4 控制系统的硬件设计
4.1系统的硬件结构
根据PLC的变频恒压供水系统的原理，该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力传感器。主要设备选型如表4.1所示
表4.1 本系统主要硬件设备清单
主要设备 可编程控制器（PLC） 变频器 水泵机组 压力传感器 型号 SYSMAC CP1H-X40DR-A FR-A540系列5.5型 200QJ(R)10-186/12 CY-YZ-1001 4.2 PLC概述
4.2.1 可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 4.2.2 PLC的发展和应用
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计
算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。 4.2.3 PLC的工作原理
PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。 在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
三种工作方法：
PLC的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。通过PLC的输出端子的闭合和断开的组合，使变频器不同转速下运行。
优点：响应速度快，抗干扰能力强。 缺点：不能无级调速。
通过PLC和变频器上的RS485通讯接口，采用PLC编程通信控制。 优点：可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好。 缺点：抗干扰差，响应有延时。
通过PLC加数模（DA）转换模块，将PLC数字信号转换成电压（或电流视变频器设置而定）信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。
优点：无级调速。
缺点：调速精度低，不直观；数模转换模块较贵 4.2.4欧姆龙CP1H的特点
欧姆龙 CP1H小型高功能PLC ，有如下特点： 1.基本性能
处理速度：基本指令0.1μs；特殊指令0.3μs；
I/O容量： 最多7个扩展单元，开关量最大320点，模拟量最大37路
程序容量：20K步； 数据容量：32K字 ；
机型类别：本体40点，24点输入，16点输出，继电器输出或晶体管输出可选；
2.特殊功能
4轴脉冲输出：100kHz×2和30 kHz×2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）；
4轴高速计数：单向100kHz或相位差50 kHz×4（X型和XA型），最大1MHz（Y型）；
内置模拟量： 4输入，2输出（XA型）； 3.通信功能
通信接口：最大2个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选）；本体附带一个USB编程端口；
通信功能：上位链接、无协议通信、NT链接（1:N）、串行网关功能、串行PLC链接功能、 Modbus-RTU简易主站；
4.其他功能 4-1模拟量输入手动设定； 2位7段码发光二极管显示故障信息；
支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大2块）；
支持FB/ST编程，可以利用欧姆龙的Smart FB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。 4.2.5 CP1H 的功能介绍
为了满足工业控制领域对设备的高性能、高集成度以及提高维护性能的需求，欧姆龙（OMRON）公司即将推出全新的具有高度扩展性的小型一体化可编程控制器（PLC）——SYSMAC CP1H，主要包括CP1H-X（标准型）、CP1H-XA（模拟量内置型）和CP1H-Y（高速定位型）这3种型号。CP1H集CS/CJ各种功能为一体，通过内置的多种功能充实、强化了应用能力，并且缩短了追加复杂程序的设计时间。拥有了诸多的新增功能之后，这款全新的小型PLC可应用于纺织、包装、食品、印刷，以及一些需要驱动功能，如线缆等多种工业控制场合，是目前同类产品中所少有的。
CP1H定位于小型机，但它却是基于CS/CJ（特别是CJ,CJ是中型PLC平台）平台的，因此具备了很多中型机的功能，如脉冲输出和模拟量输出等。欧姆龙以前推出的PLC以传统意义上的高端和低端产品为主，而像SYSMAC CP1H这样的集成了多种中型机功能的小型PLC则很少，所以，CP1H的推出具有很重要的意义，它弥补了欧姆龙产品链的重要一环，使得欧姆龙的整个PLC产品链更加完整了。
CP1H扩展了多种I/O功能，如集成的高速脉冲输出功能，可标准搭载4轴；计数器功能可标准搭载4轴相位差方式；配备的通用USB1.1并联端口也可实现标准搭载；更重要的事，CP1H具备了串行通信功能，这主要有两个端口实现，即可自由选择的RS-232C和RS-485。另外，现模拟量的监控，这很适合应用于各种装置的平面检查、元件生产中的小错误（如螺丝固定疏松等）防止工具，以及成型机的油压控制等场合。
这些I/O功能允许用户根据具体的应用需要以及成本限制进行取舍，并可扩展其他多种应用，如以太网等，这充分体现了SYSMAC CP1H的高度灵活性。CP1H支持标准的DeviceNet现场总线，也能对应Ethernet、CLK等网络。
CP1H所具有的可标准搭载4轴的高速脉冲输出功能在高精度定位方面可发挥优势，特别是用于电子产品制造装置的电解电容的组装，以及包装机的送纸等应用场合。CP1H-X系列可实现100kHz×2轴和30kHz×2轴的高速脉冲输出；CP1H-Y则内置了1MHz的线性驱动器输入/输出，同时还具有20点（12点输入，8点输出）的通用输入/输出，实现100kHz×2轴和30kHz×2轴的脉冲输出功能。
CP1H的高速计数器功能使其特别适合应用在纤维设备、纺织机械等主轴控制，以及建材制造机器、石材切割机等搬运定位场合。最大100kHz×4轴和10kHz×8轴，合计12轴的计数器，内置了8点输入中断功能，并具有50μs脉宽的脉冲捕捉能力。这些性能使得CP1H与欧姆龙早先推出的CPM2A相比，基本指令提高了6倍以上，而MOV指令则提高了26倍。不仅是基本指令，应用指令也实现了高速化，这些都为设备整体的高速化提供了帮助。
CP1H配备了标准USB1.1端口和2个串行通信接口（RS-232C和RS-485），在连接PT、各种元器件（变频器、温控器和智能传感器等），以及PLC之间的串行连接的同时，还能方便地实现与计算机的连接。如在控制多台锅炉时，需要对各种装置进行设定和监控，这时，CP1H之间可以实现最多9台10通道以内的数据交换。但串行PLC链接功能只能在CP1H的两个串行端口的其中之一生效。
CP1H的CPU是基于CJ平台的，虽然定位于小型机应用领域，但速度和处理功能已经远远高于小型机的范畴了，所以较一般小型机具有明显的性能优势，其处理一条基本指令所需要的时间仅为0.1μs，而一般小型PLC产品的CPU处理相同的指令所需要的时间都在0.6μs以上。用户可以根据应用需求和成本限制选择不同等级（CP1H-X、CP1H-XA和CP1H-Y）的CPU