毕业设计（论文）-基于PLC和组态技术的变频恒压供水系统.docx

本科毕业设计（论文）题目 基于plc和组态技术的变频恒压供水系统设计 学 院 电气与自动化工程学院 年 级 2014级 专 业 自动化（专转本） 班 级 zb02141学 号 zb0214128 学生姓名 校内导师 职 称 副教授 校外导师 职 称 论文提交日期 2016-05-16常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人签名：日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。 本人签名：日期： 导师签名：日期：摘 要 根据城镇居民住宅区的供水要求，本文采用plc控制器为核心设计了一套变频调速恒压供水系统。与传统的水塔供水方式不同，该系统采用变频器实现水泵电机的软启动和变频调速。系统由可编程控制器（plc）、水泵机组、变频器、变送器等组成，其中水泵机组是由三台水泵电机组成，并且以变频循环方式运行，水泵机组的变频循环方式遵循“先启先停”的原则。压力变送器则是检测实时供水管网的水压，将信号送入plc进行pid运算，通过运算出的稳定误差来控制变频器的输出电压和频率，从而改变水泵电机的转速，最后使供水管网的压力稳定在设定值附近。出于安全考虑，plc中附加了报警控制。另外通过工控机与plc连接，使用组态软件完成监控系统的任务，实现了运行状态的动态显示数据。 本论文详细的介绍了系统所需要的plc、变频器和传感器的特点，系统主电路的设计和程序设计流程图及程序。关键词：变频调速 恒压供水 plc 组态王iiiabstractaccording to the requirements of water supply of the urban residence,this textadopts plc controller as the core to design a set systemof frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply. different from the water supply manner of the traditional water tower, the system adopts frequency converter to realize soft start and frequency control of water pump motor. system consists of a programmable controller (plc), pumping unit, frequency converter, the transmitter and so on, the pump unit is consists of three pump motors, and run in the way of circulatory frequencyconversion. the pumping units way of circulatory frequencyconversion follows the principle of inception to stop. pressure transmitter is to detect real-time pressure of water supply network.and send signals to plc and pid arithmetic, through computing the steady state error to control the output voltage and frequency of the frequency converter, which changes the motor speed of water pump, finally make the pressure of water supply network stable near the set point. for security reasons, attach alarming controller in the plc. also through linking the industrial