基于PLC和組態(tài)技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于PLC和組態(tài)技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 年 級(jí) 2014級(jí) 專 業(yè) 自動(dòng)化（專轉(zhuǎn)本） 班 級(jí) ZB02141 學(xué) 號(hào) ZB0214128 學(xué)生姓名 徐志強(qiáng) 校內(nèi)導(dǎo)師 俞倩蘭 職 稱 副教授 校外導(dǎo)師 職 稱 論文提交日期 2016-05-16 常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)誠(chéng)信承諾書本人鄭重聲明： 所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完

2、全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本人簽名： 日期： 常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解常熟理工學(xué)院有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的規(guī)定，即：本科生在校期間進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬常熟理工學(xué)院。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)被查閱和借閱；學(xué)?？梢詫厴I(yè)設(shè)計(jì)(論文)的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），并且本人電子文檔和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在解密后遵守此規(guī)定。 本人簽名： 日期： 導(dǎo)師簽名： 日期： 摘 要 根據(jù)

3、城鎮(zhèn)居民住宅區(qū)的供水要求，本文采用PLC控制器為核心設(shè)計(jì)了一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的水塔供水方式不同，該系統(tǒng)采用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速。系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、水泵機(jī)組、變頻器、變送器等組成，其中水泵機(jī)組是由三臺(tái)水泵電機(jī)組成，并且以變頻循環(huán)方式運(yùn)行，水泵機(jī)組的變頻循環(huán)方式遵循“先啟先?！钡脑瓌t。壓力變送器則是檢測(cè)實(shí)時(shí)供水管網(wǎng)的水壓，將信號(hào)送入PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)算出的穩(wěn)定誤差來(lái)控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后使供水管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。出于安全考慮，PLC中附加了報(bào)警控制。另外通過(guò)工控機(jī)與PLC連接，使用組態(tài)軟件完成監(jiān)控系統(tǒng)的任

4、務(wù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)。 本論文詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)所需要的PLC、變頻器和傳感器的特點(diǎn)，系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)流程圖及程序。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 恒壓供水 PLC 組態(tài)王IVABSTRACTAccording to the requirements of water supply of the urban residence,this text adopts PLC controller as the core to design a set system of frequency conversion velocity modulation constant pressure wat

5、er supply. Different from the water supply manner of the traditional water tower, the system adopts frequency converter to realize soft start and frequency control of water pump motor. System consists of a programmable controller (PLC), pumping unit, frequency converter, the transmitter and so on, t

6、he pump unit is consists of three pump motors, and run in the way of circulatory frequency conversion. the pumping units way of circulatory frequency conversion follows the principle of "inception to stop". Pressure transmitter is to detect real-time pressure of water supply network. and s

7、end signals to PLC and PID arithmetic, through computing the steady state error to control the output voltage and frequency of the frequency converter, which changes the motor speed of water pump, finally make the pressure of water supply network stable near the set point. For security reasons, atta

8、ch alarming controller in the PLC. Also through linking the industrial computer and PLC, this text uses configuration software to complete the task of monitoring system and controlling system. It realizes the dynamic data display in running status. This paper detailed introduces the sensor of the PL

9、C, frequency converter and the characteristics of the need of system, the main circuit design of system and the flow chart of program design and routine. Keywords: frequency control; constant pressure water supply ; PLC; king-view III目 錄1 緒 論11.1 課題簡(jiǎn)介11.2 發(fā)展?fàn)顩r21.3 課題設(shè)計(jì)概述22 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析及方案確定42.1 供水系統(tǒng)整體構(gòu)思方

10、法42.1.1 水泵電機(jī)的調(diào)速原理42.1.2 變頻恒壓供水的節(jié)能原理52.2 供水系統(tǒng)方案的確定62.2.1 控制方案的確定62.2.2 系統(tǒng)的組成及原理72.2.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)93 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)113.2 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)124 設(shè)備選型與I/O分配134.1 供水設(shè)備選型134.2 PLC的I/O端口分配及外部接線圖155 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)185.1 軟件設(shè)計(jì)分析185.2 PLC程序設(shè)計(jì)195.2.1 主程序195.2.2 子程序215.2.3 中斷程序225.3 PID控制及其控制算法246 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)256.1 組態(tài)軟件的選擇256.2 組態(tài)王的

11、通信參數(shù)256.3 新建工程與組態(tài)變量266.4 組態(tài)界面27總 結(jié)28致 謝29參考文獻(xiàn)30附錄131附錄 239IV常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒 論1.1 課題簡(jiǎn)介 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)人口越來(lái)越多，導(dǎo)致人們從三層以下的平房搬遷到群居的高層住宅房。在眾多城鎮(zhèn)中，一般規(guī)定供水管網(wǎng)的水壓能保證6層以下的居民房穩(wěn)定用水，另外的上方樓層都需要增加水壓才可以滿足居民用水。20世紀(jì)50年代，自動(dòng)化剛剛發(fā)展起來(lái)，因此當(dāng)時(shí)的高層住宅房均采用傳統(tǒng)的水塔或高位水箱這些供水方式，但是這些方式必須讓水泵電機(jī)以超出實(shí)際需要水壓來(lái)供水，這就導(dǎo)致電機(jī)增加了軸功率和能量損耗。自變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)的

