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1、第1章 绪论1.1 选题背景 1.1.1 现今水泵控制方式发展状况 随着国民经济的飞速发展，科技的进步以及生活水平的逐步提高，水塔水泵在许多工业生产中都是非常重要的设备，人们对水塔水位自动控制的要求也越来越高，要求水泵能够根据水位的变化迅速做出反应，从而能达到方便、迅捷以及安全的控制效果。而在当前的水塔水位自动控制系统中有很大一部分电机是不变速拖动系统，其电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中，并且无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。这样不但使电机工作在低效区，减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停，使设备故障率很高，导致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作
2、量较大，并且能够使主备泵的工作量比较而现在电机的控制方式主要有两种，即手动控制和自动控制。但是这两种控制方式都有各自不同的优缺点。1.手动控制 资金投入小，操作简单，但是可靠性不强，反应不够迅速，且人为因素太多。2.自动控制可靠性强，反应迅速，控制精准，但是要求技术高，资金投入大，且控制方式不够灵活，一旦固定不可轻易改变。通过对以上两种控制方式的比较，发现每种方式都有各自的特点和优缺点，如果能把这两种方式优势结合起来，扬长避短，就能设计一款集自动、手动、急停控制于一体且节能、节约管理费用、减少维修费用的水位自动控制系统，而其关键是在保证安全和可靠的同时，选择一款适合的工业控制器。1.1.2 可
3、编程序逻辑控制器的发展现状 在控制系统中选择合适控制器非常重要。目前市场上提供了各种各样的控制器，主要包括：硬连线可编程控制器(VPS，即可编程继电器模块)、可编程逻辑控制器(SPS，即PLC)以及逻辑模块。VPS的优点可浅显易懂地描述为：当控制任务不很多时，该系统比较便宜。缺点是：布线费用的增加与接触器的数量不成比例；查找故障麻烦费力；技术资料必须使用耗时费力的程序以手工方式编制；必须更改布线才能进行变更或者扩展升级。SPS的特点是：故障诊断方便迅速；自动制作技术资料；有丰富的指令；实时特性；复杂的数学函数以及相对于其它系统的开放式通讯功能。与这种灵活性相背的是：要求操作工具有丰富的知识；必
4、须将各个运算组成复杂的函数；解决方案不很复杂时，相对价格较高。LOGO!是可编程序控制器(PLC)的新一代超小型控制器，亦称可编程通用逻辑控制模块，与以往的PLC相比具有以下优点：1.编程操作简单。不管哪家公司的PLC，都必须使用编程工具(如编程器或计算机加编程软件)，而LOGO!编程可在本机上直接操作。2.编程语言简单。对PLC编程，必须学习编程语言(梯形图和语句表)，还要了解PLC的内部地址分配，而LOGO!编程是将需要实现的功能所对应的功能块连接起来，就像用时间继电器、中间继电器通过导线连接一样简单和方便。3.输出电流大。PLC输出端所能承受电流一般为2A (继电器输出，阻性负载)，而L
5、0GO!输出端可以承受电流达10A (继电器输出，阻性负载)。4.自带显示面板、参数设置方便。PLC自身不带面板，如要显示或修改内部参数就必须增加额外的显示面板，甚至还要对面板进行编程和组态，而LOGO!不需要增加任何辅助设备，可直接在自带面板上设置、更改和显示参数。5.具有通信功能。带AS-I总线功能的LOGO!可作为远程I/O (输入/输出)使用。6.价格低廉。与同点数的小型PLC相比，LOGO!具有更低的价格和更高的性价比。7.面向大众、方便用户。LOGO!不需要专门编程训练，只要懂得一些电路知识就行；工厂的电工十分容易掌握它的使用。LOGO!主要控制功能有：开关量输入和输出；友好操作界