computer and plc, this text uses configuration software to complete the task of monitoring systemand controlling system.it realizes the dynamic datadisplay in running status. this paper detailed introduces the sensor of the plc, frequency converter and the characteristics of the need of system, the main circuit design of system and the flow chart of program design and routine. keywords: frequency control; constant pressure water supply ; plc; king-viewii目 录1 绪 论11.1 课题简介11.2 发展状况21.3 课题设计概述22 系统的设计分析及方案确定42.1 供水系统整体构思方法42.1.1 水泵电机的调速原理42.1.2 变频恒压供水的节能原理52.2 供水系统方案的确定62.2.1 控制方案的确定62.2.2 系统的组成及原理72.2.3 系统的功能设计93 系统电路设计113.1 系统的主电路结构113.2 系统的控制电路设计124 设备选型与i/o分配134.1 供水设备选型134.2plc的i/o端口分配及外部接线图155 系统的软件设计185.1 软件设计分析185.2 plc程序设计195.2.1 主程序195.2.2 子程序215.2.3 中断程序225.3 pid控制及其控制算法246 监控系统的设计256.1 组态软件的选择256.2 组态王的通信参数256.3 新建工程与组态变量266.4 组态界面27总 结28致 谢29参考文献30附录131附录 239iv常熟理工学院毕业设计（论文）1 绪 论1.1 课题简介 随着社会经济的飞速发展，中国人口越来越多，导致人们从三层以下的平房搬迁到群居的高层住宅房。在众多城镇中，一般规定供水管网的水压能保证6层以下的居民房稳定用水，另外的上方楼层都需要增加水压才可以满足居民用水。20世纪50年代，自动化刚刚发展起来，因此当时的高层住宅房均采用传统的水塔或高位水箱这些供水方式，但是这些方式必须让水泵电机以超出实际需要水压来供水，这就导致电机增加了轴功率和能量损耗。自变频器问世以来，变频调速技术的有点逐渐被工业领域的各个专家发现并运用。当变频器运用到供水事业，形成的变频恒压供水设备具有安全、稳定、节能、高质量供水等优点，更是让国内的供水事业经历了一次质的飞跃。恒压供水采用闭环控制，根据管网用水量的工况自行通过控制器调节运行参数，使得管网在水压恒定的情况下，用户满意用水，这就导致系统中的水泵电机必须采用无极调速方式。该系统是我国当今最合理和最节能的供水系统。我国电力电子技术的研究开发，变频器的内置功能模块越来越多，性能越来越强。国内电气工程师充分利用内置功能，改善恒压供水设备，在质量得到保证的前提下，减少成本。 现在社会经济迅速发展，人们的物质水平越来越高，对于居住小区的基础设施要求越来越高，而小区供水系统是体现物业管理水平的一个因素。因此传统小区的一些供水方式遭到了淘汰。比如：（1） 恒速泵加压供水：它无法对水压进行实时控制，自动化水平低，导致水泵的启动和停止需要人工手动操作，而且电机还是硬启动；（2） 水塔高位水箱供水系统：虽然它的供水方式简单经济，而且在停电和维修等突发状态下不停水的优势，但是它前期投资大，维护不方便，因此目前多数应用与高层建筑；（3） 单片机变频调速供水系统，它和plc控制的系统一样，都可以做到变频调速，但是缺点也很明显，那就是开发周期比较长，对该系统的操作员素质要求比较严格，更重要的是不适应于现场工业的恶劣环境。和这些传统的供水相比，plc变频恒压供水具有高效节能、高自动化和安全可靠的优势，其中调速水泵表现了突出的节能效果：一是显著的节能性；二是在启动时可以降低电流对电网的冲击；三是减少水泵的机械损耗。1.2 发展状况 变频恒压供水的概念是在变频调速技术发展起来后才提出的。