基于单片机(或PLC)控制的变频给水系统的设计

1、基于单片机(或PLC)控制的变频给水系统的设计摘 要随着人们生活质量的提高，人们对水和电的需求越来越大，尤其在我们国家，这个问题日益凸显。这也影响了城市小区的供水，这对小区供水提出了更高的要求。目前，居民生活用水和工业用水日益增加。由于居民日常用水和工业用水会随季节、昼夜等变化而随之发生变化，如采取传统的供水方式不仅影响生活也不利于资源的优化配置。传统的供水系统已经不能满足人们的需求，可采用变频恒压供水方式来代替传统的供水系统，以到达供水稳定，满足人们需求，合理优化分配等目的。根据这个需求，设计了基于PLC的变频恒压供水系统，此系统采用闭环控制，主要结构包括：PLC控制器，变频器，水泵机组，液

2、位传感器，压力传感器及上位机监控系统。PLC是本设计的控制核心，将压力传感器的信号和管压力设定值进行比较，并将处理结果传递给变频器，由变频器控制水泵电机的转速，从而使管网压力与设定压力保持恒定。另外此次设计选用组态王软件对整个系统运行状态，报警信号等进行监控，对相关信息进行记录，提高了系统的稳定性。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，编程简单，维修方便和低本钱低能耗等诸多特点。用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计系统，对于调高企业效率以及

3、人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。关键词：PLC；变频器；恒压供水；组态Frequency Conversion Water Supply System Control Design Based on PLC Abstract As the improvement of people's quality of life, the demand for water and electricity is growing, especially this issue has become increasingly prominent in our country.This is

4、 a higher residential water demands because,which has affected the water supply of city district. Today, the problem of living water and industrial water is increaing.Because of some factors which affect water supply,it not only has an effect on living of people but also wasts resource.So the tradit

5、ional water supply system has been unable to meet people's needs,we could adopt constant pressure water supply to meet these demands,then achieve optimize allocation purposes.According to this demand, constant pressure water supply system was designed which been based on PLC.This system adopts a

6、 closed-loop control of which the main structure includes: PLC controller, inverter, water pumps, level sensors, pressure sensors and PC control system.PLC is the core of the design.We compare the signal of the pressure sensor with pressure setting of the tube,then the result is been transmitted to

7、the invert.The invert control the speed of pump motor to maintain constantly the pipe network pressure and set pressure.Furthermore,the design selected Configuration software to monitor running and alarm signals and record relevant information to improve the stability of the system.The system which

8、contain the invert and PLC is with high reliability,flexible,handy and cheap.This is particularly important for increasingly scarce energy. It has important practically significance of the design system for increasing business efficiency,improving people's living standards, and reducing energy c

9、onsumption. Keywords: PLC; inverter; constant pressure water supply system;configuration 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 前言11.1 变频恒压供水系统简介及节能原理11.1.1 变频恒压供水系统：11.1.2 恒压供水系统的节能原理11.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状21.3 变频恒压供水系统特点21.4 本课题要完成的工作及预期目标3第2章 供水系统设计52.1 系统的控制方案拟定52.2 供水系统组成62.3 系统硬件设计82.4 电气主电路设计82.5 供水系统工作过程9第3章 电气

10、控制系统硬件的介绍及选型123.1 PLC选型123.1.1 PLC的介绍123.1.2 PLC的选型123.2 水泵电机的选择153.3 变频器的原理及选型153.3.1 变频器的调速原理153.3.2 变频器的介绍163.3.3 变频器的型号选择173.2.4 传感器的选型18第4章 控制系统方案设计204.1 硬件方案设计设计204.1.1 PLC外围电路204.1.2 MicroMaster440外围接线224.2 系统程序设计244.2.1 恒压供水系统主程序设计244.2.2 中断程序设计274.2.3 子程序设计294.3 中间存放器说明30第5章 方案的最终调试及仿真325.1

11、 系统组态仿真325.1.1 组态介绍325.1.2 组态软件与PLC通讯调试325.1.3 组态数据库说明335.1.4 制作恒压供水系统监控画面345.2 程序仿真375.2.1 软件介绍375.2.2 程序输入385.2.3 程序仿真39第6章 结论41致 谢43附录：主程序44页码不对第1章 前言1.1 变频恒压供水系统简介及节能原理1.1.1 变频恒压供水系统城市供水系统是城市总体规划的组成局部，城市供水系统又水源，输水管道，水厂和配水网组成。城市供水系统也可以称为供水设备，该设备主要给用户提供足够的水源。供水系统主要有PLC，平安保护开关，水泵机组，压力传感器，变频器和一些辅助器件

