PLC在恒压给水系统中的应用

1、40 / 46摘 要 随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以与通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势本论文分析恒压给水系统的原理和结构，设计不同方案，综合各方面考虑，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。关键词 变频调速，恒压供水，PLCABSTRACTWith therapiddevelopmentofso

2、cialisticmarketingeconomy,thereisagrowingdemandfor better quality of water supply and higher reliability of supply system. In addition ,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an ene

3、rgy-savingconstant-pressure water supply system of excellent performance with the help of advancedtechniquesof automation,monitor-control system; andcommunication. Meanwhile, theSystem can also adapt to various water Supply regions.This paperanalyzes the structure of VF speedregulatingconstant-press

4、urewatersupply,andproposesseveralcontrolmethods.Bycarefulstudy and comparison, PLC and inverter's method fits water supply system and datatrans mission very well. Finally the paper shows the design of constant pressure supply watercontroller according to PID data and detailed introduction of its

5、 software and hardware.In thispaper,theauthordesignsandrealizestheremotemonitorandcontrolsystemthrough MCGS, and then illustrates its general design, software implement and the measures of preventable disturbance in details. Key wordsVF speed，constant pressure water supply，PLC目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11

6、.1 城市供水系统的要求11.2 变频恒压供水的背景和意义31.3 国外研究概况32 恒压给水系统简介52.1变频恒压供水系统52.2 课题研究的对象62.3恒压供水系统控制方式介绍62.4 变频构成恒压供水系统的与工作原理62.4.1 系统的构成62.4.2 工作原理72.4.3 变频恒压供水系统中增减水泵过程分析82.5 主电路接线图93 恒压供水系统硬件配置103.1 可编程控制器选型103.1.1简介PLC103.1.2 PLC的选型.113.1.3 PLC的接线123.2 变频器选型133.2.1变频器简介133.2.2 变频器的选型143.3 压力传感器选型143.4原件表154

7、恒压供水系统程序与仿真174.1 恒压供水系统流程图174.2 恒压供水系统程序与仿真194.2.1 手动程序设计与仿真194.2.2 自动程序设计与仿真22结论33参考文献34附件A：恒压供水系统程序语句表.35致.401 绪论1.1 城市供水系统的要求水是人们生活和生产中不可缺少的重要组成部分，节水节能是当代的主题，我国是一个水资源和电能短缺的国家，所以长期以来在供水方面技术方面投入不够，导致自动化程度与国外有着不小的差距。主要存在问题为用水高峰期间，供水功率达不到要求，出现水压下降甚至断水的情况，在用水低峰，常常供给过量，不仅会浪费能源，还有可能因水压过高损坏供水设施。在此技术发展过程中

8、出现了很多供水系统，以下就逐一分析。(1) 单台恒速泵供水系统单台恒速泵供水系统就是泵直接将水池的水送到用户，有的甚至是从城市公用水网中直接抽水，可能导致公用管网的水压波动，并且水泵整日额定功率不停运转，在夜间用水低谷期直接停运。此系统结构简单、价格低廉，但极其耗电耗水，水压不稳，供水质量很差。(2) 恒速泵+水塔供水这种方式就是通过水泵给水塔注水，再由水塔在高势能作用下供水。水塔的高度要水位在最低点时也能提供供水压力。水泵在水位达到设定高水位时停止运行，低水位时启动运行。水泵就在起停间不断切换。水泵都是运行在额定功率下，处于高效能区，这种方式比第一种节电。供水压力比较稳定。但这种供水方式设备

9、投资大，占地面积也大，不能根据实际供水需要调整，而且系统水压不能随系统所需更改，所以还存在一些能量的损失和二次污染问题。在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏，水泵就不能自动运行，这样水泵的起停必须由人操作。(3)射流泵+水箱的供水这种方式就是利用射流泵本身的独特结构工作，利用进出口管径不同工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺不完善，加之该方式可能出现有压无流量的现象，无法完全满足高层供水系统的需要。(4) 恒速泵+高位水箱的供水这种方式原理与水塔是相似的，不同之处在于水箱设在建筑物的顶层。占地面积和设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价和设计都有一定影响，受建筑物面积的限制水箱容积不