12、有點(diǎn)逐漸被工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)專家發(fā)現(xiàn)并運(yùn)用。當(dāng)變頻器運(yùn)用到供水事業(yè)，形成的變頻恒壓供水設(shè)備具有安全、穩(wěn)定、節(jié)能、高質(zhì)量供水等優(yōu)點(diǎn)，更是讓國(guó)內(nèi)的供水事業(yè)經(jīng)歷了一次質(zhì)的飛躍。恒壓供水采用閉環(huán)控制，根據(jù)管網(wǎng)用水量的工況自行通過(guò)控制器調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，使得管網(wǎng)在水壓恒定的情況下，用戶滿意用水，這就導(dǎo)致系統(tǒng)中的水泵電機(jī)必須采用無(wú)極調(diào)速方式。該系統(tǒng)是我國(guó)當(dāng)今最合理和最節(jié)能的供水系統(tǒng)。我國(guó)電力電子技術(shù)的研究開發(fā)，變頻器的內(nèi)置功能模塊越來(lái)越多，性能越來(lái)越強(qiáng)。國(guó)內(nèi)電氣工程師充分利用內(nèi)置功能，改善恒壓供水設(shè)備，在質(zhì)量得到保證的前提下，減少成本。 現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們的物質(zhì)水平越來(lái)越高，對(duì)于居住小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施要求越來(lái)

13、越高，而小區(qū)供水系統(tǒng)是體現(xiàn)物業(yè)管理水平的一個(gè)因素。因此傳統(tǒng)小區(qū)的一些供水方式遭到了淘汰。比如：（1） 恒速泵加壓供水：它無(wú)法對(duì)水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)化水平低，導(dǎo)致水泵的啟動(dòng)和停止需要人工手動(dòng)操作，而且電機(jī)還是硬啟動(dòng)；（2） 水塔高位水箱供水系統(tǒng)：雖然它的供水方式簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，而且在停電和維修等突發(fā)狀態(tài)下不停水的優(yōu)勢(shì)，但是它前期投資大，維護(hù)不方便，因此目前多數(shù)應(yīng)用與高層建筑；（3） 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，它和PLC控制的系統(tǒng)一樣，都可以做到變頻調(diào)速，但是缺點(diǎn)也很明顯，那就是開發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)該系統(tǒng)的操作員素質(zhì)要求比較嚴(yán)格，更重要的是不適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)的惡劣環(huán)境。和這些傳統(tǒng)的供水相比，PLC變頻恒壓供

14、水具有高效節(jié)能、高自動(dòng)化和安全可靠的優(yōu)勢(shì)，其中調(diào)速水泵表現(xiàn)了突出的節(jié)能效果：一是顯著的節(jié)能性；二是在啟動(dòng)時(shí)可以降低電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊；三是減少水泵的機(jī)械損耗。1.2 發(fā)展?fàn)顩r 變頻恒壓供水的概念是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展起來(lái)后才提出的。在早期，國(guó)外的變頻器功能主要在控制頻率、轉(zhuǎn)速控制、正反轉(zhuǎn)控制和變頻變壓比控制等。在早期的恒壓供水中，變頻器只是作為系統(tǒng)的執(zhí)行器，因此為了保證管網(wǎng)的水壓恒定，必須在外部加入壓力控制器和變送器形成閉環(huán)控制。從各種渠道查詢來(lái)看，國(guó)外的供水工程大多都是一拖一的方式，導(dǎo)致投資成本高。1968年，丹佛斯公司發(fā)明了首個(gè)變頻器，隨著變頻器的穩(wěn)定可靠，節(jié)能和高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)被其他公司認(rèn)可后

15、，國(guó)外的許多廠家學(xué)習(xí)其技術(shù)并研發(fā)了具有恒壓供水功能模塊的變頻器，這種模塊叫做供水基板。供水基板具備“變頻泵固定方式”和“變頻泵循壞方式”兩種模式。它是將PID調(diào)節(jié)和PLC集成到變頻器基板上，用戶可以設(shè)置參數(shù)代碼，然后搭載配套的恒壓供水設(shè)備單元，就構(gòu)成了供水系統(tǒng)。它是通過(guò)微化電路設(shè)計(jì)，降低成本。缺點(diǎn)也很明顯，那就是output的擴(kuò)展模塊缺乏靈活性，穩(wěn)定性也不高，其它監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件很難數(shù)據(jù)通信，造成了實(shí)際應(yīng)用的限制。 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)供水事業(yè)的公司和研究院都在開發(fā)變頻調(diào)速技術(shù)，但是那些生產(chǎn)的設(shè)備和國(guó)外的設(shè)備相比，無(wú)論是在功能上還是質(zhì)量上都是有點(diǎn)差距的。自從我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，供水行業(yè)的公司有了兩種選擇

16、，一是直接從國(guó)外引進(jìn)現(xiàn)成的設(shè)備用于系統(tǒng)中；二是在自行設(shè)計(jì)的整套裝置中使用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，再結(jié)合自己的應(yīng)用軟件。無(wú)論是哪一種都為我國(guó)重大的供水工程解決了問(wèn)題，滿足了行業(yè)的需求。 總體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)開發(fā)變頻恒壓供水設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國(guó)外的設(shè)備有很大依賴性，這個(gè)值得思考。1.3 課題設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)是以10層高樓小區(qū)供水管網(wǎng)為被控對(duì)象，使用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)閉環(huán)控制設(shè)計(jì)一套高層樓房的恒壓供水系統(tǒng)，并使用組態(tài)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控，保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，使供水設(shè)備保持在最佳工況，有問(wèn)題可以迅速解決。 本系統(tǒng)是由可編程控制器（PLC）、水泵機(jī)組、變頻器、壓力變送器和投入式液位變送器等組成一個(gè)閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)

