恒压供水控制系统设计设计正文.doc

恒压供水控制系统设计1 概述水是人类每日不可缺少的物质，是保障城市安全最主要的灭火剂。在合理的城市水厂及输配水设施建成后，如何处理好供求关系，关键是建立供水调度系统，进行优化调度。城市供水系统与供电、供气、供热等系统同属城市重要基础设施，其产、供、销都具有连续性、广域性、公用性、多样性、重要性，产品不可返修等共性。城市供水系统主要是从河流或地下水取水经处理送至用户，再经污水处理回到河流的过程，如图1所示。图1 城市供水系统而城市供水又独具特点：产品质量受二次污染和存放时间的影响，服务质量受管网布局和用户地形标高的影响。我国城市供水调度80年代初开始起步，80年代中期微机及无线通讯在调度中产生实效，至今已有很大的发展。在城市供水系统进入居民生活区、工厂和学校后又有二次供水系统。二次供水设施是否按规定建设、设计及建设的优劣直接关系到二次供水水质、水压和供水安全，与人民群众正常稳定的生活密切相关。本文就是介绍一种供水水质、水压和供水安全都很好的二次供水系统恒压供水系统。这种恒压供水系统解决了二次污染、水压等问题，同时具有较高的节能能力1。2 恒压供水方式及其控制系统方案2.1 恒压供水方式目前，二次加压供水方式通常设置调蓄清水池，先将市政供水管网的水存到蓄水池，再由变频调速水泵组供水到用户。但这种供水方式存在着严重的蓄水池水质二次污染问题，已不利于人们生活质量的提高。因此，两种管网供水优化系统被越来越多地应用：直接式管网叠压供水系统、无负压管网增压稳流给水系统。2.1.1 储水池二次供水储水池二次供水是传统的供水方式，也是目前较多见的供水方式。这种方式通常的做法是在用水区附近建一个储水池，市政供水先供到该储水池。水泵从这个储水池中抽水向外供水，这个供水对设备与控制要求较低，日常维护也较简单，只需对储水池定期清洗发及水泵的日常维护即可。同时这种方式也存在明显缺点：清洁如果做得不足会造成严重的二次污染；在用水高峰期时可能会出现水压不足；建造储水池工期长等。因此，两种管网供水优化系统被越来越多地应用：直接式管网叠压供水系统、无负压管网增压稳流给水系统。2.1.2 无负压管网增压稳流给水设备无负压管网增压稳流给水设备主要由微机变频控制系统、负压检测及处理系统、水泵机组、稳流补偿器、真空抑制器、各种管件、阀门等组成。设备工作原理如图2： 图2 无负压管网增压稳流给水系统首先根据用户实际情况设定用水点工作压力。设备运行过程中实时检测实际供水压力，并与设定压力进行比较，调节变频器频率，使管网压力始终保持在设定数值上。负压检测装置实时检测稳流补偿器中的用水量变化情况，当检测到实际用水量小于管网的给水流量时，此时管网不产生负压，稳流补偿器进入储能状态；当检测到实际用水量大于管网的给水流量时，设备通过真空抑制器及稳流补偿器中的检测装置采集稳流补偿器内的真空度及水位信号，通过微机控制真空抑制器及稳流补偿器中的特殊装置动作，将稳流补偿器中原来储备的能量进行释放，以补偿此时能量的不足，达到整个系统内压力的自动平衡状态，抑制负压的产生，完成不间断的持续供水。全密闭结构及负压反馈抑制系统使设备可以直接与市政供水管网串接，充分利用市政管网原来的压力。多变量模糊控制与智能管理系统技术，在运行过程中，针对需要控制的对象具有的多样性、随机性、连续性及高度不稳定等特性达到多层次、多目标的综合效果来实现无负压的过程。2.1.3 直接式管网叠压供水系统直接式管网叠压供水技术是对传统二次供水技术的革新，在市政管网压力允许的情况下，管网叠压供水设备可取消贮水池，直接从市政管网中取水增压。直接式管网叠压供水系统主要由水泵、缓冲罐、和变频数控柜等组成，取消了贮水池和屋顶水箱。水泵直接从市政管网中抽取，为平抑峰值水压时对市政管网的压力影响，增加了一个缓冲罐，缓冲罐事选配一只充有自然空气的缓冲罐，然后送至各用水点，其系统组成如图3所示。图3直接式管网叠压供水系统直接式管网叠压供水系统的工作原理分以下几种情况：当自来水管网水压不能满足用水要求时，压力表向变频数控柜发出信号，变频软起动水泵机组加压供水，直至实际供水压力等于设定压力时，变频数控柜控制水泵机组以恒定转速运；在用水高峰期间，用户管网压力下降，当降到低于设定压力时远传压力表发出信号给变频数控柜，使变频器频率升高，水泵机组转速增加，出水量和压力都随之上升，直至用户实际压力值等于设定压力值；在用水低谷期间，用户管网压力上升，当高于设定压力值时远传压力表发出信号给变频数控柜，变频器频率降低，水泵机组转速降低，使用户管网实际压力值等于设定压力值4。2.2 系统分析及控制方案的确定2.2.1 系统的综合分析两种供水系统的适用范围可相互补充。当市政供水管网水量应充分，供水压力相对稳定时可采用无负压管网增压稳流给水设备。