小區(qū)高樓變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE某小區(qū)高樓變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到用戶的正常工作和生活。隨著人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，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)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠復(fù)雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理；具體分析了變頻恒水壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，通過研究和比較，得出結(jié)論:變頻調(diào)速是當(dāng)今國際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。因此本文以采用變頻器和PLC組合構(gòu)成系統(tǒng)的方式，以某居民小區(qū)水泵電動機(jī)控制系統(tǒng)為對象，逐步闡明如何實(shí)現(xiàn)水壓恒定供水。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)，控制電路設(shè)計(jì)。對輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共有13個(gè)輸入輸出點(diǎn)，根據(jù)PLC的選型原則，設(shè)備選用了在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵類專用的變頻器，利用變頻器的本身自有的軟啟動功能實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的啟動。在控制過程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器的內(nèi)置PID控制方式完成，根據(jù)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和控制要求，結(jié)合變頻器的功能參數(shù)表預(yù)置了相關(guān)的參數(shù)。在介紹了PLC的編程方法的基礎(chǔ)上，選用了適合初學(xué)者的邏輯代數(shù)編程，寫出了恒壓變頻供水的邏輯代數(shù)，并設(shè)計(jì)了梯形圖，利用PLCSIM仿真軟件進(jìn)行了仿真，仿真的結(jié)果表明了設(shè)計(jì)程序的正確性。利用了WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了高樓變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的界面，界面可動態(tài)反映水泵變頻供水的工作狀態(tài)。最后對恒壓供水進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，分析的結(jié)果表明具有明顯的節(jié)能效益。關(guān)鍵詞：恒壓供水，變頻調(diào)速，PLC，設(shè)計(jì)，仿真

ABSTRACTAsChina'ssocialandeconomicdevelopment,urbanconstructionanddevelopmentveryquickly,butalsotheconstructionofinfrastructurefacilitieshasputforwardhigherrequirements.Citywatersupplysystemconstructionisoneoftheimportantaspectsofthewatersupplyreliabilityandstability,theeconomyofadirectimpactontheuser'snormalworkandlife.Aspeopleonthewaterqualityandwatersupplysystemsinthecontinuousimprovementofreliabilityrequirements,theuseofadvancedautomationtechnology,controltechnologyandcommunicationtechnology,designahigh-performance,high-energy,watersupplyplantstoadapttothecomplexenvironmentofconstantpressurewatersupplySystemsbecomeaninevitabletrendInthispaper,pipenetworkandpumpsundertheoperationofthecurve,clarifythewatersupplysystemforenergy-savingFrequencyControlPrinciple;specificanalysisofthefrequencyoftheprincipleofconstantpressurewatersupplysystemandthecompositionofthestructure,throughresearchandcomparison,concluded:FrequencyControlisthehighestinternationalone-effectiveness,performance,thebestandmostwidely,themostThefuturedevelopmentoftheMotortechnology.ThereforethispapertoadoptthePLCandinvertercombinationofasystematicapproachtoasmallresidentialareapumpmotorcontrolsystemforthetarget,andgraduallyclarifiedhowtoachieveaconstantsupplypressure.Acontrolsystemforthemaincircuitdesign,controlcircuitdesign.Theinputandoutputpointstothestatistics,atotalof13inputandoutput,thePLCinaccordancewiththeprincipleofselection,equipmentselectionintheproductionofthemostwidelyproducedbySiemensS7-200series(CPU222)ofthePLCandpumpsforMM430Theconverter,usingitsownfrequencyconverteritselftoachievethesoft-startthepumpmotorlaunch.Inthecontrolprocess,theelectroniccontrolsystemcompletedbytheS7-200,PIDcontrolbytheconverterbuilt-inPIDcontrolmanner,inaccordancewithcontrolsystemsoftwareandhardwaredesignandcontrolrequirements,combiningthefunctionsofconvertertablepresetparametersoftherelevantparameters.AftertheintroductionofthePLCprogrammingmethods,basedonthechoiceofthelogicofalgebraforbeginnersprogramming