毕业设计论文基于PLC的恒压供水系统设计.doc

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1、ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 科 毕 业 论 文 基于PLC的恒压供水系统设计系（院）名称： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 09级电气自动化技术（2）班 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2012 年 5 月基于PLC恒压供水系统设计 摘要：随着经济的不断发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。变频调速恒压供水系统对工业用水和居民生活用水都具有重大意义。因此开发一种新型的、自动化程度高、可靠性高、节能效果好的供水系统迫

2、在眉睫。本设计是针对居民生活用水而设计的。由变频器、PLC、PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵组成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要,也能提高整个系统的效率,延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。本设计采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变频供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单

3、，工作可靠等特点。 关键词：变频调速 恒压供水 PID调节 PLC 目录引言1第1章 恒压供水系统的设计方案21.1恒压供水系统的方案选择21.2恒压供水系统的控制原理41.3 系统的结构与控制要求5第2章 恒压供水系统的硬件设计62.1变频器的设计62.2 PID控制器的设计72.2.1 PID控制器的选择72.3 PLC的设计92.3.1 PLC系统选型92.3.2 I/O分配102.4 PLC控制系统原理图112.4.1主电路图112.4.2控制电路图122.4.3 PLC硬件结构图142.4.4 扩展模块的外围接线142.5扩展单元功能及用途15第3章 系统的软件设计与调试173.1

4、系统程序设计及流程图173.1.1程序设计173.1.2系统流程图183.2 相关控制功能的实现203.3 故障诊断与报警方式的输出213.4 PLC系统的调试21结论23致 谢24参 考 文 献25附录A.26附录B27引言进几十年来变频调速技术在工业化国家已开始了规模的应用。80年代末，我国的民用及工业建筑电气设计等领域也开始使用变频调速技术。变频调速与传统（如直流电机调速）比较，具有很大的优越性：整个系统体积小，重量轻，控制精度高，保护功能完善，操作过程简便、可靠性高、通用性强，尤其是该技术用于一些高耗能设备的控制上，具有非常显著的节能效果：通过对用电设备进行变频调速技术改造，可使总耗电

5、量减少30%40%，节能的量级产生了一种飞跃。 变频供水是从20世纪90年代迅速发展起来的一项供水应用新技术，主要用于水厂、各种类型的生产厂、高层楼宇的供水系统，具有水压恒定、噪声小、节能等一系列优点。由于供水系统在运行中流量和水压在一天中的变化较大，如果使用传统的电气控制，设备启动频繁，电流和水压冲击严重及设备维修量大，而且对供水压力的控制来说也很麻烦，总得人工对水泵进行启停及水泵的出口阀进行开关操作，在浪费大，最终还影响供水质量，供水成本也高，而变频供水的出现是这些问题迎刃而解。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动

6、机调速领域发生一场巨大的技术革命。当前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。第1章 恒压供水系统的设计方案1.1恒压供水系统的方案选择 本文设计的是生活/消防双恒压供水系统，主要由变频器、可编程控制器、压力传感器、水

7、泵组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。在生活供水和消防供水的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利的压力损失。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： （2.1） （2.2） (2.3) (2.4)式中k、k1、k2、k3为比例常数。 图1.1 管网及水泵的运行特性曲线因此供水系统的设

8、定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。根据该供水系统的设备配置情况及供水的特点做如下方案如图1.2：该供水系统的控制核心采用PLC，配置常规电气配电控制系统。图1.2 供水系统的控制图从图中可看出，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

9、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。(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、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，

10、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

11、，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。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

12、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。1.2恒压供水系统的控制原理变频恒压供水系统实现恒压的工作过程和原理如图1.3：安装于供水母管和主管道上的压力传感变送器将供水管网压力转换成420mA（020mA、010V等）的标准电信号，送到PID调节器（或过程控制器、PLC、DCS等），经过运算处理后仍以标准信号的形式送到变频器并作为变频器调速的给定信号，也可将压力传感变送器的标准信号直接送到具有内置PID调节功能的变频器；变频器根据调速的给定信号或通过对压力传感变送器的标准点信号进行运算处理后，决定其输出频率实现对驱动电机的转速调节，从而实现对供水的水量及供水压力调节，最终实现

13、了对供水管网的压力调节。 图1.3 自动恒压供水系统原理图 1.3 系统的结构与控制要求 PLC控制的恒压供水泵站如图1.4所示，市网自来水用高低水位控制器EQ控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水池。只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的低水位信号也直接送给PLC做为低水位报警信号。为了保证供水的连续性，水位上下传感器高低距离较小。生活用水和消防用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。 恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频

