基于PLC的恒压供水系统设计-康健6.9

摘 要

随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，但供水系统本身却存在着水电供应不足的压力。在传统的供水装置中，往往水泵的选取是由最大供水的容量来确定的，但实际的供水量是时刻变化的，从而导致供水压力不稳、水泵效率低，并导致水资源浪费。这样就要求设计出更好的供水系统，这些系统能利用先进的自动控制技术、计算机技术以及通信技术，具有高性能、低能耗的特点，能适应不同领域的应用。恒压供水系统既是其中之一[1]。

本系统的设计是基于西门子 S7-200 系列 PLC 控制的变频供水系统，本文介绍了该控制系统的节能原理、系统构成和工作原理。通过PLC 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经PID运算，PLC 进行控制变频和工频切换，从而使闭环自动调节恒压，进行变量供水。本文在系统的设计部分，对硬件系统配置、选型和软件系统的流程设计、程序设计进行了详细的介绍，并指出了系统设计过程中存在的问题，给出相关解决方法。该供水系统对水压实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，变频器的控制方式采用模拟量输入，通信输出控制，通过 PID 指令实现闭环控制正确有效，达到了恒压供水系统的控制要求，满足城区居民工作和生活的日常用水需要。

关键词：PLC 变频 恒压供水

I

ABSTRACT

With the rapid social-economic development, people's water quality and water system reliability requirements continue to increase, but the water supply system itself but there is a shortage of water supply pressure. In the traditional water supply device, often pump selection is determined by the maximum capacity of the water supply to determine, but the actual amount of water is constantly changing, resulting in unstable water pressure, water pump, low efficiency, and lead to waste of water resources. This requires design a better water supply systems, these systems can take advantage of advanced automatic control technology, computer technology and communication technology, high performance, low power consumption characteristics, can adapt to different fields of application. Water Supply System is both one of them.

The system design is based on Siemens S7-200 series PLC control frequency of water supply systems, this paper introduces the control system of the energy conservation principle, the system structure and working principle. Through the PLC logic control, pressure control by the inverter, the PID operation, PLC control and frequency switching frequency, allowing constant pressure closed-loop automatic adjustment for variable water supply. This part of the system design, the hardware system configuration, software selection and process design, process design has been described in detail, and points out the problems in the design process, give relevant solutions. The water supply system for real-time control performance is good water pressure, the hardware module is stable, reliable, and inverter control method using analog inputs, communication output control, closed-loop control by the PID instruction correctly and effectively achieve a constant pressure water supply system control requirements

II

to meet the urban residents live and work daily water needs.

Key words: PLC inverter constant pressure water supply

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目 录

摘要 .......................................................... 错误！未定义书签。

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义

书

签

。

第1章 绪论 ............................................................................ 1

1.1 本课题的背景及其意义 .............................................. 1 1.2 供水系统国内外现状 ................................................. 1 1.3 主要设计研究工作及组织结构 ................................... 3 第2章 PLC技术与变频技术概述 ............................................. 5

2.1 可编程控制器（PLC）概述 ........................................ 5

2.1.1 PLC的基本概念 ............................................... 5 2.1.2 PLC的基本结构 ............................................... 5 2.1.3 PLC的工作原理 ............................................... 6 2.1.4 PLC应用介绍 .................................................. 8 2.2 变频器技术 ................................................................ 9

2.2.1 变频技术概念 ................................................. 9 2.2.2 变频器结构分类 ............................................ 10 2.2.3 变频器与PLC使用USS通信 .......................... 11

第3章 系统的总体分析 ........................................................ 13

3.1 供水系统的要求 ....................................................... 13

3.1.1 供水系统电机运行分析 ................................. 13 3.1.2 供水系统的特性分析 ..................................... 14 3.2 供水系统的结构 ....................................................... 15

3.2.1 主要组成部分 ............................................... 15

1

3.2.2 电气控制系统 ............................................... 15 3.3 供水系统控制方案的设计与选择 ............................. 16

3.3.1 专用变频器控制 ............................................ 16 3.3.2 可编程序控制器（PLC）控制 ........................ 16 3.4 供水系统的工作原理 ............................................... 17

3.4.1 控制系统总体框图 ........................................ 17 3.4.2 系统运行分析 ............................................... 18

第4章 硬件系统配置 ............................................................ 20

4.1 PLC 的选择 .............................................................. 20

4.1.1 PLC 的具体选型 ............................................ 20 4.1.2 PLC 的 I/O 资源配置 ................................... 21 4.1.3 PLC 控制系统与端口连接 ............................. 22 4.2 变频器的选择 .......................................................... 23

4.2.1 变频器的选型 ............................................... 23 4.2.2 MM430型变频器性能特点及技术指标 ............ 24 4.2.3 MM430型变频器的参数设定和调试 ................ 25 4.3 水泵的选择 .............................................................. 26

