高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

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高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

摘 要

随着我国社会经济的发展，城市高层建筑发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。

本次设计采用“一台变频器控制多台水泵”的多泵控制系统，对系统进行了主电路设计，控制电路设计、软件设计。该系统可根据管网瞬时压力变化自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端的压力保持在恒定的设定压力值，以满足用户的供水需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。根据PLC和变频器的选型原则，设备选用了的西门子公司生产的S7-200系列(CPU226)的PLC和MM440泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。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，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：恒压；供水；变频；PLC

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The Design of PLC Control of High-rise

Building Water Supply System

ABSTRACT

As China's social and economic development, urban high-rise buildings has developed very quickly, but also on the infrastructure put forward higher requirements. Urban water supply system construction is one important aspect of water supply reliability, stability, economy directly affects the user's normal work and life.

The design uses \inverter control multiple pumps,\the multi-pump control system, the system has been the main circuit design, control circuit design, software design. The system can be based on the instantaneous pressure pipe network changes automatically adjust the speed of a water pump and multi-pump input and exit the pipe main pipe outlet pressure maintained at a constant set pressure value, in order to meet user demand for water, so that energy efficient the whole system remains in the best condition. According to the principle of PLC and inverter selection, equipment selection of the Siemens S7-200 series production (CPU226) PLC and MM440 inverter dedicated pumps, the use of the frequency converter itself its own soft-start function of pump motor startup. This part of the system design, the hardware system configuration, software selection and process design, process design has been described in detail, to the constant pressure water supply system control requirements to meet the urban residents live and work daily water needs.

Key words: Constant pressure ；Water supply ；Variable frequency ；PLC

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目 录

摘 要 ............................................................ 1 ABSTRACT ........................................................... 2 第一章 绪论 ........................................................ 6

1.1 课题的研究背景 .............................................. 6 1.2 供水系统国内外研究现状 ...................................... 6 1.3 课题研究的意义 .............................................. 8 1.4 可行性分析（理论适用性） .................................... 8 1.5 论文主要研究工作及组织结构 ................................. 10 1.6 本章小结 ................................................... 10 第二章 PLC系统与变频器概述 ........................................ 11

2.1可编程控制器概述............................................ 11

2.1.1可编程控制器的发展历史 ................................ 11 2.1.2可编程控制器的发展阶段 ................................ 11 2.1.3可编程控制器的基本结构 ................................ 12 2.1.4可编程控制器的工作原理 ................................ 14 2.1.5 S7-200 PLC的系统配置 ................................. 15 2.2 STEP 7-Micro/WIN编程软件概述............................... 18

2.2.1 STEP 7-Micro/WIN软件窗口组件 ......................... 18 2.2.2 STEP 7-Micro/WIN软件的使用 ........................... 20 2.3变频器概述.................................................. 21

2.3.1变频器简介 ............................................ 21 2.3.2变频器的调速原理 ...................................... 23 2.3.3变频器分类 ............................................ 24 2.3.4变频器的主要功能 ...................................... 25 2.4本章小结.................................................... 25 第三章 系统总体设计方案 ........................................... 26

3.1 高层住宅小区供水分析 ....................................... 26

3.1.1 高层住宅小区生活给水的特点............................ 26

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3.1.2 住宅小区供水模型选择实例............................. 26 3.1.3 不同住宅类型的用水标准............................... 26 3.1.4 供水规模换算表....................................... 27 3.2本设计供水系统的结构........................................ 28

3.2.1 主要组成部分.......................................... 28 3.3供水系统的工作原理（工艺）.................................. 28

3.3.1控制系统总体框图 ...................................... 28 3.3.2系统的工作原理及过程 .................................. 29 3.3.3系统运行分析 .......................................... 35 3.4 本章小结 ................................................... 36 第四章 硬件系统配置 ............................................... 37

4.1 PLC 的选择 ................................................. 37

4.1.1 PLC 的具体选型........................................ 37 4.1.2 PLC 的 I/O 资源配置................................... 38 4.1.3 PLC 控制系统与端口连接................................ 39 4.2 变频器的选择 ............................................... 41

4.2.1 变频器的选型.......................................... 41 4.2.2 MM440 型变频器性能特点及技术指标...................... 42 4.2.3 MM440 型变频器的参数设定和调试........................ 43 4.3 水泵的选择 ................................................. 45

4.3.1 选用水泵的原则........................................ 45 4.3.2 选择水泵应注意的问题.................................. 46 4.3.3 本设计中水泵的选择.................................... 46 4.4 其它相关设备的选择 ........................................ 47

4.4.1 压力传感器的选择...................................... 47 4.4.2 液位变送器的选择...................................... 48 4.4.3 接触器................................................ 50 4.4.4 主令电器.............................................. 50 4.5 本章小结 ................................................... 51

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第五章 软件系统的设计 ............................................. 52

5.1 总体流程设计 ............................................... 52

5.1.1 手动运行流程设计...................................... 52 5.1.2 自动运行流程设计...................................... 53 5.2 系统梯形图设计 ............................................. 56

5.2.1软元件设置 ............................................ 56 5.2.2程序描述 .............................................. 58 5.2.3系统梯形图设计 ........................................ 58 5.3 本章小结 .................................................. 58 第六章 结束语 .................................................... 59 参考文献 .......................................................... 60 附录 .............................................................. 66

