恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄第一章 緒論11.1 引言11.2 樓宇供水系統(tǒng)的控制要求11.3 樓宇供水系統(tǒng)的工作原理21.4樓宇供水系統(tǒng)的工作原理31.5 系統(tǒng)主要特點5第二章 恒壓供水控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計72.1 PLC的特點72.2 PLC的硬件系統(tǒng)82.3 恒壓供水控制系統(tǒng)PLC的選擇和功能82.4 恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計要點92.5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟92.6 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能說明112.7 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)電路圖12第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計183.1 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計內(nèi)容183.2 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計步驟183.3 編程的基本原則183.4 系統(tǒng)軟件流程

2、圖193.5供水系統(tǒng)主程序設(shè)計203.6 供水系統(tǒng)的子程序設(shè)計233.7 供水系統(tǒng)的中斷程序設(shè)計233.8 儲存器功能表與整體程序分析24結(jié)論與體會25主要參考材料：26附錄1：系統(tǒng)的主程序指令27附錄2：系統(tǒng)的子程序指令29附錄3：系統(tǒng)的中斷程序指令30第一章 緒論1.1 引言由于生活用水過程中存在不同時間段用水量不均現(xiàn)象。如果不對供水量進行調(diào)節(jié),管網(wǎng)壓力的波動也會很大,容易出現(xiàn)管網(wǎng)失壓或爆管事故,同時也浪費了大量能源。為了節(jié)約電能,又能保證正常用水,供水部門也采取了不少措施。近幾年最為常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)能根據(jù)壓力變化情況及時調(diào)整電機轉(zhuǎn)速,將供水壓力控制在一定范圍之內(nèi)，既滿足了變化的用水

3、需求，也起到了節(jié)能降耗的目的。恒壓供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，恒壓供水對水泵、電機也起到了很好的保護作用和有效地節(jié)約了電能的消耗。結(jié)合使用可編程控制器，可實現(xiàn)循環(huán)變頻，電機軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，延長了設(shè)備的使用壽命。但是，變頻恒壓供水系統(tǒng)存在如下不足：（1）由于供水系統(tǒng)出口壓力與實際用水需求存在較大的滯后性，供水系統(tǒng)存在較大的周期性壓力波動。（2）變頻范圍只有在離心泵的特性曲線最佳工作范圍內(nèi)，也就是下調(diào)頻率10%30%才能顯示出其最大的節(jié)能效益，如

4、再往下調(diào)頻率，就會出現(xiàn)水泵運轉(zhuǎn)而不出水的工況，即超出了離心泵的極限工作范圍。（3）在深夜用水量很小的時候，水泵在變頻器控制下較長時間內(nèi)低頻(速)運轉(zhuǎn)對水泵機械工況不利，同時耗能增加，約為額定功率的25%。針對上述問題，以PLC為核心，采用模糊控制技術(shù)和壓力補償策略實現(xiàn)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)較好地解決了上述問題。1.2 樓宇供水系統(tǒng)的控制要求變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。設(shè)計可編程控制器程序?qū)崿F(xiàn)對恒壓供水系統(tǒng)的控

5、制有兩個基本要本要求。 水泵的啟停根據(jù)主管道給出的壓力信號決定水泵的啟停，當(dāng)壓力低于正常壓力時啟動一個水泵，10S后仍低，則啟動下一臺；當(dāng)壓力高于正常壓力時，切斷一臺水泵，10S后高壓信號仍存在，切斷下一臺。每臺泵在啟動時要有軟啟動功能。 水泵啟停切換原則恒壓供水系統(tǒng)主要是由幾個水泵完成對主管道供水壓力的維持，考慮到電機的保護，要求幾臺水泵的運行時間和頻率盡可能一致。也就是說，需要接通時，首先啟動停止時間最長的那臺，而需要切斷時則先停止運轉(zhuǎn)時間最長的那臺。對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。按照實際需要，還可以確定恒壓供水系統(tǒng)主要控制要求如下：系統(tǒng)控制生活和消防水管網(wǎng)供水

6、。生活用水泵組也可做消防供水的備用，消防泵組也可參與生活泵組的交替使用。系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)定壓力自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和水泵運行臺數(shù)，使設(shè)備運行在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)采用閉環(huán)控制能自動調(diào)節(jié)設(shè)定壓力和管網(wǎng)實際水壓的差值，使管網(wǎng)供水壓力始終保持恒定。系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過熱、過載等多種保護。水泵運行如有故障，則自動停止工作并報警輸出，然后進行故障判斷并自動啟動備用泵等。采用各種措施盡可能使系統(tǒng)在安全運行的情況下達到節(jié)能的目的。1.3 樓宇供水系統(tǒng)的工作原理樓宇供水系統(tǒng)的構(gòu)成本文的供水系統(tǒng)可適用于生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水。以兩臺水泵組成的供水系統(tǒng)為例，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、

