基于PLC变频调速恒压供水控制系统的设计谌坚

1、湖南冶金职业技术学院湖南冶金职业技术学院（2010 届）届） 专科毕业设计（论文）专科毕业设计（论文） plc 的变频调速恒压供水系统 学学 院（部）：院（部）： 电气与信息工程系电气与信息工程系 专专 业：业： 机电一体化机电一体化 学学 生生 姓姓 名：名： 谌谌 坚坚 班班 级：级： 机电机电 07230723 学号学号 3131 指导教师姓名：指导教师姓名： 袁川来袁川来 职称职称 副教授副教授 最终评定成绩最终评定成绩 2010 年 05 月 22 日 基于 plc 恒压供水变频控制系统设计 摘 要 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提 高。再加上目前能

2、源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设 计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。 本论文依据供水要求，设计了一套由 plc、变频器、远传压力表、多台水泵 机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工 频运行和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题， 并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。 论文分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转 工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电 气设计方案和 plc 控制程序设计方案。 论文还提出了一些增强系统运行可靠性的措施。

3、 关键词： 变压变频调速, 恒压供水, plc plc-based inverter contrl constant pressure water supply system design abstract with the rapid socio-economic development of water quality and water supply systems to improve reliability requirements. in addition, the current energy shortage, the use of advanced automation te

4、chnology, control technology and communication technology, the design of high performance, high energy, able to adapt to different areas of constant pressure water supply system has become an inevitable trend. in this paper, based on water requirements, the design of a set by the plc, frequency conv

5、erter, far eastone pressure, multi-pump unit consisting of major equipment such as automatic frequency conversion constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency run and on-site features such as manual control. system to effectively solve the traditio

6、nal way of water supply problems, and have a variety of auxiliary functions, and enhance the reliability of the system. paper analyzes the various ways water pump the state water supply and conversion conditions, analysis of the motor to change jobs by the frequency of the switching frequency operat

7、ion and problems of the process. given the state of the cycle to achieve an effective change of control of the electrical design and plc control program design. also made a number of papers to enhance system reliability measures. key words: vvvf speed control, constant pressure water supply, plc 目 录

8、 前 言 .1 第 1 章 恒压供水原理及工艺 .2 1.1 任务.2 1.2 工艺要求.2 1.3 系统的组成和基本工作原理.2 第 2 章 plc 概述.3 2.1 plc 组成.3 2.1.1 lc 的输入.3 2.1.2 plc 的输出.3 2.1.3 plc 的控制机制.3 2.1.4 plc 的定义.5 2.1.5 plc 的特点.5 2.1.6 plc 的性能指标.6 2.1.7 plc 的分类.7 2.2 plc 工作原理 .7 2.2.1 循环扫描 .7 2.2.2 i/o 响应时间.8 2.2.3 plc 中的存储器.9 第 3 章 系统硬件设计 .10 3.1 恒压供水系

9、统的基本构成.11 3.2 系统控制要求.13 3.3 控制系统的 i/o 点及地址分配 .14 3.4 系统选型.17 3.5 plc 模拟量控制单元的配置以及应用.17 3.5.1 em235 模拟量工作单元性能指标 .18 3.5.2 校准及配置 .18 3.5.3 em235 的安装使用 .18 3.5.4 em235 工作程序编制 .18 3.5.5 电气控制系统原理图 .20 第 4 章 系统程序设计 .23 4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理.23 4.2 泵组泵站泵组管理规范.23 4.3 程序的结果以及程序功能的实现.23 结 论 .33 致谢 .34 参考文献

10、 .35 外文资料翻译 .36 前 言 随着各住宅小区的宿舍楼等一座座高楼拔地而起，相应的生活用水量也大幅 度增加。人们对提高供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的 可靠性的要求越来越强。采用变频器及 plc 技术实现的无塔恒压供水系统，不仅 能提高供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。其中，采用变 频调速的主要目的是通过调速来恒定用水管道的压力以达到节能的目的，恒压供 水则是为了满足用户对流量的要求。 变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小 区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备 （如水泵） ，在对原有供水