17、系統(tǒng)。變頻器通過(guò)變頻循環(huán)的方式來(lái)控制水泵機(jī)組中的三個(gè)水泵電機(jī)，即通常說(shuō)的變頻器一拖三的概念。當(dāng)1#水泵工作，隨著供水官網(wǎng)的壓力變小，1#水泵運(yùn)行到50Hz時(shí)，供水量依舊不夠，需要增加水泵，系統(tǒng)就讓1#水泵脫離變頻器進(jìn)入工頻狀態(tài)，變頻器去拖動(dòng)2#水泵。為了使供水官網(wǎng)的壓力保持恒定狀態(tài)，變頻器需要自動(dòng)在各個(gè)水泵之間切換，水泵之間遵循“先啟先停”和“先停先啟”的要求。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：了解全套恒壓供水系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)的硬件電路；研究恒壓變頻供水的控制算法；開發(fā)基于組態(tài)王的組態(tài)軟件的監(jiān)控界面，完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試；熟練使用PLC、組態(tài)王等軟件以及變頻器的參數(shù)修改。492 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析及方案確

18、定2.1 供水系統(tǒng)整體構(gòu)思方法 系統(tǒng)是通過(guò)變頻器和可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制核心。經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)化水泵機(jī)組的運(yùn)行，自動(dòng)控制泵組所需的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，來(lái)形成供水管網(wǎng)的閉環(huán)壓力控制，達(dá)到穩(wěn)定與節(jié)能的目的。這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的被控對(duì)象是泵站系統(tǒng)圖中的供水管網(wǎng)壓力，系統(tǒng)將測(cè)量的供水管網(wǎng)壓力和給定值壓力數(shù)據(jù)比較，所產(chǎn)生的反饋值輸入CPU中處理，最后PLC發(fā)出指令來(lái)控制水泵機(jī)組中工頻運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)和變頻運(yùn)行水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到恒壓供水。2.1.1 水泵電機(jī)的調(diào)速原理 水泵機(jī)組中的電機(jī)大多采用三相異步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的公式為： （2-1）式（2-1）中：是交流電源的頻率，是電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，是轉(zhuǎn)差率，是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)

19、速。 從電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式中可以得出異步電機(jī)最基本的調(diào)速方式有三種：（1） 變頻調(diào)速：改變交流電源頻率；（2） 變級(jí)調(diào)速：改變磁極對(duì)數(shù)；（3） 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率；雖然三種調(diào)速方式都可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但是不是三種都能適合變頻恒壓供水系統(tǒng)。他們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：（1） 變級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠運(yùn)行、機(jī)械特性較硬，而且還可以獲得恒轉(zhuǎn)矩或恒功率的調(diào)速方式，但是其顯著的缺點(diǎn)就是只可以有極調(diào)速，而且級(jí)數(shù)很有限，因此不適合變頻恒壓供水，因?yàn)楣┧芫W(wǎng)的壓力可能時(shí)刻都在變化，必須采用無(wú)極調(diào)速；（2） 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有另外三種方式：轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速。不過(guò)為了能擁有較大的調(diào)速范圍，因

20、此一般都采用串級(jí)調(diào)速，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速滑行好。不過(guò)成本高，而且低速運(yùn)行時(shí)過(guò)載能力和功率因數(shù)低。也不符合本系統(tǒng)的要求，因?yàn)楣┧芫W(wǎng)并不是一直有用戶用水；（3） 變頻調(diào)速具有很好的調(diào)速性能，完全可以媲美直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，如圖2-1。它的主要特點(diǎn)有調(diào)速范圍廣；頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速；機(jī)械特性硬，靜差率??；從基頻向下可以進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，從基頻向上可以進(jìn)行恒功率調(diào)速；運(yùn)行效率高。根據(jù)上述三種交流調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較，本文采用了變頻調(diào)速方式。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，新一代的電子器件可關(guān)斷晶閘管（GTO）、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）等應(yīng)用與變頻調(diào)速設(shè)備，

21、使得變頻器體積在減小，性能卻在提高，促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。圖2-1 基頻以下變頻調(diào)速機(jī)械特性2.1.2 變頻恒壓供水的節(jié)能原理 所有供水系統(tǒng)都有揚(yáng)程特性和管阻特性。其中，揚(yáng)程特性是以管道的閥門開度不變?yōu)榛A(chǔ)，水泵在某一固定轉(zhuǎn)速下?lián)P程H和流量Q之間的平滑曲線，如圖2-2。流量的大小取決于閥門開度、水泵轉(zhuǎn)速和用戶的用水情況這三種因素，在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都固定不變的情況下，就由用水情況決定。因此，揚(yáng)程特性曲線反映的是揚(yáng)程H和用水流量之間的關(guān)系，即。而另一個(gè)管阻特性則是讓水泵轉(zhuǎn)速不改變，來(lái)表明閥門在某一開度的楊程H和流量之間的平滑曲線，如圖2-2。管阻特性反映的是水泵產(chǎn)生的能量來(lái)克服蓄水池的水位

22、差、壓力差、流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。管阻特性曲線反映了楊程H和供水流量之間的關(guān)系，即。二者之間交點(diǎn)稱之為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，即圖2-2中的A點(diǎn)。在A點(diǎn)，用戶的用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行16。圖2-2 恒壓供水系統(tǒng)的基本特性 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水結(jié)構(gòu)是由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。供水是由變頻器調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速，異步電動(dòng)機(jī)再改變水泵供水，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。2.2 供水系統(tǒng)方案的確定2.2.1 控制方案的確定 控制器、變送器、變頻器、水泵機(jī)組以及低壓電器等組成了變頻恒壓供水系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)控制單元來(lái)控制變頻器，間接控制循環(huán)水泵，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)恒壓，水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)，水泵的工

