小型水厂恒压供控制系统设计

SHANDONG 毕业设计说明书 小型水厂恒压供水控制系统设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 李晓粉 学 号： 0812205761 指导教师： 李素玲 2012 年 6 月 中文摘要 I 摘 要 随着社会的飞快发展，城市建设规模的不断扩大，工业化化水平的不断提 高，人们生活水平的不断提高，人们对城市供水的质量、数量、稳定性提出了 更高的要求。 本论文根据小型水厂的工艺特点与要求，设计了一套基于 PLC 的变频恒压 供水控制系统。该系统主要由 PLC、变频器、水泵机组、压力变送器、液位变 送器等构成。系统有六台水泵电机，一台大功率水泵电机用变频器启动，变频 调速运行，另一台大功率水泵电机备用，另外四台电机顺序工频运行。压力变 送器检测当前水压信号，送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运算，从而控制变 频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量。当变频器的 频率输出升到 48Hz 时，管网压力还是过低，这时要开启工频泵；当变频器的频 率输出降到 20Hz 时，管网压力还是过高，这时需要停止工频泵。最终保持管网 压力稳定在设定值附近。 关键词：关键词：变频调速,PLC,恒压供水 Abstract II Abstract With the rapid development of the society, the scale of city construction is expanding, and the industrialization level increases, peoples standard of living is rising constantly, so people are continuously improving the requirements to the quality of water supplying ,reliability of water supply system and energy saving. According to the requirement of water supply, this paper designs a set of water supply system of frequency control of constant voltage based on PLC. .The system consists of PLC ,frequency regulator， units of pumps, water level transducer, pressure transducer and so on.There are six pumps motors in this system. One of the biggest motors is started with the frequency regulator, the other biggest is alternate, another are started in sequence. Pressure regulator detects the water pressure signal and then puts it into the PLC to compare with the set value, then the PID operates so as to control the output voltage and frequency of frequency regulator, and change the speed of the pump motor to change the supply quantity. When the output of the frequency regulator is up to 48 Hz, but the pipe pressure is too low, the industrial frequency pump will be started at this time; When the output of the frequency regulator is down to 20Hz, but the pipe pressure is too high, the industrial frequency pump will be stopped at this time.Ultimately the pressure of the pipe network remains constant around the setting. Key words: variable frequency speed-regulating, PLC, constant-pressure water supply 目 录 III 目 录 摘 要I ABSTRACT 目 录 第一章 引言.1 1.1 课题的提出及意义1 1.2 变频恒压供水控制系统在国内外发展现状2 1.3 本课题的设计内容和指标参数 4 1.3.1 设计的主要内容4 1.3.2 主要设计指标与参数4 第二章 恒压供水控制系统的理论分析及方案设计.5 2.1 变频恒压供水控制系统的理论分析5 2.1.1 变频调速原理.6 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理.6 2.2 变频恒压供水控制系统的方案设计7 2.3 变频调速恒压供水控制系统的组成及其框图8 第三章 恒压供水控制系统的硬件设计.11 3.1 可编程控制器（PLC）的选型与设计.11 3.1.1 PLC 概述11 3.1.2 PLC 的工作原理12 3.1.3 PLC 的选型13 3.2 