毕业设计（论文）-wincc恒压供水控制毕业论文.doc

摘要目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这样一方面造成了能源的较大浪费，另一方面容易造成“水锤效应”。采取恒压供水的方式，可以解决传统供水存在的诸多弊端，由于交流变频技术的不断成熟及完善，可以方便地组成恒压供水系统。本设计主要介绍了变频恒压现状、变频恒压供水模式及本课题完成的工作，对本设计用到的西门子S7-200PLC进行了重点介绍，利用WinCC进行供水监控系统设计，设计过程包括：创建新工程、定义数据变量、制作图形画面、进行动画连接等，再进行变频器、电气图纸及PLC程序设计，根据功能需要设置变频器功能代码，图纸包括操作面板及一次原理图、变频器接线图、PLC外部接线图、PLC程序框图，最后应用STEP7-MicroWIN_V4编程软件进行PLC程序编制，所编制的PLC程序下载到西门子S7-200PLC，并进行了调试。本设计利用WinCC监控系统及现场操作箱可实现操作室及现场的两地控制，并可进行自动与手动、本地与远控、变频与工频的切换。组态主画面直观，可以显示管网水压及水泵的运行状态。本设计可广泛应用于生活供水、高楼供水、工业用水等场合，实现节能、操作维护方便、安全可靠的目的，并为类似系统的工业设计提供了一种可行的设计方法。关键词：恒压供水；WinCC；PLC关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。AbstractAt present, most of the pumps used to be controlled by the traditional way, this refers to the water pumps running under constant speed, the flow control is achieved by operating valves. On the one hand, this results in energys waste, on the other hand, it leads to “water hammer effect” easily. The way of constant pressure water supply call solve these questions. The system of constant pressure water supply can be made easily due to the development of inverter, and the current situation of water supply, the mode of constant pressure water supply, and the major job of this project are introduced, the control scheme is established on the basis of discussion of different options ,and the classical control theory is used to analyze the system, and the inverter and PLC are briefed and the principle of inverter and energy-saving theory are expounded, the monitoring and the control system are designed by WinCC, the design process includes: the creation of a new project, the definition of variables of WinCC and animation connection. PLC programming, and the inverter function codes are designed , the drawings include: the operation panel and a schematic, the inverter wiring diagram, the PLC external wiring diagram and PLC programming frame.The design includes the switches of local and remoter, automatic and manual. The main visual screen can display the current of inverter , measured value of pressure ,and setting value of pressure. The switching button on the screen call be switched to other pictures. The design can be widely used in life water supply, high building water supply, industrial water supply, and so on, in order to achieve energy-saving, easy operation and maintenance, safe and reliable purposes.Key Words：Constant pressure water supply ；WinCC；PLC- 2 -目录摘要1Abstract21 绪 论11.1 本课题研究的目的和意义11.2 恒压供水系统国内外发展现状11.2.1 国外现状11.2.2 国内现状21.3 本课题研究内容21.4 本课题的关键问题及解决方案32 恒压供水系统总体设计42.1 恒压供水系统控制方案42.2 恒压供水系统的构成52.2.1 执行机构52.2.2 信号检测机构52.2.3 控制机构52.3 控制流程53 恒压供水系统PLC硬件设计73.1 系统的硬件组成及其功能73.1.1 PLC及其扩展模块的选择83.1.2 变频器的选择93.1.3 水泵机组的选择93.1.4 压力变送器的选择103.2 系统主电路设计103.3 系统控制电路设计113.4 PLC的I/O端口分配及外部接线图134 恒压供水系统的软件设计164.1 下位机控制程序的设计164.2 系统程序梯形图设计185 WinCC组态的设计235.1创建WinCC项目235.1.1启动WinCC235.1.2创建新项目245.1.3添加PLC驱动程序245.1.4变量和变量组255.1.5创建过程画面26结论30参 考 文 献31致谢331 绪 论1.1 本课题研究的目的和意义随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，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。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要1。为满足城市需水量日益加大的要求，降低供水能耗，实现全自动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对原供水系统进行自动化改造，利用WinCC和PLC控制并进行远程监控、管理及故障远程报警。通过使用这个系统，有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能2。1.2 恒压供水系统国内外发展现状1.2.1 国外现状变频恒压供水变频调速技术在早期，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、启动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。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的同时，保证管压恒定，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。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统稳定性、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，国外许多生产厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，比如日本Samco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的控制基板上，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3。