自动水位控制系统设计

摘 要自动水位控制系统是以PLC、变频器作为控制核心，液位传感器作为数据采集，三相异步电动机、离心泵作为被控制的对象。其中三相异步电动机与离心泵相配用，变频器控制着三相异步电动机高、中、低速运转，PLC程序控制变频器，液位传感器将接收到的水位信号反馈给PLC这个控制核心。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术，开发的新一代工业控制器。由于PLC具有性能稳定、抗干扰能力强、设计配置灵活等特点，因此在工业控制方面得到了广泛应用。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。用户程序是PLC的核心，程序的内容决定着控制功能。在设计程序的过程中，采用顺序控制的方法，在程序设计中巧妙地使用选择性分支及跳转等实现控制功能，不相互干扰。在程序的开始加入了总的启动和停止控制，方便进行机械维修。变频器是对三相异步电动机进行转速调节的驱动装置，具有卓越的调速性能、显著的节能作用和优秀的工艺控制方式，是目前公认的三相异步电动机最理想最有前途的调速装置。 关键字： PLC、程序、变频器、液位传感器、控制目 录绪论1 第1章 水泵21.1 水泵的分类及泵的性能参数21.2 离心泵的选用5第2章 三相异步电动机72.1 三相异步电动机的基本结构72.2 三相异步电动机的变频调速的控制72.3 三相异步电动机的选用7第3章 变频器93.1 变频器应用概述93.2 变频器的额定值93.3 变频器的频率指标103.4 变频器的构成113.5 变频器的选择15第4章 传感器174.1 传感器的概念及组成17第5章 可编程序控制器185.1 可编程序控制系统的组成及作用185.2 PLC的工作原理195.3 PLC的功能215.4 FX系列可编程控制器的基本构成21第6章 程序设计256.1程序设计及相关图表25附录表30结论31致谢32参考文献33绪 论 随着时代的发展，人民生活水平的提高。人们对物质文化的要求越来越精细化，合理并充分的利用自然资源是时下人们考虑最多的问题，水作为人们每日生活的必需品，为避免水资源的浪费，我们需要将水源逐渐实现智能化控制，让水资源更好的为人类造福。本文介绍了学院教学大楼全自动水位控制系统的开发，利用PLC系统对水位进行及时的调整。原来的控制系统在全校用水高峰时，会出现水流很小的情况。而且向楼顶水箱送水的水泵一直处于频繁工作状态，使得液位传感器因频繁使用，容易损坏。针对这一状况我们在楼顶的水箱内加了七个液位传感器，编制PLC控制程序，通过三菱FX2N可编程序控制器，根据水箱内液位传感器检测到的信号对水泵电动机进行控制。通过对学院教学大楼每日用水需求量和用水高峰时段用水量的实际调查，楼顶的水箱设计为长2米、宽2米、高2.5米，而地下水源蓄储室则是楼顶水箱容积的4倍，即满足正常供水，又不会造成水的滞留。三相异步电动机与水泵装置在地下水源蓄储室的旁边，可以方便进水与机械维修。楼顶水箱与地下工作间用两根上水管（消防管、生活用水管且消防管是生活用水管直径的2倍）相连，即是楼顶水箱的供水管。楼顶水箱内的水位状态通过液位传感器向PLC传送开关量信号，PLC按照预定程序控制水泵的运行状态，即进水量。注满水后能自动停止进水。当用水量增大时，PLC按照预定程序控制水泵的运行状态，即加大进水量，使水箱水位基本保持。供水系统框图如下图所示。整套系统虽然结构简单，但是它集节水和节能等优点，给师生员工的生活带来了方便。地下蓄水室M1M2楼顶水箱生活用水消防进水生活进水消防用水第1章 水 泵1.1 水泵的分类及泵的性能参数泵的种类繁多，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： = （1-1）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) （1-2）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） （1-3）（6）泵的比转数比转数是水力机械的一个重要参数。但了解该参数前，必须搞清楚相似定律。 泵的相似定律：在叶片泵的设计研究中，由于经济性或技术条件的限制，经常将实型泵缩小成模型泵进行试验，再将模型泵放大成实型泵，这就必须用到流体动力相似定律。工况相似的实型泵和模型泵，其流量、扬程、功率与泵的尺寸。转速及效率之间有以下三个关系：泵的流量相似定律： （1-4）泵的扬程相似定律： （1-5）泵的功率相似定律： （1-6）式中 -叶轮外径尺寸-容积效率-水力效率-机械效率上角标表示模型泵，无上角标表示实型泵。如果两个工况相似的泵的尺寸比不是很大（不超过23），转速比值不超过2，而且是抽送同一种液体（即），则可认为两台泵的各种效率均相等，于是得到： （1-7） （1-8） （1-9）在工况相似时的实型泵和模型泵的参数，应该满足以上公式所谓比转数就是把某一叶轮的几何尺寸相似缩小为标准叶轮，使这个标准叶轮所产生的扬程为m，流量为m/s，有效功率等于746W（1马力）时的转速。它的表达式为： （1-10）式中 -转速（r/min）-流量（m/h）-扬程（m）比转数是有因次的，但通常都省略其单位。比转数是以单吸离心泵为基准来比较的。