10、能过大，供水规模一般较小。同时可能因外物入侵水箱影响水质。水位监控装置也比较容易损坏，整个系统的起停完全由人工操作，费时费力且不稳定。(5)气压罐+恒速泵供水这种供水方系统是采用气压罐蓄水，根据罐压力起停恒速泵。占地面积相对于水塔水箱较小，价格低廉。而且由于罐是完全密封的，不存在污染水质问题。(6)变频调速恒压供水恒压供水系统通过安装在管网中的压力变送器将压力值与设定压力值作比较，PID调节后，通过变频器改变电源频率从而改变水泵转速，达到恒压的目的。变频调速水泵调速根据恒压位置不同有三种控制方式，以下一一介绍。水泵出口恒压这种变频调速方式是在泵的出口管道上安装压力传感器，恒压的位置在水泵出口处

11、。由于管道会造成一定的阻力损耗，距离较远的位置压力控制不到位，只有系统较小，管网压力近似一定时比较适合，如果供水距离较远，由于管管网能耗较大，往往在最不利点达不到恒压供水的目的，供水效果不理想。水泵出口变压这种方式压力传感器的位置跟出口恒压一样，不同的是此系统的压力设定值是按照每日用水量变化规律在24小时分时段设定不同的压力值，进行全天变压，在一个时间段恒压控制。相比恒压供水更加科学更加节能，但也取决于全天24小时分成的时段数与所需水泵出口压力计算的精确程度。压力值计算越精确，时段分的越细供水效果越好。最不利点恒压控制最不利点恒压控制就是将压力传感器安装在系统压力最不利点，压力恒定的位置为整个

12、系统的最不利点。节能效果最好，但一般最不利点的位置距离水泵比较远，信号的采集传输成了最大的制约，实际应用相对较少。变频调速在总体上来说比气压罐节能。气压罐方式是依靠压力罐中的空气压力送水，系统运行时运行时水泵都是在额定状态下运行，用户需水量较少时，由于水泵不能调速压力将升高不仅系统不稳定还会浪费能源。而且水泵是频繁的工频启动，对水泵损害较大又会造成一定的额外能耗。变频调速是当用水量下降时改变水泵电源频率，降低转速，达到恒压的目的，这样就可以节省许多电能，同时水泵是变频启动，冲击电流小，能耗比较小。另外气压罐要使用钢材做原材料，这也是它的一个缺点。而变频调速给水系统的变频器是一台由微型计算机控制

13、的电气设备，不存在钢材消耗问题。同时由于气压罐体积大，占地面积大。而变频调速式系统中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式对场所要求较低。最主要的是在运行效果上气压罐方式与调速式相比有着一定差距。气压罐方式的运行不太稳定，一般表现在它的频繁启停。由于气压罐的调节容量只占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力较小，只能依靠频繁的启停来保证水压，这样将产生较大的噪声，同时由于启停过于频繁，压力波动较大，加之直接工频启动，对电气和机械设备冲击较大。变频调速系统的运行十分稳定，没有频繁的启停现象，加之启动方式为变频启动，设备运行平稳，避免了对电气、机械设备的冲击。在生活小区供水

14、中，因为是经水泵加压后直接送往用户的，避免了的水质二次污染，保证了饮用水质量1。综上所述，变频调速供水系统具有节能，稳定可靠，供水质量较好的优点，在生产生活中具有广阔的前景和明显的经济效益与社会效益。随着社会的迅猛发展，水对人们生活与工业生产的影响日益增强，人们对供水的要求不断提高。结合先进的自动化技术、控制技术、通讯与网络技术提高供水质量是新时代的要求。1.2 变频恒压供水的背景和意义泵站主要为工农业和生活供水，供水量大，能耗较高，提高泵站效率对于节能有着重要意义。我国泵站由于设计中对能源的保护和系统硬件质量不够重视导致发展扭曲，与世界先进供水技术还有很大差距。在目前的实际应用中，水泵风机的

15、能源浪费比较严重，做了很多无用功，人们生活用水上浪费的能源比重较大，由于我国人口多，用水量大，需要的能源更多，而且因为我国供水设备比较落后，效率不够高，控制不到位，造成的能源浪费比较严重。所以我们急需建立新的供水方案，提高系统的能源利用率，以小的投入换取高的回报，从根本上保证供水的质量。以PLC为核心结合变频器构造的恒压供水系统具有成本低，结构简单，可靠性高等优点，变频恒压供水系统结合自动化技术，变频技术，计算机技术，电气技术，对于提高恒压供水系统的稳定可靠性有很大作用，使系统的监控方便快捷，提高系统的性能，同时咋节能方面有很大的贡献，所以此课题有很大的实际应用意义，对于提高供水质量节能减排的

