水泵,水箱联合给水系统设计

摘要介绍水泵水箱联合给水方式系统方案，详细地阐述了系统组成、系统硬件接线和系统软件设计，并详细介绍了系统工作原理。水泵水箱联合给水方式适用的条件是：当建筑外管网压力经常低于建筑内给水系统所需压力，而且建筑内用水量又很不均匀时，采用水泵加压给水，同时采用水箱贮存调节用水量。此方式，一是能使水泵在高效率条件下工作，同时水箱能够贮存调节生活和其他用水量，二是使水泵间断工作，可以利用变频器和PLC来实现对水泵的变频调速控制来达到水泵运行与停止自动化，能及时向管网和水箱充水，也可使水箱容积大大减小。这种给水方式技术上合理，供水可靠，节能，是我过和国外建筑采用的一种常见给水方式。关键词:给水方式 PLC 变频器 目录第一章 绪论1 第二章 水箱22.1水箱的选择2第三章 水泵43.1水泵装置43.2离心泵的选用5第四章 变频器84.1变频器的应用84.2变频器的分类84.3变频器的额定参数介绍84.4变频器的指标.94.5变频器的构成.104.6变频器的选择.12第五章 传感器135.1传感器的简介135.2传感器的组成13第六章 可编程序控制器156.1PLC的功能.156.2FX系列可编程控制器的基本构成.15第七章 水泵，水箱联合给水方式197.1功能介绍.197.2PLC程序设计.21 结论25致谢26参考文献27附录28第1章 绪论水泵水箱联合给水方式即建筑外给水管网水经引入管流进贮水池，再由水泵抽水加压至屋顶水箱和建筑内给水管网。水泵水箱联合给水方式适用的条件是：当建筑外管网压力经常低于建筑内给水系统所需压力，而且建筑内用水量又很不均匀时，采用水泵加压给水，同时采用水箱贮存调节用水量。此方式，一是能使水泵在高效率条件下工作，同时水箱能够贮存调节生活和其他用水量，二是使水泵间断工作，可以利用变频器和PLC来实现对水泵的变频调速控制来达到水泵运行与停止自动化，能及时向管网和水箱充水，也可使水箱容积大大减小。这种给水方式技术上合理，供水可靠，节能，是我过和国外建筑采用的一种常见给水方式。而如今，“节能”这个词已经充斥了各个领域，我国是仅次于美国的发电大国，而其中80%为火力发电。火力发电每天燃烧了大量的煤和石油，并且产生大量有害气体，污染环境。当前，能源形势严峻，尤其是世界能源危机。据目前的开采速度，煤炭可供应169年，天然气仅仅可以供应65年，石油只可用到2050年。而我国的能源形势更为严峻，据1997年世界能源统计评论估计，中国的煤炭在以后的88年内，石油和天然气资源分别在20.2年和49.3年内将面临枯竭。依赖于煤炭，石油等一次能源的电能，形势岌岌可危。2004年，全国24个省市拉闸限电，电力严重短缺。2005年，全国最大电力缺口达2500万千瓦。可见，节约电能以势在必行。而此次设计的系统中，耗电最大的用电器是水泵。据统计资料报道, 我国现有约5000万台水泵和风机在运行。总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。自从二十世纪八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内市场，我国也自行研制生产了若干品牌的国产变频器，变频器在我国以获得了广泛的应用。对于建筑给水来说，用得最多的就是变频调速恒压变量给水。第2章 水箱2.1 水箱的构成及选择 （1） 水箱的形状常用水箱形状有圆形，方形和矩形，在特殊情况下可根据具体条件设计成其它任意形状。在本设计中，采用圆形。 圆形水箱结构合理，节省材料，造价低廉。 方形和矩形水箱布置方便，占地较小，但对大型水箱结构较复杂，材料耗量较大造价较高。（2） 水箱的材料水箱的材料有多种，像金属材料：大小水箱均可使用，重量轻，施工安装方便，但易锈蚀，维护工作量较大，造价较高。一般采用碳素钢板焊接而成，碳钢水箱内表面必须进行防腐处理，对于生活用水箱，防腐材料不得有碍卫生要求。在有条件时采用不锈钢，铜，铝等材料或复合材料较为理想。钢筋混凝土材料：适用于大型水箱，经久耐用，维护简单，造价较低，但重量大，与管道连接处理不好易漏水.在贮存生活饮用水时,内表面应做防污染处理。木质材料：仅用于小型，临时性给水工程和盛产木材的地区。其它材料：如塑料，玻璃钢等，若用作水箱材料，也具有很多优点（如耐腐蚀，重量轻，安装维护简便等）。考虑到成本，卫生等综合因素，本设计采用薄壁不锈钢水箱，而且不锈钢水箱制作工厂化，自重轻，安装便捷。有效容积（3）设置高度水箱的设置高度,应使其最低水位的标高满足不利配水点或消火栓的流出水头要求：ZxZb+He+Hs （11）式中 Zx-高位水箱最低水位的标高(米)； Zb-最不利配水点或消火栓的标高(米)； He-最不利配水点或消火栓需要的流出水头(米水柱)；Hs-水箱出口至最不利配水点或消火栓的管道总水头损失(米水柱)。对于贮备消防用水的水箱，在满足消防流出水头确有困难时，应采取其它适当措施满足消防要求。（4）水箱的附件水箱附件：水箱一般应有进水管，出水管，溢流管，泄水管，通气管，水位计，入孔等件。