1、廣 東 南 方 職 業 學 院畢業設計(b y sh j) 題 目 名 稱 基于PLC與變頻(bin pn)調速恒壓供水系統的設計 系 （部） 工程系 專 業 班 級 12級機電(jdin)1班 學 生 姓 名 葉木秀 指 導 教 師 萬三國 時 間 2014 年 11 月至 2015 年 6 月 目 錄 TOC o h z u HYPERLINK l _Toc416009876 畢業論文(b y ln wn)(設計)任務書 VIII畢業論文(b y ln wn)(設計)任務書系 工程系 專業(zhuny) 機電(jdin)一體化技術 班級 12機電1班 學生姓名 葉木秀 指導教師/職稱 萬三

2、國/講師 1畢業論文(設計)題目：2畢業論文(設計)起止時間： 年 月 日 年 月 日3畢業論文(設計)所需資料（指導教師選定部分）4畢業論文(設計)應完成的主要內容5畢業論文(設計)的目標及具體要求任務書批準日期 年 月 日 系主任(簽字) 任務書下達日期 年 月 日 指導教師(簽字) 完成任務日期 年 月 日 學生（簽名） 開題(ki t)報告一、選題(xun t)的目的及意義(yy)目前，居民生活用水和工業用水日益增加，由于居民日常用水和工業用水會隨季節、晝夜等變化而隨之發生變化，如采取傳統的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優化配置，傳統的供水系統已經不能滿足人們的需求，為了能更合理的

3、分配資源，能最大限的為人們所用，可采用變頻恒壓供水方式來代替傳統的供水系統，以達到供水穩定，滿足人們需求，合理優化分配等目的。本文介紹的是關于變頻恒壓供水系統的設計，因為變頻恒壓供水系統有高效節能，恒壓供水，安全衛生，自動運行，管理簡便等優點，非常適合現在的國民需求。變頻恒壓供水系統根據用水量的變化，自動調節運行參數，在水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當今先進、合理的節能型供水系統。變頻調速是現在優于以往任何一種調速方式（如調壓調速、變極調速、串級調速等）的技術，是當今國際上一項效益最高、性能最佳、應用廣泛、最有發展前途的電機調速技術。它采用了微機控制技術，電力電子技術和電機傳動調速

4、技術實現了工業交流電動機的無極調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有可靠性高，抗干擾能力強，組合靈活，組成簡單，維修方便和低成本低能耗等諸多特點。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便實現供水系統的集中管理和監控；同時系統具有良好的節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計系統，對于調高企業效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。二、國內外的發展狀況變頻恒壓供水是在變頻調速技術發展之后逐漸發展起來的，在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各

5、種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求的不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發明并首家生產變頻器后，隨著變頻器技術的發展和變頻恒壓系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優先以及顯著地節能效果被大家發現認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國

6、的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調節器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機的供水系統。但是也有其缺點，就是輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統和組態軟件難以實現數據的通信，并且限制了帶負載的容量，因此適用范圍受到限制。目前國內有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用單片機及相應的軟件予以(yy)實現；有的采用PLC及

7、相應軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司（現已改名艾默生）和成都希望集團（森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器（5.5Kw-22kW），無需外接PLC盒PID調節器，可完成最多四臺水泵的循環切換、定時起動、停止和定時循環（丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實現七臺水泵機組的切換）。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯?，目前在國內外變頻調速恒壓供水

8、系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡(wnglu)和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制的研究還是不夠的，因此，有待于進一步研究改善，使其能更好的應用于生活、生產實踐。三、主要(zhyo)研究內容、設計思想及待解決的問題本設計是以供水系統為設計對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，并引用計算機對供水系統進行遠程監控和管理，保證供水系統安全可靠的運行。PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器、和水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統，本設計中有4臺泵，大泵電動機功率均為220KW，小泵功率均為160KW；所有泵可設

9、計成變頻循環軟啟動的工作方式；采用PID算法實現水壓的閉環控制；西門子S7-200型系列PLC控制變頻及現場設備的運行；系統具有自動/手動操作功能；具有故障自診和自處理能力，對過流，欠壓，過壓等變頻器故障均能自行診斷，并發出報警信號。根據以上控制要求，進行系統的總控制方案設計。硬件設備選型、PLC選型、估算所需I/O點數，進行I/O模塊選型，繪制系統硬件連接(linji)圖：包括系統硬件配置圖、I/O連接圖、分配I/O點數、列出I/O分配表，設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改并設計監控系統。供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速，本次設計的關鍵應該是調速，其中改變電機極對數調速的調控方

