基于PLC的变频恒压供水系统设计

1、目基于PLC的变频恒压供水系统设计资料.英文题目 Design of Vorioble Frequency ConstontPressureWciter Supply System Based 0n PLC作者声明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下 由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。 文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东 华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法

2、 律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）：年 月日本人声明:该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容, 并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。学位论文指导教师签名：年 月日资料.本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、 水泵机组、压力传感器等构成。系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采 用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的

3、原则。 压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器 的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设 定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态 显示及数据、报警的查询。变频恒压技术集低成本、高度自动化、高稳定性、高可靠性、高效节能、方便调试等 优点于一身。当前变频恒压控制正逐步走向全数字化控制和各种体系化的发展方向。追求 高度智能化、系列化、标准化，在将来给水系统设备将占领城镇各个楼层、各个用水单位 的绝大部分市场。关键词：变频器；PLC; 传感器；恒压供水； 调速资料.Abstrac

4、tAccording to the requirements of the Chinese urban community water supply, this paper designed a set of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system based on PLCZ and by using configuration software to develop a good operation management interface. Frequency consta

5、nt pressure water supply system by programmable controller, inverter, pump, pressure sensor, etc. System consists of three water pump motor, their operation mode of frequency conversion cycle. Adopt inverter for three-phase pump motor soft start and frequency control of motor speed, running switch b

6、ased on the principle of 'Inception to stop1'. The current hydraulic pressure sensor signal into。什er compared with the set value of PID of PLC, frequency converter to control the output voltage and frequency, and change the water pump motor speed to change water supply, eventually maintain s

7、tability of the pipe network pressure near the set point. Through the industrial computer and PLC connection, using configuration so什wore to complete the system monitoring, the dynamic running state display and data, alarm queries.Frequency conversion constant pressure technology collection of low c

8、ost, high automation, high stability, high reliability, high efficiency and energy saving, convenient debugging, etc. Current frequency conversion constant pressure control is gradually towards the development direction of full digital control and a variety of systematism. Pursuit of highly intellig

9、ent seriation, standardization, and in the future water supply system equipment will be occupied towns each floor each unit of water most of the market.Key words: transducer; PLC; sensor constant; pressure water supply; speed regulation资料.绪论11.1 课题的提出及其意义11.2 供水系统的国内外发展及现状11.3 PLC 概述21.4 西门子S7-200PL

10、C简介21.5 本课题的主要研究内容22系统的理论分析和控制方案确定42.1 电动机的调速原理42.2 恒压供水系统的基本特征42.3 控制方案的对比和确定52.4 本系统的工作原理62.5 水泵的实际增减条件分析63系统的硬件设计83.1 系统主要设备的选型83.2 系统的主电路分析以及设计93.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图104系统的软件设计124.1 软件设计分析124.2 PLC的程序设计124.2.1 控制系统的主程序设计12422控制系统子程序设计164.3 PID控制及其算法184.3.1 PID控制原理简介184.3.2 PID参数整定及波形图仿真195监控系统设计2

11、15.1 组态软件及其通信参数设置215.2 新建工程和组态变量225.3 组态画面235.4 监控系统界面23结论25致谢26参考文献27附录28绪论1.1 课题的提出及其意义目前，不论城市还是农村用水量都在增长。不同的时间，不同的季节，不同的地理环 境和人口数量等都或多或少的会影响到用水量，老的供水方式不能满足居民的用水需求和 用水安全。供水压力是否恒定对于工业生产和一些用户来说是非常重要的，如果遇到紧急 情况，由于水压的不稳定而导致发生的火灾，甚至导致了人员的伤亡，那将后悔莫及。而 由于用水量的多少是时时刻刻都在变动的，人多的时候自然压力大，人少时压力低。确保 管道压力变化很小，实现用水

