基于PLC和变频技术的恒压供水设计

摘要论文设计的供水系统由PLC、水泵，传感器、变频器等装置组成。根据压力传感器反馈过来的信号，传递到变频器，变频器通过内部的PID模块作用，依照用水量的多少，改变水泵机组的转速和水泵运行需要的数量，调节水压，形成一个闭环恒压供水系统。水泵的转速与供水量和转速呈正相关，而功率则以水泵转速的三次方降低。所以变频器的变频调速方式比以前通过阀门控制的方式更加节能，而且增加了许多辅助功能，系统的可靠性也相应的提高。论文提供了关于电机如何转换和可能会发生的问题的分析，并且给出设计原理图、控制方案以及PLC应用程序设计。供水系统设计让水泵机组合理使用，保护电网，对延长管网的使用寿命都具有一定的意义。关键词：PLC；恒压供水；变频调速技术

AbstractThewatersupplysystemiscomposedofPLC,pumpunit,pressuresensorandfrequencyconverter.Accordingtothepressuresensorfeedbacksignal,passedtotheinverter,theinverterthroughinternalPIDmodule,inaccordancewiththeamountofwaterconsumption,changethespeedofthepumpunit,adjustthewaterpressure,formingaclosedloopconstantpressurewatersupplysystem.Asthepumpspeeddecreases,thewatersupplyandspeedarepositivelycorrelated,whilethepowerisreducedbythepowerofthepumpspeedtothethirdpower.Therefore,thefrequencyconversionofinverterismoreenergyefficientthanthepreviouswaythroughvalvecontrol,andmanyauxiliaryfunctionshavebeenadded,andthereliabilityofthesystemhasbeenimprovedcorrespondingly.Thepaperprovidesananalysisofhowthemotortransformsandmayoccur,andgivesthedesignschematicdiagram,controlschemeandPLCapplicationdesign.Thedesignofwatersupplysystemmakesthepumpunitreasonableuseandprotectthepowergrid,whichhascertainsignificancetoprolongtheservicelifeofpipenetwork.Keywords：plc：constantpressurewatersupply；variablefrequencyspeedcontroltechnology目录第1章绪论 11.1研究背景和意义 11.2国内外研究现状 11.3课题主要研究内容 3第2章总体设计方案 42.1设计方案的选取 42.1.1工艺介绍 42.1.2调速原理 52.2泵参数确定 52.3总体设计方案 62.3.1能耗分析 62.3.2控制方案选择 7第3章电路原理设计以及元器件选择 73.1供水系统结构设计 93.1.1PLC的选取 93.1.2变频器的选择 123.1.3压力传感器 143.1.4水泵 143.1.5电机的选择 143.1.6低压电器的选择 143.2电路设计 153.2.1系统主电路设计 163.2.2控制电路设计 15第4章系统的软件设计 194.1PID的工作原理 194.1.1PID算法 204.2PLC控制系统程序设计 214.2.1输入口 214.2.2输出口 224.2.3辅助触点 224.3应用程序设计 224.3.1程序的优化设计 224.3.2应用程序的设计 254.3.3故障检测程序的设计 28结论 27致谢 28参考文献 29第1章绪论1.1研究背景和意义水是生命之源，人们生活离不开水。