在早期，国外的变频器功能主要在控制频率、转速控制、正反转控制和变频变压比控制等。在早期的恒压供水中，变频器只是作为系统的执行器，因此为了保证管网的水压恒定，必须在外部加入压力控制器和变送器形成闭环控制。从各种渠道查询来看，国外的供水工程大多都是一拖一的方式，导致投资成本高。1968年，丹佛斯公司发明了首个变频器，随着变频器的稳定可靠，节能和高自动化等优点被其他公司认可后，国外的许多厂家学习其技术并研发了具有恒压供水功能模块的变频器，这种模块叫做供水基板。供水基板具备“变频泵固定方式”和“变频泵循坏方式”两种模式。它是将pid调节和plc集成到变频器基板上，用户可以设置参数代码，然后搭载配套的恒压供水设备单元，就构成了供水系统。它是通过微化电路设计，降低成本。缺点也很明显，那就是output的扩展模块缺乏灵活性，稳定性也不高，其它监控系统和组态软件很难数据通信，造成了实际应用的限制。 当前，国内供水事业的公司和研究院都在开发变频调速技术，但是那些生产的设备和国外的设备相比，无论是在功能上还是质量上都是有点差距的。自从我国经济飞速发展，供水行业的公司有了两种选择，一是直接从国外引进现成的设备用于系统中；二是在自行设计的整套装置中使用国外进口设备，再结合自己的应用软件。无论是哪一种都为我国重大的供水工程解决了问题，满足了行业的需求。 总体上来看，国内开发变频恒压供水设备的能力还比较弱，对国外的设备有很大依赖性，这个值得思考。1.3 课题设计概述 本系统是以10层高楼小区供水管网为被控对象，使用变频调速技术，通过闭环控制设计一套高层楼房的恒压供水系统，并使用组态技术对系统实施监控，保证系统安全可靠的运行，使供水设备保持在最佳工况，有问题可以迅速解决。 本系统是由可编程控制器（plc）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成一个闭环控制的调节系统。变频器通过变频循环的方式来控制水泵机组中的三个水泵电机，即通常说的变频器一拖三的概念。当1#水泵工作，随着供水官网的压力变小，1#水泵运行到50hz时，供水量依旧不够，需要增加水泵，系统就让1#水泵脱离变频器进入工频状态，变频器去拖动2#水泵。为了使供水官网的压力保持恒定状态，变频器需要自动在各个水泵之间切换，水泵之间遵循“先启先停”和“先停先启”的要求。主要设计内容为：了解全套恒压供水系统的工艺流程，设计供水系统的硬件电路；研究恒压变频供水的控制算法；开发基于组态王的组态软件的监控界面，完成系统监控调试；熟练使用plc、组态王等软件以及变频器的参数修改。422 系统的设计分析及方案确定2.1 供水系统整体构思方法 系统是通过变频器和可编程控制器（plc）构成控制核心。经过变频调速技术优化水泵机组的运行，自动控制泵组所需的运行台数，来形成供水管网的闭环压力控制，达到稳定与节能的目的。这个闭环系统的被控对象是泵站系统图中的供水管网压力，系统将测量的供水管网压力和给定值压力数据比较，所产生的反馈值输入cpu中处理，最后plc发出指令来控制水泵机组中工频运行水泵的台数和变频运行水泵的转速，从而达到恒压供水。2.1.1 水泵电机的调速原理 水泵机组中的电机大多采用三相异步电机，电机转速的公式为： （2-1）式（2-1）中：是交流电源的频率，是电机的磁极对数，是转差率，是旋转磁场的转速。 从电机的转速公式中可以得出异步电机最基本的调速方式有三种：（1） 变频调速：改变交流电源频率；（2） 变级调速：改变磁极对数；（3） 变转差率调速：改变电机的转差率；虽然三种调速方式都可以改变电机的转速，但是不是三种都能适合变频恒压供水系统。他们有各自的优缺点：（1） 变级调速的优点是设备简单、可靠运行、机械特性较硬，而且还可以获得恒转矩或恒功率的调速方式，但是其显著的缺点就是只可以有极调速，而且级数很有限，因此不适合变频恒压供水，因为供水管网的压力可能时刻都在变化，必须采用无极调速；（2） 变转差率调速有另外三种方式：转子串电阻调速、串级调速、调压调速。不过为了能拥有较大的调速范围，因此一般都采用串级调速，其最大的优点就是可以实现无极调速，调速滑行好。不过成本高，而且低速运行时过载能力和功率因数低。也不符合本系统的要求，因为供水管网并不是一直有用户用水；（3） 变频调速具有很好的调速性能，完全可以媲美直流电动机的调速性能，如图2-1。