恒压供水系统的设计.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文）基于PLC控制器的恒压供水系统设计 李诚班 级 专 业 所 在 系 指导老师 完成时间 201 年 12 月17 日至 201年 6 月 16日目 录一、摘要.1二、绪论.2三、PLC技术与变频技术概述 .3 （一）、PLC的基本概念3（二）、PLC的基本结构3（三）、PLC的工作原理3（四）、PLC应用介绍4（五）、变频技术概念5（六）、变频器结构分类5（七）、变频器与PLC使用USS通信6四、系统的总体分析.7（一）、供水系统的要求7（二）、系统的结构7（三）、供水系统方案的设计7（四）、供水系统的工作原理8五、硬件系统配置.10 （一）、PLC的选择10 （二）、变频器的选择12 （三）、水泵的选择14 （四）、其他相关设备的选择15 （五）、系统硬件连接图16六、软件系统的设计.17（一）、总体流程图设计17（二）、各个模块梯形图设计23（三）、系统的测试与分析运行32七、结论.34八、参考文献.34致谢35 一、摘 要日常生活用水量随季节、昼夜、上下班时间的不同而有较大的变化，因俄日经常出现水压的巨大波动。所以我们需要更好的供水系统，恒压供水系统既是其中之一。本系统的设计是基于西门子 S7-200 系列 PLC 控制的变频供水系统，本文介绍了该控制系统的节能原理、系统构成和工作原理。通过PLC 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经 PID 运算，PLC 进行控制变频和工频切换，从而使闭环自动调节恒压，进行变量供水。本文在系统的设计部分，对硬件系统配置、选型和软件系统的流程设计、程序设计进行了详细的介绍，并指出了系统设计过程中存在的问题，给出相关解决方法。供水系统对水压实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，变频器的控制方式采用模拟量输入，通信输出控制，通过 PID 指令实现闭环控制正确有效，达到了恒压供水系统的控制要求，满足城区居民工作和生活的日常用水需要。关键词：PLC 变频 供水 恒压二、绪论众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管。理水平的高低。这就让人们不仅对供水系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求，而且要求供水系统运行起来经济安全、高效节能。为了适应城市的快速发展，需要充分运用自动控制、网络通讯和计算机等综合技术，优化原有的供水系统，来提高各种用水场所的服务质量和供水能力，本次的设计正是为了能更好的解决此类问题而进行的，采用以 PLC 为控制核心，通过变频调速实现恒压供水。三、PLC技术与变频技术概述（1）PLC 的基本概念可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC。它是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 （2）PLC的基本结构可编程序控制器（PLC）结构主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM 和 ROM）、输入/输出模块、电源及附属端口电路组成。输入端口连接一些指令元件（按钮或开关）和现场检测元件（各种传感器），输出端口连接一些执行器件（接触器、电磁阀、指示灯），控制和驱动负载工作。系统编译，以前还需要手持编程器，现在的 PLC 系统结构基本不采用了，程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。手持编程器只能通过指令表编程，不能输入和编辑梯形图，编程方式比较麻烦，加之很多 PLC 生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件，所以目前 PLC 系统程序在编辑时，都采用计算机编程。下图 2-1 是 PLC控制系统示意图。 图 3-1 PLC 控制系统示意图（3）PLC的工作原理PLC 的工作过程是一个循环扫描的工作方式。CPU 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行 CPU 自诊断测试及写输出等内容。PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。其 CPU 的扫描过程如下图 3-2 所示。典型的 PLC 在一个周期中可以完成以下几个扫描过程：1、开机自检扫描。该自检过程保证设备可靠正常运行，及时反应系统所出现的故障，PLC 都具有自动监视功能。