恒压供水系统方案设计书69285

1、目 录第一章绪论 11.1 引言 11.2 楼宇供水系统的控制要求11.3 楼宇供水系统的工作原理21.4 楼宇供水系统的工作原理31.5 系统主要特点 5第二章恒压供水控制硬件系统的设计72.1 PLC的特点 72.2 PLC的硬件系统 82.3 恒压供水控制系统PLC的选择和功能 82.4 恒压供水控制系统设计要点92.5PLC控制系统设计与调试的一般步骤92.6 变频调速恒压供水系统功能说明122.7 变频调速恒压供水系统电路图13第三章变频调速恒压供水系统软件设计193.1 PLC应用系统的软件设计内容193.2 PLC应用系统的软件设计步骤193.3 编程的基本原则 193.4 系统

2、软件流程图 203.5 供水系统主程序设计213.6 供水系统的子程序设计243.7 供水系统的中断程序设计243.8 储存器功能表与整体程序分析25结论与体会 26主要参考材料： 27附录 1：系统的主程序指令28附录 2：系统的子程序指令附录 3：系统的中断程序指令3031第一章 绪论1.1 引言由于生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节 ,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故,同时也浪费了大量能源。为了节约电能,又能保证正常用水 ,供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速,将供水压力控制在一定范

3、围之内，既满足了变化的用水需求，也起到了节能降耗的目的。恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，恒压供水对水泵、电机也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，延长了设备的使用寿命。但是，变频恒压供水系统存在如下不足：（1）由于供水系统出口压力与实际用水需求存在较大的滞后性，供水系统存在较大的周期性压力波动。（2）变频范围只有在离心泵的特性曲线最佳工作范围内，也就是下调频率10%30%才能

4、显示出其最大的节能效益，如再往下调频率，就会出现水泵运转而不出水的工况，即超出了离心泵的极限工作范围。（3）在深夜用水量很小的时候，水泵在变频器控制下较长时间内低频 ( 速) 运转对水泵机械工况不利，同时耗能增加，约为额定功率的 25%。针对上述问题，以 PLC为核心，采用模糊控制技术和压力补偿策略实现的变频恒压供水控制系统较好地解决了上述问题。1.2 楼宇供水系统的控制要求变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用 PLC 作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。设

5、计可编程控制器程序实现对恒压供水系统的控制有两个基本要本要求。水泵的启停根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵， 10S 后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时，切断一台水泵， 10S后高压信号仍存在，切断下一台。每台泵在启动时要有软启动功能。水泵启停切换原则恒压供水系统主要是由几个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求几台水泵的运行时间和频率尽可能一致。也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断时则先停止运转时间最长的那台。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。按照实际需要，还可以确定恒压供水系统主要

6、控制要求如下：系统控制生活和消防水管网供水。生活用水泵组也可做消防供水的备用，消防泵组也可参与生活泵组的交替使用。系统能根据设定压力自动调节水泵转速和水泵运行台数，使设备运行在高效节能的最佳状态。系统应采用闭环控制能自动调节设定压力和管网实际水压的差值，使管网供水压力始终保持恒定。系统具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护。水泵运行如有故障，则自动停止工作并报警输出，然后进行故障判断并自动启动备用泵等。采用各种措施尽可能使系统在安全运行的情况下达到节能的目的。1.3 楼宇供水系统的工作原理楼宇供水系统的构成本文的供水系统可适用于生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水。以两台水泵组成的供水

7、系统为例，变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、变频器、人机界面、上位连接以及报警装置等部分组成。其工作过程：首先检测给水池液位保护开关是否动作，否则直接由变频器启动第一台水泵；同时由远传压力表测出出水口管路水压，将模拟量送到控制器，与给定水压值（设定上下限）比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。当变频器频率到达最大或最小时，由控制增加水泵或减少水泵来实现恒压供水，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统。通常，在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量少时少开一台或两台。在采用变频器进行恒压供水时，就存在着所有的水泵配用一台变频器还是每台水泵配用一台