23、/變頻切換，同時(shí)還可以利用組態(tài)軟件通過(guò)數(shù)據(jù)通信來(lái)進(jìn)行監(jiān)控，由于控制單元的不同可以有以下幾個(gè)方案進(jìn)行選擇：（1） 供水基板的變頻器控制 這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@是廠家將PID調(diào)節(jié)器集成在變頻器的基板上，通過(guò)改變內(nèi)部的指令參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水功能。雖然這樣可以降低設(shè)備的成本，但是在設(shè)置給定壓力以及實(shí)時(shí)顯示反饋壓力值比較麻煩，另外系統(tǒng)不能保證閉環(huán)控制的穩(wěn)、準(zhǔn)、快，而且擴(kuò)展功能不夠靈活，限制了帶負(fù)載的容量，僅適應(yīng)小容量的場(chǎng)合。（2） 單片機(jī)控制通用變頻器 單片機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，因此使得這種方式有很高的控制精度，算法靈活，而且它的成本也比較低，所以這種方式的性價(jià)比相當(dāng)高。不過(guò)因?yàn)閱?/p>

24、片機(jī)的程序比較固化，而且單片機(jī)開發(fā)周期比較長(zhǎng)，這就造成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性比較差，而且變頻器與單片機(jī)會(huì)有干擾，這就使得這種方式適合特定領(lǐng)域的小容量場(chǎng)合。（3） PLC控制通用變頻器 由于當(dāng)前PLC的模塊化和系列化，這就使得用戶可以靈活的將各種模塊組合成滿足不同要求的控制系統(tǒng)，而且硬件方面只需確定PLC的硬件配置和I/O外部接線，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試只需改變PLC程序。因此這種控制方式靈活方便、通用性強(qiáng)。 同過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察分析以及以上幾種方案的比較，本設(shè)計(jì)決定使用第三種方式，因?yàn)榧瓤梢詽M足靈活方便，易通信監(jiān)控，而且還能保證系統(tǒng)的安全可靠，高精度控制。2.2.2 系統(tǒng)的組成及原理 基于PLC的變頻恒壓供水是由可編程

25、控制器（PLC）、水泵機(jī)組、變頻器、壓力變送器和投入式液位變送器等組成的，采用的是閉環(huán)調(diào)節(jié)控制方式，該系統(tǒng)的泵站圖如圖2-3。圖2-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)泵站圖由供水系統(tǒng)的泵站圖，可導(dǎo)出供水系統(tǒng)的工作流程圖，如圖2-4所示。該系統(tǒng)的工作原理是：首先通過(guò)PLC程序?qū)毫Ψ€(wěn)定值設(shè)置為0.3MPa，然后通過(guò)壓力變送器實(shí)時(shí)測(cè)得來(lái)自用戶供水管網(wǎng)的水壓并將信號(hào)送入PLC中，PLC通過(guò)PID運(yùn)算得到控制信號(hào)并送入變頻器中。當(dāng)供水管網(wǎng)壓力不足時(shí)，PLC控制變頻器使水泵機(jī)組抽取儲(chǔ)水池中的水；當(dāng)供水管網(wǎng)壓力超過(guò)穩(wěn)定值時(shí)，PLC減少水泵機(jī)組運(yùn)行功率，從而達(dá)到變頻恒壓供水的控制。圖2-4 變頻恒壓供水系統(tǒng)工作流程圖 系

26、統(tǒng)主要分為三大機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)，這三個(gè)機(jī)構(gòu)的功能如下：（1） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：它的作用是接收控制器給出的調(diào)節(jié)信號(hào)，調(diào)節(jié)被控介質(zhì)。在這里是由水泵機(jī)組構(gòu)成的，它接受控制機(jī)構(gòu)送來(lái)的信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變供水官網(wǎng)的壓力。而這里的水泵機(jī)組是由三個(gè)變頻泵組成的，變頻泵通過(guò)變頻器控制，根據(jù)供水官網(wǎng)的壓力變化來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)泵從變頻變成工頻，但是轉(zhuǎn)速依舊不夠，這時(shí)候就將第一個(gè)泵保持在工頻狀態(tài)，然后啟動(dòng)第二個(gè)泵來(lái)繼續(xù)增加供水官網(wǎng)的，第三個(gè)泵也是如此。（2） 檢測(cè)機(jī)構(gòu)：這個(gè)系統(tǒng)中，檢測(cè)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是供水管網(wǎng)的水壓，另一個(gè)是蓄水池的液位。水壓是通過(guò)壓力變送器檢測(cè)出來(lái)的，壓力是一種模擬信號(hào)

27、，因此在儲(chǔ)存在PLC的寄存器中是，需要A/D轉(zhuǎn)換。此外，為了使系統(tǒng)更加安全可靠，使用電接點(diǎn)壓力檢測(cè)儀表對(duì)供水壓力的上下限進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果可以直接作為數(shù)字量輸入給PLC進(jìn)行儲(chǔ)存和應(yīng)用。此外，蓄水池的液位是通過(guò)投入式液位變送器檢測(cè)的，它反應(yīng)的是進(jìn)水水源是否充足，是否需要將自來(lái)水進(jìn)水管道的電磁閥的開度變大，防止水泵空抽而損壞設(shè)備。（3） 控制機(jī)構(gòu)：此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制機(jī)構(gòu)是由PLC、變頻器和電控設(shè)備組成的?？刂茩C(jī)構(gòu)是是整個(gè)供水系統(tǒng)的核心，它是接收信號(hào)并且改變流量的中心點(diǎn)。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器直接接收到變送器輸送到寄存器中的壓力和液位信號(hào)，分析通訊接口的數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，得出現(xiàn)場(chǎng)的控制方案，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變