对于双吸单级离心泵，比转数为： （1-11）对于多级泵，比转数为： （1-12）式中 -多级泵叶轮极数（7）泵的汽蚀余量汽蚀余量是指为了保证泵不汽蚀，泵叶轮吸入口处单位重量液体所具有的能量必须比饱和蒸汽压力（相应于液体所处温度）时液体所具有的能量的富裕程度大，以表示，其单位为m这是用能量的观点来表示泵的汽蚀性能。的表达式中， =（m） （1-13）式中 -泵吸入口处的压力（Pa） -液体重度（kgf/ms） -液体吸入口处的平均流速（m/s） -液体所处温度下的饱和蒸汽压力（Pa）-重力加速度（m/s） 等式右边括号内两项表示泵吸入口处单位重量液体具有的能量，第三项是饱和蒸汽压力下单位重量液体具有的能量。（8）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） （1-14）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） （1-15）1.2 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。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。选泵时以最大流量作为依据。如没有给出最大流量，通常可取正常流量的1.1倍。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。掌握了所需要选用的泵的用途，目的和工作的液体的性质、流量、总扬程等，再和各种泵型的特性相对照，则泵型（系列）的选用范围自然就限定了。（3）水泵应用于实际水泵普遍采用交流异步电动机作原动机。这是因为异步电动机结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜。单台水泵调速运行HHA HBHO0AB nAnBQAQBQ管路系统性能曲线泵的调速范围是随实际工况的不同而变化的。一般来说,调速降低不宜超过50%，否则水泵效率很低，不能保证安全供水，当转速太低时，甚至无法抽水。如图1-1所示，学校生活用水要求出水压力在高峰和低谷时不能低于HB，也不要高于HA，管路系统性能曲线与调速运行的泵的性能曲线相交于A和B点(即水泵工况点) 。这种情况下，调速装置的调速范围在nA到nB之间，相应的流量是QA和QB。图1-1 单泵供水时调速范围的控制选用了两个离心泵，一个是冠力片离心泵它的型号是650L-3，扬程为48m，流量为30m/h，转速为1350r/min，配套功率为7.5kW。另一个是清水离心泵型号是80DL2，扬程为40m，流量50m/h，额定电压36V，配套功率11kW，转速1450r/min。实物如图1-2图1-2水泵实物图 第2章 三相异步电动机2.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子。定子、转子之间留有空隙，一般小型电机的空隙为0.35mm0.5mm,大型电机的空隙约为11.5mm。定子主要由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成的，转子是由转轴、转子铁心和转子绕组组成。2.2 三相异步电动机的变频调速的控制三相异步电动机工作原理：一是导体被磁场切割会在导体中产生感应电动势；二是载流导体与磁场相互作用，使载流导体受力而运动的理论基础上的。三相异步电动机和三相同步电动机，它们的转速公式为：（同步电动机） （2-1）（异步电动机） （2-2）式中 -频率 -极对数 -转差率（03或06）由转速公式可见，只要设法改变三相异步电动机的供电频率，就能十分方便地改变电动机的转速，比改变极对数和转差率两个参数简单得多，近二十年来，由于交流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相异步电动机变频调速成为当前电气调速的主流。2.3 三相异步电动机的选用应考虑额定电压、额定功率、额定频率、额定转速、绝缘等级、安装结构形式、防护型式、传动方式、起动状况以及负载情况等参数。（1）电动机铭牌上的性能指标：型号：用以表示电动机的类型、性能、用途、结构特征等。额定功率：也叫容量。以W或kW表示。额定电压：电动机正常工作时，加在定子绕组线端的电压，比如220/380V。额定电流：在额定电压、额定频率、额定功率运行时，定子绕组线端的电流。额定频率：电动机规定的交流电源的频率。额定转速：在额定电压、额定频率、额定功率、额定电流下运行时，电动机每分钟的转速。电动机的额定电压、频率要和电源电压的电压值、频率相一致，尤其对Y/接法的电动机更应注意这一点。电动机的额定功率一般情况下要略大于所用负载的功率，但不能大于两倍的负载功率。额定转速要依据被动机械的正常转速和传动方式决定，额定转速=被拖动机械转速传动比，转速一致时，可用联轴器传动；转速不一致时，可用皮带或齿轮传动；负载转速很低时配购减速装置。（2）电动机电压的选择电动机的额定电压应与电源电压相符。电动机只能在铭牌上规定的电压条件下使用，允许工作电压的偏差为额定电压的+10%5%。如果铭牌上标有220V/380V，说明此电动机有两种额定电压。当电源电压为380V时，将电动机绕组接成Y形；当电源电压为220V时，将绕组接成形。（3）电动机容量的选择电动机的额定功率 (容量)必须根据被拖动的生产机械所需的功率来决定。如果容量选得太小，负载超过它的额定功率，则会使电动机难以起动，即使勉强起动成功，也会因电流超过额定值而使电动机过热甚至烧毁。反之，如果容量选得太大，就不能充分发挥电动机的作用，不仅会造成资金和材料的浪费，而且电动机在轻载时效率和功率因数都降低，造成电力浪费。