MAIN ........................................................... 66 Fire_control ................................................... 69 Aut_Manu ....................................................... 71 Alarm .......................................................... 75 致 谢 ............................................................ 77

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。

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。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 供水系统国内外研究现状

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

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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。

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1.3 课题研究的意义

随着我国城市建设的发展，高层建筑不断增多，许多用户由于供水压力不能保证而影响正常的生产和生活，传统的供水方式己远远不能满足人民现代化生活的需要。传统供水方式主要有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等。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；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；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，致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。

传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要\目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展。因此开发全自动的变频调速恒压供水系统，越来越受到人们的重视和青睐。当前，随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC 在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将 PLC 及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。

1.4可行性分析（理论适用性）

高层建筑PLC控制的变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、

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降低能耗等方面具有重要的现实意义。

变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势：

（1）恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。

（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。

（3）水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。

（4）实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3——1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平

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稳，避免了电气、机械冲击。在高层建筑小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了高层建筑饮用水水质的可靠。

1.5 论文主要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西门子 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。

在课题研究过程中，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。

1.6 本章小结

本章主要介绍了本课题的研究背景，高层建筑恒压供水国内外研究现状，课题研究的意义以及可行性分析，本论文主要研究工作以及组织结构。为下文设计描述做好铺垫。

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第二章 PLC系统与变频器概述

PLC是高层建筑恒压供水的控制核心。在PLC的控制下，通过变频器的变频调速才能保持管网水压的恒定。本章着重介绍可编程控制器PLC的工作原理、西门子S7系列PLC编程软件STEP-Micro/WIN的使用方法及变频器的基本概况。

2.1可编程控制器概述

2.1.1可编程控制器的发展历史

在出现可编程逻辑器件之前，工业控制领域广泛采用继电-接触系统。继电-接触系统曾在工业生产中起着不可替代的作用，但是随着控制任务的不断提高，继电器系统逐渐暴露出其弊端，已愈来愈不能满足工业控制需求。继电器系统由于体积庞大、稳定性差、能耗高、改装困难等一些列问题，开始制约很多领域的发展。为了摆脱困境，改变现状，1968年，美国通用汽车公司（GM）率先考虑研制新型的控制器，以替换继电器系统，克服其种种弊端。基于此考虑，GM公司提出了新型控制器的十项招标要求，设想出一种新型的控制器，具体要求如下：

（1）编程简单，可在现场修改程序； （2）维护方便，最好是插件式； （3）可靠性高于继电器控制柜； （4）体积小于继电器控制柜； （5）可将数据直接送入管理计算机； （6）在成本上可与继电器控制柜竞争； （7）输入可以是交流115 V；

（8）在扩展时，原有系统只需做很小变更；

（9）输出为交流115 V、2 A以上，能直接驱动电磁阀； （10）用户程序存储器容量至少能扩展到4 KB。

根据上述招标要求，美国数字设备公司（DEC）中标并开始研发，于第二年（1969年）成功研制出了这一新型的控制器，命名可编程逻辑控制器，简称PLC，由此，诞生了世界上第一台可编程控制器。 2.1.2可编程控制器的发展阶段

PLC于1968年诞生以来，随着微电子技术的发展而同步发展。PLC在工业领域

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期盼中产生，所以，产生之后便广泛应用在各个领域。由于大量的需求，吸引更多的资金研究、更新PLC，进一步促进了PLC的发展。时至今日，PLC应用在机械、冶金、石油、化工、船舶、医药、纺织等各个领域，几乎涉及国民经济的所有领域。

PLC问世时间虽然不长，但是由于微处理器的更新换代速度之快，使得PLC有条件采用更好的CPU，增强了其数据处理能力和运算速度，PLC发展速度十分迅猛，大致可分为三个阶段：

第一阶段（20世纪60年代—20世纪70年代中期）：此时PLC是继电器控制系统的替代品，功能比较简单，主要是进行逻辑控制，基本的定时、计数功能。它相对于继电器控制系统而言，具有可编程、简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障显示等优点。

第二阶段（20世纪70年代—20世纪80年代）：随着微处理器的大力发展，PLC开始采用微处理器作为CPU，大大提高了PLC的功能。在原来的基础上，此时PLC具有了浮点数运算，函数运算，数据处理、传送、通信，自诊断，模拟量信号处理等功能。早期的PLC由于主要功能是逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，经过发展后，PLC不只具有逻辑运算这样简单的功能，此时，PLC更名为可编程控制器，简称PC，由于与个人计算机(PC)重名，后又改名为PLC。

第三阶段（20世纪80年代后期—至今）：由于大规模、超大规模集成电路的高速发展，微处理器的价格大幅度下降，使得PLC能够采用高档的微处理器，PLC的数据处理功能、运算速度得到进一步的提高。PLC拥有了高速计数，终端计数，PID控制等功能，同时，PLC的联网通信能力不断提高2.1.3可编程控制器的基本结构

可编程控制器作为工业计算机，其组成也与计算机的组成基本相同，由微处理器CPU、存储器、输入/输出单元、电源部件、编程器等组成，如图2.1所示。

微处理器(CPU)是PLC的控制核心，主要完成运算和控制功能。PLC在CPU的控制下，使得控制器有条不紊的工作，实现对现场信号的采集和现场设备的控制。CPU的具体功能：将PLC输入端子的开关状态采集至输入映像寄存器，接受编程器的数据并存入程序存储器，对用户程序存储器中的指令进行译码、执行，将程序执行的结果输出至输出端子。

