毕业设计（论文）PLC恒压供水控制系统设计.doc

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1、第一章 绪论1.1城市供水系统的要求众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.2变

2、频调速系统的发展趋势电机调速经历从静止的晶闸管整流器直流调选到交流感应电机变频调速的发展过程；变频调速又由VVVF的变压三变频控制的PWM变频调速发展到矢量控制变频调速，提高了变频器的恒定转矩输出范围和动静态特性，使得交流电机变频调运性能超过了直流电动机调压，调速性能；在矢量控制变频凋调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。在中、高压（3kv，6kv，10kv）等调速范围的应用也越来越多。随着电力电子器件的发展，特别是具备有将单极型和双极型大功率管两种器件组成的混合气传动装置的控制由模拟控制转向数字控制，使信息处理能力大幅度地增强1，出现了许多高、中压的变频设备（像西门子、ABB、

3、罗克韦尔），本文介绍的变频调速电压等级是380V的低压变频器。1.3变频恒压供水产生的背景和意义我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是出于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节

4、能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。传统的定（恒）速水泵供水系统是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统这种传统而简单的给水方式，无反馈信号和压力控制。用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管路内漏增加，阀门损坏加剧。用水量增大时，系统压力则降低，易造成系统高位供水点断流。实际上，定（恒）速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷，而且不易实现有效的经济运行。对于用水量变化大的给水系统，特别是用水量小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效能区之外运行，能量损失严重。水泵机组变频调速运行的研究和运用，目前已经成为城镇供水行业的重要课题，

5、各地区根掘本地不同情况，也逐步开始运用。变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵和管路组成的给水系统。它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调速及调节水量的目的。这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调整供水量。尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但水泵的效率仍然维持在高效能区3。PLC是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控

6、制的标准设备之一。PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方而有了质的飞跃。采用该变频恒压供水系统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、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.4国内外研究概况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力

7、恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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。可以看出，目前在国内外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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究处是不够的。因此，

8、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、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态4。变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、

9、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。1.5本课题的主要设计研究对象此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。采用PLC和变频技术相结合，引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。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恒压供水系统，本设计中有1个贮水池

10、，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定供给每一个用户。第二章 恒压供水系统2.1变频恒压供水系统随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用

11、水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温

12、度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。 (3)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(4)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相

13、连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(5)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.2变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、新型变频调速供水设备。综合考虑，本次设计采用新型变频调速供水设备的控制方式。 图1 供水系统方案图2.3变频恒压供水系统及工作原理2.3.1 系统的构成图2 系统原理图如图2所示，整个系统由三

14、台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。2.3.2 工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先

15、接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析

16、、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。2.4主电路接线图图3主电路图电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第三章

17、硬件的设计方案3.1可编程控制器3.1.1简介PLCPLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称Programmable Logic Controller ，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过

18、数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。图4 PLC的硬件结构框图3.1.2 PLC的特点现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4

19、）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强5）系统的设计、安装、调试工作量少6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低。3.1.3 PLC的国内外状况在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC.3.1.

20、4 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，按照一定规则组合配置。3.1.5 PLC的工作过程图图5 PLC的扫描工作过程PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器

21、、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器）的状态，由输出指令的执行结果决定。输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；3.1.6 PLC的选型目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，美国：AB、GE；欧洲：德国的西门子、法国的te；日本：三菱电机、欧姆龙。依据国内PLC市场的研究得到的样本分析，60%左右的用户使用了这些品牌的plc产品。综合考虑，本系统选用FXos-30MR-D型PLC。水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输

22、出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入输出点数量共为24个点。3.1.7 PLC的接线图6 PLC的接线图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。X0接

23、起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。3.2 变频器3.2.1 变频器的构成通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。 图7 变频器的构成1.主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”

24、以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。图8 典型的电压型逆变器一例2.控制电路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路够成主要包括：运算电路、电压/电流检测电路、驱动电路、速度检测电路、保护电路。3.2.2 变频器的特点变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。变频恒压供水系统的特点主要有: 节能；占地面积小，投人少，效率高；配置灵活，功能齐全，自动化程度高；减少供水方式的二次污染；可以实现无人值守，节省了人力物力。3

25、.2.3 变频器的选型根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器。 图 9 变频器的构造3.2.4 变频器的接线管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。 图10变频器接线图3.3 PID调节器仅用P动作控制，不能完全消除偏差。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PD控制

26、，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。图11 PID控制框图通过对被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。也就是使反馈量与日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

27、形式主要有两种: 硬件型和软件型。根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。图12 PID控制接线图3.4 压力传感器的接线压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，该传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为283V（DC）。图13 压力传感器的接线图3.5原件表水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型， (3.1) (3.2)热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T

28、-C，额定电流58A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为69 A。熔断器的选择：在控制回路中选用RT18系列。接触器的选择：选用规格为SC-E03-C,功率3Kw。按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY311型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。表1元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLCFXos-30MR-D1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M340-160

29、(I)1闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT18 6A2FU3RT18 8A1热继电器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按钮SBLAY31110水泵符号型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表2水泵的参数表变频器适用电机容量（KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)3相，38

30、0V至480V 50Hz/60Hz强制风冷表3 变频器的参数第四章 软件的设计方案4.1 PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图14所示。图14 PLC程序流程图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减

31、少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。4.1.1 手动运行和自动运行(1)手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用. (2)自动运行由PLC分别控

