基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

1、 英文題目Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Based On PLC 作 者 聲 明本人以信譽鄭重聲明：所呈交的學位畢業(yè)設(shè)計（論文） ，是本人在指導教師指導下由本人獨立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。對本設(shè)計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本畢業(yè)設(shè)計（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔。本畢業(yè)設(shè)計（論

2、文）成果歸東華理工大學所有。特此聲明。畢業(yè)設(shè)計（論文）作者（簽字） ： 年 月 日本人聲明：該學位論文是本人指導學生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部內(nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準確性。學位論文指導教師簽名：年 月 日摘 要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器等構(gòu)成。系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入

3、PLC與設(shè)定值比較后進行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)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。通過工控機與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。變頻恒壓技術(shù)集低成本、高度自動化、高穩(wěn)定性、高可靠性、高效節(jié)能、方便調(diào)試等優(yōu)點于一身。當前變頻恒壓控制正逐步走向全數(shù)字化控制和各種體系化的發(fā)展方向。追求高度智能化、系列化、標準化，在將來給水系統(tǒng)設(shè)備將占領(lǐng)城鎮(zhèn)各個樓層、各個用水單位的絕大部分市場。關(guān)鍵詞：變頻器； PLC； 傳感器； 恒壓供水； 調(diào)速AbstractAccording to the requireme

4、nts of the Chinese urban community water supply, this paper designed a set of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system based on PLC, and by using configuration software to develop a good operation management interface. Frequency constant pressure water supply sy

5、stem by programmable controller, inverter, pump, pressure sensor, etc. System consists of three water pump motor, their operation mode of frequency conversion cycle. Adopt inverter for three-phase pump motor soft start and frequency control of motor speed, running switch based on the principle of &q

6、uot;inception to stop". The current hydraulic pressure sensor signal, into after compared with the set value of PID of PLC, frequency converter to control the output voltage and frequency, and change the water pump motor speed to change water supply, eventually maintain stability of the pipe ne

7、twork pressure near the set point. Through the industrial computer and PLC connection, using configuration software to complete the system monitoring, the dynamic running state display and data, alarm queries.Frequency conversion constant pressure technology collection of low cost, high automation,

8、high stability, high reliability, high efficiency and energy saving, convenient debugging, etc. Current frequency conversion constant pressure control is gradually towards the development direction of full digital control and a variety of systematism. Pursuit of highly intelligent, seriation, standa

9、rdization, and in the future water supply system equipment will be occupied towns each floor, each unit of water most of the market.Key words: transducer； PLC； sensor constant； pressure water supply； speed regulation目 錄緒論11.1課題的提出及其意義11.2供水系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀11.3 PLC概述2西門子S7-200PLC簡介21.5本課題的主要研究內(nèi)容22系統(tǒng)的理論分析和

10、控制方案確定42.1電動機的調(diào)速原理42.2恒壓供水系統(tǒng)的基本特征42.3控制方案的對比和確定52.4 本系統(tǒng)的工作原理62.5 水泵的實際增減條件分析63 系統(tǒng)的硬件設(shè)計83.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型83.2系統(tǒng)的主電路分析以及設(shè)計93.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖104系統(tǒng)的軟件設(shè)計124.1軟件設(shè)計分析124.2 PLC的程序設(shè)計1212164.3 PID控制及其算法184.3.1 PID控制原理簡介184.3.2 PID參數(shù)整定及波形圖仿真195監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計215.1組態(tài)軟件及其通信參數(shù)設(shè)置215.2新建工程和組態(tài)變量225.3組態(tài)畫面235.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面23結(jié) 論25致

11、謝26參考文獻27附錄28緒論.目前，不論城市還是農(nóng)村用水量都在增長。不同的時間，不同的季節(jié)，不同的地理環(huán)境和人口數(shù)量等都或多或少的會影響到用水量，老的供水方式不能滿足居民的用水需求和用水安全。供水壓力是否恒定對于工業(yè)生產(chǎn)和一些用戶來說是非常重要的，如果遇到緊急情況，由于水壓的不穩(wěn)定而導致發(fā)生的火災(zāi)，甚至導致了人員的傷亡，那將后悔莫及。而由于用水量的多少是時時刻刻都在變動的，人多的時候自然壓力大，人少時壓力低。確保管道壓力變化很小，實現(xiàn)用水與供水基本平衡。這不僅保障了用戶用水安全，減少事故的發(fā)生，還起到了節(jié)約水資源的目的。因此老的給水設(shè)計早已不能達到人們的需求。要想滿足人們的這一需求減少水資源