12、构成。城镇小区离不开自来水、水电站的共给，一般常用的供水设备为恒压变频供水设备。恒压变频供水设备类似于二次供水设施，可广泛应用于城镇小区生活供水，企业生产供水。1.1.2 恒压供水系统的节能原理供水系统的根本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，说明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)如下列图所示。图1.1 供水系统的根本特性由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的

13、改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H f (Qc )。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状现在国内有很多的公司都在做恒压供水系统，控制方式千差万别。大多数采用变频器控制水泵来调节管网的压力机流量，都是闭环控制。有的是采用路基电路控制，有的是采用单片机控制，有的采用PLC控制。但是系统的稳定性，精度要求及抗干扰内力与国外的恒压

14、供水系统还存在一定的差距。原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器，不需要外部控制设备。但该变频器压力闭环控制与论及控制都在变频器内实现，起输出皆空限制了负载容量，只适用于容量小，控制精度不高的共和随场所。而在国外早期就开始时使用变频技术。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、变压变频比控制及各种保护功能1。变频器在变频恒压供水系统中既起到控制器又起到执行器的作用。压力传感器将管网内的压力信号传送给变频器，由变送器来进行信号比照，比较完毕的同时改变自己的输出频率。国外的恒压供水工程在设计时一般都采用一台变频器只带控制一台水泵电机，很少用一台变频器控

15、制多台水泵机组运行的情况，所以投资本钱高2。随着技术的开展变频器的驱动能力越来越强大，如法国的施耐德公司推出的恒压供，根本，该基板上集成了PLC，PID调节器，以及变频器硬件的。此基板专为恒压供水系统设计，可同时控制7点水泵电机。但该系统稳定性低，输入输出接口有限，不能与其他设备实现通讯3。所以，目前的变频调速恒压供水系统有待进一步的提高，不能适应于各种供水场所，系统的稳定性，通讯能力，抗干扰能力，监控能力需要进一步改善。1.3 变频恒压供水系统特点随着我国社会的开展，城市供水负荷急剧增加，城市各类高层小区建设开展迅猛，这对小区供水提出了更高的要求。小区供水条件也是人们生活条件的必须之一，供水

16、的稳定性直接影响人们的生活，先进的供水系统更能降低物业的管理本钱。传统的小区的供水方式在用水量顶峰期时供水量普遍缺乏，造成城市公用管网水压浮动较大。这种情容易况造成用水顶峰期时供水压力缺乏，用水低峰期时供水压力过高，且自来水公司的生产设备落后、控制方式落后，不能保证而供水压力到达正常标准，严重影响了人们的用水。所以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。并在此根底之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式。现在变频调速恒压供水系统得到了广泛的应用，其优点如下：1恒压供水 变频变频恒压供水系统实现了管网内供水压力稳定，不随流量的大范围的变化而变化，从而

17、可以保证用户任何时候的用水压力，防止了小区居民在顶峰期吃不上水的情况。2自动化程度高 小区变频恒压供水系统具备了过热、过压、过流、欠压、掉电保护、电泵过载保护、水面液位保护等功能。功能完善，全自动控制，无需专门人员操作减少管理本钱。3管理方便 系统自带的监测系统可以记录相关的信息及设备的运行状况，大大提高的系统的干礼效率。基于PLC的恒压供水系统集成了电机变频技术、电气控制、PLC技术、上位机监控技术、传感器技术，使得自动控制更加方便、实用、节能。所以设计该系统对人们正常的生活用水、企业用水都有很高的意义。1.4 本课题要完成的工作及预期目标完成的工作：本次设计已实现管网压力不变为目标，以实现

18、三台水泵做变频运转为对象；其中PLC为中央控制器，使用PLC内部的PID指令对输入数据进行运算；对PLC和变频调速原理进行简单的介绍；运用组态王软件实现系统各个局部的组态；硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图；按照各项要求设计电气接线图及原理图，按照动作的执行顺序设计PLC梯形图。 第2章 供水系统设计2.1 系统的控制方案拟定本设计的对象是住宅小区的供水要求，由于高层用户对水压的要求高，在用水顶峰期时，水压低，高层用户可能无法正常使用水，水压高时造成资源浪费。供水公司的水先储存的水池中，按照用户的需求给用户提供水源。在水池中参加水泵，通过水泵可