8、变频器的问题。这两种方案哪一种更好 呢？本文提出了用一台变频器控制多台电机的方案，既节约了投资，又达到了恒压供水的目的。供水系统由主供水回路、泵房组成，其中泵房装有2台泵。另外，还有多个电动闸阀或控制设备。系统需要供水量比较少时就开一台水泵向管网充压，供水量大时开 2台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件。采用以PLC控制的方式来实现对两台泵切换及工频变频的切换控制。用变频器实现电动机的调速运行。恒压供水系统主要由上位机、PLC、一台变频器、压力变送器、电机(M1和M2)、水泵组和气压罐组成，其中上位机、PLC和变频器组成系统

9、的核心，自动控制给水泵的投入台数和电机的转数，实现闭环自动调节恒压供水。两台变频器均具有内置 PID，可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。楼宇供水系统的构成原理图如图1.1 所示。操作信号压力信号PID变频器PLC限值信号切换装置1号泵2号泵图 1.1楼宇供水系统的构成原理图1.4 楼宇供水系统的工作原理考虑整个供水系统由 2台水泵组成，分成生活泵组和消防泵组，生活泵组主要用于生活管网供水，消防泵组用于消防状态下的消防用水补给( 同时生活泵组的恒速泵也作为消防泵组的恒速泵的备用) ，生活泵组和消防泵组定时倒换，并互相备用。因此消防和生活供水便成为既独立又互相联系的两

10、个系统( 每套系统由一台变速泵和一台恒速泵组成，同时生活泵组的恒速泵可作为消防泵的备用 ) ，被控量为消防和生活供水管网的压力信号。一般情况下由上位 PC机给定生活管网压力，然后与压力传感器所测管网实际压力进行比较，将差值送入变频器内置 PID进行运算，用结果控制变频器的频率输出，当管网压力低于给定值时， PID正向积分控制变频器输出，频率增加，水泵加速，管网压力将不断增大直到趋于设定值。反之，当管网压力高于给定值时， PID反向积分，变频器输出频率降低，水泵减速，管网压力将不断减小。当管网压力等于设定值时，变频器频率保持恒定，管网水压也基本恒定。当用水量过大时，调速全速运行也不能满足管网压力

11、恒定，压力的下限信号和变频器的工频信号同时被系统检测到时，PLC将自动投入一台恒速泵，增加一供水固定值，仍由调速泵调至恒压。变频器的输出频率在 0 50Hz之间变化，频率越高，水泵的出口压力越大。调节变频器的输出频率，就可以改变水泵的输出能力。我们采用的是差动式压力传感器，安装在水泵的出水管道上，用于水压的闭环控制。同时启动必须为变频启动，以保证较小的启动电流和较大的启动转矩。压力信号通过 PID调节器驱动变频器，然后通过报警表的限值输出控制 PLC切换泵的运行状态。加上启动信号后，首先 1#号泵变频启动，延时 10S后（延时目的使压力稳定下来），如压力信号为正常值则保持变频运行；如压力信号为

12、下限则 1#号切换工频，同时延时 1S后（延时目的使开关熄弧，防止短路）把 2号投入变频运行；如果运行一段时间水压较低（正常值的低值），则把 2号也切换为工频运行，以保证供水压力；如达到较高压力（正常值的高值）则把其中一台切换为变频运行，另一台工频运行；如达到上限值则切除工频，保持变频运行。若仍为上限值则 1、2号泵停机。若恢复到正常值则按流程图的正常值条件运行。根据上面的对于供水系统的分析，首先由上位机给定压力值，然后系统按控制过程通过变频器和PLC的控制迅速使消防管网压力到达设定值附近。基于PLC和变频器的恒压供水控制系统工作原理图如图1.2 所示。图 1.2恒压供水控制系统工作原理图1.