4.3.1 选用水泵的原则 ............................................ 27 4.3.2 选择水泵应注意的问题 ................................. 27 4.4 其它相关设备的选择 ............................................... 28

4.4.1 压力传感器的选择 ........................................ 28 4.4.2 接触器 .......................................................... 28 4.4.3 主令电器 ....................................................... 29 4.5 系统硬件连接图 ....................................................... 30 第5章 软件系统的设计 ........................................................ 31

5.1 总体流程设计 .......................................................... 31

5.1.1 手动运行流程设计 ........................................ 32

2

5.1.2 自动运行流程设计 ........................................ 32 5.2 各个模块梯形图设计 ............................................... 40

5.2.1 软元件设置 ................................................... 40 5.2.2 手动控制程序设计 ........................................ 41 5.2.3 自动控制程序设计 ........................................ 44 5.2.4 初始化程序设计 ............................................ 56 5.3 系统的测试与运行分析 ............................................ 62

5.3.1 系统手动运行测试 ........................................ 62 5.3.2 系统自动运行测试 .......................................... 63

结束语 ................................................................................... 65 致 谢 ................................................................................... 66 参考文献 ................................................................................ 67

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第1章 绪论

1.1 本课题的背景及其意义

水和电是我们日常生活和工作都离不开的重要资源，在我们这个水电资源都非常短缺的国家，合理的做好节能减排，已是摆在人们面前很迫切的工作。我们国家一直以来在人们生活用水和工业用水等方面，供水技术都比较落后，大多的供水方式是恒速泵作为动力源，采用高位水箱、水塔或密闭气压罐供水，控制电路都是传统低压电器，自动化程度比较低，而随着社会经济的迅速发展、人民生活水平的不断改善，特别是近几年，由于政府加大城市建设和规划力度，好多一线城市几乎资源饱和，城市高层建筑越来越多，导致传统的供水方式已经不能满足社区、机关、企业等场所正常用水需求[2]。这就让人们不仅对供水系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求，而且要求供水系统运行起来经济安全、高效节能。为了适应城市的快速发展，需要充分运用自动控制、网络通讯和计算机等综合技术，优化原有的供水系统，来提高各种用水场所的服务质量和供水能力，本次的设计正是为了能更好的解决此类问题而进行的，采用以PLC为控制核心，通过变频调速实现恒压供水。

1.2 供水系统国内外现状

随着变频器的问世，变频调速技术在以工频交流电为主的用电场合得到了广泛的应用，其中变频恒压供水便是在变频调速领域中典型的应用。以前，国外生产的变频器主要用来控制频率、控制电机的启停、控制电机正反转和转速调节以及各种保护功能。在变频恒压供水系统中，变频器是通过可编程序控制器控制，作为控制机构和系统执行机构之间的中间环节，为保证水管

1

内水压恒定，满足不同时间段供水量大小的需求，需在变频器外部提供压力传感器和压力控制器，对水压进行闭环控制[3]。

目前我们国内有很多公司也在做变频恒压供水的工程，可是大部分采用国外的变频器控制水泵的转速，供水管路内水压的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现。但在系统的稳定性能、动态性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。像现在艾默生电气公司生产的变频器和大陆希望集团生产的森兰变频器也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的定时启停和循环切换工作。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了拖动电机的容量、使用时操作不方便，并且不具有数据通信功能，因此只适用于负荷容量比较小和控制要求不高的供水场所。从查阅的资料情况来看，以前国外的恒压供水系统在设计时大都采用单台变频器控制单台水泵机组的方式，很少采用单台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频调速技术的发展，变频器的功能也在不断完善，特别是应用于供水系统中的变频器，工作时的稳定性、安全性和可靠性得到提高，而且其高效节能的效果越来越受用户欢迎。国外很多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，比如日本SAMCO公司，就推出了恒压供水基板，备有变频泵循环方式和固定方式两种工作模式；还有基于PLC的变频恒压供水系统的设计将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多控制七台水泵工作的供水系统。这类设备虽然使用成本不是很高，同时也集成化了电路结构，但变频器输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与很多组态监控软件很难实现数据通信，并且限制了拖动电机的容量，因此在

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实际使用过程中，其使用范围还是具有一定局限性。通过国内外情况的分析，可以发现在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、计算机技术、网络通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还需深入。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.3 主要设计研究工作及组织结构

通过对目前我国供水系统背景情况和变频恒压供水系统的现状分析，考虑到城区供水系统的对人们工作和生活的现实意义，怎样综合有效的利用自动控制技术、计算机技术以及通信技术，来设计开发更加稳定、可靠、节能的供水系统，已显得日趋重要。下面提出本人对基于PLC控制的恒压供水系统进行的研究任务和所做的一些设计内容。在毕设研究过程中，本人承担以下设计任务：

