高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要摘 要高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，占地面積小，節(jié)電節(jié)水，自動(dòng)化程度高，操作控制方便等特點(diǎn)，這對(duì)于樓宇節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益和保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。本論文通過(guò)分析恒壓供水控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及不同的控制方案，設(shè)計(jì)出更切合實(shí)際需要的恒壓供水控制系統(tǒng)。通過(guò)研究和比較，本論文采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后用數(shù)字PID對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，完成供水壓力的恒定控制，使管網(wǎng)流量變化達(dá)到穩(wěn)定供水壓力的目

2、的。系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入PLC運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。 該系統(tǒng)能夠?qū)┧^(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，能夠有效地降低能耗，保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運(yùn)行狀況，提高了生產(chǎn)管理水平。系統(tǒng)可靠性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速，恒壓供水，PLC攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ABSTRACTABSTRACTFrequency control water supply system has a stable and reliable operation, small footprint, power saving,

3、 high degree of automation, convenient control features, which improve the economic and security equipment for building energy saving, safe and stable operation withpractical significance.The paper through the analysis of the principle of frequency control water supply control system, the system str

4、ucture and different control schemes to design more in line with the actual needs of the constant pressure water supply control system. Through research and comparison, the paper inverter and PLC constant pressure water supply, carried out a detailed introduction to the hardware design of the system

5、, and then use the digital PID constant voltage control system design. The basic control strategy of constant pressure water supply control system: the use of a motor speed control device with programmable controller (PLC) control systems, constant water pressure control, the purpose of a stable wat

6、er supply pressure changes in the pipe network traffic. Explorer pressure of the water supply pressure and feedback system set actual value comparison, the difference between the input PLC operation processing, issue control instructions to control the speed of the motor, so as to achieve the water

7、mains pressure stabilized at the set pressure value.   The system is capable of automatic control of the water supply process, which can effectively reduce power consumption, to ensure the water supply system is maintained at the optimum operating conditions to improve the production

8、management level. System reliability is high, the economy is strong.Key word Speed-frequency variable，Constant pressure water supply，PLCI攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1前景11.2 國(guó)內(nèi)外研究概況11.3 恒壓供水工藝圖22 高層樓宇恒壓供水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)32.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖32.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程52.3 水泵切換條件分析53 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型7 3

9、.1.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型73.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)83.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)103.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖124 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)154.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析154.2 PLC程序設(shè)計(jì)16 4.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)16 4.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)194.3 PID控制器參數(shù)整定22 4.3.1 PID控制及其控制算法22 4.3.2 PID的參數(shù)整定24結(jié) 論27致 謝29II攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論1 緒論1.1前景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求也不斷提高。目前最先

10、進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用到供水領(lǐng)域，將成為供水系統(tǒng)的新發(fā)展方向?；赑LC的恒壓供水控制系統(tǒng)更是的到了廣泛的應(yīng)用。1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)的發(fā)展得益于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，恒壓供水控制系統(tǒng)中的變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在供水量大小需求不同時(shí)，為了保證管網(wǎng)壓力恒定，在管網(wǎng)終端配備壓力控制器和壓力傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的閉環(huán)控制。在初期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要局限在頻率控制、正反轉(zhuǎn)控制、升降速控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及其它保護(hù)功能。從早期的相關(guān)資料顯示情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初都只采用了一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)水

11、泵機(jī)組的方式，因此投資成本較高，不利于系統(tǒng)的大規(guī)模使用和發(fā)展。直至1968年，丹佛斯公司（丹麥）發(fā)明并首家生產(chǎn)了面向多臺(tái)設(shè)備的變頻器之后，變頻技術(shù)的歷史性革新發(fā)展及變頻恒壓供水控制系統(tǒng)體現(xiàn)出來(lái)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果才被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可。之后國(guó)外生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始推出能夠同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)工作機(jī)組的變頻器。像ABB集團(tuán)（瑞士）推出了HVAC恒壓供水基板，有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”雙模式。但這也體現(xiàn)出了這類(lèi)產(chǎn)品的先天不足，這類(lèi)設(shè)備雖說(shuō)微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備投入，但其輸出接口仍缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能依然不高，與別的設(shè)備之間難以形成有效的數(shù)據(jù)