7、信號檢測、控制系統(tǒng)、變頻器、人機界面、上位連接以及報警裝置等部分組成。其工作過程：首先檢測給水池液位保護開關(guān)是否動作，否則直接由變頻器啟動第一臺水泵；同時由遠傳壓力表測出出水口管路水壓，將模擬量送到控制器，與給定水壓值（設(shè)定上下限）比較后，控制變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻器頻率到達最大或最小時，由控制增加水泵或減少水泵來實現(xiàn)恒壓供水，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)。通常，在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量少時少開一臺或兩臺。在采用變頻器進行恒壓供水時，就存在著所有的水泵配用一臺變頻器還是每臺水泵配用一臺變頻器的問題。這兩種方案哪一種更好 呢？本

8、文提出了用一臺變頻器控制多臺電機的方案，既節(jié)約了投資，又達到了恒壓供水的目的。供水系統(tǒng)由主供水回路、泵房組成，其中泵房裝有2臺泵。另外，還有多個電動閘閥或控制設(shè)備。系統(tǒng)需要供水量比較少時就開一臺水泵向管網(wǎng)充壓，供水量大時開2臺泵機同時向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件。采用以PLC控制的方式來實現(xiàn)對兩臺泵切換及工頻變頻的切換控制。用變頻器實現(xiàn)電動機的調(diào)速運行。恒壓供水系統(tǒng)主要由上位機、PLC、一臺變頻器、壓力變送器、電機(M1和M2)、水泵組和氣壓罐組成，其中上位機、PLC和變頻器組成系統(tǒng)的核心，自動控制給水泵的投入臺數(shù)和電機的轉(zhuǎn)數(shù)

9、，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。兩臺變頻器均具有內(nèi)置PID，可消除控制參量的靜態(tài)誤差、突變、滯后等現(xiàn)象，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時間。樓宇供水系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖如圖1.1所示。操作信號PLC變頻器PID壓力信號 限值信號切換裝置2號泵1號泵圖1.1 樓宇供水系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖1.4樓宇供水系統(tǒng)的工作原理考慮整個供水系統(tǒng)由2臺水泵組成，分成生活泵組和消防泵組，生活泵組主要用于生活管網(wǎng)供水，消防泵組用于消防狀態(tài)下的消防用水補給(同時生活泵組的恒速泵也作為消防泵組的恒速泵的備用)，生活泵組和消防泵組定時倒換，并互相備用。因此消防和生活供水便成為既獨立又互相聯(lián)系的兩個系統(tǒng)(每套系統(tǒng)由一臺變速泵和一臺恒速泵組成，同時生活

10、泵組的恒速泵可作為消防泵的備用)，被控量為消防和生活供水管網(wǎng)的壓力信號。一般情況下由上位PC機給定生活管網(wǎng)壓力，然后與壓力傳感器所測管網(wǎng)實際壓力進行比較，將差值送入變頻器內(nèi)置PID進行運算，用結(jié)果控制變頻器的頻率輸出，當(dāng)管網(wǎng)壓力低于給定值時，PID正向積分控制變頻器輸出，頻率增加，水泵加速，管網(wǎng)壓力將不斷增大直到趨于設(shè)定值。反之，當(dāng)管網(wǎng)壓力高于給定值時，PID反向積分，變頻器輸出頻率降低，水泵減速，管網(wǎng)壓力將不斷減小。當(dāng)管網(wǎng)壓力等于設(shè)定值時，變頻器頻率保持恒定，管網(wǎng)水壓也基本恒定。當(dāng)用水量過大時，調(diào)速全速運行也不能滿足管網(wǎng)壓力恒定，壓力的下限信號和變頻器的工頻信號同時被系統(tǒng)檢測到時，PLC將自

11、動投入一臺恒速泵，增加一供水固定值，仍由調(diào)速泵調(diào)至恒壓。變頻器的輸出頻率在050Hz之間變化，頻率越高，水泵的出口壓力越大。調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以改變水泵的輸出能力。我們采用的是差動式壓力傳感器，安裝在水泵的出水管道上，用于水壓的閉環(huán)控制。同時啟動必須為變頻啟動，以保證較小的啟動電流和較大的啟動轉(zhuǎn)矩。壓力信號通過PID調(diào)節(jié)器驅(qū)動變頻器，然后通過報警表的限值輸出控制PLC切換泵的運行狀態(tài)。加上啟動信號后，首先1#號泵變頻啟動，延時10S后（延時目的使壓力穩(wěn)定下來），如壓力信號為正常值則保持變頻運行；如壓力信號為下限則1#號切換工頻，同時延時1S后（延時目的使開關(guān)熄弧，防止短路）把2號投入變