1、对供水系统的构成、工作原理、节能原理及相关技术进行分析； 2、对变频恒压供水系统的控制方案、系统设计等问题进行了研究与设计；

3、承担对本恒压供水系统的硬件选型与软件设计工作； 4、承担系统软件和硬件的调试工作，并满足正常运行需要。 本文的内容组织形式如下：

第一章 绪论。介绍本课题的研究背景及其意义，并对变频恒压 供水系统的现状进行介绍，在此基础上提出本文的研究工作。

第二章 PLC技术与变频技术概述。介绍恒压供水的核心控制系统（PLC和变频器）的基础知识，主要包括其基本概念、结构原理和应用特点等内容。

第三章 基于 PLC 控制的恒压供水系统的总体设计。提出恒压供水系统

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的要求，设计并合理选择系统最优的控制方案，分析恒压供水系统的控制理论以及对供水系统的机械结构、电气结构和工作原理进行介绍。

第四章 控制系统的硬件配置和设计。在确定下来系统控制方案 的基础上，合理选择 PLC 和变频器等硬件设备。配置符合本控制系统的PLC的I/O端口，提出变频器的选择条件、性能特点与技术指标，并分析MM430变频器的参数设置与调试方法。

第五章 控制系统的软件设计。本章是毕设撰写的重点部分，根据变频恒压供水系统的控制要求，完整的分析了的系统流程图，并参照系统流程图编译设计软件程序（包括初始化程序、水位检测程序、1#、2#、3#水泵的控制程序及工频/变频的切换程序等）。最后，对系统调试与运行方面内容进行了详细的分析。

第六章 结束语。对本文完成情况做简要总结，指出该毕设完成情况。同时也指出设计过程存在的缺点和不足，指出以后需要学习完善和进一步探讨的问题。

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为不同频率的交流电，或者是把交流电整流成直流电再逆变成不同频率的交流电，在这些变化过程中，有一个共性问题就是供电电源频率都产生了变化。现在人们常说的变频技术主要是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电[6]。 2.2.2 变频器结构分类

从变换频率的过程来看，变频器分为交-直-交和交-交两种形式。交-直-交变频器是先把工频交流电 50Hz 通过整流变成直流电,然后再把直流电变换成电压和频率均可调的交流电，又称之为间接式变频器[7]。而交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率均可调的交流电，称为直接式变频器。目前市场上通用变频器多是交-直-交变频器这种形式的，其基本结构图如图 2-3 所示。

整流器AC逆变器MAC控制指令控制指令控制指令运行指令 图2-3 交-直-交变频器的基本结构

交-直-交变频器结构可分为主电路和控制电路。其中主电路由整流器、中间直流电路、逆变器构成，现将各部分的功能分述如下：

1、主电路：整流器由整流二极管构成，它的作用是把三相或单相的工

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频交流电变换成直流电；中间直流电路一般采用电感和电容构成，利用其储能特性来吸收脉动的电压（电流），起到抑制电信号波动的作用，使整流后的直流电更加平滑；逆变器是由晶闸管构成，它的主要作用是将平滑的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路有两种分别是有源逆变和无源逆变其中有源逆变是将直流电变换成工频交流电，而无源逆变是将直流电变换成频率可以调节的交流电。

2、控制电路：它是变频器的核心，是给变频器主电路提供各种控制信号的电路。变频器的控制电路具体包括调节运算电压、频率的电路和对其信号进行放大的驱动电路、检测主电路电压、电流和电机速度的电路、I/O 接口电路及保护电路等。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。 2.2.3 变频器与PLC使用USS通信

使用USS通信协议，用户程序可以通过调用子程序的方式实现S7-200PLC与MM4系列变频器之间通信，程序量不是很大，使用的硬件接线少，是一种比较方便的通信方式。通信网络由PLC和变频器内置的RS485通信接口及双绞线组成，一台S7-200PLC最多可以监控31台变频器，本课题在设计过程中，关于PLC与变频器之间的通信，便是采用此种通信方式[11]。

1、USS 通信协议的功能

S7系列PLC可以采用通用的USS串行接口协议与MM4系列变频器通信。所有的西门子变频器均带有一个RS-485串行通信接口。根据各个变频器的地址或者采用广播方式，可以访问通信的变频器。主站可以发送通信请求报文，而从站不可以发送通信请求报文，只有接收到主站的请求报文才可以向主站发送数据，所有从站之间不能进行数据信息交换。

2、USS协议指令

（1）使用USS协议指令步骤

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首先编写用户程序，然后USS_INIT指令初识化，为USS指令库分配V存储区，接下去用变频器的操作面板设置变频器的通信参数，使之与用户程序中所用的波特率和从站地址相符合，最后用通信电缆将PLC与变频器之间相应端口连接起来便完成USS协议指令的操作。

