毕业设计（论文）-基于PLC控制的恒压供水系统设计.doc

本科生毕业设计 基于基于 PLC 控制的恒控制的恒压压供水系供水系统设计统设计 院院 系系 电气信息工程学院电气信息工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级 07 电气本科电气本科 4 班班 学学 号号 学学 生生 姓姓 名名 联联 系系 方方 式式 指指 导导 教教 师师 职称：职称： 讲讲 师师 2011 年年 05 月月 独独 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了 文中特别加以注释和致谢的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。 与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在设计中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 年 月 日 授授 权权 声声 明明 本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业设计的规定，即：有权保留并向 国家有关部门或机构送交毕业设计的复印件和磁盘，允许毕业设计被查阅和借阅。本人 授权许昌学院可以将毕业设计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、汇编设计。 本人设计中有原创性数据需要保密的部分为： 签名： 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日 摘 要 本设计根据城市小区的供水要求，设计了一套基于 PLC 控制的变频调速恒压供水系 统。该系统由 PLC、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。 本系统利用变频器实现对三相水泵电机的变频调速，采用“先启先停”的原则切换运行 水泵。压力传感器检测水压信号，送入 PLC 并与设定值比较进行 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和供水量。这样使管网水压力始终保 持在设定值附近，从而实现恒压供水。 关键词：PLC；变频调速；PID控制；恒压供水 ABSTRACT According to the city water supply system,this paper designed a PLC-based control of frequency control water supply system.The system consists of PLC, inverter, water pump, pressure sensors and other accessories. The system uses frequency converter three-phase pump motor of the soft start and frequency control, and use first start first stopprinciple to switch to run the pump.Pressure sensors to detect pressure signals into the PLC compared with the PID set point operation and thus control the inverter output voltage and frequency, thereby changing the water pump motor speed and water supply.It makes the pipe network water pressure is always maintained around the set value in order to achieve constant pressure water supply. Keywords: PLC; frequency control; PID control; constant pressure water supply 目 录 1 1 绪论绪论 .1 1 1.11.1 课题的背景及意义课题的背景及意义.1 1 1.21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状.1 1 1.31.3 本课题主要研究内容本课题主要研究内容.2 2 2 2 恒压供水系统总体方案设计恒压供水系统总体方案设计 .2 2 2.12.1 系统的主要结构及组成系统的主要结构及组成.2 2 2.22.2 PLCPLC 概述及其系统组成概述及其系统组成.2 2 2.32.3 变频器简介及选型变频器简介及选型.3 3 2.3.12.3.1 变频器简介变频器简介 .3 3 2.3.22.3.2 变频器的基本结构变频器的基本结构.3 3 3 3 系统硬件选择及系统电路设计系统硬件选择及系统电路设计 .5 5 3.13.1 硬件选择硬件选择.6 6 3.1.13.1.1 PLCPLC 及其扩展模块的选型及其扩展模块的选型.6 6 3.1.23.1.2 变频器的选型变频器的选型 .6 6 3.1.33.1.3 水泵机组的选型水泵机组的选型 .7 7 3.1.43.1.4 压力变送器的选型压力变送器的选型 .7 7 3.1.53.1.5 液位变送器选型液位变送器选型 .8 8 3.23.2 系统主电路分析及其设计系统主电路分析及其设计.8 8 3.33.3 系统控制电路分析及其设计系统控制电路分析及其设计.9 9 3.43.4 PLCPLC 的的 I/OI/O 端口分配及外围接线图端口分配及外围接线图 .1111 4 4 系统的软件设计系统的软件设计 .1414 4.14.1 系统软件设计分析系统软件设计分析 .1414 4.24.2 PLCPLC 程序设计程序设计 .1515 4.2.14.2.1 控制系统主程序设计控制系统主程序设计 .1515 4.2.24.2.2 控制系统子程序设计控制系统子程序设计 .1919 4.34.3 PIDPID 控制器参数整定控制器参数整定 .2222 4.3.14.3.1 PIDPID 控制及其控制算法控制及其控制算法.2222 4.3.24.3.2 系统的近似数学模型及参数取值系统的近似数学模型及参数取值 .2323 5 5 总结总结.2424 参考文献参考文献 .2525 附录附录 .2626 致谢致谢 .3434 1 1 绪论 1.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。由于传 统的小区供水方式具有各自不同的缺陷，如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，供水机组运行效率低、耗电量 大，电动机硬启动易产生水锤效应等缺点，传统供水系统的工作性能直接影响到小区居 民的正常生活。另一方面，由于供水的随机性，采用传统方法供水难以保证实时，水泵 的选择往往是由最大供水确定，而最高水位时间短，使泵在一段很长的时期有大幅度的， 不仅泵效低，水压不稳定，造成了浪费大量电力，远远不能满足生活和生产需要。 随着电力电子技术和计算机技术的发展，变频调速供水系统由于成本低，施工简便， 节能效果显着，自动化控制，无二次污染，已被越来越广泛的应用。PLC性能稳定，成本 低，功能强大，编程方便的特点，采用变频控制技术相结合，设计了基于可编程控制器 的变频调速供水系统。该设计以最小的投资体制，实现了多功能供水系统要求。在提倡 节能减排的今天，具有很好的经济和社会意义。 