10、式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且極差比較大，只適用于特定轉速的生產機器；改變轉差率調速為了保證(bozhng)其較大的調速范圍一般采用串級調速方式，其最大優點是可以回收轉差功率，節能效果好，且調速性能好，但由于線路復雜，增加了中間環節的電能消耗，且成本高；下面重點分析改變電源率調速的方法。根據公式（n=60f/p（1-s）可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。連續調節電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節電源頻率，將導致電機運行(ynxng)性能的惡化。隨著電子技術的發展，已出現了各種性能良好、工

11、作可靠的變頻調速電源裝置，他們促進了變頻調速的廣泛應用。四、設計的工作步驟、進度與時間安排（1）系統主要設備選型；（2）PLC及其模塊的選型；（3）變頻器的選型；（4）系統主電路設計；（5）系統控制電路設計；（6）PLC的I/O端口分配及外圍接線；（7）系統軟件設計；（8）PLC程序設計；（9）PID參數整定；畢業設計(b y sh j)進度安排2014年11月3日2014年11月20日：熟悉設計內容、要求、任務；收集(shuj)與設計相關的論文、資料，方案論證與選擇；2014年11月21日2014年12月20日：初步完成(wn chng)系統框圖設計，完成系統配置與選型；2014年12月21

12、日2015年1月20日：完善系統硬件電路設計；2015年1月20日2015年2月10日：繪制軟件框圖、編寫梯形圖及梯形圖調試；2015年2月10日2015年3月15日：撰寫畢業設計說明書；2015年3月16日2015年4月15日：繪制圖紙；2015年4月16日2015年6月20日：論文修改與答辯。參考文獻1 艷萍.電氣控制與PLC技術.北京：北京師范大學出版社，2007.22田淑珍. 可編程控制器原理及應用M.北京:機械工業出版社,2008.3孫延永.劉美俠 基于PLC與變頻器的水泵自動穩壓供水控制系統的開發 期刊論文 -中國制造業信息化2012(23)4羅鋒華.房馳.程豪 PLC與變頻器在恒

13、壓供水控制系統中的應用 期刊論文 -機床電器2011(4)5朱寧南 供水系統中的應用技術探討 期刊論文 -中國電子商務2013(12)6王廷才,胡雪梅. 變頻器原理及應用M.北京:機械工業出版社,2010.7李二恩.賈敏智 模糊控制在恒壓供水系統改造中的應用 期刊論文 -煤礦機械2013(3)8張燕平,張征,劉崢.我院基于積液透析水處理系統的節水改造J.中國醫療設備,2012,(10):149-150.9簡立明. 內置PID變頻調速及PLC控制構建的智能恒壓供水系統J.紡織機械,2004,(04):34-36.10孫立書. 基于PLC的軟啟動變頻雙恒壓無塔供水系統J.機電工程,201111于紅

14、花. 模糊PID控制在變頻恒壓供水系統的應用J.科技與企業,2013,(20).12張德田. 基于模糊控制的變頻調速在恒壓供水系統中的應用研究D.保定:華北電力大學,2012.13李先輝. 變頻調速恒壓供水技術在建筑給水系統中的應用D.西安:西安建筑科技大學,2013.14蔣興加. 基于FCS變頻恒壓供水系統的應用設計J.大眾科技,2011,(05).15胡雪梅,徐榮政. 變頻恒壓供水系統的設計與應用J.電機與控制應用,2011,(08).16趙小國,孫偉,閻曉妹. 基于時間優先級的變頻恒壓供水系統的泵組控制方式研究J.電機與控制應用,2011,(10).17康會峰,黃新春,王元. 基于DSP

15、的變頻(bin pn)恒壓供水模糊控制系統應用J.電機與控制應用,2010,(05).18吳學娟,郎朗. 模糊自適應控制在變頻恒壓供水系統中的應用(yngyng)J.工業控制計算機,2010,(11).六、指導教師(jiosh)意見 系主任意見 畢業論文(b y ln wn)（設計）審閱與評審成績學生姓名班級（專業）系 部答辯時間論文（設計）題目指導教師評語及成績（建議：從學生的學習態度、工作量、論文（設計）的實用性、規范性與綜合運用知識能力等方面給出評價）成績： 指導教師簽名： 年 月 日系評審（答辯）小組意見及成績成績： 評審小組老師簽名： 年 月 日系答辯委員會審核意見綜合成績： 主任（

16、簽名）： 年 月 日畢業論文(設計)答辯記錄(jl)及成績評定學生姓名專業班級畢業論文(設計)題目答辯時間 年 月 日 時答辯地點一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學生回答情況評判三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）：_ 分答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日系答辯委員會主任(簽名)： 系 (部)(蓋章) 年 月 日第 頁 (共39頁)摘 要摘 要隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。再加上目前能源緊缺(jn qu)，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節能、能適應不同領

