基于單片機(jī)(或PLC)控制的變頻給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)(或PLC)控制的變頻給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)水和電的需求越來(lái)越大，尤其在我們國(guó)家，這個(gè)問(wèn)題日益凸顯。這也影響了城市小區(qū)的供水，這對(duì)小區(qū)供水提出了更高的要求。目前，居民生活用水和工業(yè)用水日益增加。由于居民日常用水和工業(yè)用水會(huì)隨季節(jié)、晝夜等變化而隨之發(fā)生變化，如采取傳統(tǒng)的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優(yōu)化配置。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，可采用變頻恒壓供水方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)，以到達(dá)供水穩(wěn)定，滿足人們需求，合理優(yōu)化分配等目的。根據(jù)這個(gè)需求，設(shè)計(jì)了基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，主要結(jié)構(gòu)包括：PLC控制器，變頻器，水泵機(jī)組，液

2、位傳感器，壓力傳感器及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。PLC是本設(shè)計(jì)的控制核心，將壓力傳感器的信號(hào)和管壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，并將處理結(jié)果傳遞給變頻器，由變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力保持恒定。另外此次設(shè)計(jì)選用組態(tài)王軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行記錄，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，編程簡(jiǎn)單，維修方便和低本錢低能耗等諸多特點(diǎn)。用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)于調(diào)高企業(yè)效率以及

3、人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水；組態(tài)Frequency Conversion Water Supply System Control Design Based on PLC Abstract As the improvement of people's quality of life, the demand for water and electricity is growing, especially this issue has become increasingly prominent in our country.This is

4、 a higher residential water demands because,which has affected the water supply of city district. Today, the problem of living water and industrial water is increaing.Because of some factors which affect water supply,it not only has an effect on living of people but also wasts resource.So the tradit

5、ional water supply system has been unable to meet people's needs,we could adopt constant pressure water supply to meet these demands,then achieve optimize allocation purposes.According to this demand, constant pressure water supply system was designed which been based on PLC.This system adopts a

6、 closed-loop control of which the main structure includes: PLC controller, inverter, water pumps, level sensors, pressure sensors and PC control system.PLC is the core of the design.We compare the signal of the pressure sensor with pressure setting of the tube,then the result is been transmitted to

7、the invert.The invert control the speed of pump motor to maintain constantly the pipe network pressure and set pressure.Furthermore,the design selected Configuration software to monitor running and alarm signals and record relevant information to improve the stability of the system.The system which

8、contain the invert and PLC is with high reliability,flexible,handy and cheap.This is particularly important for increasingly scarce energy. It has important practically significance of the design system for increasing business efficiency,improving people's living standards, and reducing energy c

9、onsumption. Keywords: PLC; inverter; constant pressure water supply system;configuration 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 前言11.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介及節(jié)能原理11.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)：11.1.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理11.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)21.4 本課題要完成的工作及預(yù)期目標(biāo)3第2章 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)52.1 系統(tǒng)的控制方案擬定52.2 供水系統(tǒng)組成62.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)82.4 電氣主電路設(shè)計(jì)82.5 供水系統(tǒng)工作過(guò)程9第3章 電氣

10、控制系統(tǒng)硬件的介紹及選型123.1 PLC選型123.1.1 PLC的介紹123.1.2 PLC的選型123.2 水泵電機(jī)的選擇153.3 變頻器的原理及選型153.3.1 變頻器的調(diào)速原理153.3.2 變頻器的介紹163.3.3 變頻器的型號(hào)選擇173.2.4 傳感器的選型18第4章 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)204.1 硬件方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)204.1.1 PLC外圍電路204.1.2 MicroMaster440外圍接線224.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)244.2.1 恒壓供水系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)244.2.2 中斷程序設(shè)計(jì)274.2.3 子程序設(shè)計(jì)294.3 中間存放器說(shuō)明30第5章 方案的最終調(diào)試及仿真325.1

11、 系統(tǒng)組態(tài)仿真325.1.1 組態(tài)介紹325.1.2 組態(tài)軟件與PLC通訊調(diào)試325.1.3 組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)說(shuō)明335.1.4 制作恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控畫面345.2 程序仿真375.2.1 軟件介紹375.2.2 程序輸入385.2.3 程序仿真39第6章 結(jié)論41致 謝43附錄：主程序44頁(yè)碼不對(duì)第1章 前言1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介及節(jié)能原理1.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)城市供水系統(tǒng)是城市總體規(guī)劃的組成局部，城市供水系統(tǒng)又水源，輸水管道，水廠和配水網(wǎng)組成。城市供水系統(tǒng)也可以稱為供水設(shè)備，該設(shè)備主要給用戶提供足夠的水源。供水系統(tǒng)主要有PLC，平安保護(hù)開關(guān)，水泵機(jī)組，壓力傳感器，變頻器和一些輔助器件

12、構(gòu)成。城鎮(zhèn)小區(qū)離不開自來(lái)水、水電站的共給，一般常用的供水設(shè)備為恒壓變頻供水設(shè)備。恒壓變頻供水設(shè)備類似于二次供水設(shè)施，可廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)小區(qū)生活供水，企業(yè)生產(chǎn)供水。1.1.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的根本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔f(shuō)明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)如下列圖所示。圖1.1 供水系統(tǒng)的根本特性由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q(u)間的關(guān)系。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的

13、改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qc之間的關(guān)系H f (Qc )。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國(guó)內(nèi)有很多的公司都在做恒壓供水系統(tǒng)，控制方式千差萬(wàn)別。大多數(shù)采用變頻器控制水泵來(lái)調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力機(jī)流量，都是閉環(huán)控制。有的是采用路基電路控制，有的是采用單片機(jī)控制，有的采用PLC控制。但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，精度要求及抗干擾內(nèi)力與國(guó)外的恒壓