13、5 系统主要特点为了避免启动时的冲击电流，电机采用变频启动方式，从变频器的输出得到逐渐上升的频率和电压。启动前变频器要复位。根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率，从而调节电动机和水泵的转速，实现恒压供水。如设备的输出电压和频率上升到工频仍不能满足供水要求时，PLC 发出指令1号泵自动切换到工频电源运行，待 1 号泵完全退出变频运行，对变频器复位后， 2 号水泵投入变频运行。根据恒压的需要，采取无主次切换，即“先开先停”的原则接入和退出。在 PLC 的程序中，通过设置工频水泵的台数，由给定频率是否达到上限频率或下限频率来判断增加水泵或减少水泵。为了避免一台水泵长期工作，任一水泵最好不

14、要连续变频运行超过 3 小时。这个系统还能对水位下限，变频器、 PLC 故障等报警。当 PLC 发生故障时，系统从自动转入手动方式。系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，传输至 PLC，与用户设定的压力值进行比较，将结果转换为频率调节信号和水泵启动台数信号分别送至变频器和可编程控制器。变频器调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速，PLC控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒定于用户预先设计的压力值，达到变频恒压供水的目的。该恒压供水系统的各部分主要特点与功能：（ 1）操作台：实现系统操作控制及参数的设定与显示

15、。（ 2）可编程序控制器：操作控制信号的输入，以及PLC的控制输出，实现对两台变频器的切换及调速控制。（3）变频器：有手动、自动调速功能。第二章恒压供水控制硬件系统的设计2.1 PLC 的特点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。PLC有以下特点：（ 1）可靠性高，抗干扰能力强现代 PLC 采用了集成度很高的微电子器件，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，其可靠程度是使用机械触点的接触器继电器系统所无法比拟的。为了保证PLC 在恶劣的工业环境下可靠工作，在其设计和制造过程中采取了一系列硬件和软件方面的抗干扰措施来提高它的可靠性。（

16、2）编程简单易学PLC 采用与接触器继电器控制线路图非常接近的梯形图作为编程语言，它既有继电器电路清晰直观的特点，又充分考虑到电气工人和技术人员的读图习惯；对使用者来说，几乎不需要专门的计算机知识，因此，易学易懂，程序改变时也容易修改。（ 3）功能完善，适应性强目前 PLC 产品已经标准化、系列化和模块化，不仅具有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D、D/A 转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等功能。它能根据实际需要，方便灵活地组装成大小各异、功能不一的控制系统：既可控制一台单机、一条生产线，又可以控制一个机群、多条生产线；既可以现场控制，又可以远程控制。（ 4）使

17、用简单，调试维修方便PLC 的接线及其方便，只需将产生输入信号的设备（如按钮、开关等）与PLC 的输入端子连接，将接收输出信号的被控设备（如接触器、电磁阀等）与PLC的输出端子连接，仅用螺丝刀即可完成全部接线工作。PLC的用户程序可在实验室模拟调试，输入信号用开关来模拟，输出信号可以用PLC 的发光二极管来模拟。调试后再将PLC 在现场安装通调。调试工作工作量要比接触器继电器控制系统少得多。（ 5）体积小、质量小、功耗低由于 PLC 采用半导体大规模集成电路，因此整个产品结构紧凑、体积小、质量小、功耗低，所以，PLC 很容易装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想的控制设备。2.2PLC 的硬

18、件系统PLC 是一种以微处理器为核心和工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。硬件系统和软件系统组成了一个完整的 PLC 系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的 PLC 系统称为裸机系统，不起任何作用。反之，如果没有硬件系统，软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。 PLC 的硬件系统由微处理器（ CPU）、存储器、输入 /输出（ I/O ）部件、电源部件、编程器、其他外部设备、I/O 扩展单元组成。2.3 恒压供水控制系统PLC的选择和功能恒压供水控制系统中可编程控制器选用德国SI