17、域的恒壓供水系統成為必然趨勢。論文分析了采取變頻調速方式實現恒壓供水相對于傳統的閥門控制恒壓供水方式的節能機理。通過對變頻器內置PID模塊參數的預置，利用遠傳壓力表的水壓反饋量，構成閉環系統，根據用水量的變化采取PID調節方式，在全流量范圍內利用變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，實現恒壓供水且有效節能。依據供水要求，設計了一套由PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組等主要(zhyo)設備構成的全自動變頻恒壓供水，具有全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行和現場手動控制等功能。關鍵詞 可編程序控制器（PLC) 變壓變頻(bin pn)調速 恒壓供水第1章 緒論(xln)隨著(su zhe)各

18、住宅小區的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應的生活用水量也大幅度增加。人們對提高供水質量的要求越來越高，另外人們的節能意識及對運行的可靠性的要求越來越強。采用變頻器及PLC技術實現的無塔恒壓供水系統，不僅能提高供水質量，而且在節約能源和運行可靠性具有較好的改善。其中，采用變頻調速的主要目的是通過調速來恒定用水管道的壓力以達到節能的目的，恒壓供水則是為了滿足用戶對流量的要求。變頻恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統。然而，由于新系統多會繼續使用原有系統的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統進行變頻改造的實踐中，往往會出現一些在理論上意想不到的問題。本文

19、介紹的變頻控制恒壓供水系統，是在對一個典型的水塔供水系統的技術改造實踐中，根據盡量保留原有設備的原則設計的，該系統很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問題，既體現了變頻控制恒壓供水的技術優勢，同時(tngsh)有效的節省了資金。 應用PLC技術是為了實現系統的軟啟動，減少手動操作或撫慰操作，同時替代部分繼電器減少機械觸點的故障，增強可靠性。1.1 本課題設計的背景隨著變壓器調速技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統已逐漸取代原有的水塔供水系統，廣泛應用于多層住宅小區生活消防供水系統，然而，由于新系統多會繼續使用原有系統的部分舊設備（水泵），在對原有供水系統進行變頻改造的實

20、踐中，往往會出現一些理論上意想不到的問題。本課題介紹的變頻控制恒壓供水系統很好的解決了舊設備需要頻繁檢修的問題，既體現了變頻控制恒壓供水的技術優勢，同時有效的實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的。 PLC是集自動(zdng)控制技術、計算機技術和通訊技術于一體的一種新型工業控制裝置，已躍居工業自動化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。有如下特點：1可靠性高、抗干擾能力強2設計、安裝容易(rngy)、維護工作量少3通用性好，組合(zh)靈活4功能完善，適應面廣5體積小、功耗低6開發周期短、成功率高等已經廣泛應用于自動化控制的各個領域，并已成為實現工業生產自動化的支

21、柱產品，與繼電器、接觸器系統相比系統更加可靠；占位空間??；價格上能于繼電器、接觸器控制系統競爭；易于在現場變更程序；便于使用、維護和維修；能直接推動電磁閥、接觸器于之相當的執行機構；能向中央執行機構、重要數據處理系統直接傳輸數據等。因此，進行變頻恒壓供水系統的PLC控制系統的設計，可以推動變頻恒壓供水系統行業的發展，擴大PLC在自動控制領域的應用，具有一定的經濟和理論研究的價值。1.2 本課題設計的內容本設計將在以下幾個方面對恒壓供水控制系統進行研究和論證。1.2.1 恒壓供水系統的選型 該系統是由儲水系統、動力系統、回水系統和控制系統（手動控制、自動控制）組成，對象系統由三臺不同功率的水泵機

22、組組成，都為常規變頻循環泵，用于模擬正常模式下的生活供水動力系統，回水系統采用有機玻璃材料結構，以使實驗系統具有可觀察性。1.2.2 系統的硬件設計 PLC變頻恒壓供水控制系統由3臺水泵，一臺智能型電控柜（包括變頻器、PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、缺水(qu shu)保護器，斷相保護裝置以及供電主回路等構成。1.2.3 系統(xtng)的軟件設計系統的軟件設計包括PLC的程序設計和變頻器的功能參數設定，這里主要討論PLC的程序設計，PLC的程序設計包括手動控制和自動控制的程序設計，手動部分是通過按鈕控制水泵在工頻下運行和停止，主要考慮(kol)系統調試或檢修時用。當選擇開關打