12、頻運行；如果運行一段時間水壓較低（正常值的低值），則把2號也切換為工頻運行，以保證供水壓力；如達到較高壓力（正常值的高值）則把其中一臺切換為變頻運行，另一臺工頻運行；如達到上限值則切除工頻，保持變頻運行。若仍為上限值則1、2號泵停機。若恢復(fù)到正常值則按流程圖的正常值條件運行。根據(jù)上面的對于供水系統(tǒng)的分析，首先由上位機給定壓力值，然后系統(tǒng)按控制過程通過變頻器和PLC的控制迅速使消防管網(wǎng)壓力到達設(shè)定值附近?；赑LC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)工作原理圖如圖1.2所示。圖1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)工作原理圖1.5 系統(tǒng)主要特點為了避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出得到逐漸上升的

13、頻率和電壓。啟動前變頻器要復(fù)位。根據(jù)供水管網(wǎng)流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電動機和水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。如設(shè)備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發(fā)出指令1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號泵完全退出變頻運行，對變頻器復(fù)位后，2號水泵投入變頻運行。根據(jù)恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設(shè)置工頻水泵的臺數(shù)，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增加水泵或減少水泵。為了避免一臺水泵長期工作，任一水泵最好不要連續(xù)變頻運行超過3小時。這個系統(tǒng)還能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。當(dāng)PLC發(fā)生故障時，系統(tǒng)從自動

14、轉(zhuǎn)入手動方式。系統(tǒng)正常運行時，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣，傳輸至PLC，與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號和水泵啟動臺數(shù)信號分別送至變頻器和可編程控制器。變頻器調(diào)節(jié)水泵電機的電源頻率，進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，PLC控制水泵的運轉(zhuǎn)。通過對水泵的啟動和停止臺數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒定于用戶預(yù)先設(shè)計的壓力值，達到變頻恒壓供水的目的。該恒壓供水系統(tǒng)的各部分主要特點與功能：（1）操作臺：實現(xiàn)系統(tǒng)操作控制及參數(shù)的設(shè)定與顯示。（2）可編程序控制器：操作控制信號的輸入，以及PLC的控制輸出，實現(xiàn)對兩臺變頻器的切換及調(diào)速控制。（3）變頻器：有手動、

15、自動調(diào)速功能。第二章 恒壓供水控制硬件系統(tǒng)的設(shè)計2.1 PLC的特點恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，以PLC為主機的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。PLC有以下特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強現(xiàn)代PLC采用了集成度很高的微電子器件，大量的開關(guān)動作由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成，其可靠程度是使用機械觸點的接觸器繼電器系統(tǒng)所無法比擬的。為了保證PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠工作，在其設(shè)計和制造過程中采取了一系列硬件和軟件方面的抗干擾措施來提高它的可靠性。（2）編程簡單易學(xué)PLC采用與接觸器繼電器控制線路圖非常接近的梯形圖作為編程語言，它既有繼電器電路清晰直觀的特點，又充分考慮到電氣工人和技

16、術(shù)人員的讀圖習(xí)慣；對使用者來說，幾乎不需要專門的計算機知識，因此，易學(xué)易懂，程序改變時也容易修改。（3）功能完善，適應(yīng)性強目前PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和模塊化，不僅具有邏輯運算、計時、計數(shù)、順序控制等功能，還具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算及數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等功能。它能根據(jù)實際需要，方便靈活地組裝成大小各異、功能不一的控制系統(tǒng)：既可控制一臺單機、一條生產(chǎn)線，又可以控制一個機群、多條生產(chǎn)線；既可以現(xiàn)場控制，又可以遠程控制。（4）使用簡單，調(diào)試維修方便PLC的接線及其方便，只需將產(chǎn)生輸入信號的設(shè)備（如按鈕、開關(guān)等）與PLC的輸入端子連接，將接收輸出信號的被控設(shè)備（如接觸器、電磁

17、閥等）與PLC的輸出端子連接，僅用螺絲刀即可完成全部接線工作。PLC的用戶程序可在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用開關(guān)來模擬，輸出信號可以用PLC的發(fā)光二極管來模擬。調(diào)試后再將PLC在現(xiàn)場安裝通調(diào)。調(diào)試工作工作量要比接觸器繼電器控制系統(tǒng)少得多。（5）體積小、質(zhì)量小、功耗低由于PLC采用半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路，因此整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、功耗低，所以，PLC很容易裝入機械設(shè)備內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想的控制設(shè)備。2.2 PLC的硬件系統(tǒng)PLC是一種以微處理器為核心和工業(yè)通用自動控制裝置，其實質(zhì)是一種工業(yè)控制用的專用計算機。因此，它的組成與一般的微型計算機基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大