11、系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论 上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔 供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好 的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势， 同时有效的节省了资金。 应用 plc 技术是为了实现系统的软启动，减少手动操作或抚慰操作，同时替 代部分继电器减少机械触点的故障，增强可靠性。下面笔者根据这方面的工作经 验谈谈在恒压供水系统设计和实践过程中的一些思路和做法。 第 1 章 恒压供水原理及工艺 1.1 任务 随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。以方面要求

12、提 高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可 靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式 和控制系统应运而生，这就是 plc 控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统 包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制即双恒压系统。恒压供水保 证了供水的质量，以 plc 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统 的可靠性。 1.2 工艺要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： 1. 生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； 2. 三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； 3. 在用水量小的

13、情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3h，则要切换到 下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； 4. 三台泵在启动时要又软启动功能； 1.3 系统的组成和基本工作原理 以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水 用高低水位控制器 eq 来控制注水阀 tv1，它们自动把水注满储水池，只要水位 低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也直接送给 plc，作为 底水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很 大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 yv2 处于失电状态，关闭消 防管网，三台泵根据生活用水的多少，

14、按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒 压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀 yv2 得电，关 闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也 在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使 用。 第 2 章 plc 概述 2.1 plc 组成组成 2.1.1 plc 的输入 通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。plc 要 想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在 开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入 plc 并被 plc 所 识别，对此就需要解决以下几个问

15、题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问 题和互相干扰问题。plc 就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计 算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：一是 i/o（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是 计算机的 i/o 功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。现在的 plc 成功的解决了这 两个方面的问题，可以让 plc 和外部设备直接进行物理的连接。计算机的内部提 供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功 能，这也是 plc 能够迅速发展的原因。 2.1.2 plc 的输出 输出问题主要是接点的驱动能力问题

16、，或者说是带负载能力和输出方式的问 题。输出动作次数的限制，是保证 plc 的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样 的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。现在的 plc 产品已经完 全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的 产品。 2.1.3 plc 的控制机制 plc 已经完全取代继电器控制系统。只要对其控制机制有了准确的理解，才 能对其持续的开发并创造性的使用它。i/o 电路已经保证了 plc 与现场设备的直 接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。但是，为了取代继电器的控制，更重 要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。

17、在 这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点 在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。 同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转） ，控制的结果、逻辑 动作顺序也是由接点条件来控制的。这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。 主要体现在：一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。plc 充分 利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式， 使它的控制能够完全代替继电器的控制。具体的说就是将连续的控制用离散的控 制代替，如下式： y(n)=f(x(n-1),y(n-1) 式中，y（n）为某一时

18、间段的输出值； y（n-1）为上一时间段的输出值； x（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值； f 为他们应满足的控制关系。 即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。 至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输 出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。真实的输出已表现在端子的接 点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全 可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。这样只要 时间段足够短，并且 plc 周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取 代它2。 由于采用集中 i/o 的思想，

19、其 i/o 状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算 机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。 如图 2-1 所示，plc 与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了 i/o 功能 的可与控制对象方便连接的计算机。其完成控制的实质是按一定算法进行 i/o 变 换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。 1. 输入寄存器 输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的 状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。cpu 可以读其值， 但是不可以写或进行修改。 2. 输出寄存器 输出寄存器的每一位都表明了 plc 在下一个时间段的输出值，而程序循环执 行开始时的输出寄

20、存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过 程中，cpu 可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换 仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段 的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。 3. 存储器 存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是 由厂家开发固化好了的，用户不能修改，plc 要在系统程序的管理下运行。用户 存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，i/o 寄存器的值作为条件决定 着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。 4. cpu 单元 cpu 单元控制着 i/o 寄存

21、器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解 释执行工作，是 plc 的大脑。 5. 其他单元接口 其他单元接口用语提供 plc 与其他设备和模块进行连接通信的物理条件。 系统存储器 用户存储器 cup 其他接口电路 输 入 电 路 输出寄存器 输出电路 输入寄存器 输入量 图 2-1 plc 的组成 2.1.4 plc 的定义 最初，可编程逻辑控制器（programmable logic controller）简称 plc。只能 进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987 年 2 月，国际电工委员会（iec）对 可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在 工业环境