23、到“自動”時，系統能夠進入自動工作狀態，由PLC和變頻器聯合控制各臺電機的投入或切除、工頻或變頻運行方式。供水系統共有3臺泵組電機，在根據水壓決定投入泵組臺數后，只有最初投入的電機進行變頻調速，其它后投入的電機則在工頻下全速運行，泵組電機的切換過程由邏輯控制單元PLC實現。 1.3 系統控制的原理通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PLC的端口進行PID調節，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加減

24、泵。根據用水量的大小量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。第2章 系統(xtng)的硬件設計學習PLC的硬件系統、指令系統和編程方法以后，對于設計一個較大(jio d)的PLC控制系統時，要全面考慮多種因素，不管所設計的控制系統的大小，一般都要用以下設計步驟來進行系統設計。 隨著PLC功能的不斷完善和提高，PLC幾乎可以完成工業領域的所以控制任務。但是PLC還是有最適

25、合它的應用場合，所以接到一個控制任務以后，要分析被控對象的控制過程和要求，看看用什么控制設備來完成該任務最合適。其實現在(xinzi)的可編程不僅處理開關量，而且對模擬量的處理能力也很強。所以在很多情況下也可以取代工業控制計算機（IPC）作為主控器?？刂茖ο笠约翱刂蒲b置確定后，還要進一步確定PLC的控制范圍。一般來說，能夠反映生產過程的運行情況，能用傳感器直接測量的參數，控制邏輯復雜的部分都由PLC控制來完成。當某一個控制任務決定由PLC來完成后。選擇PLC就成為最重要的事情。一方面是選擇多大容量的PLC，另一方面是選擇什么公司的PLC以及外設。對第一個問題，首先要對控制任務進行詳細的分析，把

26、所有的I/O點找出來，包括開關量I/O模擬量I/O以及這些I/O點的性質。I/O點是性質主要是指他們是直流信號還是交流信號，它們的電源電壓。控制系統輸出點的類型非常關鍵，如果它們之中既有交流220V的接觸器、電磁閥，又有直流24V的指示燈，則最后選用的PLC的輸出點有可能大于實際點數。因為PLC的輸出點一般是幾個一組共用一個公共端，這一組的輸出只能有一個電源的種類和等級。對于第二個問題，則有以下幾個方面要考慮： 1. 功能方面 所有PLC一般都具有常規的功能，但是對于某些特殊要求，就要知道所選用的PLC是否有能力完成控制任務。如對PLC與PLC、PLC與智能儀表以及上位機之間靈活方便的通訊要求

27、；或對PLC的計算速度、用戶程序容量有特殊要求的；或對PLC的位置控制有特殊要求等。這就要求用戶對市場上流行的PLC品種有一個詳細的了解，以便做出正確的選擇。 2. 價格方面 不同(b tn)廠家的PLC產品價格相差很大，有些功能類似、質量相當、I/O點數相當的PLC的價格能相差40%以上。在使用PLC較多的情況下，這樣的差價必須是需要考慮的。輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址(dzh)分配是進行PLC控制系統設計的基礎。對軟件設計來說，I/O地址分配以后才可以進行編程；對控制柜和PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據線路圖和安裝圖安裝控

28、制柜。 2.1 恒壓供水系統的基本(jbn)構成恒壓供水泵站一般需設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵及電機節能而可靠。配單臺電機和水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費，電機選小了用水量大時供水不足。而且水泵和電機都有維修的時候，備用泵是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉速套跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵供電。這也有兩種配置方式，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費用較高。另一種方案是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機見可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余水泵工頻運行，

29、以滿足不同用水量的需求。恒壓供水泵站的示意圖，如圖2-1所示，圖中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉變為電流或電壓的變化送給調節器。 圖2-1 變頻恒壓供水站的基本組成調節器是一種(y zhn)電子裝備,在系統中完成以下幾種功能: 1. 設定水管壓力的給定值，恒壓供水水壓的高低依需要設定。供水距離越遠，用水地點(ddin)越高，系統所需供水壓力越大。給定值即是系統正常工作時的恒壓值，另外有些供水系統可能有多種供水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設定值可能不只一個，一般消防用水的水壓要高一些

30、，調節器具有給定值設定功能，可以以數字量進行設定，也有的調節器以模擬量方式設定。 2. 接受(jishu)傳感器送來的管網水壓的實測值。管網實測水壓回送到泵站控制裝置稱為反饋，調節器實反饋的接受點。 3. 根據給定值和實測值的綜合，依一定的調節規律發出系統調節信號。調節器接受了實測水壓的反饋信號后，將它與給定值比較，得到給定值與實測值之差。如果給定值大于實測值，說明系統水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉速，如果水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。這些都是由調節器的輸出信號控制。為了實現調節的快速性與系統的穩定性，調節工作中還有個調節規律的問題，傳統調節器的調節規律多是比例-積分-微分調節

