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1、北京理工大学远程教育学院毕业设计（论文）毕业论文题目：基于PLC的恒压供水控制系统的设计 指导教师姓名： 马立玲 类别： 专升本 专 业： 电气工程及其自动化班 级： 姓 名： 胡博达2020年04月04日北京理工大学现代远程（继续）教育学院毕业设计(论文)摘 要随着城市化的发展，供水的便利性和稳定性决定了用水的品质，对工作和生活有着重要的意义。本文设计的变频调速恒压供水系统是以PLC以及频率转换器为主要控制系统，A/D转换模块将压力传感器检测到的数字信号变成标准的电信号，通过CPU的PID算法处理的差异，然后由CPU发出控制指令，改变频率可变控制器的频率和输出电压来改变泵的转速和泵数，比如一
2、台作变速运行时其他两泵作恒速运行。这样，主管道的压力就稳定在恒定范围内，从而保证了供水能力与用水的平衡。此外，变频恒压供水是以PLC为基础，并与供水泵、压力表等设备相结合，实现切换水泵、运行监控、数据报警的功能。供水系统以用户体积为基础，自动调节参数的节能系统实现了水量的恒定和多变。该系统能保持稳定的水压，保护需水量，可应用于高层建筑、居民小区、企业生产等方面。关键词：PLC；恒压供水；变频调速；组态软件ABSTRACTThe A / D conversion module changes the digital signal detected by the pressure sensor i
3、nto the standard electrical signal, processes the difference through the PID algorithm of the CPU, and then the CPU sends out the control command, changes the frequency and output voltage of the frequency variable controller to change the speed and number of pumps, such as The other two pumps operat
4、e at constant speed when the platform is in variable speed operation. In this way, the pressure of the main pipeline is stable in a constant range, thus ensuring the balance between water supply capacity and water consumption. In addition, frequency conversion constant pressure water supply is based
5、 on PLC, and combined with water supply pump, pressure gauge and other equipment, to achieve the function of switching water pump, operation monitoring, data alarm.The water supply system is based on the user volume, and the energy-saving system with automatic adjustment parameters realizes the cons
6、tant and variable water volume. The system can maintain stable water pressure and protect water demand, which can be applied to high-rise buildings, residential areas, enterprise production and other aspects.Key words: PLC; constant pressure water supply; variable frequency speed regulation; configu
