1、基于PLC的景观建筑供水水泵控制系统设计摘要：随着生活条件的提高，环境也越来越美观，水景作为人们生活中必不可少的景观。在公共场所基本上都有建设，它们仅仅在规模上有所区别。本次设计就是一个对建筑瀑布供水水泵设计，在本次设计当中，使用了PLC、变频器，对水泵进行变频控制。本次设计的思路是依据音乐的音量控制瀑布大小。应用PLC将音频信号转换为脉冲信号，然后输入到变频器中，使变频器的输出频率随着音频信号的变化而变化，这样就对水泵进行了调速，改变了供水量，达到了瀑布大小随音乐变化的目的。这就用到了变频调速。变频调速有着良好的优点，大部分需要调速的场合都应用了它，是很先进的方式。所以利用PLC控制水泵供水
2、也变得方便，高效。关键词：变频器；变频调速；PLCDesign of water supply pump for landscape architecture based on PLCAbstract: With the continuous improvement of peoples living environment, the construction of the city is becoming more and more beautiful. Waters cape has become a beautiful landscape in peoples life. In larg
3、e parks, squares and scenic spots can be seen everywhere, but the size, control methods are different. This design is a construction waterfall water supply pump design, in this design, the use of PLC, frequency converter, the pump frequency conversion control.The annoying control of this design is t
4、o control the waterfall size by music. The application of PLC and the audio signal is converted into a pulse signal, then input to the inverter, the inverter output frequency varies with the audio signal, so that the pump speed, change the water supply reached the waterfall with the music to the cha
5、nge of size. This uses frequency conversion speed regulation.Frequency of its excellent performance and the speed of braking performance, high efficiency, high power factor and energy saving effect, wide application range and many other advantages of being recognized as the most promising way to spe
6、ed. Therefore, the use of PLC control pump water supply has become convenient and efficient.Key words: Motor;Variable frequency starting; PLCII基于PLC的景观建筑供水水泵控制系统设计目录摘要IAbstract: II第1章 绪论21.1 课题研究设计的目的和意义21.2 系统设计的来源21.3 系统设计的要求21.4 系统设计思想21.5 方案确定3第2章 硬件设备42.1 可编程控制器42.1.1 PLC的概述42.1.2 PLC的基本构成42.1.