1.21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状 从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一 台水泵的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况，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提高，国外厂家开始重视并推出具有恒压供 水功能的变频器，日本Samc公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和 “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。虽然这些设备采用微型电路结构， 降低设备成本，但缺乏灵活性输出接口，系统的动态性能和稳定性不高，和其他监测系 统和组态软件是很难实现数据通信，带负荷能力的限制，所以在实际使用的范围将是有 限的。目前国内公司在做恒压供水系统，但变频控制大部分是用国外的技术，系统的动 态性能、稳定性能、抗扰性等多方面的技术，还没能达到用户的要求。 由此可以看出，国内和国际研究变频调速恒压供水系统中，在与现代控制技术，网 络和通信技术系统相结合，闭环压力控制方面做的是不够的。因此，需进一步研究，以 2 提高恒压供水系统的性能，使其能更好地应用于生活和生产实践。 1.31.3 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 本课题从实际应用出发，针对一般系统中存在的几个缺陷，设计出了基于PLC的变频 调速恒压供水系统，具有以下优点： （l）系统具有较高的恒压精度。（2）系统能长时间稳定可靠运行。（3）有友好的用户 操作界面。 2 恒压供水系统总体方案设计 2.12.1 系统的主要结构及组成系统的主要结构及组成 本设计中，系统的控制机构由PLC和通用变频器构成，系统的整体结构如图2-1所示。 可以看出，水泵拖动机组供水管道水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活 小区的供水系统。图2-1中，液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜，经 过PLC程序的运算处理，输出运行与停止控制信号，控制水泵启动与停止工况的转换。 图2-1 生活小区公示系统示意图 2.22.2 PLCPLC 概述及其系统组成概述及其系统组成 PLC是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储 程序，逻辑运算，顺序控制，定时可编程记忆，计数等面向用户的指令，通过数字输入 和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器和外部设备和工业控制系统 用户 M 压力变送器 变频器 PLC (含PID) 液位变送器 水池 水泵机组 管网压力信号 报警信号 水池水位信号 3 轻松地联成一个整体 ，以扩大其功能设计的原则。如图2-2所示为可编程控制器的结构。 数数据据存存储储器器 中中央央处处理理单单元元 （C CP PU U） 系系统统软软件件用用户户程程序序 寄寄存存器器 存存储储器器 输输 入入 接接 口口 及及 模模 块块 电电源源 电电源源 个个人人计计算算机机 编编程程器器 输输 出出 接接 口口 及及 模模 块块 继继电电器器 电电磁磁阀阀 变变频频调调速速器器 数数码码显显示示器器 指指示示灯灯 蜂蜂鸣鸣器器 限限位位开开关关 手手动动开开关关 光光电电传传感感器器 感感应应式式接接近近开开关关 编编码码器器 数数字字开开关关 现现场场输输入入设设备备 现现场场输输出出设设备备 图2-2 可编程控制器的基本结构。 PLC有着其它工业控制设备难具备的优点:高可靠性，丰富的I/O接口模块，采用模块化结 构，编程方便，易于使用。 2.32.3 变频器简介及选型变频器简介及选型 2.3.12.3.1 变频器简介变频器简介 交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的 核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。我们知道，从发电厂送出的交流电的频率 是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速 P f N 1 1 60 式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动 1 N 1 fP 机转速。式中 -异步电机转差率，一般小)1 ( 60 )1 ( 1 1 s P f sNNs 11 / )(NNNs 于3%，均与送入电机的电流频率成正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行 速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。 2.3.22.3.2 变频器的基本结构变频器的基本结构 依据频率变换的形式来分，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器将工 频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变 4 控制指令 中间直流环节 AC 控 制 指 令 控 制 指 令 网侧变流器 整流器 逆变器 AC M 运行指令 频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可 控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图 如图2-3所示， 图2-3 交-直-交变频器的基本结构 它由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能 分述如下： (1)整流器。电网侧的变流器是整流器，其作用是把三相(可以是单相)交流整流成直流。 (2)直流中间电路。直流中间电路的作用是平滑输出电流，以确保逆变电路和控制电 源得到高品质的直流电。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。所以其功 率因数总不会为1。因此，中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。 (3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将 直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的 输出就是变频器的输出。 (4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、 外部接口电路及保护电路等几个部分。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。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。直流中间电路的储能元件在整 电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。逆变电 路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制 逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。图2-4为电流型变频器主 电路基本结构示意图。 