2、与网络进行通讯扫描。一般对于小型 PLC 系统没有建立网络通讯的单机工作状态，没有这一扫描过程，只有多台 PLC 之间或者是 PLC与终端设备之间建立的通信的网络状态才有该工作过程。3、扫描用户程序过程。这是 PLC 在一个扫描周期内的主要工作阶段，只要系统处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该工作过程是直接面对用户的，即用户可以通过软件进行编辑调试，便可实现系统的控制功能。程序量的大小会直接影响一个扫描周期，这就是实现同样一个控制功能，不同编程人员设计出来的程序，调试成功后运行效率却有差别的原因。4、读输入、写输出扫描过程。PLC 在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在 PLC 运行过程中能否被执行是可控的。CPU 在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中，CPU 把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器，在输出扫描过程中 CPU 把输出映像寄存器的值传送到输出点。图3-2 PLC的CPU扫描过程（4）PLC应用介绍PLC 在工业生产中的应用已经成为目前衡量一个国家工业自动化水平的重要标志。在欧美发达国家，PLC 已经广泛地应用在各个的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面 ：1、 基本逻辑控制PLC 用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联，代替传统继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业。2、 网络通讯PLC 的通信包括主机与远程 I/O 之间的通信、多台 PLC之间的通信以及作为下位机与上位机 PC 之间通信。PLC 与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。3、位置控制PLC 使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴的位置控制，是运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC 的运动控制功能广泛应用于各种机械。4、处理数据现代的 PLC 具有数据传送、转换、排序和查表及数据运算、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。（5）变频技术概念变频技术，简单的说就是电流整流或者逆变的过程，是把直流电逆变成为不同频率的交流电，或者是把交流电整流成直流电再逆变成不同频率的交流电，在这些变化过程中，有一个共性问题就是供电电源频率都产生了变化。现在人们常说的变频技术主要是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电。（6）变频器结构分类从变换频率的过程来看，变频器分为交-直-交和交-交两种形式。交-直-交变频器是先把工频交流电 50Hz 通过整流变成直流电,然后再把直流电变换成电压和频率均可调的交流电，又称之为间接式变频器。而交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率均可调的交流电，称为直接式变频器。目前市场上通用变频器多是交-直-交变频器这种形式的，其基本结构图如图 3-3 所示。图 3-3 交-直-交变频器的基本结构交-直-交变频器结构可分为主电路和控制电路。其中主电路由整流器、中间直流电路、逆变器构成，现将各部分的功能分述如下：1、主电路：整流器由整流二极管构成，它的作用是把三相或单相的工频交流电变换成直流电；中间直流电路一般采用电感和电容构成，利用其储能特性来吸收脉动的电压（电流），起到抑制电信号波动的作用，使整流后的直流电更加平滑；逆变器是由晶闸管构成，它的主要作用是将平滑的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路有两种分别是有源逆变和无源逆变其中有源逆变是将直流电变换成工频交流电，而无源逆变是将直流电变换成频率可以调节的交流电。2、控制电路：它是变频器的核心，是给变频器主电路提供各种控制信号的电路。变频器的控制电路具体包括调节运算电压、频率的电路和对其信号进行放大的驱动电路、检测主电路电压、电流和电机速度的电路、I/O 接口电路及保护电路等。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。