它的主要特点有调速范围广；频率可以连续调节，实现无极调速；机械特性硬，静差率小；从基频向下可以进行恒转矩调速，从基频向上可以进行恒功率调速；运行效率高。根据上述三种交流调速方式的优缺点比较，本文采用了变频调速方式。随着电力电子技术发展，新一代的电子器件可关断晶闸管（gto）、场效应晶体管（igbt）、智能功率模块（ipm）等应用与变频调速设备，使得变频器体积在减小，性能却在提高，促进了变频调速的广泛应用。图2-1 基频以下变频调速机械特性2.1.2 变频恒压供水的节能原理 所有供水系统都有扬程特性和管阻特性。其中，扬程特性是以管道的阀门开度不变为基础，水泵在某一固定转速下扬程h和流量q之间的平滑曲线，如图2-2。流量的大小取决于阀门开度、水泵转速和用户的用水情况这三种因素，在阀门开度和水泵转速都固定不变的情况下，就由用水情况决定。因此，扬程特性曲线反映的是扬程h和用水流量之间的关系，即。而另一个管阻特性则是让水泵转速不改变，来表明阀门在某一开度的杨程h和流量之间的平滑曲线，如图2-2。管阻特性反映的是水泵产生的能量来克服蓄水池的水位差、压力差、流动阻力的变化规律。管阻特性曲线反映了杨程h和供水流量之间的关系，即。二者之间交点称之为供水系统的工作点，即图2-2中的a点。在a点，用户的用水流量和供水流量处于平衡状态，系统可以稳定运行16。图2-2 恒压供水系统的基本特性 变频恒压供水系统的供水结构是由水泵、电动机、管道和阀门等构成。供水是由变频器调节异步电动机改变转速，异步电动机再改变水泵供水，从而实现恒压供水。2.2 供水系统方案的确定2.2.1 控制方案的确定 控制器、变送器、变频器、水泵机组以及低压电器等组成了变频恒压供水系统。系统通过控制单元来控制变频器，间接控制循环水泵，实现供水管网恒压，水泵电机的软启动，水泵的工/变频切换，同时还可以利用组态软件通过数据通信来进行监控，由于控制单元的不同可以有以下几个方案进行选择：（1） 供水基板的变频器控制 这种控制方式的优点在于它的结构简单，因为这是厂家将pid调节器集成在变频器的基板上，通过改变内部的指令参数来实现恒压供水功能。虽然这样可以降低设备的成本，但是在设置给定压力以及实时显示反馈压力值比较麻烦，另外系统不能保证闭环控制的稳、准、快，而且扩展功能不够灵活，限制了带负载的容量，仅适应小容量的场合。（2） 单片机控制通用变频器 单片机相当于一台微型计算机，因此使得这种方式有很高的控制精度，算法灵活，而且它的成本也比较低，所以这种方式的性价比相当高。不过因为单片机的程序比较固化，而且单片机开发周期比较长，这就造成了现场调试的灵活性比较差，而且变频器与单片机会有干扰，这就使得这种方式适合特定领域的小容量场合。（3） plc控制通用变频器 由于当前plc的模块化和系列化，这就使得用户可以灵活的将各种模块组合成满足不同要求的控制系统，而且硬件方面只需确定plc的硬件配置和i/o外部接线，现场调试只需改变plc程序。因此这种控制方式灵活方便、通用性强。 同过现场考察分析以及以上几种方案的比较，本设计决定使用第三种方式，因为既可以满足灵活方便，易通信监控，而且还能保证系统的安全可靠，高精度控制。2.2.2 系统的组成及原理 基于plc的变频恒压供水是由可编程控制器（plc）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成的，采用的是闭环调节控制方式，该系统的泵站图如图2-3。图2-3 变频恒压供水系统泵站图由供水系统的泵站图，可导出供水系统的工作流程图，如图2-4所示。该系统的工作原理是：首先通过plc程序将压力稳定值设置为0.3mpa，然后通过压力变送器实时测得来自用户供水管网的水压并将信号送入plc中，plc通过pid运算得到控制信号并送入变频器中。当供水管网压力不足时，plc控制变频器使水泵机组抽取储水池中的水；当供水管网压力超过稳定值时，plc减少水泵机组运行功率，从而达到变频恒压供水的控制。图2-4 变频恒压供水系统工作流程图 系统主要分为三大机构：执行机构、检测机构、控制机构，这三个机构的功能如下：（1） 执行机构：它的作用是接收控制器给出的调节信号，调节被控介质。在这里是由水泵机组构成的，它接受控制机构送来的信号调节电机转速来改变供水官网的压力。而这里的水泵机组是由三个变频泵组成的，变频泵通过变频器控制，根据供水官网的压力变化来改变电机的转速。