7、3 PLC的编程与调试42.1.4 PLC的工作过程52.2 变频器52.2.1 变频器概述52.2.2 变频器的基本构造62.2.3 变频器的特点6第3章 设备选型73.1 系统的构成73.2 水泵的选择与参数73.3 PLC选型及参数83.4 变频器的选型及参数83.5 HMI选型93.6 其他元器件10第4章 系统方案设计114.1 PLC程序编写114.2 程序介绍114.3 控制系统I/O点与功能124.4 变频器设置124.5 控制系统接线图134.6 通讯设置134.7 HMI画面设置144.7.1 操作界面144.7.2 报警界面14附录16系统接线图16参考文献：17致谢18
8、1第1章 绪论1.1 课题研究设计的目的和意义景观建筑特殊的人造景色，它的景观效果是十分优美的。在高层建筑壁上制造一个瀑布，瀑布随着音乐的节奏变换流量，它的观赏效果是其它人造景色无法媲美的。首先，应用PLC控制技术，设计该课题的控制程序。然后，应用变频技术。把音乐播放器的音频信号输入到A/D转换模块中，PLC输出脉冲去控制水泵的转速，瀑布流速就会依照音乐高低变化。在设计中，需要重视的有：系统设备的性能及费用；控制系统的安全性及扩展性。应用本系统工程更加可靠。1.2 系统设计的来源某景区要建设了一个观赏性建筑，开放时，伴随着音乐的节奏，水从建筑顶端流下，形成一个个人造瀑布，配合灯光效果，美轮美奂
9、实现观赏目的。通往建筑顶端的水是由水泵加压供上去的，所以需要设计一个水泵的控制系统。在这个系统中，PLC集中控制，水泵应用变频器启动，变频器通过改变频率去改变出水量。1.3 系统设计的要求（1） 系统需要结构简洁，所采用的机械设备需要安全可靠，拥有数据通讯功能，能够转换其他信号，能够和其他设备进行数据传输。（2） 可编程控制器的编程软件非常完善，有丰富的指令。便于检查维修，系统的运行状态平稳。（3）整个系统有较高的安全性，便于操作，能够完成设计目的。1.4 系统设计思想本系统将可编程控制器、水泵、变频器依据其不同的功能组合在一起。PLC对整个系统的功能进行控制，A/D转换器将音频信号转换为数
10、字量信号，对变频器进行脉冲输入，变频器输出频率的改变了水泵供水量大小。在本次设计的水泵供水控制系统中，使用可编程控制器作为主要设备，变频器作为拖动设备，水泵在启动过程中没有波动，能够将消除冲击电流的形成，这样就不会对供电网络造成影响；水泵的工作频率减小，能够使其工作时间大大增加。系统的应用和调试也非常便利。把可编程控制器当成水泵供水系统的主要设备，可以实现设计的目的，而且它还有安全性高、操作简洁的优点。系统流程图如图1-1，结构图见附录。按钮HMIPLC及转换模块一号变频器一号变频器一号水泵二号水泵音频图 1-1 系统流程图1.5 方案确定水泵供水系统使可编程控制器、A/D转换模块、变频器、水
11、泵和一些其他元器件共同构成的。系统中，可编程控制器去控制变频器的输出频率，改变供水量的大小。“可编程控制器+A/D转换模块+变频器+水泵” 的系统功能强大。在可编程控制器和变频器上都设计有数据通讯串口，能够将信息集中处理，可编程控制器通常都是有固定的系列，并且可以加装各种模拟量模块，使用者能够依照不同设计的目的去选择。在对机械设备控制时，依照功能设计它的I/O接线和程序，况且可编程控制器不会被轻易干扰，具有很高的稳定性，所以使用可编程控制器的系统是非常安全可靠的。运用这个方案的好处是能够使水泵平稳运行，数据能够自由传送。因此本课题选择使用可编程控制器控制系统。第2章 硬件设备2.1 可编程控制
12、器2.1.1 PLC的概述PLC的本质是微处理器，它运用了微继电器控制，它主要是为了解决工业领域上的控制，可编程控制器的数据被存放在其内部存储器中，运用继电器控制各种生产。计算机技术和传统的继电器触点控制技术组合为一体后衍生了可编程控制器，拥有接线简单、可靠性高、功耗低的优点，微处理器得到了充分的利用，电气设备操作和维护人员得到了照顾，尤其是可编程控制器的程序编写，不用去学习计算机编程语言里的专业知识，将一套简单的梯形图作为程序图，使用十分便捷。2.1.2 PLC的基本构成通常在一个PLC中，CPU模块是它的“大脑”，电源模块是它的“血液”，I/O模块是它手臂，这样它就成为了一个系统的智能处理
