基于PLC恒压供水系统的设计.doc

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50 黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水而设计的。由变频器、PLC、PID调节器和组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。关键词：变频调速；恒压供水；PID调节；PLC 目录摘要 1 1 绪论 1 1.1变频恒压供水产生的背景和意义 1 1.2变频恒压供水系统的国内研究现状 3 1.3课题来源及本文的主要研究内容 5 1.4本论文中所做的工作 5 2 恒压供水系统的基本构成 6 3 变频器和压力传感器 8 3.1 变频器的基本结构 8 3.2 变频器的分类及工作原理 11 3.3 变频器的操作方式及使用 12 3.4 变频器硬件选择 13 3.5 压力传感器 14 4 PLC选择及应用 16 4.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务 16 4.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 16 4.2.1 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接………………………….17 4.2.2 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配 18 4.2.3 模拟量输出模块的功能及PLC系统连接 20 4.2.4 模拟量输出模块的偏置、增益及分配 21 5 PID控制器的设计 22 5.1 PID控制算法及特点 23 5.2 PID参数整定的相关原则 25 5.3 PID指令的使用注意事项 26 5.4 PID回路类型的选择 26 5.5 正作用或反作用回路 27 6 系统的设计 28 6.1 系统要求 28 6.2控制系统的I/O及地址分配 28 6.3 PLC系统选型 30 6.4 电气控制系统原理图 30 6.4.1主电路图 30 6.4.2 控制电路图 32 6.5 系统程序设计 33 6.5.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 34 6.5.2 多泵组泵站泵组管理规范 34 6.5.3系统流程图设计 34 6.5.4程序的结构及程序功能的实现 36 6.5.5系统的运行分析 38 致谢 39 50 1 绪论随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.1变频恒压供水产生的背景和意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。 1、一台恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。 2、恒速泵加水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 3、恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。 4、恒速泵加气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。频繁启动会造成系统的不稳定性。 5、变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 1.2变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samc。公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5。5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 1.3课题来源及本文的主要研究内容 1、课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。 2、研究的主要内容本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。 1.4本论文中所做的工作跟据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对PLC、变频器、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。 2 恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机，这比没单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的．电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泉是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。 2.1系统各部分的功能图2-1为恒压供水系统构成示意图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低：传感器的信号强度减弱。用水量小P L C 送水消防生活变频器工频/变频切换电路 1号泵 2号泵 3号泵压力罐压力传感器调节器调节器时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2-1 恒压供水系统示意图调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能： (1) 设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。 (2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速．如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。调节器的输出信号一船是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。 2.2本章小结本章主要介绍了恒压供水系统的的基本组成，以及各部分在系统中的作用。调节器接收来自压力传感器的电信号与给定值比较，根据比较的结果控制执行设备变频器增加活降低电动机的转速。达到恒压供水的目的。 3 变频器和压力传感器交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速。式中---同步转速，r/min； ---定子频率，Hz； ---电机的磁极对数。而异步电动机转速式中---异步电机转差率，，一般小于3%。均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。 3.1 变频器的基本结构从频率变换的形式来说．变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图3-1所示，控制指令中间直流环节 AC 控制指令控制指令网侧变流器整流器逆变器 AC M 运行指令图3-1 交-直-交变频器基本结构变频器由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下： (1)整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。 (2)直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。 (3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。 (4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的核心部分．性能的优劣决定了变频搏的性能。电源 M~ 电动机平滑电容 + - M~ 电动机平滑电感电源（a）（b）一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成．直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。图3-2为电流型变频器主电路基本结构示意图。图3-2 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构 (a) 电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路 3.2 变频器的分类及工作原理变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下：（1）控制。控制即电压与频率成比例变化控制。由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。因而实际变频器中采用控制。