由于其直接与市政给水管网串联供水，没有了水池的蓄水功能，因此对市政供水管网提出了更高的要求。但在一些用水非常集中、瞬时用水量过大的地方，则应使用直接式管网叠压供水，以减少峰值流量对管网造成的影响，保证无负压设备的正常工作。这两种系统均是根据水泵工作的压力叠加原理，直接串联的供水方式充分利用了市政给水管网的水压，减小了二次加压水泵的工作能耗。而且无需修建蓄水池或水箱，避免了自来水在池中滞留，造成杂质进入池水、微生物滋生、余氯减少等现象，彻底杜绝了水池、水箱内水资源及定期清洗水池等对水资源的浪费。同时还节约建筑面积、节省土建工程投资、简化加压系统设计。并且抽水设备直接与室外市政给水管网串接，实现了从水厂供水到用户的连续流过程。而且无负压管网增压稳流给水设备采用了全密闭的负压抑制系统，自来水不与空气直接接触，彻底杜绝了水质的二次污染。现今很多生产厂家只在传统的变频供水设备的基础上，用储水罐加上一个自动进排气阀，声称无负压设备。使用这样的无负压设备，当市政给水管网供水不足时，设备会出现停机保护现象，人为增加了不正常的供水时间，而且机组频繁启动会造成管网压力波动过大等问题。其次，在无负压管网增压稳流给水设备运行时，水泵机组的工作扬程范围变大，对水泵机组的性能提出了更高的要求。而采用直接式管网叠压供水技术，如果将叠压供水设备设置在地下室，不仅可能影响周围用户的水压,还可能导致回流污染或地下水侵入。但如果设置高程过高，则可能出现断水现象。同时，市政管网水压波动范围较大时其应配置特性曲线较陡，高效区扬程范围较大的水泵，这就要求有更多的资金投入。旁通管的止回阀应具有可靠的密闭性能，并应当设置倒流监测装置，在有可能较长时间停用的旁通管应采取一些有效的措施，避免水质恶化产生二次污染。直接式管网叠压供水和无负压管网增压稳流给水系统目前已在许多西欧国家得到普遍应用，在我国上处起步阶段。相信随着管材、设备、施工技术的不断发展，这两种系统将会逐步完善提高，在更大的范围内得到普遍应用。2.2.2 控制方案的比较与选择本设计采用直接式管网叠压供水系统，而直接式管网叠压供水系统又有多种不同方案。方案一：在同一个供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台全开，供水小时开一台或两台。方案二：采用变频调整进行恒压供水，所有水泵配一台变频器。每台水泵由各自变频器调整方案三：采用变频调整进行恒压供水，只配一台变频器，一台PLC由调节变频器输出频率控制水泵转速，同时由PLC控制水泵变频与工频的切换。方案比较：方案一由于水泵是发额定功率运行因此很难达到要求的水压精度；方案二可以达到水压精度，但由于一次性投资成本过高；只有方案三既能达到要求水压精度又能节省成本，固此选用方案三作为本设计系统方案。2.3 系统配置与性能特点变频恒压供水系统示意图如图4所示，它主要是由PLC、PLC模块、变频器、压力表、以及水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。系统中，PLC是整个系统的核心，所有的数据的处理与控制都是由PLC完成；远传压力表负责信号的检测，反馈信号加到PLC控制柜中，在系统中是反馈通道；变频器、继电器组都是执行机构，变频的控制主要是通过PLC的模拟量输出的模拟量来控制，继电器组的控制通过PLC的I/O中输出的开关信号经过中间继电器等隔离设备控制；最后在这个闭环系统中的输出是用户端的水压。 图4 系统配置示意图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4-20mA的标准信号送入PLC，经运算与给定压力进行比较，得出一调节参数，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上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。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。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。图5 系统实物图2.3.1 水泵、电动机 本系统的执行机构是水泵、电动机，通过水泵电动机的控制才能达到理想的水压。因此水泵、电动机的造型应该符合系统的要求。 水泵的选择要考虑两个问题：扬程和流量。扬程有水泵能提供的水压有关，理论上0.1MPa 的水压扬程可达到10m；流量有用户数量各用户性质等有关。 电机的选择应根据水泵的轴功率和电动机与水泵转速一致来选择，同时要选用泵类负载的电机和安全级达到要求的电机。