7、ration software目 录1绪论11.1 引言11.2 课题背景及意义11.3 供水系统的国内外研究现状21.3.1 国内外发展与现状21.3.2变频供水系统的发展趋势21.4 PLC概述31.4.1 可编程逻辑控制器简介31.4.2 西门子S7-200系列PLC简介32 变频恒压供水系统的理论分析及方案52.1 系统的理论分析52.1.1水泵工作原理及节能原理52.1.2 供水系统恒压原理52.2 变频恒压供水系统控制方案的确定62.2.1控制方案的确定62.2.2 变频恒压供水系统的体系结构72.2.3 变频恒压供水系统控制流程92.2.4 水泵切换控制分析103 系统的硬件设计
8、123.1 系统主要设备的选型123.1.1 PLC及其扩展模块的选型123.1.2 变频器的选型133.1.3 水泵机组的选型133.1.4 压力变送器的选型133.2 系统主电路设计143.3 系统控制电路设计153.4 PLC的I/O端口分配及外围接线174 系统的软件设计204.1 系统软件设计分析204.2 PLC程序设计244.2.1控制系统主程序设计244.2.2 控制系统子程序设计275 监控系统的设计305.1 组态软件简介305.2 监控系统的设计305.2.1 组态王的通信参数设置305.2.2 新建工程与组态变量315.2.3 组态画面315.2.4 监控系统界面326
9、 结论34参考文献36IV1绪论1.1 引言水是生命之源，人们对用水品质、安全等问题愈加重视。要实现供水量与消费量的一致必须要保持恒定的供水压力。以城市的水供给管网络为中心，通过水泵来驱动泵机产生压力，使网管水流动，从而达到给用户送水的目的。变频调速恒压供水系统的策略是：通过PLC、频率可变控制器、压力变送器和电机构成变频调速闭环控制系统，该系统的目的是泵站主管道的出口压力。系统有三台水泵可用于流量调节，通过对主供水管压力表的实测值和压力表实测值的比较，通过CPU的PID算法处理的差异，然后CPU发出控制指令，改变泵的转速和泵数，比如一台作变速运行时其他两泵作恒速运行。这样，主管道的压力就稳定
10、在这些值之内，从而保证了供水能力与用水的平衡1。本文实现变频恒压供水系统是以PLC为中心、结合传感器和数字PID技术，监控方面使用MCGS软件设计。在高峰期启动两个水泵的供水方式是一个耗时的操作，特别是给高层居民带来供水不便。全速运行，导致严重浪费电。以变频调速为核心，恒压供水控制系统的应用越来越广泛，具有平稳可靠启动、设备寿命延长等优点。按照以上要求，首先确定总体结构，实现变频调速用频率可变控制器以及PLC；其次，设计系统硬件，设置频率可变控制器参数，分配I/O点；最后，在软件设计方法的基础上，通过对供水系统的分析，设计了软件流程图和梯形图程序。文中介绍了系统的运行方案、电气原理图、梯形图控
11、制程序和监控系统等2。1.2 课题背景及意义现在我国城市建设的发展十分迅速，供水问题在中小城市的高楼建筑中也越发突出。能够满足供水需求的系统首先要求改善供水水质，供水水压的波动不会引起供水的故障；其次必须在供水的安全可靠性方面有保证。传统供水使用水塔的方式虽然控制方式简单且在停电时可实现不断水，但仍然存在诸多缺点：一是不能满足峰谷使用的要求；二是供水压力大幅度变化，会破坏管道和闸门，导致维护成本较高；第三，它对环境有一定的影响是不可避免的。供水系统如今的发展方向是自主控制、高效运行以及节约能源，变频调速控制方式的优势就是在稳定性和节能结果方面比较突出，起动电流低对网管及电网无打击，在高能耗装备