（2）初始化指令USS_INIT

初始化指令用于允许、初始化或禁止变频器的通信。在执行其他USS协议指令前，必须要先执行USS_INIT。

（3）变频器控制指令USS_CTRL

USS_CTRL指令用于控制激活状态下的变频器，每台变频器只能使用一条这样的指令。

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第3章 系统的总体分析

3.1 供水系统的要求

3.1.1 供水系统电机运行分析

变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机，它是整个供水系统的动力源泉。一般是由三相异步电动机拖动水泵旋转实现供水，并且把电动机和水泵做成一个整体，通过改变变频器供电频率，可以调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。当然，三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数 p 和改变电动机的转差率 s 这两种方式来实现，这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种，它是通过变频器改变电动机定子供电频率，从而改变同步转速实现调速的[13]。由异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的转速公式如下3-1式所示：

n?n1(1?s)?60f(1?s)P （3-1）

其公式中为n1异步电机的同步转速，它是60倍的工频f与电动机磁极对数p的比值；s为异步电动机转差率,它是异步电动机的同步转速n1跟电动机转子转速n的差值与同步转速n1的比值。从上式可知，当磁极对数p和转差率s固定不变时，电机转子转速 n 与只定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源 f的频率，就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速，从而控制水泵循环工作实现恒压供水。

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3.1.2 供水系统的特性分析

图3-1所示为离心式水泵供水的基本特性，其中 H 和 Q 分别表示供水系统扬程和流量。图中两条曲线均是在供水管路中的阀门开度固定的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线[10]。

H（m）扬程特性曲线HA管阻特性A曲线0QAQ(m2/s)

图3-1 供水系统的基本特性

从上图曲线可以看出，供水系统的扬程值 H 越小，管路供水流量Q越大。由于管阻特性是以水泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，系统扬程H与流量Q之间的关系，管阻特性反映了水泵的能量用来克服水体在管道中的流动阻力、水泵系统的水位及压力差的变化规律。因此，管阻特性所反映的是扬程H与供水流量QG之间的关系。而在水泵的转速和阀门开合程度都固定的情况下，流量的大小主要取决于用户在不同时间段的用水情况，因此，扬程特性所反映的是用水流量 Qu与扬程 H 之间的关系。由于阀门开和程度的改变，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。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称之为供水系统的工作点，如图 3-1 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 QG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

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运行。

3.2 供水系统的结构

供水控制系统的结构总的来讲包括两个部分：一个是机械机构部分；另一部分就是电气控制系统。其中系统的机械部分主要是供水系统管网系统，它构成了一个立体的管道网络，设计相对简单，其设备、结构组成都比较固定，是实现控制功能的前提和基础，而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心部分，它包括如下组成部分[12]。 3.2.1 主要组成部分

从系统组成来讲，恒压供水系统可由三部分组成。分别是控制电路——PLC、变频器；信号检测电路——压力传感器、压力控制器；执行电路——水泵机组。供水控制系统一般安装在集控室的控制柜内，具体包括 PLC、变频器和电控设备部分；信号检测机构是由压力传感器和压力控制器构成。在控制过程中，需要检测管网水压信号和预警信号；系统执行机构主要来说就是水泵机组，通过变频调速控制水泵电机合适的转速和工作组合，维持管网供水和用户用水平衡。 3.2.2 电气控制系统

电气控制系统主要包括电气控制柜及基本单元面板。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，然后根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的逻辑控制与时序控制，就需要严格按照检测信号的输入进行控制[14]。

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3.3 供水系统控制方案的设计与选择

供水系统控制方案的设计主要是利用控制器单元控制变频器或者通过专用变频器控制单台水泵或循环控制多台水泵，并能根据水压变化使电机在变频和工频状态自动切换，实现供水管路的水压恒定，同时还要能对运行数据进行通信传输。要想确定合适的控制方案，还必须认真分析控制的系统的结构，恒压供水系统的主要由控制机构、信号检测机构、执行机构以及低压电气控制电路构成。对应设备包括控制器、变频器、压力传感器、压力控制器、电磁接触器和水泵机组等组成。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用设备和场所，有以下几种方案可供选择，现将各控制方案分析比较一下。 3.3.1 专用变频器控制

具体说是采用带有供水基板的专用变频器配合压力传感器构成的信号检测电路控制水泵机组，它将 PLC 设备和 PID 控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能。虽然这种控制方案高度集成化，电路结构相对简单，设备使用成本也不是很高，但在运行调试时，PID 调节范围小、整定调节参数困难，系统的稳态、动态性能不易保证。而且，在反馈压力值和基准压力值的设定等显示功能方面比较麻烦，无法自动实现实时控制水泵运行，其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了拖动符合运行的能力，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