2.3.2 性能特点系统的主要性能特点：(1)可实现恒压变量、多种启停控制方式；(2)变频器对电机进行软启动, 轮转变频运行，电机轮流工作，减少设备损耗，延长电机寿命；(3)具有自动、手动。为了防止在重新设定PLC程序、参数或者PLC出现故障和维修调试时系统不至于停止工作特意增加了手动功能。(4)具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障自行诊断并报警。控制系统设计：恒压供水是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。该系统主要由4台水泵（分别标号为1#泵、2#泵、3#泵、4#泵）、1台变频器、PLC、及线性压力传感器等组成。其中PLC、压力传感器组成闭环反馈控制系统。PLC控制各台水泵的运行状态如工频运行、变频运行、停止，控制水泵的运行台数，在大范围上控制供水的水压；PLC的PID调节功能控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制供水的水压。水泵的速度调节采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制，采用“一变多工”的控制方式，并根据PLC的PID输出信号驱动变频器的输出。3 控制系统的硬件设计3.1 PLC的选择PLC是本系统的控制核心，是系统运行的关键，PLC在本系统中的主要任务：（1）代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，数字式PID调节。一个调节器往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置，在供水泵站的各类工况中PID可能不一样，PLC作数字式调节器就十分方便。（2）控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损水泵及电机轮换工作的，每台水泵都以变频起动的软启动方式起动，PLC作为控制核心控制每台水泵的启停与水泵组的增加与减少。（3）变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，需要采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号，输出端送经给定值与反馈值勤比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。（4）泵站的其它逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有逻辑控制工如泵站工作状态指示，泵站工作的报警，系统的自检等，这此都可以在PLC的控制程序中安排。PLC选型的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比最优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机（其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。3.1.1 I/O的选择PLC与生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。(1) 确定I/O点数根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。下表列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数如表1所示：表1 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数序号电气设备、元件输入点数输出点数1Y-起动的笼型异步电动机432单向运行的笼型异步电动机413可逆行的笼型异步电动机524单向变极时机535可逆变极时机646单向运行的直流电动机967可逆运行的直流电动机1288单线圈电磁阀219双线圈电磁阀3210比例阀5311按钮1-12光电管开关2-13信号灯-114拨码开关4-15三档段开关3-16行程开关1-17接近开关1-18制动器-119风机-120位置开关2-21单向运行的绕线转子异步电动机3422可逆运行的绕线转子异步电动机45(2) 开关量I/O开关量I/O接口可从开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24240V，直流输入/输出信号为5240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。