12、与供水基本平衡。这不仅保障了用户用水安全，减少事故的 发生，还起到了节约水资源的目的。因此老的给水设计早已不能达到人们的需求。要想满 足人们的这一需求减少水资源的浪费，采用变频恒压给水设计，摒弃以前的设计，无疑是 目前非常合理、可高、方便、安全、节能、省心的选择。我国是个水资源缺乏的国家，另外我国的水泵机虽然数量多、范围广、类型多，在技 术上也有自己的一定水平，但是和发达国家相比还有不小的差距。使用变频恒压技术不仅 具有上述意义，还能为我国水泵机的研究发展出力。因此，本论文的研究设计具有多个重 要意义。1.2 供水系统的国内外发展及现状变频调速技术发展快速的后几年内变频恒压也快速的发展起来，由

13、于国外生产的变频 器的功能一般都限于速度控制，从制动控制、频率控制、变频调速、正反转控制、控制和 各种保护功能。变频恒压供水系统的实施机构，为满足不同的供水规模的需求，以确保恒 定的压力管道，需要增加压力控制器和外部的压力传感器，与外部的压力传感器，形成闭 环控制。目前，这类项目的恒压供水系统中存在着大量的企业在做；其中绝大部分水管的 调节、管网压力的检测和转速的调节等都是用的发达国家的变频器，还有些厂家用的是单 片机；有的采用PLC来控制及相应软件予以实现。但在一些其他方面还达不到特殊客户的 具体要求。如稳定性、动态平衡性等。从搜查的文件资料来看，有多数国外的设计采用的 是一台变频器控制只控

14、制了一台水泵机组，因此存在成本较高的情况。德国人在1964年 最先提出把通信技术中的脉宽调制和PWM技术结合到交流传动中。从20世纪80年代后 半期开始，从上世纪80年代的后半部分，基于变频调速技术的通用变频器已经商业化并 广泛应用于美国、日本、德国、英国等发达国家。在我国，通过电动机消耗掉的电量占了 60%,因此如何通过电机调速技术进来达到节约电能的目的，一直备受到国家相关单位和 专业人士的重视。目前，我国从事变频恒压设计的工作单位约有200家左右，但自己研发 生产的变频产品和发达国家研发的同类产品相比，还存在比较大的技术水平差距的。1968 年，丹弗斯公司独创并第一个设计出产变频器后，变频

15、器技术的提高表现在体系的稳定性、 高效性、节能性以及自动化水准等方面。另外其显著地节能效果被广泛发现认可。此后， 国外大部分研究变频器工厂开始注重具备带有恒压给水功效的变频器且大力研发生产；像 瑞士 ABB集团推出的空调变频技术；法国的施耐德公司首先研发出恒压给水基板，基板上 附带着PID和PLC控制器，通过相应的程序代码实现的可编程控制器和控制功能，如电子 控制系统，配有配套恒压供水系统。这将能够实现对系统的直接控制，在一些内置的电磁 接触器的工作，可以驱动多达七个电机在同一时间的供水系统。但美中不足的是，它的输 出端的扩展灵敏性不够强，导致体系的动静性能与稳定性相对低些，在与其他监控系统或

16、 组态软件实现数据双方的通信上存在一定障碍，另外限制了带负载的容量，因此在适用范 围这块比其他窄。显而易见，如今变频调速恒压系统的研究领域要解决的问题有：能在各种用水环境下 运行：能完美的与当前的控制技术、互联网技术和通信技术并且一齐统筹体系的电磁兼容 性恒压系统给水闭环监控，在这一领域仍然存在技术的缺乏。所以说，变频恒压给水体系 的研发在全球范围内还有较大钻研空间，使其能更好的服务于社会各个层面。1.3 PLC概述可编程控制器，简称PLC,它是以微处理器为基础的通用控制装置。国际电工委员会 在1987年颁布了 PLC标准草案，对PLC做了以下概念：“PLC是一种电子装直，运用于 产业生产环境

17、下的数字运算操作。它远用能够编程的存储器，在内置的存储器中进行各种 各样的复杂的操作指令，能够以控制输入和输出的数字量、模拟量来监控各类生产制作过 程。正是因为PLC的强大功能，被广泛用于各种制造生产和加工过程的自控系统中。可编 程控制器在民用和家庭自动化中得到了广泛的应用，其功能强大、操作开放性强，不仅是 应用最广泛的控制设备。PLC的广泛应用程度、强大的功能是其他控制设备难以超越的。 1.4西门子S7-200PLC简介西门子公司具有品种多样的PLC产品°S7系列是经典的PLC,S7-200属于小型PLC, 分别在1998年和2004年进行了 2次升级，其特点如下：(1)体型小，但