31、，俗稱PID調節。調節器的調節參數，如P、I、D參數均是可以由使用者設定的，PID調節過程視調節器的內部構成由數字式調節及模擬量調節兩類，以微型計算機調節器多為數字調節器。調節器的輸出信號一般式模擬信號，420mA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號。信號的量值與前面提到的差值成正比，用于驅動執行設備(shbi)工作。下面以一個三泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統為例來說明其工藝過程，如圖2-2所示，市網來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥TV1，它們自動把水注滿儲水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱中注水。水池的高/低水位信號也直接送給PLC，作為低水位報警用。為了(wi le)保障供水的

32、持續性，水位上下限傳感器高低距離不是相差很大。生活用水和消防用水共用三臺泵，平時電磁閥YV2處于失電狀態，關閉消防管網，三臺泵根據生活用水量的多少，按一定的控制邏輯運行，使生活用水的恒壓狀態（生活用水底恒壓值）下進行；當有火災發生時，電磁閥YV2得電，關閉生活用水管網，三臺泵供消防用水使用，并根據用水量的大小，使消防供水也在恒壓狀態（消防用水高恒壓值）下進行?；馂慕Y束后三臺泵再改為生活供水使用。圖2-2生活消防(xiofng)雙恒壓供水系統構成圖2.2 可編程控制器（PLC）的選型2.2.1 PLC概述(i sh) 可編程控制器，英文稱Programmable Controller,簡稱(ji

33、nchng)PLC，本文中用PLC作為它的簡稱。PLC是用于工業現場(xinchng)的電控制器，它源于繼電器控制技術，但基于電子計算機，它通過運行存儲在其內存中的程序，把經輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進而再通過輸出電路的物理過程去實現對負載的控制。PLC基于電子計算機，但并不等同于普通計算機。普通計算機進行入出信息變換時，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而PLC可以通過它的外設或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強的多。 PLC有豐富的指令系統，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的自身監控系統，因而具

34、有以下基本功的功能：1. 邏輯處理功能； 2. 數據運算功能； 3. 準確定時功能； 4. 高速計數功能； 5. 中斷處理（可以實現各種內外中斷）功能；6. 程序與數據存儲功能；7. 聯網通信功能；8. 自檢測，自診斷功能?？梢哉f，凡普通小型計算機功能實現的功能，PLC幾乎也都有可以做到。像PLC這樣，集豐富功能于一身，是別的電控器所沒有的，更是傳統的繼電器控制電路所無法比擬的。豐富的功能為PLC的廣泛應用提供了可能，同時，也為節水行業的遠程化、信息化及智能化創造了條件。 2.2.2 PLC的選型在PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求

35、是設計選型的主要依據。因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。1輸入輸出（I/O）點數的估算( sun)I/O點數估算時應考慮(kol)適量的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，在增加10%20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。2存儲器容量(rngling)的估算存儲器容量是PLC本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容

36、量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的1015倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。因此本課題的PLC內存容量選擇應能存儲2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。 3控制功能的選擇該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。根據本文設計的變頻調速恒壓控

37、制的需要，主要介紹以下幾種功能的選擇。. 控制功能PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。. 編程功能離線編程方式：PLC和編程器共用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器各有自己的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制

38、的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。五種標準編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準，同時，還應支持多種語音編程序形式，以滿足特殊控制場合(chng h)的控制要求。. 診斷(zhndun)功能PLC的診斷功能硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能(xngnng)和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU

39、與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。PLC的診斷功能的強弱直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響維修時間。 4機型的選擇目前，國內眾多的生產廠家生產了多種系列功能各異的PLC產品，使用戶眼花繚亂、無所適從，通過對輸入/輸出點的選擇、對存儲容量的選擇、對I/O響應時間的選擇以及輸出負載的特點選型的分析，決定使用西門子公司生產的S7 200系列的CUP222型號的可編程控制器作為變頻調速恒壓供水系統的控制器。S7-200PLC是德國西門子公司生產德一種小型PLC，其許多功能達到大、中型PLC的水平，而價格卻和小型PLC一樣，因此，它一經退出，即受到了廣泛的關注。特別是S7-2

40、00CUP22*系列PLC。由于它具有多種功能模塊和人機界面（HMI）可供選擇，所以系統的集成非常方便，并且可以很容易的組成PLC網絡。2.3 PLC模擬量控制單元的配置以及應用 PLC的普通輸入輸出端口均為開關量處理端口，了使PLC能完成模擬量的處理,常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉化為PLC可處理的數字量及將PLC內部運算結果數字量轉換為機外可以使用的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數轉換的，單獨用于數/轉換的，也兼有模/數和數/模兩種功能的，以下介紹S7-200系列(xli)PLC的模擬量擴展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量