(3) 模拟量I/O模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10+10V、0+20V、420mA或1050mA，多数采用420mA、0+20V。(4) 特殊功能I/O在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。(5) 智能式I/O当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量2。 3.1.2 存储器类型及容量选择PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照下表的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表2给出了存储器容量的估算方法。表2估算存储器容量的方法控制目的公 式说 明代替继电路M=Km(10D1+5D0)D1为数字（开关）量输入信号D0为数字（开关）量输出信号AI为模拟量输入信号Km为每个接点所存储字节数M为存储器容量模拟量控制M=Km(10D1+5D0+10AI)多路采样控制M=Km10D1+5D0+100AI+(1+采样点0.25）根据上述PLC选型的方法。再结合系统要求本系统与实际工艺本系统选区用性价比较高的西门子S7-200PLC，CPU为226。3.2 西门子S7-200PLC系统配置3.2.1 S7-200 PLC的性能和特点西门子S7系列程控制器分为S7-400 、S7-300、 S7-200三个系列，分别为S7系列的大、中、小PLC。S7-200系列有CPU21X系列和CPU22X系列，其中CPU22X型有4个不同的基本型号，分别为CPU221 、CPU222 、CPU224 、CPU 226。CPU226是功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。4种型号的PLC具有下列特点：（1）集成的24V电源。可直接连接到传感器和变送器，CPU221 CPU222具有180mA输出。CPU224输出280mA，CPU226输出400mA可用作负载电源。（2）高速脉冲输出。具有2路高速脉冲输出端，输出脉冲频率可达20kHz，用于控制步进电机。（3）通信口。CPU221 CPU222和CPU224具有1个RS-485通信口。CPU226有2个RS-485通信口。支持PPI、MPI通信协议，有自由中通信能力。（4）模拟电位器。CPU221/222E有1个模拟电位器，CPU224以上有2个模拟电位器。模拟电位器用来改变特殊寄存器（SMB28 SMB29）中的数值。（5）数字量输入/输出点。CPU221具有6个输入点和4个输出点；CPU222有8个输入点和6个输出点；CPU224具有14个输入点和10个输出点；CPU226具有24个输入点和16输出点。S7-200PLC有三种工作方式：停止、运行和TERM方式，CPU前面板上用两个发光二极管显示当前工作方式，绿色指示灯亮，表示为运行状态，红色指示灯亮，表示为停止状态，在标有SF的指示灯地表示系统出现故障，PLC停止工作。STOP（停止）。CPU在停止工作方式时，不执行程序，此时可以通过编程装置向PLC装载程序或进行系统设置。在程序编辑、上下载等处理过程中，必须把CPU置于STOP方式.RUN（运行）。CPU在RUN方式下，POLC按照自己的工作方式运行用户程序。用工作方式开关可以改变工作方式，工作方式有3个档位：STOP 、TERM 、RUN。把方式开关切到STOP位，可以停止程序的执行；把方式开关切到RUN位，可以启动程序的执行；把方式开关切到TERM或位，允许STEP 7-Micro/WIN软件设置CPU工作状态。如果工作方式开关设为STOP或TERM，电源上电时，CPU自动进入STOP工作状态。设置为RUN时，电源上电，CPU自动进入RUN工作状态。用编程软件改变工作方式。把方式开关切换到TERM，可以STEP 7-Micro/WIN软件设置工作工方式。在程序中用指令改变工作方式。在程序中插入一个STOP指令，CPU可由RUN方式进入STOP工作方式。CPU226是一种带超大容量内存的设备，包括16KB程序内存和10KB数据内存，它专门针对应用范围广、内存要求高的需求而设计。Simatic S7-200 CPU 226微型PLC具有40多个数字输入/输出口，并且通过扩展模块最多可扩展为128个数字量输入和120个数字量输出。也可以通过扩展模块连接模拟量的外围设备和温度测量模块。CPU 226有两个单独的接口,一个接口用于Simatic S7-200网络，而另一个接口用于Simatic S7-300/400网络中的从站MPI接口。