18、功能多。可以实现复杂的控制功能；(2)编程方法简单易学；(3)硬件配套齐全，用户使用方便；(4)抗干扰性强，可靠性高；能耗低，体积小；(6)维修方便等。1.5本课题的主要研究内容本次策划是以小区给水为控制目标，PLC结合变频器，设计一套包含PLC、变频器、 传感器、水泵机组、监控系统及用户等组成的恒压供水系统，力求做到可靠，安全节能。该系统由三个泵马达，形成一个频率转换周期。采用变频器实现对三相水泵电机的工 频调速和变频调速，运行切换采用“先变后工”的原则。即先启动一台水泵机从变频慢慢 加速，当达到最大值时，保持不变进入工频。压力传感器检测到当前的实际水压信号，并 在可编程控制器和人工设定值之

19、间的比较后发送控制偏差操作，得到的偏差信号用来控制 输出频率，输出频率的改变带动水泵机组转速改变实现给水量的变化，最后确保持管道压 力值与设定值相差不大，这不仅供水量达到了用户要求还使管道得到了保护。经过工控机 与PLC相结合，利用组态软件来实现系统监控，达到了动态显示工作状态、数据以及现场 报警的监控目的。资料.2系统的理论分析和控制方案确定2.1 电动机的调速原理水泵是三相异步电动机，其转速公式为：« = (1-5)(2.1)P式中，f是频率，P是电动机极对数，S是转差率。很明显，改变式中出现的字母就是调速方法，即；(l)f调速法(改变f)(2)p调速法(改变p)(3)s调速法(

20、改变s)改变P的调控方式为有级调速，其特点是简单、费用少、节能效果好、效率高；其缺 点是要有专门的变极电机，级差较大(变速时转速变化大)只适用于一些特定的场合的特 定生产。改变s的调节方式一般采用串级调速方法，其优点是对转差功率的回收起较好的作用， 节能效果明显，调速性能突出。其缺点很明显就是线路比较复杂，由此增加了能源的损耗。 此外其成本高，难以推广。改变f的调试方法，即我们常说的变频调速。从公式中我们可以看出，当s基本稳定 时，转速n基本与f成正比。通过调节电源频率，就可以改变水泵机组的转速，变化的快 慢程度随电源频率变化快慢而变化。随着电力电子技术的迅速发展，目前已经研发出了各 类功能良

21、好、稳定的变频调速装配，并广泛应用于变频恒压系统中。综上述说，改变f的调速方法最适合本设计课题。2.2 恒压供水系统的基本特征在供水系统中，扬程H与供水水流量Q 之间的关系我们称之为扬程特性，它是本 系统中重要的描述H与Q关系的特性。在阀门开度一定，水泵机的转速一定时，用户的 用水情况直接决定了水流量的多少，即用水频率。因此，H=f*Q。另一管阻特性是指泵的 转速是恒定的，该阀在一个特定的开启度与曲线之间的关系。如下图所示，由于水管不论 大小、水位不论高低等都存在一定的阻力因素，当上述情况一定时，水泵的一小部分水的 动能必定要用以平衡液位差和网道存在的一定阻力，而管阻特性正是用来反应这一现象

22、的。如图2.1的A点中，用户的用水流量Qu和系统供水量Qc处于平衡状态，此时系统 既满足了扬程特性。又满足了管阻特性，系统处于稳定运行状态。QA Q图2.1系统稳定时的基本特性曲线本系统的节能原理在于：在实际用水中，客户在不同时间不同地点的用水量是不断变 化的，如果说阀门开度在一段时间内不变的话，必然回出现超压或者低压的情况，导致能 源的浪费。而变频恒压调速是通过改变水的动能来控制流量的。换言之，当用水量增大时 水泵机组转速加快；反之，转速减小，从而使官网压力恒定，达到节能的目的。2.3 控制方案的对比和确定当前我国变频恒压给水设备的控制方式主要有：逻辑控制模式；单片机控制模式以及 可编程控制

