畢業(yè)設(shè)計(jì)論文_基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

anyang institute of technology 科 畢 業(yè) 論 文 基于plc的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)系（院）名稱： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 09級電氣自動化技術(shù)（2）班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 2012 年 5 月基于plc恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)對工業(yè)用水和居民生活用水都具有重大意義。因此開發(fā)一種新型的、自動化程度高、可靠性高、節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。本設(shè)計(jì)是針對居民生活用水而設(shè)計(jì)的。由變頻器、plc、pid調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動機(jī)泵組由三臺水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機(jī)泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要,也能提高整個系統(tǒng)的效率,延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用plc控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由plc進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力凋節(jié)。經(jīng)過pid運(yùn)算，通過plc控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變頻供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 恒壓供水 pid調(diào)節(jié) plc 目錄引言1第1章 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案21.1恒壓供水系統(tǒng)的方案選擇21.2恒壓供水系統(tǒng)的控制原理41.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制要求5第2章 恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)62.1變頻器的設(shè)計(jì)62.2 pid控制器的設(shè)計(jì)72.2.1 pid控制器的選擇72.3 plc的設(shè)計(jì)92.3.1 plc系統(tǒng)選型92.3.2 i/o分配102.4 plc控制系統(tǒng)原理圖112.4.1主電路圖112.4.2控制電路圖122.4.3 plc硬件結(jié)構(gòu)圖142.4.4 擴(kuò)展模塊的外圍接線142.5擴(kuò)展單元功能及用途15第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試173.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及流程圖173.1.1程序設(shè)計(jì)173.1.2系統(tǒng)流程圖183.2 相關(guān)控制功能的實(shí)現(xiàn)203.3 故障診斷與報(bào)警方式的輸出213.4 plc系統(tǒng)的調(diào)試21結(jié)論23致 謝24參 考 文 獻(xiàn)25附錄a.26附錄b2730引言進(jìn)幾十年來變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)化國家已開始了規(guī)模的應(yīng)用。80年代末，我國的民用及工業(yè)建筑電氣設(shè)計(jì)等領(lǐng)域也開始使用變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速與傳統(tǒng)（如直流電機(jī)調(diào)速）比較，具有很大的優(yōu)越性：整個系統(tǒng)體積小，重量輕，控制精度高，保護(hù)功能完善，操作過程簡便、可靠性高、通用性強(qiáng)，尤其是該技術(shù)用于一些高耗能設(shè)備的控制上，具有非常顯著的節(jié)能效果：通過對用電設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，可使總耗電量減少30%40%，節(jié)能的量級產(chǎn)生了一種飛躍。 變頻供水是從20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)供水應(yīng)用新技術(shù)，主要用于水廠、各種類型的生產(chǎn)廠、高層樓宇的供水系統(tǒng)，具有水壓恒定、噪聲小、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于供水系統(tǒng)在運(yùn)行中流量和水壓在一天中的變化較大，如果使用傳統(tǒng)的電氣控制，設(shè)備啟動頻繁，電流和水壓沖擊嚴(yán)重及設(shè)備維修量大，而且對供水壓力的控制來說也很麻煩，總得人工對水泵進(jìn)行啟停及水泵的出口閥進(jìn)行開關(guān)操作，在浪費(fèi)大，最終還影響供水質(zhì)量，供水成本也高，而變頻供水的出現(xiàn)是這些問題迎刃而解。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。當(dāng)前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用plc控制器，因plc不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字pid調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的crt畫面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。第1章 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案1.1恒壓供水系統(tǒng)的方案選擇 本文設(shè)計(jì)的是生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)，主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器、水泵組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報(bào)警及時迅速。在生活供水和消防供水的管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利的壓力損失。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率p與管網(wǎng)的水壓h及出水流量q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量q成正比；管網(wǎng)的水壓h與出水流量q的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率p與轉(zhuǎn)速n三次方成正比，即： （2.1） （2.2） (2.3) (2.4)式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。 圖1.1 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值，這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水，即供水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)。根據(jù)該供水系統(tǒng)的設(shè)備配置情況及供水的特點(diǎn)做如下方案如圖1.2：該供水系統(tǒng)的控制核心采用plc，配置常規(guī)電氣配電控制系統(tǒng)。