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液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统,它在工业中的各个领域都有广泛的应用。
在工业生产过程中,有很多地方需要对控制对象的液位进行控制调节。
使液位高精度地保持在给定的范围。
如在建材行业中,玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。
在城市供水系统中,水塔的水位直接影响住户的用水问题。
在本文中,以液位控制系统的水箱为研究对象,水箱的液位为被控量,PLC和变频器起调节器的功能,通过由集成块CC4069B[2]构成的水箱水位测量系统,而得知水位的状态,并且反馈到PLC的数字输入模块,通过执行程序直接控制变频器[3],变频器控制电机转速,从而达到控制水位的目的。
1.2研究的意义和目的
在现代社会中,城市的供水系统、化工及工业锅炉自动控制系统中,有许多问题最终都可归结为“水箱系统”的液位控制问题。
对水箱系统的液位控制问题进行认真和透彻的研究,对从事自动控制系统的工程技术人员来说,具有很重要的意义。
本文采用由集成块CC4069B构成的水箱水位测量装置,不仅可以准确的反映水箱水位的情况,可见性强,而且还可以及时的反馈到PLC的输入,使PLC及时的做出相应的措施。
电路简单明了,费用低,可以大规模的推广。
本文采用的PLC[1]和变频器调速液位控制系统,与传统的恒速泵供水液位控制系统相比,具有供水质量高、灵活性强、耗电省、电机起动、制动平稳、占地面积少、原材料消耗省等优点,从而获得了广泛的应用。
1.3本文的主要研究内容
1.通过解决水箱水位的问题,进而可以解决人民生活及工业中液位不稳的问题;
2.突破现有的液位控制技术现状,开拓技术新思路;
3.合理运用所学的专业理论知识,锻炼解决实际问题的能力;
4.本课题的主要内容是基于PLC实现的一台变频器控制一台水泵的液位控制系统,并对其进行一定的研究设计,使其具有更高的可靠性。
5.本文以普通水箱液位系统为背景,介绍了该系统控制器的硬件设计和软件实现。
第2章水箱液位控制系统
2.1水箱液位控制系统简介
该液位控制系统系统以1台0.65KW的水泵变频运行为例。
以变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件,系统的主要目标是控制水箱的液位。
其主要的干扰源为随机流入水箱中的水使水位上涨,超过警戒水位;
同时出于某种考虑,不能使水位低于某个值。
以PLC和变频器为控制核心,组成闭环控制系统,如图2.1所示
图2-1液位控制系统结构图
水箱的液位变化范围为h=0-100mm,通过液位传感器(集成块CC4069B构成的水箱水位测量装置),准确的测量出水箱的液位,并且反馈给PLC的输入,PLC根据水箱的水位,自动调用相应的程序,控制变频器输出一定的频率控制电机,这样就能使被控对象的液位值稳、快、准地稳定在所给定的液位范围内,稳态液位误差不超过5mm。
2.2水箱液位控制系统的工作原理
系统主要由西门子S7-200系列PLC、MM440变频器、液位测量装置及水泵等组成,电机直接从变频器上引出,它的转速完全由变频器的输出决定。
液位测量装置用于检测水箱的水位,它有6个水位探头,分别用于检测水箱控制范围的1/6水位、2/6水位、3/6水位、4/6水位、5/6水位和6/6水位。
当某时刻用水量大(小)时,水箱水位下降(上升),当下降到某一水位时,该水位的探头就会将水箱水位的情况及时的反映给PLC,PLC会调用相应的程序控制变频器,将数据处理的结果以频率的形式输出(0—50HZ之间变化)。
从而控制水泵的进水量,达到控制水箱水位的目的。
系统控制流程图如图2.2所示。
图2-2系统控制流程图
2.3系统运行方式
该系统有手动和自动两种运行方式:
(1)手动运行:
下按钮启动或停止水泵,可控制水泵的启停。
但此种方式时水泵总是工作在工频状态,该方式主要供检修及变频器故障时用。
(2)自动运行:
合上自动开关后,水泵经变频器通电,变频器输出频率从0Hz上升,同时PLC接收到自传感器的标准的水位信号,经分析来控制变频器的输出频率。
若有电源瞬时停电的情况,则系统停机;
待电源恢复正常后,系统自动恢复运行,直至在水位稳定。
2.4故障处理
(1)故障报警:
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时,系统会自动停机,并发出声响报警信号,通知维修人员前来维修。
此外,变频器或PLC故障时,系统自动停机,此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。
(2)水泵检修:
为维护和检修水泵,要求在系统正常供水状态下,系统设有备用水泵,这样就不会影响系统正常运行。
第3章液位测量装置
本文应用的液位测量装置打破以往的压力传感器或声波传感器等装置,它是基于CMOS集成电路CC4069B构成的,该集成块有较强的通用性和稳定性,且原理简单易懂。
3.1CC4069B简介
CC4069B内部结够是六个反相器(如图3-1所示),用它可以设计成振荡器、线性放大器、单次脉冲发生器、防抖动电路、多位互锁开关及反复开关等许多有用的电路。