变频器的选型与设计18 3.2.1 变频器与变频技术概述.18 3.2.2 变频器的选型.19 3.3 压力变送器的选型与设计20 3.3.1 压力变送器概述.20 3.3.2 压力变送器的选型.21 3.4 液位变送器的选型与设计22 目 录 IV 3.4.1 液位变送器概述.22 3.4.2 液位变送器的选型.23 3.5 恒压供水控制系统的 PLC 接线图.24 第四章 恒压供水控制系统的软件设计.26 4.1 PLC 程序设计概述.26 4.2 恒压供水控制系统的主程序设计26 4.3 水池水位处理子程序设计29 4.4 出厂管网压力处理子程序设计29 4.5 泵组起动子程序设计31 4.6 泵组停止子程序设计35 总 结.37 参考文献.38 致 谢.39 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引 言 1.1 课题的提出及意义 水电是我们日常生活中不可缺少的重要组成部分。随着社会经济的快速发 展，人们生活水平的提高，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生 活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。 而在我国，中小城市供水厂尤其是老水厂，自动化程度相对落后，供水机组通 常处于超压运行状态，不但效率低，耗电量大，而且城市管网长期处于超压运 行状态，曝损也十分严重。而我国是个能源短缺的国家，迫切需要改进技术， 改进供水系统，提高供水系统的稳定性、可靠性，节约能源。 传统的供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方 式，其优、缺点如下1： (1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增 减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满 负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压 运行状态，曝损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少 采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调 节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作 量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工 作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停 电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机 为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层 建筑。 (4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效 第一章 引 言 - 2 - 率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简 单明了，维修方便。 (5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性 比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效 率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统 中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技 术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、 制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统， 居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性 表现在三个方面：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击 以及供水水压对管网系统的冲击； 三是能减小水泵、 电机自身的机械冲击损耗2。 基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统是集电气技术、变频技术、现代控制 技术于一体的技术。采用此系统进行供水不仅可以提高供水系统的稳定性和可 靠性而且系统具有良好的节能性，在我国这样一个能源日益短缺的国家十分重 要，所以研究设计该系统在提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方 面具有重要的现实意义。 1.2 变频恒压供水控制系统在国内外发展现状 恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国 外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制 动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅 作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变 频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制3。 