而且，各接口也可以作为一个可自由编程的设备接口被参数化，并通过ASC II协议控制驱动器、modem和打印机。借助通信扩展模块，CPU 226还可以用作Profibus-DP网络的从站和AS-i网络的主站。另外，它支持32位浮点运算，包括三角函数和积分PID控制器。与所有S7-200 CPU一样，Simatic S7-200 CPU 226XM微型PLC不仅具有24 VDC输入和24 VDC晶体管输出，同时还具有230 VAC输入和继电器输出。由于它的输入电压范围大，可从85V到264V，使其可以在全世界各地使用。和其它S7-200 CPU一样，用户可以用Step7-Micro/WIN软件进行编程和对新设备组态。序的生成过程。CPU 226XM程序可以用MicroWIN V3.1x进行编辑，甚至在运行状态时也能进行。3.2.2 EM235模拟量扩展模块的应用(1) EM235的性能与指标PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整合式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果量转换为机外所需的模拟量。EM235是S7-200系列PLC的模拟量模块，它有四路模拟量输入及一路模拟量输出，技术规范见表3。接线图如图6所示，可以用于恒压供水控制中。图6 EM235接线图(2) EM235的校准EM235的校准可以简单地理解为仪表使用前的调零及调满度。配置及校准操作位置见图7。图7EM235的校准电位及DIP配置开关表3EM235的输入输出技术规范输 入 技 术 规 范输 出 技 术 规 范输入最大电压30DV隔离无输入最大电流32A信号范围 电压输出 电流输出10020mV输入滤波衰减-3Db，3.1kHz分辨率12位A/D转换器隔离否分辨率，满量程 电压 电流12位11位输入类型差分输入范围电压单极性电压双极性电流010V，05V01V，0500mV0100mV，050mV10V，5V1V+1V，500mV250mV，100mV50mV，25mV020mA数据字格式 电压 电流320003200输入分辨率最差情况，055 电压输出 电流输出典型，25 电压输出 电流输出2%满量程2%满量程5%满量程5%满量程AD转换时间250uS模拟输入阶跃响应1.5ms到95%共棋抑制40Db，DC到60Hz共棋电压信号电压加共模电压必须12V24VDC电压范围20.428.8V数据字格式双极性，满量程单极性，满量程320003200设置时间 电压输出 电流输出100us2msDC输入阻抗10M电压输入250电流输入最大驱动 电压输出 电流输出5000最小500最大 从上面图7中可见，增益及偏置调节使用的电位器及配置调节使用的6个DIP开关SW1SW6中，SW1SW3用于衰减选择，SW4、SW5用于增益选择，SW6用于极性选择。写入单元中模拟量输入字中江度值对应的模拟量的值是一样，关系式：满量程输入衰减增益模拟量输入字中数据反对应的模拟量实际值EM235工作时，将输入模拟量转变为数字量，图8为输入数据字格式。图8 EM235输入数据字格式最高有效位为符号位，0表示正值。模拟量的数字救困扶危值为10位娄左对齐。单极性格式中，右端3个连续的0使得模数换的计数值每变化多端一个单位，数据字则发8为单位变化。在双格式中，左端4个连续的0使得模数转换的计数值每变化一个单位，数据字则16为单位变化。图9为输出数据字格式。图9 EM235输出数据格式模块的数字量至模拟量转换器的12位计数在其输出数据格式中是左对齐的。最高有效位为符号位，0表示正值，数据在装载到转换器的寄存器这前，4个连续的零是被打断的，对输出信号不发生影响3。(3) EM235应用安装使用过程注意事项：确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。S7-200扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块0开始编号。为了在主机中过街输入模拟量转换后数字数据的处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元，一般用模拟量输入AIW及输出AQW单元安排由模拟量模块送来的数字量及待送入模块转变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储工V区存放处理产生的中间数据。工作程序编制：设置初始化子程序；设置模块检测子程序；设置了程序完成采样及相关的工作；工程所需的有关模拟量的处理程序；处理后模拟量的输出工作。