图3-1CC4069B内部电路
3.2测量水位电路的组成
本文基于CC4069B及其外围元器件构成水箱的测量和显示电路。
其中⑬、⑪、⑨、⑤、③、①引脚为反相器的输入,外接水位探头,分别用于检测水箱给定水位的1/6水位、2/6水位、3/6水位、4/6水位、5/6水位、6/6水位。
当水淹到某一水位深头时,该探头间的间隙被接通,进而使集成块的相应输入引脚为低电平,经反相器反相为高电平反输出,使反应水位高度的相应发光二极管导通发光,以示水位已达到某位置。
由文献[2,27~48]可知。
另外反相器的输出引脚⑫、⑩、⑧、⑥、④、②连接PLC的输入模块。
从而使变频系统驱动水泵以相应的转速控制进水量,最终达到保持水箱水位的目的。
其原理如下图3-2:
VDD为电源,12伏;
输入引脚电阻,100欧
输出引脚电阻,200欧
二极管为普通红色发光二极管
图3-2液位测量装置原理图
图3-2液位测量装置
第4章PLC控制原理
4.1PLC简介
4.1.1可编程控制器的产生与发展
可编程序控制器(Programmable
Controller)缩写为PC。
由于早期的可编程控制器主要用于计数、定时以及开关量的逻辑控制,且为了和个人计算机(PersonalComputer)相区别,把可编程控制器缩写为PLC(Programmable
Logic
Controlle)。
可编程控制器一直在发展,因此直到目前为止,还未能对其下最后的定义。
可编程控制器是生产力发展的必然产物。
可编程控制器诞生之前,工业电气控制主要使用低压电器构成的继电接触器电路,它是以接线逻辑实现控制功能的。
这样的控制设备一经生产出来,功能就固定了,若要改变控制器内部的硬件接线,使用起来不灵活,也很麻烦。
1968年,美国最大的汽车制造商——通用汽车公司(GM)为了适应生产工艺不断更新的需要,要寻找一种比继电器更可靠,功能更齐全,响应速度更快的新型工业控制器,并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,立即引起了开发热潮。
这十大条件中比较产要的是:
编程方便,可现场修改程序;
维修方便,采用插件式结构;
可靠性高于继电器控制装置;
体积小于继电器控制盘;
数据可直接送入管理计算机;
成本可与继电器控制盘竞争;
扩展时原系统改变最少。
条件中最根本的一条是采取缔程序修改方式改变控制功能,这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重标志。
早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成,它采用了一些计算机技术,但简化了计算机的内部电路,对工业现场环境适应性较好,指令系统简单,一般只具有逻辑运算的功能。
随着微电子技术和集成电路的发展,特别是微处理器和微计算机的迅速发展,在20世纪70年代中期,美、日、德等国的一些厂家在可编程控制器中开始更多地引、入微机技术,微处理器及其他大规模集成电路芯片成为其核心部件,使可编程控制器具有了自诊断功能,可靠性有了大幅提高,性能价格比产生了新的突破性。
到20世纪80年代,可编程控制器都采用了微处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或是单片机作为其核心,处理速度大大提高,不仅增加了多备战特殊功能,体积还进一步缩小。
20世纪90年代末,PLC几乎完全计算机化,其速度更快,功能更强,各种智能模块不断被开发出来,使其不断地扩展着它在各类工业控制过程中的作用。
现在PLC不仅能进行逻辑控制,在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。
如今,大、中、型。
甚至小型PLC都七有A/D、D/A转换及算术运算功能,有的还具有PID功能。
这些功能使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础;
许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能,配合相应的传感器及伺服设备,PLC可实现数字量的智能控制;
PLC配合扣编程终端设备,可实时显示采集到的现场数据及分析结果,为系统分析、研究工作提供依据,利用PLC的自检信号心理学可以实现系统监控;
PLC具有较强有力的通信功能,可以与计算机或其他智能装置进行通讯及联网,从而能方便地实现集散控制。
功能完备的PLC不仅能满足控制要求,还能满足现代化大生产管理的需要。
近年来,可编程控制器的发展更为迅速,更新换代周期减短了许多。
展望未来,可编程控制器在规模和功能上将向各个方向发展:
一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展,;
二是发展简易经济的超小型可编程控制器,以适应单机控制及小型设备自动化的需要。
另外,不断增强PLC工业过程控制的功能(模拟量控制能力)。
研制采用工业标准总路线,使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备,增强可编程控制器的联网通信功能,便于分散控制与集中控制的实现,大力开发智能I/O模块、增强可编程控制器的功能也具有重要的意义。