12、上有普遍应用。我国的供水机泵虽然类型多、范围广且数量大，但远远比不上国外的先进技术，尤其是在工程标准、技术水平、经济效益等指标方面3。变频调速恒压供水系统是自控和变频原理的结合，可随水量的不同自主改变系统的工作参数，而频率可变控制器的采用使得水泵转速的无级调节得以实现，管网的恒定水压也得以保持。系统不仅在可靠稳定性上有进步，使用户对供水的需求得到满足，而且有效减小了水压对设备的冲击，节能效果明显。该系统的设计研究对于解决现在能源紧缺造成的问题、提高人民生活水平等方面有重大的现实意义。1.3 供水系统的国内外研究现状1.3.1 国内外发展与现状变频调速技术是为了实现控制电机转速、频率和电压发生变
13、化的技术，它在各种产业中广泛使用，如家电产品、运输、纤维、机械、冶金等化学工业，具有高效节能、调速平稳、完善的保护功能等优点。为了提高国家能源效率计划，该项技术是非常重要的4。随着的电力电子技术和产业自动化技术的发展，世界性能源不足问题也愈发突出，在定压供给水系统中频率可变控制技术的应用变得更多，水供应环境得到了很大的改善。通过使用供给网管中的瞬时压力变化，在供给系统的实际时间内调节水泵的速度，通过开关、PLC等智能控制装置来切换泵电机。可以保持其管网压力设定点的压力。与高塔的水供应系统和气压水箱供水系统等具有一定速度的传统供水系统相比，频率可变控制系统供水的稳定性、灵活性和节能性更高。目前，
14、海外的恒定压力控制技术比国内更先进，用于定压供水系统的频率可变控制器也相对更成熟，更值得信赖。但是就现状而言，供水技术在国内的发展并不能全范围覆盖，对于消费者的不同需求，还有很长一段路要走。 因此，进一步改善的话，对可变频率的提高和工作性能中的定压供给水系统的研究是必要的，使其更好地在生活和生产实践得到运用5。1.3.2变频供水系统的发展趋势现在供水系统的自动控制设计对稳定性、可靠性和运行维修上提出来更高的要求，所以希望能够自动减轻工人的劳动量和劳动强度，使供水系统有更高效的操作性和可靠性。供水系统的未来趋势：采用组合式、简单、高效、节能和自动高信率的自动机械泵开关；可以自动报警并记录音频数据
15、；与计算机网络产业界的动态动作参数连接，从计算机的指令被接收为实现水供给系统的智能动作。许多频率可变控制器是特别为国内外供水系统设计的，集成化程度越来越高。与小功率和小容量场合应用较广泛相比，国产频率可变控制器大型场合下仍有不足，还需要不断努力的研究设计才能应用于更大的环境。1.4 PLC概述1.4.1 可编程逻辑控制器简介PLC是基于集成电子控制电路技术的设备，属于计算机家族，广泛应用于制造业中的工业过程等一系列自动化任务。PLC的开发原本是为了取代继电器而服务于汽车工业。作为自动化控制器，自那时以来，因为高可靠性而使得其在环境恶劣时也能应用良好6。早期的PLC被设计成替代继电器逻辑系统的设
16、备。对低成本、多用途和容易委托的控制器的需求导致了PLC的发展，如今已被加固并适合于控制制造过程，例如装配线或机器人装置，可在各种工业应用中快速简单地使用。长久发展下来，PLC已经具有的强大的功能、完善的控制系统编程方法。与大多数其他计算设备的主要区别在于PLC可容忍更苛刻的条件同时提供广泛的输入/输出（I/O）以将PLC连接到传感器和致动器。1.4.2 西门子S7-200系列PLC简介SIMAIC S7-200微型PLC系统是一个全功能的可编程控制系统，可以解决大部分应用程序，适合大多数自动控制设备。每个紧凑的S7-200 CPU单元是完全自包含的，并且包括CPU、电源和输入/输出点（I/O
17、）。更大的系统，具有附加的I/O、通信或操作员交互需求，可以通过添加扩展模块来配置7。特点如下：（1）独立的CPU，结构小而且紧凑，强大的性能；（2）最优微模块化扩展能力和通信数据的开放性；（3）简单的离散、浮点数学控制能力；（4）存储数据和程序的容量大；（5）操作过程和顺序快速而精准。2 变频恒压供水系统的理论分析及方案2.1 系统的理论分析2.1.1水泵工作原理及节能原理泵是一种利用自然基本的力量通过机械作用来移动流体（液体或气体）的装置。实质上把水传递输送到目的地，即增加压力把机械能转换为流体能量。当运动的泵部件（叶轮、叶片、活塞隔膜等）开始移动时，泵内液体也随之移动，空气被推开。空气的