6、面和显示面板；由6种基本功能块和11种特殊功能块来实现各种控制任务。目前市场中提供了各种各样的控制器，主要包括：基于单片机控制的、纯逻辑芯片为核心控制的、继电器控制、可编程控制器和可编程序逻辑控制器。这几种控制器优缺点如表1.1所示。表1.1各种控制器的比较控制器名称优缺点基于单片机控制的优点：能实现较为复杂的逻辑控制，应用范围广泛缺点：抗干扰能力差，编程复杂，繁冗纯逻辑芯片为核心控制的优点：能应用于大功率的控制开关缺点：控制方式复杂，容易出现错误继电器控制优点：设计简单，直观缺点：线路复杂，成本高，维修工作量大，线路容易老化可编程控制器（PLC）优点：可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、便于维
7、护缺点：编程和操作都比较复杂，系统的开发成本高，不经济划算可编程序逻辑控制器优点：可靠性高，抗干扰能力强，使用寿命长，维修方便，便宜缺点：内存小.编程复杂，控制有限综合以上表格分析比较，由于可编程序逻辑控制器在同等控制要求上是最经济划算、可靠性高、抗干扰能力强、使用寿命长、维修检测也方便，所以选择可编程序逻辑控制器作为控制核心是最好的选择。继电器控制是一种传统的电机控制方法，它主要运用于具有较小至中等控制要求电气设备的电机之中。图1.1所示为继电器控制柜。图1.1 继电/接触器控制系统在继电器控制中由于是采用继电器元件控制设备运转，各种功能的实现均依靠辅助触点完成，故障点多，一旦某一个继电器损
8、坏，甚至一个继电器的某一个触点接触不良，都会影响整个系统的运行。除此之外，生产环境所造成的机械振动、工业粉尘等诸多因素都会引起继电器故障，常常造成设备不起车、二次不吸合等故障，严重时甚至导致电机烧毁，直接影响到生产安全，增加了生产成本。所以随着控制要求的不断提高，继电器已经越来越难以胜任大功率电机的控制了。PLC是继继电器之后出现的一种新型的控制器，于1969年在美国问世。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算数运算功能，用来对各种生产过程进行控制。在PLC中，控制时首先会询问控制器输入端的信号状态0或者1，接着由程序对这些状态进行处理，通过输出端将处理结果
9、发送给执行器。图1.2为PLC的控制柜。 图1.2 PLC控制柜相对于继电器，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、通用性强、灵活性好、功能齐全等优点。但是PLC编程比较复杂，要求操作人员掌握丰富的综合知识。此外，具有强大数学运算功能的PLC更适合进行复杂的工业控制，对于一般的大功率电机控制而言，使用PLC显得大材小用。逻辑模块是在PLC的基础上发展而来的一种微小型PLC，它的出现填补了继电器和PLC之间的技术空白。逻辑模块采用整体式结构，内部集成了丰富的逻辑功能模块、操作与显示单元、电源、I/O接口、扩展接口等，具有功能多、通用性好、体积小、使用方便等特点。经过十多年的发展逻辑模块现在已经发展成
10、为了模块化的标准组件产品，涵盖了传统继电器的大部分功能，在某种程度上，用户可以将逻辑模块理解成为“智能的继电器”。由于逻辑模块本身具有多种定时器、计数器功能块，它可以省去系统设备的控制柜中的多种低压电器元件。同时，由于逻辑模块的继电器输出点具有较大的电流承载能力（最大可高达10A），它还可直接连接各种执行元件，如小电机、照明设备等。与传统继电器方案相比逻辑模块的解决方案具有减少连接配线、缩短设备配线时间、节省控制柜空间、便于维护等优点。基于这些特点，逻辑模块在家庭和安装工程中得以广泛使用，例如用于楼梯照明、室外照明、遮阳蓬、百叶窗等控制；也可在开关柜和机电设备中使用，如门控制系统、空调系统或水