随着社会经济的快速发展和生活水平不断提高，人们用水量逐渐增多。因为受到季节、昼夜等因素的影响，传统的供水方式已经不能满足人们的用水要求。人们对供水的经济性，灵活性，平稳性都提出更高的要求。因为传统的供水方式不能让资源得到合理化使用。而且由于水压的忽高忽低，对管网构成了直接的伤害，更是对设施构成了无法弥补的损失，造成资源的浪费。在国际这个大环境下，节能已经成为这个时代的标签。我国虽然地大物博，但是依据可持续发展的理念，我们更加需要节约能源。在我国的二三线城市，供水系统还不是很发达，造成人力资源的浪费。这种供水形式也要考虑以下会出现的问题:1、浪费电能。城市居民在不同的时间段用水量是有很大差异的。比如一日三餐的做饭时间，晚上的洗浴时间都是用水的高峰期。但大部分的其余时间居民的用水量并不多。而在这用水量不多的时间里，电机一直以用水量多的标准运转，这极大的造成了电能的浪费。2、水资源的浪费。在大量用水的情况下，管道网压力比较大，导致管道破坏，水资源流失、公厕用水等对水资源构成重大浪费。3、用水量多时，由于管道流量的增加，也可以形成管网压力不足的状况，以致于出现高层用户出现断水的景象。4、形成水锤效应，以致于管网毁坏较大。水锤，顾名思义就是水像锤子一样打击着管网。它出现的原因是阀门关闭的太快或者是突然的停电导致阀门关闭，由于水管内部，管内壁相对润滑，水流在惯性的作用下，迅速到达最大，爆发水流冲击波，对管网造成破坏。这也叫“正水锤”。与这个完全不一样的现象是，封闭的阀门忽然开启，爆发水流冲击波，叫“负水锤”这也导致管网毁坏。科技发展的越来越快，供水系统也发生了许多的变化。变频恒压控制系统顺应节水节能的要求代替以前的供水设备。这个供水系统可分成三个部分：变频、恒压、控制。变频：通过变频器的频率和内部的PID模块让水泵根据用水量的变化来变频。恒压就是让管网无论遇到什么情况，总是以恒定的压力存在着。这里需要压力传感器和液位传感器的帮助。控制就是通过PLC对变频器的控制，来控制电机。这三部分的结合，对于节水节能的要求存在着重大意义。这个供水系统，非常符合当代人的价值观。而且这也是科技发展的必须路线。因为我们的水资源越来越匮乏，所以节水，是我们人类必须要做的。1.2国内外研究现状我们研究的课题主要围绕PLC和变频调速技术两大主题。关于变频调速技术，第一个变频器就是由丹麦的丹佛斯公司创造并且投入生产的。并且丹佛斯在传动产品方面并且与其他供应商并列为全球五大核心供应商后，经过变频调速技术的革新和变频恒压供水模式具有平稳性、比较踏实以及高自动化等优点并且它的节能效果是大家公认的被国际所接受的，因此在国外的有许多做变频器这一块的敏睿的嗅到了它的前景很快的投入研究出具有恒定压力的变频器。变频器内，它的控制基板上包括PID调节器和PLC等硬件都集中在里面。PLC和PID等系统想要实现功用必须通过调整好指令代码，把恒定压力的供水单元与之搭配好，就可以管制许多个里面的电磁接触器进行运作，可形成至多由七台电机(泵)的组成的供水系统。这些设施即使是将电路结构简化了，减少经济的损失，但不好的是它的输出接口功能不是很完善，整体上是缺少一种变通性。而且系统在动态功能，和平稳方面都不是很足，与其他的监控系统难以连接和组态软件很难达到数据通信，以及大大的限制了负载的承载量，所以它投入使用的话，可能会有许多的限制。在中国经历了科技革命的发展，直流的拖动暴露出了许多的缺点。直流电机的换向器，它的维护工作太多，并且单机的承载量转速等等，并且直流电机对工作的地点有很大的选择性，有许多限制。于是异步电动机就在人们的迫切需求中诞生了，它的结构比较简单，工作起来也比较平稳，踏实。并且成本比较低，维护方面也是比较简单的。而它的缺点是与生产的需要不匹配，因为它的调速功能不是很好。所以，从上上个世纪的30年代左右开始，人们开始往交流调速这个方向去研讨，但是进展不是很快，可以说是非常的缓慢，在经历了无数的岁月过去，直流调速也依旧在电气方面可以独当一面的。差不多经历了三十年后，特别是四十年后，电子技术领域可以说是迈出了巨大的一步，这时候的交流调速已经有超过直流调速的趋势，现在交流调速已经带领我们走向新时代，而直流调速逐渐被淘汰了。