28、頻器對(duì)水泵機(jī)組發(fā)出控制指令，直到控制器得到的反饋信號(hào)與設(shè)定值之間的穩(wěn)定誤差在可允許誤差內(nèi)為止，才算完成變頻恒壓供水的任務(wù)。 本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是水泵機(jī)組，它是由變頻器拖動(dòng)運(yùn)行的，根據(jù)變頻器的工作方式可以分為循環(huán)式或者固定式。其中變頻循環(huán)式是先將1#水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵工作到50Hz時(shí)，用戶的供水量依舊沒(méi)有達(dá)到要求，那就需要增加第二胎水泵，即2#水泵。在2#水泵投入工作前，必須先把變頻器從1#水泵中脫出來(lái)并且將1#水泵轉(zhuǎn)入工頻模式中，才能讓變頻器繼續(xù)控制2#水泵變頻工作，3#水泵投入工作也是這樣。另一種變頻固定式則是讓變頻器始終控制一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻工作，當(dāng)這臺(tái)水泵工頻運(yùn)行依舊不能滿足供水要求

29、，那就直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，另一臺(tái)水泵則從最低轉(zhuǎn)速開始繼續(xù)變頻工作，這種方式里變頻器不做切換，這就使另外兩臺(tái)恒速泵硬啟動(dòng)，所以我們采用前者變頻循環(huán)式。 變頻恒壓供水是將供水管網(wǎng)作為被控對(duì)象，水壓作為被控變量，在控制上滿足實(shí)際水壓跟隨設(shè)定水壓。變頻恒壓供水系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-5。 圖2-5 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)框圖可以知道，系統(tǒng)通過(guò)管道上的壓力變送器采集實(shí)時(shí)的供水官網(wǎng)壓力，并轉(zhuǎn)換成420mA的電信號(hào)。因?yàn)镻LC無(wú)法直接識(shí)別電信號(hào)，因此必須通過(guò)PLC內(nèi)部的A/D模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字量再進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后，再利用D/A模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送到變頻器，從而實(shí)現(xiàn)變頻恒壓的控制。2

30、.2.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 根據(jù)資料查詢以及分析，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能有如下幾點(diǎn)：（1） 自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 在外部按下自動(dòng)按鈕，1#水泵電機(jī)通電，變頻器的輸出控制頻率從0Hz開始增加，這時(shí)壓力變送器也開始采集壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換傳給PLC進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，再把控制信號(hào)傳給變頻器。如果壓力不夠的話，輸出控制頻率繼續(xù)增加直到工頻，仍然不夠，則將1#水泵從變頻器中拖出切換至工頻狀態(tài)，并將2#水泵投入變頻器使用，后面則是依次加泵；如果管網(wǎng)用水量需求減?。ü┧芫W(wǎng)壓力過(guò)大），變頻器達(dá)到下限頻率，則將先啟動(dòng)的1#水泵切除。倘若有瞬間停電的工況，則系統(tǒng)停機(jī)等待通電。當(dāng)供電恢復(fù)正常，則系統(tǒng)工作在自動(dòng)運(yùn)行模式。（2）

31、手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)供水設(shè)備出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，為了確保居民可以正常用水，三臺(tái)水泵可以分別進(jìn)行手動(dòng)控制運(yùn)行。（3） 停止?fàn)顟B(tài) 在供水設(shè)備工作一定時(shí)長(zhǎng)后，需要進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，這是只需將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥轉(zhuǎn)到停止位置，使所有供水設(shè)備都處于停機(jī)狀態(tài)，工作人員即可進(jìn)行維護(hù)，維護(hù)結(jié)束只需撥轉(zhuǎn)到啟動(dòng)，供水就恢復(fù)正常。（4） 設(shè)施保護(hù)以及報(bào)警功能 對(duì)工頻回路和變頻回路實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電氣都互鎖，防止短路現(xiàn)象。當(dāng)水泵電機(jī)的功率較大時(shí)，為了防止因?yàn)閱?dòng)電流過(guò)大而燒壞水泵電機(jī)，必須通過(guò)變頻器采用軟啟動(dòng)方法。當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)閴毫Σ粔蚨枰黾铀脮r(shí)，必須先斷開先啟電機(jī)，讓其利用慣性切換到工頻回路，才能將變頻器轉(zhuǎn)入下一個(gè)電機(jī)，這樣可以防止產(chǎn)生過(guò)

32、流。 電機(jī)的熱保護(hù)。白天是居民的工作時(shí)間，用水比較少，因此水泵處于低速運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的工作留比較小。雖然用戶雖然用水比較少，但是用水頻繁，這就造成了電機(jī)一直處于升、降速的狀態(tài)，結(jié)果就是有可能產(chǎn)生過(guò)電流，導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱而損壞，熱保護(hù)還是必要的。 當(dāng)用戶用水量特別多時(shí)，蓄水池的水位過(guò)低，為了防止水泵空抽而損壞設(shè)備，因此需要設(shè)置報(bào)警功能。3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu) 本論文上面已經(jīng)敘述變頻器有2種控制方案，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用的一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵的方案，即“一拖”系統(tǒng)。隨著時(shí)代的進(jìn)步，供水系統(tǒng)也出現(xiàn)了“托”的發(fā)展趨勢(shì)。雖然“一拖”在節(jié)能效果上比“托”的方式差，但是它獨(dú)有的低成本、高效率的優(yōu)