18、部分組成的。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成了一個完整的PLC系統(tǒng)，它們相輔相成，缺一不可。沒有軟件的PLC系統(tǒng)稱為裸機系統(tǒng)，不起任何作用。反之，如果沒有硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)也失去了基本的外部條件，程序根本無法運行。PLC的硬件系統(tǒng)由微處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出（I/O）部件、電源部件、編程器、其他外部設(shè)備、I/O擴展單元組成。2.3 恒壓供水控制系統(tǒng)PLC的選擇和功能恒壓供水控制系統(tǒng)中可編程控制器選用德國SIEMENS公司的S7-200系列PLC, S7-200具有豐富的指令系統(tǒng)和基于WINDOWS的編程工具,很方便程序編制和現(xiàn)場調(diào)試?？删幊炭刂破髟诖藢崿F(xiàn)以下功能:（1）自動/手動工作方式采用

19、狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)可選擇自動工作、手動調(diào)整兩種工作方式，便于調(diào)試和檢修， 并可在出現(xiàn)故障時切換到手動控制方式，保證連續(xù)供水。（2）自動檢測和調(diào)速在PLC通電后,系統(tǒng)會自動檢測管網(wǎng)實際壓力值，根據(jù)設(shè)定值和測量值的差值，配合變頻器對投入水泵臺數(shù)以及調(diào)速泵頻率進行自動處理。（3）監(jiān)視運行狀態(tài)PLC各輸出有發(fā)光二極管顯示，可清楚地看出其動作過程，判別系統(tǒng)動作的正確性，同時若系統(tǒng)出現(xiàn)故障時也可作為故障判別的依據(jù)。（4）通訊功能PLC通過PPI傳輸電纜實現(xiàn)與上位機的通訊，實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控和參數(shù)的讀取等。（5）故障檢測與報警PLC可以實現(xiàn)變頻器故障檢測與報警、超壓檢測與報警等功能。超壓報警是指在特殊情況下(如壓力

20、傳感器失靈等)出現(xiàn)，當(dāng)實測壓力大大超過設(shè)定水壓時，PLC則發(fā)出報警信號，通知操作人員處理。（6）保護功能PLC能實現(xiàn)多種保護功能，如過熱和過流、電源欠壓和過壓、短路、瞬間斷電、過載等保護功能，對啟動和運行過程中出現(xiàn)的各種故障均能給出相應(yīng)的狀態(tài)指示和報警信號。2.4 恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計要點 變頻器的容量一般地說，當(dāng)由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當(dāng)一臺變頻器同時控制兩臺電機時，原則上變頻器的配用電動機容量應(yīng)等于兩臺電動機的容量之和。但如果在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水的供水量相差很多，可考慮適當(dāng)減小變頻器的容量，但應(yīng)注意留有足夠的余量

21、。 電動機的保護雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當(dāng)用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可能略超過電動機的額定電流，導(dǎo)致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必要的。對于這種由于頻繁地開、升降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應(yīng)采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。 注意問題最高頻率：應(yīng)以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率，一般為50HZ。升降速時間：在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時間應(yīng)盡量設(shè)定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應(yīng)過程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時，只要在預(yù)置時設(shè)定PID功能

22、有效，則所設(shè)定的升速和降速時間將自動失效。2.5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循一些基本方法和步驟，PLC系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和步驟如圖2.1所示。分析工藝流程和控制要求確定輸入/輸出設(shè)備選擇合適的PLCI/O點分配程序設(shè)計離線模擬調(diào)試修改程序模擬調(diào)試正常硬件設(shè)計硬件現(xiàn)場施工現(xiàn)場調(diào)試修改程序現(xiàn)場調(diào)試正常硬件改動整理技術(shù)文件是是否否否開始結(jié)束圖2.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟圖2.6 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能說明 控制對象對于電機的調(diào)速方面，由于大多數(shù)水泵采用交流異步電動機拖動，其

23、轉(zhuǎn)速為 （2.1）式中，n為轉(zhuǎn)速；p為電動機的磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率。變級調(diào)速，通過改變電機的極對數(shù)，即改變定子繞組的接線方法而改變極對數(shù)，可改變電動機的轉(zhuǎn)速；變頻調(diào)速則是將電網(wǎng)中的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)換為電壓和頻率均可變的交流電之后，供給電動機，使電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)采用接觸器等機械構(gòu)件來完成通、斷電，所有的控制全部依靠人工來進行操作，對于管網(wǎng)的壓力和水位的變化很難做出及時和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，因此采用PLC控制變頻器，并對反饋回來的信號進行運算，控制電動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)恒壓供水。 變頻調(diào)速系統(tǒng)工作過程變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要任務(wù)是在不同的水管壓力下，對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制，增加或減少水泵