19、以把水提供用户。现在我国的变频恒压供水设备控制方式主要有：单片机变频控制方式、逻辑电路控制方式、PLC变频控制方式。1单片机和变频器共同控制方式：这种控制方式虽然能够精确水泵的变频控制和工频迸之间的相互切换，但是这种控制方式不灵活，不能准确应对管网情况变化。不能准确对控制系统进行监控，且功能有限。如果需要抗干扰还需要加上保护电路，更换维护较为麻烦。2逻辑元器件和普通电机控制方式：这种控制方式本钱较低，只有简单的逻辑控制点元件组合在一起，按照预定的逻辑顺序进行控制。这种控制方式是最早国外常用的控制方式，没有实现对电机的调速运行，水泵全为工频水泵，不能进行变频工作并且对管网的冲击压力较大。对于这个

20、供水系统来说，控制精度不高，和单片机变频控制方式一样抗干扰能力较弱，不能随时对整个系统进行监控。3PLC和变频器共同控制方式：这种控制方式较为灵活，控制精度较高，可以安装上位机监控系统，随时随地对整个供水系统的数据进行监控。采用PLC控制较为方便，PLC可以扩展数字模块，模拟模块和通信模块，后期如果要追加功能，硬件安装更换和软件调试较为方便。由于PLC结构与应用性使其应用各种生产生活场合，稳定性强、抗干扰能力高。PLC的现场总线结构和通信抗干扰能力优于其他单片机控制系统，因此系统的实用性、可靠性有很大的提高。 综合以上三种方案：第一种方案虽然结构简单，且本钱较低但是，控制方式不灵活，后期维护较

21、为麻烦。第二种方案，相对于第一种方案结构更为简单，本钱更低，但是没有变频器，无法实现水泵均匀调速。第三种方案，相对与前两种方案虽然本钱较高，但是控制精度高，抗干扰能力较强。现在国内外均采用第三种方案。2.2 供水系统组成 如下图，本系统采用PLC与变频器控制结合的控制方式，并用计算机上位机对该系统进行监控和操作，保证系统的平安性和稳定性。改系统主要有PLC，变频器，压力传感器，水泵以及上位机组成一个闭环控制系统。本设计有一个蓄水池，三个水泵，其中一个水泵受变频器的控制，另外两个电机根据管网压力的大小，进行选择性的工频运行。PLC根据管网压力的大小控制变频水泵与工频水泵的切换。每台水泵的电路控制

22、具有接触器控制，且每台水泵的出水管均安装有手动阀门以供以后维修。图2.1 变频恒压供水系统结构图恒压控制系统具体结构如下1信号检测模块：整个变频供水系统总共有两个检测信号传感器，分别是压力传感器和液位传感器。液位传感器的作用是检测水池的水位，检测水源是否充足，该传感器的信号是数字开关信号。此信号可以选用常闭信号，当水位正常时收到的信号为高电平，水位异常是PLC收到的信号为低电平。当收到低电平信号时，对整个系统进行保护，以防止水泵抽空二损坏电机。压力传感器是整个系统管件局部，用以检测用户管网的压力，将压力检测信号传给PLC，以供PLC进行数据处理。由于此传感器输出信号模拟信号，所以需要将信号进行

23、模拟数字转换。2电气控制模块：这是整个供水的系统的核心，主要由PLC、变频器、平安开关、接触器和辅助电控设备组成。变频器的作用主要是控制水泵的转速，根据PLC的的信号改变调速泵的运行频率。平安开关、接触器和辅助电气电控对主电路的控制和保护，可以有效地防止电路过载、过热。PLC对整个供水系统的信号进行采集，包括管网压力信号、水池水位信号和报警信号。PLC将收集到得管网压力信号和设定的压力值进行比照，将控制结果传送给变频器或者水泵接触器。另外PLC还可以计算机上位机进行通讯，接受上位机数据信息。3执行机构：该局部主要包括三台水泵，其中一条水泵处于变频状态，由变频器控制，当管网内的压力变化时，可以根

24、据压力的大小改变水泵的转速以满足控制的要求。另外两台水泵处于工频状态，当管网内的用水量已经超出了变频泵满频(50Hz)的时工作输出能力时，两台工频迸相继进入工作以满足用户的供水量。 (4)上位机控制机构:该局部是计算机上位机远程控制系统，用户一方面可以同过上位机输入管网内的压力，上位时机将数据传送给PLC，以供PLC进行压力比照。用户还可以从上位机对整个供水系统的运行状态进行监控并且做数据记录。5报警系统：为了保证恒压供水系统平安正常的运行，本系统设计了报警装置、用以防止因水泵过载、空载、变频器报警、浪涌电压、电路过流、蓄水池供水缺乏等问题的发生。报警系统将报警信号传给PLC和上位机，PLC根

