小区变频恒压供水控制系统设计

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TECHNOLOGY

摘 要

本设计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。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。

本系统包含五台水泵电机，它们分别实现对生活用水、消防用水的提供和对排污水的排放。采用变频器实现生活用水泵和消防用水泵的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，经过压力变送器送入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。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。 关键词: 变频调速，恒压供水，PLC

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Abstract

According to the requirement of China's urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequece control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition .The system is made up of PLC, transducerunits of pumps, pressure sensor and control machine and so on.

This system is formed by three pump generators ,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control, operation switch adopts the principle of” start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure, via PLC with set value by carry out PID comparison operation, so, control frequency and the export voltage of frequency converter ,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity, eventually, it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC, with group form software consummately systematic monitoring have realized operation state development to show and data, report to the police inquiry.

Key Words: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC

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目 录

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

1.1 选题背景 .................................................................................................................... 1 1.2选题依据 ..................................................................................................................... 2 第2章 设计内容与要求 ........................................................................................................ 3

2.1 设计内容 .................................................................................................................. 3

2.1.1 系统概述 ...................................................................................................... 3 2.1.2 设计的主要内容 .......................................................................................... 4 2.1.3 主要技术参数与技术指标 .......................................................................... 4 2.2系统设计的功能要求 ................................................................................................. 4 第3章 系统方案设计 ............................................................................................................ 6

3.1 方案选择 .................................................................................................................. 6 3.2 系统原理与组成 ........................................................................................................ 7

3.2.1 原理框图设计 ................................................................................................ 8 3.2.2 系统原理分析 ................................................................................................ 9

第4章 系统的硬件电路设计 .............................................................................................. 13

4.1 系统硬件设计分析 .................................................................................................. 13 4.2 系统主电路设计 ...................................................................................................... 13 4.3 器件选型 .................................................................................................................. 15

4.3.1变频器的选型 ............................................................................................... 15 4.3.2水泵机组的选型 ........................................................................................... 16 4.3.3压力变送器的选型 ....................................................................................... 16 4.3.4液位变送器选型 ........................................................................................... 17 4.3.5 低压电器选型 .............................................................................................. 17 4.4系统控制电路设计 ................................................................................................... 20

4.4.1 PLC的选择 ................................................................................................... 20

第5章 系统的软件设计 .................................................................................................... 25

5.1 系统软件分析 ........................................................................................................ 25 5.2 软件流程图设计 .................................................................................................... 27 5.3 软件编制 ................................................................................................................ 30

5.3.1控制系统主程序设计 ................................................................................... 32 5.4 仿真实验 ................................................................................................................ 38 结 论 ........................................................................................................................................ 41 参考文献 .................................................................................................................................. 42 英文文献与翻译 ...................................................................................................................... 44 致 谢 ........................................................................................................................................ 59 附录 .......................................................................................................................................... 60

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第1章 绪论

1.1 选题背景

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计得到了发展的机遇，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战 。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。存在着以下忧缺点：

(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、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、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。

(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。

(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。

(5) 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，但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。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一

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3.2 系统原理与组成

对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关系：

供水能力QG>用水需求Qu，则压力上升； 供水能力QG<用水需求Qu，则压力下降； 供水能力QG=用水需求Qu，则压力不变。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图3.1所示。从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

管网压力信号报警信号水池水位信号PLC(含PID)变频器压力变送器M液位变送器用户水泵机组水池 图3.1变频恒压供水系统控制流程图

(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、

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水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

(3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者。

3.2.1 原理框图设计

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图3.2所示：

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给定管网压力PIDD/A变频器管道－PLC接触器水泵机组A/D压力变送器

图3.2变频恒压供水系统框图

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。

3.2.2 系统原理分析

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

n?60f(1?s) (3.1) p式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： (l) 改变电源频率 (2) 改变电机极对数 (3) 改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。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，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗口，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率厂成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节

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电源频率，将导致电机运行性能恶化。因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变口。电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。

随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，将促进变频调速的广泛应用。额定频率时称为基频，则调频时可以从基频向下调，也可从基频向上调。

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，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图3.1所示。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图3.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，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。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1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Qc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，系统稳定运行。

H扬程特性管阻特性AHAQAQ

图3.3 恒压供水系统的基本特征

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器

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调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