从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频 器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的 情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、 第一章 引 言 - 3 - 可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可 后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器， 像日本 SAMC 公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵 循环方式”两种模式。 它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器 控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能，只要搭载 配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多 7 台电机泵的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输 出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系 统(如 BA 系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此 在实际使用时其范围将会受到限制2-5。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控 制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可 编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实 现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技 术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集 团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)， 无需外接 PLC 和 PID 调节器，可完成最多 4 台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器 将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限 制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容 量，控制要求不高的供水场所。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简 单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供 水变频器集成了 PLC 或 PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操 作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从 事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进 口国外变频器，结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的 变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分 小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设 计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时 兼顾系统的电磁兼容性(EMC)， 的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。 第一章 引 言 - 4 - 因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用 于生活、生产实践2-5。 1.3 本课题的设计内容和指标参数 1.3.1 设计的主要内容 本课题主要设计一套由 PLC、变频器、水泵机组、传感器等组成的恒压供 水控制系统。通过现场实习，熟悉二次加压水厂的供水系统的组成与特点，通 过各种方案的比较，确定供水方案，根据供水控制方案选择管网压力传感器、 水位传感器和 PLC 的型号，并设计联动梯形图及其应的程序。 1.3.2 主要设计指标与参数 1、水厂为二级加压水厂，厂内主要有清水池和泵房； 1） 泵房内有： 水泵电机六台： 额定容量： 110KW 两台， 90KW 两台， 75KW 两台。 出水阀门 6 个：额定容量均为 1.5KW。 真空泵两台：额定容量均 为 2.8KW。 2）清水池有进 水 阀 门 两 个 ： 额定容量均为 7.5KW。 2、出厂管网要求压力为 0.35MPa。 3、清水池安全水位 2m4m，下限极限值为 1.5m。 4、对控制系统的要求： 1）当水池水位超过上限安全值（4m）时，应适当关闭进水阀门，减 少水池入水量。 2）当水池水位处于安全值（2m4m）之内时，应保持出口压力稳定。 3）当水池水位下降低于下限安全值（2m）时，应适当减小出口压力给 定值，通过变频器进一步降低电机转速，减少出水。 4）当水位继续下降并低于下限极限值（1.5m）时，缓慢降低电机转速， 切断运行信号，停止电机运行并关闭前端阀门。 5）当水位回升至安全值（2m4m）以内时再次打开阀门，启动电机。 