畢業設計（論文）畢業論文題目：基于PLC的恒壓供水控制系統的設計緒論1.1引言水是生命之源，人們對用水品質、安全等問題愈加重視。要實現供水量與消費量的一致必須要保持恒定的供水壓力。以城市的水供給管網絡為中心，通過水泵來驅動泵機產生壓力，使網管水流動，從而達到給用戶送水的目的。變頻調速恒壓供水系統的策略是：通過PLC、頻率可變控制器、壓力變送器和電機構成變頻調速閉環控制系統，該系統的目的是泵站主管道的出口壓力。系統有三臺水泵可用于流量調節，通過對主供水管壓力表的實測值和壓力表實測值的比較，通過CPU的PID算法處理的差異，然后CPU發出控制指令，改變泵的轉速和泵數，比如一臺作變速運行時其他兩泵作恒速運行。這樣，主管道的壓力就穩定在這些值之內，從而保證了供水能力與用水的平衡[1]。本文實現變頻恒壓供水系統是以PLC為中心、結合傳感器和數字PID技術，監控方面使用MCGS軟件設計。在高峰期啟動兩個水泵的供水方式是一個耗時的操作，特別是給高層居民帶來供水不便。全速運行，導致嚴重浪費電。以變頻調速為核心，恒壓供水控制系統的應用越來越廣泛，具有平穩可靠啟動、設備壽命延長等優點。按照以上要求，首先確定總體結構，實現變頻調速用頻率可變控制器以及PLC；其次，設計系統硬件，設置頻率可變控制器參數，分配I/O點；最后，在軟件設計方法的基礎上，通過對供水系統的分析，設計了軟件流程圖和梯形圖程序。文中介紹了系統的運行方案、電氣原理圖、梯形圖控制程序和監控系統等[2]。1.2課題背景及意義現在我國城市建設的發展十分迅速，供水問題在中小城市的高樓建筑中也越發突出。能夠滿足供水需求的系統首先要求改善供水水質，供水水壓的波動不會引起供水的故障；其次必須在供水的安全可靠性方面有保證。傳統供水使用水塔的方式雖然控制方式簡單且在停電時可實現不斷水，但仍然存在諸多缺點：一是不能滿足峰谷使用的要求；二是供水壓力大幅度變化，會破壞管道和閘門，導致維護成本較高；第三，它對環境有一定的影響是不可避免的。供水系統如今的發展方向是自主控制、高效運行以及節約能源，變頻調速控制方式的優勢就是在穩定性和節能結果方面比較突出，起動電流低對網管及電網無打擊，在高能耗裝備上有普遍應用。我國的供水機泵雖然類型多、范圍廣且數量大，但遠遠比不上國外的先進技術，尤其是在工程標準、技術水平、經濟效益等指標方面[3]。變頻調速恒壓供水系統是自控和變頻原理的結合，可隨水量的不同自主改變系統的工作參數，而頻率可變控制器的采用使得水泵轉速的無級調節得以實現，管網的恒定水壓也得以保持。系統不僅在可靠穩定性上有進步，使用戶對供水的需求得到滿足，而且有效減小了水壓對設備的沖擊，節能效果明顯。該系統的設計研究對于解決現在能源緊缺造成的問題、提高人民生活水平等方面有重大的現實意義。1.3供水系統的國內外研究現狀1.3.1國內外發展與現狀變頻調速技術是為了實現控制電機轉速、頻率和電壓發生變化的技術，它在各種產業中廣泛使用，如家電產品、運輸、纖維、機械、冶金等化學工業，具有高效節能、調速平穩、完善的保護功能等優點。為了提高國家能源效率計劃，該項技術是非常重要的[4]。隨著的電力電子技術和產業自動化技術的發展，世界性能源不足問題也愈發突出，在定壓供給水系統中頻率可變控制技術的應用變得更多，水供應環境得到了很大的改善。通過使用供給網管中的瞬時壓力變化，在供給系統的實際時間內調節水泵的速度，通過開關、PLC等智能控制裝置來切換泵電機。可以保持其管網壓力設定點的壓力。與高塔的水供應系統和氣壓水箱供水系統等具有一定速度的傳統供水系統相比，頻率可變控制系統供水的穩定性、靈活性和節能性更高。目前，海外的恒定壓力控制技術比國內更先進，用于定壓供水系統的頻率可變控制器也相對更成熟，更值得信賴。但是就現狀而言，供水技術在國內的發展并不能全范圍覆蓋，對于消費者的不同需求，還有很長一段路要走。因此，進一步改善的話，對可變頻率的提高和工作性能中的定壓供給水系統的研究是必要的，使其更好地在生活和生產實踐得到運用[5]。