组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告

1、11组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告 摘要随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机 组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位 变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。 本论文结合现状， 运用 MCGS 与 PLC 设计了一套变频调速恒压供水系统。 MCGS 主画面直观， 可以 显示变频泵与工频泵随着测得压力的变化而变化，在画面切换按钮中可以切换至压力实时曲线、压

2、 力历史曲线等画面。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。目录 TOC o 1-5 h z 摘要 I.Abstract I.I.第一章引言 1.1.1 研究背景 1.1.2 供水现状 1.1.2.1 供水方式比较 2.1.2.2 几类常用供水控制方式 2.变频恒压供水的模式 4.1.2.4 国内变频供水调速系统发展 5.1.2.5 国外变频供水调速系统发展 6.1.3 本章小结 7.第二章恒压供水系统设计 8.2.1 设计目的 8.2.2 设计思路 9.第三章恒压供水系统部件选择 1.1.

3、3.1PLC 简介 1.1. TOC o 1-5 h z 3.1.1PLC 的特点 1.1.3.1.2S7-200 系列 PLC 简介 1.23.1.3S7-200PLC 主要组成部分 1.23.1.4I/O 输入输出端口 1.33.1.5 接口的控制方式 1.33.2 变频器 1.4.3.2.1 变频器的工作原理 1.43.3MCGS 1.5.3.3.1MCGS 概况 1.53.3.2MCGS 的主要特点和基本功能 1.53.3.3MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分 1. 83.3.4 实时数据库是 MCGS 系统的核心 2.03.4 本章小结 2.6.第四章恒压供水系统具体实现

4、2.7.4.1 软启动 2.7.4.2MCGS 恒压供水的实现 2.84.3 脚本程序 2.8.4.3.1 循环策略 2.8.4.3.2 泵关时输出策略 2.94.3.3 加泵策略 3.0.加减泵时泵的输出策略 3.14.3.5 减泵策略 3.3.4.4PID 调节 3.6.4.4.1PID 参数 3.6.4.4.2 参数设置 3.7.4.4.3 恒压供水的 PID 控制 3.84.5MCGS 与 PLC 通信 3.94.5.1PPI 协议 3.9.4.5.2 通信介质 3.9.4.5.3MCGS 与 PLC 之间的通信实现 4.04.6 恒压供水系统的 MCGS 工控组态界面设计 4.14.

5、7 本章小结 4.3.第五章总结与展望 4.4.参考文献 4.5. TOC o 1-5 h z 附录 A ：组态图 4.7.附录 B 组态运行图 4.8.附录 C 数据显示图 4.9.附录 D 数据运行图 5.0.致谢 5.1. 第一章 引言研究背景随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和 安全可靠性的要求不断提高。而用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时 有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用 水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水 也多

6、，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常 重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严 重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能 引起重大经济损失和人员伤亡。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成 为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。 所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经 济和社会意义。供水现状我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，

7、尤其是水能、电能的发展。但 由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，水能和电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80%-90% ，因此电力工程建设广泛推行各种节能措施。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。电力拖动存在 这样普遍的问题：运行中电动机的大多数其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。平均负载 率较低的原因很多。例如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认 为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。采用

8、变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。供水方式比较1、传统供水方式上，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这种简单的控制方法 存在许多弊端，主要表现在：（1）能源浪费较大。当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一 部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。（2）电机在起动时，起动时间用不了 1s ，在这 1s 的时间内，管道内的水流量从零迅速增至 额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力，产生所谓的“水锤效应”水锤效应不 但产生噪声，在压力高的瞬间可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。2、恒压供水系统实现水泵电机

9、无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用 水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是先进、合理的节能型供水系统。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵系统设计简单可靠，但由于单泵深度调速方式造成水泵、电 动机运行效率低，而多采用多泵控制方式。1.2.2 几类常用供水控制方式（1）逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频 状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工 频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本

10、较低。（ 2 ）单片微机电路控制方式这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时 往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。（3 ）带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水 压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。 压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID 控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID

11、回路调节器，由 PID 回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入 / 输出接口的可编程控 制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入 / 数字量输出的可编程控 制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字 量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套 设备的可靠性。如果采用一个开关量输入 /输出的可编程控制器和