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图2.1 PLC的基本结构

一般来说，小型PLC采用8位微处理器或单片机（8031、8051等）充当CPU，具有价格低廉，可靠性高、通用性好等优点。

PLC系统的存储器主要用于存放用户编写的程序，分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器由只读存储器充当，用来存放系统程序，由厂家编写，不可修改。系统程序存储器相当于个人计算机的操作系统，关系到PLC的性能。它存储了PLC的监控程序、用户梯形图的解释程序以及功能子程序。用户程序存储器分为用户程序区、数据区、系统区三部分。用户程序区用于存放用户编写的程序（如梯形图），用来存放程序在运行过程中产生的中间数据或保存调用子程序、中断程序时的断点。数据区的存储器类型非常丰富，包括I、Q、V、L、S、M、SM、T、C、AI、AQ、AC、HC等数据存储器

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输入/输出单元是PLC与外部设备进行信息交换的接口。输入单元用来接收输入设备（按钮、开关、接触器触点、各种传感器等信号）的状态，并将其转换为PLC内部电路可以处理的弱电信号，起接受、转换功能，图2.2为PLC开关量输入的电路图。输出单元的功能是将PLC内部信号转换成可以控制外部设备的信号，输出单元具有继电器、晶体管、双向晶闸管三种输出形式，图2.3为PLC继电器形式的输

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出电路。

图2.2 PLC输入电路图 2.3 PLC继电器形式的输出电路 2.1.4可编程控制器的工作原理

可编程控制器程序的执行是按程序设定的顺序依次完成对应的动作。PLC从用户程序存储器逐条取指令，经过译码，再根据译码信息执行对应的操作。指令从上而下、自左而右执行，执行完最后一条指令后，返回到第一条从新开始执行，PLC采用循环扫描的工作方式，完成一次扫描所需要的时间称为扫描周期，扫描周期是评价PLC好坏的重要指标。

PLC的工作过程可分为5个阶段：内部处理、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新，若PLC处于STOP状态，PLC只完成内部处理和通信处理工作，当工作在RUN状态时，除完成上述状态后，还会有输入扫描、程序执行、输出刷新三个步骤，如图2.4所示。

在内部处理阶段，CPU检查PLC内部各部件工作是否正常，在RUN模式下，还会检查用户程序存储器工作是否正常，若不正常，则报警产生输出。

在通信处理阶段，CPU自动检测PLC内部通信是否正常，以及PLC与外面的设备或者PLC、个人计算机通信是否正常。若配置了网络通信模块，PLC还会与网络进行数据交换。

输入采样阶段，PLC首先扫描所有输入端子的状态，输入与公共端有回路，即为闭合，对应的输入映像寄存器值为1，反之，若断开，输入映像寄存器值为0。输入映像寄存器的值决定了与之对应的常开、常闭触点的值，常开触点值与输入映像寄存器的值是一致的，常闭触点则取反。亦即，若外部开关闭合，常开触点值为0，常闭触点值为1，反之亦然。常开触点不一定常开、常闭触点不一定常闭，要根据实际情况决定。完成输入扫描后，便进入到程序执行阶段，在程序执行阶段，即使输入端子的状态发生变化，输入映像寄存器的值保持不变，要等至下一个扫描周

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期才从新扫描，更新结果。

开 始内部处理通信处理RUN方式？输入扫描程序执行输出刷新

图2.4 PLC扫描工作过程图

程序执行阶段，PLC按照自上而下，自左而右的顺序，逐条执行指令。当涉及到输入端子时，从输入映像寄存器I中读取相应的值，常闭则取反，执行结果存入到相应的寄存器中。若需产生输出的，先送输出映像寄存器Q中，但不更新输出端子的值。输出元件的寄存器值随着程序的执行而不断变化。

输出刷新阶段，在执行完所有的指令后，PLC进入输出刷新阶段，即将输出映像寄存器的值更新到输出端子，从而驱动外部负载。 2.1.5 S7-200 PLC的系统配置

S7-200 PLC的基本模块也称主机，是一个独立的装置。S7-200 PLC主机的型号、种类较多，可适应不同需求的场合。CPU22X系列产品有CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块。它们指令丰富、速度快、可靠

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性好、具有较强的通信能力，表2.1列出了S7-200CPU模块的主要技术指标。

表2.1 S7-200CPU模块主要技术指标

程序存储器 用户数据存储器 用户存储类型 数据后备典型时间 本机I/O 扩展模块数量 内置高速计数器 模拟量调节电位器 硬件输入中断 口令保护 通信口数量 1（RS-485） 6入/4出 0个 50H 8入/6出 2个 14入/10出 CPU221 CPU222 CUP224 CPU226 CPU226XM 81922字 5120字 2048字 1024字 4096字 2560字 EEPROM 100H 24入/16出 7个 6个（30KHZ） 2 4个（30KHZ） 1 4个输入点 有 2(RS-485) S7-200任一型号的主机都可单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统。当PLC主机的I/O点数不够或者需要对模拟量信号进行处理的时候，可对主机模块进行扩展，表2.2、表2.3示出了各种PLC主机可扩展模块的数量。

表2.2常用数字量扩展模块

型号 EM221 DC24V 输入 EM221 AC230V 输入 EM222 DC24V 输出5A EM222 继电器输出10A EM222 AC230V 输出 EM222 8点 DC24V 输出 EM222 8点继电器输出 EM223 DC24V 数字量4输入/4输出 各组输入点数 4,4 8点独立 无 无 无 无 无 4 各组输出点数 无 无 4点独立 4点独立 8点独立 4,4 4,4 4 16

