù)據等。綜上考慮，此課題采用IS50-32-160A型號的水泵進行供水，流量Q=11.4，揚程H=16.5m，故此型號的水泵已經可以滿足一般供水的要求 6，水泵的實物圖如圖3-4所示。圖3-4 水泵的實物圖3.2 PLC輸入輸出接點分配根據恒壓供水控制模型的輸入/輸出信號，分配FX2N48MR型PLC輸入/輸出接點共為18個，I/O分配如表3-14。表3-1 PLC輸入輸出分配表輸入端子功能輸出端子功能輸出端子功能X0啟動按鈕Y0STF信號Y10KM5X1水壓下限開關Y1RH信號Y11KM6X2水壓上限開關Y2RM信號Y12FR報警燈X5停止Y3RL信號X6X7FR1FR2Y4Y7KM1KM4X10FR33.3 PLC中內部觸點的分配整個系統(tǒng)中，我一共使用到了10個輔助繼電器M，2個定時器T，1個數(shù)據寄存器D和3個計數(shù)器C。PLC內部的每一個觸點的功能都見表3-2所示。表3-2 PLC系統(tǒng)內部觸點分配觸點功能觸點功能輔助繼電器M115Hz變頻啟動輔助繼電器M200啟動工頻電機輔助繼電器M220Hz變頻啟動輔助繼電器M8013系統(tǒng)內部秒震蕩輔助繼電器M325Hz變頻啟動定時器T10水壓下限保持用定時器輔助繼電器M430Hz變頻啟動定時器T11水壓上限保持用定時器輔助繼電器M535Hz變頻啟動數(shù)據寄存器D0水壓變頻數(shù)據保存輔助繼電器M640Hz變頻啟動計數(shù)器C1第1組電機運行時間輔助繼電器M745Hz變頻啟動計數(shù)器C2第2組電機運行時間輔助繼電器M100關閉工頻電機計數(shù)器C3第3組電機運行時間3.4 PLC輸入輸出接線原理圖設計恒壓供水控制系統(tǒng)的PLC電氣控制系統(tǒng)接線原理圖設計如圖3-5所示。PLC的7個輸入點分別接收水壓上限與水壓下限的信號, 1個啟動按鈕和1個停止按鈕的信號；PLC的11個輸出點中， Y001-Y003輸出驅動變頻器的正轉與調速觸點，Y004-Y011分別驅動6個電機的接觸器，Y012輸出驅動報警顯示燈2。圖3-5 恒壓供水控制系統(tǒng)接線圖實際模擬控制系統(tǒng)接線圖如圖3-6所示。圖3-6 實際模擬控制系統(tǒng)接線圖3.5 系統(tǒng)控制流程圖的設計根據控制要求畫出的控制流程圖如圖3-5所示。圖3-5 恒壓供水控制系統(tǒng)流程圖簡要說明一下恒壓供水的主要操作步驟：（1）通電后，首先按下復位按鈕SB2，之后按下啟動按鈕SB1系統(tǒng)在按下SB1后，電機開始運行，且每10天為一個短周期，每30天為一個大周期，循環(huán)往復。（2）電機運行狀態(tài)切換每個小周期里，有1臺電機工頻運行，1臺電機變頻運行，1臺電機備用，且每10天為一個短周期，每30天為一個大周期，循環(huán)往復。（3）變頻運行每當水壓下限信號到來，15Hz升為20Hz運行；20Hz升為25Hz運行；25Hz升為30Hz運行；30Hz升為35Hz運行；35Hz升為40Hz運行；40Hz升為45Hz運行。當45Hz時，水壓任不足，就必須啟動工頻電機，以此實現(xiàn)更大的水壓供給。第四章 恒壓供水系統(tǒng)程序設計4.1 電機啟動的介紹說明4.1.1 程序的準備與啟動啟動與停止復位功能部分流程圖見圖4-1。圖4-1 啟保停、復位流程圖當啟動按鈕按下時，X000閉合，此時數(shù)據寄存器D0中被送入數(shù)據1，并且輔助繼電器M0閉合且自鎖，正轉信號Y000導通。當停止按鈕按下時，X005常閉觸電斷開，系統(tǒng)停止工作，X005常開觸點閉合，將C0C2、D0中的內容清零復位1。啟動、保持與停止復位功能部分程序見圖4-2與圖4-3。圖4-2 恒壓供水啟動與保持梯形圖程序圖4-3 恒壓供水停止與復位梯形圖程序4.1.2 電動機工頻與變頻狀態(tài)切換的流程圖與梯形圖三組電機30天內周期運行的流程圖見圖4-4。