（7）变频器与 PLC 使用 USS 通信使用 USS 通信协议，用户程序可以通过调用子程序的方式实现S7-200PLC 与 MM4 系列变频器之间通信，程序量不是很大，使用的硬件接线少，是一种比较方便的通信方式。通信网络由 PLC 和变频器内置的 RS485 通信接口及双绞线组成，一台 S7-200PLC 最多可以监控 31 台变频器，本课题在设计过程中，关于 PLC与变频器之间的通信，便是采用此种通信方式。1、USS 通信协议的功能S7 系列 PLC 可以采用通用的 USS 串行接口协议与 MM4 系列变频器通信。所有的西门子变频器均带有一个 RS-485 串行通信接口。根据各个变频器的地址或者采用广播方式，可以访问通信的变频器。主站可以发送通信请求报文，而从站不可以发送通信请求报文，只有接收到主站的请求报文才可以向主站发送数据，所有从站之间不能进行数据信息交换。2、USS 协议指令（1）使用 USS 协议指令步骤首先编写用户程序，然后 USS_INIT 指令初识化，为 USS 指令库分配 V 存储区，接下去用变频器的操作面板设置变频器的通信参数，使之与用户程序中所用的波特率和从站地址相符合，最后用通信电缆将PLC 与变频器之间相应端口连接起来便完成 USS 协议指令的操作。（2）初始化指令 USS_INIT初始化指令用于允许、初始化或禁止变频器的通信。在执行其他USS 协议指令前，必须要先执行 USS_INIT。（3）变频器控制指令 USS_CTRLUSS_CTRL 指令用于控制激活状态下的变频器，每台变频器只能使用一条这样的指令。四、系统的总体分析（1）供水系统的要求供水系统电机运行分析变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机，它是整个供水系统的动力源泉。一般是由三相异步电动机拖动水泵旋转实现供水，并且把电动机和水泵做成一个整体，通过改变变频器供电频率，可以调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。当然，三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数 p 和改变电动机的转差率 s 这两种方式来实现，这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种，它是通过变频器改变电动机定子供电频率，从而改变同步转速实现调速的。由异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的转速公式为：n= n1(1-s)=60f/p（1-s） (4-1)其公式中 n1为异步电机的同步转速，它是 60 倍的工频 f 与电动机磁极对数 p 的比值；s 为异步电动机转差率，它是异步电动机的同步转速 n1跟电动机转子转速 n 的差值与同步转速 n1的比值。从上式可知，当磁极对数 P 和转差率 s 固定不变时，电机转子转速 n 与只定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源 f的频率，就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速，从而控制水泵循环工作实现恒压供水。（2）供水系统的结构供水控制系统的结构总的来讲包括两个部分：一个是机械机构部分；另一部分就是电气控制系统。其中系统的机械部分主要是供水系统管网系统，它构成了一个立体的管道网络，设计相对简单，其设备、结构组成都比较固定，是实现控制功能的前提和基础，而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心部分，它包括如下组成部分。1、 主要组成部分从系统组成来讲，恒压供水系统可由三部分组成。分别是控制电路PLC、变频器；信号检测电路压力传感器、压力控制器；执行电路水泵机组。供水控制系统一般安装在集控室的控制柜内，具体包括 PLC、变频器和电控设备部分；信号检测机构是由压力传感器和压力控制器构成。在控制过程中，需要检测管网水压信号和预警信号；系统执行机构主要来说就是水泵机组，通过变频调速控制水泵电机合适的转速和工作组合，维持管网供水和用户用水平衡。2、 电气控制系统电气控制系统主要包括电气控制柜及基本单元面板。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，然后根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的逻辑控制与时序控制，就需要严格按照检测信号的输入进行控制。