西门子6ES7223-1PM22-0XA8正规授权
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展，使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。本设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的jingque控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能:变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
PLC特点：，可靠性高、抗干扰能力强，平均故障时间为几十万小时。PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
在应用PLC系统设计时，应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定。
（1）大限度地满足被控对象的控制要求；
（2）系统结构力求简单；
（3）系统工作要稳定、可靠；
（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；
（5）人机界面友好。
本系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，采用ABB公司的ABBACS800变频器，系统中由S7-200系列PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。基于S7-200PLC的编程软件,采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计,实现变频器的参数设置、故障诊断和电机的启动和停止。
1 本设计的控制要求：
1)系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；
2)要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；
3)用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；
4)变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上；
5)具有水位过高、过低报警和提示用户功能；
2 本设计控制结构:
由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台PLC进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC,完全能够胜任此功能。系统控制结构如图1所示。
PLC采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息。本系统中，对电机采用一台变频器来进行频率的调节控制。采用PLC输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且向PLC反馈自身的工作状态信号，当发生故障时，能够向PLC发出报警信号。由于变频调速是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现的，故在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差功率，具有高效率、宽范围、高精度的调速性能。
3 设备的选型
（1）PLC及其扩展模块的选型：
目前，存在着种类繁多的大、中、小型PLC，小到作为少量的继电器装置的替代品，大到作为分布式系统中的上位机，几乎可以满足各种工业控制的需要。新的PLC产品还在不断的涌现，那么，如何选择一个合适PLC？
本系统有一台电机、一个液位传感器、一个变频器、五个继电器，共有十八个I/O点，它们构成被控对象。综合分析各类PLC的特点，终选西门子公司的S7系列PLC。
由于CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，完全能满足控制要求。此PLC可连接7个扩展模块，大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。
根据上述分析，参照西门子S7-200产品目录，选用主机为CPU226 PLC一台、另加上一台模拟量扩展模块EM235。
（2）变频器模块的选型：
目前，市场上存在各种各样的变频器，本设计采用ABB公司的ABBACS800变频器。ACS800系列传动产品大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，DTC控制，通用备件，通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。内含启动引导程序，令您调试易如反掌；自定义编程：内置可编程模块，犹如PLC令您发挥自如；体积小巧：内置滤波器，斩波器及电抗器、性能卓越。
4 系统的控制流程：
（1）程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。
（2）程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。
（3）编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。
（4）程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是诊断和改正软件中的错误。
