基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

1、 單位代碼 10006 學(xué) 號 12934202146 分 類 號 TP302 密 級 畢業(yè)設(shè)計(論文基于PLC 控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)中心名稱 北航校本部 專業(yè)名稱 機械工程及自動化學(xué)生姓名 王靜 指導(dǎo)教師陳燕2014年 10月 20 日論文封面書脊基于P LC 控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 王靜 北 京 航 空 航 天 大 學(xué)北京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于PLC 控制的恒壓控制供水系統(tǒng)設(shè)計 、畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求：1、基于PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容：、主要參考資料：校外學(xué)習(xí)中心 學(xué)生（

2、學(xué)號） 12934202146畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 自 2014年 6月20日至 2014 年10月 20 日 指導(dǎo)教師：兼職教師（并指出所負責(zé)部分）：校外畢設(shè)組織協(xié)調(diào)小組（簽字）：注：任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計（論文）的首頁。本人聲明我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。作者：王靜簽字：時間：2014年 10 月 基于PLC 控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計摘 要本設(shè)計根據(jù)城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于PLC 控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC 、變頻器、水泵機組、壓力變送器等構(gòu)成。本系統(tǒng)利用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電

3、機的變頻調(diào)速，采用“先啟先停”的原則切換運行水泵。壓力傳感器檢測水壓信號，送入PLC 并與設(shè)定值比較進行PID 運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速和供水量。這樣使管網(wǎng)水壓力始終保持在設(shè)定值附近，從而實現(xiàn)恒壓供水。關(guān)鍵詞：PLC ，變頻調(diào)速，PID 控制，恒壓供水 Design Of Constant Pressure Water Supply Control System Based On PLCAbstract According to the design of city water supply requirements, designed a system b

4、ased on variable frequency speed constant pressure water supply system controlled by PLC. The system is composed of PLC, inverter, water pump,pressure transmitter form.The system uses the frequency converter to realize the variable frequency speed control of three-phase motor pump, using "open

5、first principle ofswitching operation of the pump to stop". The pressure sensor to detect thepressure signal into PLC, and compared with the set value for PID operation,so as to control the inverter output voltage and frequency, and then change the speed and volume of water supply pump motor. S

6、o that the pipe network water pressure is always kept in a near set value, so as to realize the constant pressure water supply.Key words: PLC ; Frequency control; PID control; Constant pressure water supply 目 錄1 緒論. . .41.1 課題背景及意義41.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3 本課題主要研究內(nèi)容52 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計. .52.1 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及組成.

7、 .52.2 PLC 概述及其系統(tǒng)組成. . .62.3 變頻器簡介及選型. .62.3.1 變頻器簡介. .62.3.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)73 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)電路設(shè)計. . .93.1 硬件選擇.93.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計.123.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計.123.4 PLC 的I/O端口分配及外圍接線圖.15 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計184.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析.184.2 PLC 程序設(shè)計.194.3 PID 控制器參數(shù)整定.26結(jié)論.29致謝.30參考文獻.31 1 緒論1.1課題背景及意義城市中各類小區(qū)的供水系統(tǒng)是小區(qū)眾多基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中的一個重要組成部分。由于傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式

8、具有各自不同的缺陷，如恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，供水機組運行效率低、耗電量大，電動機硬啟動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)等缺點，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的工作性能直接影響到小區(qū)居民的正常生活。另一方面，由于供水的隨機性，采用傳統(tǒng)方法供水難以保證實時，水泵的選擇往往是由最大供水確定，而最高水位時間短，不僅泵效低，水壓不穩(wěn)定，造成了浪費大量電力，遠遠不能滿足生活和生產(chǎn)需要。隨著電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速供水系統(tǒng)由于成本低，施工簡便，節(jié)能效果顯著，自動化控制，無二次污染，已被越來越廣泛的應(yīng)用。PLC 性能穩(wěn)定，成本低，功能強大，編程方便的特點，采用變頻