33、勢(shì)不可否認(rèn)的。而這種控制方式需要硬件電路的支持，其主電路如圖3-1。 圖3-1 恒壓供水主電路圖 從系統(tǒng)主電路圖中可以看到：M1、M2、M3是水泵機(jī)組中的三臺(tái)異步電機(jī)；KM1、KM3、KM5這三個(gè)開關(guān)是電機(jī)處于工頻工況的接觸器；KM2、KM4、KM6這三個(gè)則是電機(jī)處于變頻狀態(tài)的接觸器；FR1、FR2、FR3為電機(jī)過(guò)載保護(hù)的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4為保護(hù)電路的空氣開關(guān)；FU則是熔斷器。 本系統(tǒng)采用的三泵變頻循環(huán)控制方式，即就臺(tái)水泵處于變頻器的控制當(dāng)中，其余的是處于工頻工況或者停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)用戶的用水量在長(zhǎng)時(shí)間保持較低情況下，即一臺(tái)變頻泵連續(xù)工作超過(guò)3h，則要切換下一臺(tái)水泵工作，減少

34、水泵工作時(shí)間，保護(hù)設(shè)備，這是系統(tǒng)具有的“倒泵”。 當(dāng)主電路接通電源，電流從熔斷器和隔離開關(guān)接通變頻的R、S、T端，變頻器通電工作，變頻器通過(guò)U、V、W端口控制電機(jī)。在主電路中，工頻和變頻的兩個(gè)回路不能同時(shí)接通，當(dāng)電機(jī)需要接通工頻時(shí)，先將變頻斷開才能接工頻，而斷開時(shí)，則需先斷開工頻才能接通變頻，因此這兩個(gè)回路的開關(guān)必須在硬件上設(shè)計(jì)可靠的互鎖。此外，在第一次運(yùn)行電機(jī)時(shí)，必須保證電機(jī)轉(zhuǎn)向符合要求，否則需要改變電源相序。系統(tǒng)的啟/停操作必須通過(guò)變頻器軟啟動(dòng)才可以。3.2 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì) 變頻恒壓供水主要實(shí)現(xiàn)的是自動(dòng)控制，但是在PLC需要檢修的時(shí)候，系統(tǒng)只能采取手動(dòng)模式，這時(shí)就需要控制電路了，見附錄

35、2。 圖中的SA為手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)突發(fā)緊急事件時(shí)，需要將SA撥到1位置時(shí)，表示系統(tǒng)處于手動(dòng)控制狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作時(shí)，SA打到2位置，就表示系統(tǒng)處于PLC控制的自動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)控制時(shí)，控制電路中只有PLC和HL10處于得電狀態(tài)，因此HL10是自動(dòng)/手動(dòng)的狀態(tài)燈，亮表示自動(dòng)模式，不亮表示手動(dòng)模式。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)模式時(shí)，SB1SB6按鈕分別控制電機(jī)的啟/停。另外在圖中，中間繼電器KA的觸電表示變頻器的復(fù)位控制，而HA則表示報(bào)警。其它的一些端口將在下一章詳細(xì)介紹。 4 設(shè)備選型與I/O分配4.1 供水設(shè)備選型 本系統(tǒng)是由可編程控制器（PLC）、水泵機(jī)組、變頻器、壓力變送器和投入式液位變

36、送器等組成。通過(guò)變頻器和接觸器控制水泵電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。根據(jù)本系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖4-1。圖4-1 變頻恒壓供水電氣控制框圖 由圖4-1可以看出，系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括可編程控制器（PLC）、變頻器、水泵機(jī)組、變送器。下面具體分析硬件設(shè)備型號(hào)的選取：（1） 可編程控制器（PLC）PLC機(jī)型的選擇是在滿足控制要求的情況下保證系統(tǒng)的可靠性、使用性、性價(jià)比。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是偏向于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，并且控制速度要求也不是很高，因此本系統(tǒng)在這里選用了比較低端的PLC西門子公司的系列機(jī)?？紤]到PLC的I/O點(diǎn)數(shù)不能太多，因?yàn)闀?huì)增加成本，但是又要留有相當(dāng)?shù)脑Ａ?，因此本系統(tǒng)選用了系

37、列的CPU 226 CN型。這款型號(hào)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：具有24個(gè)輸入和16個(gè)輸出；功能模塊的種類比較多，可以很好的滿足控制要求；可以提供很好的編程環(huán)境，并且可以離線編程和在線調(diào)試；此外本系統(tǒng)還需要一個(gè)擴(kuò)展模塊，因?yàn)閷?shí)際中需要一個(gè)模擬量輸入信號(hào)，一個(gè)模擬量輸出信號(hào)，這就很明顯選擇EM235模塊，該模塊有4個(gè)模擬輸入AIW,一個(gè)模擬輸出AQW。并且模塊EM235可以自動(dòng)完成A/D轉(zhuǎn)換。（2）變頻器根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，三菱的完全可以滿足本設(shè)計(jì)的控制要求，通過(guò)查閱資料得到管腳說(shuō)明圖，如圖4-2。圖4-2 管腳說(shuō)明 根據(jù)變頻的管腳說(shuō)明，接線圖如圖4-3。 圖4-3 變頻器接線圖（3）變送器 在本系統(tǒng)中有2種變

38、送器，一個(gè)是壓力變送器，另一個(gè)是液位變送器。其中本系統(tǒng)的壓力變送器是將水壓轉(zhuǎn)換成420mA的電流信號(hào)，所以本系統(tǒng)選用了型壓力變送器。該傳感器的量程為02.5MPa，滿足控制要求的0.5MPa，可以在560 的溫度內(nèi)工作，供電電源為24±3V(DC)。本系統(tǒng)的液位變送器選擇為投入式液位變送器。它的優(yōu)點(diǎn)是： 安裝和使用靈活便捷，精度準(zhǔn)確，可現(xiàn)場(chǎng)顯示； 具有較強(qiáng)的抗干擾能力，不會(huì)因現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣被影響； 接線反向和過(guò)壓保護(hù)，限流保護(hù)； 一般蓄水池的深度為46m，在此系統(tǒng)中選擇10m量程的液位變送器，輸出信號(hào)為420mA，兩線制(DC)+24V供電。4.2 PLC的I/O端口分配及外部接線圖