13、中心。可编程控制器有着以下优点：便于人们安装，占有空间小，能耗低还能够诊断整个系统中的故障，能够在其他项目中多次使用。现如今，虽然PLC的各项功能，如运行速速度、数据通信、数据处理能力都被大幅度的优化，但是PLC还是坚持了容易操作的初衷。结构如图2-1所示：图 2-1 PLC结构图2.1.3 PLC的编程与调试可编程控制器的规格是多种多样的，各种可编程控制器都拥有各自的体系，它们分别有着各自专用的使用方法，但是它们的设计都是一个方式，程序的编写以及在线编译如下：（1） I / O接线图的设计，将程序和现场结合，设计接线图。（2） 书写PLC的程序梯形图以及指令表，按照现场生产工艺的要求,使用编
14、程软件，将生产过程书写为PLC梯形图，并将梯形图转换为指令语句表（3）程序编写和在线调试，将电脑和可编程控制器使用配套的数据下载线连接起来，然后下载程序到可编程控制器，并执行程序。PLC输入连接信号，输出连接组件，开始调试。2.1.4 PLC的工作过程给可编程控制器通电，系统以固定的方式对输入的程序进行查错，一遍又一遍的对任务扫描，从而将结果输出。这就是依次扫描的过程。（1）恢复初值。给可编程控制器通电，先将系统恢复出厂值，将内部的所有元件复位。（2）CPU检测。可编程控制器每次扫描钱都会对供电端、PLC电路系统、程序是否有错这些方面实行检测。保证系统能够完成任务。（3）通讯检测。对每个与可编
15、程控制器有通讯连接的设备进行模拟通讯，保证通讯正常。（4）接收外部设备信息。可编程控制器在每次扫描前接收其他设备的信息，人们从而对数据进行检测、更改。实现数据更新。（5）执行。可编程控制器在运行时，每次扫描完毕都会输出结果。（6）刷新。可编程控制器运行时，每次扫描都会解决输入和输出的问题。把输入信号和输出结果，通过扫描输入到映像区中，最后将命令发给机械设备。2.2 变频器2.2.1 变频器概述微电子技术和变频技术的研究，是制造变频器的核心，经过改变变频器输出端的频率，也就是改变电动机的输入频率，从而完成对电动机的启动和调速。变频器把工业用电的频率转换成了我们所需要频率，从而可以完成对电机速度控
16、制的目的，也就是对电动机进行调速。变频器是一种软启动，电压频率以特定的百分比的稳定上升的启动模式，转差功率的变化在整个过程中不会发生，对电机的平稳启动非常有利，从而实现了电动机的启动消除了电动机在启动时电流对电网影响，进而消除了启动时电源的损耗，并且电动机的启动速度也是可以被控制的。变频器是通过运用在直流电动机的上慢慢的开展、研发出来的；正反转等因素对直流电机的限制，从而高速旋转的功能不能实现，但对异步电动机的应用上，上述限制根本不存在，可以以非常高的速度运行。变频器在对于电动机的控制上，电动机正反转转换是非常容易实现的，变频器内部有变频逆变管，只需要改变将它闭合和断开顺序改变，转换可以实现，
17、因为错误的换向使电动机烧毁的问题并不会存在。这样，变频器可以更方便实现启动和停止。直流制动的功能使得变频器适用于各种环境。2.2.2 变频器的基本构造变频器的基本构造图如2-2所示。供电网电源交流电整流电路直流中间电路逆变电路交流电电压和频率可调控制电路图 2-2 变频器基本构造图2.2.3 变频器的特点（1）无极调速：可以使电机在整个速度调节范围稳定运行。使调速更加准确。（2）启动平稳，启动时的冲击电流被明显减小，电网中的波动被大大降低，电机启动更加的平稳。（3）拥有多个信号输入与输出的端口，可以接收和发送模拟信号、数字信号以及电流、电压信号，可以将其非常便捷的接入到通讯网络系统里，可以对生