进水管：水箱进水管一般从侧壁接入，也可从底部或顶部接入。出水管：水箱出水管可从侧壁或底部接出。出水管内底应高出水箱内不少于50毫米。出水管上一般应装设阀门。溢流管：水箱溢流管可从侧壁或底部接出。 溢流管直径宜比进水管大12号，但在水箱底1米一下可以改用等于进水管直径。溢水沿口应比最高水位高20毫米，溢水沿口最好做成朝上的喇叭口。溢水管上不得装设阀门。溢水管不得与排水系统直接连接，必须采用间接排水。溢水管上应有防止尘土，昆虫，蚊蝇等进入的措施，如设置水封，滤网等。通气管：供生活饮用水的水箱应设有密封箱盖，箱盖上应设有检修入孔和通气管。通气管可伸至室内或室外，但不得伸到有有害气体的地方，管口应有防止灰尘，昆虫和蚊蝇进入的滤网，一般应将管口朝下设置。通气管上不得装设阀门，水封等妨碍通气的装置。通气管不得与排水系统和通风道相连。泄水管：水箱泄水管应自底部最低处接出。泄水管上装有阀门。泄水管可与溢流管相接，但不得与排水系统直接连接。泄水管管径在无特殊要求时，一般采用4050毫米。液位计：一般应在水箱侧壁上安装玻璃液位计，用以就地指示水位。在一个液位计长度不够时，可上下安装两个或两个以上相邻两个液位计的重叠部分，不少于50毫米。液位计应装载观察方便光线充足的地方。第3章 水泵3.1 水泵装置水泵装置常指水泵电机的总称，是抽水加压的通用设备。正确选择水泵装置能降低设备投资，合理使用地面面积，降低能耗，提高供水的可靠性。一般给水系统中水泵选择清水离心泵，选择时主要考虑供水流量及所对应的扬程，并使其在高校区下工作。在给水加以系统中，水泵分直接抽水和间接抽水，直接抽水是指水泵直接从给水管道中抽水，能充分利用外管网水压，减少水泵扬程。水泵间接抽水是指建筑外管网水流进贮水池内抽水，水泵不能利用建筑外给水管网水压。水泵间接抽水按水泵的安装位置分自吸式和自灌式两种，自吸式是水泵位置高于水池水面，在吸水管进口安装底阀；自灌式是水泵位置低于水池水面，水池内水能自流入水泵内，无需在水泵吸水管进口安装底阀。自灌式抽水可靠，在有条件的地方应尽量把水泵安装成自灌式。泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。离心泵的主要性能参数（1）泵的流量流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，有体积流量和重量流量两种表示方法。常用的流量是体积流量，以表示，其单位是m/h。重量流量以G表示，其单位是kgf/h。与的关系是： = （1-2）式中 -液体重度（kgf/m） -泵的流量（m/h）（2）泵的扬程扬程是单位重量的液体通过泵后获得的能量，有的也称总扬程或全扬程，通常用所抽送液体的液柱高度表示，其单位是m。（3）泵的转速转速是指泵的转子每分钟旋转的圈数，以表示，其单位是r/min。（4）泵的功率叶片泵的功率是指泵的轴功率，也是原动机传给泵的功率，用表示，单位是kW。泵的输出功率，也称有效功率，用表示，它是单位时间内泵输送出去的液体从泵中获得的有效能量。的习惯计算式为： = (kW) （1-3）式中 -液体重度（kgf/m）-泵的流量（m/h）-泵的扬程（m） （5）泵的效率叶片泵的轴功率与有效功率的差值，是泵工作时损失的功率。其大小用效率来衡量。效率是与的比值，以表示，的计算式为=我们知道泵的有效功率（或流量、扬程）和效率后，就可以计算出泵的轴功率：（kW） （1-4）（6）泵的吸上真空高度泵的吸上真空高度是指为了保证泵运行时不发生汽蚀而具有的最大的吸上真空高度，以表示，其单位为m。在实际使用中规定留有0.3m的安全量，即将减去0.3m作为允许最大吸上真空高度，以表示， =-0.3（m） （1-5）泵吸入口处的吸上真空高度不仅与水泵几何安装高度有关，而且还与吸入口处的流速，吸入管路损失及液面压力有关，如果水泵在某一流量下运行，则项是定值，而管路水力损失也几乎是定值，则吸上真空高度随着几何安装高度的的增大而逐渐增大。当几何安装高度增大到某一数值后，泵就不能工作。对应于这一工况的吸上真空高度即为上面所述的最大吸上真空高度，目前只能靠试验得出。对于泵的样本上或泵的铭牌上都已明确规定的允许吸上真空高度，并不等于几何安装高度，其相互关系应为： （） （m） （1-6）3.2 离心泵的选用（1）选型的意义泵的选型是一项十分重要的工作。如果选用不当，泵在工作中流量偏大或偏小，扬程偏高或偏低，材料不耐腐蚀等，都会造成使用时满足不了生产要求，且效率低寿命短。（2）泵型号的确定按结构、口径、性能的不同，泵的种类繁多。所以在确定泵的型号前，首先要掌握整个装置所需要的流量和扬程，再选择泵型（系列）然后才能确定泵的型号。见附录“表1水泵型号的选择”。流量是选泵的重要性能数据之一。它关系到整个装置的生产能力。在对装置工艺流程设计时，泵所给出的设计流量不仅要与装置设备的生产能力相协调，而且还需了解在生产中流量的变化范围，即最小流量和最大流量，以适应工况变化要求。扬程是选泵的另一个重要的性能数据。