23、模式。1 .逻辑电子控制这种类型的控制基本上是用在一个单泵是固定在变频状态下，而且很难做到所有的水 泵机组的软启动和全流量变频，所以控制精度低。2 .单片机控制方式这类方式优于前着，但其缺点是：处理不同的水管以及用水波动较大时，调试依然麻 烦。想要对系统增加其他附加功能时要对电路重新设计，不方便，功能性不强，稳定性偏 弱。3.PLC控制方式该方式中可以实现电机的无极调速，能够较好的解决前两者方式的不足之处，调试简 单，抗干扰性强，控制精确，高效节能，稳定性强等特点。综上所述，本设计适合采用第三种控制方式。如下图所示：图2.3变频恒压供水系统组成方案图从图中可以看出，该系统由一个频率转换器（带比

24、例控制），一个可编程控制器，一 个压力传感器，泵装置（3个单位的设计），报警装置和一些辅助设备组成。其中压力传 感器有电阻式和压力式两种选择。前者用来反馈。5V电压信号,后者用来反馈420mA 电流信号，本设计选用前者电阻方式。变频器是本次设计的核心，通过改变水泵的转速频 率来实现无极调速、无波动稳压的效果。2.4 本系统的工作原理当合上空气开关，将系统调到自动运行状态。此时已启动了变频器，压力传感器的实 际值和偏差信号的压力值设置传送给可编程控制器（经过模数转换后），得出给定信号的 频率（通过数模转换），然后发送到变频器。此时变频器会依据所给信号和预先设定的信 号来监制水泵的转速来确保管道压

25、力在压力允许偏差范围内，达到恒压控制的目的。在变 频器的频率增加到50Hz时，会把这一信号送给可编程器，此时可编程控制器根据该信号 和管道允许的压力范围信号来判断是否需要启动下一台水泵机。当频率在50HZ并运行一 小段时间（可以是1-2分钟）上述条件仍然满足时，PLC会立即把当前的变频水泵切换到 工频保持其转速，同时用变频启动下一台水泵，再按照上述条件控制直到满足用水需求和 允许的压差。2.5 水泵的实际增减条件分析在上述的系统工作原理流程中，已经阐明增泵条件，减泵条件大同小异，即当变频水 泵和工频水泵都工作在下限频率时，管道的实际压力仍然高于设定压力，为了达到恒压的 目的，此时系统会自动减少

26、工频水泵。这些理论分析其实和实际是存在一定差距的，接下 来进行实际分析。我们知道50Hz是上限频率，那下限频率是。吗？答案是否定的，实际控制中，由于管 .资料.道中的水会给水泵机一个反向的水压阻力，同时在一定程度上会阻碍管道进水，所以当频 率降低到一定数值时，已经抽不上水了。这个值跟水泵的特性和系统有关，从查询的资料 中了解到在1020Hz左右。实际的机组增减判别条件如下：当/ =狐"<P当(2.1)且延时判别成立时，增泵；当/ = /“，P,>P' + >(2.2)且延时判别成立时，减泵。式中：启：上限频率九W：下限频率R ：设定压力P,：反馈压力 4Pd

27、:偏差压资料.3系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据上述PLC设计原理以及增减泵分析思想，现将系统框图设计如下:故障、状态等量输入上位机、组态等报警、控制等量输出VA/D模块可编程控制器（PLC） 通讯模块«口变频器/ /图3.1系统的电气控制总框图水泵机组图中包含的系统组成主要有：变频器；水泵机组；可编程控制器；通讯模块；压力 变送器及显示仪表；液位变送器等。现将它们的选型制作如下表。表3.1本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家变频器MM440可编程控制器（PLC）西门子 S7-200 系列的CPU222AC/DCo水泵机组SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司

28、）压力变送器及显示仪表普通压力表丫-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS26（淄博丹佛斯公司）这里提一下变频器的选择：由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便 PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMoster440变频器。它采用模块化结 构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内直的RS-485/232C接口和 用于简单过程控制的PI闭环控制器,可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义O 快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出 大力矩。MicroMoster440变频器的输出功率