14、供水系統(tǒng)還存在一定的差距。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器，不需要外部控制設(shè)備。但該變頻器壓力閉環(huán)控制與論及控制都在變頻器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，起輸出皆空限制了負(fù)載容量，只適用于容量小，控制精度不高的共和隨場(chǎng)所。而在國(guó)外早期就開始時(shí)使用變頻技術(shù)。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能1。變頻器在變頻恒壓供水系統(tǒng)中既起到控制器又起到執(zhí)行器的作用。壓力傳感器將管網(wǎng)內(nèi)的壓力信號(hào)傳送給變頻器，由變送器來(lái)進(jìn)行信號(hào)比照，比較完畢的同時(shí)改變自己的輸出頻率。國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用一臺(tái)變頻器只帶控制一臺(tái)水泵電機(jī)，很少用一臺(tái)變頻器控

15、制多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，所以投資本錢高2。隨著技術(shù)的開展變頻器的驅(qū)動(dòng)能力越來(lái)越強(qiáng)大，如法國(guó)的施耐德公司推出的恒壓供，根本，該基板上集成了PLC，PID調(diào)節(jié)器，以及變頻器硬件的。此基板專為恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可同時(shí)控制7點(diǎn)水泵電機(jī)。但該系統(tǒng)穩(wěn)定性低，輸入輸出接口有限，不能與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)通訊3。所以，目前的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)有待進(jìn)一步的提高，不能適應(yīng)于各種供水場(chǎng)所，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通訊能力，抗干擾能力，監(jiān)控能力需要進(jìn)一步改善。1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)隨著我國(guó)社會(huì)的開展，城市供水負(fù)荷急劇增加，城市各類高層小區(qū)建設(shè)開展迅猛，這對(duì)小區(qū)供水提出了更高的要求。小區(qū)供水條件也是人們生活條件的必須之一，供水

16、的穩(wěn)定性直接影響人們的生活，先進(jìn)的供水系統(tǒng)更能降低物業(yè)的管理本錢。傳統(tǒng)的小區(qū)的供水方式在用水量頂峰期時(shí)供水量普遍缺乏，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。這種情容易況造成用水頂峰期時(shí)供水壓力缺乏，用水低峰期時(shí)供水壓力過(guò)高，且自來(lái)水公司的生產(chǎn)設(shè)備落后、控制方式落后，不能保證而供水壓力到達(dá)正常標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重影響了人們的用水。所以對(duì)供水系統(tǒng)的技術(shù)改造已經(jīng)迫在眉睫，技術(shù)改造的目的是提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平。并在此根底之上配備相應(yīng)的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式?，F(xiàn)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)如下：1恒壓供水 變頻變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)內(nèi)供水壓力穩(wěn)定，不隨流量的大范圍的變化而變化，從而

17、可以保證用戶任何時(shí)候的用水壓力，防止了小區(qū)居民在頂峰期吃不上水的情況。2自動(dòng)化程度高 小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、掉電保護(hù)、電泵過(guò)載保護(hù)、水面液位保護(hù)等功能。功能完善，全自動(dòng)控制，無(wú)需專門人員操作減少管理本錢。3管理方便 系統(tǒng)自帶的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以記錄相關(guān)的信息及設(shè)備的運(yùn)行狀況，大大提高的系統(tǒng)的干禮效率。基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)集成了電機(jī)變頻技術(shù)、電氣控制、PLC技術(shù)、上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)、傳感器技術(shù)，使得自動(dòng)控制更加方便、實(shí)用、節(jié)能。所以設(shè)計(jì)該系統(tǒng)對(duì)人們正常的生活用水、企業(yè)用水都有很高的意義。1.4 本課題要完成的工作及預(yù)期目標(biāo)完成的工作：本次設(shè)計(jì)已實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力不變?yōu)槟繕?biāo)，以實(shí)現(xiàn)

18、三臺(tái)水泵做變頻運(yùn)轉(zhuǎn)為對(duì)象；其中PLC為中央控制器，使用PLC內(nèi)部的PID指令對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；對(duì)PLC和變頻調(diào)速原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹；運(yùn)用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)局部的組態(tài)；硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖；按照各項(xiàng)要求設(shè)計(jì)電氣接線圖及原理圖，按照動(dòng)作的執(zhí)行順序設(shè)計(jì)PLC梯形圖。 第2章 供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的控制方案擬定本設(shè)計(jì)的對(duì)象是住宅小區(qū)的供水要求，由于高層用戶對(duì)水壓的要求高，在用水頂峰期時(shí)，水壓低，高層用戶可能無(wú)法正常使用水，水壓高時(shí)造成資源浪費(fèi)。供水公司的水先儲(chǔ)存的水池中，按照用戶的需求給用戶提供水源。在水池中參加水泵，通過(guò)水泵可

19、以把水提供用戶?，F(xiàn)在我國(guó)的變頻恒壓供水設(shè)備控制方式主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)變頻控制方式、邏輯電路控制方式、PLC變頻控制方式。1單片機(jī)和變頻器共同控制方式：這種控制方式雖然能夠精確水泵的變頻控制和工頻迸之間的相互切換，但是這種控制方式不靈活，不能準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)管網(wǎng)情況變化。不能準(zhǔn)確對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，且功能有限。如果需要抗干擾還需要加上保護(hù)電路，更換維護(hù)較為麻煩。2邏輯元器件和普通電機(jī)控制方式：這種控制方式本錢較低，只有簡(jiǎn)單的邏輯控制點(diǎn)元件組合在一起，按照預(yù)定的邏輯順序進(jìn)行控制。這種控制方式是最早國(guó)外常用的控制方式，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行，水泵全為工頻水泵，不能進(jìn)行變頻工作并且對(duì)管網(wǎng)的沖擊壓力較大。對(duì)于這個(gè)

