亚龙yl恒压供水系统实训指导.docx
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亚龙yl恒压供水系统实训指导
亚龙yl恒压供水系统实训指导
亚龙YL-706恒压供水系统
（西门子主机）
实
训
指
导
书
亚龙科技集团有限公司
YL-706型恒压供水系统
1.设备概述
恒压供水系统是利用PLC、内置PID的变频器和低压电器组成的智能自动化供水系统，主要用于高层建筑，生活小区的生活用水、消防用水、中小型水厂、污水处理厂和其他工矿业的生产用水等。
恒压供水系统有以下特点：
●显著的节能效果，一般节电率30%~50%。
●优良的供水质量，供水压力保持恒定。
●具有手动、自动两种切换功能，方便调试和维护。
●多种工作模式，如单泵运行、一拖二固定运行和一拖二循环运行。
YL-706型恒压供水系统实训装置由供水系统和控制系统组成。
供水系统由恒压水箱、终端水箱、排水阀门及水泵组成，使学生在实验过程中更加直观、易懂;控制系统采用框架＋模块，模块可以自由的在框架上进行安装和拆卸，模块还具有通用性可以利用现有的模块做一些其他的实验，这就体现可产品的使用价值。
整套系统分为：
上位控制层系统，实训对象层，检测传感、变送、执行设备，上位控制软件四部分。
1）上位控制层系统
主控机为西门子S7-200可编程控制器，可实现顺序及PID控制；
2）实训对象层系统
采用标准铝合金框架结构，主要由1台终端水箱、1台压力水箱、及相应的水管管道、阀门、指示仪表组成，与实际恒压供水系统基本一致，使学生的实训与实际环境紧密结合。
3）检测传感、变送、执行装置
●液位传感器：
液位传感器1个，防止终端水箱水位过低；
●压力传感器：
压力变送器1个，输出信号4~20mA；
●数据采集：
采用西门子EM235特殊功能模块，该模块具有四路标准模拟量输入和一路标准模拟量输出；
●变频器：
采用三菱E540变频器1台，带PID控制功能和RS485通讯接口；
●水泵：
共2台，用于向客户提供用水的动力。
4）上位控制软件
●PLC编程软件：
MicroWIN4.0编程软件；
●上位控制操作/实验面板
a）强电控制面板：
装有漏电保护空气开关，电流型漏电保护器，充分考虑人身安全保护；多组保险丝，保证设备安全，操作控制便捷；装有电压表、指示灯，更加直观，强电信息一目了然；
b）控制器面板：
变频控制器面板、PLC控制器面板；
c）电气控制面板：
控制对象中的仪表信号和电气信号转移到信号接线板上，提供传感器检测及执行控制器信号接口，便于学生组成不同的控制系统。
●系统保护：
由漏电开关、液位传感器、止回阀及压力保护四部分组成。
a）总电源配置漏电开关及接地保护线，防止漏电伤害；
b）供水箱终端设置液位传感器，保持该水箱液位不能过低，否则会对水泵的安全运行造成伤害；
c）在每一个水泵的出口处设置有止回阀，防止水泵空载运行而损坏水泵；这种情况常常发生在水泵入口处被异物堵塞时；
d）压力保护时防止整个系统的压力过高而影响到水泵的正常运行，故必须设置一个压力的最高极限；从而可保证水泵的正常运行。
YL-706型恒压供水系统实训装置适合普通大学、高等职业学校的机电设备安装与维修、机电技术应用、电气运行与控制、电气技术应用、电子电器应用与维修、机械和机电一体化等专业的必修课程模块《自动控制技术》和非机电类专业的选修课程《工业自动化》模块的教学和实训。
YL-706型恒压供水系统实训装置也适合中等职业学校、技工学校机电类专业自动控制技术教学内容的实习，还适合职业学校的安装、维修电工中级班，安装、维修电工高级班，安装、维修电工技师班，安装、维修电工高级技师班的培训和实操。
2.主体配置
序号
名称和型号
单位
数量
备注
1
终端水箱
个
1
2
恒压水箱
个
3
控制系统铝合金框架
套
1
4
压力变送器
个
1
0~40Kpa
5
膜盒压力表
个
1
0~40Kpa
6
水位开关
个
1
增压水泵工作保护
7
增压水泵
个
2
工/变频切换，设定恒压水箱压力希望值
8
单向水阀
个
2
9
水箱满水保护
个
2
终端水箱设置满水强行下排管路，最大限度对设备本身进行保护
10
手动排水管路
个
1
手动手阀控制
11
主机控制模块
块
1
PLC主机
S7-200CPU226
12
变频器模块
块
1
变频器，PID控制
13
数据采集与扩展模块
块
1
EM235，EM222
14
显示模块
块
1
15
控制模块
块
1
16
继电器模块
块
1
4个三闭一开继电器，插孔为安全型
17
其他设备
编程线缆、航空线缆、编程软件、安全连接导线等
3.技术参数
1）水箱：
包括终端水箱、恒压水箱，
材料：
有机玻璃，
水箱容量：
70升
水箱工作温度：
10～60℃，
恒压水箱工作压力：
0～20MPA
2）西门子PLC主机：
型号：
S7-200CPU226，
工作电源：
AC250VDC30A以下，
工作负载：
2A/1点8A/4点公用，
响应时间：
10ms。
3）西门子模拟量输入/输出模块：
型号：
EM235，
工作电源：
PLC内部供电，
分辨率：
40mV（10V/32000）、20mV（5V/32000）、64ｕAMIN（4～20mA/32000），
通道数：
4输入1输出。
4）西门子PLC输出扩展模块：
型号：
EM222
工作电源：
PLC内部供电
点数：
8点
响应时间：
10ms
5）变频器：
型号：
FR-E740
额定容量：
1.2KVA
额定电流：
1.6A
输出电压：
三相，380V~480V50HZ/60HZ
电源电压：
三相，380V~480V50HZ/60HZ
冷却方式：
自冷
6）增压水泵：
工作电压：
AC380V，
工作电流：
0.32A
额定功率：
90VA，
流量：
25L/min
扬程：
4米，
转速：
2880r.p.m
7）压力变送器：
电源：