3.3.2 可编程序控制器（PLC）控制

目前比较流行的控制方案是采用 PLC 配合通用变频器（本控制系统正是采用西门子 S7-200PLC 和西门子 MM430 变频器）作为系统的控制器。

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这种控制方式端口灵活可以扩展，而且具有良好的通信端口，可以方便地与组态监控系统进行数据交换，而且 PLC 用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器，只需要少量的输入端口/输出端口与压力传感器、执行器连接，使控制系统中电控柜体积减小、电路结构简化，出现故障易于排查，同时也提高了系统的可靠性和抗干扰的能力。因此该系统能适用手各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的负荷大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案即以 PLC 和通用变频器为系统核心，配合信号检测电路（压力传感器和压力控制器）控制水泵机组实现的变频恒压控制方式更适合本系统。本课题就是基于这种控制方案来分析设计的。

3.4 供水系统的工作原理

3.4.1 控制系统总体框图

供水电气控制系统的总体框图如图 3-2 所示，PLC 为核心控制器,通过 CPU 循环采集各种主令信号、压力传感器信号，以及其它相关模拟信号，并进行运算处理，得到输出响应控制变频器，完成相关设备的运行、停止和调速控制。

主令信号传感器信号S7-200PLCMM430变频器水泵机组模拟量信号 图3-2 供水电气控制系统总体框图

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3.4.2 系统运行分析

供水系统有两种运行状态：一种是手动操作状态，一种是自动运行状态。供水系统在手动状态下，各类设备的控制根据操作电控柜内的各类功能按钮和开关来控制，没有逻辑控制信号，即不采集传感器的信号状态进行来控制系统操作。此工作方式可以在控制系统出现故障时，切换到手动操作状态，可以保证用户正常用水需求。通常的运行模式是在自动状态下运行的，通过 PLC 控制变频器，进行 PID 运算，实现闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制，其工作过程如下。

第一步：系统初始化程序并测量水池水位是否正常。

第二步：采集压力传感器反馈的信号，通过 A/D 转换，将该传感器输出的模拟信号转换成PLC可处理的数字量信号。

第三步：PLC根据压力反馈值，以及变频器输出频率，对模拟量进行数据处理。

第四步：PLC的CPU通过对数据进行运算处理，产生输出控制信号，对执行器进行实时控制。这样就完成了一个工作过程。其工作过程的示意图如图3-3所示:

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开始初始化运行测量压力反馈值PID调节检测变频器输出输出控制执行器

图3-3 供水系统主要工作过程示意图

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第4章 硬件系统配置

通过前面对供水系统结构和控制方案的分析，确定下来了本系统所需要的硬件设备主要有 PLC 设备、变频器、压力传感器和压力控制器构成的压力变送器、以及水泵机组和继电设备等。本章将对这些硬件设备进行具体选型分析和配置。

4.1 PLC 的选择

4.1.1 PLC 的具体选型

PLC又称作为工业计算机，在整个变频恒压供水控制系统中起到核心控制作用，它要完成对系统中所有输入信号（包括数字量信号和模拟量信号）的采集，并经过 CPU 运算处理，产生相关输出信号，所有输出单元进行控制，并经过循环扫描工作，实时控制所用执行器工作[13]。因此我们在选择 PLC 时，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因素。在 PLC 品牌选择方面，主要根据供水电气控制系统的功能要求，考虑系统的市场的认可度、工作稳定性、可靠性以及出色的性价比，本课题选择西门子 S7 系列 PLC 作为供水电气控制系统的主机。虽然美国的 Rockwell 和 ABB 等系列 PLC 软硬件都很出色，控制功能都很强大，但是其高昂的价格不适合作为本控制系统的主机，日本三菱、松下、欧姆龙系列 PLC 虽然价格比较便宜，不过稳定性要比西门子 S7 系列稍逊一筹，所以也不予考虑。另外由于供水系统电气控制电路的输入/输出端口数量较少，本控制系统选择小型 PLC 端口数量即能满足要求。因此采用 CPU224 作为该控制系统的主机。在该控制系统中，还需要采集传感器的模拟信号，因此需要再扩展一个模拟量输入/

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输出扩展模块。西门子公司专门为 S7-200 系列 PLC配置了模拟量输入/输出模块 EM235，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。 4.1.2 PLC的I/O资源配置

通过上面选型分析，并根据系统的功能要求，对 PLC 的 I/O 进行配置，具体分配如下：

1、数字I/O信号

此供水系统的控制信号，所需要的输入量基本上都属于基本数字量，主要包括各种按钮、旋钮和开关等数字输入，共有 15 个数字输入量；而此控制系统中，所用到输出控制设备主要是接触器和阀门。其系统数字量 I/O 具体分配如表 4.1 所示。