它与管路系统的布置情况，容器间的压差，克服液体在系统内流动时的摩擦阻力（包括阀门、弯头、管径的大小、长短、材料）等一系列因素有关。同时还要注意，选泵用的扬程应考虑到最低吸入液面和最高输出高度，并取系统扬程的1.051.1倍作为选型依据。ISG型立式离心泵 (又称管道泵、离心泵、管道离心泵、单级离心泵、立式泵、增压泵、热水泵、循环泵等)，是我国联合国内水泵专家选用国内优秀水力模型，采用IS型离心泵和SG型管道泵之性能参数，在一般立式管道泵的基础上进行巧妙组合设计而成。该系列产品具有高效节能、噪音低、性能可靠等优点。符合最新国家机械部JB/T53058-93的标准要求，按国际ISO2858标准设计制造。外形如图2-1 ISG型系列单级单吸管道离心泵：ISG型系列单级单吸管道离心泵输送清水、适用于工业和城市给排水、与其它设备配套方便、使用温度最高可达240、高效节能、噪音低、有冷水型、热水型、高温型、化工型、输油型、性能可靠、国际标准。图3-1 ISG型系列单级单吸管道离心泵结构特点：1、管道泵为立式结构，电机盖与泵盖联体设计，外形紧凑美观，且占地面积小，建筑投入低，如采用户外型电机则可置于户外使用。2、泵进出口口径相同，且位于同一中心线，可象阀门一样直接安装在管道上，安装极为简便。3、巧妙的底脚设计，方便了泵的安装稳固。4、泵轴为电机的加长轴，解决了常规离心泵与电机轴采用联轴器传动而带来严重的振动问题。泵轴外加装了一个不锈钢套。5、叶轮直接安装在电机加长轴上，泵在运行时无噪音，电机轴承采用低噪音轴承，从而确保整机运行时噪音很低，大大改善了使用环境。6、该泵轴封采用机械密封，解决了常规离心泵填料密封带来的严重渗漏问题，密封静环和动环采用钛合金碳化硅、碳化钨制成，增强了密封的使用寿命，确保了工作场地的干燥整洁。7、泵盖上留有放气孔，泵体下侧和两侧法兰上均设有放水孔及压力表孔，能确保泵的正常使用和维护。 图3-2 ISG型水泵内部结构8、独特的结构以致勿需拆下管道系统，只要拆下泵盖螺母即可进行检修，检修极为方便。普通型结构：ISG型结构说明 1.水泵与电动机同端盖，轴向尺寸缩短，结构简单； 2.泵体上设有取压孔和放水孔； 3.泵体上设有排气阀，工作前能排放泵内空气； 4.泵体底部设有安装底板和螺栓孔，保证整体机壳安装稳固。内部结构如图2-2 ISG型水泵内部结构。（3） 水泵的安装安装应达到的要求： 1、各紧固连接部位不应松动； 2、基础的尺寸、位置、标高应符合设计要求；3、安全、保护装置应灵敏、可靠。4、卧式和立式泵的纵、横向水平度不应超过0.1/1000；测量时，应以加工而为准； 5、小型整体安装的泵，不应有明显的偏斜；6、设备不应有缺件、损坏和锈蚀等情况，管口保护物和堵盖应完好；7、水泵与管路连接后，应复校找正情况，如由于与管路连接而不正常时，应调整管路；8、水泵的进出水管安装如图3-3所示。图3-3 进出水管的安装方式1. 进口阀门2.直管3.弯管4.采用水泥浇注基础5.出口阀门第4章 变频器4.1 变频器的应用交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有重要意义。但是，过去由于各种原因，如变频器的价格、质量、容量等因素的约束，没有得到广泛应用。近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，可靠性增强，容量增大（已达到400KW），变频器的使用已成倍增长。 目前，国内外许多电力拖动场合已将矢量控制的变频器广泛应用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工等行业中交流电动机的无级调速，已明显取得节能效果并满足工艺和自动调速要求。但在风机、水泵应用领域仍没有得到充分应用。全国风机、水泵用电量占工业用电的60%以上，如果能在这个领域充分使用变频器进行变频无级调速，对我们发展加工制造业又严重缺电的国家，是兴国之策。4.2 变频器的分类变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电变换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机运转的电源装置。目前国内外变频器的分类很多，可按以下几种分类方式分类：（1）按变频环节分类可分为：交-直-交变频器、交-交变频器；（2）按电压的调制方式分类可分为：PAM（脉幅调制）、PWM（脉宽调制）；（3）按滤波方式分类可分为：电压型变频器、电流型变频器；（4）按输入电源的相数分类可分为：三进三出变频器、单进三出变频器；（5）按控制方式分类可分为：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制方式变频器。4.3 变频器的额定参数介绍输入侧的额定值输入侧的额定值主要是电压和相数。在我国的中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种情况（均为线电压）：（1）380V/50Hz，三相，用于绝大多数电器中。