圖1.2 供水系統(tǒng)的控制圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)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(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報(bào)警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)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(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給plc，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報(bào)警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(plc系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)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)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(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)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(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換。作為一個控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由plc判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。1.2恒壓供水系統(tǒng)的控制原理變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓的工作過程和原理如圖1.3：安裝于供水母管和主管道上的壓力傳感變送器將供水管網(wǎng)壓力轉(zhuǎn)換成420ma（020ma、010v等）的標(biāo)準(zhǔn)電信號，送到pid調(diào)節(jié)器（或過程控制器、plc、dcs等），經(jīng)過運(yùn)算處理后仍以標(biāo)準(zhǔn)信號的形式送到變頻器并作為變頻器調(diào)速的給定信號，也可將壓力傳感變送器的標(biāo)準(zhǔn)信號直接送到具有內(nèi)置pid調(diào)節(jié)功能的變頻器；變頻器根據(jù)調(diào)速的給定信號或通過對壓力傳感變送器的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)信號進(jìn)行運(yùn)算處理后，決定其輸出頻率實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對供水的水量及供水壓力調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了對供水管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)。 圖1.3 自動恒壓供水系統(tǒng)原理圖 1.3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制要求 plc控制的恒壓供水泵站如圖1.4所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器eq控制注水閥yv1，自動把水注滿蓄水池。只要水位低于高水位，則自動往水箱注水。水池的低水位信號也直接送給plc做為低水位報(bào)警信號。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下傳感器高低距離較小。生活用水和消防用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，維持生活用水低恒壓。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥yv2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值。 恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機(jī)供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺水泵電機(jī)配一臺變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但購變頻器的費(fèi)用較高。所以本系統(tǒng)采用另一種方案是三臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換，供水運(yùn)行時，一臺水泵變頻運(yùn)行。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同用水量的需求。 圖1.4 plc控制的恒壓供水泵站第2章 恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1變頻器的設(shè)計(jì) 變頻調(diào)速技術(shù)(vaiahle vaiahle firequency technology)是一項(xiàng)綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機(jī)工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系，即均勻改變電動機(jī)定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動機(jī)輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即p=kn3。其中p為水泵消耗功率；n為水泵運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速；k為比例系數(shù)。變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。用閥門控制水泵流量時，部分有功功率被損耗浪費(fèi)掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。如果采用降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉(zhuǎn)運(yùn)同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節(jié)能效果。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗。 交流變頻器是微計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50hz。而交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 （2.1）式中-同步轉(zhuǎn)速，r/min； -定子頻率，hz； -電機(jī)的磁極對數(shù)。而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 （2.2）式中-異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。均與送入電機(jī)的電流頻率/成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對于交流電機(jī)的調(diào)運(yùn)來說是十分合適的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用通用變頻器。其帶有pid功能。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上；u、v、w輸出端并聯(lián)三個接觸器分別接m1、m2、m3泵電機(jī)，變頻器可分別驅(qū)動三臺泵，另外這三臺泵電機(jī)還通過另外三個接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這6個接觸器線包連接到plc的四個輸出點(diǎn)上，由plc控制其工頻、變頻切換工作。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值，變頻器根據(jù)壓力給定和實(shí)測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速。變頻器有2個作用，一是作為電機(jī)的軟起動裝置，限制電動機(jī)的啟動電流；二是改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。