20、供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，控制精度不高，和單片機(jī)變頻控制方式一樣抗干擾能力較弱，不能隨時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。3PLC和變頻器共同控制方式：這種控制方式較為靈活，控制精度較高，可以安裝上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，隨時(shí)隨地對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。采用PLC控制較為方便，PLC可以擴(kuò)展數(shù)字模塊，模擬模塊和通信模塊，后期如果要追加功能，硬件安裝更換和軟件調(diào)試較為方便。由于PLC結(jié)構(gòu)與應(yīng)用性使其應(yīng)用各種生產(chǎn)生活場(chǎng)合，穩(wěn)定性強(qiáng)、抗干擾能力高。PLC的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)和通信抗干擾能力優(yōu)于其他單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的實(shí)用性、可靠性有很大的提高。 綜合以上三種方案：第一種方案雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且本錢較低但是，控制方式不靈活，后期維護(hù)較

21、為麻煩。第二種方案，相對(duì)于第一種方案結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，本錢更低，但是沒有變頻器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)水泵均勻調(diào)速。第三種方案，相對(duì)與前兩種方案雖然本錢較高，但是控制精度高，抗干擾能力較強(qiáng)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外均采用第三種方案。2.2 供水系統(tǒng)組成 如下圖，本系統(tǒng)采用PLC與變頻器控制結(jié)合的控制方式，并用計(jì)算機(jī)上位機(jī)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和操作，保證系統(tǒng)的平安性和穩(wěn)定性。改系統(tǒng)主要有PLC，變頻器，壓力傳感器，水泵以及上位機(jī)組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)有一個(gè)蓄水池，三個(gè)水泵，其中一個(gè)水泵受變頻器的控制，另外兩個(gè)電機(jī)根據(jù)管網(wǎng)壓力的大小，進(jìn)行選擇性的工頻運(yùn)行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的大小控制變頻水泵與工頻水泵的切換。每臺(tái)水泵的電路控制

22、具有接觸器控制，且每臺(tái)水泵的出水管均安裝有手動(dòng)閥門以供以后維修。圖2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖恒壓控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如下1信號(hào)檢測(cè)模塊：整個(gè)變頻供水系統(tǒng)總共有兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)傳感器，分別是壓力傳感器和液位傳感器。液位傳感器的作用是檢測(cè)水池的水位，檢測(cè)水源是否充足，該傳感器的信號(hào)是數(shù)字開關(guān)信號(hào)。此信號(hào)可以選用常閉信號(hào)，當(dāng)水位正常時(shí)收到的信號(hào)為高電平，水位異常是PLC收到的信號(hào)為低電平。當(dāng)收到低電平信號(hào)時(shí)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，以防止水泵抽空二損壞電機(jī)。壓力傳感器是整個(gè)系統(tǒng)管件局部，用以檢測(cè)用戶管網(wǎng)的壓力，將壓力檢測(cè)信號(hào)傳給PLC，以供PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于此傳感器輸出信號(hào)模擬信號(hào)，所以需要將信號(hào)進(jìn)行

23、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。2電氣控制模塊：這是整個(gè)供水的系統(tǒng)的核心，主要由PLC、變頻器、平安開關(guān)、接觸器和輔助電控設(shè)備組成。變頻器的作用主要是控制水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)PLC的的信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率。平安開關(guān)、接觸器和輔助電氣電控對(duì)主電路的控制和保護(hù)，可以有效地防止電路過(guò)載、過(guò)熱。PLC對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行采集，包括管網(wǎng)壓力信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。PLC將收集到得管網(wǎng)壓力信號(hào)和設(shè)定的壓力值進(jìn)行比照，將控制結(jié)果傳送給變頻器或者水泵接觸器。另外PLC還可以計(jì)算機(jī)上位機(jī)進(jìn)行通訊，接受上位機(jī)數(shù)據(jù)信息。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)：該局部主要包括三臺(tái)水泵，其中一條水泵處于變頻狀態(tài)，由變頻器控制，當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)的壓力變化時(shí)，可以根

24、據(jù)壓力的大小改變水泵的轉(zhuǎn)速以滿足控制的要求。另外兩臺(tái)水泵處于工頻狀態(tài)，當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)的用水量已經(jīng)超出了變頻泵滿頻(50Hz)的時(shí)工作輸出能力時(shí)，兩臺(tái)工頻迸相繼進(jìn)入工作以滿足用戶的供水量。 (4)上位機(jī)控制機(jī)構(gòu):該局部是計(jì)算機(jī)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用戶一方面可以同過(guò)上位機(jī)輸入管網(wǎng)內(nèi)的壓力，上位時(shí)機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給PLC，以供PLC進(jìn)行壓力比照。用戶還可以從上位機(jī)對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并且做數(shù)據(jù)記錄。5報(bào)警系統(tǒng)：為了保證恒壓供水系統(tǒng)平安正常的運(yùn)行，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警裝置、用以防止因水泵過(guò)載、空載、變頻器報(bào)警、浪涌電壓、電路過(guò)流、蓄水池供水缺乏等問(wèn)題的發(fā)生。報(bào)警系統(tǒng)將報(bào)警信號(hào)傳給PLC和上位機(jī)，PLC根

25、據(jù)報(bào)警信號(hào)的分類作出相應(yīng)的處理，來(lái)保護(hù)整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)。2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的控制是以PLC為控制核心的，根據(jù)供水系統(tǒng)的的工藝要求和工作流程設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的硬件框圖，如下圖圖2.2 控制系統(tǒng)的硬件框圖改控制系統(tǒng)主要包括信號(hào)輸入機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)。其中輸入機(jī)構(gòu)包括壓力變送器，液位變送器?？刂茩C(jī)構(gòu)包括PLC，A/D裝換模塊，通訊模塊及變頻器。輸出機(jī)構(gòu)包括水泵機(jī)組和人機(jī)界面。壓力變送器把信號(hào)傳送個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊；人機(jī)界面可以和PLC進(jìn)行雙向通訊，一方面將壓力設(shè)定值傳給PLC，另一方面PLC將報(bào)警提示信號(hào)從人機(jī)界面顯示出來(lái)；PLC還可已接受來(lái)自各方面的報(bào)警信號(hào)，還可以和變頻器進(jìn)行雙向通訊，控制

