基于單片機(或PLC)控制的變頻給水系統(tǒng)的設計

1、基于單片機(或PLC)控制的變頻給水系統(tǒng)的設計摘 要隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對水和電的需求越來越大，尤其在我們國家，這個問題日益凸顯。這也影響了城市小區(qū)的供水，這對小區(qū)供水提出了更高的要求。目前，居民生活用水和工業(yè)用水日益增加。由于居民日常用水和工業(yè)用水會隨季節(jié)、晝夜等變化而隨之發(fā)生變化，如采取傳統(tǒng)的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優(yōu)化配置。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，可采用變頻恒壓供水方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)，以到達供水穩(wěn)定，滿足人們需求，合理優(yōu)化分配等目的。根據(jù)這個需求，設計了基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，主要結(jié)構(gòu)包括：PLC控制器，變頻器，水泵機組，液

2、位傳感器，壓力傳感器及上位機監(jiān)控系統(tǒng)。PLC是本設計的控制核心，將壓力傳感器的信號和管壓力設定值進行比較，并將處理結(jié)果傳遞給變頻器，由變頻器控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)壓力與設定壓力保持恒定。另外此次設計選用組態(tài)王軟件對整個系統(tǒng)運行狀態(tài)，報警信號等進行監(jiān)控，對相關信息進行記錄，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強，組合靈活，編程簡單，維修方便和低本錢低能耗等諸多特點。用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計系統(tǒng)，對于調(diào)高企業(yè)效率以及

3、人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。關鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水；組態(tài)Frequency Conversion Water Supply System Control Design Based on PLC Abstract As the improvement of people's quality of life, the demand for water and electricity is growing, especially this issue has become increasingly prominent in our country.This is

4、 a higher residential water demands because,which has affected the water supply of city district. Today, the problem of living water and industrial water is increaing.Because of some factors which affect water supply,it not only has an effect on living of people but also wasts resource.So the tradit

5、ional water supply system has been unable to meet people's needs,we could adopt constant pressure water supply to meet these demands,then achieve optimize allocation purposes.According to this demand, constant pressure water supply system was designed which been based on PLC.This system adopts a

6、 closed-loop control of which the main structure includes: PLC controller, inverter, water pumps, level sensors, pressure sensors and PC control system.PLC is the core of the design.We compare the signal of the pressure sensor with pressure setting of the tube,then the result is been transmitted to

7、the invert.The invert control the speed of pump motor to maintain constantly the pipe network pressure and set pressure.Furthermore,the design selected Configuration software to monitor running and alarm signals and record relevant information to improve the stability of the system.The system which

8、contain the invert and PLC is with high reliability,flexible,handy and cheap.This is particularly important for increasingly scarce energy. It has important practically significance of the design system for increasing business efficiency,improving people's living standards, and reducing energy c

9、onsumption. Keywords: PLC; inverter; constant pressure water supply system;configuration 目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 前言11.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介及節(jié)能原理11.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)：11.1.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理11.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點21.4 本課題要完成的工作及預期目標3第2章 供水系統(tǒng)設計52.1 系統(tǒng)的控制方案擬定52.2 供水系統(tǒng)組成62.3 系統(tǒng)硬件設計82.4 電氣主電路設計82.5 供水系統(tǒng)工作過程9第3章 電氣

10、控制系統(tǒng)硬件的介紹及選型123.1 PLC選型123.1.1 PLC的介紹123.1.2 PLC的選型123.2 水泵電機的選擇153.3 變頻器的原理及選型153.3.1 變頻器的調(diào)速原理153.3.2 變頻器的介紹163.3.3 變頻器的型號選擇173.2.4 傳感器的選型18第4章 控制系統(tǒng)方案設計204.1 硬件方案設計設計204.1.1 PLC外圍電路204.1.2 MicroMaster440外圍接線224.2 系統(tǒng)程序設計244.2.1 恒壓供水系統(tǒng)主程序設計244.2.2 中斷程序設計274.2.3 子程序設計294.3 中間存放器說明30第5章 方案的最終調(diào)試及仿真325.1

11、 系統(tǒng)組態(tài)仿真325.1.1 組態(tài)介紹325.1.2 組態(tài)軟件與PLC通訊調(diào)試325.1.3 組態(tài)數(shù)據(jù)庫說明335.1.4 制作恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控畫面345.2 程序仿真375.2.1 軟件介紹375.2.2 程序輸入385.2.3 程序仿真39第6章 結(jié)論41致 謝43附錄：主程序44頁碼不對第1章 前言1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介及節(jié)能原理1.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)城市供水系統(tǒng)是城市總體規(guī)劃的組成局部，城市供水系統(tǒng)又水源，輸水管道，水廠和配水網(wǎng)組成。城市供水系統(tǒng)也可以稱為供水設備，該設備主要給用戶提供足夠的水源。供水系統(tǒng)主要有PLC，平安保護開關，水泵機組，壓力傳感器，變頻器和一些輔助器件

12、構(gòu)成。城鎮(zhèn)小區(qū)離不開自來水、水電站的共給，一般常用的供水設備為恒壓變頻供水設備。恒壓變頻供水設備類似于二次供水設施，可廣泛應用于城鎮(zhèn)小區(qū)生活供水，企業(yè)生產(chǎn)供水。1.1.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的根本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，說明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)如下列圖所示。圖1.1 供水系統(tǒng)的根本特性由圖可以看出，流量Q越大，揚程H越小。揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q(u)間的關系。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的