一般对于采用直接传动的电动机，容量以11.1倍负载功率为宜；对于采用皮带传动的电动机，容量以1.051.15倍负载功率为宜。（4）电动机转速的选择电动机和水泵都有各自的额定转速。电动机拖动水泵后，两者都应在各自的额定转速下运转，选择电动机的转速时，应注意转速不宜选得过低，这是因为电动机额定转速越低，则极数越多，体积越大，价格越高，反之，电动机的转速也不宜选得过高，否则会使传动装置过于复杂。本系统用了两个三相异步电动机一个型号为Y132M-4，额定频率为50Hz，额定功率为7.5kW，额定电压为380V，额定转速为1440 r/min，额定电流为15.4A，与冠力片离心泵相配用；另一个型号为Y160M-4，额定频率为50Hz，额定功率为11kW，额定电压为380V，额定转速为1460 r/min，额定电流为22.6A，与清水离心泵相配用。第3章 变频器3.1 变频器应用概述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。变频调速具有频率范围宽、动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等特点，而三相异步电动机又有对电环境适应性强、维修简单、容易实现高速大容量的优势。这两者结合使得变频调速技术在供水行业获得广泛的应用。用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上：用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。所以我选用变频器来调整进水的速度。3.2 变频器的额定值（1）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。（2）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： （3-1）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。 （3-2）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。3.3 变频器的频率指标（1）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。0X3）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3-1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，。图3-1 变频器的上下频率（2）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 （3-3）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）3.4 变频器的构成目前，通用变频器几乎都是交直交型变频器，所以就以交直交电压型变频器为例讲述变频器的基本构成。变频器的基本构成如图3-2所示，由主电路和控制电路组成。3M逆变器整流器控制指令控制指令 控制电路 运行指令 图3-2 变频器的基本结构（1）主电路电压型交直交变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变器电路三部分组成。主电路的基本结构如图3-3所示。1）整流电路部分二极管整流电路 整流电路由D1D6组成三相不可控整流桥，它们将电源的三相交流全波整流成直流。整流电路因变频器输出功率大小不同而异。功率较小的，输入电源多用单相220V，整流电路为单相全波整流桥；功率较大的，一般用三相380V电源，整流电路为三相桥式全波整流电路。设电源的线电压为，那么三相全波整流后平均直流电压的大小是：=1.35。 我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压是513V。图3-3电压型交-直-交变频器的主电路的基本结构滤波电容器C 整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容器C的作用是：除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而，中间直流电路电容器的电容量必须较大，起到储能的作用，所以中间直流电路的电容器又称储能电容器。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图3-3中的C1和C2。因为电解电容的电容量有较大的离散性，故电容器组C1和C2的电容量常不能完全相等，这将使它们承受的电压和不相等，为了使和相等，在C1和C2旁各并联一个阻值相等的均压电阻R1和R2。限流电阻RL与开关SL 由于储能电容大，加之在接入电源时电容器两端的电压为零，故当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器C的充电电流是很大的。过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入了限流电阻，其作用是将电容器C的充电电流限制到允许的范围以内。开关SL的功能是：当C充电到一定程度时，令SL接通，将RL短路。