（2）200230V/50Hz或60Hz，三相，主要用于某些进口设备中。（3）200230V/50Hz，单相，主要用于精细加工和家用电器。输出侧的额定值（1）输出电压额定值 由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。（2）输出电流额定值 输出电流的额定值是指允许长时间输出的最大电流。（3）输出容量（kVA） 与和的关系为： （4-1）（4）配用电动机容量（kW） 变频器说明书中规定的配用电动机容量，是根据下式估算出来的。 （4-2）式中 -电动机的效率 -电动机的功率因数由于电动机容量的标称值是比较统一的，而和值却很不一致，所以容量相同的电动机配用的变频器容量往往是不相同的。变频器铭牌上的“适用电机容量”是针对四极的电动机而言的，若拖动的电动机是六极或其他，那么相应的变频器的容量加大。5）过载能力 变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150，60s或180，0.5s。4.4 变频器的频率指标频率的名词术语（1）基底频率 当变频器的输出电压等于额定电压时对应的最小输出频率，称为基底频率，用来作为调节频率的基准。在大多数情况下，基底频率等于额定频率，即。（2）最高频率 当变频器的频率给定信号为最大值时，变频器的给定频率。这是变频器的最高工作频率的设定值。（3）上限频率和下限频率 根据拖动系统的工作需要，变频器可设定上限频率和下限频率，如图3-4所示。与和对应的给定信号分别是和，则上限频率的定义是：当时，；下限频率的定义是：当时，。0X 图4-1 变频器的上下频率变频器的频率指标（1）频率范围 频率范围即变频器能够输出的最高频率和最低频率。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率为0.11 Hz，最高频率为120650 Hz。（2）频率精度 指变频器输出频率的准确程度。用变频器的实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数表示。例如，用户给定的最高工作频率为=120 Hz，频率精度为0.01，则最大误差为： =0.0001120=0.012 Hz （4-3）（3）频率分辨率 指输出频率的最小改变量，即每相邻两挡频率之间的最小差值。一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨率两种。例如，当工作频率为=25 Hz时，如变频器的频率分辨率为0.01 Hz,则上一挡的最小频率()和下一挡的最大频率()分别为： =250.01=25.01 Hz （1-4）=250.01=24.99 Hz （1-5）4.5 变频的构成（1）键盘与显示板键盘是向主控板发出各种信号或指令的，显示板是将主控板提供的各种数据进行显示，两者总是组合在一起。（2）电源板变频器的电源板主要提供以下电源：主控板电源、驱动电源、外控电源（3）外接控制电路1）外接给定电路2）外接输入控制电路3）外接输出电路变频器内设有多端速度功能，能进行7段速度特性运行，能连续、断续、保持最终值，对各种速度，能任意设置加速时间、旋转方向、运转时间等。本课题采用三速运转，高速、中速和低速指令由外部输入后，则选定频率给定信号给变频器输入指令，以所定的速度运转。三速运转外部接线如图4-2。变频器的功能预置高速：在用水很多的情况下高速进水。中速：在用水较多的情况下中速进水。低速：在用水少的情况下低速进水。加、减时间：水泵由于水管中有一定压力的缘故，因此在转速上升和下降的过程中，惯性的作用极微，但过快地升降或降速，会在管道中引起水锤效应。所以也应将加、减速时间适当预置的长一些。M2KM1STFRHRMRLSDUVWX1X2X13X14X15COMY14COMX16X20X21Y10Y13Y12Y11COMSB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7X22PLC 变频器380V图4-2 三速运转外部接线图4.6 变频器的选择变频器的最大输出功率按三相异步电动机的额定功率11kW也选用11kW。变频器的容量只需按照说明书上表明的“配用电动机容量”进行选择即可。变频器容量的计算连续恒载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式： （4-6） （4-7） （4-8）式中 -负载所要求的电动机的轴输出功率； -电动机的效率(通常约0.85)； -电动机的功率因素(通常约0.75)； -电动机的电压V； -电动机工频电源时的电流A； -电流波形的修正系数(PWM方式取1.051.10)； -变频器的额定容量kVA； -变频器的额定电流A。