22、下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数 字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其 有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设 计。 2.1.5 plc 的特点 1. 可靠性高。在 i/o 环节，plc 采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程 序和大部分的用户程序都采用 eprom 存储，一般 plc 的平均无故障工作时间可 达几万小时以上。 2. 控制功能强。plc 采用的 cup 一般是具有较强位处理功能的为处理机， 为了增强其复杂的控

23、制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双 cpu 的运行方 式，使其功能得到极大的增强。 3. 编程方便易学。第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来 工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。 4. 使用于恶劣的工作环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒 气体等的应用场合。 5. 与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可坼装的活动端子排，提供不 同的端子功能适合于多种电器规格。 6. 体积小、重量轻、功耗底。 7. 性价比高。 8. 模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装， 一种型号的 plc 可用于控制从几个 i/o

24、点到几百个 i/o 点的控制系统。 9. 维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的 改变非常灵活。 2.1.6 plc 的性能指标 1. 存储容量 这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、 小型 plc 的存储容量变化范围一般为 2kb2mb。 2. i/o 点数 i/o 点数，即 plc 面板上的 i/o 端子的个数。i/o 点数越多，外部可以连接的 i/o 器件就越多，控制规模就越大。它是衡量 plc 性能的重要指标之一。 3. 扫描速度 扫面速度是指 plc 执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机 控制取代继电器控制的吻合程度

25、。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性 和稳定性。 4. 指令的多少 它是衡量 plc 能力强弱的标志，决定了 plc 的处理能力、控制能力的强弱。 限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。 5. 内部寄存器的配置和容量 它直接对用户编制程序提供支持，对 plc 指令的执行速度及可完成的功能提 供直接的支持。 6. 扩展能力 扩展能力包括 i/o 点数的扩展和 plc 功能的扩展两方面的内容。 7. 特殊功能单元 特殊功能单元种类多，也可以说 plc 的功能多。典型的特殊功能单元有模拟 量、模糊控制连网等功能。 2.1.7 plc 的分类 不同的分类标准会造成不同的分类结果，plc

26、常用的分类方式有如下两种。 按其 i/o 点数一般分为微型（32 点以下） 、小型（128 点以下） 、中型（1024 点以下） 、大型（2048 点以下） 、超大型（从 2048 点以上可达 8192 点以上）5 种。 按结构可分为箱体式、模块式和平板式 3 种。 2.2 plc 工作原理 2.2.1 循环扫描 cpu 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。cpu 的扫描周期包括读 输入、执行程序、处理通讯请求、执行 cpu 自诊断测试及写输出等等内容。 plc 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他意识周而复始的循环 扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组

27、成部分， 用户程序不运行时，plc 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输 入、写输出这几部分的内容。典型的 plc 在一个周期中可以完成以下 5 个扫描过 程。 1. 自诊断测试扫描过程。为保证设备的可靠行，及时放映所出现的故障， plc 都具有自监视功能。 2. 与网络进行通讯的扫描过程。一般小型系统没有这一扫描过程，配有网 络的 plc 系统才有通讯扫描过程，这一过程用于 plc 之间及 plc 与上位计算机 或终端设备之间的通信。 3. 用户程序扫描过程。机器处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包 含该扫描过程。该过程在机器运行中是否执行是可控的，即用户可以通过软件进 行设

28、定。用户程序的长短会影响过程所用的时间。 4. 读输入、写输出扫描过程。机器在正常运行状态下，每一个扫描周期都 包含这个扫描过程。该过程在机器运行中是否被执行是可控的。cpu 在处理用户 程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际 输出点，而是在内存中设置了两个映象寄存器：一个为输入映象寄存器，另一个 为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映象寄存器的值，运算结果也 放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中，cpu 把实际输入点的状态锁入到输入 映像寄存器：在输出扫描过程中 cpu 把输出映像寄存器的值的输出点。 循环扫描有如下特点： 1. 扫描周期周而复始地进行

29、，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。 2. 输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内 输入映像寄存器的值保持不变，cpu 采用集中输入的控制思想，只能使用输入映 像寄存器的值来控制程序的执行。 3. 对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。 4. 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是 plc 的主要 缺点。 在读输入阶段，cpu 对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的 状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，cpu 按照先左后右、先 上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状 态执行

