PLC恒压控水系统设计3

摘 要

本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。以方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和PLC恒压控水系统设计安全性，在发生火灾时能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

关键字 PLC 恒压供水 变频器

目录

1. 恒压供水原理及工艺 ................................................. 1 1.1 任务 .............................................................. 1 1.2 工艺要求 .......................................................... 3 1.3 系统的组成和基本工作原理 .......................................... 3 2. PLC概述 ........................................................... 4 2.1 PLC的组成 ........................................................ 4 2.1.1 PLC的输入 ...................................................... 4 2.1.2 PLC的输出 ...................................................... 4 2.1.3 PLC的定义 ...................................................... 4 2.1.4 PLC的特点 ...................................................... 5 2.1.5 PLC的性能指标 .................................................. 5 2.1.6 PLC的分类 ...................................................... 5 2.2 PLC工作原理 ...................................................... 5 2.2.1 循环扫描 ........................................................ 6 2.2.2 I/O响应时间 .................................................... 6 2.2.3 PLC中的存储器 .................................................. 6 2.3 PLC的编程语言 .................................................... 6 2.3.1 PLC的编程结构功能图 ............................................ 7 2.3.2 梯形图编程语言 .................................................. 7 2.4 PLC的分类 ........................................................ 8 2.4.1 按I/O点数容量分类 .............................................. 8 2.4.2 按结构形式分 .................................................... 9 2.5 PLC与继电器控制系统的区别 ........................................ 9 2.6 PLC控制系统的结构 ............................................... 10 2.6.1单机控制系统 ................................................... 10 2.6.2 集中控制系统 ................................................... 10 2.6.3 分散控制系统 ................................................... 11 2.7 PLC网络及特点 ................................................... 12 2.7.1 网络概述 ....................................................... 12 2.7.2 网络控制系统PLC的影响 ......................................... 12 3. 系统硬件设计 ...................................................... 12 3.1 恒压供水系统的基本构成 ........................................... 12 3.2 系统控制要求 ..................................................... 13 3.3 控制系统的I/O点及地址分配 ....................................... 13 3.4 系统选型 ......................................................... 14 3.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用 ............................ 15 3.5.1校准及配置 ..................................................... 15

3.5.2 EM235工作程序编制 ............................................. 15 3.5.3 电气控制系统原理图 ............................................. 16 4. 系统程序设计 ...................................................... 17 4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理 ......................... 17 4.2 程序的结果以及程序功能的实现 ..................................... 17 结论 ................................................................. 27 致 谢 ................................................................ 28 参考文献 ............................................................. 29

1. 恒压供水原理及工艺

1.1 任务

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。以方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

对于设计一个较大的PLC控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要用以下设计步骤来进行系统设计。随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器

控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC控制来完成。

当某一个控制任务决定由PLC来完成后。选择PLC就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC以及外设。

对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。

对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑：

（1）功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量有特殊要求的；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。

（2）价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价必须是需要考虑的。

（3）个人喜好方面 有些工程技术人员对某种品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。

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分析评估控制任务PLC机选型,I/O设备选择I/O地址分配程序设计电气系统安装检查修改程序调试程序设计硬件系统接线图和控制柜N满足要求检查硬件接线Y连机调试N满足要求NY编制技术文件现场安装调试交付使用 图1 PLC控制系统设计步骤

输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。

（4）系统调试分模拟调试和联机调试

硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分是否正确。 软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的输出指示灯进行。需要模拟

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量信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行。调试时。可利用上诉外围设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改后反复调试。现在PLC的主流产品都可以在P机上编程，并可以在电脑上直接进行模拟调试。

联机调试时，可以把编制好的程序下载到现场的PLC中。有时PLC也许只有这一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断电，只对控制电路进行联调即可。通过现场联调信号的接入常常还会发现软件以及硬件中的一些问题，有时厂家还需要对某些控制功能进行改进，这种情况下，都要经过反复测试系统后，才能最后交付使用。

产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压就越高。传统的维持水压的方法就是建造水塔，水泵开者时将水打到水塔中，水泵休息时借助水塔的水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能够维持供水管路中水呀的基本恒定。

但是建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。不用水塔，而要解决水压随用水量大小变化的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保证管网中的水压不变，用水量小时又需作出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但是今天办到这一点已经变的很容易了，交流变频的诞生为水泵转速的平滑连续调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子设备，输入三相工频交流电后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。