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EM223 DC24V 数字量4输入/4继电器输出 EM223 DC24V 数字量8输入/8输出 EM223 DC24V 数字量8输入/8继电器输出 EM223 DC24V 数字量16输入/16继电器输出 EM223 DC24V 数字量16输入/16输出

表2.3常用模拟量扩展模块

4 4,4 4,4 8,8 8,8 4 4,4 4,4 4,4,8 4,4,4,4 模块 点数 EM231 4路模拟量输入 EM232 2路模拟量输出 EM235 4路输入，1路输出 扩展模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块三类。数字量模块用于主机I/O点数不够用时的输入点数或输出点数的扩展。根据扩展的功能不同，可将扩展模块分为数字量输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块三类，表2.2列出了常用数字量扩展模块。当需要对模拟信号进行采集或者对模拟器件进行控制时，PLC必须扩展模拟量模块，有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入/输出模块。模拟量输入模块先对输入的模拟信号进行A/D转换，再送入PLC，模拟量输出模块是将PLC的输出信号进行D/A转换，再对现场设备进行控制，表2.3列出了常用模拟量扩展模块。智能模块本身就是一个独立的系统，通常拥有自己的微处理器、存储器、输入/输出单元。主机运行时，主机与智能模块进行数据的交换，读取其处理的结果器模块等。

根据工程需求，合理选择CPU和扩展模块是PLC系统设计的首要任务。选择过程中，应遵循以下几个原则：

（1）最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求。充分发挥PLC功能、最大限度地满足被控对象的控制对象，是设计控制系统的前提。这就要求设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使系统简单、经济，使用及维修方便。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。

[6][7]

。智能模块完成一些特殊的功能，如PID调解模块、温度传感

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（3）保证控制系统工作的安全可靠。保证要求设计者在系统设计上、器件选择上、软件编程上要全面考虑。

（4）考虑到今后生产发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有裕量，一般是10%—15%左右。随着控制技术的不断发展，对控制系统的要求也会不断提高，不断加以完善。因此，在控制系统的设计时要考虑到今后的发展和完善。这要求在选择PLC机型和输入/输出模块时，要求留有一定的裕量。

2.2 STEP 7-Micro/WIN编程软件概述

STEP 7-Micro/WIN是西门子公司专门为S7-200系列设计和开发的编程软件。它的功能强大、简单易学，即可用来开发用户程序，又可用来实时监控用户程序的执行状态，还可以使PLC与微机进行文件的上传、下载。 2.2.1 STEP 7-Micro/WIN软件窗口组件

STEP 7-Micro/WIN的窗口组件如图2.5所示。

（1）菜单条，通过菜单可以对编程软件执行各种操作，在工具菜单中，可以完成PLC程序设计、程序调试、程序运行和程序上传、下载等操作。

（2）工具条，为了对编程软件使用快捷、方便，可将常用的按钮显示出来。 （3）浏览条，浏览条中包含两个选项，分别是“查看”和“工具”。检视栏包含程序块、符号表、状态图、数据块、系统快、交叉参考及通讯等按钮控制工具栏包含指令向导和TD200向导显示按钮控制。

（4）指令树，对采用梯形图编程所需要的所有指令给出了一个树形查看图，可对其中的编程元件直接拖动到程序编辑器中使用

（5）局部变量表，包含有对局部变量（子程序或中断程序使用的变量）做过的赋值。

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图2.5 STEP 7-Micro/WIN软件窗口

（6）程序编辑器窗口，包含为项目使用的编辑器的局部便量表和程序视图（梯形图、功能块图、语句表）。如果需要，可以拖动分割条、展开程序视图并覆盖局部表量表。在制表符上单击，可以在子程序、中断程序、主程序之间切换。

（7）输出窗口，为编译程序提供信息，若有错误，则列出错误信息。当输出窗口列出程序错误时，可在错误信息上双击，找出相应的错误网络。

（8）状态条，反映出执行STEP 7-Micro/WIN软件的信息。 （9）交叉参考，允许查看程序的交叉参考以及元件的使用信息。

（10）符号表/全局表量表，该窗口允许用户分配和编辑全局符号，用户可以建立多个符号表。

（11）状态图表窗口，次窗口允许将程序的输入、输出或者变量的状态放进图表进行追踪。可以创造多重的状态图表，以便从程序的不同部分观察。每个状态图表在状态图表窗口里面有自己的制表符

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[8]

。

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2.2.2 STEP 7-Micro/WIN软件的使用

（1）创建一个项目或者打开已有的一个项目

打开STEP 7-Micro/WIN软件界面后，编写一个项目程序之前，首先应创建一个项目。方法和其他软件使用方法相似，采用菜单或“新建”快捷键都可以，项目的扩展名是.MWP。

（2）编写用户程序

在新建的项目中，在SIMATIC LAD区域输入按照网络为单位输入梯形图，如图2.6所示，输入了I0.0与I0.1触点相与的梯形图。

图2.6梯形图 2.7指令树

输入梯形图元件的方法有两种：一在指令树中找到需要的元件，双击，如图2.7所示；二用工具栏按钮输入，如图2.8所示。

（3）在LAD编辑器中输入地址(参数)，如图2.6所示，输入梯形图元件后，其参数未初始化。输好梯形图符号后，便可输入对应的参数。方法：单击选择输入地址的区域，键入相关参数，如图2.9所示。