9、控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了基于可編程控制器的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)。該設(shè)計以最小的投資體制，實現(xiàn)了多功能供水系統(tǒng)要求。在提倡節(jié)能減排的今天，具有很好的經(jīng)濟和社會意義。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，國外廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，日本Samc 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID 調(diào)節(jié)器和PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通

10、過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC 和PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作。雖然這些設(shè)備采用微型電路結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備成本，但缺乏靈活性輸出接口，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，和其他監(jiān)測系統(tǒng)和組態(tài)軟件是很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，帶負荷能力的限制，所以在實際使用的范圍將是有限的。 由此可以看出，國內(nèi)和國際研究變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，在與現(xiàn)代控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)系統(tǒng)相結(jié)合，閉環(huán)壓力控制方面做的是不夠的。因此，需進一步研究，以提高恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能更好地應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實踐。1.3本課題主要研究內(nèi)容本課題從實際應(yīng)用出發(fā)，針對一般系統(tǒng)中存在的幾個缺陷，設(shè)計出了

11、基于PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：（l ）系統(tǒng)具有較高的恒壓精度。（2）系統(tǒng)能長時間穩(wěn)定可靠運行。（3）有友好的用戶操作界面。2 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及組成本設(shè)計中，系統(tǒng)的控制機構(gòu)由PLC 和通用變頻器構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示?？梢钥闯觯猛蟿訖C組供水管道水泵機組的控制單元以及信號檢測環(huán)節(jié)構(gòu)成生活小區(qū)的供水系統(tǒng)。圖2-1中，液位檢測機構(gòu)把測量的水箱水位信號送入到變頻控制柜，經(jīng)過PLC 程序的運算處理，輸出運行與停止控制信號，控制水泵啟動與停止工況的轉(zhuǎn)換。 2.2 PLC 概述及其系統(tǒng)組成PLC 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，它采用一類可編程

12、的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，邏輯運算，順序控制，定時可編程記憶，計數(shù)等面向用戶的指令，通過數(shù)字輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骱屯獠吭O(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)輕松地聯(lián)成一個整體 ，以擴大其功能設(shè)計的原則。 圖2-2 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)。PLC 有著其它工業(yè)控制設(shè)備難具備的優(yōu)點:高可靠性，豐富的I/O接口模塊，采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程方便，易于使用。 2.3 變頻器簡介及選型 2.3.1 變頻器簡介交流變頻器是微計算機及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計算機是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。我們知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50Hz 。

13、而交流電動機的同步轉(zhuǎn)速Pf N 1160 中間直流環(huán)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器 式中1N -同步轉(zhuǎn)速，r/min；1f -定子頻率，Hz ；P -電機的磁極對數(shù)。而異步電動機轉(zhuǎn)速式中s -異步電機轉(zhuǎn)差率，11/ (N N N s -=，一般小于3%，均與送入電機的電流頻率成正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變頻對于交流電機的調(diào)速來說是十分合適的。 2.3.2 變頻器的基本結(jié)構(gòu)依據(jù)頻率變換的形式來分，變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流

14、電變換成頻率、電壓均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示， 圖2-3 交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)它由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下：(1整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，其作用是把三相(可以是單相 交流整流成直流。(2直流中間電路。直流中間電路的作用是平滑輸出電流，以確保逆變電路和控制電源得到高品質(zhì)的直流電。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。所以其1(60 1(11s Pf s N N -=-= 功率因數(shù)總不會為1。因此，中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率交換。(3逆變器。

15、負載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。(4控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、柵極驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。直流中間電路的儲能元件在整流電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以

16、得到任意頻率的三相交流輸出。圖2-4為電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-4 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu) (a 電壓型變頻器主電路；(b電流型變頻器主電路（a ） （b ） 3 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)電路設(shè)計根據(jù)基于PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出, 該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1 PLC 及其擴展模塊、(2 變頻器、(3 水泵機組、(4 壓力變送器、(5 液位變送器。主要設(shè)備選型如表3.1所示：表3-1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 3.1 硬件選擇3.1.1 PLC及其擴