此类变频器容量的计算公式适用与单台变频器为单台电动机连续运行的情况，以上三个等式是统一的，选择变频器时应同时满足三个等式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。选用的是三菱系列的A540 。A540基本功能参数表见附录表2“ 应用的变频器基本功能参数表”。第5章 传感器5.1 传感器简介 传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信 号的装置。 电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器(话筒)就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。 传感器感受一种量并把它转换成另一种量，这种转换也可以看成是能量的转换，因此在某些领域如生物医学工程等中，也称为换能器。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在自动测量过程或控制系统中，首先由传感器感受被测量，而后把它转换成电信号，供显示仪表指示或用以控制执行机构。如果传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，其他仪表和装置的精确度再高也无意义。 电子计算机应用于测量系统和控制系统时，也必须由传感器提供准确可靠的信息，如果传感器的水平与电子计算机的水平不相适应，电子计算机便不能充分发挥应有的作用和效益。因此，传感器是测量、控制系统中的一种关键装置5.2 传感器的组成一般是由敏感元件、转换元件和转换电路组成。敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量构成有确定关系、更易于转换为某一物理量的元器件。转换元件是指将敏感元件的输出作为它的输入，它把输入转换成电路参数量。转换电路将转换元件转换成的电路参数量接入，转换成电量输出。因为课题用于水中因此选用液位传感器，利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮式力。我选用的液位传感器由一个可操作的磁性接近传感器组成，里面制作了一个常开触头，当有铁之类的物质靠近磁性探头时，内部的常开出头闭合，此时就产生了一个开关信号，在将这个信号通过传感器尾部的两个引出线送至PLC。此时，就完成了将位移量转换成了电信号。使用时只需拿一个圆柱形玻璃管竖立在水箱中，然后拿一块磁铁与一个可漂浮物绑在放置在玻璃管中。需注意的是，必须确保磁铁是浮在水面上的，否则将不能测量出正确的水位，传感器将失去其作用，所以这点非常重要。在按照设计，将七个传感器紧靠着玻璃管安装在所需的水位高度即可。本产品的特点是用户可自选灵敏度，可选的线长和接口；优点是快速、简易的安装，不需要外部动力驱动，操作通过非铁的材料例如木头、塑料或铝，产品完全密封，并且在污染物造成光学或技术失败后磁性的触点仍可工作很长时间；可应用于：位置和限位传感，安防产品，液位传感，线性驱动；而且成本低，适合大量使用。外表如图4-1示：图5-1 磁性接近开关第6章 可编程序控制器目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简单、运行可靠等优点，所以本课题选用可编程序控制器PLC的硬件的主机由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几大部分组成，此外配备的各种外部设备如计算机可通过通信接口与主机连接。可编程序控制器（简称PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，PLC是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。PLC作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解PLC的结构、工作原理等。 6.1 PLC的功能PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的操作系统，因而具有丰富的功能。信号采集功能：可采集开关信号、模拟信号及脉冲信号。输出控制功能：可控制输出开关信号、模拟信号及脉冲信号。逻辑处理功能：可进行各种位、字节、字、双字逻辑运算。数据运算功能：可进行各种字、双字整数运算，有的还可以进行浮点运算。定时功能：可进行延时或定时控制，时间可精确到毫秒。有的还有内置实时时钟。计数功能：可进行计数，高速计数频率可达几百kHz。中断处理功能：可实现种种内外中断，以提高对输入的响应速度。程序与数据存储功能：可存储系统设定、程序及数据，并可保证这些数据在掉电时不丢失。此外，还有联网通信、自检测、自诊断等功能。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能；同时也为工业系统的自动化、远程化、信息化及智能化创造了条件。