12、通信，而且限制了帶負(fù)載的容量。因此，在實(shí)際使用時(shí)其范圍依然受到諸多的限制。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工程，但主要設(shè)備如變頻器，仍大多采用國(guó)外品牌。從系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，系統(tǒng)依然存在很多缺陷，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到用戶的要求。因此，有待于廠家進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，給用戶提供更方便，更簡(jiǎn)單的服務(wù)。即使目前變頻調(diào)速還存在諸多短處，變頻調(diào)速依然是目前優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式(如調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變極調(diào)速等)的控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速已成為當(dāng)今世界上一項(xiàng)性能最好、效益最高、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展

13、前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)也具有諸多特點(diǎn)，如：高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等。1.3 恒壓供水工藝圖圖1.1 恒壓供水工藝圖28攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)2 高層樓宇恒壓供水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、PLC、壓力變送器和終端水泵機(jī)組組成，形成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.1所示：圖2.1恒壓供水控制系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)

14、是由一組水泵組成，包括一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵，變頻泵通過(guò)變頻器發(fā)出控制信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使水量穩(wěn)定在可控范圍內(nèi)；工頻泵只有啟停功能，當(dāng)用戶用水量很大時(shí)（變頻泵已經(jīng)達(dá)到額定功率，但仍無(wú)法滿足用戶需求），工頻泵開(kāi)始投入工作。(2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要檢測(cè)相關(guān)信號(hào)來(lái)及時(shí)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，此時(shí)就需要檢測(cè)管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。管網(wǎng)水壓信號(hào)檢測(cè)的是用戶管網(wǎng)的水壓值，他是整個(gè)系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)。由于終端檢測(cè)得到的是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上下限壓力進(jìn)行檢測(cè)，電接點(diǎn)壓力表就能很好的完成這一任務(wù)，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)數(shù)字量傳給PLC進(jìn)行檢

15、測(cè)；水池水位信號(hào)是檢測(cè)水源的充足性。當(dāng)信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。液位傳感器通常安裝于水池中；報(bào)警信號(hào)是當(dāng)工作組機(jī)構(gòu)運(yùn)行有錯(cuò)誤時(shí)輸出信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制以此保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。(3) 控制機(jī)構(gòu)：控制系統(tǒng)包括PLC、變頻器和電控設(shè)備，一般整體安裝于控制柜中。PLC是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的最核心部件。PLC直接處理系統(tǒng)中傳來(lái)的各方數(shù)據(jù)，如壓力信號(hào)、液位信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等，對(duì)收集的數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再做出相應(yīng)的控制操作；變頻器是PLC的執(zhí)行單元，PLC送來(lái)的控制信號(hào)作用于變頻器，變頻器通過(guò)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)

16、實(shí)時(shí)用水情況的不同，變頻器可以有兩種工作方式：變頻固定式和變頻循環(huán)式。變頻固定式是指變頻器始終拖動(dòng)某一臺(tái)水泵機(jī)組作為調(diào)速泵，當(dāng)供水量無(wú)法滿足要求時(shí)，并且此組水泵機(jī)組已經(jīng)是工作在50HZ的頻率下，這是就需要增加另一臺(tái)水泵機(jī)組來(lái)增大管網(wǎng)水壓，系統(tǒng)會(huì)直接啟動(dòng)一臺(tái)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵機(jī)組，原來(lái)的調(diào)速泵依然運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)；變頻循環(huán)式也是當(dāng)供水要求無(wú)法滿足時(shí)，需要增加額外的水泵機(jī)組，但新增加的水泵機(jī)組做變頻運(yùn)行，原來(lái)的變頻調(diào)速泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行狀態(tài)。在工作之前須確定好恒速泵，本設(shè)計(jì)中采用后者。任何控制系統(tǒng)，報(bào)警器絕對(duì)是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)適用范圍廣泛，所以為了保證系統(tǒng)能夠安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行