12、的浪費，采用變頻恒壓給水設(shè)計，摒棄以前的設(shè)計，無疑是目前非常合理、可高、方便、安全、節(jié)能、省心的選擇。我國是個水資源缺乏的國家，另外我國的水泵機雖然數(shù)量多、范圍廣、類型多，在技術(shù)上也有自己的一定水平，但是和發(fā)達國家相比還有不小的差距。使用變頻恒壓技術(shù)不僅具有上述意義，還能為我國水泵機的研究發(fā)展出力。因此，本論文的研究設(shè)計具有多個重要意義。變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展快速的后幾年內(nèi)變頻恒壓也快速的發(fā)展起來，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能一般都限于速度控制，從制動控制、頻率控制、變頻調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、控制和各種保護功能。變頻恒壓供水系統(tǒng)的實施機構(gòu)，為滿足不同的供水規(guī)模的需求，以確保恒定的壓力管道，需要增加壓力控制

13、器和外部的壓力傳感器，與外部的壓力傳感器，形成閉環(huán)控制。目前，這類項目的恒壓供水系統(tǒng)中存在著大量的企業(yè)在做；其中絕大部分水管的調(diào)節(jié)、管網(wǎng)壓力的檢測和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等都是用的發(fā)達國家的變頻器，還有些廠家用的是單片機；有的采用PLC來控制及相應(yīng)軟件予以實現(xiàn)。但在一些其他方面還達不到特殊客戶的具體要求。如穩(wěn)定性、動態(tài)平衡性等。從搜查的文件資料來看，有多數(shù)國外的設(shè)計采用的是一臺變頻器控制只控制了一臺水泵機組，因此存在成本較高的情況。德國人在1964年最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制和PWM技術(shù)結(jié)合到交流傳動中。從20世紀80年代后半期開始，從上世紀80年代的后半部分，基于變頻調(diào)速技術(shù)的通用變頻器已經(jīng)商業(yè)化并

14、廣泛應(yīng)用于美國、日本、德國、英國等發(fā)達國家。在我國，通過電動機消耗掉的電量占了60%，因此如何通過電機調(diào)速技術(shù)進來達到節(jié)約電能的目的，一直備受到國家相關(guān) 單位和專業(yè)人士的重視。目前，我國從事變頻恒壓設(shè)計的工作單位約有200家左右，但自己研發(fā)生產(chǎn)的變頻產(chǎn)品和發(fā)達國家研發(fā)的同類產(chǎn)品相比，還存在比較大的技術(shù)水平差距的。1968年，丹弗斯公司獨創(chuàng)并第一個設(shè)計出產(chǎn)變頻器后，變頻器技術(shù)的提高表現(xiàn)在體系的穩(wěn)定性、高效性、節(jié)能性以及自動化水準等方面。另外其顯著地節(jié)能效果被廣泛發(fā)現(xiàn)認可。此后，國外大部分研究變頻器工廠開始注重具備帶有恒壓給水功效的變頻器且大力研發(fā)生產(chǎn)；像瑞士ABB集團推出的空調(diào)變頻技術(shù)；法國的施

15、耐德公司首先研發(fā)出恒壓給水基板，基板上附帶著PID和PLC控制器，通過相應(yīng)的程序代碼實現(xiàn)的可編程控制器和控制功能，如電子控制系統(tǒng)，配有配套恒壓供水系統(tǒng)。這將能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的直接控制，在一些內(nèi)置的電磁接觸器的工作，可以驅(qū)動多達七個電機在同一時間的供水系統(tǒng)。但美中不足的是，它的輸出端的擴展靈敏性不夠強，導致體系的動靜性能與穩(wěn)定性相對低些，在與其他監(jiān)控系統(tǒng)或組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙方的通信上存在一定障礙，另外限制了帶負載的容量，因此在適用范圍這塊比其他窄。顯而易見，如今變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)的研究領(lǐng)域要解決的問題有：能在各種用水環(huán)境下運行：能完美的與當前的控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)并且一齊統(tǒng)籌體系的電磁兼容