DC12~40V，
负载特性：
4～20mA，
量程：
0~40Kpa
负载阻抗R与电源电压V的关系：
R≤50（V－12），
精度：
±2％
4.实训项目
5.1BCD数字开关使用实训；
5.2PLC控制LED七段码显示器实训；
5.3BCD数字开关与LED七段码显示器的综合实训；
5.4扩散硅压力变送器和PLC数模转换实训；
5.5变频器功能参数设置和操作实训；
5.6恒压供水系统实训；
5.项目实训
5.1BCD数字开关使用实训
5.1.1数字开关简介
BCD拨码开关是十进制输入，BCD码（即2－10十进制）输出，又称为8421拨码开关。
每位BCD拨码开关可输入1位10进制数，4片BCD拨码开关拼接可得4位10进制输入拨码组。
每个BCD拨码开关后面有5个接点，其中C为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。
拨盘拨到不同的位置时，输入控制线C分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通。
其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的10进制数相一致，符合2－10进制编码关。
多位BCD数字开关是一个多位BCD编码拨动开关!
里面每个开关都有一块电路板，通过印刷电路图案产生BCD编码，每一位开关下面的4个管脚输出相应的BCD码。
5.1.2数字开关的外形图
BCD数字开关的外形图如图所示，根据需要选取不同的数位，每位对应的整数范围是0～9.
接线端子图如下图所示：
每个BCD拨码开关后面有5个接点，其中C为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。
拨盘拨到不同的位置时，输入控制线C分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通。
其中根据不同的顺序，用100、101、102、103表示不同的接入位。
5.1.3BCD数字开关在PLC中的应用
如果PLC控制系统中的某些控制参数或数据经常需要人工修改，可使用拨码开关与PLC进行连接，在PLC外部进行数据设定或修改。
如下图所示的四位一组的拨码开关，每一位拨码开关可以输入十进制的0－9，或者是十六进制的0－A。
1）BCD指令示例
2）与PLC的连接及接线图
3）I/O分配表
说明
I/O
说明
I/O
1
I0.0
100
Q0.0
2
I0.1
101
Q0.1
4
I0.2
102
Q0.2
8
I0.3
103
Q.03
4）编写PLC程序
打开PLC，输入以上程序，开始监控。
拨动数字开关的按钮，调节数字开关的设定值，然后可以观察到数据寄存器AC0显示的值与设定值相一致。
5.2PLC控制LED七段码显示器实训
5.2.1LED显示器显示原理
发光二极管是一种将电能转变成光能的半导体器件，流过电流，发光二极就会发光。
七段LED显示器由七个发光段构成，每段均是一个LED二极管。
这7个发光段分别称为a、b、c、d、e、f和g，通过控制不同段的点亮和熄灭，可显示16进制数字0～9和A、B、C、D、E、F，也能显示H、E、L、P等字符。
多数7段LED显示器中实际有8个发光二极管，除7个构成7笔字形外，另外还有一个小数点Dp位段，用来显示小数。
有人也把这种显示器叫做8段LED显示器。
其管脚图如下图a所示：
5.2.2LED显示器分类
LED显示器有共阳极和共阴极两种结构（如下图b、c所示）。
共阳极结构中，各LED二极管的阳极被连在一起，使用时要将它与十5v相连，而把各段的阴极连到器件的相应引脚上。
当要点亮某一段时，只要将相应的引脚（阴极）接低电平。
对于共阴极结构的LED显示器，阴极连在一起后接地，各阳极段接到器件的引脚上，要想点亮某一段时，只要将相应引脚接高电平。
BCD七段译码器的真值表如下所示：
5.2.3多位LED七段码显示器及其在PLC中的应用
1）多位LED七段码显示器
实际系统中经常要显示多位数字。
为了在一个LED显示器上显示一个4位二进制编码的十进制或16进制数，需要将4位二进制数转换成LED的七段显示代码。
一种方法是采用专用的带驱动器的LED段译码器，实现硬件译码。
硬件有多种LED译码／驱动器芯片可供选用。
常使用输入为BCD码，输出为段码的芯片。
如带锁存、译码、驱动的七段显示器。
2）多位LED七段码显示器在PLC中的应用
如图所示电路是采用具有锁存、译码、驱动功能的芯片HEF4543B驱动共阴极LED七段显示器在PLC应用中的原理图（为晶体管型输出的PLC）
其中DA~DD是数据输入地址端，与PLC的输出扩展模块输出端Y0~Y3相接；
PH是状态输入端，高电平有效；
BI是灭灯输入端，高电平有效；
LE是锁存使能输入端，在LE信号的上升沿将数据输入端输入的BCD数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来。
如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。
LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。
Oa~Og是信号输出端
VDD是电源正端，接＋5V
VSS是电源负端，接0V
在芯片各脚上串接4.7K电阻的作用是使PLC有输出时，芯片的各输入端保持高电平。
在DP脚串的1.5K电阻是点亮小数点，其中开关SB0～SB3是小数点的选通开关。
通常要显示小数点的时候，直接将开关两端短接。
5.2.4程序设计
6.2.4.1SEG指令示例
要点亮七段码显示器中的段，可以使用段码指令。
段码指令将IN中指定的字符（字节）转换生成一个点阵并存入OUT指定的变量中。