30、用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程序执行期间，即使 输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变输入端子状态变 化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。 输入/输出采用映象寄存器的优点： 1. 集中采用 i/o，程序扫描期间输入值固定不变，程序执行完后统一输出。 种集中 i/o 的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一，使系统更 加稳定可靠。 2. 程序执行时，存取映象寄存器要比读写 i/o 端点快的多，这样可以加快程 序执行速度。 3. i/o 点必须按位存取，而映象寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取， 增加了程序的灵活性。 2.2.2 i/o 响应时间

31、 由于 plc 采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周 期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。 扫描周期越长，滞后现象越严重。 响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。 1. plc 输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用 越强。输入延迟是由硬件决定的，有的 plc 滤波器时间常数可调。 2. 从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形 式，其值大小不同。它也是由硬件决定的，对于不同信号的 plc 可以通过查表得 到。 3. 程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，

32、编程人 员须对此进行现场测算，使 plc 的响应时间控制在系统允许的范围内。 在最有利的情况下，输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间，称 为最小 i/o 响应时间。在最不利的情况下，输入点的状态恰好错过了输入的锁入 时刻，造成在下一个输出锁定才能被响应，这就需要两个扫描周期时间，称为最 大 i/o 响应时间。它们是由 plc 的扫描执行方式决定的，与编程方法无关。 2.2.3 plc 中的存储器 plc 中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据 存储器。 1. 系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 plc 的指令的系统编写的 系统程序，它决定了 plc 的功能

33、，用户不能更改其内容。 2. 用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。 第 3 章 系统硬件设计 学习 plc 的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对于设计一个较大的 plc 控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要用 以下设计步骤来进行系统设计。 随着 plc 功能的不断完善和提高，plc 几乎可以完成工业领域的所以控制任 务。但是 plc 还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析 被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现 在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况 下也可

34、以取代工业控制计算机（ipc）作为主控器 控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定 plc 的控制范围。一般来说， 能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部 分都由 plc 控制来完成。 当某一个控制任务决定由 plc 来完成后。选择 plc 就成为最重要的事情。 一方面是选择多大容量的 plc，另一方面是选择什么公司的 plc 以及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 i/o 点找出来， 包括开关量 i/o 模拟量 i/o 以及这些 i/o 点的性质。i/o 点是性质主要是指他们是 直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点

35、的类型非常关键，如 果它们之中既有交流 220v 的接触器、电磁阀，又有直流 24v 的指示灯，则最后 选用的 plc 的输出点有可能大于实际点数。因为 plc 的输出点一般是几个一组 共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。 对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1. 功能方面 所有 plc 一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求， 就要知道所选用的 plc 是否有能力完成控制任务。如对 plc 与 plc、plc 与智 能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对 plc 的计算速度、用户程序容 量有特殊要求的；或对 plc 的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市

36、场上流 行的 plc 品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。 2. 价格方面 不同厂家的 plc 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相 当、i/o 点数相当的 plc 的价格能相差 40%以上。在使用 plc 较多的情况下，这 样的差价必须是需要考虑的。 输入/输出信号在 plc 接线端子上的地址分配是进行 plc 控制系统设计的基 础。对软件设计来说，i/o 地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和 plc 的外 围接线来说，只有 i/o 地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配 人员根据线路图和安装图安装控制柜。 系统调试分模拟调试和联机调试 硬件部分的模拟调试可在断开主电路

37、的情况下，主要试一试手动控制部分是 否正确。 软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和 plc 输出端的输出指示灯进行。需 要模拟量信号 i/o 时，可用电位器和万用表配合进行。调试时。可利用上诉外围 设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察 plc 的输出逻辑是否正确。如果 有错误则修改后反复调试。现在 plc 的主流产品都可以在 p 机上编程，并可以在 电脑上直接进行模拟调试。 联机调试时，可以把编制好的程序下载到现场的 plc 中。有时 plc 也许只 有这一台，这时就要把 plc 安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电 路断电，只对控制电路进行联调即可。通过现场联调信号的接入常常