17、，系統(tǒng)必須具有對(duì)各種警報(bào)量的檢測(cè)功能，檢測(cè)量會(huì)直接送至PLC，并由PLC判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)是以控制供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，使實(shí)際供水量始終處于設(shè)定的供水壓力范圍。設(shè)定值的表現(xiàn)方式可以是常數(shù)，也可以是時(shí)間分段函數(shù)。所以，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的允許波動(dòng)供水壓力內(nèi)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示： 圖2.2恒壓供水控制系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)的壓力變送器安裝于用戶供水管道上，并實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓，以420mA的電信號(hào)傳送至PLC，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，還需通過(guò)PLC內(nèi)

18、置的A/D轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水功能。2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先變頻器會(huì)啟動(dòng)變頻泵M1，根據(jù)比較壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速。當(dāng)輸出水壓達(dá)到設(shè)定值，用水量與供水量達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)

19、定在某一轉(zhuǎn)速值，這期間Ml將處于調(diào)速運(yùn)行的穩(wěn)定工作狀態(tài)。(2) 當(dāng)用水量增加導(dǎo)致管網(wǎng)水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)會(huì)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的將增大輸出頻率，從而使水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速將相對(duì)穩(wěn)定在一個(gè)轉(zhuǎn)速值。反之，當(dāng)用水量減少使管網(wǎng)水壓增大時(shí)，通過(guò)與前面相反的壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，減小水泵的轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定在另一個(gè)新的穩(wěn)定值。(3) 當(dāng)用水量持續(xù)增加，水泵機(jī)組的工作頻率已達(dá)到50Hz，實(shí)際水壓仍未達(dá)到實(shí)際設(shè)定壓力值，并且增加水泵的條件也已經(jīng)滿足(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時(shí)，在處于變頻循環(huán)式的工作模式下，系統(tǒng)的PLC自動(dòng)控制水泵，使M2進(jìn)行變速運(yùn)行，同時(shí)變頻泵M1轉(zhuǎn)

20、換為工頻泵運(yùn)行，系統(tǒng)仍然處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，直至管網(wǎng)水壓與供給水壓趨于平衡。當(dāng)用水量持續(xù)增加，同時(shí)增加水泵的條件也已經(jīng)滿足，將會(huì)重復(fù)上面的轉(zhuǎn)換行為，并將指定工頻泵M3進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。如果供水量持續(xù)增加，變頻器的輸出頻率也已經(jīng)達(dá)到頻率的最高上限50Hz，但壓力卻仍沒(méi)有達(dá)到初始設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)的終端就會(huì)傳送警報(bào)信號(hào)，主機(jī)發(fā)出水壓超限報(bào)警，此時(shí)供水系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷。(4) 當(dāng)用水量開(kāi)始下降，管網(wǎng)水壓開(kāi)始升高，變頻器輸出的頻率也已降至下限，管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并滿足減少水泵機(jī)組的條件時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)關(guān)掉工頻泵M2，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿

21、足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M3關(guān)掉。2.3 水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍低于設(shè)定壓力，仍需要增加水泵來(lái)滿足供水要求，來(lái)達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)仍需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么怎么才能使系統(tǒng)既能有效的工作在額定供水壓力范圍內(nèi)，又能避免上訴情況的出現(xiàn)，同時(shí)又使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢?由于我國(guó)電網(wǎng)的固定傳輸頻率是50HZ，因而變頻器和電機(jī)工作頻率受到限制，因此50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，由于變頻器不