25、据报警信号的分类作出相应的处理，来保护整个运行系统。2.3 系统硬件设计本系统的控制是以PLC为控制核心的，根据供水系统的的工艺要求和工作流程设计了控制系统的硬件框图，如下图图2.2 控制系统的硬件框图改控制系统主要包括信号输入机构，控制机构和输出机构。其中输入机构包括压力变送器，液位变送器。控制机构包括PLC，A/D装换模块，通讯模块及变频器。输出机构包括水泵机组和人机界面。压力变送器把信号传送个A/D转换模块；人机界面可以和PLC进行双向通讯，一方面将压力设定值传给PLC，另一方面PLC将报警提示信号从人机界面显示出来；PLC还可已接受来自各方面的报警信号，还可以和变频器进行双向通讯，控制

26、变频器的输出频率。2.4 电气主电路设计电气主电路接线图如下图图2.3 系统主电路接线图L1、L2、L3为整个供水系统的主电源，FU为主电源的熔断器。QS1、QS2、QS3、QS4为空气开关，其中QS1控制变频器电源，QS2、QS3、QS4分别控制水泵M1、M2、M3工频电源；KM1、 KM3、 KM5主电源到水泵为接触器，KM1、 KM2、 KM3受PLC的控制，按照程序分别启动相应的水。由于系统正常运行时只有一点水泵以变频方式运行，其他两台水泵按照工频方式运行，所以在对PLC进行编程的时候KM1、 KM3、 KM5三个接触器一定要相互自锁；KM2、 KM4、 KM6为变频器到水泵的接触器，

27、作用是选择相应的水泵做变频运行。变频器的R、S、T与主电源相接，U、V、W分别与三个水泵相接作为水泵的变频电源；FR1、FR2、FR3分别为水泵M1、M2、M3的热保护继电器，可以防止水泵电机过载。本设计只需要一个变频器即可实现三个水泵电机的均匀调速。根据逛网内的压力变化，来控制第几台水泵电机以变频方式运行，哪台水泵以工频方式运行。2.5 供水系统工作过程图2.4 恒压供水系统控制结构图工作人员将管网压力输入到上位机系统，上位机通过与PLC通讯将压力设定值数字信号传送给PLC。同时压力变送器将从官网获得的压力信号传送到PLC，由于压力信号为420mA的电信号，所以PLC通过A/D转换将压力传送

28、信号转换为数字信号并与压力设定值进行比照，将比照后的偏差值进行PID运算，再讲运算后的信号通过D/A转换模拟信号，并把模拟信号传送给变频器，改变变频器的输出频率，从而控制水泵的供水流量。从而使管网压力与设定压力保持一致。系统工作流程如下：1电气系统上电：首先系统通电，将所有的平安开关翻开，让所有的设备通电。PLC根据输入到其内部的信号进行自检，包括变频器信号，水位信号，及压力变送器的信号。第一台水泵电机一直处于变频状态，其他水泵处于待机状态。2增泵过程：给供水系统上电，系统进去运行状态，PLC首先让变频器与一台水泵通电。PLC将压力传送值和压力设定值进行比较，将比照后的偏差值进行PID运算，并

29、把运算频率传送给变频器，改变电机的转速，从而控制水泵的供水流量，保持管网压力不变。当变频器的工作频率到达上限50Hz时，变频器将到达上限信号传送给PLC。PLC根据管网压力的信号和变频器的上限信号判断是否启动下一代水泵。当变频器的到达上限频率时，PLC通过控制接触器和变频器将第一台变频水泵切换为工频运行，并将第二台水泵做变频运行。PLC继续将压力设定值和压力传送值进行比较，并进行PID运算，使管网压力保持在设定压力的范围之内。3减泵过程：当管网压力增大，用水量减少时，那么各泵依次推出运行。和增泵过程电机的工作顺序完全相反。根据情况的不同选择的减泵方式也不一样。如果三台水泵均在运行，按照增泵的条