16、性恒壓系統(tǒng)給水閉環(huán)監(jiān)控，在這一領(lǐng)域仍然存在技術(shù)的缺乏。所以說，變頻恒壓給水體系的研發(fā)在全球范圍內(nèi)還有較大鉆研空間，使其能更好的服務(wù)于社會各個層面。1.3 PLC概述可編程控制器，簡稱PLC，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。國際電工委員會在1987年頒布了PLC標準草案，對PLC做了以下概念:“PLC是一種電子裝置，運用于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)字運算操作。它遠用能夠編程的存儲器，在內(nèi)置的存儲器中進行各種各樣的復(fù)雜的操作指令，能夠以控制輸入和輸出的數(shù)字量、模擬量來監(jiān)控各類生產(chǎn)制作過程。正是因為PLC的強大功能，被廣泛用于各種制造生產(chǎn)和加工過程的自控系統(tǒng)中?？删幊炭刂破髟诿裼煤图彝プ詣踊械玫搅藦V泛

17、的應(yīng)用，其功能強大、操作開放性強，不僅是應(yīng)用最廣泛的控制設(shè)備。PLC的廣泛應(yīng)用程度、強大的功能是其他控制設(shè)備難以超越的。西門子S7-200PLC簡介西門子公司具有品種多樣的PLC產(chǎn)品。S7系列是經(jīng)典的PLC，S7-200屬于小型PLC，分別在1998年和2004年進行了2次升級，其特點如下：(1) 體型小，但功能多?？梢詫崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能；(2) 編程方法簡單易學；(3) 硬件配套齊全，用戶使用方便；(4) 抗干擾性強，可靠性高；(5) 能耗低，體積??；(6) 維修方便等。本次策劃是以小區(qū)給水為控制目標，PLC結(jié)合變頻器，設(shè)計一套包含PLC、變頻器、傳感器、水泵機組、監(jiān)控系統(tǒng)及用戶等組成的恒壓

18、供水系統(tǒng)，力求做到可靠，安全節(jié)能。該系統(tǒng)由三個泵馬達，形成一個頻率轉(zhuǎn)換周期。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的工頻調(diào)速和變頻調(diào)速，運行切換采用“先變后工”的原則。即先啟動一臺水泵機從變頻慢慢加速，當達到最大值時，保持不變進入工頻。壓力傳感器檢測到當前的實際水壓信號，并在可編程控制器和人工設(shè)定值之間的比較后發(fā)送控制偏差操作，得到的偏差信號用來控制輸出頻率，輸出頻率的改變帶動水泵機組轉(zhuǎn)速改變實現(xiàn)給水量的變化，最后確保持管道壓力值與設(shè)定值相差不大，這不僅供水量達到了用戶要求還使管道得到了保護。經(jīng)過工控機與PLC相結(jié)合，利用組態(tài)軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，達到了動態(tài)顯示工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場報警的監(jiān)控目的。2系統(tǒng)

19、的理論分析和控制方案確定水泵是三相異步電動機，其轉(zhuǎn)速公式為： (2.1) 式中，f是頻率，p是電動機極對數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率。很明顯，改變式中出現(xiàn)的字母就是調(diào)速方法，即;(l) f調(diào)速法（改變f）(2) p調(diào)速法（改變p）(3) s調(diào)速法（改變s）改變p的調(diào)控方式為有級調(diào)速，其特點是簡單、費用少、節(jié)能效果好、效率高；其缺點是要有專門的變極電機，級差較大（變速時轉(zhuǎn)速變化大）只適用于一些特定的場合的特定生產(chǎn)。改變s的調(diào)節(jié)方式一般采用串級調(diào)速方法，其優(yōu)點是對轉(zhuǎn)差功率的回收起較好的作用，節(jié)能效果明顯，調(diào)速性能突出。其缺點很明顯就是線路比較復(fù)雜，由此增加了能源的損耗。此外其成本高，難以推廣。改變f的調(diào)試方法，