2.2 pid控制器的設(shè)計(jì)2.2.1 pid控制器的選擇pid控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的pid控制器的控制形式主要有兩種：(1)硬件型，即通用pid控制器，在使用時只需要進(jìn)行線路的連接和p，i，d 參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。(2)軟件型，使用離散形式的pid控制算法在可編程序控制器上做 pid控制器。在該系統(tǒng)中我們用硬件型設(shè)計(jì)這樣可以減少編程。2.2.2 pid控制算法及特點(diǎn)pid控制器是根據(jù)目標(biāo)值(設(shè)定值)r(t)與反饋值(測量值)c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 。將偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： （2.3） 或 （2.4）式中： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ： 調(diào)節(jié)器的積分時間 ： 調(diào)節(jié)器的微分時間： 調(diào)節(jié)器的偏差信號： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)u： 輸出 圖2.1 pid控制原理圖簡單來說 ，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：(1)比例環(huán)節(jié)： 即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。(2)積分環(huán)節(jié) ：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)ti， ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。(3)微分環(huán)節(jié) ：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。pid調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： （2.5）當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項(xiàng)時，稱為比例(p)作用，只包含第二項(xiàng)時，稱為積分(i)作用;但只包含第三項(xiàng)的單純微分(d)作用是不采用的，因?yàn)樗荒芷鸬绞贡豢刈兞拷咏O(shè)定值的效果，只包含第一、二項(xiàng)的是pi作用;只包含第一、三項(xiàng)的是pd作用;同時包含這三項(xiàng)的是pid作用。僅用p動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加i動作的pi控制。用pi控制時，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，i動作過強(qiáng)時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用p動作控制。對于pid控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨(dú)d動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，p動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅p動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使p動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用pd控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載。利用i動作消除偏差作用和用d動作抑制振蕩作用，在結(jié)合p動作就構(gòu)成了pid控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。因?yàn)閜id控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng)效果比較好。2.3 plc的設(shè)計(jì)2.3.1 plc系統(tǒng)選型從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個、開關(guān)量輸出點(diǎn)12個；模擬量輸入點(diǎn)1個、模擬量輸出點(diǎn)1個。如果選用cpu224，則需要擴(kuò)展單元；如果選用cpu226，則價格較高，浪費(fèi)較大。參照西門子s7-200產(chǎn)品目錄及市場世紀(jì)價格，選用主機(jī)為cpu222（8人/6繼電器輸出）一臺，加上一臺擴(kuò)展模塊em222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一個模擬量模塊em235（4ai/1ao）。這樣的配置是最競技的。整個plc系統(tǒng)的配置如圖2.2所示。 圖2.2 plc 系統(tǒng)的配置2.3.2 i/o分配該系統(tǒng)有7個輸入信號和13個輸出信號，表21是將控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號。水位上下限信號分別i0.1、i0.2，它們在水淹沒時為0，時為1。表21 i/o分配名 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(bào)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(yùn)行接觸器及指示燈km1、hl1q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km2、hl2q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km3、hl3q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km4、hl4q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km5、hl5q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km6、hl6q0.5輸出信號水池水位上下限報(bào)警指示燈hl7q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈hl8q1.2白天模式運(yùn)行指示燈hl9q1.3報(bào)警電鈴haq1.4變頻器頻率復(fù)位控制kaq1.5變頻器輸入電壓信號ufaqw02.4 plc控制系統(tǒng)原理圖2.4.1主電路圖如圖2.3所示為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺電機(jī)分別為m1、m2、m3。接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運(yùn)行；電機(jī)分別為m1、m2、m3。接觸器km2、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運(yùn)行；frl、fr2、fr3分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器：qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和三合泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；fu1為主電路的熔斷器；vvvf是通用變頻器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)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(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)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(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器fr實(shí)現(xiàn)。