26、變頻器的輸出頻率。2.4 電氣主電路設(shè)計(jì)電氣主電路接線圖如下圖圖2.3 系統(tǒng)主電路接線圖L1、L2、L3為整個(gè)供水系統(tǒng)的主電源，F(xiàn)U為主電源的熔斷器。QS1、QS2、QS3、QS4為空氣開關(guān)，其中QS1控制變頻器電源，QS2、QS3、QS4分別控制水泵M1、M2、M3工頻電源；KM1、 KM3、 KM5主電源到水泵為接觸器，KM1、 KM2、 KM3受PLC的控制，按照程序分別啟動(dòng)相應(yīng)的水。由于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)只有一點(diǎn)水泵以變頻方式運(yùn)行，其他兩臺(tái)水泵按照工頻方式運(yùn)行，所以在對(duì)PLC進(jìn)行編程的時(shí)候KM1、 KM3、 KM5三個(gè)接觸器一定要相互自鎖；KM2、 KM4、 KM6為變頻器到水泵的接觸器，

27、作用是選擇相應(yīng)的水泵做變頻運(yùn)行。變頻器的R、S、T與主電源相接，U、V、W分別與三個(gè)水泵相接作為水泵的變頻電源；FR1、FR2、FR3分別為水泵M1、M2、M3的熱保護(hù)繼電器，可以防止水泵電機(jī)過(guò)載。本設(shè)計(jì)只需要一個(gè)變頻器即可實(shí)現(xiàn)三個(gè)水泵電機(jī)的均勻調(diào)速。根據(jù)逛網(wǎng)內(nèi)的壓力變化，來(lái)控制第幾臺(tái)水泵電機(jī)以變頻方式運(yùn)行，哪臺(tái)水泵以工頻方式運(yùn)行。2.5 供水系統(tǒng)工作過(guò)程圖2.4 恒壓供水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖工作人員將管網(wǎng)壓力輸入到上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)與PLC通訊將壓力設(shè)定值數(shù)字信號(hào)傳送給PLC。同時(shí)壓力變送器將從官網(wǎng)獲得的壓力信號(hào)傳送到PLC，由于壓力信號(hào)為420mA的電信號(hào)，所以PLC通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將壓力傳送

28、信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比照，將比照后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再講運(yùn)算后的信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，并把模擬信號(hào)傳送給變頻器，改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的供水流量。從而使管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力保持一致。系統(tǒng)工作流程如下：1電氣系統(tǒng)上電：首先系統(tǒng)通電，將所有的平安開關(guān)翻開，讓所有的設(shè)備通電。PLC根據(jù)輸入到其內(nèi)部的信號(hào)進(jìn)行自檢，包括變頻器信號(hào)，水位信號(hào)，及壓力變送器的信號(hào)。第一臺(tái)水泵電機(jī)一直處于變頻狀態(tài)，其他水泵處于待機(jī)狀態(tài)。2增泵過(guò)程：給供水系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進(jìn)去運(yùn)行狀態(tài)，PLC首先讓變頻器與一臺(tái)水泵通電。PLC將壓力傳送值和壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，將比照后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，并

29、把運(yùn)算頻率傳送給變頻器，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制水泵的供水流量，保持管網(wǎng)壓力不變。當(dāng)變頻器的工作頻率到達(dá)上限50Hz時(shí)，變頻器將到達(dá)上限信號(hào)傳送給PLC。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的信號(hào)和變頻器的上限信號(hào)判斷是否啟動(dòng)下一代水泵。當(dāng)變頻器的到達(dá)上限頻率時(shí)，PLC通過(guò)控制接觸器和變頻器將第一臺(tái)變頻水泵切換為工頻運(yùn)行，并將第二臺(tái)水泵做變頻運(yùn)行。PLC繼續(xù)將壓力設(shè)定值和壓力傳送值進(jìn)行比較，并進(jìn)行PID運(yùn)算，使管網(wǎng)壓力保持在設(shè)定壓力的范圍之內(nèi)。3減泵過(guò)程：當(dāng)管網(wǎng)壓力增大，用水量減少時(shí)，那么各泵依次推出運(yùn)行。和增泵過(guò)程電機(jī)的工作順序完全相反。根據(jù)情況的不同選擇的減泵方式也不一樣。如果三臺(tái)水泵均在運(yùn)行，按照增泵的條

30、件，第三臺(tái)水泵肯定是以變頻工作方式運(yùn)行，第一臺(tái)和第二臺(tái)水泵那么以工頻方式運(yùn)行。此時(shí)管網(wǎng)壓力增大，如果第三臺(tái)水泵以最低工作頻率運(yùn)行還沒有降低官網(wǎng)的壓力，那么第三臺(tái)水泵停止運(yùn)行，將變頻器與第二臺(tái)水泵聯(lián)接。切換的同時(shí)第二臺(tái)水泵起初滿頻率運(yùn)行，后來(lái)頻率慢慢降低直到管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力保持一致。如果第二臺(tái)水泵以最低頻率運(yùn)行也為到達(dá)要求，那么第二臺(tái)水泵停止運(yùn)行，將變頻器與第一臺(tái)水泵連接，第一臺(tái)水泵以變頻方式運(yùn)行。 實(shí)際操作過(guò)程中受到我國(guó)供電電源頻率的影響，變頻器的最大輸出功率不能無(wú)限放大，上限頻率最大為50Hz。另外變頻器的最小輸出頻率為0Hz，當(dāng)變頻器以0Hz輸出時(shí)，水泵電機(jī)沒有轉(zhuǎn)速，由于管網(wǎng)壓力的原因，