24、的功率，既能保證用戶的用水要求，又能減少對資源的浪費。根據(jù)對控制任務(wù)的分析，該系統(tǒng)的主要功能為：低速啟動，以減少對電網(wǎng)的沖擊；變頻運行，對于不同的供水需要做出不同的運行指令；工頻運行，滿足大量用水的需求，其簡單工作過程如圖2.2所示。電動機變頻運行電動機工頻運行啟動管壓小于設(shè)定值管壓大于設(shè)定值圖2.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡單工作過程啟動電動機后，逐漸升高頻率，同時不斷檢測供水管內(nèi)的壓力值，當(dāng)壓力值小于設(shè)定值時，繼續(xù)升頻，直到達到工頻，然后切換掉變頻器使電動機運行在工頻階段；若檢測到管內(nèi)的壓力值大于預(yù)設(shè)值，則再次啟動變頻器，使之對電動機進行變頻控制，這樣就完成了一次變頻與工頻的切換過程。如果采

25、用多臺電動機控制的話，其過程類似，若一臺電動機在工頻狀態(tài)下仍無法滿足管內(nèi)壓力，則啟動第二臺電動機在變頻下工作。若管內(nèi)壓力減小后小于設(shè)定值，則先停止第一臺工頻運行電動機，然后繼續(xù)對第二臺電動機變頻運行，直至達到設(shè)定的壓力值。 控制功能框圖根據(jù)變頻系統(tǒng)控制要求和圖3-2所示的工作過程，設(shè)計出以下功能框圖，如圖2.3所示。PLC控制按鈕反饋信號變頻器電動機圖2.3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能框圖根據(jù)圖2.3所示的功能框圖，啟動PLC后，先用變頻器對電動機軟啟動，然后由傳感器檢測管內(nèi)的壓力值，傳入到PLC中，經(jīng)過邏輯運算輸出對變頻器的控制信號，使變頻器處于工作狀態(tài)，達到對電動機調(diào)速的目的。2.7 變頻調(diào)

26、速恒壓供水系統(tǒng)電路圖變頻調(diào)速是目前最理想的調(diào)速技術(shù)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟起來，且廣泛應(yīng)用在鋼鐵、冶金、電力和輕工業(yè)等各個行業(yè)中。隨著節(jié)約型社會的建立，生產(chǎn)和生活對用水的要求越來越高，變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計被提出，而且技術(shù)成熟，系統(tǒng)具有能穩(wěn)定運行、可靠性高和自動化程度高等優(yōu)點。供水系統(tǒng)的主電路圖根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，對控制功能做出分析之后，設(shè)計出如圖2.4所示的主電路圖，QS為主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的短路保護；FR1和FR2是主電路過載保護用的熱繼電器；該主電路有兩個電動機M1和M2；接觸器KM1和KM4控制電動機直接接到工頻電網(wǎng)上，KM2和KM3控制電動機變頻

27、運行。圖2.4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主電路 供水系統(tǒng)的控制電路圖變頻調(diào)速主電路的控制電路的設(shè)計如圖3-5所示，SB0是系統(tǒng)的停止按鈕，用于控制電動機的停止；SB1是電動機的啟動按鈕，用于控制電動機的啟動；在變頻與工頻回路之間添加了互鎖觸電，KM1,KM2,KM3和KM4的常閉觸點，防止變頻與工頻同時運行，造成控制失效。圖2.5 恒壓供水系統(tǒng)控制電路 系統(tǒng)設(shè)計的硬件連接圖根據(jù)對系統(tǒng)功能的分析及以上的主電路和控制電路的描述，設(shè)計出如圖2.6所示的硬件連線圖。圖2.6 恒壓供水系統(tǒng)硬件連線圖根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和主電路及控制電路圖，對PLC的I/O分配如表2.1所示。表2.1 恒壓供水系統(tǒng)I/O分配表

28、名稱地址編號說明SB0I0.1停止按鈕SB1I0.0啟動按鈕AIW0接收傳感器信號KM1Q0.01#工頻接觸器KM2Q0.11#變頻接觸器KM3Q0.22#變頻接觸器KM4Q0.32#工頻接觸器RSTQ0.4對變頻器進行復(fù)位控制AQW0輸出模擬信號到變頻器表2.1中I0.0、I0.1和AIW0是輸入信號，Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4和AQW0是輸出信號。根據(jù)圖2.6所示的硬件框圖，以下將詳細介紹硬件系統(tǒng)中的各個部分。一、主機PLC該系統(tǒng)的輸入、輸出點較多，且需要擴展模塊，所以采用西門子S7-200系列的PLC，由于CPU221型不具有擴展功能，所以選用CPU222型。CPU