22、可能輸出負(fù)值，最多只能是0HZ，就是變頻器停止工作。在實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ的。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水泵開(kāi)始向上抽水，已經(jīng)送入管網(wǎng)的水會(huì)對(duì)水泵有反作用力，阻止水泵的抽水運(yùn)行，所以一旦電機(jī)的運(yùn)行頻率降到一定程度時(shí)，就已經(jīng)不能向管網(wǎng)送水，實(shí)際的管網(wǎng)中的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)頻率就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)頻率是遠(yuǎn)大于0HZ的。具體的頻率與系統(tǒng)的使用場(chǎng)合和水泵的基本特性等因素有關(guān)，一般使用情況下是在20HZ左右。因此水泵機(jī)組工作室的切換頻率上下限分別為50HZ和20HZ。當(dāng)水泵機(jī)組的輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，管網(wǎng)的實(shí)際供水壓

23、力會(huì)趨于穩(wěn)定在某一壓力值。如果，PLC會(huì)進(jìn)行機(jī)組切換，由于突然增加了一臺(tái)水泵機(jī)組，供水壓力很可能在短時(shí)間內(nèi)超出了壓力設(shè)定值，系統(tǒng)很有可能做出停掉一組水泵機(jī)組的指令，長(zhǎng)此以往對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性損傷非常大。假定在極端情況下，系統(tǒng)剛增加了一組水泵機(jī)組，而實(shí)際供水壓力超過(guò)設(shè)定供水壓力，新增加的水泵機(jī)處于頻率下限運(yùn)行，并且完全滿足了系統(tǒng)關(guān)停機(jī)組的條件，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)做出關(guān)停一組水泵機(jī)組的指令。如果在實(shí)際用水量不變的情況下，供水泵站中的所有水泵機(jī)組就會(huì)存在一種循環(huán)，即投入切出再投入再切出地一直循環(huán)下去，機(jī)組切換的次數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)增加，系統(tǒng)也會(huì)處于一種長(zhǎng)期不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際供水壓力處于不斷波動(dòng)之中。所以

24、在系統(tǒng)構(gòu)建之初就要考慮相關(guān)的解決方案，一旦出現(xiàn)此情況系統(tǒng)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，水泵機(jī)組的使用壽命也會(huì)大大縮短，頻繁使用的閥門(mén)和水泵等相關(guān)器件也會(huì)很快磨損，造成設(shè)備維護(hù)成本的上升。另外，供水壓力超調(diào)量的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰值出現(xiàn)的情況，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過(guò)對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下：加泵條件： 且延時(shí)判別成立 (2.6) 減泵條件： 且延時(shí)判別成立 (2.7)式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設(shè)定壓力 ：反

25、饋壓力攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的原理，控制系統(tǒng)框圖如圖3.1所示：圖3.1 控制系統(tǒng)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(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機(jī)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)備清單主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）Siemens CPU 226模擬量擴(kuò)展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（上

26、海熊貓機(jī)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)3.1.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它需要完成很多任務(wù)，如：輸入號(hào)的采集、輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)、對(duì)外的數(shù)據(jù)交換等。因此在選擇PLC時(shí)，首先要考慮PLC的整體性能，如：指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、帶擴(kuò)展模塊的能力、通訊接口及協(xié)議、編程軟件的方便與否等。由于目前世界上專(zhuān)業(yè)應(yīng)用于恒壓供水控制系統(tǒng)的控制設(shè)備相對(duì)較少，因此決定選用德國(guó)SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的特點(diǎn)較為突出：整體結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格實(shí)惠

27、，高性價(jià)比。SIEMENS公司的產(chǎn)品可擴(kuò)展性好，可靠性高，有豐富的通信指令，通信協(xié)議簡(jiǎn)單；工控計(jì)算機(jī)與PLC建立連接后，控制系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制。根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目和預(yù)留量的考慮，因此選用的主模塊為CPU226，它有16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出口，以AC220V繼電器形式輸出；有24點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入口，以+24V直流形式輸入。在實(shí)際中由于還有模擬量輸入，所以需要模擬量輸入點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)各1個(gè)。由于原有的設(shè)備已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)，所以需要擴(kuò)展模塊的補(bǔ)充，在此選擇的是EM235。此模塊由4個(gè)模擬輸入(AIW)，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)總共5個(gè)通道組成。此模塊的輸入輸出端口能夠自動(dòng)完成A/D和D/A的轉(zhuǎn)換