39、根據(jù)變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求如下：（1） 考慮到小區(qū)居民白天為主要用水時(shí)間段，從而造成了白天和夜間的用水量不同，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了白天/夜間供水兩種模式，這兩種模式在PLC中的壓力設(shè)定值是不同的。白天模式，供水管網(wǎng)壓力大，系統(tǒng)高恒壓運(yùn)行；夜間模式，供水管網(wǎng)壓力小，系統(tǒng)低恒壓運(yùn)行。（2） 在夜間，居民處于休息時(shí)間，從而造成了用水量小的情況，這時(shí)一臺(tái)水泵就會(huì)處于連續(xù)工作的情況，一旦超過(guò)3h,則要切換另一臺(tái)水泵，這就是系統(tǒng)具備的“倒泵”功能。（3） 考慮系統(tǒng)的節(jié)能和水泵使用壽命等因素，水泵切換遵循“先啟先?！钡脑瓌t。（4） 水泵的啟動(dòng)是要通過(guò)變頻器進(jìn)行的軟啟動(dòng)，系統(tǒng)有自動(dòng)/手動(dòng)兩種操作模式。（5

40、） 有完善的報(bào)警功能。根據(jù)以上的控制要求，設(shè)計(jì)了如下的I/O地址分配表，見表4-1。表4-1 I/O地址分配表名 稱代 碼地 址輸入信號(hào)白天/夜間模式SA1I0.0水位上/下限信號(hào)SL/HLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量UPAIW0輸出信號(hào)1#工頻交流接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#變頻交流接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#工頻交流接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#變頻交流接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#工頻交流接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#變頻交流接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5水位超限報(bào)警指示燈HL7Q

41、1.1變頻器故障指示燈HL8Q1.2白天模式指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸出電壓信號(hào)UFAQW0根據(jù)系統(tǒng)的控制電路圖和I/O地址分配表，得到PLC的外部接線圖，如圖4-4。圖4-4 PLC外部接線圖5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件設(shè)計(jì)分析 硬件電路已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，結(jié)合硬件電路及設(shè)計(jì)要求對(duì)程序設(shè)計(jì)分析如下：（1） 恒壓供水要求恒壓工作時(shí)的泵組數(shù)量本設(shè)計(jì)的核心控制就是“恒壓”，當(dāng)水壓不夠需要升高變頻器的輸出頻率，而且前面的水泵工頻時(shí)也無(wú)法滿足要求，需要增加水泵。這個(gè)功能在程序中可以通過(guò)PLC中的比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，系統(tǒng)不能因?yàn)橐淮闻既坏念l率波動(dòng)使得頻率達(dá)到

42、了設(shè)置的上限而增加水泵。因此在程序里應(yīng)該考慮到濾波，考慮到這種情況持續(xù)時(shí)間比較短，在這里采取時(shí)間濾波。（2） 泵組管理原則本系統(tǒng)考慮到電動(dòng)機(jī)硬啟動(dòng)會(huì)造成電流對(duì)電機(jī)的沖擊從而損壞電機(jī)。因此本系統(tǒng)使用變頻器讓電動(dòng)機(jī)的每一次啟動(dòng)均為軟啟動(dòng)，而且各水泵都交替使用，嚴(yán)格控制每一臺(tái)水泵不能連續(xù)工作超過(guò)3。具體操作：將現(xiàn)運(yùn)行的變頻泵從變頻器中拖出，轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行，變頻器復(fù)位重新接入新的水泵并啟動(dòng)它。此外，系統(tǒng)要考慮到如何使水泵循環(huán)工作。在此設(shè)計(jì)中，通過(guò)泵號(hào)的方式完成這個(gè)目的，及工頻泵號(hào)的總數(shù)。（3） 程序的框架和功能除去具體的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)大概還需要滿足A/D、D/A的轉(zhuǎn)換和PID調(diào)節(jié)，而這些都需要初始化和

43、中斷程序，這樣也就明確了本程序需要的三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化程序就要放到子程序中，然后在主程序中調(diào)用子程序，可以減少掃描時(shí)間。本系統(tǒng)的PID控制采用的是定時(shí)器中斷。主程序功能比較多，實(shí)現(xiàn)了大部分的設(shè)計(jì)要求，如：水泵之間的切換，接觸器的得電，報(bào)警處理等要求。程序中使用的PLC元件如表5-1。表5-1 程序的PLC元件及其功能器 件 地 址功 能器 件 地 址功 能100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值工頻泵增泵濾波時(shí)間104壓力給定值工頻泵增泵濾波時(shí)間108PID穩(wěn)定誤差故障結(jié)束脈沖112比例系數(shù)水泵變頻啟動(dòng)脈沖（增泵）116采樣時(shí)間水泵變頻啟動(dòng)脈沖（減泵）120積分時(shí)間倒泵變頻啟動(dòng)脈沖12