18、产过程中的自动化完成控制时的命令输出。（4）电机正反转的转换不需要通过外部接触器来切换。（5）为了使工作效率显著提升，在机械设备允许频率改变的情况下，可以使变频器的输出频率改变。第3章 设备选型3.1 系统的构成本系统是由一台带有A/D转换模块的可编制控制器、两台变频器、两台水泵以及其他元器件共同组成的。供水系统由以下单位构成。一执行机构它由水泵和管道构成，用来为建筑顶端供水。二信号检测在系统运行时，音频输入信号和变频器会向可编程控制器传输信号，对其检测。可编程控制器内部指令将音频信号转换为数字量信号。变频器提供系统故障信号。三控制系统它是这次设计的控制系统的主要部分。控制系统接收外部的按钮信
19、号以及其他的设备传输的数据，分析后，依照程序对水泵进行控制。四通讯接口通讯接口在这次设计的控制系统里有着非常重要的作用，把各个数据接口连接到可编程控制器上，能够把系统里的可编程控制器和人机画面、变频器的数据互相传输。五报警装置报警装置是每个控制系统中必不可缺的。这个控制系统能够在各式各样的工业中使用，为了防止系统发生故障，造成更大损失，所以系统一定要对拥有报警装置，由变频器对水泵工作过程实时监控，并作出保护，将数据传输到人机画面，在人机画面上显示出来。便于维修。3.2 水泵的选择与参数选择水泵时需要能够保证平稳运行，在长时间运行中能够有非常明显的节能效果。本设计根据某个建筑的用水量数据去研究，
20、然后与本设计对比，确定本系统中的水泵需要满足：（1）每次使用一台水泵向建筑顶端供水，流量为45立方米左右，扬程30米左右，（2）为了不间断景观的观赏，在工作时能够对水泵进行维修，必须有一个备用水泵。（3）完善的过载保护和运行性能。为了满足以上要求，确定采用两台ISG80-160-7.5KW水泵机组。参数如表3-1所示：表 3-1 水泵参数表额定电压功率工作温度流量频率扬程380V7.5KW9050m/h50Hz32m3.3 PLC选型及参数可编辑控制器是这个系统的主要设备，它的作用是：（1）输入信号的采集（2）输出单元的控制（3）对外的数据交换。选择可编程控制器时，必须考虑可编程控制器的以下条
21、件：（1）指令执行速度和丰富程度；（2）内存空间大小；（3）具备通讯接口和标准的通讯协议；（4）能够安装扩展模块。在本系统当中，需要直接控制的设备只有变频器，所以选择的可编程控制器为永宏FBs-20MA，A/D转换模块选择永宏FBs-4A2D模块，它们通过拓展口组合到一起。永宏FBs-20MA型可编程控制器的占有空间小，结构简单，性价比非常高，被应用在非常多的控制系统当中。永宏公司的可编程控制器拥有非常高的安全性，扩展功能强大，通讯指令及通信协议使可编程控制器与几乎所有的设备进行通讯；可编程控制器即能够连接上位机，又能够对系统监测。可编辑控制器和人机画面使用485数据通讯线连接，拥有PPI协议
22、能够将可编程服务器和的人机画面的通信接口RS232数据通迅转换为RS485数据通讯，可以对程序设置密码，进行保护。本次设计需要用到6个输入点，其中，两个点连接水泵的启动按钮，两个点连接水泵的停止按钮，一个点连接浮漂，一个点连接急停按钮，一个点连接音频输入。3个输出点，其中两个点分别连接两个变频器的启动端子，一个点对变频器进行脉冲输入。而且具有一个I/O拓展插口，可连接A/D转换模块。以及通讯端，与变频器和HMI进行数据通讯。永宏FBs-20MA型参数如表3-2所示：表 3-2 PLC参数表工作电压输入点数输出点数220V128A/D转换模块在本次设计中将音频信号转换为数字信号，通过PLC指令
23、发出脉冲，对水泵进行调速，是必不可少的。永宏FBs-4A2D拓展模块拥有4个A/D转换输入，2个D/A转换输出。本设计只需要使用2个A/D转换输入。3.4 变频器的选型及参数变频器在本设计当中是对水泵进行调速的设备，脉冲的输入改变输出频率，进而根据音乐音量对水泵进行调速，改变瀑布的大小。水泵的功率和电流是系统选择变频器的重要依据。在本设计当中，需要对水泵进行故障检测，因此变频器必须能够和可编程控制器进行数据通讯。最终根据客户要求选择安弗森Z2400-7R5P型变频器，其规格如表3-3所示：表3-3 变频器参数表额定电压输出功率输入电流输出电流适用电机380V7.5KW20.0A17.0A7.