1.3.2變頻供水系統的發展趨勢現在供水系統的自動控制設計對穩定性、可靠性和運行維修上提出來更高的要求，所以希望能夠自動減輕工人的勞動量和勞動強度，使供水系統有更高效的操作性和可靠性。供水系統的未來趨勢：采用組合式、簡單、高效、節能和自動高信率的自動機械泵開關；可以自動報警并記錄音頻數據；與計算機網絡產業界的動態動作參數連接，從計算機的指令被接收為實現水供給系統的智能動作。許多頻率可變控制器是特別為國內外供水系統設計的，集成化程度越來越高。與小功率和小容量場合應用較廣泛相比，國產頻率可變控制器大型場合下仍有不足，還需要不斷努力的研究設計才能應用于更大的環境。1.4PLC概述1.4.1可編程邏輯控制器簡介PLC是基于集成電子控制電路技術的設備，屬于計算機家族，廣泛應用于制造業中的工業過程等一系列自動化任務。PLC的開發原本是為了取代繼電器而服務于汽車工業。作為自動化控制器，自那時以來，因為高可靠性而使得其在環境惡劣時也能應用良好[6]。早期的PLC被設計成替代繼電器邏輯系統的設備。對低成本、多用途和容易委托的控制器的需求導致了PLC的發展，如今已被加固并適合于控制制造過程，例如裝配線或機器人裝置，可在各種工業應用中快速簡單地使用。長久發展下來，PLC已經具有的強大的功能、完善的控制系統編程方法。與大多數其他計算設備的主要區別在于PLC可容忍更苛刻的條件同時提供廣泛的輸入/輸出（I/O）以將PLC連接到傳感器和致動器。1.4.2西門子S7-200系列PLC簡介SIMAICS7-200微型PLC系統是一個全功能的可編程控制系統，可以解決大部分應用程序，適合大多數自動控制設備。每個緊湊的S7-200CPU單元是完全自包含的，并且包括CPU、電源和輸入/輸出點（I/O）。更大的系統，具有附加的I/O、通信或操作員交互需求，可以通過添加擴展模塊來配置[7]。特點如下：（1）獨立的CPU，結構小而且緊湊，強大的性能；（2）最優微模塊化擴展能力和通信數據的開放性；（3）簡單的離散、浮點數學控制能力；（4）存儲數據和程序的容量大；（5）操作過程和順序快速而精準。2變頻恒壓供水系統的理論分析及方案2.1系統的理論分析2.1.1水泵工作原理及節能原理泵是一種利用自然基本的力量通過機械作用來移動流體（液體或氣體）的裝置。實質上把水傳遞輸送到目的地，即增加壓力把機械能轉換為流體能量。當運動的泵部件（葉輪、葉片、活塞隔膜等）開始移動時，泵內液體也隨之移動，空氣被推開。空氣的運動產生了部分真空（低壓），它可以被更多的空氣填充。因此更多的液體因為大氣壓力流入水泵內，就這樣連續被吸進液池中然后又連續從水泵出口排出。泵的功率損耗與速度的立方成比例。節流閥模式下電機始終在額定轉速運行。設想在閥門開度為80%時系統穩定，此時設速度為n1，功率為p1。當采用變頻方式時，只有低速電機轉速達到額定轉速的80%，同時把閥門完全打開，才可以滿足同樣的供水需求[8]。則此時兩次功率損耗的關系如公式2-1所示。（2-1）從公式上看，變頻損耗功率與傳統方式相比小得多。所以在節能潛力上，變頻恒壓供水系統的效果更加明顯[8]。2.1.2供水系統恒壓原理供水系統通過控制出口壓力來改變管道的控制方式和管網壓力設定值。揚程特性曲線：泵在流量不同時有不同的揚程，如下圖2-1。該曲線由于頻率變換速度控制電機改變轉速時也發生變化。保持閥門開度不變。管阻特性曲線：泵管道在不同流量時對應的阻力不同，如下圖2-1。圖2-1供水系統的恒壓原理要達到改變泵流量和揚程的目的，需要使管阻性線與揚程性線的交點發生變化，即使泵的管道阻力系數發生變化，根本上是使出口閥門開度發生變化。在該系統中，要達到改變電機的轉動速度，就是要使頻率變換器的輸出頻率發生變化。在轉速變化后，管阻特性曲線不變時，與揚程特性曲線相交成為泵新的工作點上，用水流量Qu和供水流量Qc相平衡，揚程特性和管阻特性同時得到滿足，則此時系統運行穩定。只有準確控制供水量，系統穩定運行的目的才能達到。在閥門開度恒定時，改變電機轉動速度可以使流量的大小發生變化。用水量增大則供水流量Q增大，管網供水壓力也隨之降低，這時需要增大頻率可變控制器的輸出頻率才能保持供水壓力恒定，則水泵的轉速也增加，反之亦然。