当第一个泵从变频变成工频，但是转速依旧不够，这时候就将第一个泵保持在工频状态，然后启动第二个泵来继续增加供水官网的，第三个泵也是如此。（2） 检测机构：这个系统中，检测分为两个部分，一个是供水管网的水压，另一个是蓄水池的液位。水压是通过压力变送器检测出来的，压力是一种模拟信号，因此在储存在plc的寄存器中是，需要a/d转换。此外，为了使系统更加安全可靠，使用电接点压力检测仪表对供水压力的上下限进行检测，其结果可以直接作为数字量输入给plc进行储存和应用。此外，蓄水池的液位是通过投入式液位变送器检测的，它反应的是进水水源是否充足，是否需要将自来水进水管道的电磁阀的开度变大，防止水泵空抽而损坏设备。（3） 控制机构：此系统设计的控制机构是由plc、变频器和电控设备组成的。控制机构是是整个供水系统的核心，它是接收信号并且改变流量的中心点。在这个系统中，控制器直接接收到变送器输送到寄存器中的压力和液位信号，分析通讯接口的数据并进行运算，得出现场的控制方案，通过执行机构的变频器对水泵机组发出控制指令，直到控制器得到的反馈信号与设定值之间的稳定误差在可允许误差内为止，才算完成变频恒压供水的任务。 本系统的执行机构是水泵机组，它是由变频器拖动运行的，根据变频器的工作方式可以分为循环式或者固定式。其中变频循环式是先将1#水泵作为调速泵，当这台水泵工作到50hz时，用户的供水量依旧没有达到要求，那就需要增加第二胎水泵，即2#水泵。在2#水泵投入工作前，必须先把变频器从1#水泵中脱出来并且将1#水泵转入工频模式中，才能让变频器继续控制2#水泵变频工作，3#水泵投入工作也是这样。另一种变频固定式则是让变频器始终控制一台水泵进行变频工作，当这台水泵工频运行依旧不能满足供水要求，那就直接启动另一台恒速水泵，另一台水泵则从最低转速开始继续变频工作，这种方式里变频器不做切换，这就使另外两台恒速泵硬启动，所以我们采用前者变频循环式。 变频恒压供水是将供水管网作为被控对象，水压作为被控变量，在控制上满足实际水压跟随设定水压。变频恒压供水系统的的结构框图如图2-5。图2-5 变频恒压供水系统框图 根据系统框图可以知道，系统通过管道上的压力变送器采集实时的供水官网压力，并转换成420ma的电信号。因为plc无法直接识别电信号，因此必须通过plc内部的a/d模块将电信号转变成数字量再进行pid运算，运算结束后，再利用d/a模块转换成电信号输送到变频器，从而实现变频恒压的控制。2.2.3 系统的功能设计 根据资料查询以及分析，本系统设计的功能有如下几点：（1） 自动运行状态 在外部按下自动按钮，1#水泵电机通电，变频器的输出控制频率从0hz开始增加，这时压力变送器也开始采集压力信号，经过一系列转换传给plc进行pid调节，再把控制信号传给变频器。如果压力不够的话，输出控制频率继续增加直到工频，仍然不够，则将1#水泵从变频器中拖出切换至工频状态，并将2#水泵投入变频器使用，后面则是依次加泵；如果管网用水量需求减小（供水管网压力过大），变频器达到下限频率，则将先启动的1#水泵切除。倘若有瞬间停电的工况，则系统停机等待通电。当供电恢复正常，则系统工作在自动运行模式。（2） 手动运行状态 当供水设备出现故障状态时，为了确保居民可以正常用水，三台水泵可以分别进行手动控制运行。（3） 停止状态 在供水设备工作一定时长后，需要进行维护和保养，这是只需将转换开关拨转到停止位置，使所有供水设备都处于停机状态，工作人员即可进行维护，维护结束只需拨转到启动，供水就恢复正常。（4） 设施保护以及报警功能 对工频回路和变频回路实现机械与电气都互锁，防止短路现象。当水泵电机的功率较大时，为了防止因为启动电流过大而烧坏水泵电机，必须通过变频器采用软启动方法。当系统因为压力不够而需要增加水泵时，必须先断开先启电机，让其利用惯性切换到工频回路，才能将变频器转入下一个电机，这样可以防止产生过流。 电机的热保护。白天是居民的工作时间，用水比较少，因此水泵处于低速运行状态，电机的工作留比较小。虽然用户虽然用水比较少，但是用水频繁，这就造成了电机一直处于升、降速的状态，结果就是有可能产生过电流，导致电机过热而损坏，热保护还是必要的。 当用户用水量特别多时，蓄水池的水位过低，为了防止水泵空抽而损坏设备，因此需要设置报警功能。3 系统电路设计3.1 系统的主电路结构 本论文上面已经叙述变频器有2种控制方案，而本系统设计选用的一台变频器控制多台水泵的方案，即“一拖”系统。