38、还会发现软 件以及硬件中的一些问题，有时厂家还需要对某些控制功能进行改进，这种情况 下，都要经过反复测试系统后，才能最后交付使用。 产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压就越高。传统的维持 水压的方法就是建造水塔，水泵开者时将水打到水塔中，水泵休息时借助水塔的 水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能够 维持供水管路中水呀的基本恒定。 但是建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。不用水塔，而要解 决水压随用水量大小变化的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量 或提高水泵的转动速度以保证管网中的水压不变，用水量小时又需作出相反的调 节。这就是恒

39、压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可 设想的，但是今天办到这一点已经变的很容易了，交流变频的诞生为水泵转速的 平滑连续调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子设备，输入三 相工频交流电后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。 建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么可不可以不借助 水塔来实现恒压供水？答案是肯定的，但是要解决水压随用水量的大小变化的问 题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保持 管网中水压的不变，用水量小时又需要做出相反的调节。这就是恒压供水的基本 思路，这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可以想象的，但是

40、在今天办到 这一切已经边的很容易了。 3.1 恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。 配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少十开一台大电机肯 定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。而且水泵和电机都有维修的时候， 备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管压网水呀的恒定，水泵电机的转 速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。这也有两种配置方 式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切 换，但是购买变频器的费用较高。另一种方案是数台电机陪一台变频器，变频器 与电机见可以切换，供水运行时

41、，一台水泵变频运行，其余水泵共频运行，以满 足不同用水两的需求。 下图为恒压供水泵站的示意图。如图 3-1 所示，图中压力传感器用于检测管 网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时， 水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 水箱 调节器变频器 电动机 水泵 压力传感器 用户 图 3-1 变频恒压供水站的基本组成 调节器是一种电子装备,在系统中完成以下几种功能: 1. 设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远， 用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值， 另外有些供水系统可能有多种供水目的

42、，如将生活用水与消防用水共用一个泵站， 水压的设定值可能不只一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值 设定功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。 2. 接受传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置 称为反馈，调节器实反馈的接受点。 3. 根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节 器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。 如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速， 如果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号 控制。为了实现调节的快速性与

43、系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问 题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称 pid 调节。调节器的 调节参数，如 p、i、d 参数均是可以由使用者设定的，pid 调节过程视调节器的 的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节 器。 调节器的输出信号一般式模拟信号，420ma 变化的电流信号或 010v 间 变化的电压信号。信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。 下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图 3-2 所示，市网来水用高低水位控制器 eq 来控制注水阀 tv1，它们自动把水注 满储水池，只

44、要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也 直接送给 plc，作为底水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器 高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 yv2 处 于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运 行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电 磁阀 yv2 得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的 大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台 泵再改为生活供水使用 水池 yv1 1# 2# 3# 消防用水 生活用水 市网来水 eq 图

45、3-2 生活消防双恒压供水系统构成图 3.2 系统控制要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： 1. 生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； 2. 三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； 3. 在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3h，则要切换到 下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； 4. 三台泵在启动时要又软启动功能； 5. 要有完整的报警功能； 6. 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。 3.3 控制系统的 i/o 点及地址分配 plc 要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时

46、要能够发出控制信号控 制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。plc 是通过 i/o 单元完成此工作的。 i/o 单元是 plc 与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的 信号，以实现被控设备与 plc 的 i/o 接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转 换、a/d 与 d/a 转换等功能。输入单元接受现场设备向 plc 提供信号，包括人 为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器 触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光 电隔离、电平转换等处理后，变成 cup 能够接受和处理的信号。输出单元将经 过 cup 处理的弱

47、电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需 要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、 调速装置等9。 根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如 下表 3-1 及 3-2 所示。水位上下限信号分别位 i0.1、i0.2，它们在水淹没时为 0， 露出时为 1。 表 3-1 输入输出点代码及地址编号 名 称 代 码 地址编号 手动和自动消防信号 sa1i0.0 输 入 信 号 水池水位下限信号 slli0.1 表 3-2 模拟量扩展模块 em235 输入/输出技术规范 水池水位上限信号 slhi0.2 变频器报警信号 sui0.3