28、，轉(zhuǎn)換信號(hào)可以是一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)，也可以是標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號(hào)。EM235模塊還可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出信號(hào)，通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，它的拓展性和實(shí)用性還可以為系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)提供有效的硬件支持。3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由三臺(tái)水泵電機(jī)組成，分別為M1、M2、M3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3為熱繼電保護(hù)器，分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)；QS1、QS2、QS3、Q

29、S4為隔離開(kāi)關(guān)；FU為熔斷器，用來(lái)保護(hù)主電路。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換到下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2 恒壓供水控制系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)過(guò)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)連接至變頻器的R、S、T端，電機(jī)通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)與變頻器的U、V、W端相連。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器與變頻器之間斷開(kāi)，工頻運(yùn)行的接觸器與隔離開(kāi)關(guān)

30、之間閉合。低壓熔斷器除除了可以保護(hù)接通電源外，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，對(duì)應(yīng)的熱繼電器FR則可以對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。在工作狀態(tài)下，變頻和工頻不可能同時(shí)接通，二者只可以有一種工作狀態(tài)。變頻器的輸出端必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，不能直接與電源相連接，這是為了保證變頻器過(guò)載時(shí)的安全性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，接觸器的觸點(diǎn)會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)。同樣的當(dāng)水泵機(jī)組從工頻狀態(tài)轉(zhuǎn)為變頻狀態(tài)時(shí)，工頻接觸器必須先斷開(kāi)，才允許變頻器輸出端與接觸器接通，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖，防止上述情況的發(fā)生。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行情況，主回路的電流大小將通過(guò)電流

31、互感器和變送器測(cè)得的信號(hào)以420mA電流信號(hào)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)。同時(shí)在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處接電壓表測(cè)線電壓，電壓表還可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)測(cè)得不同相之間的線電壓，由此可以使系統(tǒng)更實(shí)用簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)開(kāi)始初始運(yùn)行時(shí)，必須先觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，確保轉(zhuǎn)向正常。若轉(zhuǎn)向相反，則需要通過(guò)改變電源相序來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)向。在系統(tǒng)進(jìn)行啟停操作時(shí)，主電路不能被直接斷開(kāi)(如直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，而必須進(jìn)行軟啟動(dòng)或軟停止，這可以通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)。為了使變頻器更高效，所以要接電抗器來(lái)提高變頻器的功率因素。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控

32、制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越，非常適合小型控制系統(tǒng)。PLC主要用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，負(fù)責(zé)以下功能的實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，當(dāng)SA打在1的位置時(shí)，此時(shí)為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的位置時(shí)，此時(shí)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)

33、行時(shí)，通過(guò)按鈕SB1SB6來(lái)實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵的啟/停功能；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在已經(jīng)寫(xiě)好了的PLC程序控制下自動(dòng)運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電源指示燈。如果變頻器想進(jìn)行復(fù)頻控制，只需要通過(guò)中間繼電器的觸點(diǎn)即可。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，可結(jié)合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。圖3.3 恒壓供水控制系統(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(xì)介紹。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下：(1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。單刀雙擲開(kāi)關(guān)SA打至1端時(shí)開(kāi)啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過(guò)

34、開(kāi)關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。SB1按下時(shí)由于KM2常閉觸點(diǎn)接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng)SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路，KM1線圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。同理，可以通過(guò)按下SB3、SB5啟動(dòng)電機(jī)M2、M3，通過(guò)按下SB4、SB6來(lái)使電機(jī)M2、M3停機(jī)。（2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。單刀雙擲開(kāi)關(guān)SA打至2端時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，Q0.1輸出1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)Q0.0輸出1時(shí)，KM1線圈得電，1#水泵工頻運(yùn)