32、制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，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M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电

33、网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。4.2编程

34、及介绍4.2.1 总程序的顺序功能图系统分为自动运行和手动运行两部分图15 总程序的顺序功能图4.2.2 自动运行顺序功能图按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如16所示。图16 自动运行顺序功能图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。 当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。

35、如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同是控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。4.2.3 手动模式顺序功能图当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图17所示。图17 自动运行顺序功能图按下按钮SB9之后，

36、启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn（n=1，3，5）三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn（n=2，4，6）三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同的频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。（如#1电机，如果控制它工作的SB1,SB2按钮被同时按下则发出警报且电机无法起动。）第五章 MCGS组态软件的仿真与调试5.1 MCGS组态软件MCGS(Monitor And Control Generated System,通用监控系统)是一套全中文工控组态软件,用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,

37、可以以Microsoft的 Windows 95,98,Me,Nt或windows 2000 为操作系统.通过对现场数据的采集处理,以动画显示,报警处理,流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,在自动有着广泛的应化领域用.它功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件能快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。

38、具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。5.1.1 MCGS组态软件的整体结构 MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关5.1.2 MCGS工程的五大部分主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程

39、序，定义连接与驱动设备用的数据变量。用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。5.2 建立界面5.2.1 建立窗口1在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0” 。2选中“窗口0”，单

40、击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。3将窗口名称改为：变频恒压供水系统；窗口标题改为：变频恒压供水系统；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。4在“用户窗口”中，选中“变频恒压供水系统”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。图18工程界面界面如图所示。一共有四个界面，分别是变频恒压供水系统、变频恒压供水系统实时曲线、变频恒压供水系统历史曲线和退出提示。5.2.2 定义数据对象实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，

41、如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。下面以数据对象“水泵”为例，介绍一下定义数据对象的步骤：1单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。2单击“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等3选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。4将对象名称改为：水泵1；对象类型选择：开关型；在对象内容注释输入框内输入：“控制水泵启动、停止的变量”，单击“确认”。图19参数的设置过程按照此步骤，设置其他数据对象。图20参数的设置5.2.3 编辑画面选中“变频恒压供

42、水系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。图21编辑界面5.2.4 对象元件的选择单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件库管理对话框，如图22所示：图22 对象元件库管理如上所示，在元件库中找到所需的元件组成下图23所示的画面。 图23 监控界面5.2.5调试步骤硬件功能性调试主要是测试硬件的功能是否正常，这部分的调试内容包括： 1供电线路的设置和检验，主要用万用表检测电路的连通是否实现。 2电机直接加三相电源调试，检测电机工作状态； 3变频器单独调试，检测能否正常进行参数设置； 4变频器加电机进行调试，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是

43、否能正常控制电机启动，调节电机转速等； 5PLC单独检测，检查PLC单元能否正常工作，指示灯是否正常，该部分工作实际上在计算机模拟调试前就己经完成： 经过测试，结果表明上述功能一切正常，可以进行总体调试。5.2.6系统总体调试功能测试完成后并检查完线路后就可以开始系统总体调试了，内容包括：1.手动方式下，能否正常启动和停止各台泵；2.自动方式下，给变频器持续欠压信号，系统能否实现泵1、2、3的变频和工频投入，最后全部工作在工频方式；给变频器持续超压信号，能否实现泵的工频、变频顺序切除；3.系统自动运行时，是否满足先投先停，先停先投的既定原则；4给外部故障信号时，系统能否停止运行； 5.模拟其中

44、一台水泵发生故障，系统能否继续运行，故障处理是否正确；6自动方式下，模拟压力输入信号发生微调，系统能否工作在一台变频、若干台工频的基本稳定状态；经过不停的调试和修改，上述试验结果完全正确，说明程序基本能够实现预期的设计目标。5.3 本章小结经过以上的仿真与调试，我们可以得出这样的结论：本设计实现了恒压供水设计的功能，基本能达到了设计的要求。在检验抗干扰能力，必须将其置于实际的工业现场中去运行、检验，通过这样的实际应用才能得到更好的检验，由于条件的限制，没能够对此项指标进行检验，这也是本设计中存在的一方面不足。结 论本文通过恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制

45、功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。使我学到了很多知识，积累了许多宝贵的经验，锻炼了自己的独立思考能力和实际动手能力，学会了如何综合实施一个工程项目的研究与设计。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，

46、系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择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。经过软件仿真和调试，现将工作总结如下:1）首先制定系统的总体方案和实施的步骤，了解系统的工作原理、控制任务、总体结构、工作流程以及完成系统所需要的硬件。 2）熟悉了PLC硬件的工作原理，完成了PLC软件的开发，成功实现了用一台PLC和一台变频器对三台水泵的控制，达到了恒压供水的目标，并将高效节能的变频调速技术成功的应用到了系统中，达到了节能供水的目标。3）完成了整个系统的现场调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求，也发现本系统中存在着一些不足之处和需要改进的地方。4）PLC程序中对于PID算法这一块虽然能够满足系统要求，但仍有一定超调量；通过本设计，使我学到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高。并且，更了解了有关可编程控制器的功能，为今后的编程设计过程有了一定的基础。参考文献1 常初.PLC编程及应用M. 北京：机械工业出版社，2003.2 李世基微机与可编程控制器M北京：机械工业出版社，20013 岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术M.北京:机械工业出版社.4