1.2.2 国内现状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、抗干扰行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。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用的变频器（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，但输出接口限制了带负载量，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4。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统中，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能更好的应用于生活、生产实践。1.3 本课题研究内容本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术结合的技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。变频恒压供水系统主电路由PLC、 变频器、压力变送器、及泵组组成。用户通过WinCC完成人机对话功能, 进行运行方式、管网压力等参数的设定。通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4-20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4-20mA参数，并将信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节水量，根据用水量的不同，变频器调节水泵的转速不同、工作频率也不同。在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC；2个信号不会同时产生。当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。人机控制界面采用德国西门子公司开发的WinCC系统。利用本软件生成恒压供水的监控界面，对管网压力，水泵启停等参数进行监控。1.4 本课题的关键问题及解决方案本设计的关键问题是如何应用WinCC实现恒压供水系统的监控。为实现对恒压供水系统的监控，需要应用WinCC软件与PLC进行连接。使用CP5611通讯卡，可以通过MPI或PROFIBUS与PLC连接；若PLC型号为西门子的S7-300或S7-400，则可使用普通网卡通过TCP/IP或Industrial Ethernet利用PLC的以太网模块或PN接口与PLC进行连接。用WinCC建立监控画面，通过此画面可以监视系统的管网水压、水量、水泵电机的转速和频率等信息；设置系统启停开关，从而实现对整个恒压供水系统的监视和控制。2 恒压供水系统总体设计2.1 恒压供水系统控制方案变频恒压供水系统的控制目标是供水出口管网的水压，在控制上实现管网的实际水压保持为设定的供水压力。设定的水压可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某一特定时段内，恒压控制的目标就是使管网的实际水压维持为设定的供水压力。恒压供水系统的结构框图如图2.1所示： 图2.1 变频恒压供水系统框图 恒压供水系统通过安装在供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，并将其转换为电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号是模拟量，所以必须通过PLC的A/D转换模块才能将其读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号传递给变频器，用以控制变频器的输出频率，从而改变电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使供水管道上的压力恒定，达到恒压供水的目的。2.2 恒压供水系统的构成PLC控制的恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器（PLC）、压力变送器和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统。系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分。2.2.1 执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入管网，当水量需求小时，由变频调速器控制单泵，进行变频调速，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；当水量需求大，一台水泵无法满足水压设定值时，两台水泵都投入工作。其中一台以工频运行，另外一台由变频器控制，根据用水量的变化调速，以达到水压的恒定。2.2.2 信号检测机构在控制过程中，需要检测的信号主要是管网水压信号。管网水压信号反映的是管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，需通过A/D转换读入PLC。另外，为了加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果传递给PLC，作为数字量输入。2.2.3 控制机构控制机构包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三部分。控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。控制器通过对系统中的压力信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，根据供水控制器送来的信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式，即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。本设计中采用前者。2.3 控制流程图2.2 变频恒压供水系统控制流程图变频恒压供水系统控制流程如下:（1）启动程序。在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#泵首先启动，如果检测到压力不合要求，再将变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，水泵变频启动，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将变频泵切换为工频，另一变频交流接触器吸合，变频启动水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力。（2）水泵切换程序。如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。（3）设定1分钟为轮换时间，在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过1min，则要切换下一台水泵. 这样可以有效地防止泵长期不用而发生的锈死和长期使用一个泵而磨损过大的现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。3 恒压供水系统PLC硬件设计3.1 系统的硬件组成及其功能根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：图3.1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器。主要设备选型如表3.1所示：主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 226模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵机组SFL系列水泵2台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器普通压力表Y-100 表3.1 本系统主要硬件设备清单3.1.1 PLC及其扩展模块的选择PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。