6.2 FX系列可编程控制器的基本构成硬件构成（1）单片机PLC中的单片机包含了中央处理器、随机存储器、只读存储器、串行接口SIO、时钟CTC等，是PLC的指挥系统。FX2系列中大部分都采用表面封装技术的芯片，主板中只含两片超大规模集成电路：一片是通用16位CPU，用于处理一般逻辑指令；另一片是专用逻辑处理器，用于处理高速指令、中断等。（2）电源FX2系列PLC基本单元和扩展单元均采用开关电源。开关电源输出DC5V、DC12V、DC24V三种电压等级的直流电：5V的一路供内部IC用，12V的一路用以驱动输出继电器，24V的一路提供给用户以作传感器的电源。（3）通信接口FX2系列PLC的基本单元带有三个与外部装置相连的通信接口，一个是连接编程器的接口，一个是连接扩展单元或扩展模块的接口，还有一个是连接特殊功能适配器的接口。（4）编程器编程器的主要功能是编写用户程序，并将用户程序送入PLC基本单元的用户存储器中，有些编程器还兼有监控和向主机发出各种命令的功能。（5）输入、输出接口电路1）输入接口电路 FX2型PLC输入接口电路如图5-4，电路中光耦的输出端设有RC滤波器，这是为防止由于输入点的抖动及信号输入线中混入的噪声引起误动作而设计的，所以输入信号从ONOFF或从OFFON变化时，PLC输入接口电路内部约有10ms的响应滞后。输入端子传感器XCOMCOMDC电源可变程序控制器LED5V24V+24V图6-1 FX2型PLC输入接口电路输入接口电路中一个不容忽视的参数是输入灵敏度，也就是输入的动作电流。FX2型PLC的输入电流为7mA，能引起输入动作的最小电流为2.53mA，但为使动作可靠，输入电流必须大于4.5mA，为了保证可靠切断，输入电流必须小于1.5mA。因此，当输入回路中串有二极管或电阻，或者有并联电阻，或有漏电流时应特别注意，以免造成系统误动作。与PLC输入端X相连的信号输入元件可以是按钮、行程开关等无源触点或接近开关、光电开关等NPN型集电极开路输出方式的传感器。对无源触点，应直接接在X端与公共端COM之间；对NPN型集电极开路输出的传感器，应按照图5-4所示的方式连接。当X端与COM端接通时，输入指示灯亮表示有输入信号。2）输出接口电路 FX2型的PLC输出接口电路共有三种形式：一种是继电器输出型，一种是晶闸管输出型，一种是晶体管输出型。输出接口电路的隔离方式继电器输出型是利用继电器线圈与输出触点，将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶闸管输出型是采用光控晶闸管，将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶体管输出型是采用光电耦合器将PLC内部电路与输出晶体管进行隔离。无论哪种隔离方式都能有效地防止因外部电路故障而波及到内部电路，保证PLC的输出安全可靠。输出接口电路的主要技术参数响应时间 响应时间是表示PLC输出器件从ON状态转变为OFF状态，或从OFF状态转变为ON状态所需要的时间。继电器型响应时间最长，从输出继电器的线圈通电或断电到输出触点ON或OFF的响应时间均为10ms；晶闸管型从光控晶闸管获得驱动信号或失去驱动信号到晶闸管完全导通或完全截止的时间在1ms以下；晶体管型从光耦获得驱动信号或失去驱动信号到输出晶体管完全导通或完全截止的时间在0.2ms以下（24V、200mA时）。输出电流 继电器型具有较大的输出电流，一般对电压为AC 250V以下的电路驱动纯电阻负载的能力为2A/点，晶闸管型和晶体管型输出电流都较小。对于感性负载，由于在断开的瞬间会产生较高的自感电势，因此在考虑PLC的输出电流时应留有余地。此外对交流电路中的感性负载应在负载两端并接RC（一般R取120 ，C取0.1）浪涌吸收电路，对直流电路中的感性负载要在负载两端并接续流二极管。开路漏电流 开路漏电流指PLC输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。继电器型输出为OFF时没有漏电流。晶闸管输出型由于在PLC内部与输出晶闸管并联了RC吸收支路，故将引起开路漏电流，此开路漏电流可能使PLC外部所接的小型继电器保持吸合，应加以重视。晶体管输出型开路漏电流一般较小（100以下），一般不会造成输出误动作。3）输出公共端PLC的输出端子有两种接法：一种是输出端无公共端，每一路输出都是各自独立的；另一种是若干路输出构成一组，共用一个公共端，各组的公共端用编号区分如COM1、COM2，各组公共端间相互隔离。对共用一个公共端的同一组输出，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同的电压类型和电压等级。 除上述开关量输入输出接口电路外，FX2还可通过专用模块进行模拟量输入输出。FX 4AD为专用模拟量输入模块，FX2DA为专用模拟量输出模块。（6）输入输出继电器PLC的输入端是其内部的输入继电器（X）从外部接收开关信号的端口，输入端与输入继电器之间是经过光电隔离的。