（4）在LAD中输入程序注释，如果项目的输入、输出元件非常多，给输入或者输出端子进行注释，帮助理解，便于程序阅读，如图2.10，对I0.0、I0.1分别以按钮1、按钮1注释。

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图2.8工具按钮输入 图2.9输入相关参数后的梯形图

（5）输入好所有的梯形图后，进行编译，检查语法和功能错误，直到正确为止，编译按钮如图2.11所示。

（6）将编写好的程序下载到PLC程序中，下载后，点击运行按钮，进行联机调试，下载、运行按钮如图2.11所示。

图2.10加注释后的梯形图 图2.11编译、下载、运行按钮

2.3变频器概述

2.3.1变频器简介

变频器是将工频电源变成另一种频率的电能控制装置。目前，我们所使用的变频器主要采用交-直-交方式，即先把工频电源（50HZ）经过整流装置整流成直流，再把直流电源转换成频率、电压均可变的交流电。它一般由整流、中间直流环节、

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逆变和控制4个部分组成，如图2.12所示。整流由整流桥实现，将方向不断改变的交流电变成方向单一的直流电，中间直流环节起滤波、储能、缓冲无功功率的作用，逆变器为IGBT三相桥式逆变器，输出PWM波形。

图2.12“交-直-交”变频器的结构框图

变频器出现后，广泛应用于电机的调速，成为当代电动机调速的潮流。它以可靠性高、精度高、功能强、操作简便、体积小、重量轻、转矩大等优点，不断替换以前的调速方式，从而使变频调速广泛应用各个行业，诸如机械、化工、石油、建筑、钢铁、电子、医药、电梯、城市供水、中央空调、污水处理等各领域。

中国由于巨大的市场空间，成为世界各国变频器生产厂家的争夺焦点。日本所有名牌变频器厂家，如三菱、松下电器、富士、东芝等，都在国内占有市场，变频器产值达几千亿日元。欧美国家变频器厂家，诸如德国的西门子，在中国也占有重要份额。与此同时，变频技术进入中国后，推动了我国变频技术的发展，开始了交流电动机变频调速的新时期。目前，我国变频器生产基地主要集中在长三角、珠三角，北京和四川、山东、辽宁也具有一定实力。国产变频器虽然起步较晚，但随着对国外先进变频技术的学习以及国内巨大的市场需求，国产变频器在21世纪将进入大发展时期。

变频器的选择主要考虑其额定值和频率指标，主要有：

（1）输入侧的额定值，主要是电压和相数，在我国的中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种：380V/50Hz，220

~230V/50Hz或60Hz。

（2）输出侧的额定值，主要由输出电压、输出电流、输出容量、配用电动机容量、过载能力。

（3）频率指标，主要考虑频率范围、频率分辨率、频率精度等指标。频率范

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围指变频器能够输出的最高频率fmax和最低频率fmin。 今后，变频调速技术将向如下几个方向发展：

（1）实现高水平的控制。对于各个领域的控制，采用各种理论实现高水平控制。诸如，电动机和机械模型控制，采用矢量控制、磁场控制等，智能控制思想的控制，采用模糊控制、神经元网络控制等。

（2）开发清洁能源的变频器。降低负载侧的谐波分量，减少对电网和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制，对大容量变流器，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。

（3）缩小变频器的体积。通过提高功率和控制元件的集成度和改变功率器件的冷却方式，使变流装置变得紧凑。

（4）高速度的数字控制。采用更好的微处理器充当控制中心，提高控制对数据的处理能力，处理速度，实现各种算法，使得图形编程的控制技术有很大发展。 2.3.2变频器的调速原理

三相异步电动机的转速公式为 n?n0?1?s??式中n0??同步转速；

f??电源频率，单位Hz； p??电动机极对数； s??电动机转差率。

从公式可知，改变电源的频率、电动机极对数或电动机转差率即可实现调速。变频器是通过改变电源的频率实现的调速，也因此得名

[9]

60f?1?s? 式（2.1） p。

对异步电动机实行调速时，希望主磁通保持不变，因为主磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下，电动机的负载能力下降；若主磁通太强，铁芯发热，波形变坏。为了保持磁通不变，必须使电动机定子的每相电动势与定子频率成正比。因为

E1?4.44f1N1?m 式（2.2）

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式中E1??电动机定子没想电动势； f1??电动机定子频率；

N1?定子相绕组有效匝数；

?m??每极磁通量。

从公式可知，要使?m保持基本不变，必须保持和E1和f1的比例不变或者微小变化。

因此，异步电动机的变频调速必须按照一定的规律，同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。 2.3.3变频器分类

变频器的分类方法非常丰富，按照变换环节来分，可以分为“交-直-交”类型和“交-交”类型。“交-直-交”类型在2.3.1已阐述，目前应用最为广泛。“交-交”类型是将工频交流电直接变换为电压和频率可控的交流电，没有中间整流环节【22】。

按照逆变环节调制方式的不同，分为脉冲幅度调制（PAM）和脉冲宽度调制（PWM）两类。PAM变频器是使逆变器输出脉冲的幅度发生改变来改变直流电压的大小。PWM变频器是通过逆变器输出脉冲的占空比来实现的。目前普遍采用占空比按正弦规律排列的正弦波脉宽调制(SPWM)方式，使得输出电压的平均值接近正弦波，减少谐波分量，使得调速比较平稳。目前，普遍采用PWM变频器，PAM变频调速形式几乎不在使用。