（5）编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的
下面是系统设计流程图：
图2 PLC水位控制流程图
5 程序结构：
本程序分为三部分：主程序、各个子程序、和中断程序（见第四章）。逻辑运算及报警处理等放在主程序中。系统初始化的一些工作及液位显示放在子程序中完成，用以节省时间。利用定时中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。在本系统中，只用比例积分控制，确定增益和时间常数为：增益Kc=0.25；采样时间Ts=0.1S；积分时间Ti=30S；微分时间Td=0S。
6 PLC编程软件。
本设计使用的是软件是STEP7-Micro/WIN,该软件主要协助用户开发应用程序，除了具有创建程序的相关功能，还有一些文档管理等工具性功能，还可直接通过软件设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。
该软件可以工作于联机和离线两种工作方式，所谓联机是指直接与PLC连接，允许两者之间进行通信，如上装或下载用户程序和组态数据等。离线则是指不直接与PLC联系，所有程序及参数暂时存入磁盘，联机后再下载至PLC。
引言
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,中的用水量的波动也越来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。这里,介绍一种变频控制的恒压供水系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源[5]。
一、系统介绍
该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC）、变频器、压力传感器、PID控制器以及相关软件控制单元。该装置形成一套完整的、全自动的、智能的恒压供水控制系统，如图1所示。该系统能够以三种方式工作，分别为全自动、半自动和手动操作方式，其中后两种是在全自动方式出现故障时的弥补。
图1 恒压供水系统简图
2全自动恒压供水控制原理
当主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以保持压力的连续性，将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，表现为变频器已工作在低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到后一台泵用主频器恒压供水[4]。控制系统设两台泵为一组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。
二、系统原理图
1.PLC系统原理图，如图2所示：
图2 PLC系统原理图
2.外部设备接线图，如图3所示：
三、 恒压供水控制系统的编程
本程序用富士专用的FLEX PLC编程器编译[1]，利用梯形图清晰直观地展示各设备的运转状况等等。具体编程思想如下：
选择利用FLEXPLC的输入继电器、输出继电器以及内部继电器，确定本设计方案所包括的仪器仪表。即一台富士NB系列PLC、两台7.5KW水泵、一台富士G11/P11变频器、一台压力传感器、一台SR90系列PID调节器、若干个空气开关、断路器、中间继电器等。根据PLC接线原理图（如图2所示），进行详细接线，并参考FUJINB系列可编程控制器得参考手册，对PLC输入输出端子进行定义。
部分梯形图
PLC的恒压供水控制系统部分梯形图如下[2]：
四、系统操作说明
4.1自动控制
1. 设定用户需要的目标压力值
系统送电之后，控制柜面板上的电源指示灯点亮，其下方的温控表将会有显示：PV---.---、SV---.---。其中PV---.---表示水管网中的实测压力值,SV---.---表示用户需要的目标压力值.用户可按动▲、▼键使SV---.--- 中的数字发生改变，直到显示用户需要的水管网的压力值时按下ENT键，结束目标压力值设定。
2.选择需要开启的泵组
自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，泵组处于启动状态，系统将选择1号泵组启动；控制柜面板上的自动/停/手动开关扳到垂直位置时，四台泵组均处于停止状态。当将自动/停/手动开关向左45度扳动一次时，系统将选择2号泵启动；
3.变频自动工作开始
当系统检测到某台泵组的启动信号以后，便会使变频器开始升频工作，此时水管网中的压力开始上升，即PV---.---中的显示值开始上升，并不断趋向于用户设定的SV---.---中的目标压力值。当水管网中的压力和用户的设定的目标压力值相吻合（即PV---.---中的显示值和SV---.---中的显示值相吻合）时，变频器的输出频率便会稳定[3]。
4.2自动控制中的部分功能
1.自动切换至工频
2.故障泵组自动退出运行
3.定期倒换工作泵组
五、恒压供水控制系统的优点
1.采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。
2.用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。
3.拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
4.在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
5.电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。