29、222具有以下特性：1）4KB程序存儲器，典型的為1.3K條指令。2）1024字?jǐn)?shù)據(jù)存存儲器。3）1個可插入的存儲器子模塊。4）8個數(shù)字量輸入，有4個可用作硬件中斷，6個用于高速功能。5）6個數(shù)字量輸出，其中2個可用作本機集成功能。6）1個8位分辨率的模擬電位器。7）數(shù)字量輸入/輸出，最多可以擴展成40個數(shù)字量輸入，38個數(shù)字量輸出。8）模擬量輸入/輸出，最多可以擴展成8個模擬量輸入與2個模擬量輸出，或者是4個模擬量輸出，最多2個模塊。9）256個計數(shù)器，計數(shù)范圍為032767。10）256個內(nèi)部標(biāo)志位。11）256個定時器，其中，分辨率為1ms的有4個，其定時范圍為1ms30s；分辨率為10

30、ms5min；分辨率為100ms的有236個，其實時范圍為100ms54min。12）具有4個中斷輸入。13）4個32位的高速計數(shù)器，可作為加/減計數(shù)器用，或?qū)⒃隽烤幋a器的兩個相互之間相移為90度的脈沖序列連接到高速計數(shù)輸入端，可編程使能和復(fù)位輸入，在達到設(shè)定值時可以中斷，計數(shù)方向可反向。14）2個高速脈沖輸出，可產(chǎn)生中斷，脈沖寬度和頻率可調(diào)。15）1個RS-485通信接口。RS-485有3個方面的應(yīng)用，一是作為PPI接口，用于PG功能、HMI功能、TD200 OP S7200系列CPU/CPU通信，傳輸率為9.6kbs、19.2kbs、187.5kbs；二是作為MPI從站，用于與主站交換數(shù)據(jù)

31、S7-300/400CPU OPTD按鈕面板，在MPI網(wǎng)上不能進行CPU 22X系列CPU相互之間的通信；三是作為具有中斷功能的自由可編程接口方式用于同其他外部設(shè)備進行串行數(shù)據(jù)交換。16）AS接口最大輸入/輸出有496個，可以擴展2個模塊。二、 模擬量輸入、輸出擴展模塊因為這個系列需要采集傳感器傳來的模擬信號，輸入到PLC中之后，經(jīng)過PLC運算后將數(shù)據(jù)傳送到變頻器中，所以需要擴展一個模擬輸入/輸出模塊。選用的模塊是西門子的特殊功能模塊EM235，該模塊為4輸入/1輸出模塊，其轉(zhuǎn)換精度為12位，可以滿足該控制系統(tǒng)的功能要求。EM235擴展模塊具有以下特性：1）實際中，4路模擬量差分輸入，1路模擬

32、量輸出。2）輸入范圍，單極性電壓為010V，05V；雙極性電壓為5V，2.5V；電流為020mA。3）輸入分辨率，單極性電壓，010V時為2.5mA，05V時為1.25mA；雙極性電壓，5V時為2.5mA，2.5V時為1.25mA；對于電流，分辨率為5uA。4）輸入阻抗不小于10。5）12位A/D轉(zhuǎn)換器。6）數(shù)據(jù)字格式，單極性時為32000+32000，雙極性時為0+32000。7）最大輸入電壓為30V DC。8）最大輸入電流為32mA。9）輸出穩(wěn)定時間，電壓為100us，電流為2ms。10）輸出驅(qū)動能力，電壓輸出最小為5000，電流輸出最大為500。11）輸出分辨率，電壓為12位；電流為11

33、位。12）功耗為2W。三、傳感器傳感器的作用是將壓力、溫度等非電量的物理信號轉(zhuǎn)換成電量信號，以便后續(xù)電路進行處理。在此系統(tǒng)中，傳感器將供水管中的壓力轉(zhuǎn)換成電量信號后，傳送到PLC的特殊功能模塊，進行數(shù)據(jù)處理后傳給變頻器控制電動機。四、變頻器變頻器是這個系統(tǒng)中的核心器件，通過PLC對變頻器的控制，就可以改變供水管中的壓力，實現(xiàn)恒壓供水的要求。PLC將模擬量輸入、輸出模塊經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行PID運算，然后將計算值輸出到變頻器，變頻器根據(jù)輸入的模擬量，改變輸出的電壓及頻率，從而實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，改變管內(nèi)壓力值。第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計內(nèi)容PLC應(yīng)用

34、軟件的設(shè)計是一項十分復(fù)雜的工作，它要求設(shè)計人員既要有PLC，計算機程序設(shè)計的基礎(chǔ)，又要有自動控制的技術(shù)，還要有一定的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。一個實用的PLC軟件工程的設(shè)計通常要涉及以下幾個方面的內(nèi)容：(1)PLC軟件功能的分析與設(shè)計。(2)I/O信號及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。(3)程序結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。(4)軟件設(shè)計規(guī)格說明書編制。(5)用編程語言,PLC指令進行程序設(shè)計。(6)軟件測試。(7)程序使用說明書編制。3.2 PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計步驟根據(jù)可編程序控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝要求，在軟件規(guī)格說明書的基礎(chǔ)上，編制實際應(yīng)用程序并形成程序說明書的過程就是應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計。在了解了程序結(jié)構(gòu)和編程方法的