4.1.2PLC的用途
顺序控制,运动控制,闭环过程控制,数据处理,通信和联网等用途。
4.1.3PLC的特点
可靠性高,抗干扰能力强;
适应性强,应用于灵活;
编程方便,易于使用;
功能强,扩展能力强;
PLC控制系统设计、安装、调试方便;
维修方便,维修工作量少;
PLC体积小,重量轻,易于实现机电一体化。
4.1.4PLC的硬件组成
中央处理器(CPU);
存储器;
输入、输出接口;
电源;
扩展接口;
通信接口;
智能I/O接口;
编程工具;
智能单元9部分组成。
4.2PLC的选型
本系统选用西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控制器S7-200系列,该产品出现于20世纪90年代,到目前已经历过两代,S7-21*系列是第一代产品,S722*系列是第二代产品。
S7系列PLC凭借其强大的组网能力、功能完善的编程软件、种类齐全的功能模块和良好的人机界面,成为众多用户首选的PLC产品。
S7-200系列PLC广泛用于集散自动化系统,使用范围覆盖机床、机械、电力设备、民用设备环境保护等自动化控制领域。
4.2.1西门子S7-200PLC的系统配置
西门子S7-200PLC的系统配置由PC机、S7-200系列的CPU224、SM321、SM322、PC/PPI电缆、STEP7-Micro/WIN32软件
图3-1PLC系统配置
1.个人计算机(PC)
个人计算机(PC)或编程器需装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后,才可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。
要求个人计算机CPU为80586或更高的处理器,16M内存(最低要求:
CPU80486,8M内存)
2..S7-200PLC(CPU224)
3-2CPU224
(1)CPU模块的顶部端子盖内:
电源及输出端子
(2)底部端子盖内:
输入端子及传感器电源
(3)中部右侧前盖内:
CPU工作方式开关(RUN/STOP)、模拟调节电位器和扩展I/O接口
(4)左侧:
状态指示灯LED、存储卡、及通讯口
(5)状态指示灯----显示CPU的工作方式、本机I/O的状态、系统错误状态。
存储卡(EEPOM卡)可以存储CPU程序。
(6)RS-485的串行通讯端口——PLC主机实现人---机对话、机---机对话的通道。
实现PLC与上位计算机的连接,实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。
(7)扩展接口——PLC主机与输入、输出扩展模块的接口,作扩展系统之用。
主机与扩展模块之间由导轨固定,并用扩展电缆连接。
3.数字量输入模块SM321和输出模块SM322
数字量输入模块SM321用于连接外部的机械触点和电子数字式传感器。
例如二线式光电开关和接近开关等。
娄字量输入模块将从现场传来的外部数字信号的电平转换为PLC内部的信号电平。
数字量输出模块SM322用于驱动电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机起动器等负载。
本系统将它用于驱动变频器。
数字输出模块将S7-200的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。
4.STEP7-Micro/WIN32编程软件
STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。
编程软件的使用环境:
支持Windows的应用软件。
5.通讯电缆
通讯电缆是PLC用来与个人计算机(PC)实现通讯的。
本课题用是PPI协议,PPI协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议。
内至于CPU中。
PPI协议物理上基于RS-485口,通过屏蔽双胶线就可以实现PPI通讯。
第5章变频器控制原理
5.1变频器简介
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。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
5.2变频器的一般分类、额定数据及特点
5.2.1按变换的环节分类
(1)交—交变频器
交—交变频器是将工频交流直接变换成频北电压可调的交流电(转换前后的相数相同),又称直接式变频器。
(2)交—直—交变频器
交—直—交变频器是先把工频交流通过整流器变换成直流电,然后再把直流变换成频率电压可调的交流电,又称间接式变频器。
交—直—交变频器是目前广泛应用的通用型变频器。
5.2.2按直流电源的性质分类
(1)电流型变频器
电流型变频器的特点是中间进流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电压波型接近正弦波。
由于该直流环节内阻较大,故将其称为电流源型变频器。
电流型变频器的特点是能扼制负载电流频繁且急剧地变化,常应用于负载电流变化较大的场合。
(2)电压型变频器