31、會(huì)對(duì)電機(jī)形成一個(gè)反向沖擊損壞電機(jī)。所以在實(shí)際操作過(guò)程中變頻器的最低輸出頻率不能0Hz，一般選用20Hz。由此可知道變頻器的輸出頻率范圍應(yīng)保持在20Hz到50Hz之間。第3章 電氣控制系統(tǒng)硬件的介紹及選型3.1 PLC選型3.1.1 PLC的介紹PLC介紹：在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件的要求進(jìn)行動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，如早期的繼電器控制，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣繼電器控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1969年美國(guó)數(shù)字公司DEC按照將程序控制應(yīng)用于電氣控制，改電氣控制系統(tǒng)基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Con

32、troller。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及，同時(shí)也為了將可編程序控制器區(qū)別于其他的個(gè)人計(jì)算機(jī)，將可編程程序控制器定名為Programmable Logic ControllerPLC，現(xiàn)在，仍常常將PLC簡(jiǎn)稱PC。PLC的定義有許多種。國(guó)際電工委員會(huì)IEC對(duì)PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器，用來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?，F(xiàn)在的PLC為電腦技術(shù)和繼電器控制結(jié)合的產(chǎn)物，擁有了更高的運(yùn)算速率、更小的體積、抗干擾性強(qiáng)。PLC還可

33、以進(jìn)行PID運(yùn)算、數(shù)字通訊，現(xiàn)在PLC多設(shè)計(jì)為模塊化，可以擴(kuò)展數(shù)字接口、模擬接口，日益受到鋼鐵、石油、煤化工、裝備制造、交通運(yùn)輸、建材施工等各個(gè)行業(yè)的歡送。3.1.2 PLC的選型PLC是控制機(jī)構(gòu)的核心，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、時(shí)間控制、計(jì)數(shù)控制，用戶只需將編程好的梯形圖下載到PLC即可，PLC便自動(dòng)按照程序執(zhí)行動(dòng)作。恒壓控水系統(tǒng)的PLC的功能：PLC對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行采集，包括管網(wǎng)壓力信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。PLC將收集到得管網(wǎng)壓力信號(hào)和設(shè)定的壓力值進(jìn)行比照，將控制結(jié)果傳送給變頻器或者水泵接觸器。另外PLC還可以計(jì)算機(jī)上位機(jī)進(jìn)行通訊，

34、接受上位機(jī)數(shù)據(jù)信息。我們?cè)趯?duì)PLC進(jìn)行選型時(shí)要考慮好輸入輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、運(yùn)算能力、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能及處理速度。根據(jù)此次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求選用西門子S7-200PLC，小型PLC中，S7-200系列PLC價(jià)格低廉能滿足多種集成功能的需要。 S7-200系列PLC具體有以下優(yōu)點(diǎn)：1數(shù)據(jù)存放和計(jì)算機(jī)采用相同的存儲(chǔ)方式，使得工程人員更容易掌握2采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，S7-200系列PLC指令中包含了一些機(jī)構(gòu)化的一些指令如比較指令、跳轉(zhuǎn)指令、子程序調(diào)用指令，標(biāo)記指令及中斷指令。是的的程序的結(jié)構(gòu)更加的清晰，穩(wěn)定性高。3數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算能力強(qiáng)，S7-200系列PLC除了能進(jìn)行邏輯控制以外

35、，還可以進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換，正點(diǎn)運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算。PLC還可以進(jìn)行PID運(yùn)算，這樣PLC可以完成控制多臺(tái)變頻器比例同步，對(duì)模擬量實(shí)行PID調(diào)節(jié)。4通訊功能強(qiáng)大 S7-200系列PLC通過(guò)RS485接口可以直接和其他廠家的設(shè)備進(jìn)行通訊，如與人機(jī)界面的通訊以及實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控和控制。5中斷程序反響快，S7-200系列PLC內(nèi)部集成高速輸入和高速輸出功能。其內(nèi)部有專門處理中斷時(shí)間的指令，以提高中斷反響速度。6指令集豐富，在操作過(guò)程中給用戶提供了豐富的指令，使用戶編程更加便利。 所以本次設(shè)計(jì)啊選用了S7-200系列PLC，同時(shí)該系列PLC包含了多種CPU。本次設(shè)計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)目為5個(gè)，包括4個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)和一個(gè)

36、模擬輸入信號(hào)。輸出點(diǎn)數(shù)目為12個(gè)，包括11個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)和一個(gè)模擬輸出信號(hào)。考慮到恒壓供水系統(tǒng)的I/O數(shù)及系統(tǒng)的類型。本次設(shè)計(jì)采用CPU226，該CPU共有24個(gè)數(shù)字輸入接口和16個(gè)數(shù)字輸出接口，同時(shí)該CPU包含兩個(gè)RS485通訊接口，一方面可以上位機(jī)通信，一方面可以和變頻器進(jìn)行通訊。CPU260滿足本次設(shè)計(jì)的要求。由于本次設(shè)計(jì)需要一個(gè)模擬量輸入及一個(gè)模擬量輸出，所以要擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換的EM235模塊，該模塊的模擬量輸入電樞為4，分辨率為12位A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出點(diǎn)數(shù)為1，分辨率電流為電壓12位，電流11位。該模塊可以通過(guò)對(duì)其設(shè)置滿足不同類型的設(shè)備信號(hào)輸入及信號(hào)輸出要求。EM23

37、5參數(shù)如下表所示：表3.1 EM235的常用技術(shù)參數(shù)模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4輸入范圍電壓?jiǎn)螛O性010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 電壓雙極性±10V ±5V ±2.5V ±1V ±500mV ±250mV ±100mV ±50mV ±25mV電流020mA數(shù)據(jù)字格式雙極性 全量程范圍-32000+32000單極性 全量程范圍032000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號(hào)范圍電壓輸出 ±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+