13、改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)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(tǒng)的工作點，如圖中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在國內(nèi)有很多的公司都在做恒壓供水系統(tǒng)，控制方式千差萬別。大多數(shù)采用變頻器控制水泵來調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力機流量，都是閉環(huán)控制。有的是采用路基電路控制，有的是采用單片機控制，有的采用PLC控制。但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，精度要求及抗干擾內(nèi)力與國外的恒壓

14、供水系統(tǒng)還存在一定的差距。原深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器，不需要外部控制設備。但該變頻器壓力閉環(huán)控制與論及控制都在變頻器內(nèi)實現(xiàn)，起輸出皆空限制了負載容量，只適用于容量小，控制精度不高的共和隨場所。而在國外早期就開始時使用變頻技術。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、變壓變頻比控制及各種保護功能1。變頻器在變頻恒壓供水系統(tǒng)中既起到控制器又起到執(zhí)行器的作用。壓力傳感器將管網(wǎng)內(nèi)的壓力信號傳送給變頻器，由變送器來進行信號比照，比較完畢的同時改變自己的輸出頻率。國外的恒壓供水工程在設計時一般都采用一臺變頻器只帶控制一臺水泵電機，很少用一臺變頻器控

15、制多臺水泵機組運行的情況，所以投資本錢高2。隨著技術的開展變頻器的驅(qū)動能力越來越強大，如法國的施耐德公司推出的恒壓供，根本，該基板上集成了PLC，PID調(diào)節(jié)器，以及變頻器硬件的。此基板專為恒壓供水系統(tǒng)設計，可同時控制7點水泵電機。但該系統(tǒng)穩(wěn)定性低，輸入輸出接口有限，不能與其他設備實現(xiàn)通訊3。所以，目前的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)有待進一步的提高，不能適應于各種供水場所，系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通訊能力，抗干擾能力，監(jiān)控能力需要進一步改善。1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點隨著我國社會的開展，城市供水負荷急劇增加，城市各類高層小區(qū)建設開展迅猛，這對小區(qū)供水提出了更高的要求。小區(qū)供水條件也是人們生活條件的必須之一，供水

16、的穩(wěn)定性直接影響人們的生活，先進的供水系統(tǒng)更能降低物業(yè)的管理本錢。傳統(tǒng)的小區(qū)的供水方式在用水量頂峰期時供水量普遍缺乏，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。這種情容易況造成用水頂峰期時供水壓力缺乏，用水低峰期時供水壓力過高，且自來水公司的生產(chǎn)設備落后、控制方式落后，不能保證而供水壓力到達正常標準，嚴重影響了人們的用水。所以對供水系統(tǒng)的技術改造已經(jīng)迫在眉睫，技術改造的目的是提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此根底之上配備相應的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式?，F(xiàn)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)得到了廣泛的應用，其優(yōu)點如下：1恒壓供水 變頻變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了管網(wǎng)內(nèi)供水壓力穩(wěn)定，不隨流量的大范圍的變化而變化，從而

17、可以保證用戶任何時候的用水壓力，防止了小區(qū)居民在頂峰期吃不上水的情況。2自動化程度高 小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過熱、過壓、過流、欠壓、掉電保護、電泵過載保護、水面液位保護等功能。功能完善，全自動控制，無需專門人員操作減少管理本錢。3管理方便 系統(tǒng)自帶的監(jiān)測系統(tǒng)可以記錄相關的信息及設備的運行狀況，大大提高的系統(tǒng)的干禮效率。基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)集成了電機變頻技術、電氣控制、PLC技術、上位機監(jiān)控技術、傳感器技術，使得自動控制更加方便、實用、節(jié)能。所以設計該系統(tǒng)對人們正常的生活用水、企業(yè)用水都有很高的意義。1.4 本課題要完成的工作及預期目標完成的工作：本次設計已實現(xiàn)管網(wǎng)壓力不變?yōu)槟繕?，以實現(xiàn)

18、三臺水泵做變頻運轉(zhuǎn)為對象；其中PLC為中央控制器，使用PLC內(nèi)部的PID指令對輸入數(shù)據(jù)進行運算；對PLC和變頻調(diào)速原理進行簡單的介紹；運用組態(tài)王軟件實現(xiàn)系統(tǒng)各個局部的組態(tài)；硬件設備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖；按照各項要求設計電氣接線圖及原理圖，按照動作的執(zhí)行順序設計PLC梯形圖。 第2章 供水系統(tǒng)設計2.1 系統(tǒng)的控制方案擬定本設計的對象是住宅小區(qū)的供水要求，由于高層用戶對水壓的要求高，在用水頂峰期時，水壓低，高層用戶可能無法正常使用水，水壓高時造成資源浪費。供水公司的水先儲存的水池中，按照用戶的需求給用戶提供水源。在水池中參加水泵，通過水泵可

19、以把水提供用戶?，F(xiàn)在我國的變頻恒壓供水設備控制方式主要有：單片機變頻控制方式、邏輯電路控制方式、PLC變頻控制方式。1單片機和變頻器共同控制方式：這種控制方式雖然能夠精確水泵的變頻控制和工頻迸之間的相互切換，但是這種控制方式不靈活，不能準確應對管網(wǎng)情況變化。不能準確對控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，且功能有限。如果需要抗干擾還需要加上保護電路，更換維護較為麻煩。2邏輯元器件和普通電機控制方式：這種控制方式本錢較低，只有簡單的邏輯控制點元件組合在一起，按照預定的邏輯順序進行控制。這種控制方式是最早國外常用的控制方式，沒有實現(xiàn)對電機的調(diào)速運行，水泵全為工頻水泵，不能進行變頻工作并且對管網(wǎng)的沖擊壓力較大。對于這個