,theconstantpressuretowritethelogicofalgebrafrequencyofwatersupplyanddesignoftheladder,useofsimulationsoftwarePLCSIMthesimulation,simulationTheresultsshowthatthecorrectnessofthedesignprocess.WinCCuseoftheconfigurationsoftwaredesignedhighfrequencyconstantpressurewatersupplycontrolsysteminterface,dynamicinterfacemayreflecttheworkofpumpingfrequencyofwatersupplystatus.Finally,theconstantpressureofwatersupplyfortheeconomicbenefitanalysis,analysisoftheresultsshowedthatasignificantenergyefficiency.Keywords：ConstantpressureWaterSupply，VariablevelocityVariablefrequency，PLC，Design，Simulation目錄第一章緒論 52749\h11.1引言 52750\h11.2本課題產(chǎn)生的背景和意義 52751\h21.3變頻恒壓供水的現(xiàn)況 52752\h21.3.1國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 52753\h21.3.2變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 52754\h31.4本人的主要工作 52755\h3第二章變頻恒壓供水的理論分析 52756\h42.1水泵的工作原理 52757\h42.2供水電機(jī)的搭配 52758\h42.3水泵的調(diào)節(jié)方式 52759\h52.4恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 52760\h62.5供水系統(tǒng)的安全性問題 52761\h72.5.1水錘效應(yīng) 52762\h72.5.3水錘效應(yīng)的消除 52763\h82.5.4延長水泵壽命的其他因素 52764\h8第三章變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 52765\h93.1變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案 52766\h93.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 52767\h103.3供水設(shè)備的選擇原則 52768\h113.4參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型 52769\h123.4.1水泵的參數(shù)計(jì)算與型號的選擇 52770\h123.4.2變頻器的選擇 52771\h123.4.3壓力傳感器的選擇 52772\h143.4.4水位傳感器的選擇 52773\h143.4.5其他低壓電器的選擇 52774\h143.5PLC的選型 52775\h153.5.1I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì) 52776\h153.5.2PLC選型的基本原則 52777\h153.5.3I/O的分配 52778\h163.6系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì) 52779\h163.7PID參數(shù)的預(yù)置 52780\h17第四章變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 52781\h194.1常用編程方法 52782\h194.1.1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 52783\h194.1.2翻譯設(shè)計(jì)法 52784\h194.1.3邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法 52785\h204.2編程軟件的簡單介紹 52786\h224.3恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì) 52787\h234.4程序的仿真與調(diào)試 52788\h264.4.1仿真軟件的簡介 52789\h264.4.2恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試 52790\h274.5恒壓變頻供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì) 52791\h294.5.1WinCC軟件簡介 52792\h294.5.2恒壓供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì) 52793\h304.6經(jīng)濟(jì)效益分析 52794\h33第五章總結(jié)與期望 52795\h355.1總結(jié) 52796\h355.2展望 52797\h35參考文獻(xiàn) 52798\h36致謝 52799\h37附錄語句表 52800\h38第一章緒論1.1引言水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動機(jī)帶動離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動，把供水管網(wǎng)中的自來水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣ㄓ谀承┕I(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，會造成更大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經(jīng)常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合，在中小型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行.變頻恒水壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時(shí)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。圖1.1傳統(tǒng)供水機(jī)示意圖圖1.2變頻供水機(jī)示意圖1.2本課題產(chǎn)生的背景和意義我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。1.3變頻恒壓供水的現(xiàn)況1.3.1國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前國外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，投資成本高。目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求低的變頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3.2變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在135kW以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。