12、一个 PID 回路调节器，其成本也和 带模拟量输入 / 输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压供水控制设备中， PID 控制信号 的产生和输出就成为降低供水设备成本的一个关键环节。（4）新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新 型产品。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种 应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和 对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了 生产效率。由于变

13、频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。 同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈 信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但 功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提 高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。1.2.3 变频恒压供水的模式多泵并联变频恒压供水的模式通常是这样的：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水；当用水量增大时，变频泵的转速自动上升当变频

14、泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由变频供水控制器（PLC）自动起动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。该工频泵提供的流量是恒定的。其余各并联工频泵按相同的原理投入。反之，当用水流量下降时，变频调速泵的转速下降变频器供电频率下降，当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击（水力的或电流的冲击）在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动 上升、下降由变频供水控制器控制（ PLC）控制。另一种变频供水模

15、式通常叫做恒压变量循环状起动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中，当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水流量增大时，该泵的转速增高。当该泵的转速升高到工频转速时，由变频供水控制器把该台水泵切换到工频供水。变频器则另外起动一台并联泵投入工作。随着用水流量增大，其余各并联泵均按上 述相同的方式软起动投入。这就是循环软起动投入方式。当用水流量减小时，各并联工频泵按次序关泵退出，并联泵退出的顺序按先投入先关泵的原则由变频供水控制器控制。由上述可见，变频恒压供水通常有两种工作方式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软起 动工作方式。在变频泵固定方式中，各并联水

16、泵是按工频方式自动投入或退出的。因为变频泵固定 不变，当用水流量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联 泵都可成为变频泵。变频泵自动轮换功能可以使各并联泵定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，具有较 多的优势，为此选用这种工作方式作为本课题的研究对象。国内变频供水调速系统发展电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。电气传动关系到如何合理地 使用电动机，以节约电能和有效控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等 ），实现电能到机械能的高效转换，最终达到优质、高产、低耗的目的的问题

17、。目前，电机调速技术己具备比较完备的技术 和实践基础。近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和 主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。但长 期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的 资源。现在，我国己有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。但自行开发生产的变频调速产品和国际上的同类产品相比还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，变频调速己形成了一个巨大的市场。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

18、，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）予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。这两种控制方案，从可靠性方 面讲，PLC优于单片机，从经济性方面看，单片机优于PLC。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频 器输出为零，切换到工频电源上。这两种方法，前者容易实现，软起动器一般为成品部件，但设备 投资较大：后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。国外变频供水调速系统发展国外生产的变频器多为通用型且单机控制（即一台变频器拖动一台电机 ），功能主要限定在频率控制、

19、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。应用在中、大容量的 变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部 提供压力闭环调节：多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制：在变频与工频电源的切换技术上， 大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。 八十年代中期进入中国市场的日本 Samco 公司， 推 出了独有的恒压供水基板，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

20、元，便可自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。该设备简化了电路结构，提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。除此之外，针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品， 如华为的 TD2100 ；施耐德公司的 Altivar58 泵切换卡； SANKEN 的 SAMCO-I 系列； ABB 公司的 ACS600 、 ACS400 系列产品；富士公司的 Gl1S/P11S 系列产品等等。本章小结本章通过对供水方式的比较得出一种最优的供水方式：变

21、频恒压供水。这种供水方式是现今 最合理的供水方式，它根据用水的实际情况变频调速供水，达到了能源的最大利用，节约了不必要 的浪费。第二章 恒压供水系统设计设计目的水已经成为中国 21 世纪的热点问题， 水有其自然属性， 它既是一种特殊的、 不可替换的资源， 又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水， 水更是城市发展、人民生活的生命线。变频调速恒压供水技术其节能安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足

22、用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水 设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。对供水系统进行的控制是为了满足对流量的需求，供水流量的大小取决于扬程，但是实际的 扬程不能进行具体的测量和控制。考虑到在动态的情况下，管道中水压的大小于供水能力和用水需 求之间的平衡情况，如供水能力用水需求，则压力上升（P u 如供水能力 用水需求，则压力下降（p如供水能力=用水需求，则压力不变（p = P）。就是说保持供水系统中某处的压力出于平衡状态，正好满足用水流量，这就是恒压供水所需要达到的目的。变频器压力传感器MCGS 显示界