19、EMENS公司的 S7-200系列 PLC,S7-200具有丰富的指令系统和基于WINDOWS的编程工具 , 很方便程序编制和现场调试。可编程控制器在此实现以下功能:（1）自动 / 手动工作方式采用状态转换开关可选择自动工作、手动调整两种工作方式，便于调试和检修，并可在出现故障时切换到手动控制方式，保证连续供水。（2）自动检测和调速在PLC通电后 , 系统会自动检测管网实际压力值，根据设定值和测量值的差值，配合变频器对投入水泵台数以及调速泵频率进行自动处理。（3）监视运行状态PLC各输出有发光二极管显示，可清楚地看出其动作过程，判别系统动作的正确性，同时若系统出现故障时也可作为故障判别的依据。

20、（4）通讯功能PLC通过 PPI传输电缆实现与上位机的通讯，实现对系统的监控和参数的读取等。（5）故障检测与报警PLC可以实现变频器故障检测与报警、超压检测与报警等功能。超压报警是指在特殊情况下( 如压力传感器失灵等) 出现，当实测压力大大超过设定水压时， PLC则发出报警信号，通知操作人员处理。（ 6）保护功能PLC能实现多种保护功能，如过热和过流、电源欠压和过压、短路、瞬间断电、过载等保护功能，对启动和运行过程中出现的各种故障均能给出相应的状态指示和报警信号。2.4 恒压供水控制系统设计要点变频器的容量一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相

21、符即可。当一台变频器同时控制两台电机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如果在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水的供水量相差很多，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的余量。电动机的保护虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可能略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必要的。对于这种由于频繁地开、升降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。注意问题最高频率：应以电动机的额定频率为变频器的

22、最高工作频率，一般为50HZ。升降速时间：在采用 PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由 PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。2.5 PLC 控制系统设计与调试的一般步骤任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循一些基本方法和步骤，PLC系统设计的一般方法和步骤如图2.1 所示。开始分析工艺流程和控制要求确定输入 /输出设备选择合适的PLCI/O 点分配程序设计硬件设计修改程序离线模拟调试硬件现场施工否模

23、拟调试正常是现场调试修改程序硬件改动否否现场调试正常是整理技术文件结束图 2.1 PLC 控制系统设计的基本步骤图2.6 变频调速恒压供水系统功能说明控制对象对于电机的调速方面，由于大多数水泵采用交流异步电动机拖动，其转速为n 60 f (1 s) （2.1 ） p式中， n为转速； p为电动机的磁极对数；f 为电源频率； s为转差率。变级调速，通过改变电机的极对数，即改变定子绕组的接线方法而改变极对数，可改变电动机的转速；变频调速则是将电网中的交流电通过变频器转换为电压和频率均可变的交流电之后，供给电动机，使电机的转速可调。传统的供水系统采用接触器等机械构件来完成通、断电，所有的控制全部依靠

24、人工来进行操作，对于管网的压力和水位的变化很难做出及时和适当的反应，因此采用 PLC控制变频器，并对反馈回来的信号进行运算，控制电动机的转速实现恒压供水。变频调速系统工作过程变频调速系统的主要任务是在不同的水管压力下，对电动机的转速进行控制，增加或减少水泵的功率，既能保证用户的用水要求，又能减少对资源的浪费。根据对控制任务的分析，该系统的主要功能为：低速启动，以减少对电网的冲击；变频运行，对于不同的供水需要做出不同的运行指令；工频运行，满足大量用水的需求，其简单工作过程如图2.2 所示。管压小于设定值启动电动机变频运行电动机工频运行管压大于设定值图 2.2变频调速恒压供水系统简单工作过程启动电