由于输入端与输入继电器是一一对应的，所以有多少个输入继电器就有多少个输入端。FX2系列PLC最多有128个输入继电器，故又称128点输入。所有输入继电器只能由输入端接收的外部信号驱动，而不能用程序驱动。输入继电器是一种电子继电器，其常开触点和常闭触点可重复使用无数次，这与普通的电磁继电器不一样。PLC的输出端是输出继电器（Y）向外部负载输出信号的端口。输出继电器的触点分外部输出触点和内部触点两种，外部输出触点（继电器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）接到PLC的输出端子上，且只有常开触点。内部触点如同输入继电器一样，其常开和常闭触点可重复使用无数次。输出继电器和输出端子是一一对应的，FX2的输出继电器最多有128个，故又称128点输出。输出继电器是PLC唯一能驱动外部负载的元件。FX2系列PLC的输入输出点数均可扩展至128点（即X0X177，Y0Y177），使用时总点数不可超过256点。软件构成（1）系统程序PLC的系统程序是由制造商编制的用于控制PLC本身运行的程序，它分为管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用三部分。（2）用户程序用户程序是由用户根据控制的需要而编制的程序，编程语言可以是梯形图、指令语句表及流程图等。用户程序依次存放在监控程序指定的存储空间内。 第7章 水箱,水泵联合给水方式7.1 功能介绍如楼顶水箱模拟图6-1所示，当水箱里的水不足40%时，1号液位传感器动作M1、M2同时高速进水；当水位达到总容量40%时1号液位传感器动作，M1停止运行，M2仍保持高速进水；水位到达A点时2号液位传感器动作，M2变为中速进水；水位到达B点时，3号液位传感器动作，M2变为低速进水；水位到达C点时，4号液位传感器动作，M2停止运行，停止进水。当水位下降到D点时，5号液位传感器动作，M2低速进水；当水位下降到E点时，6号液位传感器动作，M2中速进水；当水位下降到F点时，7号液位传感器动作，M2高速进水；当水位下降到40%以下时，1号液位传感器动作， M1、M2同时高速进水。 X13(1号液位传感器)X22(7号液位传感器)X14(2号液位传感器)X21(6号液位传感器)X15(3号液位传感器)X20(5号液位传感器)X16(4号液位传感器)40%ABCDEF生活进水管生活用水管M2M1总进水管消防进水管消防用水管 图7-1楼顶水箱模拟图7.2 PLC程序设计为了保证维修的方便，我在程序中加了启动、停止按钮。在理论基础上进行实际程序的设计和开发，首先为方便设计,先制定了输入输出地址表。（1）输入输出地址表：输入信号输出信号功能代号输入点编号输出点编号代号功能启动按钮SB1X1Y10HL启动指示灯停止按钮SB2X2Y11KM2接触器2（M2低速运行）1号水位传感器SQ1X13Y12KM2接触器2（M2中速运行）2号水位传感器SQ2X14Y13KM2接触器2（M2高速运行）3号水位传感器SQ3X15Y14KM1接触器1（M1高速运行）4号水位传感器SQ4X16Y15HL水满指示灯5号水位传感器SQ5X20Y20HLM2低速指示灯6号水位传感器SQ6X21Y21HLM2中速指示灯7号水位传感器SQ7X22Y22HLM2高速指示灯Y23HLM1高速指示灯（2）状态流程图M2中速运行S0S20S21S22S23S24M8002X1X22X13X21X14X20X15X16X2Y140Y13Y13Y12Y11M1M2高速运行M2低速运行初始状态Y10启动指示灯M2高速运行Y15M2停止运行： （3）梯形图在设计的过程中，需要设定变频器的功能参数，详情见附录“表5应用的变频器基本功能参数表”。结论在过去的三个月中，我在指导老师的帮助和指导下，设计并完成了此次毕业设计，在设计的过程中我将所涉及到且学过的理论知识重新梳理了一遍，未学过的理论知识则是到图书馆进行查阅，在做好理论知识的收集以后再进行实际设计，这样使理论知识能充分的融入到设计中去。并多次深入到现场，了解学校原有的供水系统，听取负责供水系统管理员对工作原理的讲解。所谓的实际设计就是编写程序，作为整个系统的控制核心PLC，它有着决策的作用，所以编写PLC程序尤为重要,在反复的推敲和斟酌中，我完成了初步的设计，但是程序只能实现进水部分的功能，而用水部分的功能有点混乱，随后我听从了老师的建议改用选择性分支及跳转来实现功能，采用了这种方式以后程序的条理清晰且明朗。设计已实现了预期的效果，经过了大量的模拟试验后，在确保设计的功能实用的情况下，根据计算出的数据运用到实践中去。目前我采用的是变频器分压供水（高、中、低速），用开关量控制供水。若要实现恒压供水，就需要采集管内压力和流量的数据，通过模数转换、PLC程序控制、数模转换，最后用模拟量控制变频器，实现电动机无级调速控制，保持管内的压力恒定。根据学校的实际情况，我对所用到的电气设备进行了实际选型，为了让设计更贴近与人们的生活，我加入变频器进行高、中、低速进水，以满足不同时段的不同需求。