1、畢業設計 （論文 ） 基于 PLC 控制的恒壓供水系統設計 北京航空航天大學 本科畢業設計（論文）任務 書 、畢業設計（論文）題目： 基于 PLC 控制的恒壓控制供水系統設計 、畢業設計（論文）使用的原始資料（數據）及設計技術要求： 1、基于 PLC 的變頻恒壓供水系統的設計 2、基于 PLC 和變頻器的恒壓供水泵站系統設計 3、基于 PLC 的恒壓變頻供水系統的研制 4、PLC 及變頻器恒壓供水控制系統設計 、畢業設計（論文）工作內容： 1、查閱相關專業方面的資料，選題 2、根據資料撰寫開題報告 3、繼續搜集并翻閱相關資料書籍，完成論文初稿 4、根據指導老師的修改意見，完成論文的終稿 、主要

2、參考資料： 1、豈興明 .PLC 與變頻器 2、李方園 .西門子 S7-200 PLC從入門到實踐 3、彭小紅,劉志東.基于 PLC的變頻調速恒壓供水系統的設計 4、林俊贊,李雄松, 尹元日. PLC 在恒壓供水控制系統中的應用 5、姜興忠，戴恒陽 . 變頻恒壓控水系統的機理分析 校外學習中心 理工科類 專業類 學生（學號） 12934202146 畢業設計（論文）時間： 自 2014年 6月20日至 2014 年10月 20 日 指導教師： 陳燕 兼職教師（并指出所負責部分） ： 校外畢設組織協調小組（簽字） ： 注：任務書應該附在已完成的畢業設計（論文）的首頁。 本人聲明 我聲明，本論文及

3、其研究工作是由本人在導師指導下獨立完成的， 在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出 。 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。 作者：王靜 簽字： 時間： 2014年 10 月 北京 航空航天 大學 畢業 設計 （論文 ）第 I 頁 基于 PLC 控制的恒壓供水系統設計 摘要 本設計根據城市小區的供水要求，設計了一套基于 PLC 控制的變頻調速恒壓供水 系統。該系統由 PLC、變頻器、水泵機組、壓力變送器等構成。 聞創溝燴鐺險愛氌譴凈。 本系統利用變頻器實現對三相水泵電機的變頻調速， 采用“先啟先停”的原則切換運行 水泵。壓力傳感器檢測水壓信號，送入 PLC 并與設定值比較進行 PID 運算，從而控

4、制 變頻器的輸出電壓和頻率， 進而改變水泵電機的轉速和供水量。 這樣使管網水壓力始終 保持在設定值附近，從而實現恒壓供水。 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟。 關鍵詞： PLC，變頻調速， PID 控制，恒壓供水 北 京 航 空 航 天 大 學 畢 業 設計 （論 文 ） 第 II 頁 Design Of Constant Pressure Water Supply Control System Based On PLC 釅錒極額閉鎮檜豬訣錐。 Abstract According to the design of city water supply requirements, designed a sy

5、stem based on variable frequency speed constantp ressure water supply system controlled by PLC. The system is composed of PLC, inverter, water pump,pressure transmitter form. 彈貿攝爾霽斃攬磚鹵 廡。 The system uses the frequency converter to realize the variable frequency speed control of three-phase motor pum

6、p, using open first principle ofswitching operation of the pump to stop. The pressure sensor to detect thepressure signal into PLC, and compared with the set value for PID operation,so as to control the inverter output voltage and frequency, and then change the speed and volume of water supply pump

7、motor. So that the pipe network water pressure is always kept in a near set value, so as to realize the constant pressure water supply.謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。 Key words: PLC; Frequency control; PID control; Constant pressure water supply廈礴懇蹣 駢時盡繼價騷 北京 航空航天 大學 畢業 設計 （論文 ）第 III 頁 目錄 1 緒論 . . .4 1.1 課題背景及意義 4 1.2

8、變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀 4 1.3 本課題主要研究內容 5 2 恒壓供水系統總體方案設計 . .5 2.1 系統的主要結構及組成 . .5 2.2 PLC 概述及其系統組成 . . .6 2.3 變頻器簡介及選型 . .6 2.3.1 變頻器簡介 . .6 2.3.2 變頻器的基本結構 7 3 系統硬件選擇及系統電路設計 . . 9 3.1 硬件選擇 .9 3.2 系統主電路分析及其設計 . .12 3.3 系統控制電路分析及其設計 .12 3.4 PLC的 I/O 端口分配及外圍接線圖 .15 4 系統的軟件設計 18 4.1 系統軟件設計分析 .18 4.2 PLC 程序設計 .