25、动机后，逐渐升高频率，同时不断检测供水管内的压力值，当压力值小于设定值时，继续升频，直到达到工频，然后切换掉变频器使电动机运行在工频阶段；若检测到管内的压力值大于预设值，则再次启动变频器，使之对电动机进行变频控制，这样就完成了一次变频与工频的切换过程。如果采用多台电动机控制的话，其过程类似，若一台电动机在工频状态下仍无法满足管内压力，则启动第二台电动机在变频下工作。若管内压力减小后小于设定值，则先停止第一台工频运行电动机，然后继续对第二台电动机变频运行，直至达到设定的压力值。控制功能框图根据变频系统控制要求和图3-2 所示的工作过程，设计出以下功能框图，如图 2.3 所示。控制按钮变频器电动机

26、PLC反馈信号图 2.3变频调速恒压供水系统功能框图根据图 2.3 所示的功能框图，启动PLC 后，先用变频器对电动机软启动，然后由传感器检测管内的压力值，传入到PLC 中，经过逻辑运算输出对变频器的控制信号，使变频器处于工作状态，达到对电动机调速的目的。2.7 变频调速恒压供水系统电路图变频调速是目前最理想的调速技术，随着电力电子技术的发展，变频调速技术已经逐渐成熟起来，且广泛应用在钢铁、冶金、电力和轻工业等各个行业中。随着节约型社会的建立，生产和生活对用水的要求越来越高，变频恒压供水系统的设计被提出，而且技术成熟，系统具有能稳定运行、可靠性高和自动化程度高等优点。供水系统的主电路图根据系统

27、的控制要求，对控制功能做出分析之后，设计出如图2.4 所示的主电路图， QS为主电路的隔离开关；FU为主电路的短路保护；FR1和FR2是主电路过载保护用的热继电器；该主电路有两个电动机M1和 M2；接触器 KM1和KM4控制电动机直接接到工频电网上，KM2和 KM3控制电动机变频运行。图 2.4变频调速恒压供水系统主电路供水系统的控制电路图变频调速主电路的控制电路的设计如图3-5 所示， SB0是系统的停止按钮，用于控制电动机的停止；SB1是电动机的启动按钮，用于控制电动机的启动；在变频与工频回路之间添加了互锁触电，KM1,KM2,KM3和 KM4的常闭触点，防止变频与工频同时运行，造成控制失

28、效。图 2.5恒压供水系统控制电路系统设计的硬件连接图根据对系统功能的分析及以上的主电路和控制电路的描述，设计出如图2.6 所示的硬件连线图。图 2.6恒压供水系统硬件连线图根据系统的功能要求和主电路及控制电路图，对PLC 的 I/O分配如表2.1所示。表 2.1恒压供水系统I/O 分配表名称地址编号说明SB0I0.1停止按钮SB1I0.0启动按钮AIW0接收传感器信号KM1Q0.01#工频接触器KM2Q0.11#变频接触器KM3Q0.22#变频接触器KM4Q0.32#工频接触器RSTQ0.4对变频器进行复位控制AQW0输出模拟信号到变频器表2.1 中 I0.0 、I0.1 和AIW0是输入信

29、号， Q0.0、Q0.1、Q0.2、 Q0.3、 Q0.4和AQW0是输出信号。根据图 2.6 所示的硬件框图，以下将详细介绍硬件系统中的各个部分。一、主机 PLC该系统的输入、输出点较多，且需要扩展模块，所以采用西门子S7-200系列的 PLC，由于 CPU221型不具有扩展功能，所以选用CPU222型。CPU222具有以下特性：1） 4KB程序存储器，典型的为 1.3K条指令。2） 1024字数据存存储器。3） 1个可插入的存储器子模块。4） 8个数字量输入，有 4个可用作硬件中断， 6个用于高速功能。5） 6个数字量输出，其中 2个可用作本机集成功能。6） 1个 8位分辨率的模拟电位器。