5 图2-4 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构 (a)电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路 3 系统硬件选择及系统电路设计 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： A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块 压力变 送器 故障、状态 等量输入 报警、控制 等量输出 人机界面 变频器 水泵机组 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、(5) 液位变送器。主要设备 选型如表 3.1 所示： 电源 M 电动机平 滑 电 容 + - M 电动机 平滑电感 电源 （a） （b） 6 表 3-1 本系统主要硬件设备清单 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 3 台（上海熊猫机械有限公司） 压力变送器及显示仪表普通压力表 Y-100、XMT-1270 数显仪 液位变送器分体式液位变送器 DS26 3.13.1 硬件选择硬件选择 3.1.13.1.1 PLCPLC 及其扩展模块的选型及其扩展模块的选型 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 等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此 PLC 选用 SIEMENS 公司的 S7-200 型。S7-200 型 PLC 具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统；又 具有可靠性高，可扩展性好，有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。 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。输入和输出信号，可自动完成 A/ D 转 换，标准输入信号可以转换成一个字数字信号，输出信号则可以自动完成端口的 D / A 转 换，一个字的数字信号转换成标准的输出信号。 EM235 模块由 DIP 设置不同的标准，切 换输入信号。 3.1.23.1.2 变频器的选型变频器的选型 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 7 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。 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， 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。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。 3.1.33.1.3 水泵机组的选型水泵机组的选型 水泵机组选型基本原则，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 3 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） 。它可用在城市给排水、 锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。 3.1.43.1.4 压力变送器的选型压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，作为模拟输入模块 (A/D 模块)的输入。在选型时，为防止传输过程中的干扰与损耗，通常采用 420mA 输出 压力变送器。在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能启动所有的水泵， 如果此时的用水量又达不到，则会造成水压过高。为防止爆管和超高水压损坏用水设备， 本设计中的供水系统采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，系统关闭所有水泵并报警输出。 供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9.8，一般情况ghP 3 10 下，h60 米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于 0.6Mpa，据以上综合分析， 系统选用普通压力表 Y-100 和 XMT-1270 数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表 测量范围 01Mpa，精度 0.01；数显仪输出一路 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。 8 3.1.53.1.5 液位变送器选型液位变送器选型 考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。 本设计要求贮水池水位：2m5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准信 号（420mA 电压信号） ，再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水 位的报警信号，输入 PLC。 综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为 DS26 分体式液位变送器， 其量程为：0m200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部 可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制 420mADC；精度等级：0.25 级。 3.23.2 系统主电路分析及其设计系统主电路分析及其设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 3.2 所示：三台电机分别为 M1、M2、M3，它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器 KM1、KM3、KM5 分别控制水 泵机组 M1、M2、M3 工频运行；接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制水泵机组 M1、M2、M3 变频运行；FR1、FR2、FR3 为过载保护用的热继电器； QS1、QS2、QS3、QS4 为主电路的隔离开关；FU 为主电路的熔断器。 N L1 L2 L3 FU 变频器 QS1 R S T U V W QS2 KM2 FR1 KM1 M1 3 KM3 M2 3 KM5 M3 3 KM4 FR2 QS3QS4 KM6 FR3 图 3-2 变频恒压供水系统主电路图 9 本设计采用三泵循环变频运行方式，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作 变速运行，其余水泵在工频下运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。因 此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变 频泵。 三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 R、S、T 端，变频器的输出端 U、V、W 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，应先断开变频器的隔离开关 和其输出端的接触器，再把工频回路的接触器和隔离开关接通。主电路中的低压熔断器 除接通电源外，还可实现短路保护，每台水泵的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。变 频和工频两个回路决不能同时接通，而且变频器的输出端绝不能直接接电源，必须经过 接触器的触点。