41、輸入，可以用于恒壓供水控制中。 EM235模擬量工作(gngzu)單元性能指標為能適用各種規格的輸入、輸出兩，模擬量處理模塊都設計成可編程，而轉換生成的數字量一般具有固定的長度(chngd)及格式。模擬量輸出則希望將一定范圍的數字量轉換為標準電流量或標準電壓量以方便與其他控制接口。上表中，輸入、輸出信號范圍欄給出了EM235的輸出、輸入信號規格，以供選用。校準及配置模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準，配置指根據實際需接入的信號類型對模塊進行一些設定。校準可以簡單的理解為儀器儀表使用前的調零以及調滿度。 EM235的安裝使用 1. 根據輸入信號的類型及變化范圍設置DIP開關，完成模塊的配

42、置工作。必要時進行校準工作。 2. 完成硬件的接線工作。注意輸入、輸出信號的類型不同，采用不同的接入方式。為防止空置端對接線端的干擾，空置端應短接。接線還應注意傳感器的線路盡可能短，且應使用屏蔽雙絞線，要保證24VDC傳感器電源無噪聲、穩定可靠。 3. 確定模塊安裝入系統時的位置，并由安裝位置確定模塊的編號。S7-200擴展單元安裝時在主機的右邊依次排列，并從模塊0開始編號。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機上的擴展總線插口。 4. 為了在主機中進行輸入模擬量轉換后數字處理及為了輸出需要在模擬量單元中轉換為模擬量的數字量，要在主機中安排一定的存儲單元。一般使用模擬量輸入AIW及模擬量輸

43、出AQW單元安排由模擬量模塊送來的數字量及待入模塊轉變為模擬量輸出的數字量。而在主機的變量存儲區V區存放處理產生的中間數據。工作(gngzu)程序編制EM235的工作程序編制包括(boku)以下的內容： 1. 設置初始化主程序。在該子程序中完成采樣次數(csh)餓預置頂及采樣和單元清零的工作，為開始工作做好準備。 2. 設置模塊檢測子程序。該子程序檢查模塊的連接的正確性以及模塊工作的正確性。 3. 設置子程序完成采樣以及相關的計算工作。 4. 工程所需的有關該模擬量的處理程序。 S7-200PLC硬件系統的配置方式采用整體式和積木式，即主機包含一定數量的輸入/輸出（I/O）點，同時還可以擴展I

44、/O模塊和各種功能的模塊。一個完整的系統組成如圖2-3所示。圖2-3 S7-200 PLC 系統組成（1）基本單元 基本單元（Basic Unit）有時又稱CUP模塊，也有的稱之為主機或本機。它包括CUP、存儲器、基本輸入/輸出點和電源等，是PLC的主要部分。實際上它就是一個完整的控制系統，可以單獨完成一定的控制任務。（2）擴展單元 主機(zhj)I/O點數量不能滿足控制系統的要求時，用戶可以根據需要擴展各種I/O模塊，所能連接的擴展單元的數量和實際所能使用的I/O點數時由多種因素共同決定的。（3）特殊(tsh)功能模塊當需要完成某些特殊功能(gngnng)的控制任務，需要擴展功能模塊。它們是

45、完成某些特殊控制任務的一些設置。（4）相關設備相關設備是為了充分和方便地利用系統的硬件和軟件資源而開發和使用的一些設備，主要有編程設備、人機操作界面和網絡設備等。（5）工業軟件工業軟件是為了更好地管理和使用這些設備而開發的與之相配套的程序，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機借口軟件等幾大類構成。2.4 供水系統主要器件選型1.供水泵的選擇根據我們設計的需要，并結合它所具有的特點，我們選用滬龍公司的ISG型立式離心泵，它供輸送清水及物理化學性質類似于清水的其他液體之用，適用于工業和城市給排水、高層建筑增壓送水、園林噴灌、消防增壓、遠距離輸送、暖通制冷循環、浴室等冷暖水循環增壓及設備配套，

46、使用溫度T：80。 2.變頻器的選型在傳統的變頻控制系統中，變頻器的啟動/停止由PLC通過開關量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過模擬量輸出端口輸出05（10）V或420mA信號控制的，這需要購買PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由PLC讀取變頻器的故障報警觸點，只是知道變頻器出現故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。因此在本系統中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現的，西門子變頻器MicroMaster430是全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家。功率范圍7.5kW至25