随着时代的进步，供水系统也出现了“托”的发展趋势。虽然“一拖”在节能效果上比“托”的方式差，但是它独有的低成本、高效率的优势不可否认的。而这种控制方式需要硬件电路的支持，其主电路如图3-1。图3-1 恒压供水主电路图 从系统主电路图中可以看到：m1、m2、m3是水泵机组中的三台异步电机；km1、km3、km5这三个开关是电机处于工频工况的接触器；km2、km4、km6这三个则是电机处于变频状态的接触器；fr1、fr2、fr3为电机过载保护的热继电器；qs1、qs2、qs3、qs4为保护电路的空气开关；fu则是熔断器。 本系统采用的三泵变频循环控制方式，即就台水泵处于变频器的控制当中，其余的是处于工频工况或者停止状态。当用户的用水量在长时间保持较低情况下，即一台变频泵连续工作超过3h，则要切换下一台水泵工作，减少水泵工作时间，保护设备，这是系统具有的“倒泵”。 当主电路接通电源，电流从熔断器和隔离开关接通变频的r、s、t端，变频器通电工作，变频器通过u、v、w端口控制电机。在主电路中，工频和变频的两个回路不能同时接通，当电机需要接通工频时，先将变频断开才能接工频，而断开时，则需先断开工频才能接通变频，因此这两个回路的开关必须在硬件上设计可靠的互锁。此外，在第一次运行电机时，必须保证电机转向符合要求，否则需要改变电源相序。系统的启/停操作必须通过变频器软启动才可以。3.2 系统的控制电路设计 变频恒压供水主要实现的是自动控制，但是在plc需要检修的时候，系统只能采取手动模式，这时就需要控制电路了，见附录2。 图中的sa为手动/自动开关，当突发紧急事件时，需要将sa拨到1位置时，表示系统处于手动控制状态；当系统处于正常工作时，sa打到2位置，就表示系统处于plc控制的自动状态。当系统处于自动控制时，控制电路中只有plc和hl10处于得电状态，因此hl10是自动/手动的状态灯，亮表示自动模式，不亮表示手动模式。当系统处于手动模式时，sb1sb6按钮分别控制电机的启/停。另外在图中，中间继电器ka的触电表示变频器的复位控制，而ha则表示报警。其它的一些端口将在下一章详细介绍。4 设备选型与i/o分配4.1 供水设备选型 本系统是由可编程控制器（plc）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成。通过变频器和接触器控制水泵电机工作，实现变频恒压供水。根据本系统的控制要求，系统的电气控制框图如图4-1。图4-1 变频恒压供水电气控制框图 由图4-1可以看出，系统的主要硬件设备包括可编程控制器（plc）、变频器、水泵机组、变送器。下面具体分析硬件设备型号的选取：（1） 可编程控制器（plc）plc机型的选择是在满足控制要求的情况下保证系统的可靠性、使用性、性价比。因为本系统是偏向于开关量控制的工程项目，并且控制速度要求也不是很高，因此本系统在这里选用了比较低端的plc西门子公司的系列机。考虑到plc的i/o点数不能太多，因为会增加成本，但是又要留有相当的裕量，因此本系统选用了系列的cpu 226 cn型。这款型号有以下几个特点：具有24个输入和16个输出；功能模块的种类比较多，可以很好的满足控制要求；可以提供很好的编程环境，并且可以离线编程和在线调试；此外本系统还需要一个扩展模块，因为实际中需要一个模拟量输入信号，一个模拟量输出信号，这就很明显选择em235模块，该模块有4个模拟输入aiw,一个模拟输出aqw。并且模块em235可以自动完成a/d转换。（2）变频器根据设计的要求，三菱的完全可以满足本设计的控制要求，通过查阅资料得到管脚说明图，如图4-2。图4-2 管脚说明 根据变频的管脚说明，接线图如图4-3。图4-3 变频器接线图（3）变送器 在本系统中有2种变送器，一个是压力变送器，另一个是液位变送器。其中本系统的压力变送器是将水压转换成420ma的电流信号，所以本系统选用了型压力变送器。该传感器的量程为02.5mpa，满足控制要求的0.5mpa，可以在560 的温度内工作，供电电源为243v(dc)。本系统的液位变送器选择为投入式液位变送器。它的优点是：安装和使用灵活便捷，精度准确，可现场显示；具有较强的抗干扰能力，不会因现场环境恶劣被影响；接线反向和过压保护，限流保护； 一般蓄水池的深度为46m，在此系统中选择10m量程的液位变送器，输出信号为420ma，两线制(dc)+24v供电。