建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么可不可以不借助水塔来实现恒压供水？答案是肯定的，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保持管网中水压的不变，用水量小时又需要做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路，这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可以想象的，但是在今天办到这一切已经边的很容易了。

1.2工艺要求

对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：

（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；

（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；

（4）三台泵在启动时要又软启动功能；

1.3系统的组成和基本工作原理

以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，图2所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消

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防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。

消防用水市网来水yv1生活用水 1#EQ2#水池3#

图2 生活消防双恒压供水系统构成图

2. PLC概述

2.1 PLC的组成

2.1.1 PLC的输入

通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。 2.1.2 PLC的输出

输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。 2.1.3 PLC的定义

最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制

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各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

2.1.4 PLC的特点

（1）可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均

（2）控制功能强。PLC采用的CUP一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。

（3）体积小、重量轻、功耗底。 （4）性价比高。

（5）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

（6）维修方便，功能更灵活。程序的修改就以意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。

2.1.5 PLC的性能指标

（1）存储容量

这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~~2MB。

（2）I/O点数

I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。

（3）指令的多少

她是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。

（4）内部寄存器的配置和容量 它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。

（5）扩展能力

扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。 （6）特殊功能单元

特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。 2.1.6 PLC的分类

不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。

按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。

按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。

2.2 PLC工作原理

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2.2.1 循环扫描

CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP自诊断测试及写输出等等内容。

循环扫描有如下特点：

（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。 （2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CUP采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。

（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。

（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。

在读输入阶段，CUP对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映象寄存器中。紧接着转入用户程序执行阶段，CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映象寄存器和输出映象寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映象寄存器。在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。

2.2.2 I/O响应时间

由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重，响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。

（1）PLC输入电路设置了滤波器，滤波器的常数越大，对输入信号的延迟作用越强。输入延迟是由硬件决定的，有的PLC滤波器时间常数可调。

（2）从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟，对于不同的输出形式，其值大小不同。它也是由硬件决定的，对于不同信号的

（3）程序执行时间主要由程序长短来决定，对于一个实际的控制程序，编程人员须对此进行现场测算，使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。 2.2.3 PLC中的存储器

PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。 （1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。

（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。 （3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。

2.3 PLC的编程语言

PLC的硬件系统中，与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。 PLC和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用

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的存储元件。这就是前面提到过的编程的“软”元件。为了理解方便，PLC的编程元件用“继电器”命名， 认为它们象继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置1，线圈失电，不过就是存储单元置0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。但是这种“软”继电器也有个突出的好处，可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不过是读一次它的存储数据而已。

2.3.1 PLC的编程结构功能图

任何语言都有编程的对象和基础，重要介绍梯形图语言和语句表语言，而功能图是理解这两种语言的基础。如图3所示为PLC内部的结构功能示意图。

PLC与被控对象所连接的只是I/O条件，而I/O之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚，梯形图是一种描述方法，当然还有语句等表示其他的语言。语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中，PLC就能够直接解释并实现I/O间的控制关系。当控制关系发生改变时，只要修改梯形图程序，重新输入到PLC的存储器即可，从而快捷的改变生产工序。

图3 PLC内部的结构功能示意图

2.3.2 梯形图编程语言

PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。

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如图4所示是用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。

图4 PLC控制的梯形图程序图

为了充分发挥CUP的逻辑运算功能，设置了大量的称为盒的附加命令，如定时器、计算器、格式转换、模拟量I/O、PID调节或数学运算指令等，充分的发挥了计算机的强大计算功能，他们与内部继电器一起完成PLC的各种复杂控制功能。

2.4 PLC的分类

PLC发展到今天，已经有了多种形式，而且功能也不尽相同，分类时，一般按以下原则来考虑

2.4.1 按I/O点数容量分类

一般而言，处理I/O点数越多，则控制关系就 比较复杂，用户要求的程序存储器容量比较大，要求PLC指令及其他功能比较多，指令执行的过程也比较快。按PLC的输入、输出点数的多少可将PLC分为以下三类。 （1）小型机

小型机PLC的功能一般以开关量控制为主，小型PLC输入、输出点数一般在256点以下，用户程序存储器容量

典型的小型机有SIEMENS公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM2A系列、MITUBISH公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。 （2）中型机