29、为0.7590KW,适用于要求高、功率大的场 合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以 通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。3.2 系统的主电路分析以及设计本次设计采用3台水泵循环变频的工作模式。为避免有某一台水泵长期运行，而存 在其余水泵长期休停的情况，在PLC编程中设定当有水泵连续工作超过3小时，则切换 另一台休停的水泵来代替运行，即系统具备人性化的“轮休功能”。承接上文的设计思路，现设计系统主电路图如下：FU图3.2变频恒压供水系统主电路图图中Ml、M2、M3为三台电机，它们分别带动水泵1、水泵2、水泵3 （

30、图中未画 出）转动抽水。Ml、M2、M3由接触器KM1、KM3、KM5控制其在工频状态下运行； MR M2、M3由接触器KM2、KM4、KM6控制其在变频状态下运行。Ml、M2、M3 这3台水泵电的过载保护由FR1、FR2、FR3来实现；变频器和2台水泵电机的电路隔离 开关依次是QF1、QF2, FU为主电路的熔断器。当电机处于工频状态时，接到变频器的隔离开关断开，输出端的接触器断开，接通工 频接触器和工频可离开关。熔断器FU实现短路保护；热继电器FR实现过载保护。在运 行中，禁止变频和工频同时进行，并且不允许输出的转换器被直接连接到电源。在变频与 工频转换时，必须现将所连接的接触器断开。即每

31、两台接触器不能同时动作，两两只间要 有互锁设计。在电机刚开始启动时需注意其转向，若反向，可通过改变电源的相序来调整。 另外值得注意的是，当采用手动控制时为了保护人体安全，须采用软启动或者自耦变压器 降压启动来减小电流，在此次设计中采用软启动。3.3 系统内部电路的设计及分析S7-200系列PLC性能优越是本次设计的控制中心，要实现控制的功能有：(1)能 够自动有序的控制3台水泵的运行；(2)能够在3者之间将完成工、变频的相互转换；(3)在每台水泵启动时要能达到软启动；(4)水泵机组要有手动挡和自动挡(自动挡便于应急和调试或者修检)；(5)系统要有完善的报警功能。3.4 PLC的I/O端口分配及

32、外围接线图本设计需要考虑的因素综合如下：1 .考虑到用户在白天和晚上的用水量有明显的不同，故设计了白天和黑夜2种运行模 式，一般情况下，白天用水量大，故水压设定值相对高；夜晚用水量相对少，故水压设定 值低些；2 .为避免在用水量小而存在某台水泵机长期工作，其余长期休停情况，如上文提到须 设计切换另外1台，即“轮休功能”。超过3小时进行切换。结合3.1所提到的功能要求，统计输入输出信号、地址和代码汇总如下：名称代 码地址编号输 入 信 号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA110.0液位变送器下限信号SLHL10.1变频器报警信号SU10.2试灯按钮SB710.3压力变送器输出模拟量电压值Up

33、AIWO输 出 信 号1 #泵工频运行接触器及指示灯KMK HLQO.O1 #泵变频运行接触器及指示灯KM2s HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5水池水位上下限报警指示灯HL7QI J输变频器故障报警指示灯HL8Q1.2出白天模式运行指示灯HL9Q1.3信报警电铃HAQ1.4号变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW0表3.4-1输入点代码及地址编号汇总综合上述表格，设计可编程控制器接线图如下所示:

34、EM232EEM23f EM2221“ Irmm Im atIra vwt IIE图3.4-2主电路接线图（截图不太清楚已单独打印）由表3.4-1可见本次设计有5个输入量，其中4个数字量1个模拟量。图中SA1是用 来控制白天与夜间之间的转换的开关，输入10.0;模拟量的压力输入信号来源于压力变送 器对管压的测量；图中作为模拟量的水位信号来自于液位变送器对液位的监测；做A/D转 换后送入窗口比较器。当检测到水位不在设定的范围内时，10.1得到输出为1的高电平； 故障输出端与可编程控制器的10.2连接，组成故障报警装置。由表342可知，本系统有12个输出信号，其中11个数字量，1个模拟量。Q0.0