在有些变频器里，SL用晶闸管代替，如图3-3中的虚线所示。电源指示HL 电源指示灯除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，显示滤波电容器C上的电荷是否已经释放完毕。由于C的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以C没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于C上的电压较高，如电荷不放完，在维修变频器时，将对人身安全构成威胁。所以，HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。2）逆变器电路部分逆变管Q1Q6 Q1Q6组成逆变桥，把D1D6整流后的直流电再“逆变”成频率、幅值都可调的交流电，这是变频器实现变频的执行环节，因而是变频器的核心部分。当前通用变频器中常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管（IGBT）、大功率晶体管（GTR）、IPM智能模块；大功率变压变频器中常用GTO（可关断晶闸管）。续流二级管D01D06 续流二级管D01D06的主要功能有：电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。D01D06为无功电流返回直流电源提供“通道”。当频率下降、电动机处于再生制动的状态时，再生电流将通过D01D06返回直流电路。Q1Q6进行逆变的基本工作过程：同一桥臂的两个逆变管，处于不停的交替导通和截止的状态。在交替导通和截止的换相过程中，不时地需要D01D06提供通路。缓冲电路 逆变器在关断和导通的瞬间，其电压和电流的变化率是很大的，有可能使逆变管受到损害。因此，每个逆变管旁还应接入缓冲电路，以减缓电压和电流的变化率。在不同型号的变频器中，缓冲电路的结构也不尽相同。在图3-3所示为比较典型的一种。其功能如下：逆变管Q1Q6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极（C极）和发射极（E极）间的电压将迅速地由近乎0V上升至直流电压值。这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01C06的功能便是降低Q1Q6在每次关断时的电压增长率。Q1Q6每次由截止状态切换成导通状态的接通瞬间，C01C06上所充的电压（等于）将向Q1Q6放电。此放电电流的初始值将是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致Q1Q6的损坏。因此，R01R06的功能是限制逆变管在接通瞬间C01C06的放电电流。R01R06的接入，又会影响C01C06在Q1Q6关断时降低电压增长率的效果。D7D12接入后，在Q1Q6的关断过程中，使R01R06不起作用；而在Q1Q6的接通过程中，又迫使C01C06的放电电流流经R01R06。3）制动电阻和制动单元制动电阻RB 当电动机的工作频率下降时，它的转子转速将超过此时的同步转速，使得电动机处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使保持在允许范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。制动单元VB 制动单元VB由大功率晶体管GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是控制流经RB的放电电流IB。（2）控制电路控制电路主要由主控板、键盘与显示板、电源板、外接控制电路等构成。1）主控板主控板是变频器运行的控制中心，其主要功能有：接受从键盘输入的各种信号。接受从外部控制电路输入的各种信号。接受内部的采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号等。完成SPWM调制，将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令，并分配给各逆变管的驱动电路。发出显示信号，向显示板和显示屏发出各种显示信号。发出保护指令，变频器必须根据各种采样信号随时判断其工作是否正常，一旦发现异常工况，必须发出保护指令进行保护。向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号、故障信号等。2）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。3）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4）外接控制电路外接给定电路外接输入控制电路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3-4。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。