P?k （3.2） 1HQn?k2Q （3.3） H?k3Q2 (3.4)

n (3.5) P?k3式中k、k1、k2、k3为比例常数。

当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。当用调速控制时，若采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

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HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F

图3.4管网及水泵的运行特性曲线

变频恒压供水系统控制流程如下:

(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。

(2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

(3) 如果用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

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第4章 系统的硬件电路设计

4.1 系统硬件设计分析

根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图4.1所示：

故障、状态等量输入报警、控制等量输出上位机、组态等A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力变送器人机界面软启动、自耦变压器水泵机组

图4.1 系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备设计应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。

4.2 系统主电路设计

基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4.2所示：

图中共有五个水泵，其中1#、2#水泵为生活用水泵，3#、4#为消防用水泵，5#为排污泵，五台电机分别为M1、M2、M3，M4，M5它们分别带动水泵1#、2#、3#、4#、5#。接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行；接触器KM5、KM6、KM7分别控制M5的工频运行和降压启动。由于1#泵和2#泵为一备一用，所以二台水泵之间必须互锁，也就是说只有当前一台水泵出现故障后，才启用备用泵进行工作，以提供供水正常。同理二台消防用水泵也应该互锁。以保证一台消防水泵出现故障后消防用水的正常。其中生活用水泵和消防用水泵都由变频器控制它的启动，故不需要进行降压启动，而5#水泵不是由变频器控制的，所以它的启动会造成电网电压的较大波动，影响其他用电设备的正常运行，为了不影响其它电器的正常使用，5#泵启动的时候使用Y/Δ降压启动。

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NL1L2L3QS2QS3QS4QS5FUQS0QS1RSTKAR1股障复位PLC模拟输入CC1正转指令FWDRSTCMRSTKM5FWDRSTCMPLC模拟输入M0V0GNDTaTb故障报警Tc输出TaTb故障报警Tc输出M0KAR2股障复位正转指令CC1FR5V0UVWGND兰州理工大学毕业设计(论文)

图4.2 变频恒压供水系统主电路图

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KM2KM3FR2FR3UVWM53~KM4KM7FR4KM6KM1FR1M1M23~3~M33~M43~兰州理工大学毕业设计(论文)

4.3 器件选型

4.3.1变频器的选型

变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择E320变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。E320变频器的输出功率为0.75-90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。

本设计选用E320风机水泵型变频器。该系列变频器具有如下特点： (1)由微处理器控制，并采用IGBT作为功率组件：运行可靠、功能多样； (2)脉冲调制频率可调，电动机运行噪声低； (3)牢固的EMC设计； (4)具有多个继电器输出； (5)具有多个模拟量输出； (6)多个个模拟量输入： (7)BiCo(二进制互联)技术； 该变频器的基本配线图如4.3所示：

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三相电源RSTX1X2X3X4X5X6X7CM正转指令反转指令故障复位FWDREVRSTCMP++100-5v频率设定0-20mA频率设定0-10v频率设定VI1CC1VI2GNDP-PB外接制动电阻电动机UVWM可编程输入端接地TaTb故障报警输出Tc图4.3 E320变频器基本配线图

4.3.2水泵机组的选型

水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率为15KW、37KW。生活用水供水压力控制在4-5kg/㎝2，而消防用水的供水压力控制在12 kg/㎝2。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用5台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。

4.3.3压力变送器的选型

压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管

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中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备(热水器、抽水马桶等)，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。

根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。

4.3.4液位变送器选型

考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m-5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。

综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m-200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制4-20mADC精度等级：0.25级。

4.3.5 低压电器选型

（1）接触器选型

接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交直流主回路及大容量控制电路的自动控制开关电器。接触器具有强大的执行机构、大容量的主触头及迅速熄灭电弧的能力。当系统发生故障时，能根据检测元件所给出的动作信号，迅速、可靠地切断电源，并有低压释放保护功能。与保护电器组合可构成各种电磁启动器，用于电动机的控制及保护。

1）交流接触器

交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。

该控制系统中的接触器均选交流接触器。电机所选用的接触器的主触头在主电路中，所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压AC380V，线圈在控制回路中，线圈电压取AC220V。

主触头额定电流经验公式：

ICN?PN?10/K3U (4.1)