(2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器、電機(jī)功率在135kV～320kW之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于320kW)、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)變頻供水系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。所以在部分條件復(fù)雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實(shí)踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已認(rèn)識到這一情況，并針對實(shí)際情況對變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善[1][2][3][4]。1.4本人的主要工作本課題主要通過研究PLC來控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過設(shè)計(jì)解并熟悉了PLC的工作原理，編程原理以及編程方法。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的控制設(shè)備選用S7-200系列的PLC（CPU222），變頻器選用西門子泵類專用的變頻器MM430。進(jìn)行了控制程序（梯形圖）的設(shè)計(jì)。在控制過程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器完成。最后，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對該系統(tǒng)在供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護(hù)管網(wǎng)等進(jìn)行了總結(jié)，指出變頻技術(shù)在供水領(lǐng)域所取得的成果及局限性。第二章變頻恒壓供水的理論分析2.1水泵的工作原理供水所用水泵主要是離心泵，普通離心泵如圖2.1所示，葉輪安裝在泵2內(nèi)，并緊固在泵軸3上，泵軸由電機(jī)直接帶動，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經(jīng)底閥6和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口8與排出管9連接。在泵啟動前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體:啟動后，葉輪由軸帶動高速轉(zhuǎn)動，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進(jìn)入泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續(xù)壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動，液體便會不斷地被吸入和排出[5]。圖2.1離心泵結(jié)構(gòu)示意圖2.2供水電機(jī)的搭配供水電機(jī)驅(qū)動離心泵運(yùn)行，和離心泵共同組成了供水系統(tǒng)的整體，電機(jī)的配置主要以水泵供水負(fù)載來決定。電動機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)如果電動機(jī)功率選得過小，就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動機(jī)長期過載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動機(jī)被燒毀。(2)如果電動機(jī)功率選得過大，就會出現(xiàn)“小馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利，而且還會造成電能浪費(fèi)。因此，要正確選擇電動機(jī)的功率，對恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率(生產(chǎn)機(jī)械軸上的功率)（kW），可按式(2.1)計(jì)算所需電動機(jī)的功率[6](kW)：(2.1)式中，為生產(chǎn)機(jī)械的效率，為電動機(jī)的效率，即傳動效率。按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此，所選電動機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。2.3水泵的調(diào)節(jié)方式水泵的調(diào)速運(yùn)行，是指水泵在運(yùn)行中根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的需要，人為的改變運(yùn)行工作狀況點(diǎn)(簡稱工況點(diǎn))的位置，使流量、揚(yáng)程、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，過去普遍采用改變閥門或擋板開度的節(jié)流調(diào)節(jié)方式，即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，往往是由于采用不合適的調(diào)節(jié)方式。因此，研究并設(shè)計(jì)它們的調(diào)節(jié)方式，是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在。水泵的調(diào)節(jié)方式可分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)。詳細(xì)劃分如下[6]：2.4恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。供水系統(tǒng)中對水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動控制，同時(shí)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。(1)閥門控制法：通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。如圖2.3所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%(即QX=60%QN)。當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，這時(shí)，流量減小為QE(=Qx)；揚(yáng)程增加為HE；供水功率PC與面積ODEJ成正比。圖2.3調(diào)節(jié)流量的方法與比較(2)恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉(zhuǎn)速控制法。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求。當(dāng)水泵的餓轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。以用戶所需流量等于60%Qn為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使得Qx=60%Qn時(shí)，揚(yáng)程特性仍為曲線②，故工作點(diǎn)移向C點(diǎn)。這時(shí)流量減小為QE（=Qx），揚(yáng)程減小為Hc，供水功率PC與面積0DCK成正比。