17、展模塊的選型PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此在選擇PLC 時，要考慮PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC 選用SIEMENS 公司的S7-200型。S7-200型PLC 具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)；又具有可靠性高，可擴展性好，有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC 的主模

18、塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點，輸出形式為AC220V 繼電器輸出；開關(guān)量輸入為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW，1個模擬輸出(AQW信號通道。輸入和輸出信號，可自動完成A/ D轉(zhuǎn)換，標準輸入信號可以轉(zhuǎn)換成一個字數(shù)字信號，輸出信號則可以自動完成端口的D / A轉(zhuǎn)換，一個字的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成標準的輸出信號。 EM235模塊由DIP 設(shè)置不同的標準，切換輸入信號。 3.1.2 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水

19、量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機的功率和電流進行選擇。由于本設(shè)計中PLC 選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC 和變頻器之間的通信，選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其

20、輸出信號能作為75KW 的水泵電機的輸入信號。 3.1.3 水泵機組的選型水泵機組選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計的要求為：電動機額定功率75KW ，供水壓力控制在0.3±0.01Mpa 。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL 系列水泵機組（電機功率75KW ）。它可用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。3.1.4 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，

21、作為模擬輸入模塊(A/D模塊 的輸入。在選型時，為防止傳輸過程中的干擾與損耗，通常采用420mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當(dāng)壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能啟動所有的水泵，如果此時的用水量又達不到，則會造成水壓過高。為防止爆管和超高水壓損壞用水設(shè)備，本設(shè)計中的供水系統(tǒng)采用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為PLC 的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，系統(tǒng)關(guān)閉所有水泵并報警輸出。供水系統(tǒng)的壓強是gh =P ，下面單位都是估計標準單位310=，g=9.8，一般情況下，h<60米，所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)輸出壓力一般小于或等于0.6Mpa ，據(jù)以上綜合分析，系統(tǒng)選用普通壓力表Y-100和XMT-12

22、70數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍01Mpa，精度0.01；數(shù)顯儀輸出一路420mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。3.1.5 液位變送器選型考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計要求貯水池水位：2m5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標準信號（420mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC 。 綜合以上因素：本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為DS26分體式液位變

23、送器，其量程為：0m200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC ；輸出信號：兩線制420mADC；精度等級：0.25級。3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計基于PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制水泵機組M1、M2、M3工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制水泵機組M1、M2、M3變頻運行；FR1、FR2、FR3為過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4為主電路的隔離開關(guān)；FU 為主電路的熔斷器。 圖3-2 變頻恒壓

24、供水系統(tǒng)主電路圖本設(shè)計采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超 3h ，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的R 、S 、T 端，變頻器的輸出端U 、V 、W 通過接觸器的觸點接至電機。當(dāng)電機工頻運行時，應(yīng)先斷開變頻器的隔離開關(guān)和其輸出端的接觸器，再把工頻回路的接觸器和隔離開關(guān)接通。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，還可實現(xiàn)短路保護，每

25、臺水泵的過載保護由相應(yīng)的熱繼電器FR 實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路決不能同時接通，而且變頻器的輸出端絕不能直接接電源，必須經(jīng)過接觸器的觸點。當(dāng)電動機接通工頻回路時，應(yīng)先斷開變頻回路接觸器的觸點。相應(yīng)地從工頻轉(zhuǎn)換為變頻時，工頻接觸器也應(yīng)先斷開，才可接通變頻器輸出端接觸器，因此KM1和KM2，KM3和KM4，KM5和KM6不允許同時動作，相互之間必須有可靠的互鎖。為監(jiān)視電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將420mA電流信號送至上位機來顯示。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路，而需通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。手動控制系統(tǒng)時，必須采用降壓啟動或軟啟動的方式以降低啟動電流