30、件，第三台水泵肯定是以变频工作方式运行，第一台和第二台水泵那么以工频方式运行。此时管网压力增大，如果第三台水泵以最低工作频率运行还没有降低官网的压力，那么第三台水泵停止运行，将变频器与第二台水泵联接。切换的同时第二台水泵起初满频率运行，后来频率慢慢降低直到管网压力与设定压力保持一致。如果第二台水泵以最低频率运行也为到达要求，那么第二台水泵停止运行，将变频器与第一台水泵连接，第一台水泵以变频方式运行。 实际操作过程中受到我国供电电源频率的影响，变频器的最大输出功率不能无限放大，上限频率最大为50Hz。另外变频器的最小输出频率为0Hz，当变频器以0Hz输出时，水泵电机没有转速，由于管网压力的原因，

31、会对电机形成一个反向冲击损坏电机。所以在实际操作过程中变频器的最低输出频率不能0Hz，一般选用20Hz。由此可知道变频器的输出频率范围应保持在20Hz到50Hz之间。第3章 电气控制系统硬件的介绍及选型3.1 PLC选型3.1.1 PLC的介绍PLC介绍：在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件的要求进行动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，如早期的继电器控制，这些功能是通过气动或电气继电器控制系统来实现的。1969年美国数字公司DEC按照将程序控制应用于电气控制，改电气控制系统基于集成电路和电子技术的控制装置，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Con

32、troller。随着个人计算机的普及，同时也为了将可编程序控制器区别于其他的个人计算机，将可编程程序控制器定名为Programmable Logic ControllerPLC，现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会IEC对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。现在的PLC为电脑技术和继电器控制结合的产物，拥有了更高的运算速率、更小的体积、抗干扰性强。PLC还可

33、以进行PID运算、数字通讯，现在PLC多设计为模块化，可以扩展数字接口、模拟接口，日益受到钢铁、石油、煤化工、装备制造、交通运输、建材施工等各个行业的欢送。3.1.2 PLC的选型PLC是控制机构的核心，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、时间控制、计数控制，用户只需将编程好的梯形图下载到PLC即可，PLC便自动按照程序执行动作。恒压控水系统的PLC的功能：PLC对整个供水系统的信号进行采集，包括管网压力信号、水池水位信号和报警信号。PLC将收集到得管网压力信号和设定的压力值进行比照，将控制结果传送给变频器或者水泵接触器。另外PLC还可以计算机上位机进行通讯，

34、接受上位机数据信息。我们在对PLC进行选型时要考虑好输入输出点数、存储器容量、运算能力、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能及处理速度。根据此次系统的设计要求选用西门子S7-200PLC，小型PLC中，S7-200系列PLC价格低廉能满足多种集成功能的需要。 S7-200系列PLC具体有以下优点：1数据存放和计算机采用相同的存储方式，使得工程人员更容易掌握2采用结构化程序设计，S7-200系列PLC指令中包含了一些机构化的一些指令如比较指令、跳转指令、子程序调用指令，标记指令及中断指令。是的的程序的结构更加的清晰，稳定性高。3数据处理与运算能力强，S7-200系列PLC除了能进行逻辑控制以外

35、，还可以进行码制转换，正点运算，浮点运算。PLC还可以进行PID运算，这样PLC可以完成控制多台变频器比例同步，对模拟量实行PID调节。4通讯功能强大 S7-200系列PLC通过RS485接口可以直接和其他厂家的设备进行通讯，如与人机界面的通讯以及实现对PLC的监控和控制。5中断程序反响快，S7-200系列PLC内部集成高速输入和高速输出功能。其内部有专门处理中断时间的指令，以提高中断反响速度。6指令集丰富，在操作过程中给用户提供了丰富的指令，使用户编程更加便利。 所以本次设计啊选用了S7-200系列PLC，同时该系列PLC包含了多种CPU。本次设计输入点数目为5个，包括4个数字输入信号和一个

36、模拟输入信号。输出点数目为12个，包括11个数字输出信号和一个模拟输出信号。考虑到恒压供水系统的I/O数及系统的类型。本次设计采用CPU226，该CPU共有24个数字输入接口和16个数字输出接口，同时该CPU包含两个RS485通讯接口，一方面可以上位机通信，一方面可以和变频器进行通讯。CPU260满足本次设计的要求。由于本次设计需要一个模拟量输入及一个模拟量输出，所以要扩展A/D转换及D/A转换的EM235模块，该模块的模拟量输入电枢为4，分辨率为12位A/D转换器。模拟量输出点数为1，分辨率电流为电压12位，电流11位。该模块可以通过对其设置满足不同类型的设备信号输入及信号输出要求。EM23