35、行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q0.1輸出1時(shí)，KM2線圈得電，1#水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2點(diǎn)亮，同時(shí)KM2的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)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(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.2輸出1時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈HL8點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.3輸出1時(shí)，白天供水模式指示燈HL9點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.4輸出1時(shí)，報(bào)警電鈴HA響起；當(dāng)Q1.5輸出1時(shí)，中間繼電器KA的線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)KA閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點(diǎn)亮。3.4 PLC的I

36、/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2) 在供水量小的情況下，如果同一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換至下一臺(tái)水泵，此舉就是通常所說(shuō)的“倒泵功能”，這是為了避免同一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的使用壽命下降。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)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) 水泵在啟動(dòng)時(shí)通常使用軟啟動(dòng)，但水泵系統(tǒng)具有

37、手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，在緊急情況下或者檢修時(shí)才能使用。(5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表3.2所示。表3.2 I/O地址編號(hào)名 稱代 碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工

38、頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0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(huà)出PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖3.4所示：圖3.4 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)由4個(gè)數(shù)字輸入量和1個(gè)模擬輸入量組成。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)輸入擴(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送至PLC進(jìn)行再處理；I0.0-開(kāi)

39、關(guān)量輸入；水池水位通過(guò)液位變送器測(cè)得數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳送至窗口比較器，當(dāng)實(shí)際的水位超出窗口比較器中的水池水位上下限時(shí)，窗口比較器會(huì)輸出高電平1，送入I0.1；I0.2為故障報(bào)警信號(hào)端口；I0.3為試燈信號(hào)，與開(kāi)關(guān)SB7相連，手動(dòng)檢測(cè)時(shí)即可用此端口檢測(cè)各部件指示燈是否正常工作；開(kāi)關(guān)SA1-白天/夜間兩種模式的切換。本系統(tǒng)由1個(gè)模擬量輸出信號(hào)和11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)組成。其中Q0.0Q0.5分別負(fù)責(zé)輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；Q1.1-輸出水位超限報(bào)警信號(hào)；Q1.2-輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；Q1.3-輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；Q1.4-輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；Q1.5-輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)

40、；AQW0-輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡(jiǎn)單的表明PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況，初略的說(shuō)明了接線結(jié)構(gòu)。它忽略了以下因素：(1) 電源方面的抗干擾措施；(2) 直流電源的容量；(3) 輸出方面的保護(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接完成并整體檢測(cè)通過(guò)之后，系統(tǒng)的控制功能就要通過(guò)軟件來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，結(jié)合樓宇水泵站的實(shí)際要求，對(duì)水泵站軟件設(shè)計(jì)做了如下分析：(1) 處于“恒壓”要求的水泵工作組數(shù)量管理為了保持恒定的水壓，在水壓降低時(shí)水泵電機(jī)需要提高工

41、作頻率來(lái)獲得更多的提升力，在一臺(tái)水泵機(jī)組不能滿足要求的時(shí)候還需要另一臺(tái)水泵的介入。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)，則滿足了啟動(dòng)新水泵機(jī)組的要求，并及時(shí)的啟動(dòng)。這一功能可通過(guò)PLC的比較指令得以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)頻率的波動(dòng)現(xiàn)象，所以在信號(hào)采集時(shí)還要考慮采取時(shí)間濾波，將尖峰值濾掉。(2) 多泵組泵站泵組交互管理由于設(shè)計(jì)之初水泵工作組之間希望全部實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)水泵之間的交替使用，所以在運(yùn)行時(shí)需要有管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定水泵的連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò)3h，因此每次啟動(dòng)的水泵工作組調(diào)整為變頻運(yùn)行是比較合理的，原來(lái)變頻運(yùn)行的工作組水泵則可以調(diào)整為工頻運(yùn)行或者停止運(yùn)行。具