比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量(Qx<100%QN)的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制方式小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果最基本的方面。對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的要求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但是揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之間的平衡情況有關(guān)。如：供水能力QG>用水需求QU，則壓力上升（P↑）；如：供水能力QG<用水需求QU，則壓力上升（P↓）；如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力上升（P不變）?？梢?，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng)中某處的壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的[7][8]。2.5供水系統(tǒng)的安全性問題[9]2.5.1水錘效應(yīng)異步電動機(jī)在全電壓啟動時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間只有在0.25S。這意味著在0.25S的時(shí)間里，水的流量從零增到額定流量。由于水具有動量和不可壓縮性，因此，在極短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，壓強(qiáng)過高，將引起管道的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能破壞閥門和固定件。在直接停機(jī)時(shí)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。2.5.2水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大.在啟動過程中，異步電動機(jī)和水泵的機(jī)械特性如圖2.4a所示，圖中曲線1是異步電動機(jī)的機(jī)械特性，曲線2是水泵的機(jī)械特性，陰影部分是動態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ(即兩者之差)。（a）全壓啟動（b）變頻啟動圖2.4水泵的全壓啟動與變頻啟動在拖動系統(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉(zhuǎn)矩由圖2.4a可知，水泵在直接啟動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩寫的大小如陰影部分所示，是很大的。所以，加速過程很快。2.5.3水錘效應(yīng)的消除采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時(shí)間的預(yù)置來延長啟動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，如圖2.4b命所示。圖中，曲線簇1是異步電動機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性，曲線2是水泵的機(jī)械特性，中間的鋸齒狀線是升速過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩(即不同頻率時(shí)電動機(jī)機(jī)械特性與水泵機(jī)械特性之差)。在停機(jī)過程中，同樣可以通過對降速時(shí)間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。2.5.4延長水泵壽命的其他因素水錘效應(yīng)的消除，無疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此外，由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降、工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使:(1)葉片承受的應(yīng)力大為減小。(2)軸承的磨損也大為減小。所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的工作壽命將大大延長。

第三章變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)3.1變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本次設(shè)計(jì)才用通用變頻器+PCL(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器的構(gòu)成方案。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)構(gòu)成框圖這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)[10]。3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺變頻器控制一臺水泵的簡單控制方案，也有一臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面重點(diǎn)介紹一臺變頻器控制幾臺水泵的特點(diǎn)。利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進(jìn)的一種方案。下面以單臺變頻器控制2臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理如圖3.2所示。圖3.2控制原理框圖控制系統(tǒng)的工作原理如下:根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制2臺水泵按1—2—3—4—1的順序運(yùn)行，以保證正常供水。開始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多，只有1號泵在變頻器控制下運(yùn)行，2號泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動2號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，可將1號泵電機(jī)停運(yùn)，2號泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時(shí)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)3。當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器啟動1號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，可將2號泵電機(jī)停運(yùn)，1號泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時(shí)，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要[11]。