如下公式2-2所示，電動機轉動速度n與頻率f成正比，公式中極對數p、轉差率s。根據改變電機供電頻率改變供水速度進而改變供水流量，是變頻供水系統的原理。（2-2）通過用戶的供水管所設置的壓力變送器，將定壓供給水系統實時檢測基準點水壓和管網絡的水壓，自動轉換成標準電信號。因為是模擬信號，所以需要將實際值與設定值的偏差比較后進行PID運算，再通過D/A轉換器轉換為模擬量。控制頻率可變控制器的輸出頻率，達到對電動機的速度的控制，來控制泵的水的供給流量，以保持用戶的供水管的壓力為恒定，實現頻率變換和定壓供水。2.2變頻恒壓供水系統控制方案的確定2.2.1控制方案的確定根據設計要求，用于實現對供水系統執行機構的控制、自動設備運行狀態的顯示、三相電流泵的自動測量、具有過電壓報警等保護功能、便于設備故障維修等，本系統的控制方式需要考慮有兩種模式：手動控制和自動控制。根據系統的控制特點，采用現代控制理論與PID控制相結合，電機調速裝置和PLC通過調速器優化泵運行，自動調節泵的運行單位數，實現對水壓的閉環控制，然后控制泵站的水壓。系統運行后，水壓泵站主水壓和設定的系統反饋更大，與輸入CPU的差值進行處理，如果差值超過設定范圍，則發出控制指令，使電機轉速一致，使主水壓和設定壓力值始終保持一致，從而保持穩定的網管壓力。供水系統設計的任務是用頻率可變控制器循環控制水泵電壓控制裝置，使用管網供水的壓力一定，實現泵電動機的軟啟動和頻率變換泵之間的開關，并且實現傳輸數據的功能。根據需要，考慮系統的使用場所，本文采用頻率可變控制器通用模式與PLC控制結合實現該變頻恒壓供水系統[10]。2.2.2變頻恒壓供水系統的體系結構系統主要包括控制器、執行器和測量傳感器和監控器四個部分，形成一個完整的閉環調節系統。控制器主要包括可編程控制器PLC、PI控制器、頻率可變控制器和電控組。控制器作為整個系統的控制核心，主要用于手動啟動和停止各單元，處理模擬量，控制泵啟動和切換、PID控制調節和數據處理。執行器的構成是變頻泵1臺和只能運行于起停工作狀態的2臺工頻泵。變頻泵通過頻率可變控制器控制可根據水量的不同改變電機的轉速，而工頻泵在變頻泵達到頻率上限時投入工作。測量傳感部分包括壓力變送器、液位變送器、壓力表及報警、報警鈴，主要用于測量管網水壓信號、水池水位信號和報警信號以及實現SIIEMS運行的水壓、流量、溫度等控制策略。防止水泵空轉、電機過載等故障。監控部分中文組態軟件，主要用于系統菜單操作、測量信號量化顯示參數設置、故障信息處理、報警信號顯示。供水系統的流程如下圖2-2所示。圖2-2變頻恒壓供水系統流程圖變頻調速恒壓供水系統框圖如圖2-3所示。將其與給定值比較，設置頻率轉換器通過PID進行數據運算處理，輸出運行頻率。PID模塊可以進行比較、差分操作。當實際供水壓比給定值低時，頻率可變控制器的輸出頻率就會提高，否則會降低，另外差分調節會隨著壓力的改變而工作。系統運行后，水壓泵站主水壓和設定的系統反饋更大，與輸入CPU的差值進行處理，如果差值超過設定范圍，則發出控制指令，使電機轉速一致，使主水壓和設定壓力值始終保持一致，從而保持穩定的網管壓力。圖2-3供水系統框圖2.2.3變頻恒壓供水系統控制流程實現系統恒壓供水是一個閉環控制過程，頻率可變控制器執行控制過程，輸出頻率不同則使達到改變供水壓力的目的，完成整個運行控制過程。該系統PLC的功能是調整水泵運行數量并且控制交流接觸器組在不同需求下進行工頻和變頻的切換。（1）系統開始工作，如上圖接通KM1，以變頻方式運行1號泵。根據設定值與實測量值偏差來調節輸出頻率，控制1號泵的運行速度。當它與設定值相同時，水的供給量與消耗量相同，此時電動機在這個期間內處于調整速度的工作狀態。（2）水消耗變大→供水壓力變小→反饋信息弱化→偏差差距加大→加大輸出的信號→頻率增強→轉速加快→供水量大增→轉速趨于穩定。反之，亦然。（3）水消耗仍然變大→頻率變換器達到上限但實際壓力沒有達到設定值→輸出上限信號→斷開KM1、接通KM2，以工頻運行1號泵→接通KM3，2號以變頻起動→閉環調節繼續。