9、19 4.3 PID 控制器參數整定 .26 結論 .29 致謝 .30 參考文獻 .31 北京航空航天大學畢業設計（論文）第 4 頁 1 緒論 1.1 課題背景及意義 城市中各類小區的供水系統是小區眾多基礎設施當中的一個重要組成部分。 由于傳 統的小區供水方式具有各自不同的缺陷， 如恒速泵加壓供水方式無法對供水管網的壓力 做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，供水機組運行效率低、 耗電量 大，電動機硬啟動易產生水錘效應等缺點， 傳統供水系統的工作性能直接影響到小區居 民的正常生活。另一方面，由于供水的隨機性，采用傳統方法供水難以保證實時，水泵 的選擇往往是由最大供水確定，而最高水

10、位時間短，不僅泵效低，水壓不穩定，造成了 浪費大量電力，遠遠不能滿足生活和生產需要。 煢楨廣鰳鯡選塊網羈淚。 隨著電力電子技術和計算機技術的發展， 變頻調速供水系統由于成本低， 施工簡便， 節能效果顯著，自動化控制，無二次污染，已被越來越廣泛的應用。 PLC性能穩定，成 本低，功能強大，編程方便的特點，采用變頻控制技術相結合，設計了基于可編程控制 器的變頻調速供水系統。該設計以最小的投資體制，實現了多功能供水系統要求。在提 倡節能減排的今天，具有很好的經濟和社會意義。 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。 1.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀 從查閱的資料的情況來看， 國外的恒壓供水系統在設計時都采用一

11、臺變頻器只帶一 臺水泵的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵的情況，因而投資成本高。 隨著變 頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性提高， 國外廠家開始重視并推出具有恒壓供 水功能的變頻器，日本 Samc公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式” 和“變頻泵循環方式”兩種模式。它將 PID 調節器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在 變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現 PLC和 PID 等電控系統的功能，只要搭載 配套的恒壓供水單元， 便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作。 雖然這些設備采用微 型電路結構，降低設備成本，但缺乏靈活性輸出接口，系統的動態性能和穩定性不高， 和其他監

12、測系統和組態軟件是很難實現數據通信， 帶負荷能力的限制， 所以在實際使用 的范圍將是有限的。 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨。 北京航空航天大學畢業設計（論文）第 5 頁 由此可以看出，國內和國際研究變頻調速恒壓供水系統中， 在與現代控制技術， 網 絡和通信技術系統相結合，閉環壓力控制方面做的是不夠的。因此，需進一步研究，以 提高恒壓供水系統的性能，使其能更好地應用于生活和生產實踐。 預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。 1.3 本課題主要研究內容 本課題從實際應用出發，針對一般系統中存在的幾個缺陷，設計出了基于PLC 的 變頻調速恒壓供水系統，具有以下優點： 滲釤嗆儼勻諤鱉調硯錦。 （l ）系統具有較高的恒壓精度。

13、（ 2）系統能長時間穩定可靠運行。（ 3）有友好的用 戶操作界面。 2 恒壓供水系統總體方案設計 2.1 系統的主要結構及組成 本設計中，系統的控制機構由 PLC 和通用變頻器構成，系統的整體結構如圖 2-1 所示。可以看出，水泵拖動機組供水管道水泵機組的控制單元以及信號檢測環節構 成生活小區的供水系統。圖 2-1 中，液位檢測機構把測量的水箱水位信號送入到變頻控 制柜，經過 PLC 程序的運算處理，輸出運行與停止控制信號，控制水泵啟動與停止工 況的轉換。 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。 北京 航空航天 大學 畢業 設計 （論文 ） 第6頁 2.2 PLC 概述及其系統組成 PLC 是一種數字運算操作