47、0kW。它按照專用要求設計，并使用內部功能互聯（Bicol）技術，具有高度可靠性和靈活性?？刂栖浖梢詫崿F專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節能運行方式等。 PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行(ynxng)，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、累計運行時間和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數。2.5 PLC及變頻器控制電路2.5.1 供水系統電氣(dinq)主電路該系統有三臺水泵，如圖3-1所示，合上空氣開關QS后，當交流接觸器KM1、KM3、KM5主觸點閉合時，水泵為工頻運行；當KM2、KM4、KM6主觸點閉合時，水泵為變頻運行。三個熱繼電器

48、FR1FR3分別對三臺電動機進行保護，避免電動機在過載時可能產生的過熱(u r)損壞。圖2-4 恒壓供水的主電路2.5.2 供水系統控制電路如圖2-5所示，0.00.5為PLC輸出軟電器觸點，其中0.1、0.3、0.5控制變頻運行電路；0.2、0.4、控制工頻運行電路。SAC為轉換開關，實現手動、自動控制切換。當SAC切換在手動位時，通過(tnggu)1SB23SB2按鈕分別起動三臺水泵工頻運行；當SAC在自動位時，由PLC控制水泵進行變頻或工頻狀態的起動、切換、停止運行。圖2-5 恒壓供水系統的控制電路KA1為缺水保護電路的中間繼電器觸點，當水池缺水或水位(shuwi)不足時，配合缺水保護裝

49、置斷開控制電路，切斷主電路，實現缺水保護作用。1缺水(qu shu)保護當水池缺水或水位不足時，若不及時切斷電源就會損壞水泵，甚至發生事故。本系統設置了缺水自動保護電路。如圖2-5所示。利用液位繼電器等裝置時刻檢測水池里的水位，經電路轉換及處理后對控制回路電源進行控制。水池水位正常時，控制回路電源接通，系統正常工作。水池缺水或水位不足時，液位繼電器K1釋放，系統報警、指示燈亮并通過KA1切斷系統控制電路和主電路，水泵停止，水位正常后，液位繼電器K1吸合，重新啟動系統。2缺相相序保護(boh)水泵工作在三相交流電下，電源發生缺相時，電動機中某一相無電流(dinli)，而另外兩相電流會增大，容易燒

50、壞電動機；另外，為了避免電源相序相反，電動機反轉水泵抽空的現象，設置了缺相相序保護電路,采用缺相相序保護電路繼電器KP接在主電路電源進線空氣開關之后，三相正常時，KP得電吸合，控制電路中KP的1-2觸點吸合，接通PLC控制電路。反之，缺相或反向時，KP的1-2觸點斷開，會切斷PLC控制電路，系統停止工作，缺相相序保護指示燈亮。2.6 硬件(yn jin)接線圖系統的硬件連接圖即PLC和系統中各個硬件的連線。其輸入通道數字分辨率為8位，A/D的轉換時間為100us，在模擬量與數字信號之間采用光電隔離，適用于S7-200CUP22*系列PLC。由于PLC為6個輸出點為一組共用一個COM端，而本系統

51、又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復位控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.0Q1.5為PLC輸出繼電器觸點，它們旁邊的4、6、8等數字為接線編號，可結合PLC外圍接線圖一起讀圖。圖2-6 PLC接線圖圖2-7 變頻器接線圖2.7 控制系統的I/O點及地址(dzh)分配PLC要能夠識別和接受描述現場設備的開關量，同時要能夠發出控制信號控制一些執行設備，以便對現場設備進行控制。PLC是通過I/O單元完成此工作的。I/O單元是PLC與外部設備相互聯系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅動能力的信號，以實現被控設備與PLC的I/O接口之間的電平轉換、電氣隔離、串/

52、并轉換、A/D與D/A轉換等功能。輸入單元接受現場設備向PLC提供信號，包括人為的控制信號和能描述現場狀態的開關量信號，例如由按鈕、限位開關、繼電器觸點、接近開關、撥碼器等提供的開關量。這些(zhxi)信號經過輸入電路進行濾波、光電隔離、電平轉換等處理后，變成CPU能夠接受和處理(chl)的信號。根據以上控制要求統計控制系統的輸入輸出信號的名稱(mngchng)、代碼及地址編號如表2-1及2-2所示。水位上下限信號分別位I0.1、I0.2，它們在水淹沒時為0，露出時為1。表2-1 輸入輸出點代碼及地址(dzh)編號名稱代碼地址編號輸入信號手動和自動消防信號SA1I0.0水池水位下限信號SLLI