（3）供水系统控制方案的设计供水系统控制方案的设计主要是利用控制器单元控制变频器或者通过专用变频器控制单台水泵或循环控制多台水泵，并能根据水压变化使电机在变频和工频状态自动切换，实现供水管路的水压恒定，同时还要能对运行数据进行通信传输。可编程序控制器（PLC）控制目前比较流行的控制方案是采用 PLC 配合通用变频器（本控制系统正是采用西门子 S7-200PLC 和西门子 MM430 变频器）作为系统的控制器。这种控制方式端口灵活可以扩展，而且具有良好的通信端口，可以方便地与组态监控系统进行数据交换，而且 PLC 用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器，只需要少量的输入端口/输出端口与压力传感器、执行器连接，使控制系统中电控柜体积减小、电路结构简化，出现故障易于排查，同时也提高了系统的可靠性和抗干扰的能力。因此该系统能适用手各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的负荷大小无关。（4）供水系统的工作原理1、控制系统总体框图供水电气控制系统的总体框图如图 4-2 所示，PLC 为核心控制器，通过 CPU 循环采集各种主令信号、压力传感器信号，以及其它相关模拟信号，并进行运算处理，得到输出响应控制变频器，完成相关设备的运行、停止和调速控制。图 4-2 供水电气控制系统总体框图2、系统运行分析供水系统有两种运行状态：一种是手动操作状态，一种是自动运行状态。供水系统在手动状态下，各类设备的控制根据操作电控柜内的各类功能按钮和开关来控制，没有逻辑控制信号，即不采集传感器的信号状态进行来控制系统操作。此工作方式可以在控制系统出现故障时，切换到手动操作状态，可以保证用户正常用水需求。通常的运行模式是在自动状态下运行的，通过 PLC 控制变频器，进行 PID 运算，实现闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制，其工作过程如下。第一步：系统初始化程序并测量水池水位是否正常。第二步：采集压力传感器反馈的信号，通过 A/D 转换，将该传感器输出的模拟信号转换成 PLC 可处理的数字量信号。第三步：PLC 根据压力反馈值，以及变频器输出频率，对模拟量进行数据处理。第四步：PLC 的 CPU 通过对数据进行运算处理，产生输出控制信号，对执行器进行实时控制。这样就完成了一个工作过程。其工作过程的示意图如图 4-3 所示:图 4-3 供水系统主要工作过程示意图五、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。（1）、PLC 的选择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。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、Omron 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/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。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：l 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 5-1 所示。表 5-1 I/O 地址分配输入信号地址输入设备输出信号地址输出设备I0.0急停 SAQ0.11#泵变频 KM4I0.1手动启动信号 SB1Q0.22#泵工频 KM2I0.2自动启动信号 SB2Q0.32#泵变频 KM5I0.3水池高位信号Q0.43#泵工频 KM3I0.4水池低位信号Q0.53#泵变频 KM6I0.51#泵工频启动 SB3Q0.6水池阀门I0.61#泵变频启动 SB6I0.72#泵工频启动 SB4I1.02#泵变频启动 SB7I1.13#泵工频启动 SB5I1.23#泵变频启动 SB8I1.3电动机加速I1.4电动机减速I1.5水池进水阀门I1.6变频器复位l 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 5-2 所示表 5-2 模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIW0压力传感器3、 PLC 控制系统与端口连接根据控制系统的功能要求、如表 5-1 和表 5-2 所示的 I/O 分配情况，设计出 PLC 控制系统与端口元件以及EM235的连线图如5-1所示。图5-1PLC 控制系统与端口元件以及EM235连线图（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。