N它们的型号如下：

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表4.1 编号 KM1—KM15 2）直流接触器

主触点额定电压选择直流440V，线圈电压选择直流24V。 数字量扩展模块均为直流接触器，因此它们的型号为：

表4.2

编号 YV1 YV2 YV3 H1 H2

（2）断路器选型

低压断路器也称作自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。 低压断路器的选择要满足如下几点：

① 额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 ② 热脱扣器的整定电流应与所控制负载（比如电动机）的额定电流一致。 ③ 欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压。

④ 过电流脱扣器的额定电流Iz大于或等于线路的最大负载电流。对于单台电动机来说，可按下式计算

Iz ≥ kIq (4.2) 式中，k为安全系数，可取1.5~1.7；Iq为电动机的启动电流。 对于多台电动机来说，可按下式计算

Iz ≥ K(Iq.max+ΣIer) (4.3) 式中，K也可取1.5~1.7；Iq.max为最大一台电动机的启动电流；ΣIer为其他电动机的额定电流之和。

根据选型原则，选用NZMB1-A160断路器。 （3）熔断器选型

熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬时动作性，用于电路的短路保护盒严重过载保护。熔断器的选择包括熔断器类型的选

接触器型号 主触点额定电压/V 主触点类型 CJ10-20 220 常开 接触器型号 主触点额定电压/V 主触点类型 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 440 440 440 440 440 常闭 常闭 常闭 常开 常开 18

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择和熔体额定电流的选择两部分。根据负载类型，选用GSTA00-160-S00(160A)。

（4）主令电器选型

控制按钮简称按钮，是一种结构简单且使用广泛的手动电器，在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等。设计中选用的按钮NP6-MB/Y，额定工作电压DC24V，额定工作电流0.7A。行程开关选用LXZ1-03Z/W。

（5）信号电器选型

照明灯选用HK(220V/60W),指示灯选用LED指示灯（24v）。

（6）热继电器选型

热继电器主要是用于电气设备（主要是电动机）的过负荷保护。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，它具有与电动机容许过载性相近的反时限动作特性，主要与接触器配合使用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相及电流不平衡的保护及其他电气设备发热状态的控制。

三相异步电动机在实际运行中，常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流（过载和断相）现象。如果过电流不严重，持续时间短，绕组不超过允许升温，这种过电流是允许的；如果过电流情况严重，持续时间较长，则会加快电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机，因此，在电动机回路中应设置电动机保护装置。常用的电动机保护装置种类很多，使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器。

继电器的主要技术参数：

1）额定参数。主要有工作电压和电流，吸合电压和电流，释放电压和电流等。 2）动作特性参数。①返回系数 ②储备系数 ③响应时间。 3）整定参数。包括整定值和灵敏度。

因为电机的额定电流为1.8A，所有按照1.05倍整定为1.89A。可以选择 热元件额定电流为2.4A的型号为JR0-20/3的热继电器五个。

（6）电源模块

S7-200的CPU单元有一个内部电源，它为CPU模块、扩展模块和DC 24V用户供电。每一个CPU模块都有一个DC 24V传感器电源，它为本机的输入点或扩展模块的继电器线圈提供电源，如果要求的负载电流大于该电源的额定值，应增加一个DC 24V电源为扩展模块供电。

本设计选用SITOP PS207电源模块,该模块电源有60W 和100W 两种功率类型，其功能和设计能够与SIMATIC S7-200 CN 系统完美匹配。也可以同时向其它负载提供24 V供电，如传感器和驱动等感性,容性负载。此电源模块安装方式灵活，既可使用标准导轨安装，也可通过螺钉墙面安装。灵活的安装方式和紧凑的设计节约安装空间，可广泛应用于小型的OEM 设备控制系统，配电箱或开关柜中。

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4.4系统控制电路设计

系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。

PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在二台水泵之间实现变频泵的切换；4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；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。

如图4.4为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~SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0-Q0.5及Q1.1-Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号。

本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：

(1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。

（2）自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。

4.4.1 PLC的选择

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号的

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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。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。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电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以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PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为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。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(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成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。

图4.5说明了PLC控制系统的设备组成和硬件接线：

图中，PLC控制系统主要包括CPU、数字量扩展模块(EMl)以及模拟量扩展模块(EM2)：本系统选择SIEMENS S7—200系列PLC产品。该PLC的CPU及数字量扩展模块如下：