48、消铃按钮 sb9i0.4 试灯按钮 sb10i0.5 远程压力表模拟量变 压值 uaiw0 1#泵工频运行接触器 及指示灯 km1，hl1q0.0 1#泵变频运行接触器 及指示灯 km2，hl2q0.1 2#泵工频运行接触器 及指示灯 km3，hl3q0.2 2#泵变频运行接触器 及指示灯 km4，hl4q0.3 3#泵工频运行接触器 及指示灯 km5，hl5q0.4 3#泵变频运行接触器 及指示灯 km6，hl6q0.5 输 出 信 号 生活/消防供水转换 电磁阀 yv2q1.0 水池水位下限报警指 示灯 hl7q1.1 变频器故障报警指示 灯 hl8q1.2 火灾报警指示灯 hl9q1.3

49、 报警电铃 haq1.4 变频器频率复位控制 kaq1.5 输 出 信 号 控制变频器频率用电 电压 ufaqw0 输 入 技 术 规 范输 出 技 术 规 范 最大输出电压30vdc隔离（现场到逻辑）无 最大输入电压32ma 输入滤波衰减-3db，3.1khz 分辨率12 位 a/d 转换器 信号范围 电压输出 电流输出 10 020 ma 隔离否 输入类型差分 输入范围 分辨率，满量程 电压 电流 12 位 11 位 电压单极性010v，05v 01v，0500mv 电压 电流 - 32000+32 000 0+32000 精度 最差情况 055 电压输出 电流输出 2%满量 程 2%满量

50、 程 电压双极性 电流 0100mv,050mv 10v，5v，2.5v 1v，500mv，250mv 100mv, 50mv, 25mv 020ma 输入分辨率 ad 转换时间 250s 模拟输入阶跃响应1.5 ms 到 95% 精度 最差情况 055 电压输出 电流输出 典型，25 电压输出 电流输出 2%满量 程 2%满量 程 5%满量 程 5%满量 程 3.4 系统选型 从上面分析可知，系统共有开关量输入点 6 个、开关量输出点 12 个；模拟 量输出点 1 个、模拟量输出点 1 个。如果选用 cpu 224 plc，也需要扩展单元； 如果选用 cuo 266 plc 则价格较高，浪费

51、较大。参照 s7 200 的产品目以及市 场实际价格，选用主机为 cup222（8 入/6 继电器输出）一台，加上一台扩展模 块 em222（8 继电器输出） ，再扩展一台模拟量模块 em235（4ai/1ao） 。这样的 配置是最经济的。整个 plc 系统的配置如图 3-3 所示。 图 3-3 plc 系统组成 s7-200plc 是德国西门子公司生产德一种小型 plc，其许多功能达到大、中 型 plc 的水平，而价格却和小型 plc 一样，因此，它一经退出，即受到了广泛 的关注。特别是 s7-200cup22*系列 plc。由于它具有多种功能模块和人机界面 （hmi）可供选择，所以系统的集

52、成非常方便，并且可以很容易的组成 plc 网络。 共模抑制4db,dc 到 60hz 共莫电压信号电压加共加模电压12v 24vdc 电压范围20.428.8v 数据字格式 双极性，满量程 单极性，满量程 -32000+32000 032000 设置时间 电压输出 电流输出 100s 2ms 主机单元 cup222 ac/dc 继电器 扩展单元 em222 8 点继电器 模拟量单元 em235 4ai/1ao 3.5 plc 模拟量控制单元的配置以及应用 plc 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，了使 plc 能完成模拟量的处 理,常见的方法是为整体式 plc 加配模拟量扩展单元。模拟量扩

53、展单元可将外部 模拟量转化为 plc 可处理的数字量及将 plc 内部运算结果数字量转换为机外可 以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于 模/数转换的，单独用于数/转换的，也兼有模/数和数/模两种功能的，以下介绍 s7-200 系列 plc 的模拟量扩展模块 em235，它具有四路模拟量输入及一路模拟 量输入，可以用于恒压供水控制中。 3.5.1 em235 模拟量工作单元性能指标 为能适用各种规格的输入、输出两，模拟量处理模块都设计成可编程，而转 换生成的数字量一般具有固定的长度及格式。模拟量输出则希望将一定范围的数 字量转换为标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口。上表中，输入、输