按照控制方式分，变频器可分为U/f控制方式、转差频率（SF）控制方式、矢量控制(VC)方式三类。U/f控制的特点是变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过保持U/f的比值恒定，使得电动机获得所需的转矩特性。转差频率（SF）控制是在U/f控制的基础上，使转速的变化量与转差率成正比，提高调速精度。矢量控制(VC)是对交流电动机的一种理想的调速方法。它将异步电动机的定子电流分解为产生磁场的电流分量和与其相垂直的产生转矩的电流分量，并分别加以控制，可获得类似于直流调速系统的动态特性，大多应用在需要精密或快速控制的领域

[10]

。

按直流环节储能方式分，可以分为电压型变频器和电流型变频器。由于电动机是感性负载，无论处于何种状态，其功率因素都不能达到1，因为中间存在着无功

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功率的交换，这种无功能量的传递需要储能元件来缓冲。电压型和电流型变频器的主要区别就在于用什么元件来储存无功能量。 2.3.4变频器的主要功能

变频器的功能主要具有以下一些功能：

（1）频率给定功能。变频器可以根据给定的信号，输出对应的频率。给定信号可以是模拟量信号，也可以是数字量信号。给定信号为模拟量信号时，变频器输出的频率精度略有下降，通常为±0.2%以内。变频器根据输入的电压或者电流值得到相应的频率输出。变频器外部有若干个输入端，用以控制多段速度，输入端子的通断（1/0），按照二进制组合形成一个值，使变频器输出一个对应的频率。

（2）加减速时间设置功能。变频器起动时，起动频率可以很低，加速时间可以由用户自行给定，这样有效的解决了起动电动机电流大和机械冲击的问题。当处于减速过程中，如果拖动系统的惯性大，频率下降又很快，电动机将处于强烈的再生制动状态，从而产生过电流和过电压，使变频器跳闸。为避免上述情况，可进行减速时间的合理选择。

（3）加减速模式选择功能。有些机械装置，对于速度的要求是不同的，如运输皮带类的控制对象，被输送物体的惯性力与加速度成正比，加速度太大，被输送的物体很容易滑落或跌落，又如电梯，起动、停止速度太快，会使乘客感到不舒服。变频器根据负载的不同，可以提供不同的加减速曲线，常见的有三种：线性方式、S形方式、半S形方式。线性加速时，频率和时间成正比，可以用在大多数负载中；S形方式的初始速度较缓慢，中间阶跃为线性加速，尾段又逐渐减为零，可适用于带式运输机一类的负载；半S形一半为S形，另一半为线性，使用于低速时负载较轻，加速时可以快一点的负载。

（4）节能功能。大多数变频器都提供了自动节能功能，只需用户加以选择，变频器就可以自动搜索最佳工作点，达到节能的目的。

（5）保护功能。变频器拥有过电流、过电压、过载保护的功能。当电流、电压超过一定值或由于负载过重导致发热超过一定值时，变频器会跳闸保护。

2.4本章小结

本章主要对可编程控制器的发展、硬件结构、工作原理进行阐述，并对变频器的工作原理、主要功能进行概述。

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第三章 系统总体设计方案

3.1 高层住宅小区供水分析

3.1.1 高层住宅小区生活给水的特点

（1）用水量不均匀,时变化系数大。根据生活习惯,用水量较大的时段是早上8: 00—9: 00、中午12: 00、下午16: 00—17: 00和晚上18: 00—21: 00的4个时段。

（2）高层住宅小区给水服务范围较宽,管路相对复杂,管线长,水头损失较大,因此节能空间较大,合理的给水方式可以获得较好的节能效果。

（3）高层住宅小区用户多、供水压力和用水量需求大。一般需设置集中加压泵站给水,给水系统较为复杂,给水方式多样化,各种给水方式能耗和投资情况差别较大,需进行分析比较

[11]

。

3.1.2 住宅小区供水模型选择实例

本设计选用内蒙古某地区生活住宅小区为样本，该小区共有10幢住宅楼,其中3幢为15层, 4幢为20层,另外3幢为25层,层高均为2.9m。小区住户共有1026户,居住人口约3204人,地下一层为大型停车场,地上一层以上为标准层。

住宅小区总建筑面积为204000㎡,市政给水压力线为3150kPa(以海拔高度计,基本与该小区室外地面海拔高度相平)。 3.1.3 不同住宅类型的用水标准

不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.1。

表3.1 不同住宅类型的用水标准

住宅类型 1 2 3 4

给水卫生器具完善程度 仅有给水龙头 有给水卫生器具，但无淋浴设备 有给水卫生器具，并有淋浴设备 有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应 3用水标准（m/人日） 小时变化系数 2.5～2.0 2.5～2.0 2.5～1.8 2.0～1.6 0.04～0.08 0.085～0.13 0.13～0.19 0.17～0.25 26

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3.1.4 供水规模换算表

不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.2。上面一行为用水标准(m3/人日)，中间数据为用水规模(m3/h)。

表3.2 供水规模换算表

户数 0.10 450 500 600 700 800 1000 注：N为水泵台数

用水标准（m/人日） 0.15 59.00 65.60 78.80 91.90 105.00 131.30 0.20 78.70 87.50 105.00 122.50 140.00 175.00 0.25 98.40 109.40 131.30 153.10 175.00 218.80 339.40 43.80 52.50 61.30 70.00 87.50 设定供水压力经验数据：平方供水压力P=0.12MPa；楼房供水压力

