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PLC和变频器相结合的水塔水位控制方式毕设正文.doc
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PLC和变频器相结合的水塔水位控制方式毕设正文.doc
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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。
PLC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,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:可编程逻辑控制器,
简称 PLC (Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制
装置,一种数字运算操作的电子系统,专门为在工业环境应用而设计的。它采
用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定
时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各
种类型的机械或生产过程。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
世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的
元器件条件及计算机发展水平,早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成,
这一阶段 PLC 主要用于简单的逻辑运算及定时、计数运算,控制功能比较简单。该阶
段的产品称为可编程序逻辑控制器。
20 世纪 70 年代中期出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使 PLC
增加了运算、数据传送、比较以及模拟量运算等功能,完成了真正具有计算机特征的
工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制
器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言
,并将参加运算及处理的计
算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合
的产物。
20 世纪 70 年代末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引
入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的
工业抗干扰设计、模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地
位。
20 世纪 80 年代中期,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时
期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、功能不断完善,大中型 PLC
多配 CRT 屏幕显示功能,产品的扩展也因通信功能的改善而变的简单,此外还采用
了标准的软件系统,增加了高级编程语言等。这个阶段的另一个特点是世界上生产可
编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入开放阶段。
20 世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制
规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各
样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的
配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控
制设备的配套更加容易。
1.1.2 PLC 的发展方向
PLC未来的发展将向两个方向发展。
1、 大型化方向
PLC的CPU从早期的1位逐渐的发展到64位,晶振频率已达到几百兆赫兹,从单
向CPU到多向CPU的并行处理发展,提高了处理能力和响应速度及模块化程度,存储
器的容量也成倍增加。由于硬件性能的提高,使CPU向大型化方向发展提供了硬件保
障。
2、 小型化方向
为了满足不同工业环境下的控制要求,各PLC生产厂家研制出了小型化高性能的
整体式PLC。在提高系统可靠性的基础上,产品体积越来越小,功能越来越强。同时
PLC制造厂家也开发了多种类型的高性能模块,当输入输出点数增加时,可以根据控
制需要采用灵活的组合方式进行工作。
1.2 PLC 的特点与基本结构及类型
1.2.1 PLC 的特点
1、 应用简便
(1)应用灵活、安装简便
标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计,使 PLC 不仅适应大小不同、功能
复杂的控制要求,而且适应工艺流程变化较多的场合,安装和现场接线简单。从硬件
连接方面讲 PLC 对现场环境要求不高,在接线和配置方面都极其方便。
(2)编程简单
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。
(3)操作方面,维修容易
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。
2、 可靠性高
PLC 具有较高的可靠性,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。
3、 抗电磁干扰性能好,环境适应性强
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。
4、 功能完善
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。
5、 成熟的工控网络体系,通信便捷,易于远程实时监控
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
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。
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oligaga
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