中型PLC的输入、输出总点数在256~~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。典型的中型机有SIEMENS公司的S7-300系列、OMRON公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。

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（3）大型机

大型PLC的输入、输出总点数在2048点以上，用户程序储存器容量达到16K以上。大型PLC的性能已经与工业控制计算机相当，它具有计算、控制和调节的能力，还具有强大的网络结构和通信联网能力，有些PLC还具有冗余能力。典型的大型PLC有SIEMENS公司的S7-400、OMRON公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列。

2.4.2 按结构形式分

根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。 （1）整体式结构

整体式结构的特点是将PLC的基本部件，如CUP板、输入板、输出板、电源板等紧凑的安装在一个标准的机壳内，构成一个整体，组成PLC的一个基本单元（主机）或扩展单元。微型和小型PLC一般为整体式结构。如西门子的S7-200 （2）模块式结构

模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，这些标准模块如CUP模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在框架上和基板上即可。各个模块功能是独立的，外型尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。

目前大、中型PLC都采用这种方式。如西门子的S7-300和S7-400系列。

2.5 PLC与继电器控制系统的区别

PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是 PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。 （1）逻辑控制

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8个对触点。因此，灵活性和扩展性很差。而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。因此灵活性和扩展性都很好。 （2）工作方式

电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。而的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。 （3）可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。PLC还配有自监和监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的

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执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。

2.6 PLC控制系统的结构

使用PLC可以构成多种形式的控制结构，下面介绍几种常用的PLC控制系统。 2.6.1 单机控制系统

单机控制系统是较普通的一种PLC控制系统。该系统使用一台PLC控制一个对象，控制系统要求的I/O点数和存储器容量都比较小，没有PLC的通讯问题，采样条件和执行结构都比较集中，控制系统的构成简单明了。

如图5所示是一个简单的单机控制系统，图中PLC可以选用任何一种类型。在单机控制系统中由于控制对象比较确定，因此系统要完成的功能一般较明确，I/O点数、存储器容量等参数的余量适中即可等参数的余量适中即可。

图5 简单的单机控制系统

2.6.2 集中控制系统

集中控制系统用仪态功能强大的PLC监视、控制多个设备，形成中央集中式的控制系统。其中，各个设备之间的联络，连锁关系、运行顺序等统一由中央PLC来完成，如图6示

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图6 集中控制系统

2.6.3 分散控制系统

分散控制系统的构成如图7所示，每一个控制对象设置一台PLC，各台PLC可以通过信号传递进行内部连锁、响应或发令等，或者由上位机通过数据通信总线进行通讯。

图7 分散控制系统

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2.7 PLC网络及特点

2.7.1 网络概述

分散控制系统的控制思想就是集中操作、分散操作。一个实际的工业控制过程中是比较复杂的，一个控制过程可能由多个控制任务完成。这些控制任务既有独立性，有与其他任务有联系，而这些相对独立的任务需要构成一个整体。当控制系统达到一定规模时，分散控制系统解决方案并不理想，因此许多厂家开发了自己的网络系统。虽然现在对网络的系统结构等问题还没有同意的标准，但是很显然，网络控制系统比分散控制系统更能准确的描述现实控制系统，并且控制、改变更加灵活，组态也更容易，能够实现管控一体化的控制思想。

2.7.2 网络控制系统PLC的影响

PLC网络控制系统的发展，使PLC的应用更加广泛。许多PLC产品都在PLC上加上了具有网络功能的硬件和软件，因此，组成PLC网络非常方便。PLC网络系统对任何一个站的操作都和使用同PLC一样方便，并且在网络中任何一个站都可以对其他站的元件及数据乃至程序进行操作。

3. 系统硬件设计

随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器

控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC控制来完成。

当某一个控制任务决定由PLC来完成后。选择PLC就成为最重要的事情。选择多大容量的PLC,首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。

3.1 恒压供水系统的基本构成

恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。下图为恒压供水泵站的示意图。如图8所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，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。

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图8 变频恒压供水站的基本组成

3.2 系统控制要求

对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：

（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；

（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；

（4）三台泵在启动时要又软启动功能； （5）要有完整的报警功能；

（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

3.3 控制系统的I/O点及地址分配

PLC要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。PLC是通过I/O单元完成此工作的。I/O单元是PLC与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的信号，以实现被控设备与PLC的I/O接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。