电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率,直流环节电压比较平稳,内阻较小,相当于电压源,故称其为电压型变频器,常应用于负载电压变化较大的场合。
5.2.3根据电压的调制方式分类
(1)脉宽调制变频器
脉宽调制变频器电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的,中、小容量的通用变频器几乎全都采用此类调制方式。
(2)脉幅调制变频器
脉宽调制变频器电压的大小是通过调节直流电压的幅值来实现的。
5.2.4根据输入电源的相数分类
(1)三进三出变频器
三进三出变频器的输入侧和输出侧都是三丰交流电。
绝大多煤田数变频器都属于此类。
(2)单进三出变频器
单进三出变频器的输入侧为单相交流电,输出侧是三相交流电。
家用电器里的变频器均属此类,通常容量较小说。
5.2.5变频器的额定数据
(1)输入侧的额定数据
①输入电压
IN即电源侧的电压。
在我国,低压变频器的输入电压通常为380V(三相)和220V(单相)。
中、高压变频器的输入电压通常为0.66KV、3KV、6KV(三相)。
此外,变频器还对输入电压的允许波动范围做出规定,如
%、-15%~+10%等。
②相数有单相、三相。
③频率fIN即电源频率(常称工频),我国为50HZ。
频率的允许波动范围通常规定为
。
(2)输出侧的额定数据
①额定电压UN。
因为变频器的输出电压要随频率的变化而变化,所以UN定义为输出的最大电压。
通常,它总是与输入电压UIN相等。
②额定电流IN。
变频器允许长时间输出的最大电流。
③额定容量SN。
由额定线电压UN和额定线电流IN和乘积决定,即
SN=UN
IN
变频器额定容量为在连续不变的负载中,允许配用的最大负载容量。
必须注意,在生产机械中,负载的容量主要是根据发热状况来定的。
在变动的负载、断续的负载及短时负载中,其温升不超过允许值,在由变频器构成的控制系统中,因电动机是允许短时间(几分钟或几十分钟)过载的。
所以在选用变频器时,应充分考虑负载的工况。
④过载能力指变频器的输出电流允许超过额定值的倍数和时间。
大多数变频器的过载能力规定为150%/1min。
可见,变频器的允许过载时间与电动机的允许过载时间相比,变频器的过载能力是很低的
5.3变频器的选型
本文要给大家介绍的是由西门子公司生产的MM440(MICROMASTET440)[3]变频器,是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列,本系列有多种型号供用户选用。
恒定转矩(GT)控制方式额定功率范围从120W~200KW,可变转矩(VT)控制方式可达到250KW。
MM440变频器系列如图:
图5-1MM440变频器系列
MM440变频器由微处理器控制,采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率输出器件。
因此,它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的,因而降低了电动机运行的噪声,具有全面而完善的保护功能,为变频器和电动机提供了良好的保护。
MM440变频器具有默认的工厂设置参数,它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。
由于MM440变频器具有全面而完善的控制功能,在设置相关参数以后,它也可用于更高级的电动机控制系统。
MM440变频器既可用于单机驱动系统,也可集成到自动系统中。
5.3.1MM440通用型变频器的特点
1.MM440变频器的主要特性
(1)易于安装,易于参数设置和调试;
(2)具有牢固的EMC设计;
(3)可由IT(中性点不接地)电源供电;
(4)对控制信号的响应是快速和可重复的;
(5)参数设置的范围很广,确保变频器可对广泛的应用对象进行配置;
(6)电缆连接方便;
(7)具有多个继电器输出;
(8)具有多个模拟量输出(0~20mA);
(9)有六个带隔离的数字输入,并可切换为NPN/PNP接线;
(10)有两个模拟量输入:
AIN1--0~10V,0~20mA和-10~+10V,
AIN2---0~10V,0~20mA。
(11)两个模拟输入可作为第7和第8个数字输入;
(12)BiCo(二进制互连接)技术;
(13)采用模块化设计,配置非常灵活;
(14)脉宽调制的频率高,因而电动机运行噪音低;
(15)具有详细的变频器状态信息和全面的信息功能;
(16)有多种可选件供用户选用,有用于PC通信的通信模块,基本操作面板(BOP),高级操作面板(AOP),用于进行现场总线通信的ProfiBUS通信模块。
2.MM440变频器的保护特性
(1)具有过电压、欠电压保护;
(2)具有变频器过热保护;
(3)具有接地故障保护;
(4)具有短路保护;
(5)具有I2t电动机过热保护;
(6)具有PTC/KTY电动机保护。
3.MM440变频器的调试方法
变频器参数不仅能用基本操作板(BOP)、高级操作板(AOP)修改,还能通过串行通信接口进行修改。
用BOP可以修改和设定系统参数,使变频器具有期望的功能,例如斜坡时间、最小和最大频率等。
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