23、面通信PLC（ 内置PID）管道图2.1恒压供水总体框图2.2设计思路多泵并联变频恒压供水的是这样的：当用水量小于变频泵1在工频恒压条件下的流量时，由变频泵1调速恒压供水；随着用水量增大，变频泵 1的转速自动上升当变频泵 1的转速上升到工频 转速时，为使流量进一步增大，自动起动工频泵投入，变频泵1的频率在从零增加与工频泵并联供水。该工频泵提供的流量是恒定的。当用水量继续增大，变频泵1的转速自动上升当变频泵 1的转速上升到工频转速时，自动起动变频泵2投入，变频泵1与工频泵按工频泵流量恒定输出，这时变频泵1、变频泵2与工频泵并联供水。反之，当用水流量下降时，变频泵2的转速下降变频器供电频率下降，当

24、频率下降到零流量的时候，自动关闭变频泵2使之退出并联供水。当用水量继续减少时，变频泵1的频率下降直到零流量时，自动关闭工频泵使之退出并联供水。变频泵1的频率在从最大下降。变频泵自动轮换功能可以使各并联泵定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，具有较 多的优势，为此选用这种工作方式作为本课题的研究对象。设计框图如下:开始图22当测得压力 给定值下限的框图图 2.3 当测得压力 给定值上限的框图第三章 恒压供水系统部件选择PLC 简介PLC 的特点（ 1）PLC 的通信联网功能使 PLC 与个人计算机及其它智能控制设备之间可以交换信息， 形成一个统一的整体， 从而构成“集中管理、分散控制”的分布

25、控制系统。采用微处理芯片将智能扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/O模块、执行器，这样产生了智能分散系统SDS。现在几乎所有 PLC产品均有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传到几十千米远的地方。在网络 中，个人计算机、图形工作站、小型机等可以作为监控站或工作站，它们能够提供屏幕显示、数据 采集、分析处理、记录保留和回路面板显示等功能。（2）I/O 模块分散化、智能化 由一台大型控制设备来处理的工作越来越多地由小型控制器组成的网络来实现或分散到智能I/O 设备中。分散型 I/O 的特点是 I/O 与 PLC 模块不在一个机架或底板上，远程 I/O 就地分散安装。用双

26、绞线或电缆与 CPU 高速通信，并且具有自诊断能力。智能型 I/O 模块是以微处理器和存储器为 基础的功能部件，它们本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能。它 们能完成许多 PLC 本身无法完成的任务，使其功能大大增强，使系统的扩充和更改更为灵活，提高 了 PLC 的适应性和可靠性。现场总线 I/0 是现在的发展热点，它是开放的、独立的、全数字化的。它集检测、数据处理、通信为一体，与工业计算机组（IPC ）组合可以组成廉价的 DCS 系统。它安装方便，可以大大节约费用。S7-200 系列 PLC 简介西门子公司的 SIMATICS7-200 系列属于小型可编程序控制器，

27、 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 CPU226XM 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 ，CPLU224 ）或 2 个（ CPU22h ，C

28、PU226XM ）通讯口，该 通讯口为标准的 RS48 口，可在三种方式下工作， 即 PP 工方式、 PPI 方式和自由通讯口方式。另外， S7-200 可通过增加 EM277 模块接入 Profibus-DP 网络，通过 CP243-1 通讯模块连入工业以太网， 通过 CP243-2 模块使其成为 AS-i 主站。S7-200PLC 主要组成部分1 台 S7-200PLC 包括一个单独的 S7-200CPU ，或者带有各种各样的可选扩展模块。 S7-200CPU 模块包括一个中央处理单元 （CPU） 、电源以及数字量 I/0 点，这此都被集成在一个紧凑、 独立的设备中。 CPU 负责执行程序

29、和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。输入和输出是系统的控制点；输入部分从现场设备（例如传感器或开关中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其它设备。电源向 CPU 及其所连接的任何模块提供电力。通讯端口允许将 S7-200CPU 同编程器或其它一此设备连接起来。状态信号灯显示了CPU 的工作模式 （运行或停止，本机 I/0 的当前状态，以及检查出的系统错误。通过扩展模块可增加 CPU 的 I/0 点数 （CPU221 小可 扩展）。通过扩展模块可提供其通讯性能。一些CPU 具有内置的实时时钟，其它 CPU 则需要实时时钟卡。 EEPROM 卡可以存储 CPU 程序，也