20、供水系統(tǒng)來說，控制精度不高，和單片機變頻控制方式一樣抗干擾能力較弱，不能隨時對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控。3PLC和變頻器共同控制方式：這種控制方式較為靈活，控制精度較高，可以安裝上位機監(jiān)控系統(tǒng)，隨時隨地對整個供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。采用PLC控制較為方便，PLC可以擴展數(shù)字模塊，模擬模塊和通信模塊，后期如果要追加功能，硬件安裝更換和軟件調(diào)試較為方便。由于PLC結(jié)構(gòu)與應用性使其應用各種生產(chǎn)生活場合，穩(wěn)定性強、抗干擾能力高。PLC的現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)和通信抗干擾能力優(yōu)于其他單片機控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的實用性、可靠性有很大的提高。 綜合以上三種方案：第一種方案雖然結(jié)構(gòu)簡單，且本錢較低但是，控制方式不靈活，后期維護較

21、為麻煩。第二種方案，相對于第一種方案結(jié)構(gòu)更為簡單，本錢更低，但是沒有變頻器，無法實現(xiàn)水泵均勻調(diào)速。第三種方案，相對與前兩種方案雖然本錢較高，但是控制精度高，抗干擾能力較強?，F(xiàn)在國內(nèi)外均采用第三種方案。2.2 供水系統(tǒng)組成 如下圖，本系統(tǒng)采用PLC與變頻器控制結(jié)合的控制方式，并用計算機上位機對該系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作，保證系統(tǒng)的平安性和穩(wěn)定性。改系統(tǒng)主要有PLC，變頻器，壓力傳感器，水泵以及上位機組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設計有一個蓄水池，三個水泵，其中一個水泵受變頻器的控制，另外兩個電機根據(jù)管網(wǎng)壓力的大小，進行選擇性的工頻運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的大小控制變頻水泵與工頻水泵的切換。每臺水泵的電路控制

22、具有接觸器控制，且每臺水泵的出水管均安裝有手動閥門以供以后維修。圖2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖恒壓控制系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如下1信號檢測模塊：整個變頻供水系統(tǒng)總共有兩個檢測信號傳感器，分別是壓力傳感器和液位傳感器。液位傳感器的作用是檢測水池的水位，檢測水源是否充足，該傳感器的信號是數(shù)字開關信號。此信號可以選用常閉信號，當水位正常時收到的信號為高電平，水位異常是PLC收到的信號為低電平。當收到低電平信號時，對整個系統(tǒng)進行保護，以防止水泵抽空二損壞電機。壓力傳感器是整個系統(tǒng)管件局部，用以檢測用戶管網(wǎng)的壓力，將壓力檢測信號傳給PLC，以供PLC進行數(shù)據(jù)處理。由于此傳感器輸出信號模擬信號，所以需要將信號進行

23、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。2電氣控制模塊：這是整個供水的系統(tǒng)的核心，主要由PLC、變頻器、平安開關、接觸器和輔助電控設備組成。變頻器的作用主要是控制水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)PLC的的信號改變調(diào)速泵的運行頻率。平安開關、接觸器和輔助電氣電控對主電路的控制和保護，可以有效地防止電路過載、過熱。PLC對整個供水系統(tǒng)的信號進行采集，包括管網(wǎng)壓力信號、水池水位信號和報警信號。PLC將收集到得管網(wǎng)壓力信號和設定的壓力值進行比照，將控制結(jié)果傳送給變頻器或者水泵接觸器。另外PLC還可以計算機上位機進行通訊，接受上位機數(shù)據(jù)信息。3執(zhí)行機構(gòu)：該局部主要包括三臺水泵，其中一條水泵處于變頻狀態(tài)，由變頻器控制，當管網(wǎng)內(nèi)的壓力變化時，可以根

24、據(jù)壓力的大小改變水泵的轉(zhuǎn)速以滿足控制的要求。另外兩臺水泵處于工頻狀態(tài)，當管網(wǎng)內(nèi)的用水量已經(jīng)超出了變頻泵滿頻(50Hz)的時工作輸出能力時，兩臺工頻迸相繼進入工作以滿足用戶的供水量。 (4)上位機控制機構(gòu):該局部是計算機上位機遠程控制系統(tǒng)，用戶一方面可以同過上位機輸入管網(wǎng)內(nèi)的壓力，上位時機將數(shù)據(jù)傳送給PLC，以供PLC進行壓力比照。用戶還可以從上位機對整個供水系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控并且做數(shù)據(jù)記錄。5報警系統(tǒng)：為了保證恒壓供水系統(tǒng)平安正常的運行，本系統(tǒng)設計了報警裝置、用以防止因水泵過載、空載、變頻器報警、浪涌電壓、電路過流、蓄水池供水缺乏等問題的發(fā)生。報警系統(tǒng)將報警信號傳給PLC和上位機，PLC根