14、的電子系統，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存 儲程序，邏輯運算，順序控制，定時可編程記憶，計數等面向用戶的指令，通過數字輸 入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。 可編程控制器和外部設備和工業控制系統輕 松地聯成一個整體 ，以擴大其功能設計的原則。 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。 圖2-2 可編程控制器的基本結構。 PLC 有著其它工業控制設備難具備的優點 :高可靠性，豐富的 I/O 接口模塊，采用 模塊化結構，編程方便，易于使用。 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。 2.3 變頻器簡介及選型 2.3.1 變頻器簡介 交流變頻器是微計算機及現代電力電子技術高度發展的結果。 微計算機是變頻器的 核心，電力電子

15、器件構成了變頻器的主電路。我們知道，從發電廠送出的交流電的頻率 是恒定不變的， 在我國是每秒 50Hz。而交流電動機的同步轉速壇摶鄉囂懺蔞鍥鈴氈淚。 N1 60 f 1 北京航空航天大學畢業設計(論文) 第7頁 60 f 1 N 1 (1 s) P 1 (1 s) r/min ；f1 - 定子頻 磁極對數。而異步電 式中 N1 - 同步轉速， 率， Hz ； P - 電機的 動機轉速 式中 s- 異步電機轉差率， s (N1 N)/ N1，一般小于 3%，均與送入電機的電流 頻率成正比例。因而， 改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變頻對于交 流電機的調速來說是十分合適的。 蠟變黲癟

16、報倀鉉錨鈰贅。 2.3.2 變頻器的基本結構 依據頻率變換的形式來分， 變頻器分為交 -交和交-直-交兩種形式。 交-交變頻器將 工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交- 直- 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。 然后再把直流電變換成頻率、 電壓 均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交 - 直- 交變頻器，其基本 結構圖如圖 2-3 所示， 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。 網側變流器 中間直流環節 圖2-3 交- 直-交變頻器的基本結構 它由主回路，包括整流器、中間直流環節、逆變器和控制回路組成，現將各部分的 功能分述如下： (1) 整流器。

17、電網側的變流器是整流器，其作用是把三相 (可以是單相 )交流整流成 直流。 所以其 (2) 直流中間電路。直流中間電路的作用是平滑輸出電流，以確保逆變電路和控制 電源得到高品質的直流電。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載 北京航空航天大學畢業設計(論文) 第8頁 功率因數總不會為 1。因此，中間直流環節和電動機之間總會有無功功率交換。 綾鏑鯛駕 櫬鶘蹤韋轔糴。 (3) 逆變器。負載側的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下 將直流平滑輸出電路的直流電轉換為頻率及電壓都可以任意調節的交流電源。 逆變電路 的輸出就是變頻器的輸出。 驅躓髏彥浹綏譎飴憂錦。 (4) 控制電路。

18、變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、柵極驅動電路、 外部接口電路及保護電路等幾個部分。 其主要任務是完成對逆變器的開關控制， 對整流 器的電壓控制及完成各種保護功能。 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。 直流中間電路的儲能元件在 整流電路是電壓源時是大容量的電解電容， 在整流電路是電流源時是大容量的電感。 逆 變電路最常見的結構形式是利用 6 個半導體主開關器件組成的三橋式逆變電路。 有規律 的控制逆變器中主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。圖 2-4 為電流型 變頻器主電路基本結構示意圖。 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。 電源 平 滑 滑電

19、容 電動機 (a) 電動機 平滑電感 電源 b) 圖2-4 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結構 (a) 電壓型變頻器主電路； (b)電流型變頻器主電路 北京航空航天大學畢業設計(論文) 第9頁 3 系統硬件選擇及系統電路設計 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： 構氽頑黌碩飩薺齦話騖。 表

20、 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 CPU 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 北京航空航天大學畢業設計(論文)第 10 頁 3.1 硬件選擇 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

21、數據交換。因此在選擇 PLC 時，要考慮 PLC的指令執行速度、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 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 PLC選用 SIEMENS 公司的 S7-200型。 S7-200型PLC 具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統； 又具有可靠性高，可擴展性好，有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優點。 輒嶧陽檉 籪癤網儂號澩。 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 的主模塊為 CPU226，其開關量輸出為 16點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸

22、出；開關量輸入為 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。輸入和輸出信號，可自動完成 A/ D 轉換，標準輸入信號可以轉換成一個字數字信號，輸出信號則可以自動完成端口 的D / A轉換，一個字的數字信號轉換成標準的輸出信號。 EM235模塊由 DIP設置不 同的標準，切換輸入信號。 堯側閆繭絳闕絢勵蜆贅。 3.1.2 變頻器的選型 變頻器是本系統控制執行機構的硬件， 通過頻率的改變實現對電機轉速的調節， 從 而改變出水量