在我国，变频器一直和交流电动机搭配使用，用变频器改变电机的转速是目前最适合的调整速度方案。除了能够改变调整速度功能之外，他还有节约能量的作用，能够有效的提高企业的效率，让产品更能跟上时代的脚步。在二十一世纪的八十年代，变频器自从来到中国，在节能和改变速度方面是越来越离不开它，它在各个领悟都发挥了不可替代的作用，而且变频技术经过大量的研究和应用，逐渐的得到了完善，它在这个领域大放异彩。变频器发挥的功用是控制电气传动，无论是它的复杂程度，精读方面和动态响应有着很高的标准。交流调速技术如今已经成为第一了。特别是这些年，变频器逐渐得到完善，创造出以前没有的功能，比如提升等，它与系统更加搭配的天衣无缝，变频技术又达到了一个新的高度。变频技术投入使用后系统不再和以前一样，水泵以一个恒定的转速来实现供水，而是慢慢的电机从零慢慢的逐渐的一直到达到上限值为止，而它电机的速度慢慢的提升，它对系统有一个缓冲的作用，这样对电网构成的伤害就会小很多，避免了电机的损坏，这大大的增加了电机的使用寿命。而且变频技术使压力趋于一个稳定值，不会有太大的冲击力，这样也对管网有很大的好处，也延长管网的使用时间。虽然它可能会有某种程度的变化，但也不会造成太大的影响。所以这中变频方式可能它是在某一个范围内使它达到优化，倒也是局部的，并不能使它整体都达到最好的。变频调速现在是全世界都在使用的，并且在近几十年还是会继续使用，它的效率比较高，精读要求高，范围也是比较广的。如果变频器和PLC搭配使用的话，它们具有价格低廉，维修更加简便，灵活性也是高，比较可靠的优点。1.3课题主要研究内容本系统直接用供水系统成为控制对象，研讨基于PLC的供水系统的设计，使系统取得较好的性能功用。经过西门子PLC控制和变频器来调理水泵机组速度。以供水系统的运转工艺状况来看，思考系统的可行性、安全性，设计恒压供水管制系统的硬件电路。把握变频器的运行的原理和使用措施，经过变频器里面的PID的设置，从而完成改动水泵机组的速度，实现对系统的高性能管制。对程序进行模拟调动，并查看运转后果，可以更加直观的感受。最终得到变频恒压供水模式的可行性和长处。

第2章供水系统总体设计方案2.1设计方案的选取2.1.1工艺分析供水系统由PLC、水泵机组(标号为1、2、3号)，压力传感器、变频器等装置组成。图2-1控制原理流程图由图2-1所示，水泵机组开始转换时，如果硬件和软件都没有准备的情况下，硬件首先，当1号水泵转速从零一直不断的上升，直到到达上限值，但是这时候水的压力还处于下限，那么就需要我们延长一些时间，1号泵开始转换到工频运作，与之同一时间变频器迅速从上限值下降到零。这时2号泵开始运作，一旦水压还是没有达到恒定值，那么再让3号泵开始工作，2号泵进入工频模式运行。如果从一开始就让1号泵作为备用，那么就从2号泵开始运作，如果它的转速从0开始一直到上限值，依旧没有达到约定的水压值，那么等一会时间，2号泵进入变频形势工作，并且变频器也从上限值到达零，3号泵开始变频。如果是1号，2号都备用的情况下，就直接让3号泵进入变频模式。泵的转换大致就和上面说的差不多。还有一种情况就是水压处于上限值时，当3个泵都在运作，3号泵工作时的频率要迅速下降到零，如果这时候的水压还在上限值，那么等待一些时间，让1号泵停止运作，3号泵的频率就要逐渐的增加，如果这种情况依旧没有改变，那么增加一些时间，就可以让2号泵停止工作。在这种来回转换之间，能够使泵开始和停止工作的次数减少，而且能够在水压做出变化时，变频器可以作出反应，让水泵机组从工频到变频之间转换，避免对管网造成大的损失，延长它们的寿命。在我们的设计中，如果将变频器的参数好好设置，使水泵切换的没有任何的冲击力，让水压一直处于一个相对平衡的状态，这样水压就不会出现忽高忽低的景象，这样供水的效率会大大的提高，质量也会越来越高。2.1.2调速原理异步电动机定子三相对称绕组空间相隔120°，当通以三相对称电流时，发生旋转磁场，旋转磁场的转速，即同步转速为：(2-1)异步电动机的转差率为：(2-2)(2-3)式中：——定子绕组电源频率；——磁场极对数；——转差率；——同步转速()；——异步电动机转速()。