25、據(jù)報警信號的分類作出相應的處理，來保護整個運行系統(tǒng)。2.3 系統(tǒng)硬件設計本系統(tǒng)的控制是以PLC為控制核心的，根據(jù)供水系統(tǒng)的的工藝要求和工作流程設計了控制系統(tǒng)的硬件框圖，如下圖圖2.2 控制系統(tǒng)的硬件框圖改控制系統(tǒng)主要包括信號輸入機構(gòu)，控制機構(gòu)和輸出機構(gòu)。其中輸入機構(gòu)包括壓力變送器，液位變送器?？刂茩C構(gòu)包括PLC，A/D裝換模塊，通訊模塊及變頻器。輸出機構(gòu)包括水泵機組和人機界面。壓力變送器把信號傳送個A/D轉(zhuǎn)換模塊；人機界面可以和PLC進行雙向通訊，一方面將壓力設定值傳給PLC，另一方面PLC將報警提示信號從人機界面顯示出來；PLC還可已接受來自各方面的報警信號，還可以和變頻器進行雙向通訊，控制

26、變頻器的輸出頻率。2.4 電氣主電路設計電氣主電路接線圖如下圖圖2.3 系統(tǒng)主電路接線圖L1、L2、L3為整個供水系統(tǒng)的主電源，F(xiàn)U為主電源的熔斷器。QS1、QS2、QS3、QS4為空氣開關，其中QS1控制變頻器電源，QS2、QS3、QS4分別控制水泵M1、M2、M3工頻電源；KM1、 KM3、 KM5主電源到水泵為接觸器，KM1、 KM2、 KM3受PLC的控制，按照程序分別啟動相應的水。由于系統(tǒng)正常運行時只有一點水泵以變頻方式運行，其他兩臺水泵按照工頻方式運行，所以在對PLC進行編程的時候KM1、 KM3、 KM5三個接觸器一定要相互自鎖；KM2、 KM4、 KM6為變頻器到水泵的接觸器，

27、作用是選擇相應的水泵做變頻運行。變頻器的R、S、T與主電源相接，U、V、W分別與三個水泵相接作為水泵的變頻電源；FR1、FR2、FR3分別為水泵M1、M2、M3的熱保護繼電器，可以防止水泵電機過載。本設計只需要一個變頻器即可實現(xiàn)三個水泵電機的均勻調(diào)速。根據(jù)逛網(wǎng)內(nèi)的壓力變化，來控制第幾臺水泵電機以變頻方式運行，哪臺水泵以工頻方式運行。2.5 供水系統(tǒng)工作過程圖2.4 恒壓供水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖工作人員將管網(wǎng)壓力輸入到上位機系統(tǒng)，上位機通過與PLC通訊將壓力設定值數(shù)字信號傳送給PLC。同時壓力變送器將從官網(wǎng)獲得的壓力信號傳送到PLC，由于壓力信號為420mA的電信號，所以PLC通過A/D轉(zhuǎn)換將壓力傳送

28、信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并與壓力設定值進行比照，將比照后的偏差值進行PID運算，再講運算后的信號通過D/A轉(zhuǎn)換模擬信號，并把模擬信號傳送給變頻器，改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的供水流量。從而使管網(wǎng)壓力與設定壓力保持一致。系統(tǒng)工作流程如下：1電氣系統(tǒng)上電：首先系統(tǒng)通電，將所有的平安開關翻開，讓所有的設備通電。PLC根據(jù)輸入到其內(nèi)部的信號進行自檢，包括變頻器信號，水位信號，及壓力變送器的信號。第一臺水泵電機一直處于變頻狀態(tài)，其他水泵處于待機狀態(tài)。2增泵過程：給供水系統(tǒng)上電，系統(tǒng)進去運行狀態(tài)，PLC首先讓變頻器與一臺水泵通電。PLC將壓力傳送值和壓力設定值進行比較，將比照后的偏差值進行PID運算，并

29、把運算頻率傳送給變頻器，改變電機的轉(zhuǎn)速，從而控制水泵的供水流量，保持管網(wǎng)壓力不變。當變頻器的工作頻率到達上限50Hz時，變頻器將到達上限信號傳送給PLC。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力的信號和變頻器的上限信號判斷是否啟動下一代水泵。當變頻器的到達上限頻率時，PLC通過控制接觸器和變頻器將第一臺變頻水泵切換為工頻運行，并將第二臺水泵做變頻運行。PLC繼續(xù)將壓力設定值和壓力傳送值進行比較，并進行PID運算，使管網(wǎng)壓力保持在設定壓力的范圍之內(nèi)。3減泵過程：當管網(wǎng)壓力增大，用水量減少時，那么各泵依次推出運行。和增泵過程電機的工作順序完全相反。根據(jù)情況的不同選擇的減泵方式也不一樣。如果三臺水泵均在運行，按照增泵的條

30、件，第三臺水泵肯定是以變頻工作方式運行，第一臺和第二臺水泵那么以工頻方式運行。此時管網(wǎng)壓力增大，如果第三臺水泵以最低工作頻率運行還沒有降低官網(wǎng)的壓力，那么第三臺水泵停止運行，將變頻器與第二臺水泵聯(lián)接。切換的同時第二臺水泵起初滿頻率運行，后來頻率慢慢降低直到管網(wǎng)壓力與設定壓力保持一致。如果第二臺水泵以最低頻率運行也為到達要求，那么第二臺水泵停止運行，將變頻器與第一臺水泵連接，第一臺水泵以變頻方式運行。 實際操作過程中受到我國供電電源頻率的影響，變頻器的最大輸出功率不能無限放大，上限頻率最大為50Hz。另外變頻器的最小輸出頻率為0Hz，當變頻器以0Hz輸出時，水泵電機沒有轉(zhuǎn)速，由于管網(wǎng)壓力的原因，