18、运动产生了部分真空（低压），它可以被更多的空气填充。因此更多的液体因为大气压力流入水泵内，就这样连续被吸进液池中然后又连续从水泵出口排出。泵的功率损耗与速度的立方成比例。节流阀模式下电机始终在额定转速运行。设想在阀门开度为80%时系统稳定，此时设速度为n1，功率为p1。当采用变频方式时，只有低速电机转速达到额定转速的80%，同时把阀门完全打开，才可以满足同样的供水需求8。则此时两次功率损耗的关系如公式2-1所示。 （2-1）从公式上看，变频损耗功率与传统方式相比小得多。所以在节能潜力上，变频恒压供水系统的效果更加明显8。2.1.2 供水系统恒压原理供水系统通过控制出口压力来改变管道的控制方式和
19、管网压力设定值。扬程特性曲线：泵在流量不同时有不同的扬程，如下图2-1。该曲线由于频率变换速度控制电机改变转速时也发生变化。保持阀门开度不变。管阻特性曲线：泵管道在不同流量时对应的阻力不同，如下图2-1。图2-1 供水系统的恒压原理要达到改变泵流量和扬程的目的，需要使管阻性线与扬程性线的交点发生变化，即使泵的管道阻力系数发生变化，根本上是使出口阀门开度发生变化。在该系统中，要达到改变电机的转动速度，就是要使频率变换器的输出频率发生变化。在转速变化后，管阻特性曲线不变时，与扬程特性曲线相交成为泵新的工作点上，用水流量Qu和供水流量Qc相平衡，扬程特性和管阻特性同时得到满足，则此时系统运行稳定。只
20、有准确控制供水量，系统稳定运行的目的才能达到。在阀门开度恒定时，改变电机转动速度可以使流量的大小发生变化。用水量增大则供水流量Q增大，管网供水压力也随之降低，这时需要增大频率可变控制器的输出频率才能保持供水压力恒定，则水泵的转速也增加，反之亦然。如下公式2-2所示，电动机转动速度n与频率f成正比，公式中极对数p、转差率s。根据改变电机供电频率改变供水速度进而改变供水流量，是变频供水系统的原理。 （2-2）通过用户的供水管所设置的压力变送器，将定压供给水系统实时检测基准点水压和管网络的水压，自动转换成标准电信号。因为是模拟信号，所以需要将实际值与设定值的偏差比较后进行PID运算，再通过D/A转换
21、器转换为模拟量。控制频率可变控制器的输出频率，达到对电动机的速度的控制，来控制泵的水的供给流量，以保持用户的供水管的压力为恒定，实现频率变换和定压供水。2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定2.2.1控制方案的确定根据设计要求，用于实现对供水系统执行机构的控制、自动设备运行状态的显示、三相电流泵的自动测量、具有过电压报警等保护功能、便于设备故障维修等，本系统的控制方式需要考虑有两种模式：手动控制和自动控制。根据系统的控制特点，采用现代控制理论与PID控制相结合，电机调速装置和PLC通过调速器优化泵运行，自动调节泵的运行单位数，实现对水压的闭环控制，然后控制泵站的水压。系统运行后，水压泵站主水压
22、和设定的系统反馈更大，与输入CPU的差值进行处理，如果差值超过设定范围，则发出控制指令，使电机转速一致，使主水压和设定压力值始终保持一致，从而保持稳定的网管压力。供水系统设计的任务是用频率可变控制器循环控制水泵电压控制装置，使用管网供水的压力一定，实现泵电动机的软启动和频率变换泵之间的开关，并且实现传输数据的功能。根据需要，考虑系统的使用场所，本文采用频率可变控制器通用模式与PLC控制结合实现该变频恒压供水系统10。2.2.2 变频恒压供水系统的体系结构系统主要包括控制器、执行器和测量传感器和监控器四个部分，形成一个完整的闭环调节系统。控制器主要包括可编程控制器PLC、PI控制器、频率可变控制
23、器和电控组。 控制器作为整个系统的控制核心，主要用于手动启动和停止各单元，处理模拟量，控制泵启动和切换、PID控制调节和数据处理。执行器的构成是变频泵1台和只能运行于起停工作状态的2台工频泵。 变频泵通过频率可变控制器控制可根据水量的不同改变电机的转速，而工频泵在变频泵达到频率上限时投入工作。测量传感部分包括压力变送器、液位变送器、压力表及报警、报警铃，主要用于测量管网水压信号、水池水位信号和报警信号以及实现SIIEMS运行的水压、流量、温度等控制策略。防止水泵空转、电机过载等故障。监控部分中文组态软件，主要用于系统菜单操作、测量信号量化显示参数设置、故障信息处理、报警信号显示。供水系统的流程