2.2泵参数的确定水泵参数一共有六个：流量、扬程、功率、效率、转速和允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中：流量、扬程和转速都是最基础的参数，只需其中一个产生变化，其他参数都会发生相应的改变。1、流量水泵流量表示水泵出水口流出的水量在规定时间内，大体上有体积流量或质量流量2、扬程代表在单位质量下总能量经过叶轮传递，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量，的差值表示，其单位以计。3、功率水泵功率包括两种，有效功率、轴功率。有效功率是泵内的液体实际所获得的净功率()，可以依照流量和扬程来计算。(2-4)式中：——液体的比重()；——液体的流量(）；——水泵的扬程()。轴功率表示水泵在规定流量、扬程下工作时需要的外来功率，就是经过动力机传递到水泵轴产生的功率()。轴功率大部分是传给液体的，但是需要消耗小部分功率之后，产生有效功功率。(2-5)式中：——水泵效率(%)4、效率有效功率除以轴功率得出的结果是效率。(2-6)水泵效率表示水泵传送的能量的有效度，也更加代表着损失的功率在泵里，是一个特别重要的技术经济指示。5、转速转速是指叶轮每分钟的转数。最后，系统所研究的小区要求水泵的流量范围600m3/h,扬程是60m左右，出水口水压大小为0.4MPa2.3总体设计方案2.3.1能耗分析水泵所规定的负荷是根据最坏的情况下产生的流量和相关的扬程设置的。但在实践情况下水泵产生的最大流量的时间特别短。而且外面的用水量一直在发生改变，同样发生相应改变的还有扬程。所以水泵永远在同一个工况点是不对的。应该根据外界的情况来掌握。有两种方法比较常用通过阀门和调整速度来对它控制。阀门的作用就是对管道施加阻碍，从而影响到流量的变化，但是这在很大程度上对能量造成了损失。另一种就是往电动机的转速上下功夫来改变它的工况点。让流量和扬程依照管内用水量来发生改变。让压力处于一个恒定的状态，并且能够节约能量。图2-2变频调速节能(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)(2-11)上面各式中为比例常数。变频调节速度的设备是根据出水量的变化来调整水泵的转速，根据公式（2-11），1水泵的功率也和流量有关系，并且是正相关，就是流量增大时，水泵的转速和输出功率都会增加，与之相反的情况，就是都减小。由上面的原理图我们可以知道：1、2、3、代表着管网受到阻碍时的情况。4就是当转速到达n1的时候水泵的工作轨迹。而5就是水泵的转速到n2时它的工作轨迹。水泵以前工作的地方是曲线3和4交叉的点，标记未A。着这时候的出水流量是，管网遇到的阻碍为，水泵的转速是。当流量逐渐减小，并且一直下降到的时候，这时的管网工作轨迹是1。而交叉点是1和4水泵工作轨迹点。此时管网受到的阻碍是，它的输出功率和是呈现正相关的。因为，多余的压力产生的能量就被损失掉了，而这些太高的压力对设施方面也有一定的伤害。如果换一种方法例如变频调速装备，这时水泵的转速下降到，而交叉点就是水泵工作轨迹点。速度调整结束后，管网的压力一直保持一个相同值是，出水流量呈现值，输出功率和呈现出正相关的趋势。从图中可以看出，阴影部分和损失掉的功率输出也呈现出正相关。举个例子，如果是的80%，把水泵的转速从改为的80％，那么它的输出功率为的一半左右。这是在不使用调速控制的情况下，48.8％的能量就会损失掉。由此可以得出变频调速还是非常有发展前景的，可以省不少成本。2.3.2控制方案的选择变频恒压供水大多数用变频泵固定式或变频循环运行方式。变频泵固定式一般由多个水泵机组成，包括变频泵一台，其他都是恒速泵，以工频运行。供水系统开始运行时，变频泵先开始运行，如果变频泵在频率已经达到工频的状态下，管网的水压还没有达到预期值，就迅速的降低变频泵的频率，同时开启一台恒速泵。两台水泵一起运行。水泵作用时，控制系统会依照管网的压力来判断水泵是否正常运行和切换。通过调节变频泵的运行频率使管网的压力达到预期值。变频泵固定式运行方式比较容易达到，而且价格比较低廉。但不好的是恒速泵的运行对电网的危害作用比较大，仅仅适合功率比较小的泵。变频循环式由多台变频泵组成，主要是通过各个泵之间的相互切换来达到管网压力的预期值的。举个例子，如果1号变频泵在频率已经达到工频的状态下，管网的水压还没有达到预期值时，则1号泵以工频的频率运行。