31、會對電機形成一個反向沖擊損壞電機。所以在實際操作過程中變頻器的最低輸出頻率不能0Hz，一般選用20Hz。由此可知道變頻器的輸出頻率范圍應保持在20Hz到50Hz之間。第3章 電氣控制系統(tǒng)硬件的介紹及選型3.1 PLC選型3.1.1 PLC的介紹PLC介紹：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件的要求進行動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，如早期的繼電器控制，這些功能是通過氣動或電氣繼電器控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1969年美國數(shù)字公司DEC按照將程序控制應用于電氣控制，改電氣控制系統(tǒng)基于集成電路和電子技術的控制裝置，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Con

32、troller。隨著個人計算機的普及，同時也為了將可編程序控制器區(qū)別于其他的個人計算機，將可編程程序控制器定名為Programmable Logic ControllerPLC，現(xiàn)在，仍常常將PLC簡稱PC。PLC的定義有許多種。國際電工委員會IEC對PLC的定義是：可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?，F(xiàn)在的PLC為電腦技術和繼電器控制結(jié)合的產(chǎn)物，擁有了更高的運算速率、更小的體積、抗干擾性強。PLC還可

33、以進行PID運算、數(shù)字通訊，現(xiàn)在PLC多設計為模塊化，可以擴展數(shù)字接口、模擬接口，日益受到鋼鐵、石油、煤化工、裝備制造、交通運輸、建材施工等各個行業(yè)的歡送。3.1.2 PLC的選型PLC是控制機構(gòu)的核心，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、時間控制、計數(shù)控制，用戶只需將編程好的梯形圖下載到PLC即可，PLC便自動按照程序執(zhí)行動作。恒壓控水系統(tǒng)的PLC的功能：PLC對整個供水系統(tǒng)的信號進行采集，包括管網(wǎng)壓力信號、水池水位信號和報警信號。PLC將收集到得管網(wǎng)壓力信號和設定的壓力值進行比照，將控制結(jié)果傳送給變頻器或者水泵接觸器。另外PLC還可以計算機上位機進行通訊，

34、接受上位機數(shù)據(jù)信息。我們在對PLC進行選型時要考慮好輸入輸出點數(shù)、存儲器容量、運算能力、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能及處理速度。根據(jù)此次系統(tǒng)的設計要求選用西門子S7-200PLC，小型PLC中，S7-200系列PLC價格低廉能滿足多種集成功能的需要。 S7-200系列PLC具體有以下優(yōu)點：1數(shù)據(jù)存放和計算機采用相同的存儲方式，使得工程人員更容易掌握2采用結(jié)構(gòu)化程序設計，S7-200系列PLC指令中包含了一些機構(gòu)化的一些指令如比較指令、跳轉(zhuǎn)指令、子程序調(diào)用指令，標記指令及中斷指令。是的的程序的結(jié)構(gòu)更加的清晰，穩(wěn)定性高。3數(shù)據(jù)處理與運算能力強，S7-200系列PLC除了能進行邏輯控制以外

35、，還可以進行碼制轉(zhuǎn)換，正點運算，浮點運算。PLC還可以進行PID運算，這樣PLC可以完成控制多臺變頻器比例同步，對模擬量實行PID調(diào)節(jié)。4通訊功能強大 S7-200系列PLC通過RS485接口可以直接和其他廠家的設備進行通訊，如與人機界面的通訊以及實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控和控制。5中斷程序反響快，S7-200系列PLC內(nèi)部集成高速輸入和高速輸出功能。其內(nèi)部有專門處理中斷時間的指令，以提高中斷反響速度。6指令集豐富，在操作過程中給用戶提供了豐富的指令，使用戶編程更加便利。 所以本次設計啊選用了S7-200系列PLC，同時該系列PLC包含了多種CPU。本次設計輸入點數(shù)目為5個，包括4個數(shù)字輸入信號和一個

36、模擬輸入信號。輸出點數(shù)目為12個，包括11個數(shù)字輸出信號和一個模擬輸出信號。考慮到恒壓供水系統(tǒng)的I/O數(shù)及系統(tǒng)的類型。本次設計采用CPU226，該CPU共有24個數(shù)字輸入接口和16個數(shù)字輸出接口，同時該CPU包含兩個RS485通訊接口，一方面可以上位機通信，一方面可以和變頻器進行通訊。CPU260滿足本次設計的要求。由于本次設計需要一個模擬量輸入及一個模擬量輸出，所以要擴展A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換的EM235模塊，該模塊的模擬量輸入電樞為4，分辨率為12位A/D轉(zhuǎn)換器。模擬量輸出點數(shù)為1，分辨率電流為電壓12位，電流11位。該模塊可以通過對其設置滿足不同類型的設備信號輸入及信號輸出要求。EM23