16、有非凡的贡献。1.3 国外研究概况在早期，变频调速的出现为变频恒压供水技术提供了基础，最开始变频的对象一般起停控制，升降速控制等，在此变频恒压供水系统中变频器是作为一种执行器，通过压力传感器采集管网压力信号，传输到PLC模拟量处理模块，PID运算后输出到变频器，改变水泵电源频率，达到恒压供水的目的。一些先进的恒压供水系统一般是一台泵配一台变频器，这样虽然系统的可靠性非常高，但是投入成本太大，不适合广泛推广使用。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家制造变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，变频恒压供水系统迅猛发展，系统的可靠性和稳定性不断提高，随着自动化技术的发展，恒压供水系统

17、的自动化程度也越来越高，它优良的性能迅速得到世人的认可，许多变频器厂家开始研究发展恒压供水系统。，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司开发了一种变频恒压供水专用基板，提供固定泵变频和循环泵变频方式，它的核心是将PLC与变频器结合起来，通过PLC程序指令控制，实现不同的功能，所以此基本只需配备恒压供水系统硬件单元就可以直接投入应用。但是此系统最多只能控制七台泵的运行，对规模有一定的限制。这样的系统虽然建设方便，成本低，但是系统缺乏灵活性，与其他系统的兼容性比较低，数据交换比较困难，而且监控起来也不方便，整体来说只适合于比较下且控制要求不高的场所我国的恒压供水技术比较落

18、后，缺乏自主研发的品牌，一般都采用国外大公司的变频器，在配合PLC等控制器完成系统的配置组态，实现用户所需要求。但在性能节能等方面还有待提高。目前市面上出现一种恒压供水专用变频器，自带一定的数字量模拟量处理模块，无需外接PLC等控制器就能完成四台泵的循环运行，简单方便，经济适用，但也只适合规模小，控制要求低的场所2。2 恒压给水系统简介2.1变频恒压供水系统恒压给水系统先后经历不同阶段，从最开始的“储水池水泵高位水箱”结构，来水进入储水池，然后由水泵加压后送至高位水箱，由高位水箱向用户供水，蓄水池起到高峰用水时调节作用；到后来“储水池水泵压力罐”结构，来水进入储水池，然后由水泵加压后送至压力罐

19、，由压力罐向用户供水，蓄水池起到高峰用水时调节作用；到现在的“储水池恒压变频供水系统”结构，设定了系统的供水压力后，在控制的作用下，水泵的转速和投入运行的水泵数量随供水量的变化而改变，真正实现了恒压供水的目标。从第一台PLC诞生到目前可分为4阶段。第一阶段为1969-1972年，特点为功能简单，主要是逻辑运算、定时、计数，机种单一，没有形成系列，CPU由中小规模集成电路组成；第二阶段为1973-1978年，特点为增加了数字运算、传递、比较功能，能完成模拟量控制，开始具备自诊断功能；第三阶段为1979-1984年，特点为处理速度大大增加，具有通信与远程I/O功能，增加多种特殊功能，容错技术迅速发

20、展；第四阶段为1984-今，特点为能完成监控与在CRT上显示现场画面，代替了仪表盘的控制，可将多台PLC连接成各种系统，网络资源共享。西门子SIMATIC系列PLC，诞生于1958年，经历了C3,S3,S5,S7系列。S7-200系列PLC自1994年诞生以来以其国际化、高性能、安装空间小、良好的WINDOWS用户界面等优势在过程控制领域应用非常广泛。由最初发展至今，S3、S5系列PLC已逐步退出市场，停止生产，而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心，而TDC系统沿用SIMADYN D技术核，是对S7系列产品的进一步升级，它是西门子自动化系统最尖端，功能最强的可编程控制器。 变频

21、恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势：1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。4、实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强

22、度，节省了人力3。S7-200系列小型PLC可应用于各种自动化系统。紧凑的结构、低廉的成本以与功能强大的指令集使得S7-200 PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。S7-200产品的多样化以与基于Windows的编程工具，能够更加灵活地完成自动化任务。2.2课题研究的对象此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。2.3恒压供水系统控制方式介绍本

23、系统采用PLC外加变频器的控制方式，主要设备有压力传感器，可编程控制器，变频器已经水泵。其中传感器主要是检测管网中水压，转化为电信号传送到PLC中与压力设定值进行PID运算，输出结果到变频器，通过变频器改变泵的电源频率，控制电机转速，达到恒压供水的目的。系统方案结构如图2.2所示。变频器PLCM压力变送器P用户用水 水泵组水池图2.1 供水系统方案图2.4 变频构成恒压供水系统的与工作原理2.4.1 系统的构成整个恒压供水系统硬件结构如图2.2所示。变频器M1用户管网PLC控制面板M2M3图2.2 系统结构图如图2.2所示，系统由三台水泵，一台变频器，一台西门子200可编程控制器和一个压力传感