输入单元接受现场设备向PLC提供信号，包括人为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等处理后，变成CUP能够接受和处理的信号。输出单元将经过CUP处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。

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根据表一及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示。水位上下限信号分别位I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。

表一 输出点代码及地址编号

名 称 手动和自动消防信号 水池水位下限信号 水池水位上限信号 输 入 信 号 变频器报警信号 消铃按钮 试灯按钮 远程压力表模拟量变压值 1#泵工频运行接触器及指示灯 1#泵变频运行接触器及指示灯 2#泵工频运行接触器及指示灯 2#泵变频运行接触器及指示灯 3#泵工频运行接触器及指输 出 信 号 示灯 3#泵变频运行接触器及指示灯 生活/消防供水转换电磁阀 水池水位下限报警指示灯 变频器故障报警指示灯 火灾报警指示灯 报警电铃 变频器频率复位控制 控制变频器频率用电电压 代 码 SA1 SLL SLH SU SB9 SB10 U KM1，HL1 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 AIW0 Q0.0 KM2，HL2 Q0.1 KM3，HL3 Q0.2 KM4，HL4 Q0.3 KM5，HL5 Q0.4 KM6，HL6 Q0.5 YV2 HL7 HL8 HL9 HA KA UF Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 AQW0 3.4 系统选型

从上面分析可知，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输出点1个、模拟量输出点1个。如果选用CPU 224 PLC，也需要扩展单元；如果选用CUO

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266 PLC则价格较高，浪费较大。参照S7 – 200的产品目以及市场实际价格，选用主机为CUP222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一台模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图9

图9 PLC系统的配置

S7-200PLC是德国西门子公司生产德一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC一样，因此，它一经退出，即受到了广泛的关注。特别是S7-200CUP22*系列PLC。由于它具有多种

功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络。

3.5 PLC模拟量控制单元的配置以及应用

PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，了使PLC能完成模拟量的处理,常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转化为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/转换的，也兼有模/数和数/模两种功能的，以下介绍S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。 3.5.1 校准及配置

模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。

3.5.2 EM235工作程序编制

EM235的工作程序编制包括以下的内容： （1）设置初始化主程序。在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。

（2）设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接的正确性以及模块工作的正确性。

（3）设置子程序完成采样以及相关的计算工作。 （4）工程所需的有关该模拟量的处理程序。 （5）处理后模拟量的输出工作。

S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量的输入/

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输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能的模块。 3.5.3 电气控制系统原理图

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。 （1）主电路图

如下图10所示为电控系统主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触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；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器喝三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。

图10 电控系统主电路

（2）控制电路图

图10所示电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB2控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图中的HL10为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图

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中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5为PLC输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合PLC外围接线图一起读图。

4. 系统程序设计

硬件条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：

4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理

前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵不能满足要求时，需启动第2台或第3太泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以同过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。

4.2 程序的结果以及程序功能的实现

由于PLC在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为3部分：主程序、子程序和中断程序。系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。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以及报警处理都在主程序。

逻辑运算及报警处理等放在猪程序。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算初步确定，但还要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益时间常数为增益采样时间，积分时间程序中使用的PLC元器件及其功能如表二

表二 程序中使用的元器件及功能

器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 过程变量标准化值 T38 工频泵减泵滤波时间控制 VD104 压力给定值 T39 工频/变频转换逻辑控制 VD108 PI计算值 M0.0 故障结束脉冲信号 VD112 比例系数 M0.1 17