20、即我們常說的變頻調(diào)速。從公式中我們可以看出，當s基本穩(wěn)定時，轉(zhuǎn)速n基本與f成正比。通過調(diào)節(jié)電源頻率，就可以改變水泵機組的轉(zhuǎn)速，變化的快慢程度隨電源頻率變化快慢而變化。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)研發(fā)出了各類功能良好、穩(wěn)定的變頻調(diào)速裝配，并廣泛應(yīng)用于變頻恒壓系統(tǒng)中。綜上述說，改變f的調(diào)速方法最適合本設(shè)計課題。在供水系統(tǒng)中，揚程H與供水水流量Q之間的關(guān)系我們稱之為揚程特性，它是本系統(tǒng)中重要的描述H與Q關(guān)系的特性。在閥門開度一定，水泵機的轉(zhuǎn)速一定時，用戶的用水情況直接決定了水流量的多少，即用水頻率。因此，H=f*Q。另一管阻特性是指泵的轉(zhuǎn)速是恒定的，該閥在一個特定的開啟度與曲線之間的關(guān)系。如

21、下圖所示，由于水管不論大小、水位不論高低等都存在一定的阻力因素，當上述情況一定時，水泵的一小部分水的動能必定要用以平衡液位差和網(wǎng)道存在的一定阻力，而管阻特性正是用來反應(yīng)這一現(xiàn)象的。如圖2.1 的A點中，用戶的用水流量Qu和系統(tǒng)供水量Qc處于平衡狀態(tài)，此時系統(tǒng)既滿足了揚程特性。又滿足了管阻特性，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。 本系統(tǒng)的節(jié)能原理在于：在實際用水中，客戶在不同時間不同地點的用水量是不斷變化的，如果說閥門開度在一段時間內(nèi)不變的話，必然回出現(xiàn)超壓或者低壓的情況，導致能源的浪費。而變頻恒壓調(diào)速是通過改變水的動能來控制流量的。換言之，當用水量增大時水泵機組轉(zhuǎn)速加快；反之，轉(zhuǎn)速減小，從而使官網(wǎng)壓力恒定

22、，達到節(jié)能的目的。當前我國變頻恒壓給水設(shè)備的控制方式主要有：邏輯控制模式；單片機控制模式以及可編程控制模式。這種類型的控制基本上是用在一個單泵是固定在變頻狀態(tài)下，而且很難做到所有的水泵機組的軟啟動和全流量變頻，所以控制精度低。這類方式優(yōu)于前著，但其缺點是：處理不同的水管以及用水波動較大時，調(diào)試依然麻煩。想要對系統(tǒng)增加其他附加功能時要對電路重新設(shè)計，不方便，功能性不強，穩(wěn)定性偏弱。該方式中可以實現(xiàn)電機的無極調(diào)速，能夠較好的解決前兩者方式的不足之處，調(diào)試簡單，抗干擾性強，控制精確，高效節(jié)能，穩(wěn)定性強等特點。 綜上所述，本設(shè)計適合采用第三種控制方式。如下圖所示：從圖中可以看出，該系統(tǒng)由一個頻率轉(zhuǎn)換器

23、（帶比例控制），一個可編程控制器，一個壓力傳感器，泵裝置（3個單位的設(shè)計），報警裝置和一些輔助設(shè)備組成。其中壓力傳感器有電阻式和壓力式兩種選擇。前者用來反饋05V電壓信號，后者用來反饋420mA電流信號，本設(shè)計選用前者電阻方式。變頻器是本次設(shè)計的核心，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速頻率來實現(xiàn)無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果。2.4 本系統(tǒng)的工作原理當合上空氣開關(guān)，將系統(tǒng)調(diào)到自動運行狀態(tài)。此時已啟動了變頻器，壓力傳感器的實際值和偏差信號的壓力值設(shè)置傳送給可編程控制器（經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后），得出給定信號的頻率（通過數(shù)模轉(zhuǎn)換），然后發(fā)送到變頻器。此時變頻器會依據(jù)所給信號和預(yù)先設(shè)定的信號來監(jiān)制水泵的轉(zhuǎn)速來確保管道壓力在壓力