表4.1 I/O地址分配

输入信号地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5

输入设备 急停 SA 手动启动信号SB1 自动启动信号SB2 水池高位信号 水池低位信号 1#泵工频启动SB3 1#泵变频启动SB6 2#泵工频启动SB4 2#泵变频启动SB7 3#泵工频启动SB5 3#泵变频启动SB8 电动机加速 电动机减速 水池进水阀门 21

输出信号地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 输出设备 1#泵工频 KM1 1#泵变频 KM4 2#泵工频 KM2 2#泵变频 KM5 3#泵工频 KM3 3#泵变频 KM6 水池阀门

I1.6 变频器复位 2、模拟量输信号

由于需要采集压力传感器所反馈的数据信号，因此扩展了一个模拟量输入/输出模块，具体 I/O 分配如表 4.2 所示。

表4.2 模拟量输入地址分配

输入地址 AIW0 输入设备 压力传感器 4.1.3 PLC 控制系统与端口连接

根据控制系统的功能要求、如表 4-1 和表 4-2 所示的 I/O 分配情况，设计出出PLC控制系统与端口元件的连线图，如图 4-1 所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。

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急停手动启动自动启动水池高位水池低位1#泵工频启动1#泵变频启动2#泵工频启动2#泵变频启动3#泵工频启动3#泵变频启动电动机加速电动机减速水池进水阀门变频器复位10.010.110.210.3Q0.010.410.510.610.711.011.111.211.311.411.511.6Q0.11#泵工频接触器1#泵变频接触器2#泵工频接触器2#泵变频接触器3#泵工频接触器3#泵变频接触器水池阀门S7-200CPU 224+EM221Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6溶解氧仪AIWO EM235图 4-1 PLC 控制系统与端口硬件连线图

图4-1 PLC控制系统与端口硬件连线图

4.2 变频器的选择

恒压供水系统的实现就是靠变频器控制水泵的变频运行，所以变频器的选择也是很重要的一个环节。 4.2.1 变频器的选型

目前，国内外通用变频器品牌很多，国外市场占用率较高的有西门子、

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ABB、安川、三菱等品牌；国内有森兰、四方、台安等众多品牌。通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。其总的选用原则是在满足控制要求的前提下，尽可能考虑系统的投入成本。要根据负载的具体要求，比如需要考虑系统特性、负载的起动转矩、调速范围等参数，选择性价比相对较高的类型和品牌。综合以上因素，并进行相关市场调研，发现西门子变频器在国内变频器市场有很高的占有率，并且工作性能稳定，有较强的组合功能和良好的力矩特性。所以，本控制系统选用西门子公司生产的 MM430型变频器，它能适用于各种变频调速控制系统，其对水泵、风机类负载进行调速具有突出优势。选择时还需注意一个问题是一定按照变频器说明书内规定配用电机水泵容量[19]。

4.2.2 MM430型变频器性能特点及技术指标

MM430 变频器具有模块化设计。操作面板和通讯模块可以不使用任何工具，非常方便的用手进行更换，MM430 适合用于各种变速驱动系统装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。MM430 型变频器，具有利用率高、稳定性好的特点，具有较多的输

入端子和输出端子，相对 MM420 型变频器操作面板进行了优化设计，更便于工作人员进行操作，其主要技术指标如下：

1、6 个可编程的带电位隔离的数字输入端。 2、2 个模拟输入，也可作为第 7/8 个数字输入端。 3、2 个可编程的模拟输出（0～20mA）。

4、3 个可编程的继电器输出，在阻性负载下：DC30V/5A；感性负载下：AC250/2A。

5、MM430 变频器可与 S7-200PLC 连接，也可集成到 SIMATIC 和SIMOTION 的 TIA 系统中。

6、具有内置 PID 控制器，可用于简单的过程控制。

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4.2.3 MM430型变频器的参数设定和调试

1、MM430 变频器的功能很多，主要是为适用于不同场合而开发的。本控制系统被驱动设备是供水用的水泵，通常也只能用到变频器很少的一部分功能，而变频器的大多数参数都不用设置，只需针对风机水泵这类负荷的参数进行设置即可。在此，对西门子 MM430 变频器采用“快速调试”的方法，这是对变频器进行参数设置快速有效的一种方法。在进行快速调试之前，必须确认所用的机械部分和电气部分结构安装工作已经完成，并进行必要的清场，对于要求严格的场合还要做好相关的安全防护工作，如按规范要求执行操作票制度，开出完善的调试步骤作为操作票的附件，以保证人身和设备的安全。