11、泵恒压供水控制系统。逻辑模块还用于暖房或温室等专用控制系统以及各种小型机械设备、电气装置等一系列应用。在软件方面，逻辑模块使用功能模块图（FBD）进行编程，使用简单，特别便于操作人员掌握，与PLC相比大大地节省开发周期和开发成本。根据工作原理、性能等方面的区别，几种控制器的性价对比如表1.2所示。表1.2 控制器性价对比控制器类型可靠性可维护性操作性价格继电器差差差低可编程逻辑控制器好好一般较高可编程逻辑模块好好好一般无论从控制效果，设备维护，还是成本来说逻辑控制模块都比其它两种控制器更具有优势。正是基于以上的这些优势逻辑模块被越来越多的运用于各种电机控制领域，正逐渐成为现阶段电机的主要控制方
12、式之一，被广泛的应用在照明、车库门、风机、水泵等控制系统中。当前主要的生产逻辑模块的厂家主要有两家：三菱和西门子。其中西门子LOGO!于1996年面世，一经面世便凭借其高性能、高质量的特点得到了广泛的应用。本设计采用的就是西门子公司的LOGO!。LOGO!即可编程序逻辑控制器，是可编程序控制器(PLC)的新一代超小型控制器，亦称可编程通用逻辑控制模块，它于1996年在德国西门子公司问世，同年投入市场。LOGO!的出现，填补了继电器与PLC之间的技术空间。为这一市场细分中的用户提供了简单灵活、得心应手的解决方案。用户可以随心所欲地设计程序，轻松完成各种控制任务。图1.3 为LOGO!编程控制器。
13、图1.3 LOGO!编程控制器LOGO!不是PLC，不具备数学运算功能，但它在很多方面优于PLC。LOGO!本身集成了编程能力，编程操作简单，自带显示面板、参数设置方便，而且编程可在本机上直接操作，用户只需使用LOGO!面板上的键盘与屏幕，就可轻松编写控制程序并可随时修改程序以及调整参数设置。LOGO!的输出电流大，继电器输出的LOGO!的承载电流高达10A，无需中间继电器与接触器，可直接接入负载。LOGO!提供了12V、24V和115240V三种工作电压等级，可适用于各种不同的应用场合。同时，LOGO!具有通信功能，价格低廉，面向大众，方便用户。LOGO!也不是继电器，而更加优于传统的继电器
14、。它的外部接线极其简单，只需要连接输入和输出，由于内部集成了多种继电器功能，通过小小的一块LOGO!就可实现复杂的继电器控制任务。对于较小型的控制任务，用LOGO!控制不但能达到预期的高性能，而且能够简化控制线路，优化控制性能，使结构紧凑，易于操作，达到较高的性价比。各种参数选择，可以满足在程序设计中的每一个要求。自LOGO!问世以来，西门子公司不断在提高和增加其内外部的功能。目前市场的已经是第五代产品。LOGO!内部集成了8个基本功能模块和26个特殊功能模块。包含了12个定时功能、3个继电器触发功能、5个模拟量功能以及计数器、信息文本和移位寄存器等多种功能。如果客户使用LOGO!编程软件，只
15、需在计算机上，通过简单的拖拽和连线功能，即可完成控制程序的编写。它的离线模拟功能可检测程序执行结果或模拟现场控制。LOGO!编程软件不仅提供了功能块的编程方式，还提供了梯形图的编程模式，两种模式之间可随意切换，无须担心，LOGO!轻松软件会自动实现两种不同编程语言的转化，从而方便了熟悉PLC编程方式的技术人员对LOGO!的使用。 LOGO!支持EIB、LON和AS-i三种通讯方式，可方便地将其连入到各种网络之中，构成楼宇控制系统中的I/O子站和机械控制系统中的I/O子站。高质量的LOGO!几乎取得了世界上所有主要的质量认证，如CE、UL、CSA、FM等。LOGO!投入市场近十年来，被广泛地应用于各种行业。在全世界的各个角落都可以找到LOGO!的身影。在中国，LOGO!也同样为广大工业领域和民用领域的用户所接受，在楼梯照明、门控系统、包括控制系统、水泵控制系统以及特殊车辆控制系统等众多行业中大显身手。1.2 研究方案、技术措施及应用前景 1.2.1 研究方案运用现代数字电子控制技术，利用LOGO!通用逻辑控制模块及其计算机辅助设计软件，主要采用LOGO!230RC扩展型通用逻辑控制模块、锁存热继电器、延时继电器等来设计出稳定实用、节能性高、操作简单方便的水位自动控制系统，进