42、體的操作流程可以為：先將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻水泵工作組調(diào)整為工頻運(yùn)行，然后變頻器再?gòu)?fù)位，對(duì)新的工作組進(jìn)行相關(guān)操作。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用水泵號(hào)加1的方法實(shí)現(xiàn)來(lái)變頻水泵工作組的循環(huán)控制，這樣可以更有效的使各工作組之間的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到平衡，有利于整體系統(tǒng)的使用。(3) 程序的結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)在對(duì)模擬量單元及PID進(jìn)行調(diào)節(jié)之前，需要將編制程序初始化并且中止系統(tǒng)程序運(yùn)行，本系統(tǒng)程序大致可分為主程序、子程序、中斷程序三部分。如果將系統(tǒng)初始化工作寫(xiě)入初始化子程序中，不僅可以節(jié)省掃描時(shí)間，還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)操作程序和程序的寫(xiě)作難度。如果想實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制，可以利用

43、定時(shí)器的中斷功能予以實(shí)現(xiàn)。主程序可以實(shí)現(xiàn)多種功能，如泵切換信號(hào)的生成及處理和報(bào)警信號(hào)的收集和預(yù)處理等。由于白天、夜間兩種模式的給定管網(wǎng)壓力值不相同，需要事先將兩個(gè)恒定值是通過(guò)數(shù)字方式直接設(shè)定于程序中。白天模式下設(shè)定值設(shè)定為總量程的90%，夜間模式下設(shè)定值為總量程的70%，具體情況可以更具實(shí)際用戶需求來(lái)調(diào)整。4.2 PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40編程軟件開(kāi)發(fā)完成。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言、梯形圖(LAD)語(yǔ)言和功能塊圖(FWD)語(yǔ)言。語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言類(lèi)似于計(jì)算機(jī)常用語(yǔ)言中的的匯編語(yǔ)言，計(jì)算

44、機(jī)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員特別適用于此語(yǔ)言，用戶程序由指令助記符實(shí)現(xiàn)，屬于直接面向機(jī)器硬件的機(jī)器語(yǔ)言，屬于最基礎(chǔ)的編程語(yǔ)言。梯形圖(LAD)語(yǔ)言與電氣控制原理圖十分相似，是目前編程語(yǔ)言中使用最廣泛的一種語(yǔ)言，與其它的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比它能更快的被學(xué)習(xí)者接受和掌握，梯形圖可以算是PLC中的高級(jí)語(yǔ)言，系統(tǒng)硬件原理幾乎不用考慮，在編程時(shí)只需要按照實(shí)際需求編寫(xiě)相應(yīng)的程序即可。因此，由于它的實(shí)用性和簡(jiǎn)便性使它很容易被初級(jí)的電氣設(shè)計(jì)人員和維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具之一。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，在電路中學(xué)習(xí)到的相關(guān)模塊有輸入端和輸出端，輸出端和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用方法，如：與

45、、或、非、異或等邏輯運(yùn)算、模塊之間的連接方式等方面與電路的連接方式也是基本相同，可以很好兼容電路的知識(shí)。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)PLC主程序主要由系統(tǒng)的初始化程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等模塊構(gòu)成。(1) 系統(tǒng)的初始化程序在系統(tǒng)開(kāi)始工作之前，整個(gè)系統(tǒng)必須先進(jìn)行初始化操作，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)對(duì)各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如果出錯(cuò)則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，如檢測(cè)正常，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)。系統(tǒng)自檢通過(guò)后，接著系統(tǒng)會(huì)對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，設(shè)定值恢復(fù)為初值，在子程序初始化后，系

46、統(tǒng)進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)調(diào)用主程序中的子程序來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。初始化完成后，緊接著系統(tǒng)需要重新設(shè)定白天、夜間兩種供水模式下給定水壓值和變頻泵泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)等。如果數(shù)據(jù)不用重新設(shè)定，只需要回車(chē)即可。(2) 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(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)5min（以便消除水壓波動(dòng)的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺(tái)數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)作用于水泵機(jī)組。(3) 水泵的軟啟動(dòng)程序增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)