当电动机接通工频回路时，应先断开变频回路接触器的触点。相应地从 工频转换为变频时，工频接触器也应先断开，才可接通变频器输出端接触器，因此 KM1 和 KM2，KM3 和 KM4，KM5 和 KM6 不允许同时动作，相互之间必须有可靠的互锁。 为监视电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将 420mA 电流信号送至上位机来显示。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，而需 通过变频器实现软启动和软停。手动控制系统时，必须采用降压启动或软启动的方式以 降低启动电流，本设计采用软启动器。 3.33.3 系统控制电路分析及其设计系统控制电路分析及其设计 系统实现恒压供水的主体控制设备是 PLC，采用西门子公司 S7-200 系列 PLC，它体 积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。 PLC 用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要实现以下功能：自动控制三台水泵 的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三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。如图 3.3 为电控系统控制电路图。图中 SA 为手动 /自动转换开关，SA 打在 1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动 运行时，可用按钮 SB1SB6 控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在 PLC 程序控制 下运行。 10 SB1 KM1 SB2 Q0.0 Q0.1 KM2 KM1 KM1 KM2 HL1 HL2 FR1 SB5 KM5 SB6 Q0.4 Q0.5 KM6 KM5 KM5 KM6 HL5 HL6 FR3 SB3 KM3 SB4 Q0.2 Q0.3 KM4 KM3 KM3 KM4 HL3 HL4 FR2 PLC N L1 FU2 SA 1 2 Q1.1 HL7 Q1.3 HL9 Q1.2 HL8 HL10 Q1.4 Q1.5 KA HA N1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 图 3-3 变频恒压供水系统控制电路图 注：PLC 各 I/O 端口、各指示灯所代表含义在下一节 I/O 端口分配中将详细介绍。 图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触 发点信号，本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频器进行复频控制。图中的 Q0.0Q0.5 及 Q1.1Q1.5 为 PLC 的输出继电器触点，他们旁边的 4、6、8 等数字为接线 编号，可结合下节中图 3-4 一起读图。 本系统在手动/自动控制下的运行过程如下： (1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。 单刀双掷开关 SA 打至 1 端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电 机在工频下的运行和停止。SB1 按下时由于 KM2 常闭触点接通电路使得 KM1 的线圈得 电，KM1 的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机 M1 可以稳定的运行在工频下。只有 11 当 SB2 按下时才会切断电路，KM1 线圈失电，电机 M1 停止运行。同理，可以通过按下 SB3、SB5 启动电机 M2、M3，通过按下 SB4、SB6 来使电机 M2、M3 停机。 (2)自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关 SA 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#、3#水泵的控制原理也是如此。 当 Q1.1 输出 1 时，水池水位上下限报警指示灯 HL7 点亮；当 Q1.2 输出 1 时，变频器故 障报警指示灯 HL8 点亮；当 Q1.3 输出 1 时，白天供水模式指示灯 HL9 点亮；当 Q1.4 输 出 1 时，报警电铃 HA 响起；当 Q1.5 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；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯 HL10 一直点亮。 3.43.4 PLCPLC 的的 I/OI/O 端口分配及外围接线图端口分配及外围接线图 基于 PLC 的变频恒压供水系统设计的基本要求如下： (1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式， 两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间， 小区用水量小，系统低恒压值运行。 (2) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续变频运行时间超过 3h，则要切换下一台 水泵，即系统具有“倒泵”功能，以防止某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只 有一台变频泵长时间工作的情况下。 (3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。 (4) 三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。 (5) 系统要有完善的报警功能。 根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址如表 3-2 所示。 12 表 3-2 输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编号 供水模式信号(1-白天，0-夜间) SA1I0.0 水池水位上下限信号 SLHLI0.1 变频器报警信号 SUI0.2 试灯按钮 SB7I0.3 输 入 信 号 压力变送器输出模拟量电流值 IpAIW0 1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1 Q0.0 1#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2 Q0.1 2#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3 Q0.2 2#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4 Q0.3 3#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5 Q0.4 输 出 信 号 3#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6 Q0.5 水池水位上下限报警指示灯 HL7Q1.1 变频器故障报警指示灯 HL8Q1.2 白天模式运行指示灯 HL9Q1.3 报警电铃 HAQ1.4 变频器频率复位控制 KAQ1.5 输 出 信 号 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 扩展模块外围接线 图，如图 3-4 所示： 13 1M 0.0 0.1 1.0 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.7 1.6 2M 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1L 0.0 L+ M 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 3L 1.0 0.7 0.6 0.5 2L 0.4 0.3 0.2 0.1 地 1.7 1.6 L1 N 。 