30、7）数字量输入/ 输出，最多可以扩展成40个数字量输入，38个数字量输出。8）模拟量输入 / 输出，最多可以扩展成 8个模拟量输入与 2个模拟量输出，或者是 4个模拟量输出，最多 2个模块。9）256个计数器，计数范围为 032767。10）256个内部标志位。11） 256个定时器，其中，分辨率为1ms的有 4个，其定时范围为1ms30s；分辨率为 10ms 5min ；分辨率为 100ms的有 236个，其实时范围 为 100ms54min。12）具有 4个中断输入。13）4个32位的高速计数器，可作为加/ 减计数器用，或将增量编码器的两个相互之间相移为 90度的脉冲序列连接到高速计数输入

31、端，可编程使能和复位输入，在达到设定值时可以中断，计数方向可反向。14）2个高速脉冲输出，可产生中断，脉冲宽度和频率可调。15）1个RS-485通信接口。 RS-485有3个方面的应用，一是作为PPI接口，用于 PG功能、 HMI功能、 TD200 OP S7 200系列 CPU/CPU通信，传输率为 9.6kbs 、19.2kbs 、 187.5kbs ；二是作为 MPI从站，用于与主站交换数据 S7-300/400CPU OPTD按钮面板，在 MPI网上不能进行 CPU 22X系列 CPU相互之间的通信；三是作为具有中断功能的自由可编程接口方式用于同其他外部设备进行串行数据交换。16）AS

32、接口最大输入 / 输出有 496个，可以扩展 2个模块。二、 模拟量输入、输出扩展模块因为这个系列需要采集传感器传来的模拟信号，输入到PLC中之后，经过PLC运算后将数据传送到变频器中，所以需要扩展一个模拟输入/ 输出模块。选用的模块是西门子的特殊功能模块EM235，该模块为 4输入 /1 输出模块，其转换精度为 12位，可以满足该控制系统的功能要求。EM235扩展模块具有以下特性：1）实际中， 4路模拟量差分输入， 1路模拟量输出。2）输入范围，单极性电压为0 10V，05V；双极性电压为5V，2.5V ；电流为 020mA。3）输入分辨率，单极性电压，0 10V时为 2.5mA， 0 5V

33、时为 1.25mA；双极性电压，5V时为 2.5mA，2.5V 时为 1.25mA；对于电流，分辨率为5uA。4）输入阻抗不小于 10。5）12位A/D转换器。6）数据字格式，单极性时为32000 +32000，双极性时为 0+32000。7）最大输入电压为 30V DC。8）最大输入电流为 32mA。9）输出稳定时间，电压为100us，电流为 2ms。10）输出驱动能力，电压输出最小为5000，电流输出最大为 500。11）输出分辨率，电压为 12位；电流为 11位。12）功耗为 2W。三、传感器传感器的作用是将压力、温度等非电量的物理信号转换成电量信号，以便后续电路进行处理。在此系统中，传

34、感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到 PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。四、变频器变频器是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力，实现恒压供水的要求。PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行 PID运算，然后将计算值输出到变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电动机转速的调节，改变管内压力值。第三章变频调速恒压供水系统软件设计3.1 PLC 应用系统的软件设计内容PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC，计算机程序设计的基础，又要有自动控制的技术，还要有一定的现场实践

35、经验。一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：(1)PLC 软件功能的分析与设计。(2)I/O信号及数据结构分析与设计。(3) 程序结构分析与设计。(4) 软件设计规格说明书编制。(5) 用编程语言 ,PLC 指令进行程序设计。(6) 软件测试。(7) 程序使用说明书编制。3.2 PLC 应用系统的软件设计步骤根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计。在了解了程序结构和编程方法的基础上，就要实际地编写PLC程序了，一般需要经历如下几个过程：(1) 制定设备运行方案。(2) 画控制流程