23、。變頻器的選擇必須根據水泵電機的功率和電流進行選擇。 識饒鎂錕縊灩筧嚌 儼淒。 由于本設計中 PLC選擇的西門子 S7-200型號，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信， 選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。它是用于三相交流電動機調速的系列產品，由 微處理器控制， 采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件， 具有很高的運行可靠性和 很強的功能。它采用模塊化結構，組態靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能， 有內置的 RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環控制器，可以根據用戶的特 北京 航空航天 大學 畢業 設計 （論文 ）第 11 頁 殊需要對 I/O 端子

24、進行功能自定義。 MicroMaster440 變頻器的輸出功率為 0.7590KW， 適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機的輸入信號。 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。 3.1.3 水泵機組的選型 水泵機組選型基本原則，一是要確保平穩運行； 二是要經常處于高效區運行，以求 取得較好的節能效果。 要使泵組常處于高效區運行， 則所選用的泵型必須與系統用水量 的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電動機額定功率 75KW ，供水壓力控制在 0.3 0.01Mpa。根據本設計要求并結合實際中小區生活用水情況，最終確定采用3臺上 海熊貓機械有限公司生產的 SFL 系列水泵機組（電機

25、功率 75KW ）。它可用在城市給 排水、鍋爐給水、空調冷卻系統、消防給水等。 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。 3.1.4 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，作為模擬輸入模塊 （A/D 模塊） 的輸入。在選型時，為防止傳輸過程中的干擾與損耗，通常采用 420mA輸 出壓力變送器。 在運行過程中，當壓力變送器出現故障時， 系統有可能啟動所有的水泵， 如果此時的用水量又達不到， 則會造成水壓過高。 為防止爆管和超高水壓損壞用水設備， 本設計中的供水系統采用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC的一個數字量輸入， 當壓力超出上限時，系統關閉所有水泵并報警輸出。 鯊腎鑰

26、詘褳鉀溈懼統庫。 供水系統的壓強是 P gh ，下面單位都是估計標準單位103 ，g=9.8，一般情 況下， h60 米，所以本系統供水系統輸出壓力一般小于或等于 0.6Mpa，據以上綜合分 析，系統選用普通壓力表 Y-100 和 XMT-1270 數顯儀實現壓力的檢測、 顯示和變送。 壓 力表測量范圍 01Mpa，精度 0.01；數顯儀輸出一路 420mA 電流信號， 送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調節的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩 路繼電器控制輸出壓力超限信號。 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。 北京航空航天大學畢業設計（論文）第 12 頁 3.1.5 液

27、位變送器選型 考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控 制。本設計要求貯水池水位： 2m5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標 準信號（ 420mA 電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯 水池水位的報警信號，輸入 PLC。 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。 綜合以上因素：本設計選擇淄博丹佛斯公司生產的型號為 DS26 分體式液位變送器， 其量程為： 0m200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部 可調；供電電源： 24VDC ；輸出信號：兩線制 420mADC ；精度等級： 0.25級。氬嚕躑竄 貿懇彈瀘頷澩。 3.

28、2 系統主電路分析及其設計 基于 PLC 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 分別控制水泵機組 M1、 M2、M3 工頻運行；接觸器 KM2 、KM4 、KM6 分別控制水泵機組 M1、M2、M3 變頻 運行； FR1、FR2、 FR3為過載保護用的熱繼電器； QS1、QS2、QS3、QS4 為主電路的 隔離開關； FU 為主電路的熔斷器。 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。 北京航空航天大學畢業設計（論文） 第 13 頁 FU 圖 3-2 變頻恒壓供水系統主電路圖 本設計采用三泵循環變頻

29、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，其余水泵在工頻下運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續運行時間超 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。 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。 慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼。 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，應先斷開變頻器的隔離開關和 其輸出端的接觸器， 再把工頻回路的接觸器和隔離開關接通。 主電路中的低壓熔斷器除 接通電源外，還可實現