35、Q0.5 分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；QU输出水位超限报警信号；QL2输出变 频器故障报警信号；QL3输出白天模式运行信号；QL4输出报警电铃信号；Q1.5输出 变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。4系统的软件设计4.1 软件设计分析上述硬件连接好后，接下来就是软件的设计编写了。结合设计要求，现对软件设计分 析：1 .恒压的实现为了达到恒压这一目的，在水压过高或过低时须改变变频器的输出频率，当达到增减 水泵的条件时还必须通过增减水泵来达到恒压。可通过比较指令来实现这一功能，另外在 程序中应采用时间滤波，忽略偶然的频率波动引发的到达上限的假象。2 .

36、水泵机组的合理运行机制为了保护水泵机组长期稳定的运行下去，每次的启动都应该是软启动，加上上文提到 的“轮休功能”，即某台水泵不能连续3小时处于变频运行状态。处理方法是：将正在 运行的变频器移除，接工频电源，再将其复位并用来启动新的水泵.3 .程序的结构其功能实现程序分为3部分：主程序，中断程序和子程序。为节省扫描时间，子程序中放置初始 化程序；用定时器中断来完成PID的定时采样和输出监控。主程序功能有：白天、夜间模 式到达设定值的控制切换；各个水泵切换信号处理；报警装置控制等。其中白天模式设定 在满量程的80%左右，夜间设置在60%左右比较合理。4.2 PLC的程序设计S7-200的3中编程语

37、言分别是;STL（语句表）、LAD（梯形图）、FWD （功能块图）。其 中梯形图是简单易学的，是最常用的语言，此次设计采用梯形图编程。4.2.1 控制系统的主程序设计1 .系统初始化程序系统刚开始运行时应进行系统的初始化，检测在各个地方的状态，如果有一个错误则 立即报警，对频率转换器的上限和下限频率，控制参数实行初始化处理，并给出相应的初 始值。初始化是主程序调用子程序来实现的。2 .增减泵的判断程序当系统检测到满足2.5中式子（2.1）时,PLC的控制程序进行增泵控制，当满足式（2.2） 时，减泵。3 .水泵的软启动程序复位变频器为增加或减少泵或倒泵的软启动做好准备条件，同时下一台泵的变频启

38、动 指令信号和目前水泵的工频启动指令都由变频器产生。启动前做延时准备工作，实现软启 动。4.各水泵工频和变频运行控制逻辑程序上文已做描述。5.报警及故障处理程序此次设计中包含水位出限预警、变频器非正常工作报警和各个报警指示灯设备。一旦 出现故障事件，与其所对应的报警装置会立即闪烁，另外警铃不停响起。当调试灯按钮直 1时，则所有指示灯一直闪亮。故障出现后，需要再次设定工频机的工作台数和变频水泵机号。故障停止信号在结束 时发出。综上所述主程序设计主要包括一下几个部分：(1)子程序的调用，用来赋予初始值；(2)根据增、减泵条件确定；(3)变频泵号的确定；(4)对工、变频泵的控制；(5)报警及故障的处

39、理。由于其主程序图较复杂，在这里不变全部画出，只画出控制流程图。图421-1系统主程序流程图1图421-2系统主程序流程图（开始 ） I（结束）4.2.2控制系统子程序设计(1)初始化子程序SBR_O上文提到下限频率在1020Hz之间，上限为50HZ,为确保系统正常运行，我们下限 选20HZ。设定输出频率范围为。100Hz,给定值分别为16000和6400的上限和下限。 首先初始化变频运行的上下限频率，之后设定上下限频率，定时中断以及中断连接在后续图4.2.2-1初始化子程序SBR_0梯形图(2) PID控制中断子程序AQW0输出的模拟信号由自身的数据采集先通过标化转换后，再经PID运算才得到