24、器组成。三台泵循环运行，延长水泵使用寿命，系统中的压力传感器一般采用压力变送器，它将检测到的压力值以420mA的信号传送给PLC，整个系统变频器和PLC是核心不见，通过变频器改变电机的频率实现电机的无极调。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由信号检测，执行机构，调节机构，控制系统组成。(1)执行机构执行机构包括三台水泵，它们是为用水供水的直接动力部件，三台泵都分变频运行和工频运行，之间的切换有PLC程序指令控制，变频运行时PLC中PID运算结果控制变频器的输出，使得三台泵变频运行。(2)信号检测整个系统中的信号检测主要是管网水压的检测，为系统的运行提供数据。(3) 控制系统PLC作为

25、系统的控制器，是整个系统的核心，数据处理中心，当压力传感器将管网水压信号传输过来以后PLC的PID模块进行运算后得出一个输出结果到变频器，完成恒压的控制，同时，PIC程序指令还将完成泵之间的循环切换，增泵减泵等功能，是整个系统的大脑，根据收集到的条件，告诉执行机构如何操作。（4）通讯接口在自动化项目中，通信永远是重要的一环，通过通信，能实现与上位机或监控软件之间的数据交换，更加方便的了解系统运行状态与控制4。2.4.2 工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将自动开关SB0闭合，再按下SB3启动，SB2确认后系统正式开始运行。PLC首先接通KM4，第一台泵变频运行，并接通KM7起动变频器。通

26、过压力传感器传来的管网水压与设定的值以下PID运算，控制变频器改变水泵电源频率，控制电机转速，达到恒压供水的目的。同时PID模块能提供高低限报警，当PID控制变频器的输出达到设定高值（设定为变频器输出频率50HZ），M1.0接通，表示一台泵不能满足供水功率需要，此时PLC程序会自动执行增泵程序，当PID控制变频器的输出达到设定低值（设定为变频器输出20HZ），M1.1接通表示运行的水泵数量过多，自动化程序会自动执行减泵程序。增泵工作过程为假定开始时二号泵变频运行，则二号泵电机在PLC控制下先投入工频运行，三号泵变频启动，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵

27、转速上升，反之下降。减泵工作过程为假定开始时二号泵工频运行，三号泵变频运行，当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把三号水泵停机，二号变频运行。2.4.3 变频恒压供水系统中增减水泵过程分析工作原理介绍中讲到的PID模块高限报警表示运行的水泵已经达到额定频率额定转速，此时如果在提高电源频率就会降低电机的转矩，但是此时系统管网水压还达不到我们的要求，所以必须启动下一台泵来增加整个供水系统的功率，以便保持系统水压恒定。反过来讲，当因为高限报警后执行了增泵程序，用户用水量降下来以后，两台泵运行的功率过剩，此时就需要将其中一台泵停下

28、来，另一台泵变频运行。那么什么情况下增哪一台？怎么增？减泵又是减哪一台？怎么减？这些问题在后面的程序与仿真中再一一介绍。就变频器本身而言，它的变频围是很广的，一般都是0到几百赫兹，但我们在此系统中应用却不能使频率过大或过小，频率过大将导致电机转矩不足等问题，影响系统的稳定运行，整个系统中电机可能在工频与变频之间切换，当变频切工频时只能是工频频率在50Hz时进行。如果变频频率已经达到50HZ，依旧达不到设定的压力值，PID高限报警M1.0就会接通，此时延时2S后就需要增加一台泵以满足供水需要。相对的，当用水量比较少时，变频频率就会降低，但也不能无限将至0HZ甚至以下，在实际应用中，因为管网中是存

29、在水压的，所以会施加一个反向力给水泵，同时也会阻止水池的水进入管网，所以变频频率不可能降至0HZ，甚至在1020HZ时水泵已经无法将水送入管网，所以PID模块低限报警设定值一般就为水泵不能送水的临界值，此值更加管网水压以与其他原因会有所不同，此系统中低限报警值设为20HZ。在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。即在接到高低限报警时不是立即执行增减泵操作，而是进行一定时间的延时，防止因偶然情况导致不必要的增减泵，这样不仅会影响管网水压稳定，还使得泵起停频繁，使用寿命减短。在本系统中定时为30S，为了程序仿真方便，在仿真时此值设为2S。2.5 主电路接线图电机有两种工作模