35、基礎(chǔ)上，就要實際地編寫PLC程序了，一般需要經(jīng)歷如下幾個過程：(1)制定設(shè)備運行方案。(2)畫控制流程圖。(3)制定系統(tǒng)的抗干擾措施。(4)編寫程序。(5)軟件測試。(6)整理技術(shù)文件。3.3 編程的基本原則(1)梯形圖中的觸點，均可在編寫程序時無限次使用，既可動合也可動斷。(2)梯形圖按照從上到下，從左到右的順序排列，每個繼電器線圈為一個邏輯行。每一邏輯行起于左母線，終于右母線。(3)繼電器線圈不能直接與左母線相連。(4)一般情況下，梯形圖中某個編號的繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，否則容易引起誤操作。(5)在梯形圖中，串聯(lián)觸點使用的次數(shù)沒有限制，并聯(lián)觸點使用的次數(shù)也沒有限制。(6)兩個或兩個以上的

36、繼電器線圈可以并聯(lián)輸出。(7)一段完整的梯形圖程序必須以ED結(jié)束。3.4 系統(tǒng)軟件流程圖根據(jù)圖2.3所示的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能框圖和變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計出如圖3.1所示的軟件流程圖。延時1s啟動1號泵變頻壓力信號檢測1號泵變頻運行1號泵工頻2號泵變頻水壓信號檢測1號泵切除2號泵變頻水壓信號檢測1號泵停機2號泵停機水壓信號檢測1號泵變頻2號泵工頻1號泵變頻2號泵變頻延時10s下限值上限值正常值上限值延遲10s正常值上限值正常值下限正常值上限圖3.1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件流程圖3.5供水系統(tǒng)主程序設(shè)計根據(jù)圖3.1流程圖所示，可以設(shè)計出梯形圖程序。本程序分為三部分：主程序、子程序和中

37、斷程序。邏輯運算等放在主程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時器采樣及輸出控制。開始設(shè)計一段程序使1號電動機變頻運行，如圖3.2所示。圖3.2 1號電動機變頻運行梯形圖開始上電初始化脈沖，然后調(diào)用初始化子程序SBR_0，啟動按鈕I0.0接通，當(dāng)延遲定時器T37到10s時，線圈M0.0得電，M0.0動作閉合，線圈Q0.1得電，觸點Q0.1接通，輸出線圈Q0.1得電，1#變頻器接觸器接通，觸點Q0.1動作閉合，保證1#電機處于變頻啟動狀態(tài)，如果Q0.1閉合，VD108的值小于VD102且VD102的值等于VD100，啟動延遲定時器T

38、37，定時到，M0.0被觸發(fā)，Q0.0觸點動作閉合，線圈Q0.0得電，1#工頻接觸器接通，1#電機工頻運行。然后設(shè)計一段程序使2號電動機工頻運行，如圖3.3所示。圖3.3 2號電動機工頻運行梯形圖當(dāng)定時器定時到，M0.0被觸發(fā)，線圈Q0.2得電，觸電Q0.2動作閉合，使2#電動機能處于變頻運行狀態(tài)，觸點Q0.2閉合，如果VD108的值小于VD104且VD102的值等于VD100的值，啟動延遲定時器，定時10s，定時到，M0.1啟動，線圈Q0.3得電，觸點Q0.3動作閉合，使2#電動機處于工頻運行狀態(tài)。最后設(shè)計一段程序使變頻器能夠復(fù)位，如圖3.4所示。圖3.4 變頻器復(fù)位梯形圖當(dāng)觸點Q0.0和觸

39、點Q0.2同時接通或者觸點Q0.0和Q0.3同時接通，VD108的值大于VD106的值，延遲定時器T39就啟動，定時時間為5s，定時到，M0.2觸點動作，M0.0、M0.1、M0.2中任何一個被觸發(fā)，都使Q0.4觸點得電動作，對變頻器復(fù)位。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的完整的主程序指令如附錄1所示。3.6 供水系統(tǒng)的子程序設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的子程序完成系統(tǒng)的初始化。先將50Hz對應(yīng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)值裝入VD100，然后將管內(nèi)壓力下限值（50%）裝入VD102，后來再將管內(nèi)壓力上限值（80%）裝入VD104，再進行回路增益，采樣時間為0.1s，積分時間為30min，然后關(guān)閉微分環(huán)路，100ms中斷一次，連接中斷