(1)CPU：采用s7 200 cPu224，Dc／Ac继电器输出型，该产品集成14个数字量 输入和10个数字量输出，可扩展7个模块，最大扩展至168路数字量I／o或38路模拟量I／o．22K字节程序和数据存储空间，具有6个独立的高速计数器和2个100KHz的高速脉冲输出： 2个Rs485通讯口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口通讯方式；该产品还内置自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据以及配方功能，是SIEMENS家族小型PLC领域的新产品；

(2)EM1：s7—200 EM222，8点继电器输出模块。 本系统PLC的数字I／O地址分配及其意义如下：

表4.3 变量地址分配表

1 2 1号抽水泵启动 1号抽水泵停止 I0.0 I0.1 输入1号水泵启动信号 输入1号水泵停止信号

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3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 2号抽水泵启动 2号抽水泵停止 3号抽水泵启动 3号抽水泵停止 4号抽水泵启动 4号抽水泵停止 5号抽水泵启动 5号抽水泵停止 手动运行 自动运行 非火灾状态 火灾状态 系统启动 系统停止 变频器1故障 变频器2故障 1号水泵故障 2号水泵故障 1号抽水泵启动 1号抽水泵停止 2号抽水泵启动 2号抽水泵停止 3号抽水泵启动 3号抽水泵停止 4号抽水泵启动 4号抽水泵停止 5号抽水泵启动 5号抽水泵停止 手动运行 自动运行 非火灾状态 火灾状态 系统启动 系统停止 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 I2.1 输入2号水泵启动信号 输入2号水泵停止信号 输入3号水泵启动信号 输入3号水泵停止信号 输入4号水泵启动信号 输入4号水泵停止信号 输入5号水泵启动信号 输入5号水泵停止信号 手动控制系统运行信号 自动控制系统运行信号 火灾信号 输入1号水泵启动信号 输入1号水泵停止信号 输入2号水泵启动信号 输入2号水泵停止信号 输入3号水泵启动信号 输入3号水泵停止信号 输入4号水泵启动信号 输入4号水泵停止信号 输入5号水泵启动信号 输入5号水泵停止信号 手动控制系统运行信号 自动控制系统运行信号 火灾信号

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17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 变频器1故障 变频器2故障 1号水泵故障 2号水泵故障 3号水泵故障 4号水泵故障 5号水泵故障 压力信号 变频器1运行 变频器2运行 1号抽水泵变频 2号抽水泵变频 3号抽水泵变频 4号抽水泵变频 5号抽水泵工频 1号抽水泵故障 2号抽水泵故障 3号抽水泵故障 4号抽水泵故障 5号抽水泵故障 系统运行 系统停止 非火灾状态 变频器1运行 变频器1故障 变频器2运行 变频器2故障 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.6 I2.7 I3.0 AIWO Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1.7 Q2.0 Q2.1 Q2.2 压力信号同过变送器输入PLC 变频器1运行控制信号 变频器2运行控制信号 1号泵变频运行控制信号 2号泵变频运行控制信号 3号泵变频运行控制信号 4号泵变频运行控制信号 5号泵工频运行控制信号 1号水泵故障显示信号 2号水泵故障显示信号 3号水泵故障显示信号 4号水泵故障显示信号 5号水泵故障显示信号 系统运行显示控制信号 非火灾状态显示控制信号 火灾状态显示控制信号 变频器1运行显示控制信号 变频器1故障显示控制信号 变频器2运行显示控制信号 变频器2故障显示控制信号 施工单位在泵房(包括水泵、水箱、阀门以及管道、仪表等)安装时，分别在自来水进水和出水管道上安装有电接点压力表，电气施工时，取其作为进水压力和出水压力的保护信号。水箱水位检测采用液位开关，水箱低于最低水位时，其常开触点闭合，10．0=1，PLC处理水箱水位低的报警信息。水泵过载信号来自与各电机对应的热继电器，热保护动作时，启动对应的报警处理程序。

模拟量I／O模块的选择：

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EM2： S7—200 EM235 ：SIEMENS模拟量输入输出型模块，包括4AI和1AO。实际使用时，将EM235的DIP开关设置如表4.4所示：