37、5参数如下表所示：表3.1 EM235的常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压单极性010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 电压双极性±10V ±5V ±2.5V ±1V ±500mV ±250mV ±100mV ±50mV ±25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 ±10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+

38、32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位根据不同的要求设置DIP开关，DIP开关决定了所有的输入设置。也就是说开关的设置应用于整个模块，开关设置也只有在重新上电后才能生效。3.2 水泵电机的选择水泵的合理选择直接影响到系统的两个重要指标：1、运行费用，包括用电量。2、维护费用，主要指设备的日常维护。所以水泵的选择要满足以下几方面：（1） 流量、扬程、功率满足客户要求。（2） 水泵的供电要求要满足当地的要求。3选择使用寿命长的水泵及维护简单的水泵。通过以上标准选择本次设计选用上海上诚ISW100-350卧式离心泵。泵轴的绝对同心度及叶轮优异的动静平衡，保证平稳运行，绝无振动，不同

39、材质的硬质合金密封，保证了不同介质输送均无泄漏，结构简单合理，关键局部采用国际一流品质配套，整机无故障工作时间大大提高。维修方便，更换密封、轴承、简易方便。系列流量范围2000m3/h，扬程范围5125m，ISW100-350卧式离心泵的功率为80W满足小区供水系统的要求。3.3 变频器的原理及选型3.3.1 变频器的调速原理水泵电机多采用三相异步交流电动机，异步电动机的转速公式为 其中：f表示电源工作频率p表示电动机极对数s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： (1) 改变电机极对数p：在输出功率不变的情况下，电机的极对数越多，电机的转速就越低，但它的扭矩就越大。所以在选用电

40、机时，考虑负载需要多大的起动扭矩。这种调速方法是改变笼式电动机定子极对数p以得到不同的转速。如何改变磁极对数，取决于定子绕组的接线方式。此法只适合三相笼式异步电动机，而不适合三相绕线转子异步电动机，变速时转速变化较大，转矩也变化大。(2) 改变转差率s：对于转子电阻大，机械特性曲线较软的鼠笼式异步电动机，加在定子绕组上的电压发生改变，那么负载转矩对应于不同的电源电压，可获得不同的转速。由于低压时机械特性太软，转速变化大。 (3) 改变电源频率f：由转速公式可知，当转差率s变化不大时，异步电动机的转速n根本上与电源频率f成正比。其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就能够

41、改变电动机的转速，但是另一方面，U=E=4.44f*N*K*,其中U是电源电压，E是定子绕组的感应电动势，f是电源频率，N为绕组线圈匝数，k为绕组分布系数，为磁通量，从这个公式我们可以看出，如果减小f，U不变的话，那么必然变大，因为电机的磁路设计都是按照一定的磁通量设计的，如果增大，那么磁路有可能就进入了饱和状态，导致损耗加大，温升过大，倒是损坏电机绝缘，甚至烧毁电机，所以必须保证为恒定，因此相应的也应该减小电源电压U ，同理，f增大，U也要增大，我们必须保证u/f为一个常量。3.3.2 变频器的介绍变频器的工作原理：是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电

42、力控制设备。变频器主要由滤波、整流、逆变直流变交流、驱动单元、微机处理单元等组成 。变频器通过改变供电电源的频率，改变相应电机的运转速度。其主要方式是将电源的交流电整流变成直流，再通过逆变器将直流变成所需频率的交流。高级的变频器自带中央处理器，可以直接进行闭环控制。运用变频器可以实现节能，许多电动机都是在定频状态下运行，按照电源的频率进行工作。如在特定的场合那么需要电机转速能收到控制，在变频的方式运行可以降低能耗。变频器的分类：变频器可以按多种方式进行分类。按照控制电源的方式不同，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三

43、相变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器等。3.3.3 变频器的型号选择变频器可以改变电机的转速从而改变了水泵的供水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率进行选择。另外由于本次设计需要对变频器的工作状态进行监控，所以选择的变频器应具有通信功能。变频器按照用途分类，可以分为通用变频器，高频变频器、高性能变频器、单项变频器和三相变频器。由于供水系统执行机构为水泵，所以可以选用通用变频泵。为了使变频器与西门子PLC的 CPU226更好的通信，所以选用了西门子的MicroMaster440变频器。MicroMaster440变频器是两门子推出的可以