AC 。 CPU 226 CN 2RS485 M V0 M0 地 L+ RA A+ I0B- B+ RB A- D- D+ RD C- C+ RC 偏移 配置 增益 EM235 I0I1I2 Q0Q1 SA1 窗口 比较器 液位 变送器 水位上下 限信号 SU SLHL SB7 4 6 8 1012 1424222018162N1 压力变送器输 出压力信号 输入变频器 图 3-4 PLC 及扩展模块外围接线图 本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括 4 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 用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入 I0.0；液位变送器把 测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的 上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平 1，送入 I0.1；变频器的故障输出端与 PLC 的 I0.2 相连，作为变频器故障报警信号；开关 SB7 与 I0.3 相连作为试灯信号，用于 手动检测各指示灯是否正常工作。 本变频恒压供水系统有 11 个数字量输出信号和 1 个模拟量输出信号。Q0.0Q0.5 分 别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1 输出水位超限报警信号；Q1.2 输出变频 器故障报警信号；Q1.3 输出白天模式运行信号；Q1.4 输出报警电铃信号；Q1.5 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。图 3.4 只是简单 的表明 PLC 及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。 14 4 系统的软件设计 4.14.1 系统软件设计分析系统软件设计分析 硬件连接好之后，系统的控制功能要由软件实现，结合系统的控制要求，对泵站软 件设计分析如下： (1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 为了实现水压恒定，在水压降落时需升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不 能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断是否需启动新水泵的标准是变频器的输出 频率是否达到设定的上限值，可通过比较指令实现这一功能。为正确判断变频器工作频 率达上限值，应排除偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时 间滤波。 (2) 多泵组运行管理规范 因为希望每一次启动电机实现变频泵软启动,而且每台泵必须交替使用,多泵组泵站泵 投运必须具备的管理标准。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超 过 3h，因此每次启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体操作 是:将当前运行的水泵从变频器切除,并连接到的工频电源运行, 并将变频器复位用于新运 行泵的启动。泵组管理的另外一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中采用泵号加 1 的方法实现变频泵循环控制；用工频运行泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。 (3) 程序的结构及程序功能的实现 因为模拟单元和 PID 调节都需要初始化和中断控制,本程序主要分为三个部分:主程序、 子程序和中断程序。为了节省扫描时间，可采用初始化子程序完成系统初始化工作。使 用定时器中断功能实现 PID 控制定时采样和输出控制。泵切换信号的生成、泵组接触器 逻辑控制信号的综合及报警处理等由主程序控制实现。白天、夜间模式的给定压力值不 同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定。白天模式系统设定值为满量程的 90%， 夜间模式系统设定值为满量程的 70%。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 4-1 所示。 15 表 4-1 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址功 能器件地址功 能 VD100 过程变量标准化值 T37 工频泵增泵滤波时间控制 VD104 压力给定值 T38 工频泵减泵滤波时间控制 VD108 PID 计算值 M0.0 故障结束脉冲信号 VD112 比例系数 Kc M0.1 水泵变频启动脉冲(增泵) VD116 采样时间 Ts M0.2 水泵变频启动脉冲(减泵) VD120 积分时间 Ti M0.3 倒泵变频启动脉冲 VD124 微分时间 Td M0.4 复位当前变频泵运行脉冲 VD204 变频运行频率下限值 M0.5 当前泵工频运行启动脉冲 VD208 变频运行频率上限值 M0.6 新泵变频启动脉冲 VD250 PID 调节结果存储单元 M2.0 泵工频/变频转换逻辑控制 VB300 变频工作泵的泵号 M2.1 泵工频/变频转换逻辑控制 VB301 工频运行泵的总台数 M2.2 泵工频/变频转换逻辑控制 VD310 变频运行时间存储器 M3.0 故障信号汇总 T33 工频/变频转换逻辑控制 M3.1 水池水位越限逻辑 T34 工频/变频转换逻辑控制 T35 工频/变频转换逻辑控制 4.24.2 PLCPLC 程序设计程序设计 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 编程软件开发。该 软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言，即语句表语言、梯形图语言、功能块图语言。最 接近于电气控制原理图的是梯形图语言，它是应用最多的一种编程语言，无需考虑系统 内部结构原理和硬件逻辑便可完成系统控制设计。 PLC 控制程序由一个主程序、若干子程序组成，编制程序在计算机上完成，编译后 通过 PC/PPI 电缆把程序下载到 PLC，控制任务的完成，是通过软件在 RUN 模式下，由 主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 16 4.2.14.2.1 控制系统主程序设计控制系统主程序设计 本系统控制的主程序由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机换机程序、 水泵电机变频/工频切换程序、模拟量(水压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。 (1) 系统初始化程序 启动系统工作时，需对系统进行初始化，即启动时，应检测系统各个部分的当前工 作状态进行，若出错则报警。接着对变频器变频运行的上下限频率、PID 控制的各参数进 行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始 化是在主程序中通过调用子