24、允許偏差范圍內(nèi)，達到恒壓控制的目的。在變頻器的頻率增加到50HZ時，會把這一信號送給可編程器，此時可編程控制器根據(jù)該信號和管道允許的壓力范圍信號來判斷是否需要啟動下一臺水泵機。當頻率在50HZ并運行一小段時間（可以是1-2分鐘）上述條件仍然滿足時，PLC會立即把當前的變頻水泵切換到工頻保持其轉(zhuǎn)速，同時用變頻啟動下一臺水泵，再按照上述條件控制直到滿足用水需求和允許的壓差。2.5 水泵的實際增減條件分析在上述的系統(tǒng)工作原理流程中，已經(jīng)闡明增泵條件，減泵條件大同小異，即當變頻水泵和工頻水泵都工作在下限頻率時，管道的實際壓力仍然高于設(shè)定壓力，為了達到恒壓的目的，此時系統(tǒng)會自動減少工頻水泵。這些理論分析

25、其實和實際是存在一定差距的，接下來進行實際分析。 我們知道50HZ是上限頻率，那下限頻率是0嗎？答案是否定的，實際控制中，由于管道中的水會給水泵機一個反向的水壓阻力，同時在一定程度上會阻礙管道進水，所以當頻率降低到一定數(shù)值時，已經(jīng)抽不上水了。這個值跟水泵的特性和系統(tǒng)有關(guān)，從查詢的資料中了解到在1020HZ左右。 實際的機組增減判別條件如下：當 (2.1)且延時判別成立時，增泵； 當 (2.2)且延時判別成立時，減泵。式中：上限頻率：下限頻率：設(shè)定壓力：反饋壓力Pd ：偏差壓3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)上述PLC設(shè)計原理以及增減泵分析思想，現(xiàn)將系統(tǒng)框圖設(shè)計如下：圖3.1 系統(tǒng)

26、的電氣控制總框圖圖中包含的系統(tǒng)組成主要有：變頻器；水泵機組；可編程控制器；通訊模塊；壓力變送器及顯示儀表；液位變送器等?，F(xiàn)將它們的選型制作如下表。表3.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其生產(chǎn)廠家變頻器MM440可編程控制器（PLC）西門子S7-200系列的CPU222AC/DC。水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)這里提一下變頻器的選擇：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，我們選擇西門子的MicroMaster4

27、40變頻器。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?？焖匐娏飨拗茖崿F(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。本次設(shè)計采用3臺水泵循環(huán)變頻的工作模式。為避免有某一臺水泵長期運行，而存在

28、其余水泵長期休停的情況，在PLC編程中設(shè)定當有水泵連續(xù)工作超過3小時，則切換另一臺休停的水泵來代替運行，即系統(tǒng)具備人性化的“輪休功能”。承接上文的設(shè)計思路，現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)主電路圖如下：圖3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖圖中M1、M2、M3為三臺電機，它們分別帶動水泵1、水泵2、水泵3（圖中未畫出）轉(zhuǎn)動抽水。M1、M2、M3由接觸器KM1、KM3、KM5控制其在工頻狀態(tài)下運行；M1、M2、M3由接觸器KM2、KM4、KM6控制其在變頻狀態(tài)下運行。M1、M2、M3這3臺水泵電的過載保護由FR1、FR2、FR3來實現(xiàn)；變頻器和2臺水泵電機的電路隔離開關(guān)依次是QF1、QF2，F(xiàn)U為主電路的熔斷器。 當電機

29、處于工頻狀態(tài)時，接到變頻器的隔離開關(guān)斷開，輸出端的接觸器斷開，接通工頻接觸器和工頻可離開關(guān)。熔斷器FU實現(xiàn)短路保護；熱繼電器FR實現(xiàn)過載保護。在運行中，禁止變頻和工頻同時進行，并且不允許輸出的轉(zhuǎn)換器被直接連接到電源。在變頻與工頻轉(zhuǎn)換時，必須現(xiàn)將所連接的接觸器斷開。即每兩臺接觸器不能同時動作，兩兩只間要有互鎖設(shè)計。在電機剛開始啟動時需注意其轉(zhuǎn)向，若反向，可通過改變電源的相序來調(diào)整。另外值得注意的是，當采用手動控制時為了保護人體安全，須采用軟啟動或者自耦變壓器降壓啟動來減小電流，在此次設(shè)計中采用軟啟動。S7-200系列PLC性能優(yōu)越是本次設(shè)計的控制中心，要實現(xiàn)控制的功能有：（1）能夠自動有序的控制