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 5 - 第二章 恒压供水控制系统的理论分析及方案设计 2.1 变频调速恒压供水控制系统的理论分析 2.1.1 变频调速原理 水泵电机多采用三相异步电动机，供水系统的变频调速实质是异步电动机 的调速。 异步电动机的同步转速6-7： n0= 60f/p （2.1） 异步电动机的转差率： s = 1 n/0 （2.2） 异步电动机的转速： n = 60f(1 s)/p （2.3） 式中，n0一电动机的理想同步转速（r/min） ； n 一电机转子转速（r/min） ； p 一电机的极对数； f 一电源的频率(Hz)； s 一转差率。 从式（2.3）可知，三相异步电动机的调速方法有： 1）改变定子极对数 p 一变极调速; 2）改变定子电源频率 f 一变频调速； 3）改变电动机转差率 s 一改变定子电压调速、转子回路串电阻调速、电磁 转差离合器调速和串级调速等。 变极调速操作简单方便，机械特性硬，效率高，可获得恒转矩和恒功率， 但是只能是有级调速，且调速等级有限，只适用于不要求平滑调速的场合。改 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 6 - 变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，它的优点 是它可以将转差功率回馈电网，调速系统运行效率高，节电效果显著，机械特 性硬，调速稳定性好，平滑性好，但是调速系统的功率因数低，线路过于复杂， 增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。本设计采用变频 调速，重点分析下变频调速的特点。 由式（2.3）可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速 n 与电源频率 f 基本上成正比。因此，连续改变电源频率即可平滑地改变三相异步电动机的转 速。但是只是调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术和 微电子技术的发展， 不断出现了各种性能良好、 工作可靠的变频调速电源装置， 它们促进了变频调速的广泛应用，在某些领域逐步取代了直流调速系统8。 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理 在供水控制系统中，最基本的控制对象是流量 Q，所以要讨论节能问题，须 从考察调节流量的方法开始，常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种9。 阀门控制法是通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。阀门控 制通过改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性（以水泵的转速 不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量的关系特性）将随阀门开度 的改变而改变，但扬程特性（以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转 速下，全扬程与流量间的关系特性）则不变。如图 2-1 所示，设用户所需流量减 少为QB，当通过关小阀门来实现时，扬程特性不变，仍为曲线，管阻特性则 由阀门全开时的曲线改变为曲线，供水系统的工作点（扬程特性曲线和管 阻特性曲线的交点） 由额定状态时的 N 点移至 B 点。 这时， 流量由QN减少为QB;扬 程由HN增加HB: 供水功率PB与面积 OEBF 成正比。转速控制是通过水泵的转速 来调节流量，而阀门开度则保持不变。转速控制法的实质是通过改变水泵的供 水能力，来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改 变。仍以用户需求量等于为例，当通过降低转速使=时，扬程特性曲线 移至曲线，管阻特性则仍为曲线，故工作点移至 C 点，这时，流量减少 为；扬程减少为；供水功率与面积 OECH 成正比。 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 7 - 0QB ED Q H F G H C N B QN HA HN HB 图2-1 不同控制方式的节能效果 转速下降 额定转速 阀门关小 阀门全开 HC 通过比较两种调节流量的方法，可以看出来，在所需流量小于额定流量的 情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时的小的多，所以转速控制方式所需的 流体功率也比阀门控制方式小的多，两者之差P便是转速控制方式节约的流体 功率，它与面积 HCBF 成正比。这是变频调速恒压供水控制系统节能的基本方 面。 2.2 变频恒压供水控制系统的方案设计 变频恒压供水控制系统主要由变频器、可编程控制器、水泵机组、液位变 送器、压力变送器、阀门等组成。本次设计的是二次加压水厂的供水系统，该 系统有水泵电机六台：两台主泵（110KW） ，这两台主泵中一台作为备用泵，正 常情况下只有一台工作，四台辅泵（两台 90KW，两台 75KW） 。这是一个多台 水泵构成的恒压供水系统。 此设计只对一台泵进行变频调速， 其他泵恒速运行。 此系统对一台泵调速，有不同的设计方案10。 方案一 将调速泵和恒速泵固定设置的定一变量泵恒压供水方案 定一变量泵恒压供水方案是将系统中一台功率最大的泵（本系统中有两台， 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 8 - 这两台是完全一样的，控制哪一台均可以，本设计定义变频调速的泵为 1#）构 成变频调速系统。