30、短路保護，每臺水泵的過載保護由相應的熱繼電器FR 實現。變 KM1 頻和工頻兩個回路決不能同時接通， 而且變頻器的輸出端絕不能直接接電源， 必須經過 接觸器的觸點。當電動機接通工頻回路時，應先斷開變頻回路接觸器的觸點。 相應地從 工頻轉換為變頻時，工頻接觸器也應先斷開，才可接通變頻器輸出端接觸器，因此 北京航空航天大學畢業設計（論文）第 14 頁 和 KM2 ，KM3 和 KM4 ，KM5 和 KM6 不允許同時動作，相互之間必須有可靠的互鎖。 為監視電機負載運行情況， 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。系統啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主

31、電路，而需 通過變頻器實現軟啟動和軟停。 手動控制系統時， 必須采用降壓啟動或軟啟動的方式以 降低啟動電流，本設計采用軟啟動器。 諺辭調擔鈧諂動禪瀉類。 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，采用西門子公司 S7-200 系列 PLC，它 體積小，執行速度快，抗干擾能力強，性能優越。 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。 PLC 用于實現變頻恒壓供水系統的自動控制， 要實現以下功能： 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。如圖 3.3 為電控系統控制電路圖。圖中 SA

32、為 手動/自動轉換開關，SA打在 1的位置為手動控制狀態；打在 2的狀態為自動控制狀態。 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。 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫。 北京 航空航天 大學 畢業 設計 (論文 ) 第 15 頁 N L1 FU2 SA 1 PLC N1 SB1 SB2 KM2 4 HL1 KM1 Q0.0 FR1 SB3 SB4 KM4 8 Q0.1 6 HL3 Q0.2 KM3 KM2 HL2 FR2 KM3 KM3 10 SB5 KM5 Q0.3 SB6 Q0.4 KM6 12 Q0.5 14KM5 Q1.1 16 Q1.

33、2 18 20 Q1.3 20 Q1.4 22 Q1.5 24 KM5 KM4 HL4 FR3 HL5 KM6 HL6 HL7 HL8 HL9 HA KA HL10 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 I/O 端口分配中將詳細介紹。 圖中的 HL10 為自動運行狀態電源指示燈。 對變頻器頻率進行復位是只提供一個干 觸發點信號，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，可結合下節中圖 3-4一起讀圖。

34、 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。 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 北京航空航天大學畢業設計(論文)第 16 頁 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

35、，通過按下 SB4、SB6 來使電機 M2、M3 停機。 紂憂蔣氳頑薟驅藥憫騖。 (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下。單刀雙擲開關 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

36、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 Q1.4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；處于自動控制狀態下，自動運 行狀態電源指示燈 HL10 一直點亮。 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。 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

37、小區用水量明顯不同，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，小區的用水量大，系統高恒壓值運行； 夜間，小區用水量小，系統低恒壓值運行。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 (2) 在用水量小的情況下， 如果一臺水泵連續變頻運行時間超過 3h，則要切換下一 臺水泵，即系統具有“倒泵”功能，以防止某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統 只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。 (3) 考慮節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， 北京航空航天大學畢業設計

38、（論文） 第 17 頁 手動只在應急或檢修時臨時使用。 擠貼綬電麥結鈺贖嘵類。 （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） SA1 I0.0 水池水位上下限信號 SLHL I0.1 變頻器報警信號 SU I0.2 試燈按鈕 SB7 I0.3 壓力變送器輸出模擬量電流值 Ip AIW0 輸 出 信 號 1#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM1 、 HL1 Q0.0 1#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM2 、 HL2 Q

39、0.1 2#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM3 、 HL3 Q0.2 2#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM4 、 HL4 Q0.3 3#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM5 、 HL5 Q0.4 3#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM6 、 HL6 Q0.5 輸 出 信 號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 Q1.1 變頻器故障報警指示燈 HL8 Q1.2 白天模式運行指示燈 HL9 Q1.3 報警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復位控制 KA Q1.5 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 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 擴展模塊外圍接 線圖，如圖 3-4

40、 所示： 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。 北京航空航天大學畢業設計（論文） 第 18 頁 4 6810 1214 1618202224 N12 壓力變送器輸 出壓力信號 0. L 6. 5. 4. L2 2. 0. 7. 7. 6. 4. 3. 2. + - B + - C + - D + A A R B B R C C R D A R D 584SR Q0 Q1 CPU 226 CN I0 I1 I2 EM235 1. 0. M 0. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 2. 6. 5. M 4. 3. + M 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1. 0. 7. 益移 增偏 圖 3-4 PL