30、3臺水泵的運行；（2）能夠在3者之間將完成工、變頻的相互轉(zhuǎn)換；（3）在每臺水泵啟動時要能達到軟啟動；（4）水泵機組要有手動擋和自動擋（自動擋便于應(yīng)急和調(diào)試或者修檢）；（5）系統(tǒng)要有完善的報警功能。3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖本設(shè)計需要考慮的因素綜合如下:1.考慮到用戶在白天和晚上的用水量有明顯的不同，故設(shè)計了白天和黑夜2種運行模式，一般情況下，白天用水量大，故水壓設(shè)定值相對高；夜晚用水量相對少，故水壓設(shè)定值低些；2.為避免在用水量小而存在某臺水泵機長期工作，其余長期休停情況，如上文提到須設(shè)計切換另外1臺，即“輪休功能”。超過3小時進行切換。結(jié)合3.1所提到的功能要求，統(tǒng)計輸入輸出

31、信號、地址和代碼匯總?cè)缦拢好?稱代 碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1液位變送器下限信號SLHL變頻器報警信號SU試燈按鈕SB7壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL11#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL22#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL32#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL43#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL53#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7變頻器故障報警指示燈HL8白天模式運行指示燈HL9報警電鈴HA變頻器頻率復(fù)位控制KA變頻器輸入電壓信號UfAQW

32、0 綜合上述表格，設(shè)計可編程控制器接線圖如下所示：圖3.4-2主電路接線圖(截圖不太清楚已單獨打印) 由表3.4-1可見本次設(shè)計有5個輸入量，其中4個數(shù)字量1個模擬量。圖中SA1是用來控制白天與夜間之間的轉(zhuǎn)換的開關(guān)，輸入I0.0；模擬量的壓力輸入信號來源于壓力變送器對管壓的測量；圖中作為模擬量的水位信號來自于液位變送器對液位的監(jiān)測；做A/D轉(zhuǎn)換后送入窗口比較器。當檢測到水位不在設(shè)定的范圍內(nèi)時，I0.1得到輸出為1的高電平；故障輸出端與可編程控制器的I0.2連接，組成故障報警裝置。由表3.4-2可知，本系統(tǒng)有12個輸出信號，其中11個數(shù)字量，1個模擬量。Q0.0Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻

33、/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。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計上述硬件連接好后，接下來就是軟件的設(shè)計編寫了。結(jié)合設(shè)計要求，現(xiàn)對軟件設(shè)計分析：為了達到恒壓這一目的，在水壓過高或過低時須改變變頻器的輸出頻率，當達到增減水泵的條件時還必須通過增減水泵來達到恒壓。可通過比較指令來實現(xiàn)這一功能，另外在程序中應(yīng)采用 時間濾波，忽略偶然的頻率波動引發(fā)的到達上限的假象。為了保護水泵機組長期穩(wěn)定的運行下去，每次的啟動都應(yīng)該是軟啟動，加上上文提到的

34、“輪休功能”，即某臺水泵不能連續(xù)3小時處于變頻運行狀態(tài)。處理方法是：將正在運行的變頻器移除，接工頻電源，再將其復(fù)位并用來啟動新的水泵.程序分為3部分：主程序，中斷程序和子程序。為節(jié)省掃描時間，子程序中放置初始化程序；用定時器中斷來完成PID的定時采樣和輸出監(jiān)控。主程序功能有：白天、夜間模式到達設(shè)定值的控制切換；各個水泵切換信號處理；報警裝置控制等。其中白天模式設(shè)定在滿量程的80%左右，夜間設(shè)置在60%左右比較合理。4.2 PLC的程序設(shè)計S7-200的3中編程語言分別是;STL(語句表)、LAD(梯形圖)、FWD（功能塊圖）。其中梯形圖是簡單易學的，是最常用的語言，此次設(shè)計采用梯形圖編程。系統(tǒng)