当一台泵流量不够使用时，利用变频器输出频率达到上限的 信号，通过可编程控制器去接通恒速泵的接触器来启动一台定量泵，当两台泵 流量不够使用时，再利用同样的信号去启动第二台定量泵，依次类推。流量过 大时，利用变频器输出频率达到下限的信号去停止一台定量泵，采用顺序启动 顺序停止，先启动的先停止，这样利用起动停止定量泵产生有级调节，利用变 频器在每一级内形成无极调速，从而实现全范围的无极调节系统。 方案二 各泵轮换调速的循环软启动恒压供水方案 循环软启动恒压供水方案是所有的泵都既可以工频运行又可以连接到变频 器上，最初变频器带动一台泵运行，输出频率达到上限时将该泵切换到工频电 源恒速运行，变频器则连接到第二台泵上，带动其运行调速运行，依此类推。 流量过大时，根据输出频率达到下限的信号按照启动顺序依次切除恒速运行的 泵。 循环软启动恒压供水方案的思路复杂，优点有两个：一个是循环运行方式 有利于水泵的机械磨损均匀，使用寿命也彼此相当；另一个是利用变频求实现 了水泵的软启动，在水泵功率较大时对降低电网冲击有利。但是这两个优点的 价值都有限。在定一变量泵恒压供水方案中，各定量泵仍然可以采用循环方式 一均衡机械磨损，至于定量泵，虽然处于长期运行状态，但由于调速运行，平 均转速比较低，平均机械磨损未必高于定量泵。而且，在定一变量泵恒压供水 方案中，如果的确需要软启动功能，只要为各定量泵装配软启动器就可以了， 只是投资略高些，但可以省去切换用接触器，投资的差异有限，而且定一变量 泵恒压供水方案思路简单直接。 综上所述及其比较，本设计选择方案二。 2.3 变频调速恒压供水控制系统的组成及其框图 本设计是小型水厂恒压供水控制系统的设计，该水厂是个二次加压水厂。 该系统主要由一台可编程控制器、一台变频器、六台水泵电机、两台真空泵、 液位传感器、压力传感器、进出水阀门等构成。本设计选择的方案二来控制， 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 9 - 变频器来控制两台大功率水泵当中的一台，本设计将之编号为 1#，另一台为 2# 作为备用电机，两台 90KW 的电机分别编号为 3#、4#，两台 75KW 的电机分别 编号为 5#、6#，这四台电机采用 Y-启动。系统框图如图 2-2 所示。 可编程控制器PLC 变频器 1#泵组 Y/启动 3#泵组6#泵组5#泵组4#泵组2#泵组 清 水 池 液位变送器压力变送器 出 厂 管 网 图2-2 恒压供水控制系统框图 此水厂为二次加压水厂，清水池的安全水位为 2m4m,下限极限值为 1.5m. 清水池在安全水位时出厂管网要求压力稳定为 0.35MPa， 当水位低于下限安全值 （2m）时，适当的减少出口压力给定值，设为 0.28MPa。当水位继续下降低于 下限极限值（1.5m）时缓慢降低电机转速，切断运行信号，停止电机运行并关 闭前端的出水阀门。当水位上升至安全值（2m4m）以内时再次打开阀门，启 动电机。由系统框图 2-2 可以知道，此系统工作时首先由液位变送器将检测得水 位值转化成 420mA 的电流信号送到 PLC，由 PLC 根据这一信号自动的调节水 压力的设定值，随后由安装在水泵出厂管网上的压力变送器将出厂管网的压力 值转化为 420mA 的电流信号送给 PLC，并与设定好的水压值进行比较，根据 第二章 恒压供水控制系统的硬件设计 - 10 - 比较出的偏差值，通过 PLC 的 D/A 转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控 制变频器的输出频率，再去控制水泵电机的转速，进而控制水泵的供水量，最 终使出厂管网压力值稳定，实现变频调速恒压供水。 在本次设计中，将变频器的上限频率设定为 50Hz,这是由于电网的限制，我 国电网的工频为 50Hz，而且电机的工作频率也是 50Hz，但是在实际运用中变频 器的频率很难到达 50Hz9，即使达到了 50Hz 也很难再降下来，所以本次设计将 变频器的频率的上限值设为 48Hz。由于变频器的输出频率不能为负值，最低频 率也得是 0Hz。查阅资料发现，在实际的应用当中，变频器的输出频率不可能变 为 0Hz。 因为在实际应用中， 当水泵机组运行的时候， 电机带动水泵向管网供水， 由于管网中的水的压力会反推动水泵，给带动水泵运行的电机一个放反作用力， 同时这个水压也会在一定程度上阻止清水池中的水进入管网，所以，当电机运 行的频率下降到一定的程度值的时候，水泵就抽不出水来了，实际的供水压力 也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际中的应用就是电机运行的 下限频率，这个频率是远远大于 0Hz 的，一般在 20Hz 左右。所以本次设计下限 值设为 20Hz。在 20Hz48Hz 之内，电机的转速与定子的相电压成正比，也就是 说与变频器的输出频率成正比例。所以，通过调节变频器的输出频率就能够消 除管网水的压力与水压设定值的偏差，经过反复的的自动调节，能够使出水厂 管网压力与设定的值保持一致性， 从而实现恒压供水。 当变频器的频率达到 48Hz 时出水管网的压力仍然低于设定的水压力值，此时要通过 PLC 控制切换器进行 加泵操作。当变频器的输出频率达到 20Hz 时出水管网的压力仍然高于设定的水 压力值，此时要通过 PLC 控制切换器进行减泵操作，从而实现恒压供水，保证 比较高的供水质量，节约能源。此系统是一个以设定的水压力为基准的闭环控 制系统，控制原理图如图 2-3 所示。 液位变 送器 设定压 力值 变频 器 出水 管网 PID控 制器 水泵 机组 A/D A/D D/A 压力变 送器 图2-3 恒压供水控制系统原理图 出 口 压 力 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 11 - 第三章 恒压供水控制系统的硬件设计 本系统的硬件主要由可编程控制器（PLC） 、变频器、液位变送器、压力变 送器等组成。 