泵变频启动脉冲

VD116 积分时间 M0.3 复位当前变频运行泵脉冲 VD120 积分时间 M0.4 复位当前变频运动泵脉冲 VD124 微分时间 M0.5 当前泵工频运动启动脉冲 VD204 变频起运动频率下限值 M0.6 新泵变频启动脉冲 VD208 生活供水变频器运动频率上限值 消防供水变频器运动频率上限值 M2.0 泵工频/变频转换逻辑控制 VD212 M2.1 泵工频/变频转换逻辑控制 VD250 PI调节结果存储单元 M2.2 泵工频/变频转换逻辑控制 VD300 变频工作泵的泵号 M3.0 故障信号总汇 VD301 工频运行的泵的总台数 M3.1 水池水位下限故障逻辑 VD310 倒泵时间存储器 M3.2 水池水位下限故障消铃逻辑 T33 工频/变频转换逻辑控制 M3.3 变频器故障消铃逻辑 T34 工频/变频转换逻辑控制 M3.4 火灾消铃逻辑 T37 工频泵增泵滤波时间控制 双恒压供水系统的梯形图程序以及程序注释如下图。对该程序有几点说明： （1）因为程序较长，所以读图时请按照网络标号的顺序进行； （2）本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数供水系统。

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网络1 上电初始化,调试初始化子程序SM0.1SBR__0EN网络2 消防/生活供水压力给定值设置I0.0MOV_REN ENO0.9IN OUTVD104NOTMOV_REN ENO . IN OU 网络 　上电和故障结束时重新激活变频信号存储器 . . EN 　 ENO IN OU

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20

21

22

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25

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结论

本系统与现在普通二级加压水厂相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。

首先，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、耗能大。而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

其次，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的优点，但在用水量很小的情况下，变频器工作在出水频率附近时耗电量增大。而本系统通过压差—恒压自动转换技术解决了这个问题。

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致 谢

在本次设计中，我要真诚的感谢吾布里老师给予我的指导，在设计过程中吾布里老师严格督促我的毕业设计速度，及时的帮我解决我在设计中遇到的各种问题和困难，在设计中一直对我严格要求，在整个毕业设计过程中都给我耐心的指导和讲解，并主动为我提供各种相关技术资料，在老师帮助和指导下我顺利完成了本次毕业设计，也让我在这次毕业设计中受益匪浅，在此谨向吾布里老师致以深切的谢意！

在这次毕业设计中我同样还得到了老师的帮助和指导，老师在工作中上的一丝不苟得精神和踏实的生活态度，更是我值得学习的地方。

感谢家人的关心与支持！

感谢评阅和阅读本文的老师为此付出的辛勤劳动！

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参考文献

[1] 王新·微型计算机控制技术·北京：中国电力出版社，2009年

[2] 张万忠·可编程控制器入门与应用实例·北京：中国电力出版社，2005年 [3] 周万珍、高鸿斌·PLC分析与设计应用·北京：电子工业出版社，2004年 [4] 刘爱民·电机与拖动技术·大连：大连理工大学出版社，2011年

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附 录

此程序利用vb编写，以下显示部分程序。 油罐容量的确定：

Dim G!, K!, ρ!, η!, Vs!, Vmax!, Vmin! Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() G = Text1.Text K = Text2.Text ρ = Text3.Text η = Text4.Text

Text5.Text = G / (K * ρ * η) End Sub

Private Sub Command3_Click() Text6.Text = \Text7.Text = \Text8.Text = \End Sub

Private Sub Command4_Click() Vmax = Text6.Text Vmin = Text7.Text

Text8.Text = Vmax - Vmin End Sub

铁路栈桥鹤位数： Dim n!, K!, G!, V!, ρ!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \End Sub

30

Private Sub Command2_Click() G = Text1.Text K = Text2.Text V = Text3.Text ρ = Text4.Text

Text5.Text = K * G / (360 * V * ρ) End Sub

泊位数：

Dim n!, m!, t1!, t!, Ty!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() n = Text1.Text m = Text2.Text Text3.Text = n / m End Sub

Private Sub Command3_Click() Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \Text7.Text = \Text8.Text = \End Sub

Private Sub Command4_Click() n = Text4.Text t1 = Text5.Text t = Text6.Text Ty = Text7.Text

Text8.Text = n * (t1 + t) / Ty End Sub

罐装油罐车车位数： Dim N!, k!, Q1!, q!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \

31

Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() k = Text1.Text Q1 = Text2.Text q = Text3.Text

Text4.Text = k * Q1 / (24 * 365 * q) End Sub

油泵扬程：

Dim v1!, v2!, g!, H1!, H2!, v!, λ!, ζ!