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、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。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：l 6个可编程的带电位隔离的数字输入端。l 2个模拟输入，也可作为第 7/8 个数字输入端。l 2个可编程的模拟输出（020mA）。l 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。l MM430 变频器可与 S7-200PLC 连接，也可集成到 SIMATIC 和SIMOTION 的 TIA 系统中。l 具有内置 PID 控制器，可用于简单的过程控制。3、 MM430 型变频器的参数设定和调试MM430 变频器的功能很多，主要是为适用于不同场合而开发的。本控制系统被驱动设备是供水用的水泵，通常也只能用到变频器很少的一部分功能，而变频器的大多数参数都不用设置，只需针对风机水泵这类负荷的参数进行设置即可。在此，对西门子 MM430 变频器采用“快速调试”的方法，这是对变频器进行参数设置快速有效的一种方法。在进行快速调试之前，必须确认所用的机械部分和电气部分结构安装工作已经完成，并进行必要的清场，对于要求严格的场合还要做好相关的安全防护工作，如按规范要求执行操作票制度，开出完善的调试步骤作为操作票的附件，以保证人身和设备的安全。要对 MM430 变频器进行快速调试，必须了解掌握两个重要参数：P0010参数过滤功能（设置 P0010=1，选择变频器进行快速调试）；P0003选择用户访问级别的功能。MM430 变频器有三个用户访问级别：专家级、扩展级和标准级。当对变频器进行快速调试设置时，访问级别比较低，大多参数的数值要么自动地计算要么缺省设置，能够看到的参数较少。当设置了 P0010=1，使变频器进入快速调试状态时，P0003 用户访问级用来选择要访问的参数，这一参数也可以用来选择由用户定义的、进行快速调试的参数表。快速调试的进行与参数 P3900 的设定有关，在快速调试的所有步骤都已完成以后应设定 P3900=1，以便进行对电动机相关数据计算。当 P3900 被设定为 1 时，快速调试法结束后会将除了 P0010=1 之外其他所有的参数恢复到它们的缺省设置状态。当进行 P3900=1 设置，并完成快速调试以后，变频器即已做好了运行准备（这种情况只有在快速调试方式下才存在）。为满足恒压供水系统的控制要求，需要对变频器的通信功能进行设置，主要包括对以下几个参数进行整定,如表 5-3 所示。表 5-3 变频器参数设置表参数设置值参数标号说明21P0005显示实际运行频率5P0700COM 链路的 USS 设置5P1000通过COM链路的USS设定2P1300用于可变转矩负载6P20109600baud1P2011USS 地址设置按实际选用电动机设置P0300电动机类型（异步、同步）按实际选用电动机设置P0304确定电机 UN按实际选用电动机设置P0305确定电机 IN按实际选用电动机设置P0310电动机额定频率(50Hz)按实际选用电动机设置P0311确定电机额定转速对于此系统中的变频器采用通信控制，需要将变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对已编址的变频器发送控制命令，实现对变频器的控制，在本控制系统中，由于只选用了一台变频器，因此要将变频器的地址设置为 1。具体通过改变参数 P2011 中的值来实现。在不同的系统中，也可以实现对多个变频器的控制。在实际应用时，有时需将变频器的所有参数复位为出厂时的缺省设置值；如进行参数复位，可对下面的参数的数值进行设置（需使用 BOP-2 或通讯选件）：（1） 设置 P0010=30；（2）设置 P0970=1。变频器接线图如下图5-2所示 图5-2 PLC外部接线图(3) 水泵的选择由于供水系统在运行时是靠水泵抽水来实现的，它是整个系统的执行机构，因此，水泵选择的合适与否也是影响系统运行是否安全稳定、节能高效的重要因素。1、 选用水泵的原则应尽量选用高效节能且噪音较低的水泵，不可采用市场淘汰产品。根据实际供水系统的规模即所带负荷情况，合理确定水泵的台数。当一台水泵运行能够满足正常供述需求时，一般不宜采用多台水泵并联方式运行。若必须采用多台水泵并联运行，才能满足供水需求时，应考虑各台水泵品牌、型号尽量一致。2、 选择水泵应注意的问题当水泵的型号选定以后，对于离心式水泵而言，其消耗功率的大小与水泵的实际供水流量是成正比的，而水泵的流量会随扬程的增大而减小，因而扬程值越高，供水流量越小，消耗的功率也就越小。反之，扬程值越低，流量就会越大，消耗的功率也就越大。