表4.4 EM235的DIP开关设置 SW1 ON (1)单极性

(2)满量程输入：0到5v： (3)分辨率： 1 25Mv 此时对应的输入格式为：

0 数据值12位 0 0 0 MSB LSB 对应的输出格式为： 数据值12位 0 0 0 0 MSB LSB

根据s7—200PLc的地址定义方法，本系统的模拟量分配为: AI：A1w0： 当前管网压力0 5v A0：AQWO： 变频器频率给定O 201IlA

管网压力当前值(常用0—1.0MPa或o 1 6MPa)取自安装于出水总管上的远传压力表，并将其转换为。0-5V的直流电压信号，提供给PLC的模拟量输入A口；PLC则输出0—20mA的直流电流信号，与变频器的CC1相连用作变频器的频率调节信号输入。

SW2 OFF SW3 OFF SW4 OFF SW5 OFF SW6 ON 即输入信号定义为：

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第5章 系统的软件设计

5.1 系统软件分析

系统以PLC为核心，运行程序完成成套装置的全部控制任务。本系统的PLC程序结构如图4.1所示：

主程序初始化子程序手动子程序自动子程序故障与报警中断服务通讯手动工频手动变频软手动定时切换顺序控制软操作全自动逻辑数据采集PID运算 图4.1 PLC程序结构

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硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：

(1) 由“恒压”要求出发的变频器频率的控制

为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作能满足恒压要求，变频器需要自动调节自己频率已达到恒压的目的。判断需增加频率的标准是变频器的输出频率所提供压力达不到预设的压力值设。这一功能可通过比较指令实现。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

由于模拟量单元及PID调节都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，这样可以节省扫描时间。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。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。

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 VD100 VD104 VD108 VD112 过程变量标准化值 压力给定值 PID计算值 比例系数Kc 功 能 器件地址 T37 T38 M0.0 M0.1 工频泵增泵滤波时间控制 工频泵减泵滤波时间控制 故障结束脉冲信号 水泵变频启动脉冲(增泵) 功 能

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VD116 VD120 VD124 VD204 VD208 VD250 VD250 VB300 VB301 VD310 T33 T34 T35 采样时间Ts 积分时间Ti 微分时间Td 变频运行频率下限值 变频运行频率上限值 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 水泵变频启动脉冲(减泵) 倒泵变频启动脉冲 复位当前变频泵运行脉冲 当前泵工频运行启动脉冲 新泵变频启动脉冲 泵工频/变频转换逻辑控制 PID调节结果存储单元 M2.0 变频工作泵的泵号 工频运行泵的总台数 变频运行时间存储器 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 M2.1 M2.2 M3.0 M3.1 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 故障信号汇总 水池水位越限逻辑 PID调节结果存储单元 M2.0 5.2 软件流程图设计

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C。

主程序流程图如图5.2所示。由于在图5.2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5.3和图5.4对其生活用水泵的控制和对排污泵的控制做了详细的补充。其中图5.3是以生活用水泵泵为例的变频运行控制流程图，图5.4是以5#泵为例的工频运行控制流程图。消防控制泵的运行控制情况与生活用水泵控制相似，在此就不再重复。

如图5.2所示。本设计主程序大体包括以下几部分： (1) 调用初始化子程序，设定各初始值；

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(2) 根据主确定工频泵运行数；

(4) 通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制； (5) 进行报警和故障处理。 其程序流程图如下所示：

开 始污水池水位达到上限？NY是否有工频启动脉冲？NY5#排污泵工频运行结 束

图5.2排污用水泵控制流程图

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开 始赋初值NY供水池水位低？NY变频器故障？NY紧急停车？N已有一台水泵变频运行？N变频启动一台泵N水压低于设定值频率已达上限？NY变频泵转为工频水压达到设定值频率已达下限？NY按先开先停切除工频泵Y泵过载？YNN停止？Y停止图5.3 变频恒压供水主程序流程图

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开 始是否有变频启动脉冲信号？NY变频启动1#生活用水泵1#生活用水泵是否故障？Y启动2#生活用水备用泵N系统是否无故障？NY是否无变频器复位脉冲？NY生活用水泵是否工频运行？YN生活用水泵变频运行结 束

图5.4 生活用水控制流程图

5.3 软件编制

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开

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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建用户程序，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，梯形图可以看作是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，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在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通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) 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。

(3) 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体上是相同的，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并且系统无故障产生、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。

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(4) 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体上是相同的，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。

(5) 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。

5.3.1控制系统主程序设计

(1) 初始化子程序SBR_0

首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。假设所选变频器的输出频率范围为0~100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中断连接。具体程序梯形图如图5.5所示。