Private Sub Command2_Click() v2 = Text1.Text v1 = Text2.Text g = Text3.Text H2 = Text4.Text H1 = Text5.Text λ = Text6.Text ζ = Text7.Text v = Text8.Text

Text9.Text = v2 ^ 2 / (2 * g) - v1 ^ 2 / (2 * g) - (H2 - H1) - (λ + ζ) * v ^ 2 / (2 * g) End Sub

Private Sub Form_Load() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \Text7.Text = \Text8.Text = \Text9.Text = \End Sub

油泵的允许吸入高度： Dim Hxsy!, Pa!, Py!, ρy!, g! Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \

32

Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() Hxsy = Text1.Text Pa = Text2.Text Py = Text3.Text ρy = Text4.Text g = Text5.Text

Text6.Text = Hxsy + (Pa - Py) / ρy * g - 10 End Sub

油泵的允许汽蚀余量： Dim Hxy!, V!, g!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() Hxy = Text1.Text V = Text2.Text g = Text3.Text

Text4.Text = 10 + V ^ 2 / 2 * g - Hxy End Sub

泵的允许安装高度：

Dim Z1!, Z2!, H!, Pa!, Py!, ρy!, g!, Hxsy! Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \Text7.Text = \Text8.Text = \

33

End Sub

Private Sub Command2_Click() Z1 = Text1.Text H = Text2.Text Pa = Text3.Text Py = Text4.Text ρy = Text5.Text g = Text6.Text Hxsy = Text7.Text

Text8.Text = Hxsy + (Pa - Py) / (ρy * g) - 10 - H + Z1 End Sub

输油管壁厚度：

Dim P!, D!, σ!, Φ!, K!, C!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \Text7.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() P = Text1.Text D = Text2.Text σ = Text3.Text Φ = Text4.Text K = Text5.Text C = Text6.Text

Text7.Text = P * D / (2 * σ * Φ + K * P) + C End Sub

输油管径： Dim Q!, v!, π!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

34

Private Sub Command2_Click() Q = Text1.Text v = Text2.Text π = Text3.Text

Text4.Text = (4 * Q / (v * π)) ^ 0.5 End Sub

泡沫泵设计流量：

Dim Qh!, q!, Qh1!, Qh2!, Nc!, qc1!, Nq!, qc2!, f!, g!, H!, μ! Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() Qh = Text1.Text q = Text2.Text

Text3.Text = Qh + q End Sub

Private Sub Command3_Click() Text4.Text = \Text5.Text = \Text6.Text = \Text7.Text = \End Sub

Private Sub Command4_Click() Qh1 = Text4.Text Qh2 = Text5.Text q = Text6.Text

Text7.Text = Qh1 + Qh2 + q End Sub

Private Sub Command5_Click() Text8.Text = \Text9.Text = \Text10.Text = \Text11.Text = \Text12.Text = \

35

Text13.Text = \Text14.Text = \Text15.Text = \Text16.Text = \End Sub

Private Sub Command6_Click() Nc = Text8.Text qc1 = Text9.Text qc2 = Text10.Text Nq = Text11.Text μ = Text12.Text f = Text13.Text g = Text14.Text H = Text15.Text

Text16.Text = Nc * qc1 + Nq * qc2 + μ * f * (2 * g * H) ^ 0.5 End Sub

消防水泵设计流量： Dim Zs!, S1!, S2!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() Zs = Text1.Text S1 = Text2.Text S2 = Text3.Text

Text4.Text = Zs * (S1 + S2) End Sub

泡沫泵扬程：

Dim hp!, ΔZ!, Pc!, ρc!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \Text5.Text = \End Sub

36

Private Sub Command2_Click() hp = Text1.Text ΔZ = Text2.Text Pc = Text3.Text ρc = Text4.Text

Text5.Text = hp + ΔZ + Pc / ρc End Sub

清水泵扬程：

Dim ΔZ!, hg!, hz!, hd!, h!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() h = hz + hd

ΔZ = Text1.Text hg = Text2.Text h = Text3.Text

Text4.Text = h + hg + ΔZ End Sub

消防管径： Dim Q!, v!, π!

Private Sub Command1_Click() Text1.Text = \Text2.Text = \Text3.Text = \Text4.Text = \End Sub

Private Sub Command2_Click() Q = Text1.Text v = Text2.Text π = Text3.Text

Text4.Text = (4 * Q / (v * π)) ^ 0.5End Sub

泡沫比例混合器数量： Dim Qh!, qb!

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4806.html