47、，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，對(duì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷，超過(guò)3h則自動(dòng)倒泵變頻運(yùn)行。(4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生1#泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無(wú)故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時(shí)，Q0.1置1，KM2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運(yùn)行，同時(shí)KM2常閉觸點(diǎn)打開(kāi)防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開(kāi)觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，其他水泵的運(yùn)行流程與上述一致。(5) 各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)行不但取決于

48、變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運(yùn)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(yùn)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(kāi)觸點(diǎn)閉合，1#水泵工頻運(yùn)行，同時(shí)KM1常閉觸點(diǎn)打開(kāi)防止KM2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，其他水泵的運(yùn)行流程與上述一致。(6) 報(bào)警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模式運(yùn)行指示燈以及報(bào)警電鈴。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)

49、出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會(huì)一直點(diǎn)亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號(hào)和工頻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號(hào)。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫(huà)出，在此僅畫(huà)出其控制過(guò)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(duì)各臺(tái)水泵的變頻和工頻運(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖4.2和圖4.3對(duì)其作了完整的補(bǔ)充。其中圖4.2是以2#泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖4.3是以2#泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。1#、3#泵的運(yùn)行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復(fù)。圖4.1 恒壓供水控制系統(tǒng)主程序流程圖圖4.2 2#泵變頻運(yùn)行控制流程圖 圖4.3

50、 2#泵工頻運(yùn)行控制流程圖4.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運(yùn)行的上下限頻率，在第二章系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中已說(shuō)明水泵變頻運(yùn)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(xì)介紹。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸

51、出模擬信號(hào)。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(jì)中，本論文選擇的PLC S7-200型自身包含PID調(diào)節(jié)功能，可以進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，為供水系統(tǒng)中的管網(wǎng)壓力和供水壓力的恒定起到了很好的控制作用。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用（Proportional）比例、(Integral)積分和(Derivative)微分控制的方式，統(tǒng)稱為PID的控制調(diào)節(jié)。此控制系統(tǒng)是目前國(guó)際上連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最廣泛、應(yīng)用最穩(wěn)定的控制方式。具有成熟的理論基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單的算法，和良好的控制效果，易于掌握等優(yōu)點(diǎn)。P

52、ID控制器是一種有效的線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t) ： （4.1）經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)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： （4.2）式中：Kp -比例系數(shù)；Ti-積分時(shí)間常數(shù)；Td-微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （4.3）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(hào)的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)

53、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(guò)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(shí)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti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(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。(3) 微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)

54、時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制系統(tǒng)領(lǐng)域以來(lái)，數(shù)字計(jì)算機(jī)在可靠性和靈活性的優(yōu)勢(shì)逐漸取代了傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制算法。數(shù)字PID控制算法與傳統(tǒng)的模擬調(diào)節(jié)器完全不同，數(shù)字看那個(gè)值算法通過(guò)對(duì)式(4.2)離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制。將持續(xù)系統(tǒng)運(yùn)行式進(jìn)行一階微分后再差分近似代替，最后得到PID位置控制算法表達(dá)式為： （4.4）式中：T-采樣周期；n-采樣序號(hào)；e(n)-第n時(shí)刻的偏差信號(hào)；e(nl)-第n1時(shí)刻的偏差信號(hào)。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為： （4.5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；。4.3.2 PID的參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大

55、類(lèi)：理論計(jì)算整定法和工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對(duì)象WO(s)和測(cè)量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.7所示。圖4.7 恒壓供水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計(jì)對(duì)壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為： （4.7）本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過(guò)程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即；反饋回路傳遞函數(shù)為。由于本系統(tǒng)具有自衡能力，與公式(4.8)、(4.9)可求的PI控制器各參數(shù)。當(dāng)時(shí)， (4.8) (4.9)計(jì)算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)