44、4微分時(shí)間復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行脈沖204變頻運(yùn)行頻率下限當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖208變頻運(yùn)行頻率上限新泵變頻啟動(dòng)脈沖250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制300變頻工作泵的泵號(hào)泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制301工頻運(yùn)行總臺(tái)數(shù)泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制310變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)故障信號(hào)匯總工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制蓄水池液位超限工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制工頻/變頻轉(zhuǎn)換控制5.2 PLC程序設(shè)計(jì)5.2.1 主程序 根據(jù)上面的程序分析可以知道，PLC主程序由調(diào)用初始化子程序模塊，水泵電機(jī)啟動(dòng)模塊，水泵電機(jī)工頻/變頻之間的切換模塊，報(bào)警模塊等構(gòu)成。具體程序見附錄1.（1） 調(diào)用初始化子程序模塊所有工程項(xiàng)目的程序均需對(duì)系統(tǒng)初始化。它的

45、作用在于對(duì)所有部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)是否出錯(cuò)，還有對(duì)變頻器的上/下限頻率，PID調(diào)節(jié)參數(shù)賦予初值。為了節(jié)約掃描時(shí)間，主程序只有一個(gè)調(diào)用初始化子程序的指令盒，所有初始化的功能都編寫在初始化子程序中。（2） 水泵軟啟動(dòng)模塊當(dāng)系統(tǒng)需要增減水泵或者倒泵時(shí)，變頻器需要復(fù)位，為電機(jī)軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備。當(dāng)變頻泵轉(zhuǎn)入工頻，變頻泵號(hào)，并產(chǎn)生下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)的脈沖信號(hào)，這就讓下一臺(tái)延時(shí)啟動(dòng)。（3） 水泵工頻運(yùn)行控制模塊當(dāng)前水泵工頻啟動(dòng)脈沖產(chǎn)生后，倘若水泵處于變頻工況且工頻泵數(shù)大于，或者水泵處于變頻工況且工頻泵數(shù)大于，則得電，則接觸器觸點(diǎn)閉合，水泵工頻運(yùn)行。同時(shí)為防止觸點(diǎn)閉合，和有良好的電氣互鎖。（4） 報(bào)警模塊本

46、系統(tǒng)設(shè)計(jì)了蓄水池液位超限（上限/下限）報(bào)警指示燈，故障指示燈、白天模式指示燈和報(bào)警電鈴。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)試燈按鈕，按下會(huì)使所有指示燈點(diǎn)亮。根據(jù)上述的主程序設(shè)計(jì)模塊，得到流程圖如下，圖5-1。圖5-1 主程序流程圖5.2.2 子程序 首先要初始化變頻器頻率的上下限，分別為50和20。先假設(shè)變頻器輸出頻率為0100，則上下限給定值為和。在初始化PID參數(shù)時(shí)，分別讓比例增益、采樣時(shí)間、積分系數(shù)、微分系數(shù)分別為、。具體梯形圖如圖5-2。圖5-2 初始化子程序5.2.3 中斷程序 在中斷程序中，將中的實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換進(jìn)行PID運(yùn)算，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換成輸出值，由輸出。具體程序如圖5-3。圖

47、5-4 PID控制中斷程序5.3 PID控制及其控制算法在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制達(dá)到恒壓供水的目的。在連續(xù)控制系統(tǒng)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(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器Error! Reference source not found.。由于供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變和非線性的模型，難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水泵由初始狀態(tài)

48、向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求需經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫Γ@是一個(gè)純滯后過(guò)程：其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過(guò)程。因此恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成Error! Reference source not found.： （5-1）6 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.1 組態(tài)軟件的選擇 組態(tài)軟件（SCADA）全稱監(jiān)控組態(tài)軟件。它的作用是用來(lái)采集數(shù)據(jù)和過(guò)程控制，為用戶快速便捷構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的軟件。隨著時(shí)代的進(jìn)步，組態(tài)軟件

49、種類也是越來(lái)越多樣化，有亞控的組態(tài)王、MCGS、華富的ControlX2000等等。而本系統(tǒng)使用的是亞控的組態(tài)王。6.2 組態(tài)王的通信參數(shù) 在本設(shè)計(jì)中用的是的編程電纜實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信，由于使用的是串行通信接口4，并且組態(tài)王中的沒(méi)有顯示，因此我在工程瀏覽器的設(shè)備文件夾中的里，雙擊圖標(biāo)“”，出現(xiàn)對(duì)話框，找到“”中的西門子的系列的，見圖6.1。在第三步中選擇。圖6.1 串行接口設(shè)置 雙擊工程瀏覽器中的設(shè)備文件中的，設(shè)置波特率為，見圖6-2。圖6-2 通訊參數(shù)6.3 新建工程與組態(tài)變量 雙擊打開“組態(tài)王6.53”，出現(xiàn)工程管理器，新建一個(gè)工程，名為“恒壓供水系統(tǒng)”，雙擊打開新建的工程，單擊

50、“數(shù)據(jù)詞典”，在最下方有個(gè)新建，雙擊新建變量，然后輸入需要的參數(shù)，見圖6-3和圖6-4。圖6-3 定義變量圖6-4 所有變量6.4 組態(tài)界面 本系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求開發(fā)了系統(tǒng)主界面、歷史/實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表。主界面如圖6-5。圖6-5 系統(tǒng)主界面總 結(jié) 本文根據(jù)國(guó)內(nèi)大多數(shù)的高樓小區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于PLC和組態(tài)技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了一臺(tái)變頻器帶動(dòng)多臺(tái)水泵軟啟動(dòng)并調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了“一拖N”。同時(shí)該系統(tǒng)采用了閉環(huán)自動(dòng)控制，壓力變送器采集用戶的供水管網(wǎng)水壓，經(jīng)一系列的數(shù)據(jù)處理和PID調(diào)節(jié)，將輸出信號(hào)給變頻器，讓其調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證供水管網(wǎng)的壓力恒定。此外，本文還根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的元器件，考慮到降低成本，提高質(zhì)量等因素。該