同时2号变频泵加入变频，若水管压力还未达到就以此类推。当供水系统停止时，变频泵要遵循“先开先停”的原则。因为每台变频泵都是通过变换频率运行的，所以对电网的危害不大。通过分析比较得知，变频循环式具备恒压、节能、不伤害电网的特点。所以系统选择变频循环式。控制系统含有PLC抉择为西门子S7-200作为控制模块，扩展模块为EM235压力传感器作为检测信号，以及3个水泵一起构成的闭环控制系统。如图2-3所示。图2-3恒压供水系统的简化控制框图图2-3恒压供水系统的简化控制框图第3章电路原理设计以及元器件选择3.1供水系统的结构设计3.1.1PLC的选取可编程控制器在计算机领域有着举足轻重的位置，它的产生是满足工业控制的存在。以前的可编程控制器叫做可编程逻辑控制器，缩写就是PLC，它发挥的功能就是取代继电器记进行逻辑控制。随着科技的发展，日新月异，这种设备的作用已经远远不止于逻辑控制了，他还发挥着各种各样的作用。所以，现在这种设备叫可编程控制器，缩写为PC。但是个人计算机的缩写和它一样，因此把可编程控制器叫做PLC。PLC在检测、监测和自动化控制方面，无论在什么样的环境。它不管是自己一个运行，还是与网络搭配使用发挥繁琐的控制功效都有着不可替代的作用。3.1.1.1PLC机型选择机型如何抉择？首先肯定是具备的基本控制要求都要具备，能够使系统平稳工作，维护量比较少、而且简单和高性价比。具体应考虑的因素如下所述。1、结构合理整体式PLC要求有不变的工艺过程、工作地点要求高和维修比较简单等条件，如果不满足的话就采用模块式PLC。2、功能强、弱适当低档的PLC要求是控制开关量的功能，控制速度的衡量标准低。比如西门子公司的S7-200系列机PLC。如果开关量控制是主体、模拟量控制为辅的工程项目，可选用含有A/D转换的模拟量输入模块和含有D/A转换的模拟量输出模块，以及具有加减乘除运算和数据传输功能的低档。对于控制比较复杂、控制功能标准比较高的工程计划，并且需要用上PID运算闭环控制、通信联网等功能，可依照控制规模和复杂性，就要采纳中档或高档机。规模比较庞大的控制、全PLC控制系统范围广和自动化工厂都需要用到高档机。3、机型统一PLC的机构包括两种：整体式、模块式。整体式的构造简单、价格低廉，而且整体式机构的PLC功用少，不复杂、控制标准低的系统还可以使用。比较复杂的控制系统就需要用到模块结构，这样性能比较齐全，灵活性高。如果企业的规格大购买PLC时，最好都买一摸一样的。一样的PLC，它们的模块可可以互相使用，这样管理和购买起来比较简单;并且，性能和编程方式一样，技术部门容易学习和培养;而且外部装置都可以用可以分享使用。如果搭配计算机使用，互相通信，可以集中在一起管理，而不杂乱。4、PLC的环境适应性因为PLC是工业控制器比较直接的，生产厂家都是假设它在都把它设想在最坏情况下，依旧可以稳定的工作。虽然是这样，每种PLC都对自己的环境要求标准不一样，所以当我们用到它时，应该把工作环境这个因素考虑进去，是非常有必要的。关于有特殊需求情况下使用的，要依照具体的状况恰当的抉择。3.1.1.2PLC容量选择PLC容量取决于I/O的点数和用户存储器的容量(字数)两个参数。PLC容量的抉择不仅满足控制标准，还要留有恰当的裕量，让它留做备用。依照以往的经验，如何选择存储容量？容量要有实际需要的10%～25%。关于开关量控制系统，存储器字数是开关量I/O的8倍；关于PLC的有模拟量控制性能的，存储器字数是模拟内存单元数的100倍。读PLC阅产品使用手册可以知道指令占据的内存。3.1.1.3I/O模块的选择I/O模块的型号和具体数目的多少，模块点数包括4,8,16,32和64点，点数与价格呈负相关，就是点数越多成本少一点。从根据现场采集到的数据和输出以及外部装置产生的控制信号相距一些距离。PLC的I/O接口模块因为有良好的抗干扰性质，可以保证采集到的信息准确。依照实际的需求，PLC包含很多I/O接口模块，蕴含开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块，能够依照实践需求进行抉择运用。1、确定I/O点数I/O点数首要考虑的就是容量这个因素，这样对于扩展功能比较容易。