38、32000電流032000分辨率電流電壓12位電流11位根據(jù)不同的要求設(shè)置DIP開關(guān)，DIP開關(guān)決定了所有的輸入設(shè)置。也就是說(shuō)開關(guān)的設(shè)置應(yīng)用于整個(gè)模塊，開關(guān)設(shè)置也只有在重新上電后才能生效。3.2 水泵電機(jī)的選擇水泵的合理選擇直接影響到系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)：1、運(yùn)行費(fèi)用，包括用電量。2、維護(hù)費(fèi)用，主要指設(shè)備的日常維護(hù)。所以水泵的選擇要滿足以下幾方面：（1） 流量、揚(yáng)程、功率滿足客戶要求。（2） 水泵的供電要求要滿足當(dāng)?shù)氐囊蟆?選擇使用壽命長(zhǎng)的水泵及維護(hù)簡(jiǎn)單的水泵。通過(guò)以上標(biāo)準(zhǔn)選擇本次設(shè)計(jì)選用上海上誠(chéng)ISW100-350臥式離心泵。泵軸的絕對(duì)同心度及葉輪優(yōu)異的動(dòng)靜平衡，保證平穩(wěn)運(yùn)行，絕無(wú)振動(dòng)，不同

39、材質(zhì)的硬質(zhì)合金密封，保證了不同介質(zhì)輸送均無(wú)泄漏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，關(guān)鍵局部采用國(guó)際一流品質(zhì)配套，整機(jī)無(wú)故障工作時(shí)間大大提高。維修方便，更換密封、軸承、簡(jiǎn)易方便。系列流量范圍2000m3/h，揚(yáng)程范圍5125m，ISW100-350臥式離心泵的功率為80W滿足小區(qū)供水系統(tǒng)的要求。3.3 變頻器的原理及選型3.3.1 變頻器的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步交流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 其中：f表示電源工作頻率p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (1) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)p：在輸出功率不變的情況下，電機(jī)的極對(duì)數(shù)越多，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭矩就越大。所以在選用電

40、機(jī)時(shí)，考慮負(fù)載需要多大的起動(dòng)扭矩。這種調(diào)速方法是改變籠式電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)p以得到不同的轉(zhuǎn)速。如何改變磁極對(duì)數(shù)，取決于定子繞組的接線方式。此法只適合三相籠式異步電動(dòng)機(jī)，而不適合三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大。(2) 改變轉(zhuǎn)差率s：對(duì)于轉(zhuǎn)子電阻大，機(jī)械特性曲線較軟的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，那么負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于不同的電源電壓，可獲得不同的轉(zhuǎn)速。由于低壓時(shí)機(jī)械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大。 (3) 改變電源頻率f：由轉(zhuǎn)速公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n根本上與電源頻率f成正比。其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率f就能夠

41、改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是另一方面，U=E=4.44f*N*K*,其中U是電源電壓，E是定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，f是電源頻率，N為繞組線圈匝數(shù)，k為繞組分布系數(shù)，為磁通量，從這個(gè)公式我們可以看出，如果減小f，U不變的話，那么必然變大，因?yàn)殡姍C(jī)的磁路設(shè)計(jì)都是按照一定的磁通量設(shè)計(jì)的，如果增大，那么磁路有可能就進(jìn)入了飽和狀態(tài)，導(dǎo)致?lián)p耗加大，溫升過(guò)大，倒是損壞電機(jī)絕緣，甚至燒毀電機(jī)，所以必須保證為恒定，因此相應(yīng)的也應(yīng)該減小電源電壓U ，同理，f增大，U也要增大，我們必須保證u/f為一個(gè)常量。3.3.2 變頻器的介紹變頻器的工作原理：是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電

42、力控制設(shè)備。變頻器主要由濾波、整流、逆變直流變交流、驅(qū)動(dòng)單元、微機(jī)處理單元等組成 。變頻器通過(guò)改變供電電源的頻率，改變相應(yīng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。其主要方式是將電源的交流電整流變成直流，再通過(guò)逆變器將直流變成所需頻率的交流。高級(jí)的變頻器自帶中央處理器，可以直接進(jìn)行閉環(huán)控制。運(yùn)用變頻器可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，許多電動(dòng)機(jī)都是在定頻狀態(tài)下運(yùn)行，按照電源的頻率進(jìn)行工作。如在特定的場(chǎng)合那么需要電機(jī)轉(zhuǎn)速能收到控制，在變頻的方式運(yùn)行可以降低能耗。變頻器的分類：變頻器可以按多種方式進(jìn)行分類。按照控制電源的方式不同，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三

43、相變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器等。3.3.3 變頻器的型號(hào)選擇變頻器可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兞怂玫墓┧?。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率進(jìn)行選擇。另外由于本次設(shè)計(jì)需要對(duì)變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，所以選擇的變頻器應(yīng)具有通信功能。變頻器按照用途分類，可以分為通用變頻器，高頻變頻器、高性能變頻器、單項(xiàng)變頻器和三相變頻器。由于供水系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為水泵，所以可以選用通用變頻泵。為了使變頻器與西門子PLC的 CPU226更好的通信，所以選用了西門子的MicroMaster440變頻器。MicroMaster440變頻器是兩門子推出的可以

44、廣泛應(yīng)用的多功能標(biāo)準(zhǔn)變頻器。它采用高性能的矢量控制技術(shù)，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具備超強(qiáng)的過(guò)載能力，以滿足廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。創(chuàng)新的Bico(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無(wú)可比較的靈活性。主要特性如下：(1)調(diào)試簡(jiǎn)單；(2)模塊化結(jié)構(gòu)，因此組態(tài)的靈活性很大；(3)6個(gè)可編程帶電位隔離的數(shù)字量輸入；(4)兩個(gè)可標(biāo)定的模擬量輸入(O一10 V，O一20mA)也可以被用作第7個(gè)或者第8個(gè)數(shù)字量輸；(5)2個(gè)可編程的模擬量輸出(0一20 mA)；(6)3個(gè)可編程的繼電器輸出；(7)當(dāng)使用高調(diào)制脈沖頻率時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲很小，調(diào)制脈沖頻率可以分級(jí)調(diào)整。(8)可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。由于MicroMaster4