26、，本設(shè)計采用軟啟動器。3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC ，采用西門子公司S7-200系列PLC ，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。PLC 用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要實現(xiàn)以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA 打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC 程序控制下運行。 圖3

27、-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC 各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細介紹。 圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA 的觸點對變頻器進行復(fù)頻控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC 的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖3-4一起讀圖。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：(1 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維 修。單刀雙擲開關(guān)SA 打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關(guān)分別控制三臺水泵電機在工

28、頻下的運行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點閉合從而實現(xiàn)自鎖功能，電機M1可以穩(wěn)定的運行在工頻下。只有當(dāng)SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機M2、M3停機。(2自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)SA 打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC 程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運行信號，當(dāng)Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運行指示燈HL1點亮，同時K

29、M1的常閉觸點斷開，實現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當(dāng)Q1.1輸出1時，水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；當(dāng)Q1.2輸出1時，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；當(dāng)Q1.3輸出1時，白天供水模式指示燈HL9點亮；當(dāng)Q1.4輸出1時，報警電鈴HA 響起；當(dāng)Q1.5輸出1時，中間繼電器KA 的線圈得電，常開觸點KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點亮。3.4 PLC 的I/O端口分配及外圍

30、接線圖基于PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下：(1 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。(2 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)變頻運行時間超過3h ，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵”功能，以防止某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。(3 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能， 手動只在應(yīng)急或檢修時臨

31、時使用。(5 系統(tǒng)要有完善的報警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址如表3-2所示。表3-2 輸入輸出點代碼及地址編號 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖3.3和PLC 的I/O端口分配表3-2，畫出PLC 擴展模塊外圍接線圖，如圖3-4所示： 圖3-4 PLC 及擴展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入PLC 的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中

32、設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC 的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡單的表明PLC 及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴

33、格意義上的外圍接線情況。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析硬件連接好之后，系統(tǒng)的控制功能要由軟件實現(xiàn)，結(jié)合系統(tǒng)的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下：(1 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了實現(xiàn)水壓恒定，在水壓降落時需升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷是否需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率是否達到設(shè)定的上限值，可通過比較指令實現(xiàn)這一功能。為正確判斷變頻器工作頻率達上限值，應(yīng)排除偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。(2 多泵組運行管理規(guī)范因為希望每一次啟動電機實現(xiàn)變頻泵軟啟動, 而且每臺泵必須交替使用, 多

34、泵組泵站泵投運必須具備的管理標準。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h ，因此每次啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體操作是:將當(dāng)前運行的水泵從變頻器切除, 并連接到的工頻電源運行, 并將變頻器復(fù)位用于新運行泵的啟動。泵組管理的另外一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中采用泵號加1的方法實現(xiàn)變頻泵循環(huán)控制；用工頻運行泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。(3 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)因為模擬單元和PID 調(diào)節(jié)都需要初始化和中斷控制, 本程序主要分為三個部分:主程序、子程序和中斷程序。為了節(jié)省掃描時間，可采用初始化子程序完成系統(tǒng)初始化工作。使用定時器

35、中斷功能實現(xiàn)PID 控制定時采樣和輸出控制。泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等由主程序控制實現(xiàn)。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。程序中使用的PLC 元件及其功能如表4-1所示。 表4-1 程序中使用的PLC 元件及其功能 4.2 PLC 程序設(shè)計PLC 控制程序采用SIEMENS 公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表語言、梯形圖語言、功能塊圖語言。最接近于電氣控制原理圖的是梯形圖語

36、言，它是應(yīng)用最多的一種編程語言，無需考慮系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯便可完成系統(tǒng)控制設(shè)計。PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序組成，編制程序在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到PLC ，控制任務(wù)的完成，是通過軟件在RUN 模式下，由主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。 4.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計本系統(tǒng)控制的主程序由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機換機程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、模擬量(水壓力、頻率 比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。系統(tǒng)初始化程序啟動系統(tǒng)工作時，需對系統(tǒng)進行初始化，即啟動時，應(yīng)檢測系統(tǒng)各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行，若出錯則報警。接著對變頻