40、的。其程序梯形图如下:图422-2 PID控制中断子程序INT_O梯形图4.3 PID控制及其算法在此次设计中，我们选用的是带有PID调节的可编程控制器来达到闭环系统监制的。 PID分别指的是P比例、I积分、D微分。PID发展到今天有着理论与技术成熟，控制操 作简单效果好，应用面广等优点。4.3.1 PID控制原理简介其控制为线性控制，原理框图如下：图4.3 PID控制原理框图u是调节量由PID调节得到，控制规律表示如下:(431)y(，)= K e(t) + Je(t)dt + Td式中：Kp是系数；Ti是积分时间常数；Td是微分时间常数。所对应的传函是:(4.3-2)4.3.2 PID参数

41、整定及波形图仿真参数整定方法大致有两大类：理论推理法和工程法。后者整定方法有：现场经验法、 阻尼振荡法、动态特性法和稳定边界法。此次选用的是动态特性参数法，它是指：依据体 系的广义开环过程(包含调节阀Wy(s)、被控目标W0(s)和测量变送Wm(s)所产生的阶 跃响应特点来估摸运算的办法。结构框图如图4.3.2所示。图4.3.2-1恒压供水系统结构框图选择PI控制器可以更好的做到更精确控压，传函为： / Wc(s) = - 1 + (4.3.2-1)巩 Tts)本系统可大概的看作是一阶惯性环节，带纯滞后。设其过程传函为心二二一”-300'；变频器此时作为比例环节，即汽= 50；则反馈回

42、路传函是： 300s +1叫(s) = 0,03。本系统具有自动平衡能力。当 0.2«/1.5 时,1 -0.086 = 26工工P 三+ 0.6T7； =0.87解出：5 = 3, 7； =240那么PI控制器的传递函数为：叫.($)=+高卜 笔二 32405)7205用motlab软件仿真，输入程序后得到的仿真波形图如图4.3.2-2所示,图4.3.2-2恒压供水系统阶跃响应仿直波形图 加入滞后环节如图4.32-3所示。3pn<w5001000Time (sec)1500图4.3.2-3加入纯滞后环节后的仿直波形图从图中可以看出，系统达到平衡状态用时较短，而且输出压力信号稳

43、定，满足设计要 求。资料.5监控系统设计5.1 组态软件及其通信参数设置组态软件是收集数据和监制运行过程的专业应用软件。能以多种灵活方式为使用者给 出优良的开发界面及简易方便的操作。组态软件主要由实时数据库系统、图形界面系统、 第三方程序接口模块和控制功能模块组成。本设计中选择“组态王”软件制作监控系统。本设计计算机和CPU的通信由PPI来完成。使用串口 I,双击工程浏览器的设备文件 夹中的“COM1”图标，在出现的对话框中设置波特率为19200bit/s,如图5.1-1所示：图5.1-】串口 1的参数设置此后，点击右侧工作区的“新建”图标，在对话框的PLC文件夹中找到S7-200型号, 选择

44、PPI协议，再连续多次点击下一步直到完成为止。将会出现有“新的I。设备”图标, 设置完毕。如下图所示：资料.工程浏览黑恒族供水深练曲!控高级查找IPFI； MF工睡讯卡);1.自由口h MODBUS Frofi'buE-DF;向 S7-20CI系列TCF)设备配置向导一一生产厂家、设备名称，通讯方式设备配置向导将辅助您完成设备的安装 田松下阳台达白西门子国 S5 Seri es 由S5系列:日57-200系列您所选的设备生产厂家：西门子 设备名称：S7-200系列通信描述：m上一步下一步® 取消 I图5.1-2通信协议的设置5.2 新建工程和组态变量双击“组态王”软件并启动项

45、目管理器，创建一个新的项目“基于PLC控制的恒压供 水系统设计“。双击新建过程，点工程浏览器，再点击“数据字典”，将会自动出现设定 好的内存变量。双击右下角的“新建”图标，在弹出的对话框中（见下图5.2-1）设定输 入输出的各个变量点。其他变量的定义也是如此设定。（见下图5,2-2） o资料.图5.2-1定义变量对话框工程区配亘区查若£订XM T帮助Of工程通曜 大同 小留目帝时I伊随身百分开应 运行 报警 历史 网络用尸居1变是名变是类型 ID正接设咨寄存器口文也一 tsi回面 M命令语言 也I配方 0非策性表 乡数据库南I结构变量 £侬据词典 如报窖组 崛设备3 C0M