圖4-4 電機運行狀態(tài)流程圖由第二章第1節(jié)中給出的電氣原理圖，我們可知KM1，KM2帶動1#電機運行；KM3，KM4帶動2#電機運行；KM5,KM6帶動3#電機運行。當?shù)谝粋€10天時，1#電機工頻運行，2#電機變頻運行，故驅動Y004與Y007即可實現(xiàn)控制要求。同理，第二個10天時，驅動Y006和Y011可以實現(xiàn)控制要求。第三個10天時，驅動Y010與Y005可以實現(xiàn)控制要求?？刂埔笾?，一個完整周期為30天，由于模擬不需要如此長的時間，故在程序中縮短了每個轉換的時間，每個轉換時間為20秒，這樣既能實現(xiàn)控制要求，又大大縮減了運行時間，使模擬運行效率得到大大提高。三組電機30天周期模擬運行的程序見圖4-5。圖4-5 電機運行狀態(tài)梯形圖程序4.1.3 七段速度切換的流程圖與梯形圖電機在變頻運行與切換時的流程圖見圖4-6。圖4-6 電機變頻運行與切換流程圖當水壓下限到達時，X001閉合，即水壓不足，需要提高水壓，此時需要變頻調速，將電泵的轉速提高，從而增加水壓。故程序中，X001閉合，使得寄存器D0中的數(shù)據加1；同理，當水壓不再需要那么大時，就需要降低水壓，此時X002閉合，使寄存器D0中數(shù)據減1。程序見圖4-7。圖4-7 水壓上下限梯形圖程序同時將數(shù)據寄存器D0中的數(shù)據與數(shù)字1-7（1-7分別代表7段速度）比較，由此可得：（1）當D0=1時，M1閉合，此時變頻器的調速設置為15Hz；（2）當D0=2時，M2閉合，此時變頻器的調速設置為20Hz；（3）當D0=3時，M3閉合，此時變頻器的調速設置為25Hz；（4）當D0=4時，M4閉合，此時變頻器的調速設置為30Hz；（5）當D0=5時，M5閉合，此時變頻器的調速設置為35Hz；（6）當D0=6時，M6閉合，此時變頻器的調速設置為40Hz；（7）當D0=7時，M7閉合，此時變頻器的調速設置為45Hz。M1M7為自己設置的輔助繼電器，實際變頻器是無法識別的，必須用這些輔助繼電器來驅動Y001、Y002和Y003所接的變頻器的RH、RM和RL觸點來實現(xiàn)變頻調速。Y001表示RH信號，由M1、M5、M6和M7驅動；Y002表示RM信號，由M2、M4、M6和M7驅動；Y003表示RL信號，由M3、M4、M5和M7驅動，各個驅動情況如圖4-8所示。圖4-8 輔助繼電器驅動變頻器梯形圖當D07時，M200閉合，此時說明光一臺變頻的電泵已不足以完成提高水壓的要求，故閉合M200，啟動處于待機狀態(tài)的工頻電泵（分別由接觸器KM1，KM3和KM5導通啟動），然后繼續(xù)增壓。當D01時，M100閉合，此時說明已經不需要工頻電泵，故關閉工頻電泵，只由變頻的電泵來給水增壓。見圖4-9與圖4-10。圖4-9 工頻電機啟動與關閉梯形圖程序1圖4-10 工頻電機啟動與關閉梯形圖程序24.2 工變頻電機的滿載與防負壓運行當一個周期內的工頻電機與變頻電機全部都在運行時，且此時的變頻電機已經處于45Hz的滿頻狀態(tài)，這個時候，變頻電機必須一直以此速度運行，并不能減速。故設定輔助繼電器M150在滿載時，限制水壓下限信號的再次觸發(fā)，以此實現(xiàn)持續(xù)滿載運行，否則變頻電機將處于持續(xù)的加速減速中，運行不可靠且不和要求。同時設定輔助繼電器M250為負壓保護控制，當用水低谷時，如果用戶使用的水壓非常低時，即使以1臺變頻電機在15Hz運行的時候，都已經滿足，這時候任然不能將電機都關閉，所以設定M250，防止負壓的出現(xiàn)7，程序見圖4-11。圖4-11 恒壓供水系統(tǒng)過載與防負壓運行梯形圖程序4.3 電機過載報警此工程設計中一共有三臺電機組，每臺電機都有熱繼電器FR，即有FR1（X006），F(xiàn)R2(X007)和FR3(X008)。當某個熱繼電器因為過載而損壞時，電機會停止運行，且PLC會接收到熱繼電器的信號，常閉觸電斷開，驅動Y012線圈報警5，見圖4-12。