3.3供水設(shè)備的選擇原則在做供水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先選擇水泵和電機(jī)，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而供水規(guī)模和住宅類型以及用戶數(shù)有關(guān)。有關(guān)選擇依據(jù)原則使用表格如下。不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50331-2021，節(jié)錄如表3.1。表3.1不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)住宅類型給水衛(wèi)生器具完善程度用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日）小時(shí)變化系數(shù)1僅有給水龍頭0.04～0.082.5～2.02有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備0.085～0.132.5～2.03有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備0.13～0.192.5～1.84有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng)0.17～0.252.0～1.62.供水規(guī)模換算表。不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50331-2021，節(jié)錄如表3.2。上面一行為用水標(biāo)準(zhǔn)(/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(/h)。表3.2供水規(guī)模換算表戶數(shù)用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日）00.2545039.4059.0078.7098.4050043.8065.6087.50109.4060052.5078.80105.00131.3070061.3091.90122.50153.1080070.00105.00140.00175.00100087.50131.30175.00218.803.根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動機(jī)進(jìn)行選型,見表3.3。表3.3水泵，電機(jī)和變頻器選型表50xN4080LG50-20x211116080LG50-20x315158080LG50-20x418.518.510080LG50-20x5222212080LG50-20x63030100xN40100DL218.518.560100DL3303080100DL43737100100DL54545120100DL65555注：N為水泵臺數(shù)4.設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：平方供水壓力P=0.12MPa；樓房供水壓力[12]P=（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa(3.1)（5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下的原則：①蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量；②水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度；③水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。3.4參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型3.4.1水泵的參數(shù)計(jì)算與型號的選擇(1)根據(jù)表3.1確定用水量標(biāo)準(zhǔn)為0.19/人日。(2)根據(jù)表3.2確定每小最大用水量為175.00/h。(3)根據(jù)10層樓高度35m，按照式(3.1)計(jì)算得P=（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa=0.48MPa可確定設(shè)置供水壓力值為0.48MPa。根據(jù)表3.3確定水泵型號為100DL3，工3臺(其中一臺做備用)，水泵自帶電動機(jī)功率為30kW。3.4.2變頻器的選擇本系統(tǒng)中，采用MciorMaster430系列變頻器，型號為HVAC(風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型)EC01—4500/3，額定電壓為380V—500V，額定功率35kW。MicroMaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC(電磁兼容性)設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等[14]。1.MM430變頻器介紹MciorMaster430變頻器的端子接口分布如圖3.3所示。圖3.3MM430端子接口分布圖2.端子功能介紹各端子的功能如表3.4所示。表3.4端子功能表引腳序號引腳名稱功能引腳序號引腳名稱功能1+10V電源電壓12AOUT1+模擬輸出12013AOUT1-3AIN1+模擬輸入114PTCA4AIN1-15PTCB5DINN1數(shù)字輸入16DIN5數(shù)字輸入6DINN217DIN67DINN326AOUT2+模擬輸出28DINN427AOUT2-9+24V電源電壓28PERS-48510AIN2+模擬輸入229P+11AIN2-30P-18RL1-A輸出繼電器的觸頭22RL2-C輸出繼電器的觸頭19RL1-B23RL3-A20RL1-C24RL3-B21RL2-B25RL3-C3.4.3壓力傳感器的選擇CYYB-120系列壓力變送器為兩線制4～20mA電流信號輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償及非線性修正、V/I變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。一對導(dǎo)線同時(shí)用于電源供電及信號傳輸，輸出信號與環(huán)路導(dǎo)線電阻無關(guān)，抗干擾性強(qiáng)、便于電纜鋪設(shè)及遠(yuǎn)距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、A/D轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。CYYB-120系列壓力變送器新增加了全密封結(jié)構(gòu)帶現(xiàn)場數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天、科學(xué)試驗(yàn)、石油化工、制冷設(shè)備、污水處理、工程機(jī)械等液壓系統(tǒng)產(chǎn)品及所有壓力測控領(lǐng)域[13]。主要特點(diǎn)：（1）高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度范圍；（2）抗沖擊、耐震動、體積小、防水；（3）標(biāo)準(zhǔn)信號輸出、良好的互換性、抗干擾性強(qiáng)；（4）最具有競爭力的價(jià)格。3.4.4水位傳感器的選擇SL980-投入式液位變送器，廣泛用于儲水池、污水池、水井、水箱的水位測量，油池、油罐的油位測量，江河湖海的深度測量。接受與液體深度成正比的液壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸出，送給計(jì)算機(jī)、記錄儀、調(diào)節(jié)儀或變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)液位的全自動控制。