3.2.3 PLC系统的I/O配置PLC是整个系统的控制核心，系统的所有设备几乎都是通过PLC的控制才能工作。要将设备与PLC相连成一个系统，先要分配好PLC的I/O端口的使用情况。PLC I/O地址分配表和PLC I/O配置图分别见附录。3.3 变频器的选用风机和泵类负载在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的平方成反比，所以低速运行时负载较轻，又因为这类负载对转速精度没有特别要求，故选型时通常以性价比为主要原则，可以选择普通功能变频器。根据控制要求，西门子公司生产的MICROMASTER系列变频器满足本系统的需要5。3.3.1 CROMASTER变频器技术参数CROMASTER变频器控制面板说明：图10CROMASTER变频器控制面板按键运行键：用于起动变频器。 点动键：用于停止变频器。编程键：用于使参数和值之间的转换。上升键：用于使参数号、参数索引号和参数值较高值变化。下降键：用于使参数号、参数索引号和参数值较低值变化。点动键：在变额器停止时，按下此键，使变频器起动并且在预设的频率值下运转。正/反转键：用于改变电机旋转方向，可通过参数P1230来封锁。MICROMASTER系列变频器有一排控制端子，端子排列如图11所示。P10+ 0V AM+ AM- PTCA PTCB P5+ DIN1 DIN2 DNI3 DIN4 DIN5 B A PE 输 出 继 电 器1234567891011121314151617181920图11MICROMASTER变频器接线端子控制端子的功能如表4所示。表4CROMASTER变频器接线端子端子号标志数值功能备注1P10+10V电源最大3mA20V0V电源接地3AIN+010V、020mA210V、420mA模拟量输入接至正端4AIN-接至负端5PTCA电机PTC输入6PTCB7P15+15V开关量输入的电源最大20mA812DIN1DIN5开关量输入151333V13BRS485”B”线用于USS协议14ARS485”A”线15PE保护接地16RL1ARL1C继电器常闭17常开18公共点19RL2B继电器常开20RL2C公共点3.3.2 变频器的应用设定根据本系统的控制要求和各种电气设备参数本系统变频器的参数设置如表5所示。参考变频器的使用说明，根据上表要求确定、修改结果如表6所示。表5变频器参数和控制系统要求项目名称参数与要求功能项目名称参数与要求功能电机额定频率50Hz变频器故障时给PLC一高电平信号电机额定转速2910r/min变频器运行时给PLC一高电平信号电机额定功率220V正转点动20Hz，PLC端子控制电机额定电压7.5kW反转点动20Hz，PLC端子控制电机最高运行频率50Hz电位器输出电压最小时变频器输出频率20Hz电机最低运行频率20Hz电位器输出电压最大时变频器输出频率50Hz电机正、反转，停止由PLC端子控制电机起动时间10s输出频率监视由操作面板显示升、降速调整由电位器控制表6变频器根据系统要求确定或修改的功能码功能码功能修改结果修改说明P001显示选择0面板显示监视P002频率上升时间10P003频率下降时间10P006频率给定类型1升、降速由电位器控制P007允许、封闭面板控制1由控制端子控制点动P012电机最小频率20P013电机最大频率50P021最小模拟量频率20P022最大模拟量频率50P031正转点动频率20P032反转点动频率20P081电机额定频率50P082电机额定转速2910P084电机额定电压220P085电机额定功率7.5模拟量输入值对应的频率。既可设置成低于参数P022的值，又可设置成高于参数P022的值，这样在模拟量和频率输出之间，既能成正比例关系，又能成反比例关系如图所示。图12 模拟量与输出频率关系图3.4 外围电气电路设计3.4.1 低压电器设计本系统除用PLC自动控制外，还增加了手动功能，在PLC不工作的情况下可以随意控制各水泵工频、变频运行；在维修或系统调试时也可以手动单独控制水泵的运行。另外，考虑到系统的安全性还需要有保护功能如过流保护、欠压保护等6。PLC的输入、输出端需要通过继电器、接触器等电器连接，所以系统的配置还考虑到低压电器的配置。（1）保护类电器这一类器件主要有熔断器、热继电器和低压断路器等，这些器件提高了系统的安全性。选择熔断器的条件：熔断器的额定电压不低于线路的额定电压；熔断器的额定电流应不小于它所装熔体的额定电流；熔断器类型应符合安装条件（户内或户外）及被保护设备的要求。用于保护电动机的熔断器，应考虑对电动机启动电流的影响，一般选熔断器熔体额定电流应为电动机额定电流的1.52.5倍，对于多台电动机，则要求根据相应的关系式计算确定。根据以上要求，熔断器选RC1A-200型或RC1A-15。