24、如下图2-2所示。图2-2变频恒压供水系统流程图变频调速恒压供水系统框图如图2-3所示。将其与给定值比较，设置频率转换器通过PID进行数据运算处理，输出运行频率。PID模块可以进行比较、差分操作。当实际供水压比给定值低时，频率可变控制器的输出频率就会提高，否则会降低，另外差分调节会随着压力的改变而工作。系统运行后，水压泵站主水压和设定的系统反馈更大，与输入CPU的差值进行处理，如果差值超过设定范围，则发出控制指令，使电机转速一致， 使主水压和设定压力值始终保持一致，从而保持稳定的网管压力。图2-3供水系统框图2.2.3 变频恒压供水系统控制流程实现系统恒压供水是一个闭环控制过程，频率可变控制器
25、执行控制过程，输出频率不同则使达到改变供水压力的目的，完成整个运行控制过程。该系统PLC的功能是调整水泵运行数量并且控制交流接触器组在不同需求下进行工频和变频的切换。（1）系统开始工作，如上图接通KM1，以变频方式运行1号泵。 根据设定值与实测量值偏差来调节输出频率，控制1号泵的运行速度。 当它与设定值相同时，水的供给量与消耗量相同，此时电动机在这个期间内处于调整速度的工作状态。（2）水消耗变大 供水压力变小 反馈信息弱化 偏差差距加大 加大输出的信号频率增强 转速加快 供水量大增 转速趋于稳定。 反之，亦然。（3）水消耗仍然变大 频率变换器达到上限但实际压力没有达到设定值 输出上限信号断开K
26、M1、接通KM2，以工频运行1号泵 接通KM3，2号以变频起动 闭环调节继续。（4）水消耗仍然变大 收到上限输出信号 断开KM3、接通KM4，以工频运行2号 同时接通KM5， 以变频运行3号泵 输出频率达到上限但压力没有 水压超限报警。（5）水消耗变小 水压变大 变频器频率小到下限，实际水压仍高于设定压力值 输出下限信号 KM5、KM4接通，KM2吸合， 变频启动2号泵闭环调节继续 再次收到下限信号。2.2.4 水泵切换控制分析为了确定频率可变控制器的工作频率，PLC通过检测其上限和下限输出频率，使水的接触器组泵的数量增加或减少。PLC正常运行时，可以通过控制直接连接到PLC输入的开关按键组来
27、改变输出状态实现控制系统的功能。当手动控制的情况下，系统可以通过手动按钮直接控制特定的接触器的动作状态来进行硬件工作情况的测试和调试。在自动控制的情况下，系统可以根据不同的频率可变控制器频率自动调整交流接触器的工作状态12。PLC不但对交流接触器的控制发挥着重要的作用，另外具有控制电磁阀的故障点的功能。有时用水量越增加，一台变频泵效率达不到设定值，此时增加以工频形式运行的泵来提供供水就有需要，但是合适且不过于频繁的切换才能使系统稳定可靠。（1）电机运行的上限频率：50Hz。因为电力网络、频率变换器、电动机运行频率的限制。（2）电机运行的下限频率：20Hz。由于水泵机组在工作频率减小到某个值时水
28、已经抽不出来了，此时，供水压力并不会随频率减小而继续降低。 即此时这个比0Hz大很多的工作频率就作为下限频率，所以选取这个值作为下限频率。当输出达到频率的上限值时，如果一旦供水压力设定值大于反馈压力即时就开始控制切换电机，会造成供水压力突然比设定值大太多的情况，那么系统的稳定性有所降低。所以，在实际应用中，只有明确切换电机条件才能保证系统稳定性，这就要考虑回滞环思想进行条件分析，如下图2-4。图2-4 用于压力判断的回滞环 即：如果频率可变控制器的输出频率达到上限，要想增加电机组，需要在实际供水压力值比设定值小Pd/2时才成立；反之亦然。回滞环表明如果满足切换条件，则实际水压不能满足设定的要求
29、。但完全用满足这个判别条件来证明需要机组切换是存在例外的，会对系统造成影响。所以有必要在判别条件中加入延时的判断。所谓延时判别，主要是当光不能满足目前供电需求的时候，必须进行换机组的切换，还需要继续保持一段时间，即在延时后才能进行切换操作；反之则不成立，也就不能进行切换操作13。因此，实际的机组切换应满足延时条件且符合公式2-6和2-7所示。增加泵的判别条件： ， （2-6）减少泵的判别条件：， （2-7）式中，是上限频率，是下限频率，是设定压力，是反馈压力。3 系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型电气控制总框图如下图3-1所示。图3-1 系统的电气控制总框图由图3-1可以看出，本文设计的
