基于PLC的变频恒压供水系统设计

年4月19日基于PLC的变频恒压供水系统设计文档仅供参考编号淮安信息职业技术学院毕业论文题目基于PLC的变频恒压供水系统设计学生姓名仝猛学号4107系部电气工程系专业机电一体化班级41指导教师王玲顾问教师马砚芳二〇一四年11月摘要随着中国经济的快速发展，城镇化的快速推进，人们生活水平的快速提高，小区的建设越来越迅速，因此对小区基础设施提出更高要求，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。本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。本系统经过在西门子PLC变频器实训室进行系统的装调，验证了功能的正确性和完整性。关键词：小区供水PLC变频调速恒压供水AbstractWiththerapiddevelopmentofoureconomy,

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aroundthesettingvalue.Keywords:DistrictwatersupplyPLCvariablefrequencyspeed-regulationconstant-pressurewater目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1传统供水系统 11.2基于PLC的变频恒压供水系统 1第二章可编程逻辑控制器简介 22.1可编程逻辑控制器（PLC）的定义 22.2PLC的组成 22.3PLC的工作原理 32.4西门子PLC(S7-200)的简介 4第三章变频器在恒压供水系统中的应用 53.1变频恒压供水的系统组成及特点 53.1.1系统组成 53.1.2系统的特点 63.2系统的节能原理 63.2.1水泵的扬程特性 63.2.2管路的阻力特性 63.2.3调节流量的方法 7第四章恒压供水系统硬件组成 84.1系统的控制要求 84.2主要硬件选择 84.3系统主电路分析及其设计 94.3.1主电路设计分析 94.3.2控制电路设计分析 114.3.3I/O分配表 114.3.4I/O接线 124.4变频器参数设置 13第五章系统软件设计 155.1系统软件设计分析 155.2PLC程序设计 16第六章总结与展望 21致谢 22参考文献 23附录1梯形图 24第一章绪论1.1传统供水系统由于城市的供水管网一般只能保证6层以下供水，且随着中国城镇化水平提高，楼层建设逐渐增高，传统的高楼供水系统已经落后。传统的高层楼房供水一般有恒速泵直接供水、气压罐供水、高位水塔水箱供水、单片机变频调速供水系统等方式。这些传统供水方式一般有以下优缺点：1．恒速泵直接供水是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2．气压罐供水具有体积小、简单方便，不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高。且对于用水不是高峰期时候，泵压力较高，造成浪费。3．高位水塔水箱供水最大的问题是水箱或水塔内会有大量的微生物或藻类，这是对水质第二次污染，随着对健康的追求更高，这种方式注定淘汰。4．单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，可是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。1.2基于PLC的变频恒压供水系统自变频器问世以来，变频调速技术便在诸多领域得到广泛应用。变频调速恒压供水技术以其清洁，高效，安全，高品质的供水质量等优点，在中国迅速流行发展。基于PLC的变频恒压供水系统依据水量的变化自动调节系统的运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定用来满足用水要求，是当前最为先进的，合理的，高效的节能行供水系统。21世纪是信息社会，随着电子信息技术的发展，变频器功能越来越多，操作也日趋简单化，利用变频器的功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，有着重要意义。相对于传统供水系统，基于PLC的变频恒压系统有如下优点：1．配置灵活，自动化程度高，功能齐全，可靠性好。2．占地面积小，投入少，效率高。3．运行合理，采用软启动，能够平均电机轴上的扭矩，减少磨损，从而减少维修量和维修费用，使泵的寿命大大提高。4．不会有二次污染，能够预防疾病。5．能够经过远程控制，能实现无人职守，减少人的劳动力。6．开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击。第二章可编程逻辑控制器简介2.1可编程逻辑控制器（PLC）的定义可编程逻辑控制，简称PLC（ProgrammableLogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。国际电工委员会颁布的PLC标准草案对PLC做如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用能够编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数、和算数运算等操作的指令，并能经过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.2PLC的组成可编程控制器主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器等几组成。PLC硬件结构如图2-1所示。图2-1PLC的组成1．中央控制处理(CPU)CPU运算和控制中心起“心脏”作用。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU经过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2．存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器、ROM组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常见高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。3．输入/输出接口（1）输入接口。光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。发光二级管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三级管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。也就是经过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。（2）输出接口PLC的继电器输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是经过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。