低压断路器QF是保护消防电动机过电流，短路和欠压电压的保护设备，QF在电机主回路中，额定电压U应为AC380V，因电动机功率Pe为22kW，电机额定电流为：IPe1000U=221000380=57.9A。QF的额定电流只要大于57.9A就可正确动作，故选用DZ10-10-200/33型低压断路器，其额定电压为380V，额定电流为60A，符合要求。本系统中热继电器1FR4FR1是水泵电机过载和断相保护的元件。一般情况下，可按电动机额定电流选取。若热继电器的整定值为电动机额定电流的0.951.05倍，则水泵电机额定电流为29A。取系数为1，则热继电器的整定值为29A。经查阅资料，1FR4FR选JR16-30/3。（2）控制类电器控制类电器是控制电机、信号灯的通断电的器件，主要有继电器、接触器等。控制系统中的接触器均选交流接触器。电机所选用的接触器主触头在主电路中，所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压AC380V，线圈在控制回路中，线圈电压取AC220V。本系统选用CJ10-40型接触器。中间继电器在继电接触器系列电控系统中，主要具有控制电路传递与转换信号、将小功率控制信号转换为大容量的触头控制、扩充交流接触器及其它电器控制作用的功能。根据继电器的选型原则与本系统要求，本系统的中间继电器选JQX-114F型继电器，变频器故障输出电路中KA选用JZ780，其参数为吸引线圈额定电压AC220V，额定电流1.6A。（3）压力表选型压力表是检测水压与水压信号传送的部件，压力的的精确关系到整个系统的精确度，经比较本系统选用YST-150型压力变送器，其参数如下：测量范围：00.6MPa；精度等级：1.5；联接螺纹：M201.5；输出电压：05V或010V；输出电流：010mA或420mA。3.4.2 电路设计根据系统要求，系统有PLC自动控制和手动控制两种方式在电路设计中应用这些功能。在通常情况下系统都是在自动方式下工作，当有需要时可以通过选择开关切换到手动方式，所以选择开关正常情况下都是指向自动的（图中位置1）。当系统处于自动方式下，系统的工作情况全部由PLC完成控制；当系统处于手动情况下可以选择任一台水泵起动与运行，手动方式下水泵的起动仍然是以变频器带动软启动方式起动。以下是电气控制的主电路图和控制电路图。图13 电气主电路图图14 电气控制电路图电气控制电路图说明：自动部分：系统默认方式为自动运行，通过PLC的输出端子控制继电器KA1、KA2、KA3、KA4分别实现1#、2#、3#、4#水泵变频起动与变频运行，控制KA5、KA6、KA7、KA8实现各水泵工频运行。手动部分：把选择开关打到手动（图中2）使工作系统脱离PLC的控制进入手动方式。SB11、SB14、SB17、SB20分别控制1#、2#、3#、4#水泵工频运行。SB12、SB15、SB18、SB21分别控制1#、2#、3#、4#水泵变频运行。为了保护设备只有一台泵可以变频运行，防止由于误操作引起的机器损坏。水泵在手动方式工时也是变频方式起动。4 控制系统的程序设计4.1 PLC模拟量处理由压力表测得的信号是以模拟量的形式输出，这个模拟量要输入到PLC中必须先经过PLC的模拟量模块（EM235），由模拟量模块再传送到PLC的CPU中。而CPU要处理这些模拟量的输入、输出，需要对回路输入量进行转换和标准化处理，每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能各不相同。4.1.1 模拟量的输入（1）将数值从16位整数到32位浮点数或实数转换：图151位整数转换成位浮点数或实数程序（2）将实数转换成0.01.0之间的标准数值实际数值的标准化数值实际数值的非标准化数值或原始实数/取值范围+偏移量。其中：取值范围最大可能数值-最小可能数值3200（单极数值）或6400（双极数值）；偏移量：对单极数值0.0，对双极取0.5；单极：（03200），双极（-3200+3200）；如将上述AC0的双极数值标准化，程序如下图16，程序中VD100为PID（PID算法程序见下一小节）回路表首地址。图16回路输入值数字标准化程序图17PID回路输出程序4.1.2 模拟量的输出执行上述程序后，把PID回路输出0.01.0之间的标准化实数数值作为模拟量的输出，必须被转换16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。程序如上面图17，程序中VB108为PID回路输出地址。4.2 PID控制4.2.1 S7-200的PID指令 工业生产过程控制中，模拟信号常用PID调节。恒供水系统中用PID控制模拟量输出控制变频器。