30、供水系统主要的硬件设备选型包括PLC和扩展模块、压力液位变送器、频率可变控制器水泵机组如表3-1。3.1.1 PLC及其扩展模块的选型可变频率调速恒压供水系统的重点部分是PLC，为了与外部交换数据、采集所有输入输出信号、控制定压供给水，在选型时指令的执行速度、内存空间、通信接口等多方面因素要考虑在内。本文选择的是S7-200型PLC，生产于德国SIEMENS公司，它特点如下：高可靠性、紧凑的结构、简单的通信协议、丰富的通信指令，可以连接工业控制计算机自动完成监测控制。使可编程控制器和上位机实现数据通讯交换可以通过PC/PPI电缆。选用CPU222为PLC的主模块。继电器输出是AC220V。对于
31、各种输入信号，EM235通过开关可以进行设置，在接入数模转换端口时转换能自主进行。3.1.2 变频器的选型频率可变控制器是这个系统的执行控制程序的硬件。 频率转换器改变出水量是通过改变频率来改变电机的转速，因此需要根据电动机的电流和功率来选型。 另外频率转换器需要具有通信功能才能实现监控整个供水系统的功能。 变频器为实现与上述PLC选型之间数据交换、信息通讯更便捷，则选择西门子的MicroMaster430。特点如下：可根据不同的需要自定义I/O端口功能。 RS-485/232C接口在频率转换器本身内部就存在，还有它的闭环控制器PI在执行小控制流程时非常便捷。输出功率范围为7.5至250KW，
32、可在大功率、高要求的情况下应用。 水泵电机功率为75KW，则该变频器的输出信号满足成为该电机输入信号的要求。便于设备信息传送和数据交流。PLC可与通信端口RS-485直接相连。3.1.3 水泵机组的选型水泵机组的选型要根据要求并结合实际，选择的3台水泵是上海熊猫机械有限公司生产的功率为75KW的SFL系列。网管水压应是0.30.01Mpa，电动机正常工作时的功率为75KW。与用水量变化幅度相同，运行应处于高效率区，节能效果好。运行平稳，性能可靠。它可以输送清水等流质，低噪音、磨损小、寿命更长。一般用在城市给排水、空调冷却系统等15。3.1.4 压力变送器的选型在泵站的出水口的常设装置，主要有检
33、测管网水压的功能。A/D转换模块的输入信号是模拟量，而水压信号为数字量，所以需要转化为模拟量，范围是420mA。干扰或者损耗是信号传输过程中不可避免的，所以压力变送器选择420mA输出。当发出压力上限输出信号则将水泵关闭并报警，防止用电器的损坏或水管爆裂等问题。送给EM235模块的进行PID调节的电流信号是420mA，上、下限压力值可以通过设定来改变，继电器执行输出压力超过限制的信号16。表3-1 系统主要硬件设备主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 222模拟量扩展模块Siemens EM 235频率可变控制器Siemens MM 430水泵机组SFL系列水泵
34、3台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.2 系统主电路设计KM2、4、6决定以变频方式工作。该供水系统是三个泵的工作方式是依次使用循环泵。在少量用水时，为避免同台水泵工作时间过长，在变频泵连续运行超过三小时则要换另一台水泵。接触器KM1、2，KM3、4，KM5、6需要电气互锁的设计因为如果它们同时闭合或断开会造成变频、工频状态工作紊乱17。图3-2 变频恒压供水系统主电路图3.3 系统控制电路设计设计选择PLC为西门子S7-200系列具有自动变频并实现压力保持恒定的功能。图3-3为电控系