45、40變頻器的輸出功率為0.75250kw,符合水泵電機(jī)的功率要求。其采用模塊化設(shè)計(jì)可以很好的和PLC進(jìn)行通訊。 傳感器的選型本系統(tǒng)需要兩個(gè)傳感器：壓力傳送器和液位變送器。 壓力傳送器選型：壓力傳感器的作用是將管網(wǎng)壓力的信號(hào)傳送給PLC，其輸出信號(hào)為模擬信號(hào)。壓力傳感器一般采用硅壓阻效應(yīng)原理，硅片根據(jù)外界壓力的變化其組織也發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況我們選用的是420mA的壓力變送器。選用的壓力變送器量成為0-3MPa，適應(yīng)環(huán)境溫度為280 。額定電壓為24V左右。其電路接線圖如下列圖所示： 圖3.1 壓力傳送器電路接線圖液位傳送器選型：液位傳送器的作用是檢測(cè)水池內(nèi)的液面高度，將液面報(bào)警信號(hào)發(fā)送

46、給PLC，以防止水泵空載運(yùn)行，其輸出信號(hào)也為420mA模擬信號(hào)。根據(jù)要求我們選用的是金湖聯(lián)儀的 LY-700電容式液位變送器。LY-700電容式液位變送器適用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞等惡劣條件下連續(xù)檢測(cè)各種液體。適合測(cè)量污水、酸堿溶液、和鍋爐的水位,整機(jī)無(wú)任何可動(dòng)或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高。其檢測(cè)范圍為，精度為級(jí)，環(huán)境溫度為-50250度。符合水位檢測(cè)要求。 硬件選型表如下表3-1所示；表3.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器PLC西門子CPU 226模擬量擴(kuò)展模塊西門子 EM 235變頻器西門子 MM440水泵機(jī)組ISW10

47、0-350臥式離心泵3臺(tái)上海上誠(chéng)液位變送器LY-700電容式液位變送器 金湖聯(lián)儀設(shè)備)第4章 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.1 硬件方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 4.1.1 PLC外圍電路PLC的I/O分配設(shè)計(jì)：根據(jù)恒壓供水系統(tǒng)的控制要求，PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)I/O接口如表所示 表4.1 PLC的I/O分配名 稱標(biāo) 識(shí)地址編號(hào)輸入信號(hào)運(yùn)行模式開關(guān)SA1水池水位上下限報(bào)警信號(hào)SLHL變頻器報(bào)警信號(hào)SU手動(dòng)調(diào)試按鈕信號(hào)SB7壓力變送器輸出模擬量電流值IpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器KM11#泵變頻運(yùn)行接觸器KM22#泵工頻運(yùn)行接觸器KM32#泵變頻運(yùn)行接觸器KM43#泵工頻運(yùn)行接觸器KM53#泵變頻運(yùn)行接觸器KM

48、6輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警燈HL1變頻器報(bào)警燈HL2運(yùn)行模式指示燈HL3報(bào)警喇叭HA變頻器頻率復(fù)位KA變頻器輸入電流信號(hào)IfAQW0本設(shè)計(jì)包括4個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)和11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)，其中為系統(tǒng)運(yùn)行模式輸入信號(hào)，此信號(hào)由兩位旋鈕控制；為水池水位下限信號(hào)，次信號(hào)由液位傳感器向PLC輸入，低電平有效；變頻器報(bào)警信號(hào)，此信號(hào)為變頻器發(fā)出過(guò)載信號(hào)；為手動(dòng)調(diào)試按鈕信號(hào)，此信號(hào)由兩位按鈕控制，方便用戶進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試；控制1#泵工頻運(yùn)行接觸器KM1動(dòng)作，高電平有效；控制1#泵變頻運(yùn)行接觸器KM2動(dòng)作，高電平有效；控制2#泵工頻運(yùn)行接觸器KM3動(dòng)作，高電平有效；控制2#泵變頻運(yùn)行接觸器KM4動(dòng)作，高電平有效；

49、控制3#泵工頻運(yùn)行接觸器KM5動(dòng)作，高電平有效；控制3#泵變頻運(yùn)行接觸器動(dòng)作，高電平有效。另外本次設(shè)計(jì)還有一個(gè)模擬量輸入信號(hào)和一個(gè)模擬量輸出信號(hào)需要通過(guò)擴(kuò)展EM235模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。其中模擬量輸入接口為AIW0，接受壓力變送器的模擬量信號(hào)，選用420mA電流信號(hào)；模擬量輸出接口為AQW0，向變頻器發(fā)送調(diào)頻信號(hào)，信號(hào)類型為420mA電流信號(hào)。PLC的外圍電路接線：根據(jù)控制電路要求以及結(jié)合I/O口的分配，PLC的外圍接線圖如下圖：圖4.1 S7-200外圍接線圖 MicroMaster440外圍接線 此次恒壓供水系統(tǒng)選用MicroMaster440變頻器，變頻器的外圍口電路如下列圖所示：圖4.2

50、 MicroMaster440變頻器接口圖其中繼電器1用于變頻器的報(bào)警信號(hào)輸出，20接口接24V正電源，18接口接入PLC的輸入接口，變頻器的參數(shù)設(shè)定P0731，默認(rèn)值為。 對(duì)于變頻器的控制接口選用選用的是模擬量輸入通道2接口，電流信號(hào)為4-20mA，參數(shù)設(shè)置如下表所示。表4.2 MicroMaster440變頻器模擬量通道參數(shù)設(shè)定4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的硬件電路確定之后，恒壓供水系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)同一個(gè)硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能就不同，而且有些硬件電路功能常可以用軟件來(lái)時(shí)實(shí)現(xiàn)。本課題程序設(shè)計(jì)使用西門子STEP7-MicroWIN_V40軟件，此軟件試