P=（0.08+0.04×楼层数）M Pa (式3.1)

系统设计还应遵循以下的原则：

（1）蓄水池容量应大于每小时最大供水量； （2）水泵扬程应大于实际供水高度； （3） 水泵流量总和应大于实际最大供水量。 由此可得：

（1）根据表3.1确定用水量标准为0.19 m3/人日。 （2）根据表3.2确定每小最大用水量为175.00 m3/h。 （3）根据10层楼高度35m，按照式(3.1)计算得

P =（0.08+0.04×楼层数）MPa=0.88MPa (式3.2) 可确定设置供水压力值为0.88MPa。 据此可以选择水泵的型号。

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3.2本设计供水系统的结构

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。 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、液位传感器；执行电路——水泵机组。

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可编程控制器PLC、变频器、压力传感器和压力控制器构成的压力变送器、液位变送器以及水泵机组和继电设备等，通过PLC协调各硬件，根据实际用水情况，由变频器控制泵组转速，实现自动恒压供水。下一章将对这些硬件设备进行具体选型分析和配置。

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。

3.3供水系统的工作原理（工艺）

3.3.1控制系统总体框图

供水电气控制系统的总体框图如图 3.1 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。

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主令信号传感器信号S7-200PLCMM440变频器水泵机组模拟量信号

图3.1 供水电气控制系统总体框图

3.3.2 系统的工作原理及过程

PLC控制的恒压供水系统主要是由可编程控制器PLC、变频器、压力传感器、液位传感器、电气控制系统、手动备用系统、过载和紧急停车报警以及4台水泵构成的电动机泵组等组成。

4台水泵的作用为：2台供水水泵M1和M2，专门给小区供水用；1台抽水泵M3，在水源不足时进行抽水；1台消防泵M4，当有火灾报警时迅速进行消防供水。

系统的主回路图见图3.2。

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NL1L2L3FU0FU1FU2FU5FU3FU4QF1QF2QF5QF3QF4KM1KM3变频调速系统MM440KM5KM7KM2KM4FR1FR2FR3FR4供水供水抽水消防图3.2 系统主回路图

下图3.3为本设计的控制回路图。图中可以进行手动自动切换。本设计的控制回路主要是由接触器、继电器、常开常闭触电、热继电器的常闭触电及PLC的输出触点组成。

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NL1FU2KM1供水KJ1KM2HL1HL21#工频FR1KM2KJ5KM11#变频供水KJ2KM4HL3HL4KM4KM32#工频FR2KJ6KM32#变频KM5抽水KJ3HL53#工频FR3KM7消防KJ4HL6FR44#工频

图3.3 系统控制回路图

系统采用PLC控制变频调速装置。通过装在水泵出水管上的压力变送器，把出口压力变为0～10V或4～20rnA的模拟信号，此信号送调节器PID端口，与给定参量进行比较，得出调节参量，送入变频器，改变变频器的输出频率，从而改变电机转速，用户需水量与变频器输出频率成正比关系。用水多时，频率提高，水泵转速提高，用水量减少，变频器输出频率降低，电机转速降低，以达到恒压

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供水的目的。

根据用户管网用水量的大小，电控柜控制水泵组顺序循环运行，常规供水设备由两台泵组成。系统用水量小时，只有l号泵在变频运行，2号泵停止，系统处于状态A。用水量增加，变频器输出频率高，1号泵电机转速增加，当频率输出增加到50Hz全速运行时，仍不能保持管网压力，这意味着只有一台水泵工作满足不了供水量，这时在PLC控制器的作用下，1号电机从变频工作状态切换为工频电源，而变频器启动2号泵，系统处于状态B。这时若用水量趋于减少，变频器输出频率下降，待降至控制器设定的下限频率时，即表明此时一台水泵即可满足供水量，此时在控制器作用下，处于工频状态运行的水泵停机，系统过渡到状态C。当用水又增大时，变频器频率达到50Hz，系统运行状态处于D。系统处于状态D时，若用水量又减小，变频器频率下降到设定下限频率时，系统又从D状态过渡到A，如此循环反复。

PLC控制器液位变送器变频器.M1F2M2F3压力变送器F1.....小区供水城市管网.M4F4M3F5消防供水深井供水蓄水池图3.4 系统原理示意图

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控制描述：

（1）如图3.4所示，在平常时，蓄水池注要由市水供水，当蓄水池高水位报警时，关闭市水阀门，停止市水供水。小区生活用水用两台供水泵供水。如果小区生活用水量偏大时，水位低于水位下限时，自动启动深井抽水泵补尝蓄水池水量，以满足小区的生活用水量。相反，当小区生活用水量偏小时，且根据水位开关的检测情况，自动停止深井抽水泵为蓄水池供水，以此达到节能效果，减少泵的损耗。

（2）在供水泵为小区生活用水供水时，根据供水管道压力实际检测与设定要求，自动调节变频器频率。如当小区用水量增大时，用变频器启动一台供水泵，且该泵的频率达到50 Hz （即频率上限）且在一定的时间后，自动把该泵转为工频运行。变频器停止后延时再次启动另一台水泵进行自动调节，以满足小区生活供水要求。相反，如当此时小区用水量减小且两台供水泵都在运行时，在变频运行的那一台水泵频率低于25Hz（即频率下限） 时，自动把另外运行的工频水泵停止，变频器水泵继续保持自动调节运行。a 、两台供水泵按运行时间轮值，遵循先开先停，后开后停。b、两台供水泵在接受启动命令后，按上述控制反复循环调节。