37、5參數(shù)如下表所示：表3.1 EM235的常用技術參數(shù)模擬量輸入特性模擬量輸入點數(shù)4輸入范圍電壓單極性010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV 電壓雙極性±10V ±5V ±2.5V ±1V ±500mV ±250mV ±100mV ±50mV ±25mV電流020mA數(shù)據(jù)字格式雙極性 全量程范圍-32000+32000單極性 全量程范圍032000分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特性模擬量輸出點數(shù)1信號范圍電壓輸出 ±10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓-32000+

38、32000電流032000分辨率電流電壓12位電流11位根據(jù)不同的要求設置DIP開關，DIP開關決定了所有的輸入設置。也就是說開關的設置應用于整個模塊，開關設置也只有在重新上電后才能生效。3.2 水泵電機的選擇水泵的合理選擇直接影響到系統(tǒng)的兩個重要指標：1、運行費用，包括用電量。2、維護費用，主要指設備的日常維護。所以水泵的選擇要滿足以下幾方面：（1） 流量、揚程、功率滿足客戶要求。（2） 水泵的供電要求要滿足當?shù)氐囊蟆?選擇使用壽命長的水泵及維護簡單的水泵。通過以上標準選擇本次設計選用上海上誠ISW100-350臥式離心泵。泵軸的絕對同心度及葉輪優(yōu)異的動靜平衡，保證平穩(wěn)運行，絕無振動，不同

39、材質(zhì)的硬質(zhì)合金密封，保證了不同介質(zhì)輸送均無泄漏，結(jié)構(gòu)簡單合理，關鍵局部采用國際一流品質(zhì)配套，整機無故障工作時間大大提高。維修方便，更換密封、軸承、簡易方便。系列流量范圍2000m3/h，揚程范圍5125m，ISW100-350臥式離心泵的功率為80W滿足小區(qū)供水系統(tǒng)的要求。3.3 變頻器的原理及選型3.3.1 變頻器的調(diào)速原理水泵電機多采用三相異步交流電動機，異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 其中：f表示電源工作頻率p表示電動機極對數(shù)s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有： (1) 改變電機極對數(shù)p：在輸出功率不變的情況下，電機的極對數(shù)越多，電機的轉(zhuǎn)速就越低，但它的扭矩就越大。所以在選用電

40、機時，考慮負載需要多大的起動扭矩。這種調(diào)速方法是改變籠式電動機定子極對數(shù)p以得到不同的轉(zhuǎn)速。如何改變磁極對數(shù)，取決于定子繞組的接線方式。此法只適合三相籠式異步電動機，而不適合三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大。(2) 改變轉(zhuǎn)差率s：對于轉(zhuǎn)子電阻大，機械特性曲線較軟的鼠籠式異步電動機，加在定子繞組上的電壓發(fā)生改變，那么負載轉(zhuǎn)矩對應于不同的電源電壓，可獲得不同的轉(zhuǎn)速。由于低壓時機械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大。 (3) 改變電源頻率f：由轉(zhuǎn)速公式可知，當轉(zhuǎn)差率s變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n根本上與電源頻率f成正比。其中改變電源頻率f是比較方便和有效的方法，只要改變了電源頻率f就能夠

41、改變電動機的轉(zhuǎn)速，但是另一方面，U=E=4.44f*N*K*,其中U是電源電壓，E是定子繞組的感應電動勢，f是電源頻率，N為繞組線圈匝數(shù)，k為繞組分布系數(shù)，為磁通量，從這個公式我們可以看出，如果減小f，U不變的話，那么必然變大，因為電機的磁路設計都是按照一定的磁通量設計的，如果增大，那么磁路有可能就進入了飽和狀態(tài)，導致?lián)p耗加大，溫升過大，倒是損壞電機絕緣，甚至燒毀電機，所以必須保證為恒定，因此相應的也應該減小電源電壓U ，同理，f增大，U也要增大，我們必須保證u/f為一個常量。3.3.2 變頻器的介紹變頻器的工作原理：是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電

42、力控制設備。變頻器主要由濾波、整流、逆變直流變交流、驅(qū)動單元、微機處理單元等組成 。變頻器通過改變供電電源的頻率，改變相應電機的運轉(zhuǎn)速度。其主要方式是將電源的交流電整流變成直流，再通過逆變器將直流變成所需頻率的交流。高級的變頻器自帶中央處理器，可以直接進行閉環(huán)控制。運用變頻器可以實現(xiàn)節(jié)能，許多電動機都是在定頻狀態(tài)下運行，按照電源的頻率進行工作。如在特定的場合那么需要電機轉(zhuǎn)速能收到控制，在變頻的方式運行可以降低能耗。變頻器的分類：變頻器可以按多種方式進行分類。按照控制電源的方式不同，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三

43、相變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器等。3.3.3 變頻器的型號選擇變頻器可以改變電機的轉(zhuǎn)速從而改變了水泵的供水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機的功率進行選擇。另外由于本次設計需要對變頻器的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，所以選擇的變頻器應具有通信功能。變頻器按照用途分類，可以分為通用變頻器，高頻變頻器、高性能變頻器、單項變頻器和三相變頻器。由于供水系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)為水泵，所以可以選用通用變頻泵。為了使變頻器與西門子PLC的 CPU226更好的通信，所以選用了西門子的MicroMaster440變頻器。MicroMaster440變頻器是兩門子推出的可以