3.1 可编程控制器（PLC）的选型与设计 3.1.1 PLC 概述 1982 年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程控制器下了严格定义。可编 程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境而设计，它采用了 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 和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类 型的机械生的生产过程12。 PLC 具有以下特点： 1、可靠性高 工业现场的环境十分恶劣，如高温、潮湿、振动、冲击、粉尘和强电磁干 扰等，因此工业生产对控制系统的可靠性要求很高。PLC 是专为工业控制设计 的，能够适应工业现场的恶劣环境。PLC 在设计和制造过程中采取了一系列的 抗干扰措施，使 PLC 的平均无故障时间通常在 200000 小时以上。 2、编程简单易学 PLC 的程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言。梯形图主 要由人们熟悉的常开/闭触头、线圈、定时器、计数器等符号组成。对于使用者 来说，只要具有电气控制方面的相关基础知识，而不需要具备计算机方面的专 业知识，因此很容易为一般的工程技术人员甚至技术工人所理解和掌握。 3、功能强 PLC 综合应用了微电子技术、通信技术和计算机技术，除了具有逻辑、定 时、计数等顺序控制功能外，还具有进行各种算术运算、PID 调节、过程监视、 网络通信、远程 I/O 和高速数据处理能力。因此可以满足工业控制中的各种复杂 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 12 - 功能要求。 4、安装简单，维修方便 PLC 可以在各种工业环境中直接安装运行，使用时只需要根据控制要求编 写程序，将现场的各种 I/O 设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，系统便可以投入 运行。PLC 的故障率很低，并且有完善的自诊断和显示功能。当 PLC 或外部的 输入装置及执行机构发生故障时，如果是 PLC 本身的原因，在维修时只需要更 换插入模块及其他易损件即可，既方便又可减少影响生产的时间。 5、采用模块化结构 为了适应各种工业控制的需要， 除了单元式的小型 PLC 以外， 绝大多数 PLC 采用模块化结构。PLC 中的 CPU,直流电源、I/O 模块（包括特殊功能模块）等 各种功能模块单元均采用模块化设计，由机架、电缆或连接器将各个模块连接 起来。 6、接口模块丰富 PLC 除了具有 CPU 和存储器外，还有丰富的 I/O 接口模块，对于工业现场 不同信号，PLC 都具有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备直接连接。 7、系统设计与调试周期短 用 PLC 进行系统设计时，用程序代替继电器硬接线，控制柜的设计及安装 接线工作量大为减少，设计和施工可同时进行，缩短了施工周期。同时，由于 用户程序大都可以在实验室中进行模拟调试，调好后再将 PLC 控制系统在生产 现场进行联机调试，调试方便、快速、安全。因此大大缩短了设计、施工、调 试和投运周期。 3.1.2 PLC 的工作原理 PLC 是一种工业控制计算机，它的工作原理建立在计算机工作原理之上， 即通过执行反应控制要求的用户程序来完成。但 CPU 是以分时操作系统方式来 处理各项任务的，即计算机在每一瞬间只能做一件事，而且程序的执行是按程 序顺序依次完成相应各电器的动作，所以 PLC 的工作方式是串行的。PLC 采用 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 13 - 循环扫描的工作方式，整个工作过程可分为输入处理、程序处理、输出处理 3 个阶段13。 3.1.3 PLC 的选型 本次设计中 PLC 是恒压供水控制系统的核心，它要完成对所有输入信号的 采集，所有输出单元的自动控制、恒压的实现与对外的数据交换。在选择 PLC 时需要考虑控制的点数、负载的类型、存储容量与速度、I/O 口单元的选择、带 扩展模块的能力、编程的难易程度、通信等等。由于小型水厂的恒压供水控制 系统控制的设备比较少， 控制相对简单， 本设计选用 S7-200 系列的 PLC。 S7-200 系列 PLC 具有极高的可靠性、易于掌握、有极其丰富的指令集、有便捷的操作 特性、具有实时特性、有丰富的内置集成功能、有强大的通信能力以及丰富的 扩展模块。而且 SIEMENS 公司的 PLC 价格低廉，具有较高的性价比，在中小 型系统中经常用到。根据本次设计的控制要求，确定 PLC 的 I/O 点数及控制点 数如表 3-1 和 3-2 所示。 表 3-1 开关量、模拟量输入点列表 1#真空泵开启 I0.0 电机 1#启动 I3.3 2#真空泵开启 I0.1 电机 2#启动 I3.4 1#真空泵关闭 I0.2 电机 3#启动 I3.5 2#真空泵关闭 I0.3 电机 4#启动 I3.6 清水池 1#进水阀 门开启 I0.4 电机 5#启动 I3.7 清水池 2#进水阀 门开启 I0.5 电机 6#启动 I4.0 清水池 1#进水阀 门关闭 I0.6 电机 1#关闭 I4.1 清水池 2#进水阀 门关闭 I0.7 电机 2#关闭 I4.2 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 14 - 电动阀 1#开启 I1.0 电机 3#关闭 I4.3 电动阀 1#关闭 I1.1 电机 4#关闭 I4.4 电动阀 2#开启 I1.2 电机 5#关闭 I4.5 电动阀 2#关闭 I1.3 电机 6#关闭 I4.6 电动阀 3#开启 I1.4 变频器启动 I4.7 电动阀 3#关闭 