（3）在消防泵不开时，系统就会对其进行巡检功能，对其进行时间计算后。用户可以对它设定在一定的时间后，自动开启，也可设置开启多长时间后自动停止。以此可以避免消防水泵因长久不用，而出现卡死或结垢产生污染情况。或在消防信号出现报警时和手动按钮启动消防水泵。

整个系统以PLC为控制中心。PLC时刻跟踪管网压力和流量，通过比较给定压力、流量和实际的压力变送器及液位变送器检测到的压力、流量值之间的偏差变化情况，发出控制命令，调节变频器输出频率，改变水泵转速．决定电机是否投入运行及其工频或变频状态，使水压不偏离压力给定值，保持水压恒定，液位保持在液位给定值左右，实现自动控制。

蓄水模块：

控制系统刚上电时，如果液位变送器检测到水池水位在控制中限之下，PLC发出城市管网供水指令，打开城市管网供水阀门供水；如果液位变送器检测到水位下限，则同时启动城市管网供水和深井打水，PLC发出城市管网供水指令的同

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时工频启动深井打水泵M3；若检测到水位上限，则断开城市管网供水和深井打水，关闭城市管网供水阀门，切除M3。

加压供水模块：

控制系统上电时，PLC首先变频启动M1，同时打开阀门F2，如果用水量增大，变频器输出达到变频上限而管网压力仍未达到设定值，PLC将当前工作的水泵转为工频，将变频器切换到另一台加压泵后，利用变频器变频启动M2并打开阀门F3，实现一台工频工作，一台变频工作，双泵供水。随着用水量的减少，变频器输出频率达到频率下限，而管网压力仍为压力上限，PLC将工频泵M1切除。若用水量又增加，变频器又达到变频上限，而管网压力仍为压力下限，则将变频工作的泵M2转为工频，同时变频启动 M1 。若用水量又减小，变频器达到变频下限，管网压力仍为压力上限，则又切除工频泵 M2 ，如此循环反复过载模块：

若在运行过程中，M1先发生过载，则切换到M2单独运行，首先变频启动M2，如果达到压力下限，把M2切换为工频，若M2工频时又出现过载，此时如果M1已经修复完毕，则切换到M1单独运行，如果M1尚未修复，则说明两台泵同时出现故障，系统停止运行。若在M2变频或工频时M1已经修复，则切除报警后可以继续投入使用，运行方式同两台都正常的情况下。类似的，如果M2先发生过载，也按上述方式运行。同时为了方便工作可靠，采用一供一备方式．即提供另外一组完全相同的泵组，作为供水系统出现严重故障时备用。另外，每组泵都配有手动操作机构，以便必要时进行手动供水。

故障诊断与处理模块：

根据工作状态中传感器的状态，经过逻辑设计实现故障自诊断，该系统可能出现M1、M2、M3、M4泵组的过载与损坏，蓄水池水位不正常和变频器、压力变送器损坏等故障。上述故障采用声光报警，提醒操作人员注意，同时系统带有自诊断和处理能力，能自动的对所发现的故障做出相应的处理。故障分一般性故障和严重性故障：一般性故障只停止故障部分的工作，不影响整个系统的运行。严重故障情况下则需要停止系统工作，同时启动备用设备。本系统中可能出现的严重故障有一个或多个机组损坏或过载和变频器损坏

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[13]

[12]

。

。

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3.3.3 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 3.5 所示:

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启动初始化运行测量压力反馈值PID调节监测变频器输出输出控制执行器

图3.5 供水系统主要工作过程示意图

3.4 本章小结

本章是本设计的重点章节，对系统设计进行总体描述。首先对高层建筑住宅小区进行总体分析，选用内蒙古某生活小区作为模型，然后介绍供水系统的工艺原理。设计了主回路，控制回路，并具体阐明了控制描述。最后进行系统运行分析。

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第四章 硬件系统配置

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。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、Omron 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 CPU226 作为该控制系统的主机

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。

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/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。PLC外围连线供电图见图4.1。

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CPU226EM235..ML+..ML+ 图4.1 PLC外围连线供电图

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19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、指示灯和阀门共有10个数字输出量。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 输入设备 变频器故障信号 手自动选择开关 水位下限报警 水位中限报警 输出信号地址 Q0.0 Q0.3 Q0.4 Q0.5 输出设备 变频器启动/停止 M1手自动工频控制 M2手自动工频控制 M3手自动工频控制 38

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I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.5 I1.6 I1.7 I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4

（2）模拟量输信号

水位上限报警 M1过载报警 M2过载报警 M3过载报警 消防报警信号 变频器故障上限 变频器频率下限 M1手动工频 M1手动停止 M2手动工频 M2手动停止 M3手动启动 M3手动停止 M4手动启动 M4手动停止 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 M4手自动工频控制 水池水位上下 限报警指示灯 变频器故障报警 消防报警指示灯 1#自动变频控制 2#自动变频控制 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

4.1.3 PLC 控制系统与端口连接

输入设备 压力传感器 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PLC 控制系统与端口元件的连线图，如图 4.2 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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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nbm6.html