M2KM1STFRHRMRLSDUVWX1X2X13X14X15COMY14COMX16X20X21Y10Y13Y12Y11COMSB1SB2SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7X22380V图3-4 三速运转外部接线图3.5 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： （3-6） （3-7） （3-8）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基本功能参数表见第二章“表2-1 应用的变频器基本功能参数表”。第4章 传感器在科学技术高度发达的现代社会中, 人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中, 主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置, 是感知、获取与检测信息的窗口, 一切科学实验和生产过程, 特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息, 都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。 4.1 传感器的概念及组成（1）传感器的概念：传感器通常是指按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理与传输的电量（少数为其他物理量，如光信号）的器件或装置。传感器包含两个必不可少的内容：一是拾取信息，二是将拾取到的信息进行变换，使之变成为一种与被测量有确定函数关系且便于处理与传输的物理量，多数为电量。（2）传感器的组成：一般是由敏感元件、转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测非电量，并将其送到“转换元件”转换成电量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。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。自由状态下的浮子能跟随液面升降，这是人尽皆知的水涨船高规律。当浮子的升降程度到达设定的刻度时，行程开关开始工作。并将采集到的信号传送给PLC。第5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。5.1 可编程序控制系统的组成及作用以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统。可编程控制系统一般由控制器、编程器、信号输入部件、输出执行部件等组成。（1）可编程控制系统中各部分的作用1）控制器控制器是控制系统的核心，它将逻辑运算、算术运算、顺序控制、定时、计数等控制功能以一系列指令形式存放在存储器中，然后根据检测到的输入条件按存储的程序，通过输出部件对生产过程进行控制。2）编程器编程器是开发、维护可编程自动控制系统不可缺少的外部设备。编程器在系统中的作用是：对可编程控制器进行编程、发出命令和监视可编程控制器的工作状态等。所以，编程器的工作方式有下列三种：编程方式 编程器在这种方式下可以把用户程序送入PLC主机的内存，也可对原有的程序进行显示、修改、插入、删除等编辑操作。命令方式 此方式可对PLC发出各种命令。监视方式 此方式可对PLC进行检索，观察各个输入、输出点的通、断状态和内部线圈、计数器、定时器、寄存器的工作状况及当前值，也可跟踪程序的运行过程，对故障进行监测等。我采用的是三菱公司的FX2N系列可编程控制器配接RS232转换后，在计算机中运行MELSEC-MEDOC软件可实现上述功能。 3）信号输入部件信号输入部件是指安装在现场的按钮、行程开关、接近开关，以及各种传感器等。信号输入部件的作用是接收系统的运行条件，并将这些条件传送给PLC。工程中用得最多的是按钮、行程开关、接近开关等输入部件，但现在已有许多系列的可编程控制器能接收温度、压力等传感器送出的模拟量，这是可编程控制器能在自控领域得到迅速发展的重要因素。4）输出执行部件输出执行部件是指接触器，以及安装在现场的变频器等，其作用是在PLC输出驱动下控制设备的运行。输出执行部件是PLC的直接控制对象。（2）可编程控制系统的特点可编程控制器作为一种通用的自动控制装置，它在控制系统中具有一些独特的优点。例如，在不改变系统硬件接线的情况下，通过改变程序的办法，可改变被控对象的运行方式，这在继电控制系统中是无法实现的。PLC所具有的这一特点大大提高了控制系统的灵活性，特别对那些需要经常改变生产工艺的自动流水线有着重大的实际意义。5.2 PLC的工作原理它的工作有两个要点：输入、输出信息变换和可靠物理实现。输入、输出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。这程序（监控程序）既有系统的，又有用户的。系统程序为用户程序提供编辑与运行的平台，同时还进行必要的公共处理，如自检、I/O刷新上位计算机或其他PLC通信等。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。可靠物理实现主要通过输入（I，Input）及输出（O，Output）电路。每一个输入点或输出点就有一个I或O电路。而且总是把若干个这样的电路集成在一个模块中，然后再由若干个模块集成为PLC完整的I/O系统。尽管这些模块相当多，占了PLC体积的大部分，但由于它们都是高度集成的，所以PLC的体积还是不太大的。输入电路时刻监视着输入点的（通ON或断OFF）状态，并将此状态暂存于它的输入暂存器中，每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。