53、0.1水池水位上限信號SLHI0.2變頻器報警信號SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5遠程壓力表模擬量變壓值UAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1，HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2，HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3，HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4，HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5，HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6，HL6Q0.5生活/消防供水轉換電磁閥YV2Q1.0水池水位下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2火災報警指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1

54、.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5控制變頻器頻率用電電壓UFAQW0表2-2 模擬量擴展模塊(m kui)EM235輸入/輸出技術規范輸入技術規范輸出技術規范最大輸出電壓30VDC隔離（現場到邏輯）無最大輸入電壓32mA信號范圍電壓輸出電流輸出10020 mA輸入濾波衰減-3dB，3.1kHz分辨率12位A/D轉換器隔離否分辨率，滿量程電壓電流12位11位輸入類型差分輸入范圍電壓單極性010V，05V01V，0500mV電壓電流-32000+320000+32000電壓雙極性電流0100Mv,050mV10V，5V，2.5V1V500mV250Mv100mV, 50mV,25mv 020mA精

55、度最差情055電壓輸出電流輸出2%滿量程2%滿量程輸入分辨率精度最差情況055電壓輸出電流輸出典型，25電壓輸出電流輸出2%滿量程2%滿量程5%滿量程5%滿量程AD轉換時間250 s模擬輸入階躍響應1.5 ms到95%共模抑制4dB,DC到60Hz共模電壓信號電壓加共加模電壓12V24VDC電壓范圍20.428.8V設置時間，電壓輸出，電流輸出100s2ms數據字格式雙極性，滿量程單極性，滿量程-32000+32000032000第3章 系統(xtng)的軟件設計 3.1 PLC梯形圖設計(shj)梯形圖是使用(shyng)的最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統

56、的電路圖很相似，具有直觀易懂的優點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設計稱為編程。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些(yxi)存儲單元(軟繼電器)，每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應，該存儲單元如果為“1”狀態，則表示梯形圖中對應軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態。如果該存儲單元為“0”狀態，對應軟繼電器的線圈和觸點的狀態與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或

57、“OFF”狀態，使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。梯形圖兩側的垂直公共線稱為母線，在分析梯形圖的邏輯關系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側母線(左母線和右母線)之間有一個左正右負的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動，右母線可以不畫出。3.1.1 梯形圖繪制根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的狀態，稱為梯形圖的邏輯解算，梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。雙恒壓供水系統的梯形圖程序見大圖，子程序見下圖，對該程序有幾點說明： 1. 因為程序較長，所以讀圖時請按照網絡標號的順序進行； 2. 本程序的控制邏輯設計針對的

58、是較少泵數的供水系統。圖3-1 梯形圖的子程序3.1.3 程序的結果以及程序功能(gngnng)的實現由于PLC在恒壓供水系統中的功能比較多，本程序可分為3部分：主程序、子程序和中斷程序。系統的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節省掃描時間。主程序的功能最多，如泵切換(qi hun)信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合以及報警處理都在主程序。邏輯運算及報警處理等放在主程序。利用定時器中斷功能實現PID控制的定時采樣及輸出控制。生活供水時系統設定值為滿量程的70%，消防供水時系統設定值為滿量程的90%。在本系統中，只是用比例（P）和積分（I）控制，其回路增益和時間常數可以通過工

59、程計算初步(chb)確定，但還要進一步調整以達到最優控制效果。程序中使用的PLC元器件及其功能如表3-2所示。表3-2 PLC 元器件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標準化值T38工頻/泵減泵濾波時間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉換邏輯控制VD108PI計算值M0.0故障結束脈沖信號VD112比例系數M0.1泵變頻啟動脈沖VD116積分時間M0.3復位當前變頻運行泵脈沖VD120積分時間M0.4復位當前變頻運動泵脈沖VD124微分時間M0.5當前泵工頻運動啟動脈沖VD204變頻起運動頻率下限值M0.6新泵變頻啟動脈沖VD208生活供水變頻器運動頻率上限值M2.0泵

60、工頻/變頻轉換邏輯控制VD212消防供水變頻器運動頻率上限值M2.1泵工頻/變頻轉換邏輯控制VD250PI調節結果存儲單元M2.2泵工頻/變頻轉換邏輯控制VD300變頻工作泵的泵號M3.0故障信號總匯VD301工頻運行的泵的總臺數M3.1水池水位下限故障邏輯VD310倒泵時間存儲器M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻轉換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉換邏輯控制M3.4火災消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時間控制3.2 系統(xtng)工作流程圖1開始(kish)2初始化程序(chngx)3PLC檢測給水池液位保護開關是否動作4啟動第一臺水泵進行變頻工作5變頻輸出率