14、器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。所以本系统采用另一种方案是三台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。 图1.4 PLC控制的恒压供水泵站第2章 恒压供水系统的硬件设计2.1变频器的设计 变频调速技术(vaiahle vaiahle firequency technology)是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，即均匀改变电动机

15、定子绕组的电源频率，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即P=Kn3。其中P为水泵消耗功率；n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术，可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较低的功率，获得节能效果。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工

16、频转速降低20%，从而大大降低能耗。 交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速 （2.1）式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转速 （2.2）式中-异步电机转差率，一般小于3%。均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。根据设计要求，选用通用变频器。其带有PID功能。通过变频器面板设定一个

17、给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。2.2 PID控制器的设计2.2.1 PID控制器的选择PI

18、D控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：(1)硬件型，即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P，I，D 参数及目标值的设定。(2)软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做 PID控制器。在该系统中我们用硬件型设计这样可以减少编程。2.2.2 PID控制

19、算法及特点PID控制器是根据目标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为： （2.3） 或 （2.4）式中： 调节器的比例系数 ： 调节器的积分时间 ： 调节器的微分时间： 调节器的偏差信号： 比例带，它是惯用增益的倒数u： 输出 图2.1 PID控制原理图简单来说 ，PID控制器各校正环节的作用是这样的：(1)比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。(2)积分环节 ：主要用于消

20、除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID调节器的传递函数是： （2.5）当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用;只包含第一、三项的是PD作用;同时包含这三项的是PID作用。仅用P动作控制，不能完全消除偏差

21、。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PID控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是

22、采用了这种方式。因为PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统效果比较好。2.3 PLC的设计2.3.1 PLC系统选型从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。如果选用CPU224，则需要扩展单元；如果选用CPU226，则价格较高，浪费较大。参照西门子S7-200产品目录及市场世纪价格，选用主机为CPU222（8人/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配

23、置是最竞技的。整个PLC系统的配置如图2.2所示。 图2.2 PLC 系统的配置2.3.2 I/O分配该系统有7个输入信号和13个输出信号，表21是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。水位上下限信号分别I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，时为1。表21 I/O分配名 称代 码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接

24、触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW02.4 PLC控制系统原理图2.4.1主电路图如图2.3所示为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；电机分别为M1、M2、M3。接触器KM2、KM

25、4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FRl、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分别为变频器和三合泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；VVVF是通用变频器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，

26、变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况

27、，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将420mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。图2.3 电控系统的主电路图2.4.2控制电路图提供一个触点信号。由于PLC为4

28、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的触点对变频器实行复频控制。Q0.0Q0.5以及Q1.0Q1.5为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号。（1）手动运行按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#3#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。 （2）自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0 Hz上升，同时PID调节程序将接收到自压力传感器的标如图2.4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SB

29、lSB8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为自动运行状态电源指示灯。对变频器R进行复位时只准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50 Hz，1#泵由变频切换为工频，对2#泵进行变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软

30、起动、停止、循环变频的全部操作过程。 图2.4电控系统控制电路图2.4.3 PLC硬件结构图图2.5 PLC的硬件结构图2.4.4 扩展模块的外围接线图2.6只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等。图2.6扩展模块的外围接线2.5扩展单元功能及用途扩展模块采用1个数字量扩展模块EM222以及1个模拟量扩展模块EM235。EM222的技术属性是它含有8个数字量DC 24V输入（固态），8个数字量DC 24V输出（固态）；EM235的技

31、术属性是它含有4模拟输入，1模拟输出和12位转换。CPU本机的I/O点具有固定的I/O地址，CPU222的输入点是从I0.0-I1.5，输出点是从Q0.0-Q1.1,扩展的模块接至主机右侧来增加I/O点数，扩展模块地址由扩展模块在I/O链中位置决定。输入与输出模块的地址不会冲突，模拟量控制模块也不会影响数字量控制模块。如果I/O物理点与映像寄存器字节内的位数不对应，映像寄存器字节剩余位就不会再分配给I/O链中的后续模块。输出映像寄存器的多余位和输入映像寄存器的多余字节可以作为内部存储器标志位使用。输入模块在每次输入更新时都把保留字节的未用位清零。因此，输入映像寄存器已用字节的多余位，不能作为内