（4）水消耗仍然變大→收到上限輸出信號→斷開KM3、接通KM4，以工頻運行2號→同時接通KM5，以變頻運行3號泵→輸出頻率達到上限但壓力沒有→水壓超限報警。（5）水消耗變小→水壓變大→變頻器頻率小到下限，實際水壓仍高于設定壓力值→輸出下限信號→KM5、KM4接通，KM2吸合，變頻啟動2號泵→閉環調節繼續→再次收到下限信號。2.2.4水泵切換控制分析為了確定頻率可變控制器的工作頻率，PLC通過檢測其上限和下限輸出頻率，使水的接觸器組泵的數量增加或減少。PLC正常運行時，可以通過控制直接連接到PLC輸入的開關按鍵組來改變輸出狀態實現控制系統的功能。當手動控制的情況下，系統可以通過手動按鈕直接控制特定的接觸器的動作狀態來進行硬件工作情況的測試和調試。在自動控制的情況下，系統可以根據不同的頻率可變控制器頻率自動調整交流接觸器的工作狀態[12]。PLC不但對交流接觸器的控制發揮著重要的作用，另外具有控制電磁閥的故障點的功能。有時用水量越增加，一臺變頻泵效率達不到設定值，此時增加以工頻形式運行的泵來提供供水就有需要，但是合適且不過于頻繁的切換才能使系統穩定可靠。（1）電機運行的上限頻率：50Hz。因為電力網絡、頻率變換器、電動機運行頻率的限制。（2）電機運行的下限頻率：20Hz。由于水泵機組在工作頻率減小到某個值時水已經抽不出來了，此時，供水壓力并不會隨頻率減小而繼續降低。即此時這個比0Hz大很多的工作頻率就作為下限頻率，所以選取這個值作為下限頻率。當輸出達到頻率的上限值時，如果一旦供水壓力設定值大于反饋壓力即時就開始控制切換電機，會造成供水壓力突然比設定值大太多的情況，那么系統的穩定性有所降低。所以，在實際應用中，只有明確切換電機條件才能保證系統穩定性，這就要考慮回滯環思想進行條件分析，如下圖2-4。圖2-4用于壓力判斷的回滯環即：如果頻率可變控制器的輸出頻率達到上限，要想增加電機組，需要在實際供水壓力值比設定值小△Pd/2時才成立；反之亦然。回滯環表明如果滿足切換條件，則實際水壓不能滿足設定的要求。但完全用滿足這個判別條件來證明需要機組切換是存在例外的，會對系統造成影響。所以有必要在判別條件中加入延時的判斷。所謂延時判別，主要是當光不能滿足目前供電需求的時候，必須進行換機組的切換，還需要繼續保持一段時間，即在延時后才能進行切換操作；反之則不成立，也就不能進行切換操作[13]。因此，實際的機組切換應滿足延時條件且符合公式2-6和2-7所示。增加泵的判別條件：，（2-6）減少泵的判別條件：，（2-7）式中，是上限頻率，是下限頻率，是設定壓力，是反饋壓力。3系統的硬件設計3.1系統主要設備的選型電氣控制總框圖如下圖3-1所示。圖3-1系統的電氣控制總框圖由圖3-1可以看出，本文設計的供水系統主要的硬件設備選型包括PLC和擴展模塊、壓力液位變送器、頻率可變控制器水泵機組如表3-1。3.1.1PLC及其擴展模塊的選型可變頻率調速恒壓供水系統的重點部分是PLC，為了與外部交換數據、采集所有輸入輸出信號、控制定壓供給水，在選型時指令的執行速度、內存空間、通信接口等多方面因素要考慮在內。本文選擇的是S7-200型PLC，生產于德國SIEMENS公司，它特點如下：①高可靠性、緊湊的結構、簡單的通信協議、豐富的通信指令，可以連接工業控制計算機自動完成監測控制。使可編程控制器和上位機實現數據通訊交換可以通過PC/PPI電纜。②選用CPU222為PLC的主模塊。繼電器輸出是AC220V。③對于各種輸入信號，EM235通過開關可以進行設置，在接入數模轉換端口時轉換能自主進行。3.1.2變頻器的選型頻率可變控制器是這個系統的執行控制程序的硬件。頻率轉換器改變出水量是通過改變頻率來改變電機的轉速，因此需要根據電動機的電流和功率來選型。另外頻率轉換器需要具有通信功能才能實現監控整個供水系統的功能。變頻器為實現與上述PLC選型之間數據交換、信息通訊更便捷，則選擇西門子的MicroMaster430。特點如下：①可根據不同的需要自定義I/O端口功能。RS-485/232C接口在頻率轉換器本身內部就存在，還有它的閉環控制器PI在執行小控制流程時非常便捷。