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，西门子公司的S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。S7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制点数可以从10点扩展到248点。其中，CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226 XM适用于复杂的中小型控制系统。所有型号的CPU在内部都集成了1个(CPU221、CPU222、CPU224)或2个(CPU226，CPU226XM)通讯口，该通讯口为标准的RS485口，可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通讯口方式。依据控制任务，从PLC的输入/输出点数、存储器容量、输入/输出接口模块类型等方面等来选PLC型号。由于S7-200系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以在实际自动化工程应用中提供最大的灵活性和控制能力。S7-200系列还具体适用于大量实际应用的特殊功能，例如开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要一模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个主单元可配置总计达8个特殊功能模块。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置4。3.1.2 变频器的选择变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.7590KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。3.1.3 水泵机组的选择水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.30.01Mpa。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用2台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵2台。3.1.4 压力变送器的选择压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成系统所需的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备(热水器、抽水马桶等)，本设计中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。经过上述对系统方案的分析和确定，再结合上述的系统硬件的选型，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，本设计中选用普通压力表Y-100实现压力的检测和变送。压力表测量范围01Mpa，精度1.0，输出一路420mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。3.2 系统主电路设计系统主电路图中两台水泵分别为M1、M2。接触器KM1、KM3分别控制M1、M2的工频运行；接触器KM2、KM4分别控制M1、M2的变频运行；FR1、FR2分别为两台水泵的过载保护用的热继电器；QF1、QF2、 QF3分别为变频器和两台水泵主电路的隔离开关。在硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，每台电机通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向和预设定不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的任意两相。一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用控制台面板或控制柜的运行和停止键或者是外控端子FWD (REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。图3.2 变频恒压供水系统主电路图3.3 系统控制电路设计恒压供水系统控制电路图中SA1为手动/自动转换开关，SA1打在1的位置时为手动控制状态；打在位置2时为自动控制状态。手动运行时，可用SA2控制两台泵的启动；自动运行时，系统在PLC的程序控制下运行。HL5为手动运行状态下的电源指示灯，HL6为自动运行状态下的电源指示灯。对变频器频率进行复位时有一个触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端口，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位操作控制。在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现自动循环，所以电路的互锁是指电机之间运行的互锁。严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连。控制电路中还必须考虑系统电机当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。如图3.3为电控系统控制电路图。图3.3 变频恒压供水系统控制电路图本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：1.手动运行方式。选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。单刀双掷开关SA1打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过SA2开关选择控制两台水泵电机在工频下的运行。SA2接通3端时由于KM1常开触点接通电路使得KM1的线圈得电，从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB1按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过SA2接通4端启动电机M2，通过按下SB1来使电机M2停机。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。2.自动运行方式单刀双掷开关SA1打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，手动运行指示灯HL5点亮，表示当前工作状态为手动运行状态；当Q1.2输出1时，自动运行指示灯HL6点亮，表示当前工作状态为自动运行状态；当Q1.3输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位。3.4 PLC的I/O端口分配及外部接线图基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：1) 单泵控制恒压供水，当需水量不是很大，用一个泵通过PID控制进行恒压供水2) 双泵控制恒压供水，当需水量大时，当一个泵满足不了用水需求时，进行双泵切换恒压供水。3) PLC模拟量控制变频闭环控制。4) 分时控制，定时轮换，可以有效地防止泵长期不用而发生的锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。5) 两台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3.2所示。 