点亮的段表示的是输入字节中低4位所代表的字符。
图6--14给出了段码指令使用的七段码显示器的编码。
七段码显示器的编码
5.2.5程序调试
◆I/O控制电路接线图
◆程序示例
5.3BCD数字开关与LED七段码显示器的综合实训
5.3.1概况
本实训是将BCD数字开关与LED七段码显示器结合起来进行实训，其内容是将BCD数字开关设定的数值用LED显示器实时显示出来。
5.3.2I/O分配
DCD数码开关
BCD码数显
BCD码
PLC地址
BCD码
PLC地址
1
I0.0
1
Q1.0
2
I0.1
2
Q1.1
4
I0.2
4
Q1.2
8
I0.3
8
Q1.3
10°
Q0.0
10°
Q1.4
10¹
Q0.1
10¹
Q1.5
10²
Q0.2
10²
Q1.6
10³
Q0.3
10³
Q1.7
5.3.3连线
5.3.4编写程序
5.4扩散硅压力变送器与PLC数据采集实训
5.4.1压力变送器
5.4.1.1概况
压力变送器从一般意义上往往指压力变送器和差压变送器，主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成。
它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号（4~20mADC），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。
压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～20MP3）和微差压变送器（0～1.5kPa）两种。
压力变送器的主要作用:
把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力
其原理大致是：
将水压这种压力的力学信号转变成电压或电流（一般是0-5V或者4-20mA）这样的电子信号压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系，所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大，由此得出一个压力和电压或电流的关系式。
5.4.1.2测压元件传感器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。
一般压力传感器可以分为：
●应变片压力传感器
●陶瓷压力传感器
●扩散硅压力传感器
●蓝宝石压力传感器
●压电压力传感器原理与应用
5.4.1.3测量电路与过程连接件
压力变送器的测量电路有很多种，下面我们主要介绍其中应用最广泛的电桥构成测量差压的传感器电路。
●传感器电桥工作原理
传感器测量电路如所示。
无差压时，电桥两臂电流相等。
差压信号加到四个硅压敏电阻上，压敏电阻的阻值随差压而变化，引起电桥不平衡。
电桥输出电压馈入放大器A1。
A1的输出电压通过晶体管Q8改变输出电流I0的大小。
I0流过电桥的电阻反馈网络，使电桥恢复平衡。
这样，电桥输出电压的变化与差压变化成对应比例关系。
从而将差压的变化直接转换成电信号。
●测量电路和量程调整
下图是包括零点及量程调整电路、反馈电阻网络和差压传感电桥的测量电路。
恒流源I0表示输出电流。
四个桥臂电阻是R1S、R3S、R4S和R6S。
当被测的正压力增加时，R1S和R6S阻值减小，R3S和R4S阻值增加，电桥的输出信号VBr负向增加。
这个VBr对应于被测压力变化值的电压偏差信号。
经过测量电路中负反馈电阻网络的作用，VBr信号将保持非常接近于零。
基本反馈电压公式是
Vfb=V1-V2=IO1[aR2+R1]
对应于传感器的量程上限压力，压敏电阻和电桥给出最大变化和最大不平衡。
此时，为了保持VBr接近于零，需要最大的反馈电压值。
当式
（1）中a=1，IO2=0时，Vfb值最大，传感器得到最大的测量范围。
量程粗调螺钉处于A位而R2滑动头处于最下部时，就满足以上要求。
而当a=0，IO2最大时，测量范围最窄，这种情况是三颗粗调螺钉同时处于B、C、D位置，而R2滑动头又处于最上部。
通过R2滑动头和粗调螺钉其他位置的组合，可获得中间的测量范围。
R2有充分的调节范围，以便在由量程调整粗调螺钉对应不同的粗调范围之间提供重叠。
电桥输出处得到反馈电压Vfb的分量为
5.4.1.4压力变送器的连线
5.4.2模拟量输入/输出模块
EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
下面以EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图：
上图演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。
EM235的常用技术参数：
模拟量输入特性
模拟量输入点数
4
输入范围
电压（单极性）0～10V0～5V0～1V
0～500mV0～100mV0～50mV
电压（双极性）±10V±5V±2.5V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV
电流0～20mA
数据字格式
双极性全量程范围-32000～+32000
单极性全量程范围0～32000
分辨率
12位A/D转换器
模拟量输出特性
模拟量输出点数
1
信号范围
电压输出±10V
电流输出0～20mA
数据字格式
电压-32000～+32000
电流0～32000
分辨率电流
电压12位
电流11位
DIP开关设置：
开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。
由上表可知，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。
SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1，SW2，SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
根据上表6个DIP开关的功能进行排列组合，所有的输入设置如下表：
6个DIP开关决定了所有的输入设置。
也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。
EM235输入数据字格式：
下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置
可见，模拟量到数字量转换器（ADC）的12位读数是左对齐的。
最高有效位是符号位，0表示正值。
在单极性格式中，3个连续的0使得模拟量到数字量转换器（ADC）每变化1个单位，数据字则以8个单位变化。
在双极性格式中，4个连续的0使得模拟量到数字量转换器每变化1个单位，数据字则以16为单位变化。
EM235输出数据字格式：
下图给出了12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置。
数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数在其输出格式中是左端对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。
5.4.3扩散硅压力变送器与PLC数据采集实训
5.4.3.1实训原理与实训目的
本实训利用西门子PLC模拟量输入/输出模块EM235与压力变送器进行组合，完成PLC数据采集实训。
EM235对压力变送器输出的模拟信号进行采集，通过模数转换，转换成数字信号后再传送到PLC主机进行处理。
实训目的：
了解压力变送器的工作原理和EM235的工作原理和应用；掌握运用EM235进行数据采集。
5.4.3.2压力变动器规格
电源
量程
输出
DC24V
0~40Kpa
4~20mA
5.4.3.3接线（以输入通道1为例）
5.4.3.4比例计算
压力值一
压力值二
对应压力值（Kpa）
0
40
对应电流值（mA）
4
20
对应压力表（Kpa）
0
40
对应AD转换值
6400
32000
运算
5.4.3.5程序编写
梯形图：
STL文件编写：
LDSM0.0
LPS
MOVWMeasure_Value,VW100
AENO
-I+6400,VW100
AENO
ITDVW100,VD120
AENO
DTRVD120,VD150
LRD
MOVW+20,VW102
AENO
-I+4,VW102
AENO
ITDVW102,VD124
AENO
DTRVD124,VD154
LRD
MOVRVD150,VD158
AENO
/RVD154,VD158
AENO
MOVR1.0,VD128
/R40.0,VD128
LPP
MOVRVD158,Actual_Value
*RVD128,Actual_Value
5.4.3.6操作
线完成后，应对接线进行检查，确认无误后，系统通电。
运行西门子PLC编程软件STEP7-MicroWIN，将上述程序写入PLC主机，将PLC的“DIP”开关拨到“RUN”。
在编程软件STEP7-MicroWIN的梯形图编辑窗口，按下“程序状态监控”按钮，监控PLC程序。
此时，数据寄存器VD200所显示的数值就是当前恒压水箱的压力值，这可以通过水箱上的膜盒压力表的示数进行对照。
随着水箱内压力的升高，VD200所显示的数值也随之增大。
反之，水箱内压力下降，VD200所显示的数值随之减小。
6.变频器功能参数设置和操作实训
6.1概述
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。
1）变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点：
1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。
2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
3）变频器与负载的匹配问题；
I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。
II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。
对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。
III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
2）变频器的运行和相关参数的设置
变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。
控制方式：
即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。
采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
最低运行频率：
即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。
而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。
最高运行频率：
一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。
载波频率：
载波频率设置的越高其高次谐波
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