②輸出功率范圍為7.5至250KW，可在大功率、高要求的情況下應用。水泵電機功率為75KW，則該變頻器的輸出信號滿足成為該電機輸入信號的要求。③便于設備信息傳送和數據交流。PLC可與通信端口RS-485直接相連。3.1.3水泵機組的選型水泵機組的選型要根據要求并結合實際，選擇的3臺水泵是上海熊貓機械有限公司生產的功率為75KW的SFL系列。①網管水壓應是0.3±0.01Mpa，電動機正常工作時的功率為75KW。②與用水量變化幅度相同，運行應處于高效率區，節能效果好。③運行平穩，性能可靠。④它可以輸送清水等流質，低噪音、磨損小、壽命更長。一般用在城市給排水、空調冷卻系統等[15]。3.1.4壓力變送器的選型在泵站的出水口的常設裝置，主要有檢測管網水壓的功能。A/D轉換模塊的輸入信號是模擬量，而水壓信號為數字量，所以需要轉化為模擬量，范圍是4~20mA。干擾或者損耗是信號傳輸過程中不可避免的，所以壓力變送器選擇4~20mA輸出。①當發出壓力上限輸出信號則將水泵關閉并報警，防止用電器的損壞或水管爆裂等問題。②送給EM235模塊的進行PID調節的電流信號是4~20mA，上、下限壓力值可以通過設定來改變，繼電器執行輸出壓力超過限制的信號[16]。表3-1系統主要硬件設備主要設備型號及其生產廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU222模擬量擴展模塊SiemensEM235頻率可變控制器SiemensMM430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數顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.2系統主電路設計KM2、4、6決定以變頻方式工作。該供水系統是三個泵的工作方式是依次使用循環泵。在少量用水時，為避免同臺水泵工作時間過長，在變頻泵連續運行超過三小時則要換另一臺水泵。接觸器KM1、2，KM3、4，KM5、6需要電氣互鎖的設計因為如果它們同時閉合或斷開會造成變頻、工頻狀態工作紊亂[17]。圖3-2變頻恒壓供水系統主電路圖3.3系統控制電路設計設計選擇PLC為西門子S7-200系列具有自動變頻并實現壓力保持恒定的功能。圖3-3為電控系統控制電路圖，0.0~0.5為PLC輸出軟電器觸點，其中用于系統工作在可變頻率時的是0.1、0.3、0.5，則0.2、0.4用于工作在工頻狀態。如圖3-4為變頻器接線圖。圖3-3供水系統控制電路圖圖3-4變頻器接線圖3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線根據以上的控制要求，系統I/O端口分配如表3-2所示。表3-2I/O端口地址分配名稱代碼地址編號輸入信號自動/手動模式SA1I0.0水池水位上下限信號SLH/LI0.1/I0.2頻率可變控制器報警信號SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5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、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.1續表3-2名稱代碼地址編號2#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輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1頻率可變控制器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4頻率可變控制器頻率復位控制KAQ1.5頻率可變控制器輸入電壓信號UfAQW0結合圖3-3以及表3-2，畫出擴展模塊EM235示意簡圖如3-4所示。圖3-5擴展模塊EM235示意圖該供水系統包括1個模擬量和4個數字量一共5個輸入量。