3．三种类型：继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载。晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载。晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载。4．编程器编程器分为两种，一种是手持编程器，我们实验室使用的就是手持编程器。二种是经过PLC的RS232口。与计算机相连。然后敲击键盘。经过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。2.3PLC的工作原理PLC采用“顺序扫描，不断循环的工作方式如图2-2。1．每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。2．输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。5．扫描周期的长短由三条决定。（1）接通电源CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数接通电源6．由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。CPU运行方式CPU运行方式RUN模式RUN模式输入采样输入采样YSTOP模式内部处理YSTOP模式内部处理程序执行通信服务程序执行通信服务YY输出处理输出处理图2-2PLC工作原理图2.4西门子PLC(S7-200)的简介创立于1847

年的西门子股份公司是全球电子电气工程领域的领先企业公司，它推出很多的PLC产品，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，升级为第三代产品，其特点如下：1．功能齐全。S7-200有强大的性能，最多能够有38路模拟量I/O。2．最优模块化和开放式通讯。3．结构紧凑小巧－狭小空间处任何应用的理想选择。4．大容量程序和数据存储器。5．杰出的实时响应－在任何时候均可对整个过程进行完全控制，从而提高了质量、效率和安全性。6．完善的网上技术支持。第三章变频器在恒压供水系统中的应用3.1变频恒压供水的系统组成及特点3.1.1系统组成 根据水泵电机多采用三相异步电动机，因此确定转速公式：n=60f/p(1-s)公式中：f=电源频率，p=电动机极对数，s=转差率因此，由公式可知道三相异步交流电动机调速方法有：改变电源频率，改变电机极对数，改变转差率三种。改变电动机极对数方法简单，节能显著，可是必须要求专门电动机，且为有级调速，不能适用日益复杂的控制要求。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，由于线路过于复杂，成本高，能耗损失较大，因此不适宜恒压供水系统。因此，优异的调速的启动，制动性能，高效率，高功率因数和节能效果的变频器变得到应用。变频恒压供水系统的供水部分主要由变频器、PLC、水泵、电动机、管道、阀门、传感器，调节器等构成。系统构成示意图如图3-1所示。如图。恒压供水控制系统产生水压的设备是水泵，水泵转动越快产生的水压则越高。压力传感器主要用于检测管路中的水压，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。调节器是一种电子装置，在系统中能够设定管路压力，接收传感器送来的管路水压的实测值即反馈值，并与给定值进行比较输出调节信号（一般为模拟信号，0～20mA变化的电流信号或0～10V变化的电压信号），本系统此任务由PLC控制器承担。调节器调节器变频器压力传感器电源电动机用户水箱MP水泵图3-1恒压供水系统的基本构成图3-1恒压供水系统的基本构成3.1.2系统的特点1．恒压供水技术因采用变频器改变电机电源频率，从而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，相比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。2．由于水泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，水泵转速降低，减少了转轴的磨损和发热，延长了泵和电机的机械使用寿命。3．因实现恒压供水自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动程度，节省了人力。4．水泵电机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电机突然加速造成泵系统的喘振。5．由于水泵工作在变频工作状态，在其运行过程中转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约电能，其经济效益是十分明显的。3.2系统的节能原理整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，经过改变电机的频率实现电机的无级调速，无波动稳压的效果。供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表示某一转速下扬程H与流量Q之间的关系。3.2.1水泵的扬程特性供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，如图3-2表示某一转速下扬程H与流量Q之间的关系。扬程Hc和流量Q之间的关系H＝f（Q），称为扬程特性，曲线如图3-2所示。曲线2和曲线4为扬程特性，曲线2为水泵转速较高的情况，曲线4为水泵转速降低的情况。3.2.2管路的阻力特性装置的扬程Hc与管路的流量Q之间的关系Hc＝f（Q），称管路的阻力特性，曲线如图3-2所示。曲线1为开大管路阀门管阻较小的管阻特性，曲线3为关小管路阀门管阻较大的管阻特性。图3-2水泵的流量调节曲线图3-2水泵的流量调节曲线3.2.3调节流量的方法如图3-2曲线1表示阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2表示水泵额定转速时的扬程特性，则这时供水系统工作在A点：流量为QA，扬程为HA。电动机的轴功率与面积OQAAHA成正比。要将流量调整为QB，有两种办法：1．转速不变，将阀门关小，工作点移至B点，流量为QB。电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。2．阀门的开度不变，降低转速后扬程特性曲线图3-2中的曲线4所示，工作点移至C点，流量仍为QB，扬程为Hc。电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。能够看出，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所取用的功率将大为减少。第四章恒压供水系统硬件组成4.1系统的控制要求1．生活供水时系统低恒压运行，消防用水时，三台电机均已工频运行。2．