主要特點(diǎn)是：安裝簡單，精度高，可靠性高，性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)自身保護(hù)等[14]。3.4.5其他低壓電器的選擇1.斷路器的選擇（1），選擇。斷路器具有隔離,過電流及欠電壓等保護(hù)功能,當(dāng)變頻器的輸入側(cè)發(fā)生短路或電源電壓過低等故障時(shí),可迅速進(jìn)行保護(hù)?？紤]變頻器允許的過載能力為150%，時(shí)間為1min。所以為了避免誤動作，斷路器的額定電流應(yīng)選（A）(3.2)式中為變頻器的額定輸出電流所以，選90A。（2）斷路器選擇。在電動機(jī)要求實(shí)現(xiàn)工頻和變頻切換驅(qū)動的電路中，斷路器應(yīng)按電動機(jī)在工頻下起動電流來考慮，斷路器的額定電流應(yīng)選(A)式中為電動機(jī)的額定電流，=60A。所以選160A。2.接觸器的選擇接觸器的選擇應(yīng)考慮到電動機(jī)在工頻下的起動情況，其觸點(diǎn)電流通?？砂措妱訖C(jī)的額定電流再加大一個(gè)檔次來選擇，由于電動機(jī)的額定電流為60A，所以接觸器的觸點(diǎn)電流選70A即可。3.5PLC的選型3.5.1I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)恒壓變頻供水控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)如表3.5所示。表3.5I/O統(tǒng)計(jì)表輸入器件輸出器件編號符號名稱編號符號名稱1SB1啟動1KM11#泵變頻2SB2停止2KM22#泵變頻3S1液位傳感器3KM31#泵工頻4S2變頻器達(dá)到上限4KM42#泵工頻5S3變頻器達(dá)到下限5KM5備用泵工頻6S41#水泵故障6L1報(bào)警指示燈7S52#水泵故障8SS6變頻器故障3.5.2PLC選型的基本原則這是PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的PLC種類很多，在選用PLC時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面[15]。（1）規(guī)模要適當(dāng)；（2）功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理；（3）輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確；（4）要考慮環(huán)境條件。根據(jù)以上原則，這次設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列的CPU222AC/DC。3.5.3I/O的分配根據(jù)功能要求和工藝流程，我們統(tǒng)一了I/O接點(diǎn)的分配，分配表如表3.6所示。根據(jù)PLC口的分配，系統(tǒng)的控制要求以及合理利用I/O口的原則[16]。表3.6I/O分配表輸入器件輸出器件I0.0啟動（SB0）Q0.0驅(qū)動KM1（1#泵變頻）I0.1停止（SB1）Q0.1驅(qū)動KM2（2#泵變頻）I0.2液位傳感器Q0.2驅(qū)動KM3（1#泵工頻）I0.3變頻器達(dá)到上限Q0.3驅(qū)動KM4（2#泵工頻）I0.4變頻器達(dá)到下限Q0.4驅(qū)動KM5（備用泵工頻）I0.51#水泵故障Q0.5報(bào)警指示燈I0.62#水泵故障I0.7變頻器故障3.6系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示，采用了一臺變頻器同時(shí)連接兩臺電動機(jī)，所以必須確保開關(guān)KM1和KM2電氣連鎖，連鎖功能由軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。在變頻水泵出現(xiàn)問題或緊急情況下，可以起用備用水泵。圖3.4主電路圖系統(tǒng)的控制線路如圖3.5所示。圖3.5控制線路圖3.7PID參數(shù)的預(yù)置由于SIEMENSMM430變頻器自帶了PID模塊，我們不需要進(jìn)行PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，只需進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)置就可以了。首先將設(shè)置模擬輸入的DIP開關(guān)1撥到ON位置，選擇為4～20mA輸入，將DIP開關(guān)2撥到OFF位置選擇電動機(jī)的頻率，OFF位置為50Hz。其它參數(shù)的設(shè)置如表3.7所示[17]。表3.7MM430參數(shù)預(yù)置表參數(shù)名稱參數(shù)名稱P0003=2用戶訪問級別為專家級P2255=100PID的增益系數(shù)P0004=22參數(shù)濾過，選擇PID應(yīng)用宏P(guān)2256=100PID微調(diào)信號的增益系數(shù)P0700=2選擇命令源，選擇為端子控制P2257=10SPID設(shè)定值的斜坡加速時(shí)間P1000=2頻率設(shè)定選擇為模擬設(shè)定值P2258=10SPID設(shè)定值的斜坡減速時(shí)間P1080=5Hz最小頻率R2260=100%顯示PID的總設(shè)定值P1082=50Hz最大頻率R2261=3SPID設(shè)定值的濾波時(shí)間常數(shù)P2200=1閉環(huán)控制選擇，PID功能有效R2262=100%顯示濾波后的PID設(shè)定值P2231=1允許存儲P2240的設(shè)定值P2265=3SPID反饋立場撥時(shí)間常數(shù)P2240=75%鍵盤給定的PID設(shè)定值P2267=100PID反饋信號的上限值P2253=2250:0選擇P2240的值作為PID給定P2268=0PID反饋信號的下限值P2250=100%顯示P2240的設(shè)定值輸出P2269=100%PID反饋信號的的增益P2254=0.0缺省值，對微調(diào)信號沒有選擇P2291=100PID輸出的上限P2292=0.00PID輸出的下限P2280=3.00PID的比例增益系數(shù)P2285=7.00SPID的微分時(shí)間P2294=100%實(shí)際的PID控制器輸出

第四章變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1常用編程方法4.1.1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在熟悉繼電器控制電路設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，如能透徹地理解PLC各種指令的功能，憑著經(jīng)驗(yàn)比較準(zhǔn)確地使用PLC的各種指令，而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序。設(shè)計(jì)步驟如下：（1）確定輸入、輸出電器；（2）確定輸入、輸出點(diǎn)數(shù)；（3）選擇PLC并編程；（4）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來。這種編程方法沒有普遍的規(guī)律可循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，它一般只用于簡單的梯形圖設(shè)計(jì)(如手動程序)。4.1.2翻譯設(shè)計(jì)法它是把繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的電器原理圖直接翻譯成PLC梯形圖。1.