2、要对 MM430 变频器进行快速调试，必须了解掌握两个重要参数：P0010——参数过滤功能（设置 P0010=1，选择变频器进行快速调试）；P0003——选择用户访问级别的功能。MM430 变频器有三个用户访问级别：专家级、扩展级和标准级。当对变频器进行快速调试设置时，访问级别比较低，大多参数的数值要么自动地计算要么缺省设置，能够看到的参数较少。当设置了 P0010=1，使变频器进入快速调试状态时，P0003 用户访问级用来选择要访问的参数，这一参数也可以用来选择由用户定义的、进行快速调试的参数表。快速调试的进行与参数 P3900 的设定有关，在快速调试的所有步骤都已完成以后应设定 P3900=1，以便进行对电动机相关数据计算。当 P3900 被设定为 1 时，快速调试法结束后会将除了 P0010=1 之外其他所有的参数恢复到它们的缺省设置状态。当进行 P3900=1 设置，并完成快速调试以后，变频器即已做好了运行准备（这种情况只有在快速调试方式下才存在）。

3、为满足恒压供水系统的控制要求，需要对变频器的通信功能进行设置，主要包括对以下几个参数进行整定,如表 4.3 所示。

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表4.3 变频器参数设置表

参数设置值 21 5 5 2 6 1 按实际选用电动机设置 按实际选用电动机设置 按实际选用电动机设置 按实际选用电动机设置 按实际选用电动机设置 参数标号 P0005 P0700 P1000 P1300 P2010 P2011 P0300 P0304 P0305 P0310 P0311 说明 显示实际运行频率 COM链路的USS设置 通过COM链路的USS设定 用于可变转矩负载 9600baud USS地址设置 电动机类型（异步、同步） 确定电机 UN 确定电机 IN 电动机额定频率(50Hz) 确定电机额定转速 对于此系统中的变频器采用通信控制，需要将变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对已编址的变频器发送控制命令，实现对变频器的控制，在本控制系统中，由于只选用了一台变频器，因此要将变频器的地址设置为 1。具体通过改变参数 P2011 中的值来实现。在不同的系统中，也可以实现对多个变频器的控制。

4、在实际应用时，有时需将变频器的所有参数复位为出厂时的缺省设置值；如进行参数复位，可对下面的参数的数值进行设置（需使用 BOP-2 或通讯选件）：（1）设置 P0010=30；（2）设置 P0970=1。

4.3 水泵的选择

由于供水系统在运行时是靠水泵抽水来实现的，它是整个系统的执行机构，因此，水泵选择的合适与否也是影响系统运行是否安全稳定、节能高效的重要因素。

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4.3.1 选用水泵的原则

1、根据水泵抽水的流量和水泵供水的总扬程选择水泵。应以保证水泵工作在高效稳定区域为原则，考虑系统运行时各种原因造成水泵出力下降，可按所计算的扬程值乘以 1.05-1.1系数后，选择水泵。

2、应尽量选用高效节能且噪音较低的水泵，不可采用市场淘汰产品。 3、根据实际供水系统的规模即所带负荷情况，合理确定水泵的台数。当一台水泵运行能够满足正常供述需求时，一般不宜采用多台水泵并联方式运行。若必须采用多台水泵并联运行，才能满足供水需求时，应考虑各台水泵品牌、型号尽量一致（本课题所考虑的三台水泵通过变频器控制工频/变频切换组合运行，保障了系统的供水能力）。

4、同一个供水系统所配用的水泵扬程要相同，主泵之间的供水流量最好相同，辅泵供水流量与主供水泵的流量之比最好不小于1/3。 4.3.2 选择水泵应注意的问题

当水泵的型号选定以后，对于离心式水泵而言，其消耗功率的大小与水泵的实际供水流量是成正比的，而水泵的流量会随扬程的增大而减小，因而扬程值越高，供水流量越小，消耗的功率也就越小。反之，扬程值越低，流量就会越大，消耗的功率也就越大。因此，为了防止电机过载，一般要求水泵在实际使用时，扬程不得低于标准扬程的60%。所以，当高扬程水泵用于低扬程供水系统时，电机容易过载而发热，甚至会烧毁电机。实际运行中应注意电机的温升和电流参数，若发现电机温度偏高或者电流增大，应及时关小出水管上的阀门或关机。若因特别情况需将高扬程水泵放在低扬程供水系统使用，则必须用水泵出水管上的阀门来调节供水流量，使之减小，防止电机过载[20]。

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4.4 其它相关设备的选择

4.4.1 压力传感器的选择

在系统的检测环节中压力传感器是非常重要的一部分器件，它将检测到控制量（水压）反馈给系统，才能实现自动恒压控制。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成0～10V间变化的电压信号或者4～20mA 变化的电流信号的标准信号传送给PLC设备模拟量输入/输出扩展模块EM235，PLC主机进行数据的运算处理，经运算与给定标准值进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力值上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。供水系统的压强是P??gh,下面单位都是估计标准单位??103，g=9.8，一般情况下，供水高度小于60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，系统选用 YTZ-150型电位计式的压力传感器，其水压检测范围为0～1MPa，检测精度为土0.01MPa，该传感器将0～1MPa 范围的压力对应转换成0～10V的电信号。该传感器还具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠的特点[22]。 4.4.2 接触器