36、图。(3) 制定系统的抗干扰措施。(4) 编写程序。(5) 软件测试。(6) 整理技术文件。3.3 编程的基本原则(1) 梯形图中的触点，均可在编写程序时无限次使用，既可动合也可动断。(2) 梯形图按照从上到下，从左到右的顺序排列，每个继电器线圈为一个逻辑行。每一逻辑行起于左母线，终于右母线。(3) 继电器线圈不能直接与左母线相连。(4) 一般情况下，梯形图中某个编号的继电器线圈只能出现一次，否则容易引起误操作。(5) 在梯形图中，串联触点使用的次数没有限制，并联触点使用的次数也没有限制。(6) 两个或两个以上的继电器线圈可以并联输出。(7) 一段完整的梯形图程序必须以 ED结束。3.4 系统

37、软件流程图根据图 2.3 所示的变频调速恒压供水系统功能框图和变频调速系统的控制要求，设计出如图 3.1 所示的软件流程图。启动1 号泵工频延时 1s1 号泵变频2 号泵变频延时 10s压力信号检测上限值1 号泵变频运行水压信 号检测上限值1 号泵停机2 号泵停机下限值正常值水压信号检测上限值1 号泵切除2 号泵变频延迟 10s正常值正常值上限水压信号检测正常值下 限1 号泵变频2 号泵变频1 号泵变频2 号泵工频图 3.1变频调速恒压供水系统软件流程图3.5 供水系统主程序设计根据图 3.1 流程图所示，可以设计出梯形图程序。本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。逻辑运算等放在主程序。

38、系统初始化的一些工作放在子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时器采样及输出控制。开始设计一段程序使1号电动机变频运行，如图3.2 所示。图3.2 1 号电动机变频运行梯形图开始上电初始化脉冲，然后调用初始化子程序SBR_0，启动按钮 I0.0 接通，当延迟定时器 T37到 10s时，线圈 M0.0得电， M0.0动作闭合，线圈 Q0.1得电，触点 Q0.1接通，输出线圈 Q0.1得电， 1#变频器接触器接通，触点 Q0.1动作闭合，保证 1#电机处于变频启动状态，如果 Q0.1闭合， VD108的值小于 VD102且VD102的值等于 VD100，启动延迟定

39、时器 T37，定时到， M0.0被触发， Q0.0触点动作闭合，线圈 Q0.0得电， 1#工频接触器接通， 1#电机工频运行。然后设计一段程序使 2号电动机工频运行，如图 3.3 所示。图3.3 2 号电动机工频运行梯形图当定时器定时到， M0.0被触发，线圈 Q0.2得电，触电 Q0.2动作闭合，使 2#电动机能处于变频运行状态，触点Q0.2闭合，如果 VD108的值小于 VD104且VD102的值等于 VD100的值，启动延迟定时器，定时10s，定时到， M0.1启动，线圈Q0.3得电，触点 Q0.3动作闭合，使 2#电动机处于工频运行状态。最后设计一段程序使变频器能够复位，如图3.4 所

40、示。图 3.4变频器复位梯形图当触点 Q0.0 和触点 Q0.2 同时接通或者触点 Q0.0 和 Q0.3 同时接通， VD108 的值大于 VD106的值，延迟定时器 T39 就启动，定时时间为 5s，定时到， M0.2 触点动作， M0.0、M0.1、 M0.2 中任何一个被触发，都使 Q0.4 触点得电动作，对变频器复位。变频调速控制系统的完整的主程序指令如附录1所示。3.6 供水系统的子程序设计变频调速控制系统的子程序完成系统的初始化。先将50Hz对应的电压标准值装入 VD100，然后将管内压力下限值（50%）装入 VD102，后来再将管内压力上限值（ 80%）装入 VD104，再进行

41、回路增益，采样时间为 0.1s ，积分时间为30min，然后关闭微分环路， 100ms中断一次，连接中断，最后开全局中断。变频调速控制系统完整的子程序指令如附录 2所示。3.7 供水系统的中断程序设计变频调速控制系统的中断子程序完成PID运算，对变频器输出控制值。先将整数转化为双整数，然后将数值装入VD108中，再将双整数转化为实数，再将实数转化为标准值，再将数值写入PID回路表中，再进行PID运算，将运算结果VD208的值装入累加器中，将标准值转化成双整数，还要进行取整，再将输出结果存放在 VD102中，将双整数转化成整数，最后输出到I/O 口。变频调速控制系统完整的中断子程序指令如附录3所