翻譯設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下：(1)將檢測元件、控制元件(如行程開關(guān)、按鈕等)合理安排,接入PLC的輸入口；(2)將被控對象(如電磁閥線圈、接觸器線圈等)接入PLC的輸出口；(3)把由繼電器—接觸器完成的控制功能由PLC的軟件(即梯形圖)來完成。2.應(yīng)用舉例例如:電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路,原理線路如圖4.1所示。改用PLC控制后,其I/O接線和梯形圖分別如圖4.2,圖4.3所示。圖4.1電氣原理圖圖4.2I/O接線圖圖4.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)梯形圖4.1.3邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法在繼電器—接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法比較容易獲得設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)出來的控制線路既符合工藝要求，又達(dá)到工作可靠、經(jīng)濟(jì)合理，因而得以廣泛的應(yīng)用。1.邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下（1）根據(jù)控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關(guān)系的狀態(tài)表；（2）根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式，并化簡；（3）根據(jù)化簡后的邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。2.應(yīng)用舉例例如：某系統(tǒng)中4臺通風(fēng)機(jī)，要求在以下幾種運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)發(fā)出不同的顯示信號:三臺及三臺以上開機(jī)時(shí),綠燈常亮;兩臺開機(jī)時(shí)，綠燈以5Hz的頻率閃爍；一臺開機(jī)時(shí),紅燈以5Hz的頻率閃爍；全部停機(jī)時(shí)，紅燈常亮。為討論方便,設(shè)4臺通風(fēng)機(jī)分別為A、B、C、D,現(xiàn)以綠燈常亮的設(shè)計(jì)原理為例，其余類推。綠燈閃爍的程序設(shè)計(jì):設(shè)燈常亮為“1”,滅為“0”,風(fēng)機(jī)開為“1”,停為“0”,綠燈常亮有5種情況，則其狀態(tài)表如表4.1所示。表4.1綠燈閃爍狀態(tài)表ABCDF0111110111110111110111111由狀態(tài)表可得F的邏輯函數(shù)表達(dá)式為:化簡為:選擇西門子公司S7-200系列的PLC。其I/O分配如表4.2所示。表4.2I/O分配表IOABCDFI0.0I0.1I0.2I0.3Q0.0則其梯形圖如圖4.4所示:圖4.4綠燈常亮梯形圖其它常用的編程方法還有順序控制設(shè)計(jì)法，功能模塊設(shè)計(jì)法等，在此不再一一詳細(xì)介紹[18]。本設(shè)計(jì)采用的是邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法。4.2編程軟件的簡單介紹STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。現(xiàn)在加上全中文化程序后，可在中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。STEP7-Micro/WIN32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置PLC的工作方式，參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。軟件的功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。單擊圖4.5所示的編程軟件圖標(biāo)可進(jìn)入如圖4.6所示的操作界面，在此界面可完成主程序，子程序，中斷程序的編制與修改，完成圖4.5STEP7編程軟件圖標(biāo)程序編制后單擊保存，再單擊下載，程序即可供PLC使用。圖4.6STEP7-Micro/WIN32操作界面4.3恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中，變頻器通過對電機(jī)出廠壓力點(diǎn)處設(shè)置的壓力變送器反饋信號，進(jìn)行單閉環(huán)控制。PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號的輸入以及水池水位信號，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號去控制接觸器、繼電器和變頻器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)，PLC主要控制任務(wù)就是根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)工頻和變頻的切換。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，經(jīng)過化簡后的各變量的邏輯表達(dá)式如下：(4.1)(4.2)(4.3)(4.4)(4.5)(4.6)(4.7)(4.8)(4.9)(4.10)(4.11)(4.12)(4.13)根據(jù)邏輯表達(dá)式（4.1）~（4.13），設(shè)計(jì)的梯形圖如圖4.7所示。圖4.7主程序4.4程序的仿真與調(diào)試4.4.1仿真軟件的簡介由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限，本次設(shè)計(jì)采用S7-PLCSIM進(jìn)行仿真。S7-PLCSIM是STEP7中的一個(gè)非常實(shí)用的軟件。我們可以把它作為一臺仿真的PLC，用于運(yùn)行和測試用戶程序。因?yàn)檫@中仿真完全是用STEP7軟件進(jìn)行，因此無需連接任何S7硬件，就可以在PG/PC上仿真一個(gè)完整的S7-CPU，包括地址和I/O。S7-PLCSIM提供了一個(gè)簡潔的操作界面，可以監(jiān)視或者修改程序中的參數(shù)，比如直接對數(shù)字量進(jìn)行操作。下面我進(jìn)行仿真的地一步，打開軟件，如圖4.8所示。圖4.8S7-PLCSIM軟件的界面4.4.2恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試在編程窗口中把程序下載到仿真PLC中，如圖4.9所示。圖4.9程序裝載界面點(diǎn)擊開始按鈕，1#泵開始變頻運(yùn)行，如圖4.10所示。圖4.101#泵變頻運(yùn)行變頻器達(dá)到上限，1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行，如圖4-11所示。圖4.111#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行當(dāng)水泵出現(xiàn)故障，啟動備用泵，圖4-12為1#泵出現(xiàn)故障的界面。圖4-121#泵出現(xiàn)故障4.5恒壓變頻供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì)4.5.1WinCC軟件簡介工控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成的