51、用于S7-200系列PLC，本次設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。用juan luis villanueva設(shè)計(jì)的漢化版S7-200 PLC 仿真軟件實(shí)現(xiàn)程序仿真。程序的設(shè)計(jì)主要包括：一個(gè)主程序，一個(gè)PID中斷子程序，和初始化子程序。 恒壓供水系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序主要完成所有數(shù)據(jù)的初始化、變頻器的啟動(dòng)、水泵的啟動(dòng)、水泵的切換、進(jìn)行PID運(yùn)算和報(bào)警等功能。主程序要求如下：（1） 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)啟動(dòng)以后對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，完成對(duì)各個(gè)局部工作狀態(tài)的查，如果有錯(cuò)誤那么通過(guò)PLC報(bào)警，然后對(duì)變頻器的上限頻率和下線頻率進(jìn)行設(shè)定。（2） 變頻器的啟動(dòng)系統(tǒng)按照程序?qū)λ秒姍C(jī)M1進(jìn)行變頻控制，其他兩臺(tái)水泵不需要進(jìn)行啟

52、動(dòng)。需要通過(guò)需要控制接觸器來(lái)完成此功能，且接觸器要相互自鎖。按照管網(wǎng)的壓力進(jìn)行加泵或者減泵動(dòng)作。（3） 水泵的的啟動(dòng)所用的水泵在加泵或者檢泵的過(guò)程中，變頻器都應(yīng)該介入，以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)，保護(hù)電機(jī)。且每臺(tái)水泵工作時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，工作時(shí)間超過(guò)3小時(shí)，那么切換水泵或者停止該水泵。（4） PID運(yùn)算在主程序當(dāng)中應(yīng)該完成壓力變送器的值與變頻器的輸入值進(jìn)行比較，完成PID運(yùn)算，將結(jié)果傳送給變頻器。且PID運(yùn)算值大于或者小于變頻器的變頻器的工作頻率時(shí)，進(jìn)行300秒的定時(shí)，在時(shí)間內(nèi)完成水泵的切換，以防止水壓波動(dòng)。（5） 報(bào)警信號(hào)主要是完成水位限位，變頻器故障報(bào)警，當(dāng)切換到手動(dòng)模式時(shí)，報(bào)警信號(hào)依然存在，直至

53、故障排除。主程序流程圖如下列圖所示： 圖4.3 主程序流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)后先調(diào)用初始化子程序，完成 各項(xiàng)初始值的設(shè)定及檢測(cè)，接著設(shè)定變頻器泵號(hào)，方便PLC控制。根據(jù)PLC管網(wǎng)壓力變送器的信號(hào)及變頻器是否到達(dá)上限頻率或者下限頻率，來(lái)判斷是否進(jìn)入增泵過(guò)程或者減泵過(guò)程。如果增泵，復(fù)位變頻器，當(dāng)前泵工頻運(yùn)行，下臺(tái)泵做變頻運(yùn)行，如果單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3個(gè)小時(shí)，那么當(dāng)前泵停止運(yùn)行，切換別的泵運(yùn)行。當(dāng)遇到水位越線，變頻器故障時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。水泵變頻運(yùn)行流及工頻運(yùn)行程圖如下列圖所示圖 水泵的變頻運(yùn)行及工頻運(yùn)行流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)后水泵是否接收到變頻運(yùn)行或者工頻運(yùn)行信號(hào)，如遇到變頻運(yùn)行脈沖信號(hào)，檢查系統(tǒng)是否有故障，是否

54、有變頻器復(fù)位脈沖信號(hào)，一切正常那么進(jìn)入變頻運(yùn)行；如果接收到工頻信號(hào)，檢查第幾臺(tái)水泵做變頻運(yùn)行，接著檢查工頻泵樹是否大于1，一切正常那么進(jìn)入工頻運(yùn)行。由于主程序提梯形圖較多所以，所以主程序梯形圖附錄在附件中。 中斷程序設(shè)計(jì)為了保證PLC進(jìn)行能及時(shí)PID的運(yùn)算處理，將PID運(yùn)算設(shè)置為中斷程序。保證其運(yùn)行的可靠性。由壓力變送器將模擬信號(hào)送入PLC的AIW0接口，經(jīng)過(guò)A/D處理后，與設(shè)定值做比較，把比較結(jié)果經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算并把運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。最后通過(guò)AIW0輸出模擬信號(hào)。中斷子程序如下列圖所示。圖4.5 中斷子程序圖 子程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)啟動(dòng)以后對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，完成對(duì)各個(gè)局部工作狀態(tài)的查，如果

55、有錯(cuò)誤那么通過(guò)PLC報(bào)警，然后對(duì)變頻器的上限頻率和下線頻率進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定變頻器的上限為50HZ下限為20HZ 圖4.6 初始化子程序流程圖4.3 中間存放器說(shuō)明由于此次程序的設(shè)計(jì)較為煩瑣，所以程序中加油中間繼電器及中間存放器。本設(shè)計(jì)需要時(shí)間繼電器5個(gè)，分別為T33，T34，T35，T37，T38，其中T33，T34，T35工作方式為TON，時(shí)基為10ms，T37，T38工作方式為TON，時(shí)基為100ms；另外需要需要中間12個(gè)繼電器M和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括雙字存儲(chǔ)單字存儲(chǔ)。指令繼電器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)說(shuō)明如下表4.3所示：表4.3 繼電器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)說(shuō)明器件地址功 能器件地址功 能T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD104壓力給定值T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PID計(jì)算值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD112比例系數(shù)KcT38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD116采樣時(shí)間Ts故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD120積分時(shí)間Ti水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)VD124微分時(shí)間Td水泵變頻啟動(dòng)脈沖(減泵)VD204變頻運(yùn)行頻率下限值倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208變頻運(yùn)行頻率上限值復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行