44、广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的Bico(内部功能互联)功能有无可比较的灵活性。主要特性如下：(1)调试简单；(2)模块化结构，因此组态的灵活性很大；(3)6个可编程带电位隔离的数字量输入；(4)两个可标定的模拟量输入(O一10 V，O一20mA)也可以被用作第7个或者第8个数字量输；(5)2个可编程的模拟量输出(0一20 mA)；(6)3个可编程的继电器输出；(7)当使用高调制脉冲频率时电动机运行的噪声很小，调制脉冲频率可以分级调整。(8)可以保护电动机。由于MicroMaster4

45、40变频器的输出功率为0.75250kw,符合水泵电机的功率要求。其采用模块化设计可以很好的和PLC进行通讯。 传感器的选型本系统需要两个传感器：压力传送器和液位变送器。 压力传送器选型：压力传感器的作用是将管网压力的信号传送给PLC，其输出信号为模拟信号。压力传感器一般采用硅压阻效应原理，硅片根据外界压力的变化其组织也发生相应的变化，根据现场情况我们选用的是420mA的压力变送器。选用的压力变送器量成为0-3MPa，适应环境温度为280 。额定电压为24V左右。其电路接线图如下列图所示： 图3.1 压力传送器电路接线图液位传送器选型：液位传送器的作用是检测水池内的液面高度，将液面报警信号发送

46、给PLC，以防止水泵空载运行，其输出信号也为420mA模拟信号。根据要求我们选用的是金湖联仪的 LY-700电容式液位变送器。LY-700电容式液位变送器适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测各种液体。适合测量污水、酸碱溶液、和锅炉的水位,整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高。其检测范围为，精度为级，环境温度为-50250度。符合水位检测要求。 硬件选型表如下表3-1所示；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可编程控制器PLC西门子CPU 226模拟量扩展模块西门子 EM 235变频器西门子 MM440水泵机组ISW10

47、0-350卧式离心泵3台上海上诚液位变送器LY-700电容式液位变送器 金湖联仪设备)第4章 控制系统方案设计4.1 硬件方案设计设计 4.1.1 PLC外围电路PLC的I/O分配设计：根据恒压供水系统的控制要求，PLC变频恒压供水系统I/O接口如表所示 表4.1 PLC的I/O分配名 称标 识地址编号输入信号运行模式开关SA1水池水位上下限报警信号SLHL变频器报警信号SU手动调试按钮信号SB7压力变送器输出模拟量电流值IpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器KM11#泵变频运行接触器KM22#泵工频运行接触器KM32#泵变频运行接触器KM43#泵工频运行接触器KM53#泵变频运行接触器KM

48、6输出信号水池水位上下限报警灯HL1变频器报警灯HL2运行模式指示灯HL3报警喇叭HA变频器频率复位KA变频器输入电流信号IfAQW0本设计包括4个数字量输入信号和11个数字量输出信号，其中为系统运行模式输入信号，此信号由两位旋钮控制；为水池水位下限信号，次信号由液位传感器向PLC输入，低电平有效；变频器报警信号，此信号为变频器发出过载信号；为手动调试按钮信号，此信号由两位按钮控制，方便用户进行手动调试；控制1#泵工频运行接触器KM1动作，高电平有效；控制1#泵变频运行接触器KM2动作，高电平有效；控制2#泵工频运行接触器KM3动作，高电平有效；控制2#泵变频运行接触器KM4动作，高电平有效；

49、控制3#泵工频运行接触器KM5动作，高电平有效；控制3#泵变频运行接触器动作，高电平有效。另外本次设计还有一个模拟量输入信号和一个模拟量输出信号需要通过扩展EM235模块来实现其功能。其中模拟量输入接口为AIW0，接受压力变送器的模拟量信号，选用420mA电流信号；模拟量输出接口为AQW0，向变频器发送调频信号，信号类型为420mA电流信号。PLC的外围电路接线：根据控制电路要求以及结合I/O口的分配，PLC的外围接线图如下图：图4.1 S7-200外围接线图 MicroMaster440外围接线 此次恒压供水系统选用MicroMaster440变频器，变频器的外围口电路如下列图所示：图4.2

50、 MicroMaster440变频器接口图其中继电器1用于变频器的报警信号输出，20接口接24V正电源，18接口接入PLC的输入接口，变频器的参数设定P0731，默认值为。 对于变频器的控制接口选用选用的是模拟量输入通道2接口，电流信号为4-20mA，参数设置如下表所示。表4.2 MicroMaster440变频器模拟量通道参数设定4.2 系统程序设计恒压供水系统的硬件电路确定之后，恒压供水系统的主要功能将依赖于软件来实现。对同一个硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能就不同，而且有些硬件电路功能常可以用软件来时实现。本课题程序设计使用西门子STEP7-MicroWIN_V40软件，此软件试