控制对象不变，I/O点数也会发生改变，因为控制方式或编程的需要不一样。2、开关量I/O接口开关量I/O接口包括隔离式、分组式和汇点式，这是根据外部接线方法来划分的。隔离式的点数成本较高，隔离式需要信号与信号之间分开。如果不需要就选择分组式或汇点式3、模拟量I/O接口模拟量I/O接口因为传感器传递信号创造出来的。模拟量包括流量、温度和压力都是通过接口测试的，适用掌控电压和电流输出的装置。比较著名的接口量程：双极性电压是-10～+10V、单极性电压是0～+10V、电流是4～20mA或10～50mA。综合以上思考这里咱们抉择西门子S7-200PLC。模块量扩展模块选择EM235。它具备四路模拟量输入和一路模拟量输出，恒压供水控制可以使用。EM235的工作程序编制包含下面的几类：1、初始化主程序。预置顶采样实线和基本的工作全部清零，为即将需要做的事情打下良好的基础。2、专门划分一个模块测试子程序。这个子程序核实模块是否正确的连接和模块是否能够正常运行。3、将子程序收集好和计算量方面的事情。4、项目对于模拟量的处理相关程序。S7-200PLC硬件系统包含整体式和积木式两种配置方式，就是主机包括相应数量的输入/输出(I/O)点，I/O模块和各式各样性能的模块用来发展我们需要的功能。PLC模拟量控制单元的配置和用处PLC的个别输出输入端口都是开关量处理端口，PLC为了实现模拟量的解决,整体式和PLC模拟量扩展单元搭配使用是一个普遍使用的办法。模拟量扩展单元可以把外界模拟量变成PLC可以掌控的数字量。这样机器就可以运行模拟量因为PLC内部可以运算数字量。模拟量扩展单元适用在独立的模/数转换的，还包括模/数和数/模两类性能的，下面咱们简单介绍一下S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它拥有4路模拟量输入和1路模拟量输入，恒压供水控制可以使用。EM235模拟量工作单元性能指标因为编写程序由于不同的模块拥有的输出输入的模拟量不同，这就有一定的难度。而数字量不同因为它的长度或者形式都是固定的。因此模拟量相通过数字量的固定性把它的电流量和电压量替换成标准量，这样与控制接口更加容易连接。如表3-1所示，清楚的列出了EM235的输入、输出信号的范围，可以方便的抉择。表3-1EM235输入\输出技术规范3.1.2变频器的选择当系统需要软启动的时候，变频器就作为软启动原件而存在。它可以使启动电流减小，这样对电网的伤害也会随之减小。变频器最重要的一个作用当然是变频作用了，通过频率发生的变化从而影响着电动机转速。如果恰当使用变频器还能达到节约能源的效果。在闭环控制中，采取模拟控制，无论是4-20mA的电流还是0-10V的电压来充当模拟信号去掌控变频器。变频器根据实际的情况去改变电机的转速，让它或高或低，这样它不会以恒定的最高速度运作，因此这样可以节约能源。本研究系统选用ABB公司的ACS510变频器。其主要特点：1、可以和风机或者水泵搭配使用:一旦增加PFC运行的强度，7台泵的控制不是问题；有专门针对隧道风机发生火灾的情况是超越模式；SPFC循环软启性能让每个泵可以按顺序调节；因为变频器的内部有两个PID调节器，所以它的参数可以有两套，而且其中的PID2可以对一个单独存在的外界的阀门进行掌控。2、成本更加少:现场的总线可以非常容易的和I/O口或者可以立即插入的元器件连接。噪音可以降低电机的磁通随着负载的降低而降低，开关的次数和传动的温度呈现负相关，如果传动温度升高，那么开关的次数讲减少。3、对环境好，污染少:EMC和RFI滤波器搭配使用，电感量可通过变感量电抗器依照负载的变化来磨合，这样出现谐波的概率较低。最后我们选择SPFC宏来控制水泵机组的运行，具体情况如下：DI信号闭合，传动单元启动，继电器RO1、接触器K1闭合，经过PFC启动延长一段时间，变频器依旧不能起到变频作用。直到接触器趋于稳定状态才可以启动调节，首先1号水泵变频，1号水泵转速从零一直不断的上升，直到到达上限值，但是这时候水的压力还处于下限，这时就需要2号水泵的加入，如果输出功率Fout-启动功率>1HZ，一切停止断开，那么就需要我们延长一些时间，传动单元、RO2、K2闭合，和上述一样，延时等待稳定，然后RO1、K1闭合1号泵开始转换到工频运作，2号泵开始变频运作，一旦水压还是没有达到恒定值，3号泵运行模式和2号泵运行步骤类似。