30、可以将一个 CPU 中的程序传送到另一个 CPU 中。通过 可选的插入式电池总可延长 RAM 的数据存储时间。3.1.4 I/O 输入输出端口I/O 就是输入输出地址。 每个设备都会有一个专用的 I/O 地址， 用来处理自己的输入输 出信息。CPU 与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O 接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在 CPU 的同步控制下工作，接口电路比 较简单；而 I/O 设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是 指 I/O 接口。3.1.5 接口的控制方式CPU 通过接口对外设进行控制的方式有以下几种：（ 1

31、）程序查询方式这种方式下， CPU 通过 I/O 指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进 行数据的输入或输出，否则 CPU 等待，循环查询。这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于 CPU 的速度远 远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低（ 2 ）中断处理方式在这种方式下， CPU 不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交换准 备就绪，可以向 CPU 提出服务请求， CPU 如果响应该请求，便暂时停止当前程序的执行，转 去执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为 CPU 省去了

32、查询外设状态和等待外设就 绪所花费的时间，提高了 CPU 的工作效率，还满足了外设的实时要求。但需要为每个 I/O 设 备分配一个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（ I/O 接口芯片） 管理 I/O 设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现 场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。变频器3.2.1 变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式（ 3-1 ）： n = 60f(1 s)/p(3-1)式中 n 异步电动机的转

33、速；f异步电动机的频率；s电动机转差率；p 电动机极对数。由式(3-1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实 现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频器的作用主要有以下几方面： 变频节能。目前市场中变频器主要以对风机和水泵的调速来实现节能。以风机和泵类为例，能够清楚地计算出变频器所具有的节能空间。根据电流力学知识可知，P (功率)=Q (流量)XH (压力)。流量 Q 与转速 N 的一次方成正比，压力 H 与转速 N 的平方成正比。理论上功

34、率 P 与转速 N 的立方成正比。例如一个功率为 P0=55KW 的电动机，当转速下降到原转速的 4/5时，由P= (4/5 ) 3P0=64/125 X55=28.16KW ，节电率为 48%，当转速下降到原来的1/2 时，P= (1/2 ) 3P0=1/8X55=6.875，节电率为 87.5%。软启动功能。当电机为直接启动时，启动电流为额定电流的5-7 倍，这样会对设备和电网造成严重的冲击，对电网容量提出很高的要求。采用变频器后，电机的起动电流一般小于额定电流的倍。减轻了对电网的冲击，提高了设备的使用寿命。调速作用。在很多应用场合，由于工艺的要求，需要平滑地调速，此时，变频器的应用必不

35、可少。提高电网功率因数。无功功率增加了线路的损耗和设备的发热，从而会导致大量的电能消耗 在线路当中，设备使用率下降。变频设备使用后，不但减少了电网线路上的损耗，同时可以提高电 网的功率因数。MCGSMCGS 概况MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem ，通用监控系统 ） 是一套用于快速构造和生成 计算机监控系统的组态软件，它能够在基于 Microsoft （各种 32 位 Windows 平台上）运行，通过 对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多 种方式向用户提供解决实际工程问题的方案， 它充分利用了 Wind

36、ows 图形功能完备、 界面一致性好、 易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛 的应用。MCGS 的主要特点和基本功能简单灵活的可视化操作界面。 MCGS 采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国 人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得 MCGS 的组态工作既简 18 单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置图形界面，生 成各种类型和风格的图形界面，包括 DOS 风格的图形界面、标准 Windows 风格的图形界面并且带 有动画效果的工具条和状态条等。（1）实时性强、良好的并行

37、处理性能。 MCGS 是真正的 32 位应用系统，充分利用了 32 位 Windows 操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务 和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使 PC 机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如 MCGS 在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内分时处理打 印数据等类似的非关键性工作，实现系统并行处理多任务、多进程。（ 2）丰富、生动的多媒体画面。 MCGS 以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提 供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜色的改变、明暗

38、的 闪烁、图形的移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；在图元、图符对象上定义相应的状 态属性，实现动画效果。 MCGS 还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的 动画功能。 MCGS 还支持多媒体功能，使能够快速地开发出集图像、声音、动画于一体的漂亮、生 动的工程画面。（ 3）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能。MCGS 采用开放式结构，系统可以与广泛的数据源交换数据， MCGS 提供多种高性能的 I/O 驱动；支持 Microsoft 开放数据库互连 （ODBC ）接口，有强大的数据库连接能力； MCGS 全面支持 OPC（OLEforProcessCon