6.由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与公司总调度室计算机网络进行连接。
7.通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量
一、引言
在各种机械设置上，PLC与变频器的应用可谓无处不在。常见的用法是使用模拟量模块（一般是电压）来对变频器进行控制。这种方法的主要的缺点是成本高，并且容易受干扰（电压方式），控制精度也很难作得很高，而采用通信方式就可以很好地避免这个问题。一般PLC的通信编程是一件很不容易的事。本文介绍了V80系列PLC与变频器的通信方法。
二、V80 PLC介绍
V80系列PLC是深圳德维森科技有限公司开发的一款通用型高性价比的小型可编程控制器（PLC），采用32位高性能CPU芯片和高速逻辑解析ASIC芯片,相对于一般的小型PLC，在通信应用方面具有以下特点：
1、本机自带双串口，其中一个是232编程口，工作于MODBUS从模式，一般只用于编程和连接人机设备。另一个口为485接口，除了具有串口1所具有的功能外，还能工作于MODBUS主模式、自由通信模式，具有强大的通信功能。与一般的PLC相比，它不需要额外购买连接电缆和通信组件。
2、具有48K的程序空间，9000个中间接点，9999个内部寄存器，加上极其强大的应用指令，能够方便地编写很复杂的程序，甚至是复杂的通信协议。
3、V80PLC的默认通信协议就是MODBUS从协议(RTU)，甚至内部变量的编址方式也是按照协议进行的，在MODBUS通信的应用性上具有无可比拟的优势。对于不支持MODBUS协议的设备，则可以通过自由通信方式编写。
三、与兼容标准MODBUS RTU协议的变频通信
对于采用MODBUSRTU从协议的设备，可以把V80PLC的串口2设置成MODBUS主的方式与其进行直接互连。下面以东元7200MA变频器为例，下面是引用其说明书上的一段文字：
东元7200MA变频器采用了MODBUS RTU从协议，它的通信数据格式描述如下：
在MODBUS RTU 模式的通讯协议中，一个信息(Message)乃由4 个部份组成：Slave地址、功能码、数据及CRC-16数据校验，并依序送出。每一个信息的开始与结束，皆以3.5个字符(Character)的间隔时间来做识别。
对于V80系列PLC，上面的信息只是证明了它采用了部分MODBUS从协议（只支持03、10H这两种命令，也就是读写寄存器4命令），是可以与V80直接连接的，而具体的细节就不需要关心了，因为V80_PLC的M_BUS指令已经封装了这些数据过程。我们只关心如下参数：
1、读写类型及设备地址。
2、目标设备的寄存器（线圈）号，本地存放数据的寄存器（线圈）号，信息长度。
3、通信间隔，也就是多久通信一次。
4、一些通信参数，如波特率、奇偶校验位、通信超时时间等
根据这几项参数，用以下程序就可以实现与东元变频器的通信了。
假设东元变频器上的设备地址为1，上图的程序完成了这样一种功能：把PLC内部41100~41115变量的内容，写到东元变频器寄存器区域偏移为00~015的连续16个寄存器里去，中间继电器01000每次从0变为1，双方通信一次。当然在之前要对PLC进行一下参数设置，具体可参见V80PLC的软件手册。
四、与其它协议的变频器通信
对于不兼容标准MODBUS RTU协议的变频器，可以采用自由通信功能块实现。相对于M_BUS指令，自由通信的编程难度要大得多，但也灵活得多，大体上跟一些语言（如C语言）的编程思路差不多。用户好具有一定的通信编程的经验，并需要先准备好一些调试工具，如232->485转换器、串口监控软件等，因为影响通信的因素太多，有一些好的调试工具往往可以收到事倍工半的效果。
下面以正弦SINE003系列变频器为例，说明V80PLC的自由通信协议编程方法。
正弦SINE003系列变频器的通信格式如下：
异或校验
数据含义：数据帧从机地址至数据信息的异或结果。既第 2字节与第3字节异或的结果，再与第4字节异或，以此类推至第13字节。
数据类型：16进制，单字节。
发送方式：将校验和字节的高 4位和低4位拆分并转换为ASCII码，先高后低发送。
结果处理：当校验结果小于等于 1FH，则校验结果加20H。
它使用了ASCII码来表示传输内容，用STX（02H）、ETX（03H）作为开始和结束标志，也是一种比较典型的通信协议。使用前要把数据转换成ASCII码，V80PLC提供了ASCBIN及BINASC指令，来完成“0~H”这十六个ASCII数字与十六进制码的互换。
当发送脉冲产生时，各数据被换成ASC码并存放在发送缓冲区中，每个二进制码转换后占二个字。
SINE003采用异或校验，只针对ASC码部分，这部分程序如下：
实际上还有几个字节的异或指令没列出来，对异或结果进行判断，小于1FH则加20H，之后可以用字组拆分指令“PACK”把它拆成两个字节，按先高后低填到发送区，这部分比较简单，不再单独列出，下面是发送和接收程序。
发送程序比较简单，只需填一个发送长度即可，而接收的情况则要复杂一点（图里没有体现出来）。在发送的就打开接收，使能开始字符和结束字符（通过设置控制位，这里没画出来），并把开始字符和结束字符填好，还有一些超时时间之类的设置（有兴趣的可以参见V80PLC的软件手册），这样当接收到“02H”就认为是一帧的开始，接收到“03H”就认为是一帧的结束，当然也可以结合其它条件，如字符超时等，各种状态都可以在状态位里体现。
接收到完整的一帧后，状态位里会有指示，把接收回来的数据进行校验，并重新转换成十六进制，就可以进行各种处理了。
五、结束语
采用V80系列PLC与变频器通信的方案，可以大大地节省成本，并带来更高的可靠性。