SA1是開關輸入量，送到I0.0是為了選擇工作模式是處于白天還是夜晚；水池水位信號是由液位變送器檢測到的，然后轉變成電信號在窗口比較器中設置不同的上下限值。若比較器輸出為1則意味著達到了上限值，把這個信號傳送到I0.1口；頻率轉換器的故障報警信號是將I0.2口與輸出端接通；手動檢查各燈運行是否正常是將SB7連接到I0.3。本文設計的系統有輸出信號模擬量1個和數字量11個。電機以工頻或變頻狀態工作輸出信號是Q0.0~Q0.5；超過水位上限的報警輸出信號是Q1.1；頻率轉換器故障的報警輸出信號是Q1.2；系統在白天工作則輸出信號為Q1.3；輸出電鈴報警信號的是Q1.4；頻率轉換器復頻輸出信號的是Q1.5；決定頻率轉換器輸出頻率大小的是AQW0輸出的模擬信號[18]。4系統的軟件設計4.1系統軟件設計分析結合設計要求，在設計完硬件后，軟件的設計應該要考慮能達到實現系統完整控制要求的目的。在控制系統中，頻率可變控制器通過PLC對反饋信號作單閉環控制。另外，程序應將手動頻率控制功能考慮在內。程序設計的主要任務是在執行程序之前，通過對各種信號來判斷當前的系統是否處于穩定運行狀態。而對于各操作任務的實現是通過操作變頻器、接觸器和繼電器等設備來完成的。（1）水泵切換運行實現恒壓效果要保持供水壓力不變，當壓力減小時頻率可變控制器輸出頻率就要增加。而且要根據實際情況考慮，及時判別達到輸出頻率上限時是否需啟動另一臺水泵。系統壓力控制程序的設計流程如下圖4-1。PLC對壓力檢測信號進行分析并與設定值比較。經過PID運算后使其與設定值相同，PLC改變頻率參數從而達到供水壓力恒定。當然中斷程序處理信號報警的設計也有必要。圖4-1恒壓控制流程圖增減水泵電機的管理由于電動機啟動時對電網及設備沖擊較大，所以采用軟啟動方式。軟啟動之前應該先將頻率可變控制器復位。要產生兩個脈沖信號，一個是將正在變頻運行的水泵以工頻運行的形式啟動，另一個是使在當前泵號加1的水泵以變頻運行的形式啟動。其次由3.4節系統設計要求來看，為了避免同一臺水泵長時間工作而導致設備的損耗或故障，水泵必須交替使用。因此當水消耗量少時，已經連續工作三小時以上的水泵從頻率可變控制器上切除，并以工頻工作狀態運行，而頻率可變控制器進行復頻操作并啟動另一臺新的水泵投入運行。對于該供水系統的兩種工作模式，在選擇自動運行時，PLC檢測外接信號，如果要求滿足，則將1號電機連接到變頻器以變頻狀態工作，并由壓力反饋來對頻率的大小做出調整[19]。按照2.2.3節流程要求控制如下圖4-2所示增減水泵。圖4-2電機增減主程序流程圖系統控制程序中提及的PLC元件如下表4-1所示。表4-1PLC元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T37工頻泵增泵濾波時間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD108PID計算值M0.0故障結束脈沖信號VD112比例系數KcM0.1水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD116采樣時間TsM0.2水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD120積分時間TiM0.3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間TdM0.4復位當前變頻泵運行脈沖VD204變頻運行頻率下限值M0.5當前泵工頻運行啟動脈沖VD208變頻運行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動脈沖VD250PID調節結果存儲單元M2.0泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號M2.1泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB301工頻運行泵的總臺數M2.2泵工頻/變頻轉換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器M3.0故障信號匯總T33工頻/變頻轉換邏輯控制M3.