24、5KW以下详细介绍：选择安弗森Z2400-7R5P 变频器。安弗森Z2400-7R5P是一套用来对三相交流电动机启停和速度控制的变频器。在各种启停及变速传动中应用，不仅具有模块化的设计，而且是理想的成本优化的解决方案。它具有可靠的操作性和多样的功能性。当变频器在使用时。根据电机的参数、系统功能要求和操作特点，系统设置有关的变频器参数。接线图如图3-1所示：图3-1 变频器基本接线图3.5 HMI选型本设计需要接受变频器的故障报告，将其在显示出来。根据客户要求选择AFS 700L型HMI，其参数如表3-4所示：表 3-4 HMI参数表输入电压串口24VRS2323.6 其他元器件在本次设计中用到
25、的其他元器件如表3-5所示：表 3-5 元器件参数表器件名称型号规格参数数量空开DZ47-60 4P D25D25A 4PAC U380V1DZ47-60 3P D16D16A 3PAC U=380V2DZ47-60 1P C10C10A 1PAC U=220V2开关电源HS-100-24AC U=220V1按钮NP2-BS542急停 常闭DC U=24V1NP2-BA31绿色 常开DC U=24V4NP2-BA42红色 常闭DC U=24V2指示灯ND16-22DS/2红色DC U=24V1ND16-22DS/2绿色DC U=24V2浮漂开关DC U=24V1电压表42L6-450VAC=4
26、50V1第4章 系统方案设计4.1 PLC程序编写本次设计控制系统中PLC的程序如图5-1所示：图 4-1 PLC程序4.2 程序介绍（1）控制程序X0接一个浮漂开关，在水位降到设定位置时，断开内部继电器M0，从而使水泵停止运行。X1和X3分别接一个常开按钮，M1和M3通过串口连接HMI的启动键，可以实现1号水泵和2号水泵的启动，X2和X4分别接一个常闭按钮，M2和M4通过串口连接HMI的停止键，可以实现1号水泵和2号水泵的停止。X5接变频器的故障输出，当变频器检测到水泵和系统发生故障时，输出信号，使内部继电器断开，水泵停止运行,并将故障代码存放在寄存器R20中。M7通过串口连接HMI的报警复
27、位，在解除故障后，按下按键，恢复系统正常。Y1接一号变频器的正转，拖动一号水泵；Y2接二号变频器的启动端子，拖动二号水泵。音频信号从X6端子输入，经过模拟量转换，转变为脉冲从Y2端子输出到变频器，间接控制变频器的改变输出频率，对水泵进行控制。（2）转换程序音频信号输入到A/D转换模块中，先存放到寄存器R21中，然后将其搬移到寄存器D0中，然后经过模拟量转换指令将音频信号转换为数字信号，存放到D1寄存器中，最后使用脉冲输出指令将D1寄存器中的数字信号转换为脉冲信号并使其从Y2端子输出到变频器的脉冲输入端子。在脉冲输出阶段，脉冲根据音量大小分为六个区段，使得水泵有六个调速区，使效果更加明显。4.3
28、 控制系统I/O点与功能控制系统中的I/O点与功能如表4-1所示：表4-1 I/O点与功能输入端输出端地址元件功能地址功能X0浮漂开关无水停止Y01号变频器（水泵）启动X1SB11号水泵启动按钮Y12号变频器（水泵）启动X2SB21号水泵停止按钮Y2脉冲输出，对水泵调速X3SB32号水泵启动按钮RS+变频器通讯、音频信号X4SB42号水泵停止按钮RS-变频器通讯、音频信号X5变频器故障输出C0变频器GND端及0VX7SB0急停按钮4.4 变频器设置变频器参数如表4-2所示：表 4-2 变频器参数功能代号设置参数值功能P0.011无速度传感器矢量控制P0.021端子命令通道P6.022故障输出将