37、器變頻運行的上下限頻率、PID 控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)PID 調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min （以消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟

38、動脈沖信號，延時后啟動運行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h 則自動倒泵變頻運行。各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)

39、。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3#泵處于 變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。報警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮

40、。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。主程序流程圖如圖4-1所示。由于在圖4-1中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖4-2和4-3對其作了完整的補充。其中圖4-2是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖4-3是以2#泵為例的工頻運行控制流程圖。1#、3#泵的運行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復(fù)。如圖4-1所示。本設(shè)計主程序大體包括以下幾部分： (1 調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值； (2 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)； (3 根據(jù)增泵、倒泵情況

41、確定變頻泵號；(4 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進行控制； (5 進行報警和故障處理。 圖4-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 圖4-2 2#泵變頻運行控制流程圖 圖4-3 2#泵工頻運行控制流程圖4.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(1 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ 和20HZ 。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID 控制的各參數(shù)（Kc 、Ts 、Ti 、Td ），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設(shè)置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖

42、如圖4-4所示。 圖4-4 初始化子程序SBR_0梯形圖(2 PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過PID 運算后，再將標準值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖4-5所示。 圖4-5 PID 控制中斷子程序INT_0梯形圖 4.3 PID 控制器參數(shù)整定4.3.1 PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了含PID 調(diào)節(jié)的PLC 來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional (比例 、Integral (積分 、Derivative (微分 控制方式，稱之為PID 控制。PID 控制是連續(xù)控

43、制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t和實際輸出值y(t之間的偏差e(t：( ( ( e t y t r t =-經(jīng)比例(P、積分(I和微分(D運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t，對被控對象進行控制，故稱PID 控制器。系統(tǒng)由模擬PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-6所示，圖中u(t為PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 圖4-6 PID 控制原理框圖PID 控制規(guī)律為：1( ( ( ( p d i de t y t K e t e t dt T T dt =+ 式

44、中：Kp 為比例系數(shù)；Ti 為積分時間常數(shù)；Td 為微分時間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式：( 1( (1 ( P d i U s G s K T s E s T s=+ PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：(1 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp 的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2 積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti ，Ti

45、 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。(3 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。4.3.2 系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型及參數(shù)取值由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變，非線性，遲滯，模型不穩(wěn)定的 對象，很難得出精確的數(shù)學(xué)模型而只能近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時需經(jīng)歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這

46、個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程；由于系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比可忽略不計，所以可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成：( 1sKe G s Ts -=+ 式中：K 為系統(tǒng)的總增益，T 為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。 本設(shè)計中的PID 參數(shù)值采用恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)中的經(jīng)驗值，以省去繁瑣而不必的工程計算。取系統(tǒng)比例系數(shù)Kc=0.33，采樣時間T

47、s=0.2s，積分時間Ti=180min，微分時間取零值。 結(jié)論本文針對城市小區(qū)供水的特點，設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC 的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵電機的軟起動和調(diào)速，棄用原有的自耦降壓起動方式，同時水泵電機實現(xiàn)了自動控制。壓力變送器采樣后的管網(wǎng)壓力信號經(jīng)過PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不但有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且使系統(tǒng)工作可靠、節(jié)能效果顯著、實現(xiàn)了全自動控制、且無二次污染。本設(shè)計主要經(jīng)歷的工作如下：(1 通過PLC 、變頻器實現(xiàn)對生活用水的恒壓控制。利用PLC 實現(xiàn)對多泵切換的控制，通過變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動，由電動機的變頻調(diào)速實現(xiàn)對水壓的調(diào)節(jié)。(2 通過對控制過程和原理的分析，利用西門子STEP7 MicroWIN編程軟件設(shè)計了一個