42、示。3.8 储存器功能表与整体程序分析在程序中使用到的存储器及其功能如表3.1 所示。表 3.1存储器及其功能表地址功能地址功能VD200PID 网络表首地址VD106管内压力上限对应的电压标准值VD100变频器输出为 50Hz 时电压VD108传感器反馈回的电压值对应的标准值VD104管内压力下限对应的电压VD102经 PID 运算后输出的电标准值压值对于附录 1 所示的完整程序指令做简要解释，按下启动按钮SB1 后， 1#电动机先以变频器软启动，然后每隔100ms 读入一次传感器的采样值，然后进行PID 运算，通过调节输入到变频器的电压，控制电动机的转速，若管内的压力小于所需压力的下限，则

43、定时器开始定时，定时到后产生一个对变频器复位的脉冲信号，将定时器复位 , 同时切断 1#电动机的变频接触器，将 1#电动机的工频接触器闭合，接着将 2#电动机的变频接触器闭合，使 2#电动机软启动；如果定时器定时未到，管内压力满足所需要求，则定时器启动，定时完成后，将1#，2#电动机全部置于工频运行状态，切断变频控制的触电。如果传感器反馈的电压值超过管内压力上限所对应的电压，经过一个短暂的5s 定时后，将1#电动机从电网上切除，只留下一台电动机进行变频控制，来满足恒压供水的要求。结论与体会当我接到这个题目时对供水系统不是很了解，后来经过老师的指导和我查了很多资料才慢慢懂了供水系统的一些原理，慢

44、慢有了思路。我的解决思路是，对于恒压供水系统的实现而言，主要的问题在两个方面：其一，如何实现 10S内，下一台水泵的切换状态；其二，如何实现对水泵的先启动先停止控制。水泵的切换状态控制可以考虑通过计时器单元设定时间，再结合水泵启停的信号，判断在启动或停止后的规定时间内是否达到了预期的压力范围，这样就可以完成下一步是否启停另一台泵的判断。对于水泵的启停选择，实现起来有很多方法，选择使用一个合理的实现方法对于程序的简洁和易读性都很有好处。将2台水泵按顺序编号，启动时按编号从小到大依次启动，而切断则编号从小到大依次切断，这样循环处理就可以保证是按照先启动先停止的原则进行的。解决的问题就变成了如何实现

45、编号 1-2 的循环问题。通过上述问题的分析，就能完成对所需可编程控制器控制输入输出的选择和逻辑实现方案，顺利进行下一步的设计。恒压供水系统在水厂和一些工厂生产中都有应用，可能在具体的控制目标和控制方式上有一定的区别，但对于多个用于保持管路压力的电机控制要求是基本相同的。在本文中没有对一些电路保护作详细的设计和程序编写，重点给出了控制中最具特色的水泵切换控制部分的程序，这部分程序的设计和应用结果，对于系统的整体运转状况影响很大。本程序的控制逻辑设计针对的是较少泵数的供水系统，本程序也不是最优设计，程序已经做过了大量简化，不能作为实际使用的程序。主要参考材料：1 廖常初 .PLC 编程及应用 .

46、 北京：机械工业出版社，20022 贾德胜 .PLC 应用开发实用子程序 . 北京：人民邮电出版社， 20063 高钦和 . 可编程控制器应用技术与设计实例. 北京：人民邮电出版社， 20044 于庆广 . 可编程控制器原理与系统设计 . 北京：清华大学出版社， 20045SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Mamual.20006廖常初 , 周林 .PLC 的功能指令 . 重庆：重庆大学出版社，20007David G.Johnson.Programmable ControllersforFactory Automation.New Yo