如果水压处于上限值时，输出频率Fout-停止频率<1HZ时，停止延时从开始直到结束后，RO1、K1断开，1号水泵停止运行，如果水压还是过高，依次停掉2、3号水泵。原理与1号水泵停止类似。如图3-1所示，是变频器的控制连接示意图以及表3-2、3-3所示的功能表。(a)(b)(c)图3-1变频器控制连接示意图表3-2变频器功能说明表表3-3功能表3.1.3压力传感器如何能够实时的检测压力，知道压力的具体数值，这就是压力传感器存在的意义。将用标准的电子信号去代替压力信号，因为压力和标准信号成正相关，并且标准信号是有线性关系存在的。这里我们选用CHKYB系列扩散硅压力传感器(二线制)。扩散硅压力传感器究竟是怎么工作的呢？当有一个压力的存在，压力正好对这个传感器施加一个力的作用，这时，传感器里面的电阻的阻值发生改变，再把阻值的变化通过一个具体的数值表现出来，将它用一个标准的数字信号代替。这就是通过压阻效应来运作的具有以下优点：1、测量精度高，因为所用的材料都是新出来的，测量的准确性高，而且里面是固体，受环境的因素影响不大。2、抗干扰能力比较强，即使受到的压力太大，或者直接被比较硬的东西砸，这对测量原件都没有影响，准确性更加不会改变。3、可靠性较高，前面说过因为它的中间介质是固体的，所以温度对它的影响可以说是非常的渺小，而且它的技术水平已经和智能压力仪表相媲美了，有此可知，它测量的准确性是非常高，而且误差也小。3.1.4水泵流量、扬程以及功率是抉择水泵必须要考虑的基本因素。流量的抉择是依照每天各个时间段所用掉的水多不多来决定的。并且流量和用水量呈现正相关，而和扬程呈负相关。依据系统的设定，大体可以确定流量的范围，扬程的大小，最后咱们想到用水量的问题，最后决定选用3台上海熊猫机械的SFL系列型号。3.1.5电机的选择抉择电机应该想到以下几点：1、电机电源类型，因为电机有三相，还有单相，用的电源有交流电或直流电都是要考虑的；2、工作地点，电机即将所处的位置是恶劣的还是舒适的，对电机的抉择也是有影响的；3、工作方法，购买这个是需要它长时间工作，还是偶尔工作一下也是考虑；4、安装形式，到底立式安装还是卧式安装以及还有其他；5、功率及转速等，负载对功率和电机的转速都是有要求的；6、其它参数，电机的速度是否要变化，在控制方面有没有特别的要求，以及负载的类型。综合以上因素，我们选择YVP系列变频调速三相异步电动机。3.1.6低压电器的选择1、接触器的选择由于电机在启动时，启动电流是电机正常工作的5-7倍，并且电机容量和启动电流呈负相关，就是电机容量大，启动电流反而小。电机在断开时，因为电机为感性负荷，它的开关触头在两端会感受到相对高的电压，以致于能够把触头间的空气隙击穿，成为电弧。所以，选择开关电机的元器件应该能够承受启动电流大的冲击力和灭弧能力。最后选择使用接触器。而且接触器有一个功能:30万次的合-开操纵，元件可以满足关于寿命的需求。这里我们选择上海上联牌的CJX2-1210接触器。2、熔断器的选择熔断器就是电路不正常运行或者发生故障时，电流会由于短路不断增大，增大的电流会烧毁电路中重要的元器件，甚至可能发生火灾，造成一定的经济损失。如果电路中有熔断器的存在，它就会在电流达到熔断器上限值的时候，熔断本身，断开电流，这样就可以起到保护电路，安全运转的效果。这里我们选择广州芬隆电器有限公司的RT18熔断器。3、继电器的选择热继电器一般是起保护作用。在电机运转时，由于过载，运行电压太低，启动次数过多的原因，引起绕组的温度偏高，以致于把电动机烧毁。所以这里就需要热继电器的存在。而且电动机坏掉很大程度是因为断相工作。所以继电器兼有断相保护的功能。所以我们选用型号未JR36-20的热继电器。中间继电器从字面上来看，就是放在中间作用的。在低电压过渡到高电压的过程中起到保护作用。由于过载能力较弱，它的辅助触头数量较多，但主触点几乎没有。而且通过它的电流也较小，只能在控制回路中使用。这些都和接触器是不一样的。它还可以增添触点的数目和承载量，在自动控制体系中。我们选择欧姆龙品牌的选用MY2N-J中间继电器。4、开关的选择隔离开关的作用是把高压配电设备中，停电的区域和带电的区域有效的隔离，来保障检验和维修的安全性。