I1.5 变频器启动 1#电机 I5.0 电动阀 4#开启 I1.6 变频器启动 2#电机 I5.1 电动阀 4#关闭 I1.7 电磁阀 1#关闭 I5.2 电动阀 5#开启 I2.0 电磁阀 2#关闭 I5.3 电动阀 5#关闭 I2.1 电磁阀 3#关闭 I5.4 电动阀 6#开启 I2.2 电磁阀 4#关闭 I5.5 电动阀 6#关闭 I2.3 电磁阀 5#关闭 I5.6 电磁阀 1#开启 I2.4 电磁阀 6#关闭 I5.7 电磁阀 2#开启 I2.5 出厂管网压力 AIW2 电磁阀 3#开启 I2.6 清水池液位 AIW0 电磁阀 4#开启 I2.7 联动/手动转换 I6.0 电磁阀 5#开启 I3.0 1#热继电器输入 I6.2 电磁阀 6#开启 I3.1 2#热继电器输入 I6.2 真空没符合 I3.2 3#热继电器输入 I6.3 4#热继电器输入 I6.4 6#热继电器输入 I6.5 5#热继电器输入 I6.6 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 15 - 表 3-2 开关量、模拟量输出点列表 电磁阀1#开输出 Q0.0 真空没符合指示 Q5.0 电磁阀2#开输出 Q0.1 液位高报警 Q5.1 电磁阀3#开输出 Q0.2 液位低报警 Q5.2 电磁阀4#开输出 Q0.3 清水池1#进水阀门开 Q5.3 电磁阀5#开输出 Q0.4 清水池1#进水阀门关 Q5.4 电磁阀6#开输出 Q0.5 清水池2#进水阀门开 Q5.5 电磁阀1#开指示 Q0.6 清水池2#进水阀门关 Q5.6 电磁阀2#开指示 Q0.7 变频器主接触器输出 Q5.7 电磁阀3#开指示 Q1.0 变频器启动1#电机 Q6.0 电磁阀4#开指示 Q1.1 变频器启动2#电机 Q6.1 电磁阀5#开指示 Q1.2 电机1#变频指示 Q6.2 电磁阀6#开指示 Q1.3 压力低指示 Q6.3 电动阀1#开输出 Q1.4 电机2#变频指示 Q6.4 电动阀2#开输出 Q1.5 压力高频指示 Q6.5 电动阀3#开输出 Q1.6 电机3#主接触器输出 Q6.6 电动阀4#开输出 Q1.7 电机3#Y接触器输出 Q6.7 电动阀5#开输出 Q2.0 电机3#接触器输出 Q7.0 电动阀6#开输出 Q2.1 电机4#主接触器输出 Q7.1 电动阀1#关输出 Q2.2 电机4#Y接触器输出 Q7.2 电动阀2#关输出 Q2.3 电机4#接触器输出 Q7.3 电动阀3#关输出 Q2.4 电机5#主接触器输出 Q7.4 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 16 - 电动阀4#关输出 Q2.5 电机5#Y接触器输出 Q7.5 电动阀5#关输出 Q2.6 电机5#接触器输出 Q7.6 电动阀6#关输出 Q2.7 电机6#主接触器输出 Q7.7 电动阀1#开指示 Q3.0 电机6#Y接触器输出 Q8.0 电动阀2#开指示 Q3.1 电机6#接触器输出 Q8.1 电动阀3#开指示 Q3.2 电机3#运行指示 Q8.2 电动阀4#开指示 Q3.3 电机4#运行指示 Q8.3 电动阀5#开指示 Q3.4 电机4#运行指示 Q8.4 电动阀6#开指示 Q3.5 电机6#运行指示 Q8.5 电动阀1#关指示 Q3.6 1#热继电器输出 Q8.6 电动阀2#关指示 Q3.7 2#热继电器输出 Q8.7 电动阀3#关指示 Q4.0 3#热继电器输出 Q9.0 电动阀4#关指示 Q4.1 4#热继电器输出 Q9.1 电动阀5#关指示 Q4.2 5#热继电器输出 Q9.2 电动阀6#关指示 Q4.3 6#热继电器输出 Q9.3 真空泵1#开输出 Q4.4 压力稳定指示 Q9.4 真空泵2#开输出 Q4.5 变频器频率输出 AQW0 真空泵1#开指示 Q4.6 真空泵2#开指示 Q4.7 从表 3-1 和 3-2 可以看出共有 2 点模拟量输入，1 点模拟量输出， 54 点开 关量输入，77 点开关量输出 。因此，选择 CPU226，CPU226 的技术参数12如 表 3-3 所示。 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 17 - 表 3-3 S7-200 PLC CPU226 技术参数 主要技术参数 CPU226 PLC 结构类型 基本单元+扩展单元 最大可连接的开关量 I/O 点数 248 最大可连接的模拟量 I/O 点数 35 基本单元集成的 I/O 数量 40（24/16） 可增加的扩展模块数 7 用户程序存储容量 16KB 数据存储器容量 10KB 编程软件 STEP-Micro/WIN 逻辑指令执行时间 0.22us 标志寄存器数量 256 定时器数量 256 计数器数量 256 高速计数输入 6 点 高速脉冲输入 2 点 通信接口 2 个，RS-485 支持的通信协议 PPI、MPI、自由口、PROFIBUS-DP 模拟电位器 2 点，8位分辨率 由表 3-3 知， CPU226 的点数并不能满足此次设计的要求， 需要带扩展模块。 因此，选择三个 EM223 模块，一个 EM232 模块，一个 EM231 模块。这三种模 块的技术参数如表 3-4 所示。 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 18 - 表 3-4 EM223、EM232、EM231 模块技术参数 型号 名称 主要参数 EM223 数字量输入/数字量混合输出 4输入/4输出，DC24V 4点DC24V输入/4点继电器输出 8输入/8输出，DC24V 8点DC24V输入/8点继电器输出 16输入/16输出，DC24V 16点DC24V输入/16点继电器输出 EM231 模拟量输入 4点，DC(0-10V/0-20mA) 输入，12位 2点，热电阻输入，16位 4点，热电偶输入，16位 EM232 模拟量输出 2点，（-10+10V/020mA） 12位 3.2 变频器的选型与设计 3.2.1 变频器与变频技术概述 变频技术是应用交流电机无极调速需要而诞生的。