输出电路有输出锁存器。它也有两个状态，高、低电位状态，并可锁存。同时它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一个输出点都有一个与其对应的输出锁存器。这里的输入暂存器与输出锁存器实际是PLC的I/O电路的寄存器。它们与PLC内存交换信息，通过PLC I/O总线及运行PLC的系统程序实现。把输入暂存器的信息读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称为输入继电器，或称软触点，或称为过程映射射入寄存器。这些位（bit）置成1，表示触点通，置成0，表示触点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以它反映的就是输入点的状态。输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器。通过PLC I/O总线与运行系统程序，输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。PLC除了有可接收开关信号的输入电路，有时还有接收模拟信号的输入电路。只是后者先要进行模数转换，然后再把转换后的数据存入PLC相应的内存单元里。如要产生模拟量输出，则要配有模拟量输出电路。靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数模转换，并产生输出。这样用户所要编的程序只是PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数据及逻辑处理的问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全有可能的。图5-1对以上叙述作了说明，其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息的流向及实现信息流动的手段。此图，即反映了PLC实现控制的两个基本要点，同时也反映了信息在PLC中的空间关系。输入刷新运行用户程序输出刷新输出电路输入电路输入点暂存器输入继电器输出继电器锁存器输出点图5-1 PLC控制图简单地说，PLC工作过程是：输入刷新运行用户程序输出刷新。一直循环往复地进行着这个过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为有了输入刷新，可把输入电路监视得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止、循环往复地进行着，所以输出总是反映输入的变化，只是响应的时间上略有滞后。但由于PLC的工作速度很快，所以这个“略有滞后”的时间是很短的，一般也就是几毫秒、几十毫秒，最多也不会超过100200ms。图5-2所示的是简化过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些其它的公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监视、外设服务及通信处理等。输入刷新运行用户程序输出刷新输入刷新公共处理运行用户程序输出刷新图5-2 简化工作流程图图5-3 实际工作流程图监视循环时间的目的是避免用户程序“死循环”，证PLC能正常工作。为避免用户程序“死循环”的方法是用Watching Dog，即设一个定时器，监测用户程序的运行时间。只要循环超时，即报警或做相应的处理。外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作或向编程器输出数据。通信处理是实现与计算机、其他PLC、或智能操作器、传感器进行信息交换的，这也是增强PLC控制能力的需要。也就是说，实际的PLC工作过程是：公共处理I/O刷新运行用户程序再公共处理反复不停的重复着。图5-3所示的是实际的工作过程。此外，PLC上电后，也要进行系统自检及内存的初始化工作，为PLC的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称扫描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，为了应对紧急任务，PLC还有中断工作方式。在中断方式下，需处理的任务先申请中断，被响应后停止运行的程序，转而去处理中断工作（运行有关中断的服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来的程序。PLC的中断方式的任务或称事件，是分等级的。同时出现两个或多个中断事件则优先级高的先处理，继而处理低的。直到中断任务全部处理完，再转为执行扫描程序。PLC对大量控制都用扫描方式工作，而对个别急需的处理，则用中断方式。这样即可做到所有的控制都能照顾到，而个别应急的任务也能及时进行处理。5.3 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。5.4 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5-4 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.