46、1 加 COMZ 施DDE 总板卡 辜OFC服务器 西网络站点 波系统配置萼设置开发系与 百J设置运行系与 店报警配置 口历史数据记券 熟网络配亘 C用户配三 ,一*打印配首团SSL访问曾理O表格根顿；S记录会 。Neb施I发布画面:3发布实时信启 :日发布历史信启 夕发布数据库级$空秒内存实型16嗡$网络状志内存整型17出供水模式信号工/0离散21除水池水位上下限信号工/0离散22变频器报警信号工/。禹敬23出试灯按钮工/0离散24质一号泵工频运行接触器及指示灯工/0离散25出一号泵变频运行接触器及指示灯工/0离散26©二号泵工频运行接触器及指示灯r/oKSt27二号恚变独运行接触

47、器及指示灯工离散28出三号至工领运行接触器及指示灯工/o离散29出三号泵变频运行接触留及指示灯工/o离散30出水池水位上下限报警指示灯工/0离散31嗡变频器故障报曾指示灯工/0离散32略白天模式运行指示灯工/0离散33磁报售电馀工/0离散34电变频器频率复位拄制工/0离散5故障结束脉冲信号工/0离散36您增泵时水泵支频启动脉冲工/0离散37险减泵时水泵变频启动脉冲1工川离散38倒泵变频后动脉冲工川离散39险 复位当前变频泵运行脉冲工/离散40卷当前宝工频运行启动脉冲工/0离散41略新至磴频启动脉冲工/0急散42©泵工颊变频转也逻辑控制1工/0离散43©泵工颊变频转颤逻镉控制

48、21/0离散44出泵工频变频转损逻辑控制3工/0离散45出改建信号汇总工川离散46嗡水池水位越限建相工/0南散47O1Z3 0 122451 0-34 5 012345601 9-01 0.0.0.0.,口 口。0.LLLLL0.0.0.0.0,口口22 2 33. IIIIQ-UQQQQQQQQQMMMMMMMMMMMM图5.2-2数据词典中的变量列表5.3 组态画面建立组态画面有一下几个步骤：1 .建立一个新画面：点击“画面”在浏览器的左边，双击工作区的新图标，在弹出的 对话框中输入名称单击确认进入系统软件的开发界面。2 .动态画面的创造：点击工具箱会出现各种绘图工具以绘制监控画面，之后点

49、击动画 链接。3 .控制过程的流程编写：点击窗口-文件-命令语言-应用程序命令语言”进行编程。4 .按钮，指示灯配置：按钮可用来执行一些操作指令；指示灯多用于指示系统的工作 状态。5.4 监控系统界面继承前面的叙述本系统建立了 5个界面，包括启动界面、主界面、历史和实时趋势曲 线界面、数据报表界面和报警界面。考虑到用户的安全性问题，为不同用户提供了不同的 使用权限。另外主菜单能够调出每一个控制面，在运行的主界面中也能改变压力给定值等。 主界面实时显示了3个变频调速泵的速度、工作频率、设定压力值和目前压力值，实时的时间，自动/手动工作状态，设备故障报警显示等。如下图所示:城市小区恒压供水系统监控

50、界面水压变送显刀当前时间10619 I 司200963 I2为煤 须率139Hz |燃 I 1070 |映作区显示区水压给定值0.3flPa水压当前值0. 28膻自动/手动白天/夜间当前烯图5.3-1恒压供水系统的监控界面本论文策划出了一套由可编程控制器和变频器为核心的恒压给水体系。通过凭借可编 程器的灵敏且功能多样的特点，结合其内置的比例积分微分调节器和变频器良好的变频控 速能力，仅仅用了一台变频器却达到了控制3台水泵机组的目的。本供水系统能够使管网 压力恒定，工作稳定可靠、操作简单、响应速度快、节能效果明显、实现自动控制和手动 调制功能、设备合理化使用等优点。此次设计主要的工作如下：(1)由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。 通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。(2)通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7 MicroWINsp9编程软件设计了 一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程序，初始化子程序和中断子程序 三部分。(3)对上位机组态监控系统进行了