35、剛開始運行時應(yīng)進行系統(tǒng)的初始化，檢測在各個地方的狀態(tài)，如果有一個錯誤則立即報警，對頻率轉(zhuǎn)換器的上限和下限頻率，控制參數(shù)實行初始化處理，并給出相應(yīng)的初始值。初始化是主程序調(diào)用子程序來實現(xiàn)的。當系統(tǒng)檢測到滿足2.5中式子（2.1）時，PLC的控制程序進行增泵控制，當滿足式（2.2）時，減泵。復(fù)位變頻器為增加或減少泵或倒泵的軟啟動做好準備條件，同時下一臺泵的變頻啟動指令信號和目前水泵的工頻啟動指令都由變頻器產(chǎn)生。啟動前做延時準備工作，實現(xiàn)軟啟動。上文已做描述。5.報警及故障處理程序此次設(shè)計中包含水位出限預(yù)警、變頻器非正常工作報警和各個報警指示燈設(shè)備。一旦出現(xiàn)故障事件，與其所對應(yīng)的報警裝置會立即閃爍，

36、另外警鈴不停響起。當調(diào)試燈按鈕置1時，則所有指示燈一直閃亮。故障出現(xiàn)后，需要再次設(shè)定工頻機的工作臺數(shù)和變頻水泵機號。故障停止信號在結(jié)束時發(fā)出。綜上所述主程序設(shè)計主要包括一下幾個部分：(1) 子程序的調(diào)用，用來賦予初始值；(2) 根據(jù)增、減泵條件確定；(3) 變頻泵號的確定；(4) 對工、變頻泵的控制；(5) 報警及故障的處理。由于其主程序圖較復(fù)雜，在這里不變?nèi)慨嫵?，只畫出控制流程圖。N設(shè)置兩種模式下的水壓給定值YNY 返回N開始調(diào)用初始化子程序設(shè)定變頻泵號頻率達到上限且壓力不超過預(yù)設(shè)值工頻泵加1，并產(chǎn)生變頻啟動脈沖Y水壓與預(yù)設(shè)值基本一致頻率達到下限工頻泵減1，并產(chǎn)生變頻啟動脈沖圖4.2.1-

37、1 系統(tǒng)主程序流程圖1開始當產(chǎn)生當前泵工頻運行，下臺泵變頻運行信號時變頻泵獨自運行達到3小時YN產(chǎn)生換泵信號1、2、3輪流號泵做變頻控制1、2、3號泵做工頻控制水池水位越線YN水位越線報警變頻器故障報警變頻器故障YN是否有報警結(jié)束NY變頻泵號置1，工頻泵號置0產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖（1）初始化子程序SBR_0上文提到下限頻率在1020HZ之間，上限為50HZ，為確保系統(tǒng)正常運行，我們下限選20HZ。設(shè)定輸出頻率范圍為0 100Hz，給定值分別為16000和6400的上限和下限。首先初始化變頻運行的上下限頻率，之后設(shè)定上下限頻率，定時中斷以及中斷連接在后續(xù)給出，子程序梯形圖如下圖所示：圖4.2.2-1

38、 初始化子程序SBR_0梯形圖（2）PID控制中斷子程序 AQW0輸出的模擬信號由自身的數(shù)據(jù)采集先通過標化轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)PID運算才得到的。其程序梯形圖如下:圖4.2.2-2 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖4.3 PID控制及其算法在此次設(shè)計中，我們選用的是帶有PID調(diào)節(jié)的可編程控制器來達到閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)制的。PID分別指的是P比例、I積分、D微分。PID發(fā)展到今天有著理論與技術(shù)成熟，控制操作簡單效果好，應(yīng)用面廣等優(yōu)點。4.3.1 PID控制原理簡介其控制為線性控制，原理框圖如下：圖4.3 PID控制原理框圖u(t)是調(diào)節(jié)量由PID調(diào)節(jié)得到，控制規(guī)律表示如下： （4.3-1）式中：Kp是系數(shù)；