因此，为了防止电机过载，一般要求水泵在实际使用时，扬程不得低于标准扬程的 60%。所以，当高扬程水泵用于低扬程供水系统时，电机容易过载而发热，甚至会烧毁电机。实际运行中应注意电机的温升和电流参数，若发现电机温度偏高或者电流增大，应及时关小出水管上的阀门或关机。若因特别情况需将高扬程水泵放在低扬程供水系统使用，则必须用水泵出水管上的阀门来调节供水流量，使之减小，防止电机过载。（4）其它相关设备的选择1、压力传感器的选择在系统的检测环节中压力传感器是非常重要的一部分器件，它将检测到控制量（水压）反馈给系统，才能实现自动恒压控制。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成 010V 间变化的电压信号或者 420mA 变化的电流信号的标准信号传送给 PLC 设备模拟量输入/输出扩展模块 EM235，PLC 主机进行数据的运算处理，经运算与给定标准值进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力值上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。供水系统的压强是 P=pgh，下面单位都是估计标准单位p=103,g=9.8，一般情况下，供水高度小于60 米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于 0.6Mpa，系统选用 YTZ-150 型电位计式的压力传感器，其水压检测范围为 01MPa，检测精度为土 0.01MPa，该传感器将 01MPa 范围的压力对应转换成 010V 的电信号。该传感器还具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠的特点。3、 接触器由于本系统执行负载是三相交流异步电动机，从分析电气原理来看，它的启停控制、工频/变频切换，都与交流接触器通断电有直接关系，受其控制。本控制系统是三台水泵组合运行，每台水泵都有工频和变频两种运行状态，所以需要选用 6 个交流接触器。分别编号为：1#泵工频 KM1、2#泵工频 KM2、3#泵工频 KM3、 1#泵变频 KM4、2#泵变频 KM5、3#泵变频 KM6。具体配置见表 5-1 和图 5-2。1#泵工频 KM1：是连接 1#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.0 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。2#泵工频 KM2：是连接 2#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.2 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。3#泵工频 KM3：是连接 3#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.4 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。1#泵变频 KM4：是连接 1#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.1 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。2#泵变频 KM5：是连接 2#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.3 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。3#泵变频 KM6：是连接 3#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.5 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。3、主令电器主令电器的种类有很多，常见的有各类按钮、开关、行程开关等。系统在手动和自动启动运行时，主令电器是用来接通和断开电路的，有的也起到位置保护、转制等作用。本控制系统主要采用一些按钮和开关。控制系统的调试和运行时，手动/自动按钮使用转换开关；自动启动按钮采用点动按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位；在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用旋转按钮，并具备调节功能。（5）、系统硬件连接图根据选定的 PLC、变频器、水泵和压力传感器、接触器等设备，最终确定下来供水系统的硬件连接图，如下图 5-2 所示。