系统共有三台水泵，正常情况下一台水泵工频运行，一台水泵变频运行，另外一台水泵备用，当连续运行3小时，进行轮休，及第二台水泵变频运行，第三台水泵工频运行，如此循环。当达到最小频率5Hz时候，停止该泵运行，由此控制增减工频运行水泵台数。3．三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。4．考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。信号检测；（1）报警信号，系统要有完善的报警功能，监控系统是否有异常状态。（2）水压信号，反应系统管网的压力值，是恒压供水主要反应信号。4.2主要硬件选择PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此，在选择PLC时候，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面。由于恒压更水系统控制设备较少，因此，PLC选用德国Siemens公司的S7—200型号。S7—200型号的PLC结构紧凑，价格低廉，较高的性价比，广泛的应用在一些小型的控制系统。Siemens公司的PLC具有可靠性高，可拓展型好，又有较为丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。PLC能够上接工业控制计算机，对自动控制系统进行检测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆能够方便的实现PLC的通信接口RS485到RS232的转换，用户程序有三级口令保护，能够对程序实施安全保护。根据控制系统实际所需端子数目，考虑到PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7—200型号PLC的主模块为CPU，器开关量为16点，输出形式为AC220V继电器输出：开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24v直流输入。由于实际中模量输入点1个，模拟量输出点1个，因此需要拓展，拓展模块选择是EM235（图4-1），该模块有4个模拟量输入（AIW），1个模拟量输出（AQW）信号通道，输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换一个字节长（16bit）的数字信号，输入信号接出端口能够自动完成D/A的转换，一个字节长（16bit）的数字信号能够转换成标准的输出信号，EM235模块能够针对不同的标准输入型号，经过PID开关进行设计。图4-1PLC的EM235模块图4-1PLC的EM235模块在图4-1中，演示了模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接传感器的通道要将X＋和X－短接。4.3系统主电路分析及其设计4.3.1主电路设计分析基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4-2所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器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；QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。FUFUNL1QF1QF2QF3QF4L1L2L3变频器UVWM1

M2

M3KM1KM3KM5KM2KM4KM6FR2FR3FR1L2L3PE图4-2供水系统主电路图图4-2供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W经过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，因此KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小能够经过电流互感器和变送器4~20mA电流信号送至上位机来显示，同时能够经过转换开关接电压表显示线电压，并经过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则能够改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须经过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。4.3.2控制电路设计分析NL1NL102SB1SB2Q0.0KM2KM1Q0.1FR1PLCKM1KM2SB4SB3SB6QFKM1KM2KM3KM4KM5KM6SB5Q0.2KM4KM3Q0.3FR2KM3KM4Q0.4KM6KM5FR3KM5KM6Q0.5SA图4-3系统的控制电路图4-3系统的控制电路如图4-3为系统的控制电路图，图中的SA为手动自动切换，SA在1位置为手动状态，在2的位置为自动控制。手动运行时，可用按钮SB1-SB6对三台泵进行启停控制，自动运行时，系统在PLC的程序监控下运行。4.3.3I/O分配表根据系统的控制要求统计控制系统的输入输出信号的地址的名称、代码及地址编号如表4.1所示。表4.1输入输出点代码及地址编号名称代码地址编码输入信号系统启动SB1I0.0系统停止SB2I0.1消防用水SAI0.2生活用水I0.31#泵过载保护FR1I0.42#泵过载保护FR2I0.53#泵过载保护FR3I0.6变频器故障信号I0.7输出信号1#泵工频运行KM1Q0.01#泵变频运行KM2Q0.12#泵工频运行KM3Q0.22#泵变频运行KM4Q0.33#泵工频运行KM5Q0.43#泵变频运行KM6Q0.5消防用水指示灯HL1Q1.0生活用水指示灯HL3Q1.1变频器故障指示灯HL4Q1.2系统启动指示灯HL5Q1.34.3.4I/O接线根据系统的控制要求设计出I/O接线图如图4-4所示。FUFU

2L1L~220VSA-SB1SB2+24V1MFRFRFRKM2KM1Q0.0Q0.1KM2KM1Q0.2Q0.3KM2KM1Q0.4Q0.5KM2KM1KM4KM3KM6KM53LQ1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4MM4402019945324v24vMM0L+I0A+RaCPU226CNDC0-10VEM235A-I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6图4-4该系统的I/O接线图4.4变频器参数设置若想变频器按照控制系统要求准确可靠运行，必须对其相关参数加以设定，本控制系统变频器相关参数设定如表4-2所示。值得注意的是，在设定参数之前对变频器中的参数进行复位，复位到出厂时的参数默认值。