41、C 及擴展模塊外圍接線圖 本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。 塤礙籟饈

42、決穩賽釙冊庫。 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。 裊 北京航空航天大學畢業設計(論文)第 19 頁 樣祕廬廂顫諺鍘羋藺。 4 系統的軟件設計 4.1 系統軟件設計分析 硬件連接

43、好之后，系統的控制功能要由軟件實現， 結合系統的控制要求，對泵站軟 件設計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發的工作泵組數量管理 為了實現水壓恒定， 在水壓降落時需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。 判斷是否需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出 頻率是否達到設定的上限值， 可通過比較指令實現這一功能。 為正確判斷變頻器工作頻 率達上限值， 應排除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。 倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁。 (2) 多泵組運行管理規范 因為希望每一次啟動電機實現變頻泵軟啟動 , 而且每臺泵必須交替使用 , 多泵組泵

44、站泵投運必須具備的管理標準。 在本設計中， 控制要求中規定任一臺泵連續變頻運行不 得超過 3h，因此每次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 體操作是 : 將當前運行的水泵從變頻器切除 , 并連接到的工頻電源運行 , 并將變頻器復 位用于新運行泵的啟動。 泵組管理的另外一個問題就是泵的工作循環控制， 本設計中采 用泵號加 1 的方法實現變頻泵循環控制； 用工頻運行泵的總數結合泵號實現工頻泵的輪 換工作。 綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。 (3) 程序的結構及程序功能的實現 因為模擬單元和 PID調節都需要初始化和中斷控制 , 本程序主要分為三個部分 : 主 程序、子程序和中斷程序。為

45、了節省掃描時間，可采用初始化子程序完成系統初始化工 作。使用定時器中斷功能實現 PID 控制定時采樣和輸出控制。 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由主程序控制實現。 白天、夜間模式的給定壓 力值不同， 兩個恒壓值是采用數字方式直接在程序中設定。 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%。驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻。 北京航空航天大學畢業設計（論文） 第 20 頁 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 4-1 所示 表 4-1 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過程變量標準化值 T37 工

46、頻泵增泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD108 PID 計算值 M0.0 故障結束脈沖信號 VD112 比例系數 Kc M0.1 水泵變頻啟動脈沖 （增泵 ） VD116 采樣時間 Ts M0.2 水泵變頻啟動脈沖 （減泵 ） VD120 積分時間 Ti M0.3 倒泵變頻啟動脈沖 VD124 微分時間 Td M0.4 復位當前變頻泵運行脈沖 VD204 變頻運行頻率下限值 M0.5 當前泵工頻運行啟動脈沖 VD208 變頻運行頻率上限值 M0.6 新泵變頻啟動脈沖 VD250 PID 調節結果存儲單元 M2.0 泵工頻 / 變頻轉換邏輯控制 VB30

47、0 變頻工作泵的泵號 M2.1 泵工頻 / 變頻轉換邏輯控制 VB301 工頻運行泵的總臺數 M2.2 泵工頻 / 變頻轉換邏輯控制 VD310 變頻運行時間存儲器 M3.0 故障信號匯總 T33 工頻 /變頻轉換邏輯控制 M3.1 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉換邏輯控制 T35 工頻 /變頻轉換邏輯控制 4.2 PLC程序設計 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 編程軟件開發。 該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言， 即語句表語言、 梯形圖語言、 功能塊圖語言。 最接近于電氣控制原理圖的是梯形圖語言， 它是應用最多的一

48、種編程語言， 無需考慮系 統內部結構原理和硬件邏輯便可完成系統控制設計。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。 PLC 控制程序由一個主程序、 若干子程序組成， 編制程序在計算機上完成， 編譯后 北京航空航天大學畢業設計（論文）第 21 頁 通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務的完成，是通過軟件在 RUN 模式下， 由主機循環掃描并連續執行用戶程序來實現的。 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類。 4.2.1 控制系統主程序設計 本系統控制的主程序由系統初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機換機程序、 水泵電機變頻 /工頻切換程序、 模擬量（水壓力、頻率）比較計算程序和報警程序等構成。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤

49、錟。 系統初始化程序 啟動系統工作時，需對系統進行初始化， 即啟動時，應檢測系統各個部分的當前工 作狀態進行，若出錯則報警。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。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應。 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 泵穩定運行時， 定時器計時 5min（以消除水壓波動的干擾）