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(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)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(jī)來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運(yùn)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(guān)斷開)，而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)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(tǒng)采用軟啟動器。圖2.3 電控系統(tǒng)的主電路圖2.4.2控制電路圖提供一個觸點(diǎn)信號。由于plc為4個輸出點(diǎn)為一組共用一個com端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨(dú)的com端輸出組，所以通過一個中間繼電器ka的觸點(diǎn)對變頻器實(shí)行復(fù)頻控制。q0.0q0.5以及q1.0q1.5為plc的輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號。（1）手動運(yùn)行按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#3#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。 （2）自動運(yùn)行合上自動開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0 hz上升，同時pid調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶詨毫鞲衅鞯臉?biāo)如圖2.4為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中sa為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，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(yùn)行時，可用按鈕sblsb8控制三臺泵的啟/停和電磁閥yv2的通斷；自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在plc程序控制下運(yùn)行。圖中的hl10為自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器r進(jìn)行復(fù)位時只準(zhǔn)信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50 hz，1#泵由變頻切換為工頻，對2#泵進(jìn)行變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)pid調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動運(yùn)行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟起動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。 圖2.4電控系統(tǒng)控制電路圖2.4.3 plc硬件結(jié)構(gòu)圖圖2.5 plc的硬件結(jié)構(gòu)圖2.4.4 擴(kuò)展模塊的外圍接線圖2.6只是簡單的表明plc及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)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(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。圖2.6擴(kuò)展模塊的外圍接線2.5擴(kuò)展單元功能及用途擴(kuò)展模塊采用1個數(shù)字量擴(kuò)展模塊em222以及1個模擬量擴(kuò)展模塊em235。em222的技術(shù)屬性是它含有8個數(shù)字量dc 24v輸入（固態(tài)），8個數(shù)字量dc 24v輸出（固態(tài)）；em235的技術(shù)屬性是它含有4模擬輸入，1模擬輸出和12位轉(zhuǎn)換。cpu本機(jī)的i/o點(diǎn)具有固定的i/o地址，cpu222的輸入點(diǎn)是從i0.0-i1.5，輸出點(diǎn)是從q0.0-q1.1,擴(kuò)展的模塊接至主機(jī)右側(cè)來增加i/o點(diǎn)數(shù)，擴(kuò)展模塊地址由擴(kuò)展模塊在i/o鏈中位置決定。輸入與輸出模塊的地址不會沖突，模擬量控制模塊也不會影響數(shù)字量控制模塊。如果i/o物理點(diǎn)與映像寄存器字節(jié)內(nèi)的位數(shù)不對應(yīng)，映像寄存器字節(jié)剩余位就不會再分配給i/o鏈中的后續(xù)模塊。輸出映像寄存器的多余位和輸入映像寄存器的多余字節(jié)可以作為內(nèi)部存儲器標(biāo)志位使用。輸入模塊在每次輸入更新時都把保留字節(jié)的未用位清零。因此，輸入映像寄存器已用字節(jié)的多余位，不能作為內(nèi)部寄存器標(biāo)志位。模擬量控制模塊總是以2b遞增模式來分配空間。缺省的模擬量i/o點(diǎn)不分配模擬量i/o映像存儲空間，所以，后續(xù)模擬量i/o控制模塊無法使用未用的模擬量i/o點(diǎn)。s7-200系列plc擴(kuò)展模塊具有與基本單元相同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，固定方式與cpu主機(jī)相同，主機(jī)及i/o擴(kuò)展模塊有導(dǎo)軌安裝和直接安裝兩種方法。導(dǎo)軌安裝是在din標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上安裝，i/o擴(kuò)展模塊裝在緊靠cpu右側(cè)的導(dǎo)軌上，具有安裝方便、拆卸靈活等優(yōu)點(diǎn)。直接安裝是將螺釘通過安裝固定螺孔將模塊固定在配電盤上，具有安裝可靠，仿震性好等特點(diǎn)。當(dāng)需要擴(kuò)展的模塊較多時，可以使用擴(kuò)展連接電纜重疊排布。表22 擴(kuò)展模塊數(shù)字量擴(kuò)展模塊em222i/o規(guī)格功能及用途do8dc24v8路數(shù)字量dc24v輸出do8繼電器8路數(shù)字量繼電器輸出模擬量擴(kuò)展模塊em235ai4/aq1124模擬輸入，1模擬輸出，12為轉(zhuǎn)換第3章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及流程圖3.1.1程序設(shè)計(jì)plc主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯則報(bào)警，接著對變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、pid控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)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(shù)。(2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)pid調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時，定時器計(jì)時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)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時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)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(yùn)行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運(yùn)行時，對連續(xù)運(yùn)行時間進(jìn)行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運(yùn)行。(4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，q0.1置1，km2常開觸點(diǎn)閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運(yùn)行，同時km2常閉觸點(diǎn)打開防止km1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，km2的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。