39、Ti是積分時間常數(shù)；Td是微分時間常數(shù)。所對應(yīng)的傳函是： （4.3-2）4.3.2 PID參數(shù)整定及波形圖仿真參數(shù)整定方法大致有兩大類：理論推理法和工程法。后者整定方法有：現(xiàn)場經(jīng)驗法、阻尼振蕩法、動態(tài)特性法和穩(wěn)定邊界法。此次選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，它是指：依據(jù)體系的廣義開環(huán)過程（包含調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控目標WO(s)和測量變送Wm(s)）所產(chǎn)生的階躍響應(yīng)特點來估摸運算的辦法。結(jié)構(gòu)框圖如圖4.3.2所示。圖4.3.2-1 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖選擇PI控制器可以更好的做到更精確控壓，傳函為： （4.3.2-1）本系統(tǒng)可大概的看作是一階慣性環(huán)節(jié)，帶純滯后。設(shè)其過程傳函為；變頻器此時作為比例環(huán)節(jié)，即

40、；則反饋回路傳函是：。本系統(tǒng)具有自動平衡能力。當時，解出：，那么PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，輸入程序后得到的仿真波形圖如圖所示，圖4.3.2-2 恒壓供水系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真波形圖加入滯后環(huán)節(jié)如圖4.3.2-3所示。圖4.3.2-3 加入純滯后環(huán)節(jié)后的仿真波形圖從圖中可以看出，系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)用時較短，而且輸出壓力信號穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。5監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計組態(tài)軟件是收集數(shù)據(jù)和監(jiān)制運行過程的專業(yè)應(yīng)用軟件。能以多種靈活方式為使用者給出優(yōu)良的開發(fā)界面及簡易方便的操作。組態(tài)軟件主要由實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、圖形界面系統(tǒng)、第三方程序接口模塊和控制功能模塊組成。本設(shè)計中選擇“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。

41、本設(shè)計計算機和CPU的通信由PPI來完成。使用串口1，雙擊工程瀏覽器的設(shè)備文件夾中的“COM1”圖標，在出現(xiàn)的對話框中設(shè)置波特率為19200bit/s，如圖5.1-1所示：圖5.1-1 串口1的參數(shù)設(shè)置此后，點擊右側(cè)工作區(qū)的“新建”圖標，在對話框的PLC文件夾中找到S7-200型號，選擇PPI協(xié)議，再連續(xù)多次點擊下一步直到完成為止。將會出現(xiàn)有“新的IO設(shè)備”圖標，設(shè)置完畢。如下圖所示：圖5.1-2 通信協(xié)議的設(shè)置雙擊“組態(tài)王”軟件并啟動項目管理器，創(chuàng)建一個新的項目“基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計“。雙擊新建過程，點工程瀏覽器，再點擊“數(shù)據(jù)字典”，將會自動出現(xiàn)設(shè)定好的內(nèi)存變量。雙擊右下角的“新

42、建”圖標，在彈出的對話框中（見下圖5.2-1）設(shè)定輸入輸出的各個變量點。其他變量的定義也是如此設(shè)定。（見下圖5.2-2）。圖5.2-1 定義變量對話框圖5.2-2 數(shù)據(jù)詞典中的變量列表 建立組態(tài)畫面有一下幾個步驟：1.建立一個新畫面：點擊“畫面”在瀏覽器的左邊，雙擊工作區(qū)的新圖標，在彈出的對話框中輸入名稱單擊確認進入系統(tǒng)軟件的開發(fā)界面。2.動態(tài)畫面的創(chuàng)造：點擊工具箱會出現(xiàn)各種繪圖工具以繪制監(jiān)控畫面，之后點擊動畫鏈接。3.控制過程的流程編寫：點擊窗口-文件-命令語言-應(yīng)用程序命令語言”進行編程。4. 按鈕，指示燈配置：按鈕可用來執(zhí)行一些操作指令；指示燈多用于指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面繼承前面的敘述本系統(tǒng)建立了5個界面，包括啟動界面、主界面、歷史和實時趨勢曲線界面、數(shù)據(jù)報表界面和報警界面?？紤]到用戶的安全性問題，為不同用戶提供了不同的使用權(quán)限。另外主菜單能夠調(diào)出每一個控制面，在運行的主界面中也能改變壓力給定值等。主界面實時顯示了3個變頻調(diào)速泵的速度、工作頻率、設(shè)定壓力值和