完成了准备工作以后，开始撰写论文，撰写论文时需要考虑到很多的细节问题，例如页眉页脚的设置、公式的编写、字体与段落的设置、章节的设置等。很好的培养了我的细心的习惯。在设计课程的过程中，让我对所涉及到的理论知识加深了理解，提高了我实际设计的水平，为以后进入社会奠定了良好的基础。现在自动水位控制系统越来越人性化，很多突发事件都提前做好了对策。世界在进步，科学也在飞速的发展，相信高科技会给我们以后的生活带来更多的便利。致谢在这次毕业设计的过程中，我需要感谢的人有很多，主要要感谢我的各位老师和同学们对我巨大的帮助。每当在毕业设计的过程中遇到疑难问题，不能继续工作时，指导老师、缪国平老师总会适时地给予我指导，当遇到的问题比较复杂，一时不能理解时，缪老师又会不厌其烦地教导我，直至我能够理解它们，并且顺利地解决它们；当我们由于知识体系的不完善而无法全面正确地考虑问题时，黄老师就会耐心地帮我们把这部分知识进行一番查漏补缺，使我们的知识体系在这次毕业设计中得到一次复习、完善。缪老师在这次毕业设计中给了我莫大的帮助，在这里表达我真诚的谢意。另外，还要感谢身边的同学们。在毕业设计中每次遇到困难向他们请教时，他们都会给于我热情地帮助，尽自己最大的力量帮助我解决问题。同时也使我能够较为顺利地完成本次毕业设计，在此也向他们表示真挚地感谢。最后，再次感谢缪老师和同学对我的指导和帮助。参考文献1上海市经委节能办公室，上海市机电工业管理局，中国电工技术学会，上海市机工程学会. 风机水泵调速节能手册. 北京：机械工业出版社，1987：10-15.2刘行川. 简明电工手册. 福建：福建科学技术出版社，2003：124-126. 3曾凡奎. 新简明电工手册. 北京：机械工业出版社，2005：36-42.4钱清泉. 新编实用电工手册. 北京：电子科技大学出版社，1996：24-25.5王桂琴. 电工学. 北京：机械工业出版社，2004：85-94.6中国电子学会敏感技术分会，北京电子学会，北京电子商会传感器分类.传感器与执行器大会. 北京：机械工业出版社，2006：54-59.7电气技师手册编委会.电气技师手册. 福建：福建科学技术出版社，2004：254-258. 8李方圆.变频器行业应用实践. 北京：中国电力出版社，2006：41-43.9吴忠智，吴加林. 变频器应用手册. 北京：机械工业出版社，2002：436-438.10劳动和社会保障部教材办公室组织编写.变频器技术.北京：中国劳动社会保障出版社，2004：1-10. 11 劳动和社会保障部教材办公室组织编写.可编程序控制器及其应用.北京：中国劳动社会保障出版社，2001：4-20.附录表1 水泵型号的选择型 号流 量Q扬程m效率%转速r/min电机功率KW允许汽蚀余量mm3/hl/s15-801.50.4283428000.182.320-1102.50.69153428000.372.320-1602.50.69322529000.752.325-11041.11154229000.552.325-12541.11203629000.752.325-125A3.61.0163529000.552.325-16041.11323229001.52.325-160A3.71.03283129001.12.332-1004.512.512.54429000.552.332-100(I)6.31.7512.55429000.752.332-12551.39204429000.752.332-125A4.51.25164329000.552.332-1606.55324429001.52.332-160A41.1253429001.12.032-160(I)6.31.75324029002.22.032-2004.512.55032290032.032-200(I)6.31.755033290042.032-200A41.11444029002.22.040-1006.31.7512.55429000.552.340100A5.61.56105229000.372.340-1256.31.75204629001.12.340-125A5.61.56164529000.752.340-1606.31.75324029002.22.340-160A5.91.64283929001.52.340-160B5.51.53243829001.12.340-2006.31.755033290042.340-200A5.91.644431290032.340-200B5.31.47362929002.22.340-2506.31.75802829007.52.340-250A5.91.64702829005.52.340-250B5.51.536027290042.340-100(I)12.53.4712.56229001.12.340-100(I)A113.05106029000.752.340-125(I)12.53.47205829