44、廣泛應用的多功能標準變頻器。它采用高性能的矢量控制技術，提供低速高轉(zhuǎn)矩輸和良好的動態(tài)特性，同時具備超強的過載能力，以滿足廣泛的應用場合。創(chuàng)新的Bico(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無可比較的靈活性。主要特性如下：(1)調(diào)試簡單；(2)模塊化結(jié)構(gòu)，因此組態(tài)的靈活性很大；(3)6個可編程帶電位隔離的數(shù)字量輸入；(4)兩個可標定的模擬量輸入(O一10 V，O一20mA)也可以被用作第7個或者第8個數(shù)字量輸；(5)2個可編程的模擬量輸出(0一20 mA)；(6)3個可編程的繼電器輸出；(7)當使用高調(diào)制脈沖頻率時電動機運行的噪聲很小，調(diào)制脈沖頻率可以分級調(diào)整。(8)可以保護電動機。由于MicroMaster4

45、40變頻器的輸出功率為0.75250kw,符合水泵電機的功率要求。其采用模塊化設計可以很好的和PLC進行通訊。 傳感器的選型本系統(tǒng)需要兩個傳感器：壓力傳送器和液位變送器。 壓力傳送器選型：壓力傳感器的作用是將管網(wǎng)壓力的信號傳送給PLC，其輸出信號為模擬信號。壓力傳感器一般采用硅壓阻效應原理，硅片根據(jù)外界壓力的變化其組織也發(fā)生相應的變化，根據(jù)現(xiàn)場情況我們選用的是420mA的壓力變送器。選用的壓力變送器量成為0-3MPa，適應環(huán)境溫度為280 。額定電壓為24V左右。其電路接線圖如下列圖所示： 圖3.1 壓力傳送器電路接線圖液位傳送器選型：液位傳送器的作用是檢測水池內(nèi)的液面高度，將液面報警信號發(fā)送

46、給PLC，以防止水泵空載運行，其輸出信號也為420mA模擬信號。根據(jù)要求我們選用的是金湖聯(lián)儀的 LY-700電容式液位變送器。LY-700電容式液位變送器適用于高溫高壓、強腐蝕、易結(jié)晶、易堵塞等惡劣條件下連續(xù)檢測各種液體。適合測量污水、酸堿溶液、和鍋爐的水位,整機無任何可動或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高。其檢測范圍為，精度為級，環(huán)境溫度為-50250度。符合水位檢測要求。 硬件選型表如下表3-1所示；表3.1 本系統(tǒng)主要硬件設備清單主要設備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器PLC西門子CPU 226模擬量擴展模塊西門子 EM 235變頻器西門子 MM440水泵機組ISW10

47、0-350臥式離心泵3臺上海上誠液位變送器LY-700電容式液位變送器 金湖聯(lián)儀設備)第4章 控制系統(tǒng)方案設計4.1 硬件方案設計設計 4.1.1 PLC外圍電路PLC的I/O分配設計：根據(jù)恒壓供水系統(tǒng)的控制要求，PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)I/O接口如表所示 表4.1 PLC的I/O分配名 稱標 識地址編號輸入信號運行模式開關SA1水池水位上下限報警信號SLHL變頻器報警信號SU手動調(diào)試按鈕信號SB7壓力變送器輸出模擬量電流值IpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器KM11#泵變頻運行接觸器KM22#泵工頻運行接觸器KM32#泵變頻運行接觸器KM43#泵工頻運行接觸器KM53#泵變頻運行接觸器KM

48、6輸出信號水池水位上下限報警燈HL1變頻器報警燈HL2運行模式指示燈HL3報警喇叭HA變頻器頻率復位KA變頻器輸入電流信號IfAQW0本設計包括4個數(shù)字量輸入信號和11個數(shù)字量輸出信號，其中為系統(tǒng)運行模式輸入信號，此信號由兩位旋鈕控制；為水池水位下限信號，次信號由液位傳感器向PLC輸入，低電平有效；變頻器報警信號，此信號為變頻器發(fā)出過載信號；為手動調(diào)試按鈕信號，此信號由兩位按鈕控制，方便用戶進行手動調(diào)試；控制1#泵工頻運行接觸器KM1動作，高電平有效；控制1#泵變頻運行接觸器KM2動作，高電平有效；控制2#泵工頻運行接觸器KM3動作，高電平有效；控制2#泵變頻運行接觸器KM4動作，高電平有效；

49、控制3#泵工頻運行接觸器KM5動作，高電平有效；控制3#泵變頻運行接觸器動作，高電平有效。另外本次設計還有一個模擬量輸入信號和一個模擬量輸出信號需要通過擴展EM235模塊來實現(xiàn)其功能。其中模擬量輸入接口為AIW0，接受壓力變送器的模擬量信號，選用420mA電流信號；模擬量輸出接口為AQW0，向變頻器發(fā)送調(diào)頻信號，信號類型為420mA電流信號。PLC的外圍電路接線：根據(jù)控制電路要求以及結(jié)合I/O口的分配，PLC的外圍接線圖如下圖：圖4.1 S7-200外圍接線圖 MicroMaster440外圍接線 此次恒壓供水系統(tǒng)選用MicroMaster440變頻器，變頻器的外圍口電路如下列圖所示：圖4.2