圖4-12 電機過載報警梯形圖程序第五章 MCGS組態(tài)軟件的簡介與運用5.1 MCGS組態(tài)軟件簡介MCGS是由北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)，全稱為Monitor and Control Generated System，中文名為“通用監(jiān)控系統(tǒng)”。它是一套基于Microsoft的，用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)，目前在win7上也已經可以兼容運行。其具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構造自己的應用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設備。MCGS為客戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據采集、實時和歷史數(shù)據處理、警報和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網絡等功能。它充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點，比以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)更具有通用性，在自動化領域有著更廣泛的應用。MCGS的主要和基本功能如下：（1）簡單的可視化操作界面（2）實時性好、優(yōu)秀的并行處理能力（3）豐富、形象的多媒體動畫（4）開放式結構，強大的數(shù)據獲取和處理能力（5）強大的安全機制（6）穩(wěn)定的網絡功能（7）多樣化的報警功能（8）課擴展多種硬件設備，實現(xiàn)“設備無關”（9）控制簡單復雜的運行流程（10）用數(shù)據庫來控制數(shù)據存儲，系統(tǒng)穩(wěn)定性高（11）設立對象元件庫，組態(tài)工作輕易方便5.2 MCGS組態(tài)軟件界面模型的建立MCGS中有豐富的圖片資源與零器件資源，我們可以自由的拖拉其中的資源到“用戶窗口”中進行繪制，并調整到適當?shù)拇笮?。同時，還可以使用自己想用的圖片，用其內部的“位圖”功能，進行圖片自定義，調節(jié)起來相當簡單。此課題中，設計的是恒壓供水控制系統(tǒng)，需要顯示的有：三臺電機組、變頻器速度顯示、電機運行狀態(tài)監(jiān)視、啟動與停止按鈕以及水壓限制開關的模擬測試按鈕。本人繪制的模擬界面中，使用LED等的亮滅來表示此時變頻器正處于的速度狀態(tài)；電機運行狀態(tài)的監(jiān)視是通過界面中右側的框圖閃爍來表示當前電機組的運行情況及切換狀況，恒壓供水控制系統(tǒng)模擬界面如圖5-1所示。圖5-1恒壓供水系統(tǒng)MCGS與PLC交互界面5.3 MCGS數(shù)據庫及設備窗口參數(shù)的建立5.3.1 MCGS實時數(shù)據庫的建立MCGS中的“實時數(shù)據庫”是工程各個部分的數(shù)據交換與處理中心，它將MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據采集、處理、輸出控制、動畫連接以及設備驅動的對象。本課題的“實時數(shù)據庫”參數(shù)全部為開關量。實時數(shù)據庫為用戶分步組態(tài)提供極大方便。MCGS嵌入版由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據庫和運行策略五個部分構成，其中實時數(shù)據庫是一個數(shù)據處理中心，是系統(tǒng)各個部分及其各種功能性構件的公用數(shù)據區(qū)，是整個系統(tǒng)的核心。各個部件獨立地向實時數(shù)據庫輸入和輸出數(shù)據，并完成自己的差錯控制。