第4章 硬件系统配置
通过前面对供水系统结构和控制方案的分析，确定下来了本系统所需要的硬件设备主要有 PLC 设备、变频器、压力传感器和压力控制器构成的压力变送器、以及水泵机组和继电设备等。本章将对这些硬件设备进行具体选型分析和配置。
4.1 PLC 的选择
4.1.1 PLC 的具体选型
PLC又称作为工业计算机，在整个变频恒压供水控制系统中起到核心控制作用，它要完成对系统中所有输入信号（包括数字量信号和模拟量信号）的采集，并经过 CPU 运算处理，产生相关输出信号，所有输出单元进行控制，并经过循环扫描工作，实时控制所用执行器工作[13]。因此我们在选择 PLC 时，要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。在 PLC 品牌选择方面，主要根据供水电气控制系统的功能要求，考虑系统的市场的认可度、工作稳定性、可靠性以及出色的性价比，本课题选择西门子 S7 系列 PLC 作为供水电气控制系统的主机。虽然美国的 Rockwell 和 ABB 等系列 PLC 软硬件都很出色，控制功能都很强大，但是其高昂的价格不适合作为本控制系统的主机，日本三菱、松下、欧姆龙系列 PLC 虽然价格比较便宜，不过稳定性要比西门子 S7 系列稍逊一筹，所以也不予考虑。另外由于供水系统电气控制电路的输入/输出端口数量较少，本控制系统选择小型 PLC 端口数量即能满足要求。因此采用 CPU224 作为该控制系统的主机。在该控制系统中，还需要采集传感器的模拟信号，因此需要再扩展一个模拟量输入/
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输出扩展模块。西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC配置了模拟量输入/输出模块 EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。 4.1.2 PLC的I/O资源配置
通过上面选型分析，并根据系统的功能要求，对 PLC 的 I/O 进行配置，具体分配如下：
1、数字I/O信号
此供水系统的控制信号，所需要的输入量基本上都属于基本数字量，主要包括各种按钮、旋钮和开关等数字输入，共有 15 个数字输入量；而此控制系统中，所用到输出控制设备主要是接触器和阀门。其系统数字量 I/O 具体分配如表 4.1 所示。
表4.1 I/O地址分配
输入信号地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5
输入设备 急停 SA 手动启动信号SB1 自动启动信号SB2 水池高位信号 水池低位信号 1#泵工频启动SB3 1#泵变频启动SB6 2#泵工频启动SB4 2#泵变频启动SB7 3#泵工频启动SB5 3#泵变频启动SB8 电动机加速 电动机减速 水池进水阀门 21
输出信号地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 输出设备 1#泵工频 KM1 1#泵变频 KM4 2#泵工频 KM2 2#泵变频 KM5 3#泵工频 KM3 3#泵变频 KM6 水池阀门
I1.6 变频器复位 2、模拟量输信号
由于需要采集压力传感器所反馈的数据信号，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，具体 I/O 分配如表 4.2 所示。
表4.2 模拟量输入地址分配
输入地址 AIW0 输入设备 压力传感器 4.1.3 PLC 控制系统与端口连接
根据控制系统的功能要求、如表 4-1 和表 4-2 所示的 I/O 分配情况，设计出出PLC控制系统与端口元件的连线图，如图 4-1 所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。
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急停手动启动自动启动水池高位水池低位1#泵工频启动1#泵变频启动2#泵工频启动2#泵变频启动3#泵工频启动3#泵变频启动电动机加速电动机减速水池进水阀门变频器复位10.010.110.210.3Q0.010.410.510.610.711.011.111.211.311.411.511.6Q0.11#泵工频接触器1#泵变频接触器2#泵工频接触器2#泵变频接触器3#泵工频接触器3#泵变频接触器水池阀门S7-200CPU 224+EM221Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6溶解氧仪AIWO EM235图 4-1 PLC 控制系统与端口硬件连线图
图4-1 PLC控制系统与端口硬件连线图
4.2 变频器的选择
恒压供水系统的实现就是靠变频器控制水泵的变频运行，所以变频器的选择也是很重要的一个环节。 4.2.1 变频器的选型
目前，国内外通用变频器品牌很多，国外市场占用率较高的有西门子、
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ABB、安川、三菱等品牌；国内有森兰、四方、台安等众多品牌。通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。其总的选用原则是在满足控制要求的前提下，尽可能考虑系统的投入成本。要根据负载的具体要求，比如需要考虑系统特性、负载的起动转矩、调速范围等参数，选择性价比相对较高的类型和品牌。综合以上因素，并进行相关市场调研，发现西门子变频器在国内变频器市场有很高的占有率，并且工作性能稳定，有较强的组合功能和良好的力矩特性。所以，本控制系统选用西门子公司生产的 MM430型变频器，它能适用于各种变频调速控制系统，其对水泵、风机类负载进行调速具有突出优势。选择时还需注意一个问题是一定按照变频器说明书内规定配用电机水泵容量[19]。
4.2.2 MM430型变频器性能特点及技术指标
MM430 变频器具有模块化设计。操作面板和通讯模块可以不使用任何工具，非常方便的用手进行更换，MM430 适合用于各种变速驱动系统装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。MM430 型变频器，具有利用率高、稳定性好的特点，具有较多的输
入端子和输出端子，相对 MM420 型变频器操作面板进行了优化设计，更便于工作人员进行操作，其主要技术指标如下：
1、6 个可编程的带电位隔离的数字输入端。 2、2 个模拟输入，也可作为第 7/8 个数字输入端。 3、2 个可编程的模拟输出（0～20mA）。
4、3 个可编程的继电器输出，在阻性负载下：DC30V/5A；感性负载下：AC250/2A。
5、MM430 变频器可与 S7-200PLC 连接，也可集成到 SIMATIC 和SIMOTION 的 TIA 系统中。
6、具有内置 PID 控制器，可用于简单的过程控制。
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