變頻恒壓供水系統的畢業(yè)設計

1、摘要本論文根據中國城市小區(qū)的供水要求，設計了一套基于PLC的變頻調速恒壓供水系統, 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。變頻恒壓供水系統由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構成。本系統包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現對三相水泵電機的軟啟動和變頻調速，運行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入PLC與設定值比較后進行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉速來改變供水量，最終保持管網壓力穩(wěn)定在設定值附近。通過工控機與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統監(jiān)控，實現了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數據、報警的查詢。關鍵詞：

2、變頻調速，恒壓供水，可編程控制器，組態(tài)軟件ABSTRACTAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The sys

3、tem is made up of PLC, transducer,units 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 frequ

4、ency 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 t

5、hat 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 developmen

6、t to show and data,report to the police inquiry.Keywords: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, Programmable logic Controller, supervision control and data acquisition目 錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 課題的提出11.2 PLC概述11.2.1 可編程控制器的定義11.2.2 西門子S7-200PLC簡介21.3 本課題的主要研究內容3第2章 系統的

7、理論分析及控制方案確定42.1 變頻恒壓供水系統的理論分析42.1.1 電動機的調速原理42.1.2 變頻恒壓供水系統的節(jié)能原理42.2 變頻恒壓供水系統控制方案的確定72.2.1 變頻恒壓供水系統的組成及原理圖72.2.2 變頻恒壓供水系統控制流程112.2.3 水泵切換條件分析12第3章 系統的硬件設計143.1 系統主要設備的選型143.1.1 PLC及其擴展模塊的選型153.2 系統主電路分析及其設計163.3 系統控制電路分析及其設計183.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖20第4章 系統的軟件設計244.1 系統軟件設計分析244.2 PLC程序設計254.2.1控制系統主程

8、序設計254.2.2 控制系統子程序設計294.3 PID控制器參數整定324.3.1 PID控制及其控制算法324.3.2 PID參數整定35第5章 監(jiān)控系統的設計365.1 組態(tài)軟件簡介365.2 監(jiān)控系統的設計365.2.1 組態(tài)王的通信參數設置365.2.2 新建工程與組態(tài)變量385.2.3 組態(tài)畫面395.2.4 監(jiān)控系統界面41結 論42參考文獻43致 謝44附錄 主程序梯形圖45第1章 緒論1.1 課題的提出水和電是人類生活、生產中不可缺少的重要物質。城市中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。小區(qū)供水系統的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、

9、穩(wěn)定性、經濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式、單片機變頻調速供水系統等。傳統的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統中的用水。變頻調速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網的沖擊以及供水水壓對管網系統的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗2?；赑LC和變頻技術的恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。

10、采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。1.2 PLC概述1.2.1 可編程控制器的定義可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一

11、個整體，易于擴展其功能的原則而設計?！?.2.2 西門子S7-200PLC簡介西門子公司具有品種非常豐富的PLC產品。S7系列是傳統意義的PLC，S7-200屬于小型PLC，在1998年升級為第二代產品，2004年升級為第三代產品，其特點如下6：(1) 功能強大。S7-200有5種CPU模塊，最多可擴展7個擴展模塊，擴展到248點數字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲空間和數據存儲空間；(2) 先進的程序結構，功能強大、使用方便的編程軟件；(3) 靈活方便的尋址方法；(4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面；(5) 有競爭力的價格；(6) 完善的網上技術支持等。1.

12、3 本課題的主要研究內容本設計是以小區(qū)供水系統為控制對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統，并引用計算機對供水系統進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統，本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據管網壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節(jié)流量，使供水管網壓力恒定。各

13、水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據以上控制要求，進行系統總體控制方案設計。硬件設備選型、PLC選型，估算所需I/O點數，進行I/O模塊選型，繪制系統硬件連接圖：包括系統硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數，列出I/O分配表，熟練使用相關軟件，設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改并設計監(jiān)控系統。第2章 系統的理論分析及控制方案確定2.1 變頻恒壓供水系統的理論分析2.1.1 電動機的調速原理水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： (2.1) 式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數，s表示轉差率。根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。

14、連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現了各種性能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用。2.1.2 變頻恒壓供水系統的節(jié)能原理供水系統的揚程特性是以供水系統管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2.1所示。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下揚程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2

15、.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f(Qc)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點，如圖2.1中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩(wěn)定運行。圖2.1 恒壓供水系統的基本特征變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變