54、出信号范围栏给出了 em235 的输出、输入信号规格，以供选用。 3.5.2 校准及配置 模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的 信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以 及调满度。 3.5.3 em235 的安装使用 1. 根据输入信号的类型及变化范围设置 dip 开关，完成模块的配置工作。必 要时进行校准工作。 2. 完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入 方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线 路尽可能短，且应使用屏蔽双绞线，要保证 24vdc 传感器电源无噪声、稳定可 靠

55、。 3. 确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。s7-200 扩 展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块 0 开始编号。模块安装完毕后， 将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。 4. 为了在主机中进行输入模拟量转换后数字处理及为了输出需要在模拟量单 元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量 输入 aiw 及模拟量输出 aqw 单元安排由模拟量模块送来的数字量及待入模块转 变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区 v 区存放处理产生的的中间数 据。 3.5.4 em235 工作程序编制 em235 的工作程序编制包括以下的内容： 1.

56、 设置初始化主程序。在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清 零的工作，为开始工作做好准备。 2. 设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接的正确性以及模块工作的 正确性。 3. 设置子程序完成采样以及相关的计算工作。 4. 工程所需的有关该模拟量的处理程序。 s7-200plc 硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量 的输入/输出（i/o）点，同时还可以扩展 i/o 模块和各种功能的模块。 一个完整的系统组成如图 3-4 所示。 编程工具 cup主机扩展模块 功能模块 人机界面通讯设备 图 3-4 s7-200 plc 系统组成 （1）基本单元 基本单元（basic

57、 unit）有时又称 cup 模块，也有的称之 为主机或本机。它包括 cup、存储器、基本输入/输出点和电源等，是 plc 的主 要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。 （2）扩展单元 主机 i/o 点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根 据需要扩展各种 i/o 模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的 i/o 点 数时由多种因素共同决定的。 （3）特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务，需要扩展功能 模块。它们是完成某些特殊控制任务的一些设置。 （4）相关设备 相关设备是为了充分和方便地利用系统的硬件和软件资源 而开发和使用的一些设备，主要有编

58、程设备、人机操作界面和网络设备等。 （5）工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之 相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机借口软件等几大 类构成。 em235 安装使用 1. 根据输入信号的类型以及范围设置 dip 开关，完成模块的控制工作。 2. 完成硬件的接线工作。 3. 确定模块安装入系统时的位置，并由按装位置确定模块的编号。 4. 为了主机中进行输入模拟量转换后数字量以及待送入模块转变为模拟量 输出的数字量。 3.5.5 电气控制系统原理图 电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图以及 plc 外围接线图。 1. 主电路图如下图 3-5 所示为电

59、控系统主电路图。三台电机分别为 m1、m2、m3。接触 km1、km3、km5 分别控制 m1、m2、m3 的工频运行； 接触器 km2、km4、km6 分别控制 m1、m2、m3 的变频运行， fr1、fr2、fr3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器； qs1、qs2、qs3、qs4 分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关；fu1 为 主电路的熔断器，vvvf 为简单的一般变频器。 图 3-5 电控系统主电路 2.控制电路图 图 3-6 所示电控系统控制电路图。图中 sa 为手动/自动转换开关，sa 打在 1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按

60、钮 sb1sb2 控制三台泵的启/停和电磁阀 yv2 的通/断；自动运行时，系统在 plc 程序控制下运行。 图中的 hl10 为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提 供一个干触点信号，由于 plc 为 4 个输出点为一组共用一个 com 端，而本系统 又没有剩下单独的 com 端输出组，所以通过一个中间继电器 ka 的触点对变频 器进行复位控制。图中的 q0.0q0.5 及 q1.0q1.5 为 plc 输出继电器触点，它们 旁边的 4、6、8 等数字为接线编号，可结合 plc 外围接线图一起读图。外围接线 图如图 3-7 所示。 1 20 sb1 km1 sb2 q0.0