图5.5 初始化子程序SBR_0梯形图

(2) 手动子程序

为便于设备调试和紧急事故处理，PLC在工作方式选择为“手动”时，调用

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“手动子程序”。

“手动\操作又可选择为：

手动工频------按钮操作，水泵工频运行，变频器不参与工作

手动变频------文本显示器操作，按下对应的按钮时，启动单台水泵的变频 运行：

“软手动”------IPC完成的“手动”操作，通过画面上的“按钮\、“开关”控制系统的“手动’’运行。

手动变频运行时，又可通过程序选择为“固定压力\和“固定频率’’的操作方式，常用于设备保养和故障处置。

(3)自动子程序

系统的正常工作方式，设备正常运行时，PLC执行“自动子程序\，在自动子程序中，调用：“定时操作”、“顺序控制”、“远程操作”和“全自动逻辑控制”；

定时操作------自动工作的系统按设定的定时时间在各泵间切换，循环工作的水泵能防止长期闲置造成的锈蚀和损坏；定时的时间间隔可通过人机界面进行在线修改：

顺序控制------系统自动工作时，不仅能定时切换，还能人为改变水泵参与工作的次序。该功能在水泵(电机)检修时，能提供很大方便。

远程操作------系统的全自动运行由中控室来操纵，包括启动、停止、紧急事故处理、在线参数修改；

全自动逻辑控制一一一完成系统赋予的全自动控制任务，设备正常运转的过程就是循环调用“全自动逻辑控制\子程序的过程，

(4)故障与报警

系统发生故障或报警，PLC启动声光报警系统，同时在控制柜人机界面上显示报警信息，以提示操作人员进行相应处理；

PLC启动报警系统的同时，将相关信息输送至中央控制中心，IPC自动切换至报警画面，并将故障的种类、发生时间、恢复时间等故障信息储存，供查询和故障分析。

“故障与报警’’子程序的另外一个重要功能就是事故处理。在充分调研常见故障发生概率的基础上，将故障类型分类处理，典型处理方法如下表5.2：

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表5.2 常见故障及处理

序号 1 2 3 4 5 故障现象及特征 进水压力低 水箱水位低 出水压力高 电机过载 变频器故障 软件处理方法 停止运行，恢复故障后自动运行 停止运行，达到正常水位后自动运行 停止运行，低于正常压力后自动启动 自动切换至正常水泵运行 理自动复伸，如复位次数达到变频器规定的范围，则停止运行，请求维修人员处 (5) PID控制中断子程序

首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。具体程序梯形图如图5.6所示。

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兰州理工大学毕业设计(论文)

图5.6 PID控制中断子程序INT_0梯形图

在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PLC技术不断增强，运行速度不断提高：不但可以完成顺序控制的功能，还可以完成复杂的闭环控制。图5.7是常见闭环控制系统的构成。

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兰州理工大学毕业设计(论文)

设定值sp(t)pv(t)e(t)调节器M(t)执行机构控制对象c(t)实际状态测量图5.7 闭环控制系统

作为闭环控制的重要特征，采用了“误差’’的概念，即：在闭环控制系统中，利用给定输入sp(t)与实际输出c(t)经过测量装置装置转换后的反馈量pv(t)之间的差值e(t)作为控制量，来实现对系统的控制。

在实际闭环控制系统中，误差e(t)是一个很小的变化量。因此， 为了对系统进行更精确的控制，消除系统在稳态的输出误差，改善系统的动态响应性能，需要对误差进行放大(比例调节P)、积分(积分调节I)、微分(微分调节D)，才能有效地控制系统中的执行机构，保证系统具有良好的动、静态性能。在自动控制系统中，用来对误差进行放大、积分、微分等处理的装置称为“调节器”，当调节器具有“放大”、“积分”、“微分”功能时， 即成为PID调节器。在变频恒压供水自动控制系统的产品开发和应用实践中，经常采用PID控制器、软件PID以及变频器内置PID来实现系统的PID调节功能，三种方法各具优缺点，本设计 选用PID算法的PLC实现方法。

PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)：

e(t)?y(t)?r(t) （4.1）

经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图5.8所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。

比例给定压力r(t)+－e(t)积分+频率u(t)++转速水泵管网实际压力y(t)微分压力变送器

图5.8 PID控制原理框图

PID控制规律为：

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