16、頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。在供水系統中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變

17、流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率P與管網的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速n與出水流量Q成正比；管網的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉速n三次方成正比，即： （2.2） （2.3） (2.4) (2.5)式中k、k1、k2、k3為比例常數。圖2.2 管網及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流

18、量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1Q2。當用調速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于(H1H0)Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調速控制方式要比閥門控

19、制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。2.2 變頻恒壓供水系統控制方案的確定2.2.1 變頻恒壓供水系統的組成及原理圖PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統，該系統的控制流程圖如圖2.3所示：圖2.3變頻恒壓供水系統控制流程圖從圖中可看出，系統可分為：執(zhí)行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；工頻泵只運行于

20、啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。(2) 信號檢測機構：在系統控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉換。另外為加強系統的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果可以送給PLC，作為數字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統

21、是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。(3) 控制機構：供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統)、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)

22、式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統運行前可以選擇9，本設計中采用前者。作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網

23、過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上10。變頻恒壓供水系統的結構框圖如圖2.4所示：圖2.4變頻恒壓供水系統框圖恒壓供水系統通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為420mA的

24、電信號，此檢測信號是實現恒壓供水的關鍵參數。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數字信號通過D/A轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現變頻恒壓供水。2.2.2 變頻恒壓供水系統控制流程變頻恒壓供水系統控制流程如下:(l) 系統通電，按照接收到有效的自控系統啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據壓力變送器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉速，當輸出壓

25、力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調速運行狀態(tài)。(2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。(3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運行)，同時變頻泵M1

26、做工頻運行，系統恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統就會發(fā)出水壓超限報警。(4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統將工頻泵M2關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵M3關掉。2.2.3 水泵切換條件分析在上述的系統工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率

27、，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢?由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50HZ成為頻率調節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同

28、時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0HZ，具體數值與水泵特性及系統所使用的場所有關，一般在20HZ左右。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。若出現時就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切

29、換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數，使系統一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。另外，實際供水壓力超調的影響以及現場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內滿足。所以，在實際應用中，相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。實際的機組

30、切換判別條件如下11：加泵條件： 且延時判別成立 (2.6)減泵條件： 且延時判別成立 (2.7)式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設定壓力 ：反饋壓力第3章 系統的硬件設計3.1 系統主要設備的選型根據基于PLC的變頻恒壓供水系統的原理，系統的電氣控制總框圖如圖3.1所示：圖3.1 系統的電氣控制總框圖由以上系統電氣總框圖可以看出,該系統的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設備選型如表3.1所示：表3.1 本系統主要硬件設備清單主要設備型號及其生產廠家可編程控制器（PLC）Siemens CP

31、U 226模擬量擴展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統控制設備相對較少，因此P

32、LC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統進行監(jiān)測控制。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口(PPI)協議，PC/PPI電纜可以方便實現PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護12。根據控制系統實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主

33、模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。3.2 系統主電路分析及其設計基于PL

34、C的變頻恒壓供水系統主電路圖如圖3.2所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。本系統采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”

35、，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內三臺水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2 變頻恒壓供水系統主電路圖三相電源經低壓熔斷器、隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先

36、行斷開。同樣從工頻轉為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須設計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將420mA電流信號送至上位機來顯示。同時可以通過通過轉換開關接電壓表顯示線電壓。并通過轉換開關利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機的轉向，使之符合要求。如果轉向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向。系統啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關斷開)，而必須通過變頻器實現軟啟動和軟停。為提

37、高變頻器的功率因數，必須接電抗器。當采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統采用軟啟動器。3.3 系統控制電路分析及其設計系統實現恒壓供水的主體控制設備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統的運行性能。本系統采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。PLC主要是用于實現變頻恒壓供水系統的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用；系統要有完善的報警功能并能顯示

38、運行狀況。如圖3.3為電控系統控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉換開關，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數字為接線編號，可結合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。圖3.3 變頻恒壓供水系統控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分

39、配中將詳細介紹。本系統在手動/自動控制下的運行過程如下：(1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。單刀雙擲開關SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點閉合從而實現自鎖功能，電機M1可以穩(wěn)定的運行在工頻下。只有當SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機M2、M3停機。（2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統工作在自動狀態(tài)下。單刀雙

40、擲開關SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運行信號，當Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運行指示燈HL1點亮，同時KM1的常閉觸點斷開，實現KM1、KM2的電氣互鎖。當Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當Q1.1輸出1時，水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；當Q1.2輸出1時，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；當Q1.3輸出1時，白天供水模式指示燈HL9點亮；當Q1.