39、trol ）标准， 既可作为 OPC 客户端，也可以作为 OPC 服务器，可以和更多的自动化设备相连接； MCGS 通过 DDE（ DynamicDataExchange ，动态数据交换） 与其它应用程序交换数据， 充分利用计算机丰富的软件资源； MCGS 全面支持 ActiveX 控件，提供及其灵活的面向对象的动态图形功能，并且包含丰富的 图形库。（ 4）完善的安全机制。 MCGS 提供了良好的安全机制， 为多个不同级别用户设定不同的操作权限。 此外， MCGS 还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，大大加强了保护组态开发者 劳动成果的力度。（5）强大的网络功能。 MCGS 支持

40、 TCP/IP 、Modem 、 RS-485/RS-422/RS-232 等多种网络体 系结构，使用 MCGS 网络版组态软件，可以在整个企业范围内，用 IE 浏览器方便地浏览到实时和历 史的监控信息，实现设备管理与企业管理的集成。（ 6）多样化的报警功能。 MCGS 提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型和灵活多样的报 警处理函数。不仅方便用户进行报警设置，并且实现了系统实时显示、打印报警信息的功能。报警 信息的存储与应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供了有力的保障。（ 7）实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS 由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构

41、成，其中实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种 功能性构件的公用数据区，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并 完成自己的差错控制。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不 相干，而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。（8）支持多种硬件设备，实现“设备无关” 。 MCGS 针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定 义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控 制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。不同的设备对应不同的设备构件，所有的设备 构件均通过

42、实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响 其它构件和整个系统的结构，因此 MCGS 是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备的局部 改动，而影响整个系统。（ 9）方便控制复杂的运行流程。 MCGS 开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种 条件和功能的策略构件， 用图形化的方法和简单的类 Basic 语言构造多分支的应用程序， 按照设定的 条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、准 确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。（10 ）良好的可维护性和可扩充性。 MCGS 系统

43、由五大功能模块组成，主要的功能模块以构件的 形式来构造，不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构 件、策略构件）完成了 MCGS 系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。除此 之外， MCGS 还提供了一套开放的可扩充接口， 用户可根据自己的需要用 VB、VC 等高级开发语言， 编制特定的构件来扩充系统的功能。（11 ）用数据库来管理数据存储，系统可靠性高。 MCGS 中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，系统自动生成一个数据 库，保存和处理数据对象和报警信息的数据。利用数据库来保存

44、数据和处理数据，提高了系统的可 靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。（12）设立对象元件库，组态工作简单方便。对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图 库。组态时，可把制作好的数据对象（包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等）以元 件的形式存入图库中，同样也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的 积累，对象元件库将日益扩大和丰富，这样解决了对象元件库的元件积累和元件重复利用问题。组 态工作将会变得更加简单、方便。（13 ）实现对工控系统的分布式控制和管理。考虑到工控系统今后的发展趋势， MCGS 充分运用 现今发展的 DCC

45、W（DistributedComputerCooperatorWork ，分布式计算机协同工作方式 ） 技术， 使分布在不同现场的采集设备和工作站之间实现协同工作，不同的工作站之间则通过 MCGS 实时交 换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。3.3.3 MCGS 系统包括组态环境和运行环境两个部分 用户的所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮 助用户设计和构造自己的应用系统。用户组态生成的结果是一个数据库文件，称为组态结果数据库。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理， 完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身

46、没有任何意义，必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结果数据库就可以离开组态 环境而独立运行在监控计算机上。组态结果数据库完成了 MCGS系统从组态环境向运行环境的过渡，它们之间的关系如下图所组态坏境组态生成应用系统示。运行环協解释执行组态结臬图3.1组态环境向运行环境的过渡由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，如下图所示。图3.2用户应用系统窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接提供给用户使用。在窗口内，用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同

47、的参数以完成不同的功能。在MCGS的单机版中，每个应用系统只能有一个主控窗口和一个设备窗口，但可以有多个用户窗口和多个运行策略，实时数据库中也可以有多个数据对象。MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同 时可以对实时数据进行可视化处理。334实时数据库是 MCGS系统的核心MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。如图3.9所示。图3.3MCGS工控组态软件构成图(1)实时数据库实时数据库相当于一个数据处理中心