4.2plc的i/o端口分配及外部接线图 根据变频恒压供水系统的基本设计要求如下：（1） 考虑到小区居民白天为主要用水时间段，从而造成了白天和夜间的用水量不同，因此本系统设计了白天/夜间供水两种模式，这两种模式在plc中的压力设定值是不同的。白天模式，供水管网压力大，系统高恒压运行；夜间模式，供水管网压力小，系统低恒压运行。（2） 在夜间，居民处于休息时间，从而造成了用水量小的情况，这时一台水泵就会处于连续工作的情况，一旦超过3h,则要切换另一台水泵，这就是系统具备的“倒泵”功能。（3） 考虑系统的节能和水泵使用寿命等因素，水泵切换遵循“先启先停”的原则。（4） 水泵的启动是要通过变频器进行的软启动，系统有自动/手动两种操作模式。（5） 有完善的报警功能。根据以上的控制要求，设计了如下的i/o地址分配表，见表4-1。表4-1 i/o地址分配表名 称代 码地 址输入信号白天/夜间模式sa1i0.0水位上/下限信号sl/hli0.1变频器报警信号sui0.2试灯按钮sb7i0.3压力变送器输出模拟量upaiw0输出信号1#工频交流接触器及指示灯km1、hl1q0.01#变频交流接触器及指示灯km2、hl2q0.12#工频交流接触器及指示灯km3、hl3q0.22#变频交流接触器及指示灯km4、hl4q0.33#工频交流接触器及指示灯km5、hl5q0.43#变频交流接触器及指示灯km6、hl6q0.5水位超限报警指示灯hl7q1.1变频器故障指示灯hl8q1.2白天模式指示灯hl9q1.3报警电铃haq1.4变频器复位控制kaq1.5变频器输出电压信号ufaqw0根据系统的控制电路图和i/o地址分配表，得到plc的外部接线图，如图4-4。图4-4plc外部接线图5 系统的软件设计5.1 软件设计分析 硬件电路已经设计完成，结合硬件电路及设计要求对程序设计分析如下：（1） 恒压供水要求恒压工作时的泵组数量本设计的核心控制就是“恒压”，当水压不够需要升高变频器的输出频率，而且前面的水泵工频时也无法满足要求，需要增加水泵。这个功能在程序中可以通过plc中的比较指令来实现。此外，系统不能因为一次偶然的频率波动使得频率达到了设置的上限而增加水泵。因此在程序里应该考虑到滤波，考虑到这种情况持续时间比较短，在这里采取时间滤波。（2） 泵组管理原则本系统考虑到电动机硬启动会造成电流对电机的冲击从而损坏电机。因此本系统使用变频器让电动机的每一次启动均为软启动，而且各水泵都交替使用，严格控制每一台水泵不能连续工作超过3。具体操作：将现运行的变频泵从变频器中拖出，转入工频运行，变频器复位重新接入新的水泵并启动它。此外，系统要考虑到如何使水泵循环工作。在此设计中，通过泵号的方式完成这个目的，及工频泵号的总数。（3） 程序的框架和功能除去具体的设计要求，本系统大概还需要满足a/d、d/a的转换和pid调节，而这些都需要初始化和中断程序，这样也就明确了本程序需要的三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化程序就要放到子程序中，然后在主程序中调用子程序，可以减少扫描时间。本系统的pid控制采用的是定时器中断。主程序功能比较多，实现了大部分的设计要求，如：水泵之间的切换，接触器的得电，报警处理等要求。程序中使用的plc元件如表5-1。表5-1 程序的plc元件及其功能器 件 地 址功 能器 件 地 址功 能100过程变量标准化值工频泵增泵滤波时间104压力给定值工频泵增泵滤波时间108pid稳定误差故障结束脉冲112比例系数水泵变频启动脉冲（增泵）116采样时间水泵变频启动脉冲（减泵）120积分时间倒泵变频启动脉冲124微分时间复位当前变频运行脉冲204变频运行频率下限当前泵工频运行启动脉冲208变频运行频率上限新泵变频启动脉冲250pid调节结果存储泵工频/变频转换控制300变频工作泵的泵号泵工频/变频转换控制301工频运行总台数泵工频/变频转换控制310变频运行时间存储故障信号汇总工频/变频转换控制蓄水池液位超限工频/变频转换控制工频/变频转换控制5.2 plc程序设计5.2.1 主程序 根据上面的程序分析可以知道，plc主程序由调用初始化子程序模块，水泵电机启动模块，水泵电机工频/变频之间的切换模块，报警模块等构成。具体程序见附录1.（1） 调用初始化子程序模块所有工程项目的程序均需对系统初始化。