S7-200PLC将参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数进行PID运算，求得输出结果。参数表有9个参数，全部为32实数，共占用36个字节。参数表如下：表7PID参数说明地址偏移量参数数据格式参数类型说明0过程变量当前值PVn双字，实数输入在0.01.0内4给定值SPn输入在0.01.0内8输出值Mn输入/输出在0.01.0内12增益Kc输入比例常量，可为正数或负数16采样时间Ts输入以秒为单位，正数20积分时间Ti输入发分为单位，正数24微分时间Td输入发分为单位，正数28上一次的积分值Mx输入/输出在0.01.0内32上一次过程变量PVn-1输入/输出最近一次运算结果图18PID指令PID指令使能有效时，根据回路参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数进行计算，格式为：TBL：参数表起始地址VB；数据类型：字节；LOOP：回路号，常量（07）；数据类型：字节。说明：（1）程序中可使用8条PID指令，分别编号07，不能重复使用。（2）使ENO=0的错误条件：0006（间接地址），SM1.1，（溢出，参数表起始地址或指令中指定的PID回路指令号码操作数走出范围）。（3）PID指令不对参数表输入值进行范围检验。必须保证过程变量和给定值保证项前值和过程变量前值在0.01.0之间。4.2.2 PID参数选择PID控制回路参数选项在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路。（1）如果不需要积分回路（即在PID计算中无“I” ），则应将积分时间Ti设定为无限大。（2）如果不需要微分运算（即在PID计算中无“D” ），则应将微分时间Td设定为 0.0。（3）如果不需要比例运算（即在PID计算中无“P” ），但需要I或ID控制，则应将增益值Kc指定为0.0。因为Kc是计算积分和微分公式中的系数，将循环增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的循环增益值为1.0。本系统在设计中增益Kc、积分时间、微分时间和采样时间分别为0.3、30、0和0.1。4.3 泵组切换设计4.3.1 泵组切换的原则上文提到PLC的主要任务之一是实现控制水泵组的运行与切换。具体要求是，在多泵组恒压供水泵站中，为了设备均匀地磨损，水泵电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，每台水泵起动都以变频器带到的软启动方式起动，一种状态泵组运行一段时间，并且在有空闲水泵的情况下水泵轮流工作。4.3.2 切换过程根据控制要求，画出程序框图如下：图19 水泵切换程序框图根据程序框图，具体每个切换过程如下图：图20 泵组切换过程示意图 换泵条件：一个状态下的泵组运行了规定的时间；减泵条件：压力上限值并且变频器频率降至最低；加泵条件：压力下限值且变频器频率升至最高。4.3.3 程序设计在编制程序时，先分别给当前运行泵总数和当前变频运行泵号分配地址：VB210、VB212，使用字节寻址方式VB可寻址的变量存储器为8位，由于共有四台泵，所以容易得出变量存储器数值与泵组对应关系如下表。表8 部分存储单元意义对照表存储器数值运行泵总泵数存储器数值变频运行泵泵号VB210=21VB212=21#VB210=82VB212=84#VB210=323VB212=323#VB210=1284VB212=1282#根据上述关系便可以方便地完成逻辑编程，具体程序见附录。5 系统通信的实现5.1 S7-200系列与计算机设备的通信介绍西门子公司的控制网络由4层组成，从下到上依次为：公司管理级、工厂与过程管理级、过程监控级、过程测量与控制级。西门子的网络层次结构由四个层次、三级总线复合而成。最底了级为AS-I总线，它是用于连接执行器、传感器、驱动器等现成器件实现通信的总线标准，扫描时间为5ms,传输媒体为未屏蔽的双绞线，线路长为300m最多为31个从站。图21 西门子网络层次结构图西门子公司工业通信协议包括通用协议和公司专用协议。协议定义了两类网络设备：主站与从站。S7-200CPU支持多种通信协议，所使用的通信协议有以下3个标准和个自由口协议。点对点接口（PPI）：是主/从协议，网络上的S7-200CPU均为从站，其他CPU、SIMATIC编程器等为主站。如果用户程序中允许PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作为主站（参考SMB30的描述），此时它们可以用网络读（NETR）和网络写（NETW）指令读写其他CPU中的数据。多点接口协议（MPI）：可以是主/主