采用控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。（2）转差频率控制。转差频率控制是在控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在=常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。 3.3 变频器选择的方法在变频器的选择过程中首先要考虑工作环境，从而选择合适的箱体结构。要考虑到温度、湿度、粉尘、酸碱度、腐蚀性气体等因素。其次要使变频器的功率适用于电机，可通过计算集电极的效率与变频效率的乘积来确定应选择的变频器额定功率。但是大多数的变频器的厂商会将变频器的适用功率可以直接选择。 3.4 变频器硬件选择根据设计要求，变频器选用三菱FR740变频器FR-A740-15K-CH产品。该产品可以和三菱PLC工作协调。适配电机15 kW，该变频器基本配置中带有PID功能。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号(0～10 V)接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端，该信号进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率通过面板可以设定。MA、MC为变频器发生故障的输出信号，该两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。S1和S2短接，并与S3连接到PLC的输出点上，由PLC控制变频器的运行与关断；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值(14端)，压力传感器反馈来的压力信号(0～10V)接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。变频控制系统主回路如图6-2所示。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。下图3-3为变频器在电路中的接线图。 R S T S1 U S2 V S3 W VVVF FI FC M1 M2 M3 M4 接PLC 接PLC 接指示灯接电机 ~380V 7 8 图3-3 三菱FR740变频器FR-A740-15K-CH在电路中的接线图 3.5 压力传感器在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9.8，一般情况下，h<60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，系统选用YTZ-150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为0～1MPa，检测精度为土0.01MPa，该传感器将0～1MPa范围的压力对应转换成0～10V的电信号。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。 3.6本章小结本章主要介绍了变频器的基本组成以及工作原理。通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。所以在恒牙供水系统的变频器选用中使用普通功能型变频器采用控制方式。另外压力传感器的选择要相对容易只需满足水压检测范围即可。 4 PLC选择及应用 4.1 PLC在恒压供水泵站中的作用 (1)代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置在多功能供水泵站的各类情况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。 (2)控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时。增加一台工频泵投入运行PLC则是泵组管理的执行设备。 (3)变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号。输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。 (4)泵站的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。 4.2 PLC选型方法在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 4.2.1输入输出（I/O）点数的估算 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 4.2.2存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 4.2.3控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 1.运算功能简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 2.控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 3.通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 4.编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 5.诊断功能 PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 6.处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。四、机型的选择 (1)PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。 (2)输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。 (3)电源的选择 PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。 (4)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 4.2.6经济性的考虑选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。 4.3 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。以下介绍三菱FX系列PLC的模拟量模块以及，它们分别具有FX-4AD及FX-2DA，它们分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。 4.3.1 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接 FX-4AD 4模拟量输入模块具有4个通道，可同时接受并处理4路模拟量输入信号，最大分辨率为12位。输入信号可以是-10～+10V的电压信号（分辨率为5Mv），也可以4～20mV（分辨率为16μA）或-20～+20mA（分辨20μA）的电流信号。模拟量信号可通过双绞屏蔽电缆接入，连接及方法如图3-1所示，当使用电流输入时，需将V+及I+端短接。 24+ 地 24- FG VI- I+ V+ FG VI- I+ V+ 24VDC 电流输入4～20mA 电压输入-10～+10V 图4-1 FX-4AD模块的连接方法 FX-4AD的宽及高与FX相同，在安装时装在FX基本单元的右边，将总线连接器接入左侧单元的总线插孔中。FX系列可编程控制器中，与PLC连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号（扩展单元不所示。占编号），如图4-2所示FX-4AD将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源（内部电源）30mA电流，+24VDC电源（外部电源）55mA电流。其通常转换速度为15ms/ 通道，高速转换速度为6/ms通道。 4.3.2 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设成可编程的。FX-4AD模块利用缓冲存储器(简称模BFM)的设置完成编辑工作。FX-4AD拟量量输入模块共有32个缓冲存储器，但目前只使用了以下21个BFM： L1 FX-32MR A/D FX-8EX A/D D/A FX-8EYR FU2 SA 1 0 2 KM1 KM3 KM6 KM5 KM5 FR3 HL5 KM3 FR2 HL3 KM4 HL4 14 KM5 KM6 HL6 YV2 HL10 KA HA HL9 HL8 HL7 26 Y

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