在生成用戶應用系統(tǒng)時，每一部分均可分別進行組態(tài)配置，獨立建造，互不相干?！皩崟r數(shù)據庫”的建立如圖5-2所示。圖5-2 MCGS實時數(shù)據庫數(shù)據的建立5.3.2 MCGS設備窗口參數(shù)的建立MCGS中的“設備窗口”是連接和驅動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數(shù)據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動，定義連接與驅動設備用的數(shù)據變量。簡而言之，這個窗口中的參數(shù)是用來與PLC參數(shù)進行實時交互的，進行對PLC的模擬控制。對于設備編輯窗口，有幾點要重要說明一下：由于在此窗口中，當在“通道名稱”中使用X通道時，只允許讀取數(shù)據，不能夠寫入，故無法完成控制要求，所以此處我采用輔助繼電器M20M23來分別代替X001、X005、X003以及X002，同時，PLC梯形圖程序中也需要更改，這樣才能實現(xiàn)控制要求，如果不進行修改，將會出現(xiàn)的情況是模擬監(jiān)控界面無法實現(xiàn)模擬控制，如果需要模擬運行，就必須得對輸入觸點進行更改。參數(shù)設置如圖5-3所示，更改后的部分梯形圖程序如圖5-4所示。圖5-3 MCGS設備窗口數(shù)據建立圖5-4 恒壓供水系統(tǒng)更改后的部分梯形圖程序5.4 恒壓供水系統(tǒng)的MCGS與PLC聯(lián)機調試在圖5-1所示的恒壓供水系統(tǒng)MCGS與PLC交互界面中，左半邊為運行監(jiān)控與運行控制的界面；右半邊為變頻速度與電機組運行狀況的監(jiān)控，此界面比較直觀的顯示出了電機的運行狀態(tài)和變頻器的頻率輸出情況，且能直觀的看出電機組運行的情況，并且水壓上下限的按鈕也集成在界面中，用于模擬水壓的情況，并且經過調試，此界面能夠較好的監(jiān)視運行狀況。下面簡要介紹一下聯(lián)機調試下的監(jiān)控運行情況：（1）按下啟動按鈕時，2#電機開始變頻運行，頻率為15Hz；（2）當水壓下限到來，變頻器輸出頻率增加，一直到45Hz時，如果水壓任不夠，這時候1#電機啟動，進行工頻運行，同時2#電機變?yōu)?5Hz變頻運行；（3）當電機的熱繼電器出現(xiàn)故障時，界面中的過載報警指示燈開始閃爍報警，這時候電機停止工作，需要進行檢修；（4）當按下停止與復位按鈕時，3臺電機停止工作，變頻器被關閉。前四個操作的監(jiān)控情況可在圖5-5所示的界面中實現(xiàn)控制與監(jiān)察。 圖5-5 狀況監(jiān)視與控制報警界面（5）此時，為第一個運行周期，故在交互界面中，右半邊的“1#電機工頻運行，2#電機變頻運行，運行時間10天”框圖進行閃爍，提示電機組的運行方式，若進入第2個周期時，第2個框圖閃爍，以此類推，循環(huán)往復。電機運行狀態(tài)監(jiān)視界面如圖5-6所示。 圖5-6 電機運行狀態(tài)監(jiān)視界面 第六章 控制系統(tǒng)程序的調試6.1 系統(tǒng)運行調試（1）PLC外部電氣線路的初始檢查PLC外圍電氣線路的接線，在接線中細心加耐心，特別要注意的是：電源端子不能接錯，直流輸入端不能與電源端子之間發(fā)生短路連接,輸出導線之間要有短路保護，否則會嚴重地損壞PLC。因此,在接通電源之前，我們必須仔細檢查電源、接地及輸入/輸出接線的情況；在斷開電源情況下，可用萬用表檢測PLC的絕緣電阻。例如，可斷開PLC的輸入/輸出接線端和電源端，并通過各接線端和接地端中的公共點進行測試等。（2）程序的校驗、讀/寫、執(zhí)行和修改PLC設備與上位計算機連接好后就能夠接通電源，在電腦上使用GX-Developer編程軟件編好的恒壓供水系統(tǒng)控制程序，可進行修改、檢驗，確定無語法等錯誤后，點擊編程軟件中“在線”，之后再點擊 “PLC寫入”，這一步是將上位機中的程序寫入到PLC中，讓PLC執(zhí)行我們想要的動作，所以這實際上是程序的模擬運行，若有控制錯誤，可點擊“監(jiān)視模式”，觀察程序的哪個過程不符合邏輯，或者運行出錯，然后再點擊“寫入模式”，重新對程序進行修改編譯，直至程序能夠完整的實現(xiàn)控制要求。 （3）系統(tǒng)運行及調試由于我在此課題中使用了MCGS組態(tài)軟件，能夠更加直觀的變現(xiàn)出運行的狀況，故此處我可以講系統(tǒng)的運行步驟總結為以下幾個步驟： PLC控制系統(tǒng)接通電源； 將計算機中調試正確的程序寫入到PLC中，并執(zhí)行； 將MCGS軟件打開，并下載，模擬運行； 通過點擊電腦屏幕中，MCGS的運行界面里對應開關發(fā)出輸入控制信號,按控制要求一步一步地觀察是否有相應動作的輸出信號，若對應的輸出信號有輸出，對應的指示燈亮，且在電腦屏幕中直觀的顯示出電機的運行狀態(tài)；若無信號指示，要檢查程序中對應的輸出線圈是否接通，或者MCGS的參數(shù)是否設定正確，若不通，繼續(xù)進行修改，若該線圈已接通，應檢查驅動的指示燈是否完好；若參數(shù)設定錯誤，必須立刻將參數(shù)重新設定，之后再將其重新下載并運行。6.2 程序調試中出現(xiàn)的故障與解決方案在編寫此課題的程序中與修改程序時，我也遇到了非常多的問題，經過我一段時間的思考和與他人的探討，最終解決了絕大部分的問題，但是仍有少量問題需要在以后的學習中繼續(xù)得到解決。在此，我先列出我覺得非常突出的問題與解決方法。故障1：水壓上下限觸點連續(xù)觸發(fā)答：在初次編寫程序的時候，我模擬了水在觸發(fā)水壓上下限開關的時候就會導通一次，并發(fā)送信號給PLC，以此來對變頻電機進行調速。但是后來我發(fā)現(xiàn)，如果水壓一直不足的時候，水壓上下限只能觸發(fā)一次，在實際情況中，這是不符合邏輯的，實際情況為：水壓持續(xù)不足時，水壓上下限會持續(xù)導通，直到水壓足夠時，才會停止水壓的變化。因為此問題，我考慮了幾種方法，最終，我使用了加入定時器的方法，在水壓連續(xù)觸發(fā)該觸點時，由每段持續(xù)中的定時器來定時斷開一次此程序，之后再閉合，能夠多次觸發(fā)導通，到此，我基本算是完美的解決了這一個問題。故障2：過載保護時，變頻器仍在運行中答：這是一個在導師查驗時，才發(fā)現(xiàn)的一個小毛病。當我將熱繼電器的模擬開關閉合時，這個時候應該出現(xiàn)的情況是電機停止運行，變頻器也停止運行，可是在當時的情況卻是電機停止了運行，變頻器仍然在運行中，當水壓變化時，變頻器一直在不斷的跳動，可以想象，如果這是在實際情況中發(fā)生的錯誤，那么變頻器的壽命肯定會大大的縮減。這個故障可以通過將熱繼電器的常閉觸點串在觸發(fā)變頻器的那些程序信號中，這樣熱繼電器閉合時，常閉觸點就會斷開，此時變頻器也就無法觸發(fā)了。小結為期幾個月的畢業(yè)設計終于接近了尾聲，這個過程想起來都讓我難以忘懷，期間各種探討、學習、自己制作，還有不斷的查閱資料，全部的一切，都是為了更好的完成這次的畢業(yè)設計。終于，檢驗的一天快要來臨了，我心懷忐忑，但是我非常的自信，我認為我做的非常的好，過程中我投入了非常多，花費了大量的精力來完成它，每天按時去實驗室編寫校驗程序，拍攝視頻，即使是在制作的末期，我們大家都還另外學習了MCGS組態(tài)軟件，并且大部分都成功的制作了MCGS模擬運行界面，更加直觀的表現(xiàn)出了這次設計想要表達的意思。恒壓供水系統(tǒng)，在日常生活生產中起著非常重要的作用，研究這個課題我覺得非常的有意義，作為一名工科生，所學所用就是得聯(lián)系實際、運用實際、付諸實際。