50、 MicroMaster440變頻器接口圖其中繼電器1用于變頻器的報警信號輸出，20接口接24V正電源，18接口接入PLC的輸入接口，變頻器的參數(shù)設定P0731，默認值為。 對于變頻器的控制接口選用選用的是模擬量輸入通道2接口，電流信號為4-20mA，參數(shù)設置如下表所示。表4.2 MicroMaster440變頻器模擬量通道參數(shù)設定4.2 系統(tǒng)程序設計恒壓供水系統(tǒng)的硬件電路確定之后，恒壓供水系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)。對同一個硬件電路，配以不同的軟件，它所實現(xiàn)的功能就不同，而且有些硬件電路功能?？梢杂密浖頃r實現(xiàn)。本課題程序設計使用西門子STEP7-MicroWIN_V40軟件，此軟件試

51、用于S7-200系列PLC，本次設計采用梯形圖編程。用juan luis villanueva設計的漢化版S7-200 PLC 仿真軟件實現(xiàn)程序仿真。程序的設計主要包括：一個主程序，一個PID中斷子程序，和初始化子程序。 恒壓供水系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)主程序主要完成所有數(shù)據(jù)的初始化、變頻器的啟動、水泵的啟動、水泵的切換、進行PID運算和報警等功能。主程序要求如下：（1） 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)啟動以后對所有的數(shù)據(jù)進行初始化，完成對各個局部工作狀態(tài)的查，如果有錯誤那么通過PLC報警，然后對變頻器的上限頻率和下線頻率進行設定。（2） 變頻器的啟動系統(tǒng)按照程序?qū)λ秒姍CM1進行變頻控制，其他兩臺水泵不需要進行啟

52、動。需要通過需要控制接觸器來完成此功能，且接觸器要相互自鎖。按照管網(wǎng)的壓力進行加泵或者減泵動作。（3） 水泵的的啟動所用的水泵在加泵或者檢泵的過程中，變頻器都應該介入，以實現(xiàn)水泵電機的軟啟動，保護電機。且每臺水泵工作時間不能過長，工作時間超過3小時，那么切換水泵或者停止該水泵。（4） PID運算在主程序當中應該完成壓力變送器的值與變頻器的輸入值進行比較，完成PID運算，將結(jié)果傳送給變頻器。且PID運算值大于或者小于變頻器的變頻器的工作頻率時，進行300秒的定時，在時間內(nèi)完成水泵的切換，以防止水壓波動。（5） 報警信號主要是完成水位限位，變頻器故障報警，當切換到手動模式時，報警信號依然存在，直至

53、故障排除。主程序流程圖如下列圖所示： 圖4.3 主程序流程圖系統(tǒng)啟動后先調(diào)用初始化子程序，完成 各項初始值的設定及檢測，接著設定變頻器泵號，方便PLC控制。根據(jù)PLC管網(wǎng)壓力變送器的信號及變頻器是否到達上限頻率或者下限頻率，來判斷是否進入增泵過程或者減泵過程。如果增泵，復位變頻器，當前泵工頻運行，下臺泵做變頻運行，如果單臺泵運行時間超過3個小時，那么當前泵停止運行，切換別的泵運行。當遇到水位越線，變頻器故障時，產(chǎn)生報警信號。水泵變頻運行流及工頻運行程圖如下列圖所示圖 水泵的變頻運行及工頻運行流程圖系統(tǒng)啟動后水泵是否接收到變頻運行或者工頻運行信號，如遇到變頻運行脈沖信號，檢查系統(tǒng)是否有故障，是否

54、有變頻器復位脈沖信號，一切正常那么進入變頻運行；如果接收到工頻信號，檢查第幾臺水泵做變頻運行，接著檢查工頻泵樹是否大于1，一切正常那么進入工頻運行。由于主程序提梯形圖較多所以，所以主程序梯形圖附錄在附件中。 中斷程序設計為了保證PLC進行能及時PID的運算處理，將PID運算設置為中斷程序。保證其運行的可靠性。由壓力變送器將模擬信號送入PLC的AIW0接口，經(jīng)過A/D處理后，與設定值做比較，把比較結(jié)果經(jīng)過PID運算并把運算結(jié)果進行D/A轉(zhuǎn)換。最后通過AIW0輸出模擬信號。中斷子程序如下列圖所示。圖4.5 中斷子程序圖 子程序設計系統(tǒng)啟動以后對所有的數(shù)據(jù)進行初始化，完成對各個局部工作狀態(tài)的查，如果

55、有錯誤那么通過PLC報警，然后對變頻器的上限頻率和下線頻率進行設定。設定變頻器的上限為50HZ下限為20HZ 圖4.6 初始化子程序流程圖4.3 中間存放器說明由于此次程序的設計較為煩瑣，所以程序中加油中間繼電器及中間存放器。本設計需要時間繼電器5個，分別為T33，T34，T35，T37，T38，其中T33，T34，T35工作方式為TON，時基為10ms，T37，T38工作方式為TON，時基為100ms；另外需要需要中間12個繼電器M和數(shù)據(jù)存儲，包括雙字存儲單字存儲。指令繼電器和數(shù)據(jù)存儲說明如下表4.3所示：表4.3 繼電器和數(shù)據(jù)存儲說明器件地址功 能器件地址功 能T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD100過程變量標準化值T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD104壓力給定值T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PID計算值T37工頻泵增泵濾波時間控制VD112比例系數(shù)KcT38工頻泵減泵濾波時間控制VD116采樣時間Ts故障結(jié)束脈沖信號VD120積分時間Ti水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD124微分時間Td水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD204變頻運行頻率下限值倒泵變頻啟動脈沖VD208變頻運行頻率上限值復位當前變頻泵運行