30、式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM2、 KM3分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM4、 KM5 、KM6分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载5。水泵主回路接线如图2.4所示。工频电 QS FU1 FU2 FU3 KM7 KM1 KM2 KM3R S T 变 频 器U V WKM4 F

31、R1 KM5 FR2 KM6 FR3M3M2M1图2.3水泵主回路接线图3 恒压供水系统硬件配置3.1 可编程控制器选型3.1.1简介PLC可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，

32、其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计6。PLC结构如图3.1所示。CPU模块存储器模块电源模块通信模块输出模块输入模块操作模块编程器智能模块控制对象图3.1 PLC的硬件结构框图初期的PLC只能进行开关量的控制，比较简单，系统的限制比较多随着自动化技术，计算机技术的发展，PLC的功能越来越完善，顺序控制，模拟量处理让PLC在自动化领域扮演着越来越重要的角色7。现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应

33、用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。 扫描周期 输入采样 程序执行 输出刷新元件寄存器输入寄存器输入端输出寄存器输出端 程刷新输出 . . . . 读 序 写.图3.2 PLC的扫描工作过程3.1.2 PLC的选型首先是选择PLC的品牌，根据供水系统要求，结合可靠

34、性，市场认可度与成本，泵课题选用西门子S7系列PLC作为控制器，因控制电路I/O点较少，选用小型PLC西门子200PIC即可8。水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断需由PLC的1个输出点，三台泵的运行反馈停止反馈共需6个输入点，系统的起停控制共需7个输入点，三台泵的工频开关需3个输入点，压力检测需一个模拟量输入点，变频器的PID调节需一个模拟量输出点一个，所以本系统数字输入点共19个，数字输出点共7个，模拟输入点1个，模拟量输出点1个9。系统符号表如图3.3所示。图 3.3 系统符号表由于西门子224XP包含2个模拟量输入和1个模拟量输出，不必

35、额为添加模拟量出来模块，所以本系统选用门子224XP作为控制器，技术参数如下：表3.1 CPU常规参数订货号模块名称模块描述尺寸（mm）重量功耗6ES7 214-2BD23-0XB8CPU224XP AC/DC/继电器14输入/10继电器输出140*80*62440g11W表3.2 CPU22X一样的参数PID控制器位处理数据标志/定时器/计数器集成通信端口电源电压数字量输入数字量输出最多8个0.22us256/256/256RS 485 接口支持下列工 作模式：PPI 主站或从站/MPI 从站/自由口85-264VAC24V DC5 30 V DC 或 5250 V AC，最大 2 A（继电

36、器）表3.3 CPU 特定数据技术规集成I/O数字量输入/输出/使用扩展模块的最多通道数量模拟量输入/输出/使用扩展模块的最多通道数量程序存储器数据存储器通信接口 RS 48514 DI/10 DO114/110/2242 AI/1 AO integrated32/28/4412/16 KB10 KB2由于本系统共数字量输入点19个，输出点为7个，224XP自身集成的I/O点不能满足系统需要，需增加一个数字量扩展模块10。考虑到系统以后的扩展需要，对I/O点数增加20%的扩展余量，所以本系统共需输入点为19*（1+20%）=23，输出点为7*（1+20%）=9。因此选用EM221作为系统扩展模

37、块，参数如下：表3.4 EM221参数订货号模块名称模块描述尺寸（mm）功耗输入电压6ES72211BF220XA8EM 221DI8 x 24V DC46 x 80 x 622W24 VDC3.1.3 PLC的接线PLC外部接线如图3.4所示。 120/240V AC电源 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 N N N1L 0.0 0.1 0.2 0.3 2L 0.4 0.5 0.6 3L 0.7 1.0 1.1 N L1 ACCPI224XP AC/DC/继电器（6ES7 214-2BD23-0XB8）1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

38、 2M 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 M L+ 24VDC传感器 + + 电源输出 SB0 SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 KA1 KA2 KA3 KA4 KA5图3.4PLC的接线图扩展模块EM221外部接线如图3.5所示 KA7 KA8 KA9 SB7 SB8 SB9 1M 2.0 2.1 2.2 2.3 EM221数字量输入8*24V DC( 6ES7 2211BF220XA8 ) 2M 2.4 2.5 2.6 2.7 2 2图3.5 扩展模块接线图3.2 变频器选型3.2.1变频器简介变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）输出频率可调的电源，此电