51、用于S7-200系列PLC，本次设计采用梯形图编程。用juan luis villanueva设计的汉化版S7-200 PLC 仿真软件实现程序仿真。程序的设计主要包括：一个主程序，一个PID中断子程序，和初始化子程序。 恒压供水系统主程序设计系统主程序主要完成所有数据的初始化、变频器的启动、水泵的启动、水泵的切换、进行PID运算和报警等功能。主程序要求如下：（1） 系统初始化系统启动以后对所有的数据进行初始化，完成对各个局部工作状态的查，如果有错误那么通过PLC报警，然后对变频器的上限频率和下线频率进行设定。（2） 变频器的启动系统按照程序对水泵电机M1进行变频控制，其他两台水泵不需要进行启

52、动。需要通过需要控制接触器来完成此功能，且接触器要相互自锁。按照管网的压力进行加泵或者减泵动作。（3） 水泵的的启动所用的水泵在加泵或者检泵的过程中，变频器都应该介入，以实现水泵电机的软启动，保护电机。且每台水泵工作时间不能过长，工作时间超过3小时，那么切换水泵或者停止该水泵。（4） PID运算在主程序当中应该完成压力变送器的值与变频器的输入值进行比较，完成PID运算，将结果传送给变频器。且PID运算值大于或者小于变频器的变频器的工作频率时，进行300秒的定时，在时间内完成水泵的切换，以防止水压波动。（5） 报警信号主要是完成水位限位，变频器故障报警，当切换到手动模式时，报警信号依然存在，直至

53、故障排除。主程序流程图如下列图所示： 图4.3 主程序流程图系统启动后先调用初始化子程序，完成 各项初始值的设定及检测，接着设定变频器泵号，方便PLC控制。根据PLC管网压力变送器的信号及变频器是否到达上限频率或者下限频率，来判断是否进入增泵过程或者减泵过程。如果增泵，复位变频器，当前泵工频运行，下台泵做变频运行，如果单台泵运行时间超过3个小时，那么当前泵停止运行，切换别的泵运行。当遇到水位越线，变频器故障时，产生报警信号。水泵变频运行流及工频运行程图如下列图所示图 水泵的变频运行及工频运行流程图系统启动后水泵是否接收到变频运行或者工频运行信号，如遇到变频运行脉冲信号，检查系统是否有故障，是否

54、有变频器复位脉冲信号，一切正常那么进入变频运行；如果接收到工频信号，检查第几台水泵做变频运行，接着检查工频泵树是否大于1，一切正常那么进入工频运行。由于主程序提梯形图较多所以，所以主程序梯形图附录在附件中。 中断程序设计为了保证PLC进行能及时PID的运算处理，将PID运算设置为中断程序。保证其运行的可靠性。由压力变送器将模拟信号送入PLC的AIW0接口，经过A/D处理后，与设定值做比较，把比较结果经过PID运算并把运算结果进行D/A转换。最后通过AIW0输出模拟信号。中断子程序如下列图所示。图4.5 中断子程序图 子程序设计系统启动以后对所有的数据进行初始化，完成对各个局部工作状态的查，如果

55、有错误那么通过PLC报警，然后对变频器的上限频率和下线频率进行设定。设定变频器的上限为50HZ下限为20HZ 图4.6 初始化子程序流程图4.3 中间存放器说明由于此次程序的设计较为烦琐，所以程序中加油中间继电器及中间存放器。本设计需要时间继电器5个，分别为T33，T34，T35，T37，T38，其中T33，T34，T35工作方式为TON，时基为10ms，T37，T38工作方式为TON，时基为100ms；另外需要需要中间12个继电器M和数据存储，包括双字存储单字存储。指令继电器和数据存储说明如下表4.3所示：表4.3 继电器和数据存储说明器件地址功 能器件地址功 能T33工频/变频转换逻辑控制VD100过程变量标准化值T34工频/变频转换逻辑控制VD104压力给定值T35工频/变频转换逻辑控制VD108PID计算值T37工频泵增泵滤波时间控制VD112比例系数KcT38工频泵减泵滤波时间控制VD116采样时间Ts故障结束脉冲信号VD120积分时间Ti水泵变频启动脉冲(增泵)VD124微分时间Td水泵变频启动脉冲(减泵)VD204变频运行频率下限值倒泵变频启动脉冲VD208变频运行频率上限值复位当前变频泵运行