41、4輸出1時，報警電鈴HA響起；當Q1.5輸出1時，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點KA閉合使得變頻器的頻率復位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點亮。3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統設計的基本要求如下：(1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統低恒壓值運行。(2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系

42、統只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。(3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。(5) 系統要有完善的報警功能。根據以上控制要求統計控制系統的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表3.2所示。表3.2 輸入輸出點代碼及地址編號名 稱代 碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、

43、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0結合系統控制電路圖3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，畫出PLC及擴展模塊外圍接線圖，如圖3.4所示：圖3.4 PLC及擴展模塊外圍接線圖本

44、變頻恒壓供水系統有五個輸入量，其中包括4個數字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統有11個數字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0Q0.5分別輸出三

45、臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡單的表明PLC及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護措施；(4) 系統的保護措施等。第4章 系統的軟件設計4.1 系統軟件設計分析硬件連接確定之后，系統的控制功能主要通過軟件實現，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下：(1) 由“恒壓

46、”要求出發(fā)的工作泵組數量管理為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。這一功能可通過比較指令實現。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。(2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。在本設計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的

47、操作是：將現行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設計中使用泵號加1的方法實現變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數結合泵號實現工頻泵的輪換工作。(3) 程序的結構及程序功能的實現由于模擬量單元及PID調節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現PID控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的

48、給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數字方式直接在程序中設定的。白天模式系統設定值為滿量程的90%，夜間模式系統設定值為滿量程的70%。4.2 PLC程序設計PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到PLC，控制任務的完成，是通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現的。4.2.1控制系統主程序設計PLC主程序主要由系統初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構成。(1) 系統初始化程序在系統開始工作的時候，先要對整個系統進行初始化，即在開

49、始啟動的時候，先對系統的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統進行初始化是在主程序中通過調用子程序來是實現的。在初始化后緊接著要設定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數。(2) 增、減泵判斷和相應操作程序當PID調解結果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數加一（或減一）操作，并產生相應的泵變頻啟動脈沖信號。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵

50、時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現在只以1#水泵為例進行說明。當第一次上電、故障消除或者產生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統無故障產生、未產生復位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可

51、實現自鎖功能。(5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現在只以1#水泵為例進行說明。產生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數大于0，或者當前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現變頻和工頻之間實現良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現自鎖功能。(6) 報警及故障處理程序本系統中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及

52、報警電鈴。當故障信號產生時，相應的指示燈會出現閃爍的現象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。故障發(fā)生后重新設定變頻泵號和工頻泵運行臺數，在故障結束后產生故障結束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統主程序梯形圖比較復雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。主程序流程圖如圖4.1所示。由于在圖4.1中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖4.2和圖4.3對其作了完整的補充。其中圖4.2是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖4.3是以2#泵為例的工頻運行控制流程圖。1#、3#泵的運行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復。圖4.1

53、 變頻恒壓供水系統主程序流程圖圖4.2 2#泵變頻運行控制流程圖 圖4.3 2#泵工頻運行控制流程圖4.2.2 控制系統子程序設計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設所選變頻器的輸出頻率范圍為0100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的各參數（Kc、Ts、Ti、Td），各參數的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖4.4所示。 圖4.4 初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數

54、據進行標準化轉換，經過PID運算后，再將標準值轉化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖4.5所示。 圖4.5 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖4.3 PID控制器參數整定4.3.1 PID控制及其控制算法在供水系統的設計中，選用了含PID調節(jié)的PLC來實現閉環(huán)控制保證供水系統中的壓力恒定。在連續(xù)控制系統中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。PID控制器是一種線性控制

55、器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)15： （4.1）經比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖4.6所示，圖中u(t)為PID調節(jié)器輸出的調節(jié)量。 圖4.6 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為： （4.2）式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。相應的傳遞函數形式： （4.3）PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調節(jié)規(guī)律如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產生，控制器立即產生控制作用，以

56、減少偏差，但不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數Kp的增大而減少，比例系數過大將導致系統不穩(wěn)定。(2) 積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。(3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響應時間，改善系統的動態(tài)特性。自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節(jié)器來實現PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數字PID控制算法是通過對式(4.2)離散化來實現的。以一階后向差分近似代替