35、统控制电路图，0.00.5为PLC输出软电器触点，其中用于系统工作在可变频率时的是0.1、0.3、0.5，则0.2、0.4用于工作在工频状态。如图3-4为变频器接线图。图3-3 供水系统控制电路图图3-4变频器接线图3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线根据以上的控制要求，系统I/O端口分配如表3-2所示。表3-2 I/O端口地址分配名称代码地址编号输入信号自动/手动模式SA1I0.0水池水位上下限信号SLH/LI0.1/I0.2频率可变控制器报警信号SUI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、H
36、L1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.1续表3-2名称代码地址编号 2#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1频率可变控制器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4频率可变控制器频率复位控制KAQ1.5频率可变控制器输入电压信号UfAQW0结合图3-3以及表3-2，画出扩展模块EM235示意简图如3-4所示。图3-5 扩展模块EM2
37、35示意图该供水系统包括1个模拟量和4个数字量一共5个输入量。SA1是开关输入量，送到I0.0是为了选择工作模式是处于白天还是夜晚；水池水位信号是由液位变送器检测到的，然后转变成电信号在窗口比较器中设置不同的上下限值。若比较器输出为1则意味着达到了上限值，把这个信号传送到I0.1口；频率转换器的故障报警信号是将I0.2口与输出端接通；手动检查各灯运行是否正常是将SB7连接到I0.3。本文设计的系统有输出信号模拟量1个和数字量11个。电机以工频或变频状态工作输出信号是Q0.0Q0.5；超过水位上限的报警输出信号是Q1.1；频率转换器故障的报警输出信号是Q1.2；系统在白天工作则输出信号为Q1.3
38、；输出电铃报警信号的是Q1.4；频率转换器复频输出信号的是Q1.5；决定频率转换器输出频率大小的是AQW0输出的模拟信号18。4 系统的软件设计4.1 系统软件设计分析结合设计要求，在设计完硬件后，软件的设计应该要考虑能达到实现系统完整控制要求的目的。在控制系统中，频率可变控制器通过PLC对反馈信号作单闭环控制。另外，程序应将手动频率控制功能考虑在内。程序设计的主要任务是在执行程序之前，通过对各种信号来判断当前的系统是否处于稳定运行状态。而对于各操作任务的实现是通过操作变频器、接触器和继电器等设备来完成的。（1）水泵切换运行实现恒压效果要保持供水压力不变，当压力减小时频率可变控制器输出频率就要
39、增加。而且要根据实际情况考虑，及时判别达到输出频率上限时是否需启动另一台水泵。系统压力控制程序的设计流程如下图4-1。PLC对压力检测信号进行分析并与设定值比较。经过PID运算后使其与设定值相同，PLC改变频率参数从而达到供水压力恒定。当然中断程序处理信号报警的设计也有必要。图4-1恒压控制流程图（2） 增减水泵电机的管理由于电动机启动时对电网及设备冲击较大，所以采用软启动方式。软启动之前应该先将频率可变控制器复位。要产生两个脉冲信号，一个是将正在变频运行的水泵以工频运行的形式启动，另一个是使在当前泵号加1的水泵以变频运行的形式启动。其次由3.4节系统设计要求来看，为了避免同一台水泵长时间工作
40、而导致设备的损耗或故障，水泵必须交替使用。因此当水消耗量少时，已经连续工作三小时以上的水泵从频率可变控制器上切除，并以工频工作状态运行，而频率可变控制器进行复频操作并启动另一台新的水泵投入运行。对于该供水系统的两种工作模式，在选择自动运行时，PLC检测外接信号，如果要求满足，则将1号电机连接到变频器以变频状态工作，并由压力反馈来对频率的大小做出调整19。按照2.2.3节流程要求控制如下图4-2所示增减水泵。图4-2电机增减主程序流程图系统控制程序中提及的PLC元件如下表4-1所示。表4-1 PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100过程变量标准化值T37工频泵增泵滤波时间控制VD10