图 5-3供水系统硬件连接图六、软件系统的设计根据前面的分析，在确定了系统的控制方案和选定了硬件设备之后，本 章 主要采用西门子公司为S7-200 系列 PLC发的STEP7-Micro/WIN4.0 软件进行软件部分设计即编写 PLC 的程序来实现整个控制系统的运行。在软件设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照功能流程图编写不同的功能模块程序，这样写出的程序条理清晰，既方便编写，也便于调试。（1）、总体流程设计根据系统的控制要求，控制过程可分为自动控制功能和手动控制功能。系统平时运行处于自动控制状态，当自动运行出现故障，可以切换到手动控制状态下。在手动控制状态下，每个设备都对应一个启停按钮，同样能保障系统继续正常工作，不影响供水。模式选择流程图如图6-1 所示。图 6-1 控制方式选择流程图1、手动运行流程设计在手动运行状态下，由于每个设备都对应了一个启停按钮，所以可单独控制每台设备的运行状态，手动运行模式流程图如图 6-2 所示。图 6-2 手动运行模式流程图在这种工作模式下，可以通过旋钮对三个水泵进行工频/变频的控制。在变频的工作模式下，可以通过调节旋钮改变变频器的频率，从而改变电机旋转速度，满足不同时间段用户用水量的大小。3、 自动运行流程设计为了编写程序方便，易于调试和分析，进行软件程序设计前，首先需要制定程序流程图。在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括水池水位检测程序、1#泵控制程序、2#泵控制程序、3#泵控制程序、水池水位检测程序主要控制进水阀门的运行和停止，下面制定本控制系统自动运行程序各个功能模块的流程图。自动运行模式工作流程图水池水位检测流程图3、1#泵控制流程图4、2#泵控制流程图5、3#泵控制流程图6、工频运行泵切除流程图图 6-5 1#泵控制流程图图 6-3 自动操作模式工作流程图图 6-4 水池水位检测工作流程图图 6-6 2#泵控制流程图图 6-7 3#泵控制流程图图 6-8 工频运行泵切除流程图（2）、各个模块梯形图设计1、软元件设置在前面一章根据系统的功能要求，已经对 PLC 的 I/O 进行了配置，但在程序设计过程中，还会用到许多寄存器、中间继电器、定时器等软元件，为了便于编程和修改，在程序编写前先列出可能用到的软元件，如下表 6-1 所示。表 6-1 元件设置元件意义元件意义M0.0系统停止标志M3.3指示变频器的运行方向标志M0.1手动控制标志M3.4指示变频器的禁止位状态标志M0.2自动控制启动标志M3.5指示变频器故障位状态标志M0.3进水阀开启标志T37水池水位高于高位传感定时M0.4水池故障标志T38水池水位低于低位传感器定时M0.51#泵工频运行标志T39进水阀启动后定时M0.62#泵工频运行标志T40管压测量防波动定时M0.73#泵工频运行标志T41管压测量防波动定时M1.01#泵变频运行标志T42管压测量防波动定时M1.12#泵变频运行标志VD10手动变频器速度寄存器M1.23#泵变频运行标志VD20自动 1#泵速度寄存器M1.31#泵变频到工频切换标志VD30自动 2#泵速度寄存器M1.42#泵变频到工频切换标志VD40自动 3#泵速度寄存器M1.53#泵变频到工频切换标志VD50自动变频器速度寄存器M2.0断开 1#泵工频运行标志VD100压力传感器标准值寄存器M2.1断开 2#泵工频运行标志VD102压力传感器反馈值寄存器M2.2断开 3#泵工频运行标志VD104变频器 50Hz 标准值寄存器M3.0USS_INIT 指令完成标志VB200USS_INIT 指令执行结果M3.1确认变频器的响应标志VB202USS_CTRL 错误状态字节M3.2变频器的运行状态标志VW204变频器返回的状态字原始值M3.3变频器的运行方向标志VD206全速度百分值的变频速度2、手动控制程序设计在系统上电后，控制方式选择手动方式时，可通过电控柜内相应的按钮控制每个设备运行。手动控制系统主要为了防止系统程序出现故障，保证供水系统能够通过手动运行方式完成正常供水。同时，便于在系统设计完成后，进行调试，检测各个设备是否能正常运行。手动控制的梯形图程序如下：图 6-9 手动控制梯形图程序上面以梯形图程序描述了供水系统的手动控制功能。当手动启动按钮信号 I0.1 接通，系统进入手动控制状态。此时，按 SB3，PLC 输入信号 I0.5 接通，1#水泵工频运行，若是按下SB6，PLC 输入信号 I0.6 接通，1#水泵变频运行；按 SB4，PLC 输入信号 I0.7 接通，2#水泵工频运行，若是按下 SB7，PLC 输入信号 I1.0 接通，则 2#水泵变频运行；同样，按 SB5，PLC 输入信号 I1.1 接通，3#水泵工频运行，若按下 SB8，PLC 输入信号 I1.2 接通，3#水泵变频运行。