32、部寄存器标志位。模拟量控制模块总是以2B递增模式来分配空间。缺省的模拟量I/O点不分配模拟量I/O映像存储空间，所以，后续模拟量I/O控制模块无法使用未用的模拟量I/O点。S7-200系列PLC扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，固定方式与CPU主机相同，主机及I/O扩展模块有导轨安装和直接安装两种方法。导轨安装是在DIN标准导轨上安装，I/O扩展模块装在紧靠CPU右侧的导轨上，具有安装方便、拆卸灵活等优点。直接安装是将螺钉通过安装固定螺孔将模块固定在配电盘上，具有安装可靠，仿震性好等特点。当需要扩展的模块较多时，可以使用扩展连接电缆重叠排布。表22 扩展模块数字量扩展模块EM222I/O规

33、格功能及用途DO8DC24V8路数字量DC24V输出DO8继电器8路数字量继电器输出模拟量扩展模块EM235AI4/AQ1124模拟输入，1模拟输出，12为转换第3章 系统的软件设计与调试3.1 系统程序设计及流程图3.1.1程序设计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

34、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) 增、减泵判断和相应操作程序当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。(3) 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

35、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。(4) 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。(5) 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

36、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。(6) 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

37、工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。3.1.2系统流程图 为了恒定水压，在水压降落时要增大器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。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，在程序中采取时间滤波。 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。在该系统中，任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新泵或切换变额泵时，以新运行泵为变频泵是。具体的操作时，将现

38、行运行的变频泵从变频器上切除，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，本例中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制(3再加1等于0)，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速,用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到50 Hz即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时，将首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作2台水泵。如用水量进一步增加，第二台水泵切换至工频运转,变频调速器控制第三台水泵调频运转,同时工作3台水泵。供水量减少时，调速工作水泵首先

39、由高频段向低频段调速运转，水泵工作频率达到柜内微机控制器预先设定的下限工作频率而实测水压仍高于水压设定值时，直接停止首台工作水泵，第二台泵工频运转，第三台泵调频运转保持系统水压恒定，如2台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，直接停止工频运转水泵，第三台调频运转保持系统水压恒定。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3.1。详细的主程序梯形图请参考附录： 图3.1变频恒压供水流程图3.2 相关控制功能的实现PLC在恒压供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分可为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的

40、一些工作放在初始化子程序中完成。这样可节省扫描时间。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。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。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PID中，只是用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数) 增益：采样时间：积分时间：表31 程序中使用的PLC元件及功能器件地址功能器件地址功能VD100过程变量标准值T38工

41、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VD108PI计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数M0.1泵变频启动脉冲VD116采样时间M0.2减泵中间继电器VD120积分时间M0.3倒泵变频启动脉冲VD124微分时间M0.4复位当前变频泵运行脉冲VD204变频运行频率下限值M0.5当前泵运行启动脉冲VD208生活供水变频运行上限值M0.6新泵变频启动脉冲VD212消防供水变频运行上限值M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VD250PI调节结果存储单元M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VB300变频工作泵泵号M2.2泵工频/变频转换逻辑控制3.3 故障诊断与报警方式

42、的输出变频器具有短路、过载等保护功能，当变频器所驱动的水泵电机发生短路、过载等故障时，变频器将自动切断一次供电回路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等元件的辅助点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，并通过PLC程序将这些存放在数据存储区，再结合控制程序和设备预置状态惊醒逻辑分析，判断设备或元件是否出了故障，如果发生故障，则切断该泵的接触器，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号。表32 故障及报警输出VB301变频工作泵的总台数M3.0故障信号汇总VD310倒泵时间存储器M3.1水池水位下限故障逻辑T33工

43、频/变频转换逻辑控制M3.2水池水位下限故障消铃逻辑T34工频/变频转换逻辑控制M3.3变频器故障消铃逻辑T37工频泵增泵滤波时间控制M3.4火灾消铃逻辑3.4 PLC系统的调试PLC的离线调试，其主要目的是PLC的用户程序是否能满足供水系统的控制要求，此项工作可在没有连接变频器的情况下进行，可与变频供水箱的制作同时进行，互不影响，最突出的事离线调试时即便程序有问题，也不会损坏被驱动的设备。（1）按PLC的要求准备好PLC的的供电电源，注意观察，通电后PLC通电灯亮；（2）调试PLC的自动控制；（3）试验监视“压力高”和“压力低”：（4）调试变频器“满频”状态；（5）调试“故障”状态；（6）调试电动阀的开关状态；（7）调试监视各泵的运行方式； 结论如今变频恒压供水系统在日常生活中非常重要，基于PLC的变频技术设计的生活恒压供水控制系统效率高、可靠性高、节能效果显著、动态响应速度快。实现了变频恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人、财力，提高了供水质量，减轻了人员的劳动，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来生活，系统的可扩展性好，管理人员可根据季节的变化来设定用户的用水情况，选着不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。本次设计的系统逻辑控