48、，同时也起到公用数据交换区的作用。MCGS用实时数据库来管理所有实时数据。从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，实时数据库将数据传送 给系统其它部分操作系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。实时数据库自动完成对实时数 据的报警处理和存盘处理，同时它还根据需要把有关信息以事件的方式发送给系统的其它部分，以便触发相关事件，进行实时处理。因此，实时数据库所存储的单元，不单单是变量的数值，还包括变量的特征参数（属性） 及对该变量的操作方法（报警属性、报警处理和存盘处理等）。这种将数值、属性、方法封装在一起的数据我们称之为数据对象。实时数据库采用面向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个

49、功能部件的数据共享。ffl主控窗口 | /设备帝口 0足户窗口館买时菇諾屋 住运屯累珞名孚类型注爹InputETimc9lnputSTime OlriputUserl gS I rapuMJ&ier2 fcl变按泵1的谨泵看态 約变後和的幵黄狡倉 餌变垠泵1的輦出 底也变義泵的麻系狀鑫 B自蔓毀票2西牙矣粒誉 氏自变煖泵2曲繼里 虑自测縛生力 底0工塚泵的锻泵状态 紡1飯泵凶可壬忙农 圧日工疾泵內輪里 &B51泵状态减泵杭态 fci设宅值上限 虑0设皑值下限 底自实际压力5型矍型矍型量尘型型里型呈型空X型垩矍掠 g签笔洋手Z值关夫值值关丢值关关值值值r 字字字字幵片iKtk壬数薮匚.霞牙壬S敷

50、数蚩新増疋象觉蚩壇扬系统为建敦据武彖当压力过大时变類泵1用减泵方袪 控趙妾我泵1曲开宕与天杭葛 蛊電变頑泵1的箸出量当匝力过大时变額衮2曲减泵疔法 控蜀蔓载泵土的幵宕号关状套 控嗨燮获泵2的辑出呈显亲測再肉玉力当压力过大时工蠶泵肉垃泵左法 控羯工克亲同开关盂示工藏泵內输出 当压力不够时増也泵內方式 当压为过大时理泵因专式 显示毁定肉压力內上限 显示设定因里力因卞陵 显示实际虽力禹大小 匣于牙史数君、氏史白线、报rjfts 性图3.4实时数据库（2 ）主控窗口主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启 动特性等项内容，是应用系统的主框架。图3.5主控窗口(3

51、 )设备窗口设备窗口专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。设备窗 口通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外 部设备。一个应用系统只有一个设备窗口，运行时，系统自动打开设备窗口，管理和调度所有设备 构件正常工作，并在后台独立运行。注意，对用户来说，设备窗口在运行时是不可见的。图3.6设备窗口(4 )用户窗口用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。图元和图符对象为 用户提供了一套完善的设计制作图形画面和定义动画的方法。动画构件对应于不同的动画功能，它 们是从工程实践经验中总结出的常用的动画显示与操作模

52、块，用户可以直接使用。通过在用户窗口 内放置不同的图形对象，搭制多个用户窗口，用户可以构造各种复杂的图形界面，用不同的方式实 现数据和流程的“可视化”。组态工程中的用户窗口，最多可定义512个。所有的用户窗口均位于主控窗口内，其打开时窗口可见；关闭时窗口不可见。允许多个用户窗口同时处于打开状态。用户窗口的位置、大小和边 界等属性可以随意改变或设置，如可以让一个用户窗口在顶部作为工具条，也可以放在底部作为状 态条，还可以使其成为一个普通的最大化显示窗口等等。多个用户窗口的灵活组态配置，就构成了 丰富多彩的图形界面。图 3.7 用户窗口（5）运行策略 运行策略本身是系统提供的一个框架，其里面放置有

53、策略条件构件和策略构件组成的“策略 行”，通过对运行策略的定义，使系统能够按照设定的顺序和条件操作实时数据库，控制用户窗口的 打开、关闭并确定设备构件的工作状态等，从而实现对外部设备工作过程的精确控制。一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略，用户也可根据具体 需要创建新的用户策略、循环策略、报警策略、事件策略、热键策略，并且用户最多可创建 512 个 用户策略。启动策略在应用系统开始运行时调用，退出策略在应用系统退出运行时调用，循环策略 由系统在运行过程中定时循环调用，用户策略供系统中的其它部件调用。综上所述，一个应用系统由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行