其中，PLC 输入信号 I1.3 或 I1.4 分别接通，可以控制水泵电机升速或减速，使三台水泵机组以变频组合的方式运行。从而，满足了在不同的供水时间段，用户用水量的正常需求。4、 自动控制程序设计供水系统在正常工作中，处于自动运行状态，系统通过传感器的反馈信号来控制变频器，以及调速控制，如图下图所示。在上面程序中，当操作按钮 SB2，PLC 的输入信号 I0.2 接通，系统便进入自动运行状态。通过调用不同的程序，实现不同的控制功能，下面将介绍各部分程序的功能。水位检测程序，完成对水池中水位的检测，控制系统的运行与停止，其程序如图 6-11 所示。图 6-11 水位检测梯形图程序在此程序中，完成对水池中水位的检测，中间继电器 M0.3 线圈得电，启动进水阀门，检测水位是否正常。当水位高于高位传感器信号，启动定时器 T37。定时时间达到预设值 30 秒，若水位仍高于高位传感器，定时器常闭触点断开，中间继电器 M0.3 断电，关闭进水阀门；若水池水位处于高位传感器和地位传感器之间，进水阀门就一直正常运行；若是水池水位低于低位传感器，启动定时器 T38，定时到了以后启动进水阀门，并且启动定时器 T39 定时 20 秒，定时时间到后再次判断水位是否低于低位传感器，如果仍低于低位传感器，则中间继电器 M0.4得电，显示进水阀门有故障，水池水位异常。1#水泵梯形图程序如图 6-12 所示。图 6-12 1#泵控制梯形图程序上图 6-12是关于控制 1#水泵工作的程序，当按下SB2 自动启动按钮后，中间继电器 M0.2 得电，并且实现自锁，使中间继电器 M1.0 得电，1#泵进入变频运行状态，通过变频器监测水压来调整水泵电机的频率，同时调用 PID 回路子程序和产生中断子程序，启动 PID 运算。若是管内水压小于设定标准值，则定时器 T40 开始定时 5秒，定时时间到了，管内水压仍小于设定标准值，中间继电器 M1.3、M1.5 得电，1#泵变频切换到工频 50Hz 满负荷运行、并启动 2#泵控制程序。系统进入“1#泵工频运行+2#泵变频运行”状态。2#水泵梯形图程序如图 6-13 所示。图 6-13 2#泵控制梯形图程序上图 6-13是关于控制 2#水泵工作的程序。在运行时，通过 PID 运算，若是管内压力反馈值大于设定值（即监测到管内压力已超过上限），中间继电器 M2.0 得电，切除 1#泵的工频运行，维持 2#泵变频调速运行状态。如果“1#泵工频运行+2#泵变频运行”水压仍不够，即管内水压反馈值小于设定的标准值，启动定时器 T41，经过延时 5 秒后仍小于设定值，中间继电器 M0.6 得电，2#泵变频切换到工频运行状态、同时启动 3#水泵控制程序。系统进入“1#泵工频运行+2#泵工频运行+3#泵变频运行”状态。在选择水泵时通过选取合适的电机容量，保证三台水泵同时运行时水压一定足够，因此不会出现三台水泵同时运行水压不够的情况。3#水泵梯形图程序如图 6-14 所示。图 6-14 3#泵控制梯形图程序上图 6-14是关于控制 3#水泵工作的程序。在运行时，当管内水压超过压力上限，则切除 1#泵工频运行，经过延时后如果管内水压仍然超过压力上限，再使中间继电器 M0.6 得电，使中间继电器 M2.1 断电，关闭 2#水泵工频运行，只留 3#水泵变频运行。如果水压再次不够，即检测到的管内压力反馈值小于设定的标准值，启动定时器 T42 定时 5 秒，定时时间到仍小于设定值，中间继电器 M1.5 得电，使中间继电器 M0.7 也得电，3#水泵工频运行，并启动 1#水泵控制程序。此时仍不断监测水压，当水压达到压力上限，则 3#水泵停止运行，只留 1#水泵变频运行。至此程序又回到自动运行刚开始的情况，之后将不断循环运行。1#、2#和 3#水泵的控制程序主要是控制各泵的运行、停止和变频调速，以及对水压进行监测比较，实时控制变频器驱动水泵变频和工频运行，达到变频恒压供水的目的。4、初始化程序设计开机初始化梯形图程序如图 6-15 所示。图6-15开机初始化梯形图程序PID 回路参数表初始化梯形图程序，如图6-16所示。初始化子程序，产生中断，其梯形图程序如图6-17所示。图 6-17 产生中断子程序梯形图程序在中断子程序中，产生中断的梯形图程序如图 6-18所示。图6-18中断梯形图程序本系统初始化程序部分，包括开机初始化程序、PID 回路参数表初始化程序和产生中断子程序。其中开机初始化程序完成对 1#水泵、2#水泵、3#水泵的速度寄存器的设定，以及对变频器速度标准值的设定；PID 回路参数表初始化程序完成对比例系数、采用时间、积分时间、微分时间的设定；中断子程序是为完成相关数据的转换和运算。其中 PID回路参数表初始化程序和