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉換邏輯控制T35工頻/變頻轉換邏輯控制4.2PLC程序設計本文開發PLC控制程序采用的是STEP7-MicroWIN-V40編程軟件，由西門子公司提供。指令集包含語句表、梯形圖和功能塊圖三種語言[20]。4.2.1控制系統主程序設計下圖4-3為主程序流程，主要有以下幾部分：（1）設置子程序初始化的調用。當系統投入運行時，要檢測各部分是否能正常運行。由子程序調用命令實現對頻率轉換器上下限值、PID參數的賦值。初始化后進行供水壓力給定值、運行水泵數量的設定。（2）增加或減少工頻泵投入數量。PID輸出信號≥頻率轉換上限且水泵工作平穩時，增加或減少水泵數量要在定時器設置的計時5分鐘后才執行。PID輸出信號≤頻率轉換下限亦然[21]。圖4-3供水系統主程序流程圖（3）確定變頻泵號；頻率轉換啟動脈沖信號→Q0.1為高電平→閉合KM2常開→頻率轉換器運行→1號以變頻狀態工作→打開KM2常閉→KM1線圈失電→互鎖→KM2常開自鎖。圖4-4是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖。（4）控制各水泵的工作狀態；工頻啟動脈沖信號→Q0.0為高電平→KM1線圈得電→閉合KM1常開→1號以工頻狀態工作→打開KM1常閉→KM2線圈失電→互鎖→KM1常開自鎖。圖4-5是以2#泵為例的工頻運行控制流程圖。（5）進行報警和故障處理。發生報警時，對應水池水位超限和頻率轉換器故障的警報燈亮鈴響。發生故障后，變頻器頻率被復位，并且根據實際情況設置新的水泵投入運行。故障結束信號在故障完成后發出[22]。圖4-42#泵變頻/工頻運行控制流程圖4.2.2控制系統子程序設計（1）SBR_0初始化子程序變頻運行的上下限頻率初始化，程序梯形圖如圖4-6所示。圖4-6子程序初始化梯形圖（2）PID控制中斷子程序[23]具體程序梯形圖如圖4-7所示。圖4-7PID控制INT_0梯形圖5監控系統的設計5.1組態軟件簡介（1）圖形界面系統：系統工作運行時圖形畫面；（2）實時數據庫系統：實時存儲現場數據參數；5.2監控系統的設計5.2.1組態王的通信參數設置如下圖5-1所示，在出現的對話框中設置波特率為19200bit/s。圖5-1串行通信接口參數設置圖5-2通信協議的設置5.2.2新建工程與組態變量新建恒壓供水系統工程，如圖5-3新建輸入輸出變量。圖5-3定義變量對話框5.2.3組態畫面用同樣的方法組態所有變量如圖5-4。建立新的畫面→繪制動態監控的畫面→編寫控制流程程序→建立按鈕、指示燈的組態。圖5-4數據詞典中的變量列表5.2.4監控系統界面在本系統中，根據需要共開發了5個界面，系統運行主監控界面如圖5-5所示。圖5-5恒壓供水系統監控界面6結論本文結合生活實際，設計的恒壓供水系統是以PLC以及頻率轉換器為主要控制系統。A/D轉換模塊將壓力傳感器檢測到的數字信號變成標準的電信號，通過CPU的PID算法處理的差異，然后由CPU發出控制指令，泵的數量和轉速隨著頻率轉換器的頻率和輸出電壓而變化。要達到供水能力與用水的平衡，只要通過改變供水量大小即調整水泵性能曲線，這樣就能使管網壓力恒定。此外，變頻恒壓供水是以PLC為基礎，并與供水泵、壓力表等設備相結合，實現切換水泵、運行監控、數據報警的功能。該系統具有簡單可靠、節能高效、減少污染等等優點，可廣泛應用于高層建筑、居民小區、企業生產等方面。致謝隨著論文的完成同時也宣告了我的大學生涯在這里就接近尾聲了，從最初的選題，開題報告答辯再到中期提交初稿，這一路走得也很是曲折，但在老師同學的幫助下順利的完成，真的很感謝大家。首先，我要特別感謝我的指導老師對我的悉心指導，從帶我們選題到答辯，都對我的論文寫作給予了大量的幫助與指導，無法面對面交流，我們就通過郵箱，每一次寫作上