54、策略五个部 分组成。组态工作开始时，系统只为用户搭建了一个能够独立运行的空框架，提供了丰富的动画部 件与功能部件。如果要完成一个实际的应用系统，应主要完成以下工作：首先，要象搭积木一样，在组态环境中用系统提供的或用户扩展的构件构造应用系统，配置 各种参数，形成一个有丰富功能可实际应用的工程；然后，把组态环境中的组态结果提交给运行环境。运行环境和组态结果一起就构成了用户自 己的应用系统。图3.8运行策略(6 )数据对象MCGS把数据对象的属性封装在对象内部，作为一个整体，由实时数据库统一管理。对象的属性包括基本属性、存盘属性和报警属性。基本属性则包含对象的名称、类型、初值、界限(最大 最小)值、

55、工程单位和对象内容注释等项内容。基本属性设置：鼠标单击“对象属性”按钮或双击对象名，显示“数据对象属性设置”对话框的“基本属性”窗口页，用户按所列项目分别设置。数据对象有开关型、数值型、字符型、事件型、组对象五种类型，在实际应用中，数字量的输入输出对应于开关型数据对象；模拟量的输入输 出对应于数值型数据对象；字符型数据对象是记录文字信息的字符串；事件型数据对象用来表示某 种特定事件的产生及相应时刻，如报警事件、开关量状态跳变事件；组对象用来表示一组特定数据 对象的集合，以便于系统对该组数据统一处理，存盘属性设置：MCGS把数据的存盘处理作为一种 属性或者一种操作方法，封装在数据内部，作为整体处

56、理。运行过程中，实时数据库自动完成数据 存盘工作，用户不必考虑这些数据如何存储以及存储在什么地方。用户的存盘要求在存盘属性窗口 页中设置，存盘方式有两种：按数值变化量存盘和定时存盘。组对象以定时的方式来保存相关的一 组数据，而非组对象则按变化量来记录对象值的变化情况。报警属性设置：在 MCGS 中，报警被作为数据对象的属性，封装在数据对象内部，由实时数 据库统一处理，用户只需按照报警属性窗口页中所列的项目正确设置，如数值量的报警界限值、开 关量的报警状态等。运行时，由实时数据库自动判断有没有报警信息产生、什么时候产生、什么时 候结束、什么时候应答，并通知系统的其它部分。也可根据用户的需要，实时

57、存储和打印这些报警 信息。本章小结本章主要介绍了设计中要用到的西门子 S7-200PLC 的结构和组成；变频器的工作原理；并且 对 MCGS 组态软件的特点及用到的一些窗口进行了介绍。为后面的设计做好铺垫。第四章 恒压供水系统具体实现软启动恒压供水的供水泵采用软启动。软启动器是一种用来控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软启动、软停车、轻载节能和 多种保护功能于一体的新型电机控制装置，国外称为 SoftStarter 。软启器采用三相反并联晶闸管作 为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启 动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到

58、晶闸管全导通，电动机工作在额 定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时， 启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定 电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波 污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降 到零，避免自由停车引起的转矩冲击。系统采用 3 台水泵并联运行方式。为保护电机，水泵用软启动器来启动，起动参数可调，而 且采用软启动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊 病，减轻

59、对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应” ，减少设备损坏。在工作过程中，压力传 感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC， PLC 根据给定的压力设定值与 实际检测值进行 PID 运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。当用 水量较小时，变频泵 1 在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被 PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率， 同时将工频泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵1 频率实现； 一段时间后， 若 2 台泵运转仍不能满足压

60、力的要求， 则依次将软启动变频泵 2 。当用水量减 少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC 将最后启动的水泵停掉，以减少供水量。一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC 再软停车停掉第工频泵，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频 1 率实现。MCGS 恒压供水的实现脚本程序4.3.1 循环策略本策略是用来判断测得压力与设定值的大小。当测得压力小于设定值下限时就要去执行加泵 的循环程序；当测得压力大于设定值上限时程序就跳到减泵循环程序；具体的脚本程序和流程图如 下：图4.1循环策略流程图IF测得压力 设定值下限THEN加泵状态=1ELSE加泵状