表4-2恒压供水系统的变频器参数设定序号参数设定值参数功能说明1P00031变频器参数复位2P0010303P097014P00101开始快速调试5P0304以铭牌数据电机额定电压为6P0305以铭牌数据三台电机额定总电流7P0307以铭牌数据0电机额定功率8P0309以铭牌数据电机的额定效率9P031050电机的额定频率（续表4-2）序号参数设定值参数功能说明10P0311以名牌数据电机的额定转速11P39001结束快速调试12P10002设置频率给定源（2为模拟输入1通道）13P10805电机运行最小频率为5Hz14P108250电机运行最大频率为10Hz15P112010电机从静止状态加速最大频率所需时间16P112110电机从最大频率减速到静止状态所需时间17P13000控制方式选择（0为线性V/F）18P075700V对应0%的标度，即0Hz19P0758020P07591010V对应100%的标度，即50Hz21P076010022P07610死区宽度为0V23P00031设置用户参数访问等级为3级24P07002选择命令给定源（2为I/O端子控制）25P1000 2设置频率给定源（2为模拟输入1通道）第五章系统软件设计5.1系统软件设计分析硬件连接确定之后，系统的控制功能主要经过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：1．由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可经过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。2．多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。3．程序的结构及程序功能的实现由于模拟量单元需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样能够节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。程序中使用的PLC元件及其功能如表5.1所示。表5.1程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100过程变量标准值T37工频泵增泵滤波时间控制VD104压力给定值T38工频泵减泵滤波时间控制VD108PID计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数KM0.1水泵变频启动脉冲（增泵）VD116采样时间TsM0.2水泵变频启动脉冲（减泵）VD120积分时间TiM0.3倒泵变频启动脉冲VD124微分时间TdM0.4复位当前变频泵运行脉冲VD204变频运行频率下限值M0.5当前泵工频运行启动脉冲VD208变频运行频率上限值M0.6新泵变频启动脉冲VD250PID调节结果存储单元M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VD300变频工作泵的泵号M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VD301工频运行泵的总台数M2.2泵工频/变频转换逻辑控制VD310变频运行时间存储器M3.0故障信号汇总T33工频/变频转换逻辑控制M3.1水池水位越限逻辑T34工频/变频转换逻辑控制T35工频/变频转换逻辑控制5.2PLC程序设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创立用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图能够看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后经过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是经过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。1．系统初始化程序在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中经过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。2．增、减泵判断和相应操作程序当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。3．水泵的软启动程序增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。4．各水泵变频运行控制逻辑程序各水泵变频运行控制逻辑大致上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号而且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。5．各水泵工频运行控制逻辑程序水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大致上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。6．报警及故障处理程序本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不方便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录图c-1。主程序流程图如图5-1所示。由于在图5-1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图5-2和图5-3对其作了完整的补充。其中图5-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图5-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似，在此就不再重复。如图5-1所示。本设计主程序流程图1．调用初始化子程序，设定各初始值；2．根据增、减泵条件确定工频泵运行数；3．根据增泵、倒泵情况确定变频泵号；4．经过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制；开始调初始化子程序开始调初始化子程序生活|消防三台电机工频运行自动启动系统运行时间滤波修改泵组系数停机、报警fmin<f<fmax30min到否？两台泵工频运行？轮休时间到否？消防生活YNYYNNYN图5-1系统流程图 主程序流程图如图5-1所示。由于图5-1并未对个台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图5-2和5-3对其做了完整的补充。图5-2是以2#泵为例的变频器控制流程图，图5-3是在2#泵为工频为例运行控制的流程图，1#、3#与之相似。开始是否有变频器启动脉冲信号变频泵号是否为22#是否工频运行系统是否无故障2#泵变频运行是否无变频器复位脉冲结束NNNNNYYYYY图5-22#变频运行控制系统开始几号变频器运行？3#变频运行？2#是否变频运行1#变频运行？2#泵变频运行工频泵数是否大于0结束工频泵数是否大于1NYYNYY图5-32#变频运行控制系统流程图图5-32#变频运行控制系统流程图图5.2.32#工频运行控制系统流程图第六章总结与展望本论文研究的是变频恒压供