(5) 各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則q0.0置1，km1線圈得電，使得km1常開觸點(diǎn)閉合，1#水泵工頻運(yùn)行，同時km1常閉觸點(diǎn)打開防止km2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，km1的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。(6) 報(bào)警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模式運(yùn)行指示燈以及報(bào)警電鈴。當(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報(bào)警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點(diǎn)亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運(yùn)行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。3.1.2系統(tǒng)流程圖 為了恒定水壓，在水壓降落時要增大器的輸出頻率，且在一臺泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺泵或第三臺泵。判斷需啟動新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中采取時間濾波。 由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)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(yùn)要有個管理規(guī)范。在該系統(tǒng)中，任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過3h，因此每次需啟動新泵或切換變額泵時，以新運(yùn)行泵為變頻泵是。具體的操作時，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)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，本例中使用泵號加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制(3再加1等于0)，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。低峰供水時，工作一臺水泵電機(jī)變頻調(diào)速,用水量加大時，首臺工作水泵由低速向高速調(diào)頻，當(dāng)工作頻率達(dá)到50 hz即水泵滿負(fù)荷工作時仍不能滿足用水要求時，將首臺工作水泵切換至工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速器控制第二臺水泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)，同時工作2臺水泵。如用水量進(jìn)一步增加，第二臺水泵切換至工頻運(yùn)轉(zhuǎn),變頻調(diào)速器控制第三臺水泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn),同時工作3臺水泵。供水量減少時，調(diào)速工作水泵首先由高頻段向低頻段調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵工作頻率達(dá)到柜內(nèi)微機(jī)控制器預(yù)先設(shè)定的下限工作頻率而實(shí)測水壓仍高于水壓設(shè)定值時，直接停止首臺工作水泵，第二臺泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，第三臺泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定，如2臺水泵同時工作實(shí)際水壓仍高于設(shè)定值，直接停止工頻運(yùn)轉(zhuǎn)水泵，第三臺調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖3.1。詳細(xì)的主程序梯形圖請參考附錄： 圖3.1變頻恒壓供水流程圖3.2 相關(guān)控制功能的實(shí)現(xiàn)plc在恒壓供水系統(tǒng)中的功能較多，由于模擬量單元及pid調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序分可為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。這樣可節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實(shí)現(xiàn)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(bào)警處理等都在主程序。生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90。在本系統(tǒng)pid中，只是用了比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可通過工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時間常數(shù)) 增益：采樣時間：積分時間：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過程變量標(biāo)準(zhǔn)值t38工頻泵減泵濾波時間控制vd104壓力給定值t39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制vd108pi計(jì)算值m0.0故障結(jié)束脈沖信號vd112比例系數(shù)m0.1泵變頻啟動脈沖vd116采樣時間m0.2減泵中間繼電器vd120積分時間m0.3倒泵變頻啟動脈沖vd124微分時間m0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖vd204變頻運(yùn)行頻率下限值m0.5當(dāng)前泵運(yùn)行啟動脈沖vd208生活供水變頻運(yùn)行上限值m0.6新泵變頻啟動脈沖vd212消防供水變頻運(yùn)行上限值m2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制vd250pi調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元m2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制vb300變頻工作泵泵號m2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制3.3 故障診斷與報(bào)警方式的輸出變頻器具有短路、過載等保護(hù)功能，當(dāng)變頻器所驅(qū)動的水泵電機(jī)發(fā)生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號。系統(tǒng)把各故障點(diǎn)相應(yīng)的接觸器、斷路器等元件的輔助點(diǎn)接到plc，plc掃描輸入這些觸點(diǎn)的狀態(tài)，并通過plc程序?qū)⑦@些存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)驚醒邏輯分析，判斷設(shè)備或元件是否出了故障，如果發(fā)生故障，則切斷該泵的接觸器，然后對變頻器復(fù)位，再將備用水泵的接觸器接通，啟動變頻器運(yùn)行備用泵，同時輸出該泵故障報(bào)警信號。表32 故障及報(bào)警輸出vb301變頻工作泵的總臺數(shù)m3.0故障信號匯總vd310倒泵時間存儲器m3.1水池水位下限故障邏輯t33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制m3.2水池水位下限故障消鈴邏輯t34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制m3.3變頻器故障消鈴邏輯t37工頻泵增泵濾波時間控制m3.4火災(zāi)消鈴邏輯3.4 plc系統(tǒng)的調(diào)試plc的離線調(diào)試，其主要目的是plc的用戶程序是否能滿足供水系統(tǒng)的控制要求，此項(xiàng)工作可在沒有連接變頻器的情況下進(jìn)行，可與變頻供水箱的制作同時進(jìn)行，互不影響，最突出的事離線調(diào)試時即便程序有問題，也不會損壞被驅(qū)動的設(shè)備。（1）按plc的要求準(zhǔn)備好plc的的供電電源，注意觀察，通電后plc通電燈亮；（2）調(diào)試plc的