表3.2 输入输出点代码及地址编号名 称代 码地址编号输入信号手/自动运行切换按钮SA1I0.01#、2#水泵手动启动切换按钮SA2I0.1停机按钮SB1I0.2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、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#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、HL4Q0.3变频器运行接触器KM5Q0.4输出信号手动运行指示灯HL5Q1.1自动运行指示灯HL6Q1.2变频器频率复位控制KAQ1.3变频器输入电压信号UfAQW0结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3.4所示：图3.4 PLC及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统有4个输入量，其中包括3个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来选择手动和自动模式，它作为开关量输入I0.0；SA2为1#、2#水泵切换手动开关，输入至I0.1；SB1作为停机信号，用停止所有水泵的工作，与PLC的I0.2相连。本变频恒压供水系统有9个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0Q0.3分别输出两台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出手动运行信号；Q1.2输出自动运行信号； Q1.3输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。4 恒压供水系统的软件设计4.1 下位机控制程序的设计下位机程序是由STEP 7-MicroWin32开发软件实现的，它用于西门子S7-200系列PLC，是西门子公司专门为S7-200系列PLC的开发而设计的；是基于Windows的应用软件，其功能非常强大，主要为用户开发控制程序所使用，同时也可以作为实时监控用户程序的执行状态使用。整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水。其整体控制流程如图4.1所示：图4.1 PLC程序流程图现将系统程序流程说明如下：(1)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，启动变频器拖动1号电动机，开启水泵Ml，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。 (2)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机l#切换至工频运行状态后，M1恒速运行，同时启动2号电机，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。(3)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的基于PLC的变频恒压供水系统的设计实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。4.2 系统程序梯形图设计系统程序的关键在于PLC程序的合理性、可靠性问题。根据控制要求及上述所列出的自动控制过程表和功能图，本系统设计出控制程序。系统包括自动运行程序和手动运行程序。程序详细情况如下图。图4.2 恒压供水系统梯形图5 WinCC组态的设计WinCC(WindoWS Control Center)是由德国西门子公司与微软公司共同开发的软件系统，是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和微机软件的强大功能的产物，是世界上第一个集成的人机界面软件系统。它真实地将工厂控制软件集成到自动化过程中。WinCC将Windows NT应用系统的现代化结构与使用方便的图形设计程序结合在一起，可以很方便地生成人机界面，建立完整的过程监控解决方案。各系统集成商还可以用WinCC作为其系统的扩展基础，通过开放接口开发自己的应用软件。主站监控画面所完成的任务是：完成l#、2#水泵电机的启动和停止控制以及两个泵在运行时的频率指示；压力传感器检测出水管网的压力，实时维护出水管网压力的恒定5。5.1创建WinCC项目创建WinCC项目的过程主要包括：启动WinCC、创建项目、选择并安装PLC或驱动程序、定义变量、创建并编辑过程画面、设置WinCC运行系统属性、激活WinCC运行系统中的画面、使用模拟器测试过程画面等。5.1.1启动WinCC点击Windows任务栏中的“开始”，通过“SIMATIC”启动WinCC，操作顺序为：“SIMATIC”“WinCC” “Windows control center ”如图5.1所示。图5.1 启动WinCC5.1.2创建新项目打开WinCC的对话框，此对话框提供三个选项：创建“单用户项目（默认设置）”；创建“单用户项目”；创建“多客户机项目”。例如要创建一个名为“start”的项目，选择“单用户项目”，按“确定”键，输入项目名称“start”.如果项目已经存在，选择“打开”对话框，搜索扩展名为“.mcp”的文件，下次启动WinCC时，系统自动打开上次建立的项目，图5.2所示为WinCC资源管理器窗口显示的内容。5.2 WinCC资源管理器图中左边浏览器窗口显示了WinCC资源管理器的体系结构，从根目录一直到单个项目。右边数据窗口显示所选对象的内容，在WinCC资源管理器浏览器窗口中，点击“计算机”图标，在数据窗口中即可看到一个带有计算机名称（NetBIOS名称）的服务器，用鼠标右键点击此计算机，弹出“属性”菜单，在随后出现的对话框中，设置WinCC运行系统的属性，例如：启动程序、使用语言以及取消激活等等。5.1.3添加PLC驱动程序为了使WinCC能够与PLC通信，需要选择PLC驱动程序，所选的驱动程序取决于使用的PLC的类型，在此选择SIMATIC S7 PLC。用鼠标右键点击WinCC资源管理器浏览器窗口中的“变量管理器”，添加PLC驱动程序，在弹出的菜单中，点击“添加新的驱动程序”，在“添加新的驱动程序”对话框中，选择所需要的驱动程序（例如 SIMATIC S7 Protocol Suite），点击“打开”按钮进行确定，所选的驱动程序就出现在变量管理器下。单击显示程序前方的图标，将显示所有可用的通道单元。用鼠标右键单击通道单元MPI，在弹出的菜单中，点击“新建驱动程序连接”，在随后显示的“连接属性”对话框中，输入名称（如SPS），点击“确定”按钮即可。5.1.4变量和变量组如果WinCC资源管理器中的“变量管理器”处于关闭状态，则必须先双击，将其激活，然后用鼠标右键点击“内部变量”，在弹出的菜单中，点击“新建变量”，在“变量属性”对话框中，将变量命名为“TankLevel”，从数据类型列表中，选择“无符号的16位数”，然后点击“确定”即可。在“变量属性”对话框中，单击“选择”按钮，打开“地址属性”对话框，从变量的数据区域列表框中，选择数据区域“位存储器”，检查地址类型是否为“字”，设置MW“0”。如图5.3所示。图5.3 新建变量线性标度只能用于过程变量，单击“线性标度”复选框，激活输入域“过程值范围”和“变量值范围”；设置过程值范围（如020），变量值范围（如0100），单击“确定”按钮，结束新建变量过程，如图5.4所示。 图5.4 设置线性标度如果需要继续进行新建变量的过程，在WinCC资源管理器的右边子窗口中，可显示出所有已经创建的变量，通过“复制”、“粘贴”等操作，可新建变量。5.1.5创建过程画面 在WinCC资源管理器中，右击“图形编辑器”，在弹出的菜单中，单击“新建画面”选项，选择新建画面，系统默认画面名为“NewPdl.pdl”（pdl为画面描述文件），右击“NewPdl.pdl”，在弹出的菜单中，单击“重命名画面”选项，如图5.5所示。图5.5 创建画面在下一个对话框中，输入画面名“Start.pdl”，再创建一个画面，输入名称“Sample.pdl”。为了实现两个画面“Start.pdl”和“Sample.pdl”的切换，先创建画面切换按钮。在“Start.pdl”画面中，在对象选项板中，选择“Windows对象”按钮，在文件窗口中，单击放置按钮，按下鼠标左键，拖动对象来调节大小，一旦释放鼠标，将出现“按钮组态”对话框，在文本域中，输入所选按钮的名称，例如，可以输入准备切换到的画面名称“Sample”，如图5.6所示。单击图标，在右边子窗口中选择要切换到的画面，如“Sample.pdl”。在下一个对话框中，双击画面“Sample.pdl”，关闭“按钮组态”对话框，保存画面“Start.pdl”。为了能够在运行时从“Sample.pdl”画面切换到“Start.pdl”画面，还需要在“Sample.pdl”画面中组态一个切换按钮Start，方法同前。 图5.6 切换按钮的创建生成的WinCC监控换面如下图5.7所示：图5.7 WinCC监控界面结论本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用PLC控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生