29、P0.01设置为1，可对水泵进行矢量控制启动；将P0.02设置为1，可以通过接线端子控制变频器启动，控制面板则不可以控制变频器的启动，只可以设置参数；将P6.02设置为2，可以将变频器检测到的故障输出到HMI中，使其显示出来。4.5 控制系统接线图如图4-3所示：图4-3 控制系统接线图接线图介绍：可编程控制器和A/D转换模块的电源输入端子接24V电源，变频器的电源输入端子R、S、T端子接380V电源，U、V、W端子接水泵；X0端子接一个浮漂开关，X1、X3端子接一个常开按钮，X2、X4接一个常闭按钮，X6接音频输入，X7接一个急停按钮，这些端子都要与开关电源的24V端子形成回路；FWD端子接
30、可编程控制器的Y0端子，GND端子接可编程控制器的C0端子，使其形成一个回路，控制水泵的启停；RB端子接可编程控制器的X5端子，RC端子接开关电源的24V输出，使其形成一个回路，在检测到故障时停止水泵的运行；变频器的RS+、RS-端子分别接可编程控制器的RS+、RS-端子，实现变频器和PLC的数据通讯，HMI再通过与可编程控制器的485通讯将故障显示出来。音频信号从A/D转换模块输入，由可编程控制器的接收并更改为脉冲输出，从而更改水泵的运行频率。4.6 通讯设置通讯设置如表4-3所示：表 4-3 通讯设置波特率数据位奇偶校验停止位96008无14.7 HMI画面设置4.7.1 操作界面图 4-
31、3 操作界面在这个操作界面中，可以对水泵进行控制，触摸启动与停止按键，实现水泵的启动，还有一个运行指示灯，对其运行状态进行显示。画面如图4-3所示.4.7.2 报警界面图 4-4 报警界面在这个界面中，对系统故障进行显示，使操作人员可以清楚的了解到系统发生了什么故障，从而可以快速清除故障。在发生故障后，系统使水泵停止运行，故障清除后，按下报警复位按钮，系统恢复正常。画面如图4-4所示。19附录系统接线图参考文献：1徐甫荣交流异步电动机软起动技术.J 西安：国家电力公司热工研究院2刘美俊. 异步电动机智能软起动技术及其应用.J 电工技术2001年第5期3王兆义. 变频器应用:专业技能入门与精通(
32、第二版）.M 机械工业出版社4许洪纲，徐方逸. 软起动器原理及应用.J 5李发海，朱东起. 电机学（第5版）.M 科学出版社6王桂英，贾兰英. 电机与拖动.M 东北大学出版社7龚仲华. 变频器原理及应用（第2版）.M 高等教育出版社8何超. 交流变频调速技术.M 北京航空航天大学出版社9何衍庆，黄海燕. 可编程控制器原理及应用.M 化学工业出版社10孙炳达. 自动控制原理（第3版）.M 机械工业出版社11张明达.电力拖动自动控制系统.M.冶金工业出版社,198312李发海，王岩.电机与拖动基础.M北京：清华大学出版社，2005.813李明河.可编程控制器原理与应用M合肥：合肥工业大学出版社，2
33、008.1214李鹤轩.异步电动机的控制.M 机械工业出版社，2003.1.115曹辉，霍罡.可编程控制器过程控制技术.M 机械工业出版社，2006.1.116李道霖，电气控制与PLC应用.M 电子工业出版社，2007致谢时光慢慢流逝，我即将大学毕业。在2013年9月3日，我刚刚步入河北农业大学现代科技学校的大门时，对于学校是那么的陌生。然而时至今日，对于校园、老师、同学我都已熟悉的不能再熟悉，现在却已经到了分别之际。在四年的学习生活当中，老师和同学们对我照顾照顾有加，在此，我对他们表示由衷的感谢。在这三个月的毕业设计当中，我要感谢我的指导老师，对于我的设计，老师以他的博学和经验为我提出了很多宝贵意见，给了我很大的帮助，让我对设计了解更深，有了更好的想法，让我受益匪浅。
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