39、源的频率和电压由PLC中PID模块控制。对于控制要求比较高的场所还需安装过电压保护装置。整个变频器由主电路，控制电路组成，以下一一介绍。1.主电路主电路就是改变频率的电力转化部分，一般由整流器，平波电路，逆变器三部分构成，整流器的作用是将工频交流电转化为直流电，一般是采用二极管。平波电路的作用是控制电压波动，整流后的电压波动比较大，平波电路一般采用电感来减小波动。逆变器是通过可控硅将直流电变成变频交流电11。2.控制电路控制电路是给主电路提供变频的信号，一般包括驱动电路，保护电路，运算电路等组成，其中运算电路的作用是将指令与检测电路的信息进行一系列运算，得到变频器需要输出的结果。驱动电路的作用

40、是驱动主电路的器件，保证主电路的正常运行。保护电路的作用就是在电路故障的情况下保护硬件，一般来讲主要有过电压保护，瞬时停电保护，超频保护等等，保护电路是每个系统所必需的，是提高系统可靠性的重要手段12。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:1节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来效益2占地面积小，投人少，效率高：设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装3配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供

41、水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性：众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。5通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力13。3.2.2 变频器的选型变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。本系统选用三菱FR-A540系列5.5型变频器作为变频调速核心元件，具体参数后文再做介绍。3.3 压力传感器选型压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压

42、力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为28±3V（DC）14。3.4元件表水泵：M1、M2、M3选用40-160(I)A型。热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流58A，FR3可选用规格其型号TK-E02U-C，额定电流为69 A。熔断器的选择：在控制回路中熔断

43、器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY311型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点15。系统所需元件如表3.5所示。表3.5元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLC西门子PLC224XP1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M2，M340-160(I)A3闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2，FU3R

44、T18 6A3热继电器FR1 FR2，FR3TK-E02T-C3按钮SBLAY3119变频器选用三菱FR-A540系列5.5型，其主要技术参数如表3.6所示。变频器适用电机容量（KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz强制风冷表3.6变频器的参数4 恒压供水系统程序设计与仿真4.1 恒压供水系统流程图PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵工作数量的调整。整个系统可分为自动和手动两

45、个相互独立的部分，在系统运行中可相互切换，根据压力变送器的检测值，在系统程序的控制下实现泵的起停，整个系统流程图如图4.1所示16。系统上电上位机给运行信号自动？是否现场启动现场启动现场确认现场确认自动程序运行手动动程序运行一号泵变频启动、二三号泵停止运行按下三号泵控制按钮SB9按下二号泵控制按钮SB8按下一号泵控制按钮SB7定时24小时三号泵工频运行二号泵工频运行一号泵工频运行接下页 A2 A1 A4 A3 B1B2B3 A2 A1 A4 A3 B1B2B3二号泵变频启动、一、三号泵停止运行按下三号泵控制按钮SB8按下二号泵控制按钮SB7按下一号泵控制按钮SB6三号泵停止运行二号泵停止运行一

46、号泵停止运行定时24小时三号泵变频启动、一二号泵停止运行一号泵工频运行、二号泵变频运行定时2SPID高限报警 是PID低限报警否定时24小时定时2S定时2S 否PID高限报警 是 是 二号泵工频运行、三号泵变频运行 否 PID高限报警定时2SPID低限报警 否定时2S是三号泵工频运行、一号泵变频运行否 是PID低限报警定时2S 否是图4.1 PLC程序流程图4.2 恒压供水系统程序设计与仿真系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序与相关的输入信号执行相应的操

47、作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态17。4.2.1 手动程序设计与仿真系统开始运行时,上位机首先给运行信号,SB5闭合，I0.5得电，闭合开关SB1,将系统置于手动状态,按下按钮SB3,启动系统,M0.1得电并自保持，此时系统处于待机运行状态。按下确认按钮SB2,M0.3得电并自保持，手动程序开始运行。SB7、SB8、SB9分别控制一、二、三号泵的起停，I1.0I1.5作为泵的状态反馈，当泵的反馈状态为运行时三个按钮为停机键，当反馈状态为停机时三个按钮为启动键，本系统手动运行一律为工频运行，官网水压需人为控制泵的起停来调节。此程序仿真以一号泵为例。当系统启动时，一号泵处于停机状态，则一号泵停机反馈I1.1接通，此时按下一号泵起停按钮SB7，Q0.1得电，一号泵工频运行。 一号泵启动后，一号泵停机反馈I1.1失电，运行反馈I