由于本系统执行负载是三相交流异步电动机，从分析电气原理来看，它的启停控制、工频/变频切换，都与交流接触器通断电有直接关系，受其控制。本控制系统是三台水泵组合运行，每台水泵都有工频和变频两种运行状态，所以需要选用 6 个交流接触器。分别编号为：1#泵工频 KM1、2#泵工频

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KM2、3#泵工频 KM3、1#泵变频 KM4、2#泵变频 KM5、3#泵变频 KM6。具体配置见表 4-1 和图 4-2。

1、1#泵工频 KM1：是连接 1#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.0 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。

2、2#泵工频 KM2：是连接 2#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.2 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。

3、3#泵工频 KM3：是连接 3#泵到交流电网的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.4 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。

4、1#泵变频 KM4：是连接 1#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.1 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。

5、2#泵变频 KM5：是连接 2#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.3 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。

6、3#泵变频 KM6：是连接 3#泵到变频器的接触器，通过 PLC 的输出信号地址 Q0.5 的状态控制该泵是处于停止状态还是工频运行状态。 4.4.3 主令电器

主令电器的种类有很多，常见的有各类按钮、开关、行程开关等。系统在手动和自动启动运行时，主令电器是用来接通和断开电路的，有的也起到位置保护、转制等作用。本控制系统主要采用一些按钮和开关。控制系统的调试和运行时，手动/自动按钮使用转换开关；自动启动按钮采用点动按钮；急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位；在手动控制状态时，对于每个设备都对应设置一个按钮，采用旋转按钮，并具备调节功能。

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4.5 系统硬件连接图

根据选定的 PLC、变频器、水泵和压力传感器、接触器等设备，最终确定下来供水系统的硬件连接图，如下图4-2所示

电源AC380VPID变频器QSAC200VDCPLCAC调节阀1#调节阀2#压力调节器3#M图 4-2 供水系统硬件连接图M调节阀M调节阀调节阀

图4-2 供水系统硬件连接图

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第5章 软件系统的设计

根据前面的分析，在确定了系统的控制方案和选定了硬件设备之后，本章主要采用西门子公司为S7-200系列PLC开发的STEP7-Micro/WIN4.0 软件进行软件部分设计即编写 PLC 的程序来实现整个控制系统的运行。在软件设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照功能流程图编写不同的功能模块程序，这样写出的程序条理清晰，既方便编写，也便于调试。

5.1 总体流程设计

根据系统的控制要求，控制过程可分为自动控制功能和手动控制功能。系统平时运行处于自动控制状态，当自动运行出现故障，可以切换到手动控制状态下。在手动控制状态下，每个设备都对应一个启停按钮，同样能保障系统继续正常工作，不影响供水。模式选择流程图如图5-1所示：

开始自动NY自动控制手动控制 图5-1 控制方式选择流程图

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5.1.1 手动运行流程设计

在手动运行状态下，由于每个设备都对应了一个启停按钮，所以可单独控制每台设备的运行状态，手动运行模式流程图如图5-2所示。

手动控制1#泵工频运行1#泵变频运行2#泵工频运行2#泵变频运行3#泵工频运行3#泵变频运行 图5-2 手动运行模式流程图

在这种工作模式下，可以通过旋钮对三个水泵进行工频/变频的控制。在变频的工作模式下，可以通过调节旋钮改变变频器的频率，从而改变电机旋转速度，满足不同时间段用户用水量的大小。 5.1.2 自动运行流程设计

为了编写程序方便，易于调试和分析，进行软件程序设计前，首先需要制定程序流程图。在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统的程序，主要包括水池水位检测程序、1#泵控制程序、2#泵控制程序、3#泵控制程序、水池水位检测程序主要控制进水阀门的运行和停止，下面制定本控制系统自动运行程序各个功能模块的流程图。

1、自动运行模式工作流程图 2、水池水位检测流程图 3、1#泵控制流程图 4、2#泵控制流程图

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5、3#泵控制流程图 6、工频运行泵切除流程图

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自动启动变频器启动2#水泵,1#水泵停止运行N变频器启动1#水泵管内水压小于设定值？Y变频器启动2#水泵1#水泵工频运行NY管内水压大于设定值？N管内水压小于设定值？Y变频器启动3#水泵,1#2#水泵工频运行NN管内水压大于设定值？管内水压小于设定值？YY变频器启动2#水泵,1#水泵工频运行，2#水泵停止运行1#,2#,3#水泵工频运行NYN管内水压小于设定值？管内水压小于设定值？Y 图5-3 自动操作模式工作流程图

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