它的作用在于对所有部分的当前工作状态进行检测是否出错，还有对变频器的上/下限频率，pid调节参数赋予初值。为了节约扫描时间，主程序只有一个调用初始化子程序的指令盒，所有初始化的功能都编写在初始化子程序中。（2） 水泵软启动模块当系统需要增减水泵或者倒泵时，变频器需要复位，为电机软启动做准备。当变频泵转入工频，变频泵号，并产生下一台水泵变频启动的脉冲信号，这就让下一台延时启动。（3） 水泵工频运行控制模块当前水泵工频启动脉冲产生后，倘若水泵处于变频工况且工频泵数大于，或者水泵处于变频工况且工频泵数大于，则得电，则接触器触点闭合，水泵工频运行。同时为防止触点闭合，和有良好的电气互锁。（4） 报警模块本系统设计了蓄水池液位超限（上限/下限）报警指示灯，故障指示灯、白天模式指示灯和报警电铃。此外，还设计了一个试灯按钮，按下会使所有指示灯点亮。根据上述的主程序设计模块，得到流程图如下，图5-1。图5-1 主程序流程图5.2.2 子程序 首先要初始化变频器频率的上下限，分别为50和20。先假设变频器输出频率为0100，则上下限给定值为和。在初始化pid参数时，分别让比例增益、采样时间、积分系数、微分系数分别为、。具体梯形图如图5-2。图5-2 初始化子程序5.2.3 中断程序 在中断程序中，将中的实时采样数据进行标准化转换，转换进行pid运算，再将标准值转换成输出值，由输出。具体程序如图5-3。图5-4 pid控制中断程序5.3 pid控制及其控制算法在本系统设计中，选用了含pid调节的plc来实现闭环控制达到恒压供水的目的。在连续控制系统中，常采用proportional(比例)、integral(积分)、derivative(微分)控制方式，称之为pid控制。pid控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。pid控制器是一种线性控制器error! reference source not found.。由于供水系统的控制对象是一个时变和非线性的模型，难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求需经历两个过程：首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后过程：其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。因此恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成error! reference source not found.：（5-1）6 监控系统的设计6.1 组态软件的选择 组态软件（scada）全称监控组态软件。它的作用是用来采集数据和过程控制，为用户快速便捷构建工业自动控制系统监控功能的软件。随着时代的进步，组态软件种类也是越来越多样化，有亚控的组态王、mcgs、华富的controlx2000等等。而本系统使用的是亚控的组态王。6.2 组态王的通信参数 在本设计中用的是的编程电缆实现计算机与plc之间的通信，由于使用的是串行通信接口4，并且组态王中的没有显示，因此我在工程浏览器的设备文件夹中的里，双击图标“”，出现对话框，找到“”中的西门子的系列的，见图6.1。在第三步中选择。图6.1 串行接口设置 双击工程浏览器中的设备文件中的，设置波特率为，见图6-2。图6-2 通讯参数6.3 新建工程与组态变量 双击打开“组态王6.53”，出现工程管理器，新建一个工程，名为“恒压供水系统”，双击打开新建的工程，单击“数据词典”，在最下方有个新建，双击新建变量，然后输入需要的参数，见图6-3和图6-4。图6-3 定义变量图6-4 所有变量6.4 组态界面 本系统，根据设计要求开发了系统主界面、历史/实时趋势曲线、数据报表。主界面如图6-5。图6-5 系统主界面总 结 本文根据国内大多数的高楼小区的特点，设计开发了一套基于plc和组态技术的变频恒压供水系统。该系统利用了一台变频器带动多台水泵软启动并调速，实现了“一拖n”。同时该系统采用了闭环自动控制，压力变送器采集用户的供水管网水压，经一系列的数据处理和pid调节，将输出信号给变频器，让其调节水泵电机的转速，从而保证供水管网的压力恒定。此外，本文还根据实际情况选择适合的元器件，考虑到降低成本，提高质量等因素。该系统在多面