41、4压力给定值T38工频泵减泵滤波时间控制VD108PID计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数KcM0.1水泵变频启动脉冲(增泵)VD116采样时间TsM0.2水泵变频启动脉冲(减泵)VD120积分时间TiM0.3倒泵变频启动脉冲VD124微分时间TdM0.4复位当前变频泵运行脉冲VD204变频运行频率下限值M0.5当前泵工频运行启动脉冲VD208变频运行频率上限值M0.6新泵变频启动脉冲VD250PID调节结果存储单元M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VB300变频工作泵的泵号M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VB301工频运行泵的总台数M2.2泵工频/变频转换逻辑控制VD310变频运
42、行时间存储器M3.0故障信号汇总T33工频/变频转换逻辑控制M3.1水池水位越限逻辑T34工频/变频转换逻辑控制T35工频/变频转换逻辑控制4.2 PLC程序设计本文开发PLC控制程序采用的是STEP 7-MicroWIN-V40编程软件，由西门子公司提供。指令集包含语句表、梯形图和功能块图三种语言20。4.2.1控制系统主程序设计下图4-3为主程序流程，主要有以下几部分：（1）设置子程序初始化的调用。当系统投入运行时，要检测各部分是否能正常运行。由子程序调用命令实现对频率转换器上下限值、PID参数的赋值。初始化后进行供水压力给定值、运行水泵数量的设定。（2）增加或减少工频泵投入数量。PID输
43、出信号 频率转换上限且水泵工作平稳时，增加或减少水泵数量要在定时器设置的计时5分钟后才执行。 PID输出信号 频率转换下限亦然21。图4-3 供水系统主程序流程图（3）确定变频泵号；频率转换启动脉冲信号 Q0.1为高电平闭合KM2 常开 频率转换器运行 1号以变频状态工作 打开KM2常闭 KM1线圈失电 互锁 KM2常开自锁。图4-4是以2#泵为例的变频运行控制流程图。（4）控制各水泵的工作状态；工频启动脉冲信号 Q0.0为高电平 KM1线圈得电 闭合KM1常开 1号以工频状态工作 打开KM1常闭 KM2线圈失电 互锁 KM1常开自锁。图4-5是以2#泵为例的工频运行控制流程图。（5）进行报警
44、和故障处理。发生报警时，对应水池水位超限和频率转换器故障的警报灯亮铃响。发生故障后，变频器频率被复位，并且根据实际情况设置新的水泵投入运行。故障结束信号在故障完成后发出22。图4-4 2#泵变频/工频运行控制流程图 4.2.2 控制系统子程序设计（1）SBR_0初始化子程序变频运行的上下限频率初始化，程序梯形图如图4-6所示。图4-6子程序初始化梯形图（2）PID控制中断子程序23具体程序梯形图如图4-7所示。图4-7 PID控制INT_0梯形图5 监控系统的设计5.1 组态软件简介（1）图形界面系统：系统工作运行时图形画面；（2）实时数据库系统：实时存储现场数据参数；5.2 监控系统的设计5
45、.2.1 组态王的通信参数设置如下图5-1所示，在出现的对话框中设置波特率为19200bit/s。图5-1 串行通信接口参数设置图5-2 通信协议的设置5.2.2 新建工程与组态变量新建恒压供水系统工程，如图5-3新建输入输出变量。图5-3 定义变量对话框5.2.3 组态画面用同样的方法组态所有变量如图5-4。建立新的画面 绘制动态监控的画面 编写控制流程程序建立按钮、指示灯的组态。图5-4 数据词典中的变量列表5.2.4 监控系统界面在本系统中，根据需要共开发了5个界面，系统运行主监控界面如图5-5所示。图5-5 恒压供水系统监控界面6 结论本文结合生活实际，设计的恒压供水系统是以PLC以及频率转换器为主要控制系统。A/D转换模块将压力传感器检测到的数字信号变成标准的电信号，通过CPU的PID算法处理的差异，然后由CPU发出控制指令，泵的数量和转速随着频率转换器的频率和输出电压而变化。要达到供水能力与用水的平衡，只要通过改变供水量大小即调整水泵性能曲线，这样就能使管网压力恒定。此外，变频恒压供水是