無論是現(xiàn)在還是未來，我都必須始終貫徹這一理念，此前，我覺得PLC控制已經是非常了得的一門技術了，可是當我踏入工廠實踐過之后，我才發(fā)現(xiàn)，光有PLC是一點都不夠的，PLC脫離了電機，脫離了氣泵，都將只是一種毫無作用的機器，要想搭建出一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，必須面面俱到，就好比這個恒壓供水控制系統(tǒng)，我目前只設計了程序部分，最多還就是變頻器部分，至于更加具體的用戶的情況，水源的情況，這些我都沒有深入的去了解過，當然了，學校能給予的畢竟有限，我們必須以后在進入社會后，不斷的學習，不斷的提升自己。在這次設計中，我特別想提出這幾個值得我們學習的地方，各位同學都積極的去實驗室完成修改自己的課題，即使由于導師較忙，不能時時刻刻陪著我們，大家也都按時去實驗室完成，這點真的非常的棒！特別是在后期，大家在知道了有MCGS組態(tài)軟件這一個東西之后，大家都瘋狂的開始學習使用，真的非常努力。所以，這次的畢業(yè)設計，對我的人生影響都是非常大的，大家即將踏入社會，這次設計也許是最后一次在學校里完成的內容了，同時也是為踏入社會所建立的一個試金石，以后需要學習的地方還有很多很多，我們必須戒驕戒躁，不斷豐富自己的學識，這樣才能實現(xiàn)自己的價值。同時，我也已經被另外一所高校錄取，將繼續(xù)深造，進行研究生的學習，這次畢業(yè)設計也是為我以后的每一個設計，每一個課題做了一個鋪墊，讓我以后能更加有信心去做好未知的一切。致謝這次課題的系統(tǒng)設計及論文批閱是在我的導師史國生老師的一次次監(jiān)督和認真的審閱下完成的,他嚴于律己的科學態(tài)度，一絲不茍的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感化和激勵著我。從課題的選擇到最后的完成終稿，史老師和各位專業(yè)老師都積極地給予了我耐心的指導和幫助，故在此特地向史老師和其他各老師給予誠摯的謝意和崇高的敬意。同時，我還要感謝在一起愉快的度過四年大學生活的電氣1202 班許多同學，正是由于他們的幫助和陪伴，我才擁有了克服一個又一個困難的信心和決心，直至本文的順利完稿。在論文即將完稿之時，我非常的激動，一件耗時幾個月才完成的事情，在完成之前對誰都是一種鼓勵，我也是如此。從最初進入設計到論文的順利完稿，腦海中浮現(xiàn)出了值得尊敬的導師、同學和朋友，是他們給了我許許多多的鼓勵和支持，此刻我要向幫助我的各位表示出最誠摯的敬意！在最后我還一定得感謝我的父母，我他們含辛茹苦的養(yǎng)育了我，給了我在這里學習的機會，謝謝你們!參考文獻1 史國生.電氣控制與可編程控制器技術.北京：化學工業(yè)出版社，2010.5.2 史國生.電氣控制與可編程控制器技術實訓教程. 北京：化學工業(yè)出版社，2014.4.3 吳啟紅.變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用.北京：機械工業(yè)出版社，2010.4 張鳳珊.電氣控制及可編程序控制器.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.5 彭鴻才.電機原理及拖動.機械工業(yè)出版社，1985.6 周漠仁.流體力學水泵與風機.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.7 趙逸平.建筑給排水設計中水泵選用實例.北京，建筑給排水，2005.8 呂汀、石紅梅.變頻技術原理與應用.北京：機械工業(yè)出版社，2003.9 李良仁.變頻器調速技術與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2004.10李樹熊.可編程序控制器原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，2007.附錄附錄1 PLC源程序清單附錄2 元器件清單名稱型號數(shù)量可編程控制器三菱FX2N-48MR1電動機Y90L-23電泵IS50-32-160A3變頻器三菱FR-A7401壓力繼電器JCD-02S2