这里选用型号HDJW1低压隔离开关。单刀双掷开关就是一个开关，两个线路。双掷就是有两种线路可供选择，将它用123编号，2号是永远连接的一端，如果刀闸推到编号1时，控制的电路就会运行，而编号2的电路就不会运行。最后选用86型，因为性价比高。按钮开关就是没有锁的开关，按一下，手松开又会变成原样的开关。选择LA10-3H系列按钮开关。3.2电路设计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。3.2.1系统主电路的设计如下图所示为系统主电路图。FU是熔断器，KM是接触器，QS是隔离开关，FR是热继电器。主要工作过程:如图3-2所示，当居民开始用水时，这时QS1,KM2闭合，变频器让电机M1处于变频状态，如果用水量过大，管网的压力太小，一台水泵已经不能达到居民用水要求，这时我们需要让QS1,KM2断开，闭合QS2,KM1，让电机M1处于工频的状态运作。将M2启动，并开始进入变频模式；如果用水需求更加庞大，那么M2也进入工频，M3开始处于变频状态。水泵准守先开先停的原则，这样可以让水泵工作时间比较平均，延长水泵的寿命。图3-2主电路图3.2.2控制电路设计如下图3-3所示控制电路图。HL1-6代表工频或者变频运行指示灯，SA表示单刀双掷开关，SA在1的时候，是手动状态，方便工作人员对电机、变频器等设备进行维修和查看设施是否能够正常运行。SA在2的时候，是自动状态。PLC对变频器等元器件进行控制。当PLC进入自动状态，Q0.0表示为1时，KM1线圈得电，HL1灯亮暗示着水泵M1进入工频状态。因为KM1线圈得电，它的常闭触点分开，这样就能保证水泵M1处于工频的状态不受影响。当Q0.1表示为1时，KM2线圈得电，HL2灯亮暗示着水泵M1进入变频状态。由于KM2线圈得电，它的常闭触点KM2分开，这样可以保证水泵处于变频状态不受影响。接触器KM1和2互锁，让电机能够可靠的运行。水泵M2和3工作原理和M1同理。图3-3控制原理图第4章系统的软件设计4.1PID的工作原理图4-1PID工作原理图4.1.1PID算法：PLC内设定了一个PID算法，如图4-1所示，变频器怎么操作，泵之间怎么来回转换，都是以PID为核心来完成的。PID原理PID算法控制原则基于以下公式：(4-1)输出=比例项+积分项+微分项式中：——作为时间函数的回路输出;——回路增益;——回路错误（设定值和进程变量之间的差别);——回路输出的初始值。如果想让控制函数在数字计算机运转，就一定要把一直不间断的函数量作为错误值按照一定时间的试样。然后把输出量计算出来。计算机应该用下面写出的算式作为基础来运作：(4-2)输出=比例项+积分项+微分项式中：——采样时间的回路输出计算值；——回路增益；——采样时间的回路错误值；——回路错误的前一个数值(在采样时间)；——积分项的比例常数；——微分项的比例常数；——微分项的比例常数。从公式中我们可以看出，积分项从首个试样一直到现在所在的试样，都被当作错误的函数呈现出来。微分项代表现在的试样和上一个试样的函数。而数字计算机是不存在把错误的试样全部保存下来的，因为没有必要性。数字计算机从首个试样开始就每次把错误项运算出输出值，所以仅仅需要把上个错误值以及上个积分项的具体值存储起来就可以了。因为运算出结论有很多是一样的，所以可以把公式简单化解一下在采集试样的时候。简化后的公式为：(4-3)输出=比例项+积分项+微分项式中：——采样时间的回路输出计算值；——回路增益；——采样时间的回路错误值；——回路错误的前一个数值(采样时间)；——积分项的比例常数；；——积分项的前一个数值(采样时间)；——微分项的比例常数。如果想要运算控制回路的输出值时，可以用上面已经简化好的修正格式。修改后的公式为：(4-4)输出=比例项+积分项+微分项式中：——采样时间的回路输出计算值；——采样时间的回路输出比例项数值；——采样时间的回路输出积分项数值；——采样时间的回路输出微分项数值。4.2PLC控制系统程序设计4.2.1输入口输入口功能如表4-1所示表4-1分配表4.2.2输出口输出口功能如表4-2所示表4-2分配表4.2.3辅助触点辅助触点功能如表4-3所示表4-3分配表4.3PLC控制系统的可靠性和应用程序设计4.3.1程序的优化设计