20 世纪 60 年代以后，电 力电子器件经历了 SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶 体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、MGT(MOS 控 制晶体管)、 MCT （MOS 控制晶闸管） 、 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、 HVIGBT(耐 高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的 不断发展。20 世纪 70 年代开始，脉宽调制变压、变频（PWM-VVVF）调速研 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 19 - 究引起了人们的高度重视。20 世纪八十年代，作为变频技术核心的 PWM 模式 优化问题吸引着人们浓厚的兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM 模 式效果最佳。 20 世纪 80 年代后半周期开始， 美、 日、 德、 英等发达国家的 VVVF 变频器已投入市场并获得了广泛应用。变频器就是把工频电源变换成各种频率 的交流电源，以实现电动机的变速运行的设备。变频调速是通过改变电机的定 子绕组供电的频率来到达调速的目的12。 3.2.2 变频器的选型 本次设计中用变频器来对电机进行变频调速，实现恒压供水控制。此次设 计目的就是为了最大限度的节水节电，使系统的运行可靠，控制简单易操作。 在我所选的方案中我需要一台变频器，而且只用这一台变频器来控制一台功率 最大的水泵电机（110KW）.在上一章中本设计已论述要将变频器的工作频率设 定为 20Hz48Hz。变频器通过频率的改变来实现对电机的调速，从而改变出水 量。变频器的选型需要根据机械对转速和转矩的要求，根据水泵电机的额定功 率、通信功能、控制方式、经济性等方面。 变频器有专用变频器和通用变频器10，专用变频器的价格比较昂贵，本次 设计是小型水厂恒压供水控制系统设计，没有必要用专用变频器，本设计选择 通用变频器。通用变频器是指可以用于交流电动机调速控制的变频器，具有通 用性和智能化。可编程控制器(PLC)本设计选择了西门子 S7-200 系列的型号，为 了方便变频器和 PLC 的通信，本设计选择西门子公司的 MM3 系列的通用变频 器。MM3 系列标准变频器包括 MICROMASTER V(MM V 和 MD V)矢量型通用 变频器、 MICROMASTER Eco 节能型通用变频器和 MICROMASTER 基本型通 用变频器 3 个系列。因为本次设计有一个基本的出发点就是节能，本设计选择 Eco 节能型通用变频器。 Eco 节能型通用变频器是一种适用于风机、 水泵、 供暖、 空调设备等降转矩负载变频调速控制的经济通用变频器，应用的目的就是节能。 Eco 节能型通用变频器包括 MM Eco 和 MD Eco 两个系列，两者的功能特点基 本一致，只是电压范围、功率范围、外形、可选件、及控制短口稍微有些差异。 MD Eco 的功率范围在 3315KW，要控制的电机的功率为 110KW。所以本设计 选这个型号。Eco 通用变频器的主要技术参数如表 3-5 所示。 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 20 - 表 3-5 Eco 通用变频器的主要技术参数 输入电压 208240V10%、单相/三相；380500V10%、三相；575V15% 输入频率 50/60Hz 启动电流 小于满载电流 功率因数 常规0.9 输出电压 0到额定电压之间可调。自动补偿输入电压的波动 功率范围 0.75315kW 显示/控制 4位7段数码显示频率、电动机电流、电动机转速、电动机转矩、直流 电压、压力和温度给定值或串行口状态。文本显示操作面板具有4行 LCD字符显示，带6种语言参数说明 模拟量控制 2路输入，010V、420mA可选，10位分辨率。1路电流输出120mA ，可选择显示频率、给定值、电动机转速、电动机电流或电动机转矩 开关量控制 6路开关量输入，每路可单独设定为起/停、自由停车、外部跳闸、故 障复位、本地/远程操作、选择固定频率、模拟量/数字量给定切换、 禁止修改参数、从文本显示操作面板下载参数等功能；2路无源出点 继电器输出（230V,1A），可设定为变频器运行、变频器输出频率低 于最小频率、故障显示、变频器达到（高于）给定值、电动机电流超 出可调范围、PID控制超限（高于或低于）等功能 串行口通信 RS485,2线制，波特率19200bit/s，遵循USS协议 3.3 压力变送器的选型与设计 3.3.1 压力变送器概述 本次设计中压力变送器用来检测出厂管网的水压力，在恒压供水控制系统 中压力变送器经常安装在泵站的出水口。一般意义上的压力变送器主要由测压 元件传感器（也称作压力传感器） 、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将 测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如 第三章 恒压供水控制系统的软件设计 - 21 - 420mA 和 15V 的电压） ， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进 行测量、指示和过程调节。压力变送器的结构形式多种多样，常见的形式有应 变式、压阻式、电容式、振频式压力变送器。此外还有光电式、光纤式、超声 式压力变送器等。压力变送器根据测量范围可以分为一般压力变送器、微差压 力变送器和负压变送