40、，最后開全局中斷。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)完整的子程序指令如附錄2所示。3.7 供水系統(tǒng)的中斷程序設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的中斷子程序完成PID運算，對變頻器輸出控制值。先將整數(shù)轉(zhuǎn)化為雙整數(shù)，然后將數(shù)值裝入VD108中，再將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化為實數(shù)，再將實數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值，再將數(shù)值寫入PID回路表中，再進行PID運算，將運算結(jié)果VD208的值裝入累加器中，將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成雙整數(shù)，還要進行取整，再將輸出結(jié)果存放在VD102中，將雙整數(shù)轉(zhuǎn)化成整數(shù)，最后輸出到I/O口。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)完整的中斷子程序指令如附錄3所示。3.8 儲存器功能表與整體程序分析在程序中使用到的存儲器及其功能如表3.1所示。表3.1 存儲器及其功能表

41、地址功能地址功能VD200PID網(wǎng)絡(luò)表首地址VD106管內(nèi)壓力上限對應(yīng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)值VD100變頻器輸出為50Hz時電壓對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值VD108傳感器反饋回的電壓值VD104管內(nèi)壓力下限對應(yīng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)值VD102經(jīng)PID運算后輸出的電壓值對于附錄1所示的完整程序指令做簡要解釋，按下啟動按鈕SB1后，1#電動機先以變頻器軟啟動，然后每隔100ms讀入一次傳感器的采樣值，然后進行PID運算，通過調(diào)節(jié)輸入到變頻器的電壓，控制電動機的轉(zhuǎn)速，若管內(nèi)的壓力小于所需壓力的下限，則定時器開始定時，定時到后產(chǎn)生一個對變頻器復(fù)位的脈沖信號，將定時器復(fù)位,同時切斷1#電動機的變頻接觸器，將1#電動機的工頻接觸器閉合，接

42、著將2#電動機的變頻接觸器閉合，使2#電動機軟啟動；如果定時器定時未到，管內(nèi)壓力滿足所需要求，則定時器啟動，定時完成后，將1#，2#電動機全部置于工頻運行狀態(tài)，切斷變頻控制的觸電。如果傳感器反饋的電壓值超過管內(nèi)壓力上限所對應(yīng)的電壓，經(jīng)過一個短暫的5s定時后，將1#電動機從電網(wǎng)上切除，只留下一臺電動機進行變頻控制，來滿足恒壓供水的要求。結(jié)論與體會當(dāng)我接到這個題目時對供水系統(tǒng)不是很了解，后來經(jīng)過老師的指導(dǎo)和我查了很多資料才慢慢懂了供水系統(tǒng)的一些原理，慢慢有了思路。我的解決思路是，對于恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)而言，主要的問題在兩個方面：其一，如何實現(xiàn)10S內(nèi)，下一臺水泵的切換狀態(tài)；其二，如何實現(xiàn)對水泵的先

43、啟動先停止控制。水泵的切換狀態(tài)控制可以考慮通過計時器單元設(shè)定時間，再結(jié)合水泵啟停的信號，判斷在啟動或停止后的規(guī)定時間內(nèi)是否達到了預(yù)期的壓力范圍，這樣就可以完成下一步是否啟停另一臺泵的判斷。對于水泵的啟停選擇，實現(xiàn)起來有很多方法，選擇使用一個合理的實現(xiàn)方法對于程序的簡潔和易讀性都很有好處。將2臺水泵按順序編號，啟動時按編號從小到大依次啟動，而切斷則編號從小到大依次切斷，這樣循環(huán)處理就可以保證是按照先啟動先停止的原則進行的。解決的問題就變成了如何實現(xiàn)編號1-2的循環(huán)問題。通過上述問題的分析，就能完成對所需可編程控制器控制輸入輸出的選擇和邏輯實現(xiàn)方案，順利進行下一步的設(shè)計。恒壓供水系統(tǒng)在水廠和一些工

44、廠生產(chǎn)中都有應(yīng)用，可能在具體的控制目標(biāo)和控制方式上有一定的區(qū)別，但對于多個用于保持管路壓力的電機控制要求是基本相同的。在本文中沒有對一些電路保護作詳細的設(shè)計和程序編寫，重點給出了控制中最具特色的水泵切換控制部分的程序，這部分程序的設(shè)計和應(yīng)用結(jié)果，對于系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)狀況影響很大。本程序的控制邏輯設(shè)計針對的是較少泵數(shù)的供水系統(tǒng)，本程序也不是最優(yōu)設(shè)計，程序已經(jīng)做過了大量簡化，不能作為實際使用的程序。主要參考材料：1廖常初.PLC編程及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，20022賈德勝.PLC應(yīng)用開發(fā)實用子程序.北京：人民郵電出版社，20063高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例.北京：人民郵電出版社，20044于慶廣.可編程控制器原理與系統(tǒng)設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，20045SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Mamual.20006廖常初,周林.PLC的功能指令.重慶：重慶大學(xué)出版社，20007David G.Johnson.Programmable Controllers for Factory Automation. New York and Basel:Marcel Dekker Inc，19878溫照方. SIMATIC S7-200可編程序控制器教程.北