50、后執行工頻泵臺數加一 （或 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺。 同時變頻泵號加一， 并產生當前泵工 延時后啟動運行。 當只有一臺變頻泵 3h 則自動倒泵變頻運行。 詩叁撻訥燼憂毀厲 減一）操作，并產生相應的泵變頻啟動脈沖信號。 水泵的軟啟動程序 增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備， 頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號， 長時間運行時，對連續運行時間進行判斷，超過 鋨驁 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

51、狀態時， 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 的常開觸點還可實現自鎖功能。 則鯤愜韋瘓賈 北京航空航天大學畢業設計(論文)第 22 頁 暉園棟瀧。 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且工頻泵數大于 0，或者當前 3#泵處于 變頻運行狀態且工頻泵數大于 1，則 Q

52、0.0 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。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。 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。 鰓躋峽禱紉誦幫廢掃減。 由于變頻恒壓供水系統主程序梯形

53、圖比較復雜， 不便全部畫出， 在此僅畫出其控制 過程的流程圖。 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 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。 稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶。 如圖 4-1 所示。本設計主程序大體包括以下幾部分： (1) 調用初始化子程序，設定各初始值； (2) 根據增、減泵條件確定工頻泵運行數； (3) 根據增泵、倒泵情況確定變頻泵號； (4) 通過工頻

54、泵數和變頻泵號對各泵運行情況進行控制； (5) 進行報警和故障處理。 北京航空航天大學畢業設計（論文） 第 23 頁 開始 調用初始化 子程序 設置兩種模式 下水壓給定值 設定變頻泵號 定時 5min, 濾波 工頻泵數加 1，產 生變頻啟動脈沖 定時 5min, 濾波 工頻泵數減 1，產 生變頻啟動脈沖 復位變頻器， 變頻泵號加 1 調整變頻泵 號，遇 4變 1 圖 4-1 變頻恒壓供水系統主程序流程圖 北京 航空航天 大學 畢業 設計 （論文 ） 第 24 頁 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， 在水泵切換分析中已說明水泵變頻運行

55、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。 陽簍埡鮭罷規嗚舊巋錟。 北京航空航天大學畢業設計(論文) 第 25 頁 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 輸入的采樣數據進行標準化轉換， 經過 PID 運算后，再將標準值轉 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應。 化成輸出值，由AQW0 輸出模

56、擬信號。具體程序梯形圖如圖 4-5所示 第 26 頁 北京航空航天大學畢業設計（論文） 北京 航空航天 大學 畢業 設計 (論文 ) 第 27 頁 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，采用了含 PID 調節的 PLC 來實現閉環控制保證供水系統中 的壓力恒定。在連續控制系統中，常采用 Proportional( 比例 ) 、Integral( 積分 ) 、 Derivative(微分)控制方式，稱之為 PID控制。 PID 控制是連續控制系統中技術最成熟、 應用最廣泛的控制方式。具有理

57、論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌 握等優點。PID 控制器是一種線性控制器， 它是對給定值 r(t)和實際輸出值 y(t)之間的偏 差 e(t)：鋇嵐縣緱虜榮產濤團藺。 e(t ) y(t) r(t) 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 調節器輸出的調節量。 懨俠劑鈍觸樂鷴燼觶騮。 北京航空航天大學畢業設計(論文) 第 28 頁 PID 控制規律為： y(t) Kp e(t) T1i e(

58、t)dt Td ded(tt) 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： G(s) U(s) E(s) 1 KP (1Td s) Tis PID 控制器各環節的作用及調節規律如下： (1) 比例環節：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定。 謾飽兗爭詣繚鮐癩別瀘。 (2) 積分環節：表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關。只要偏差存在，控制就 要發生改變，直到系統偏差為零。積分環節主要用于消除

59、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。 咼鉉們歟謙鴣餃競蕩賺。 (3) 微分環節：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，減少調節時間。 微 分環節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 特性。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴減。 4.3.2 系統的近似數學模型及參數取值 由于變頻調速恒壓供水系統的控制對象是一個時變， 非線性，遲滯， 模型不穩定的 北京航空航天大學畢業設計（論文） 第

60、29 頁 對象，很難得出精確的數學模型而只能近似等效。 水泵由初始狀態向管網進行恒壓供水， 供水管網從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網壓力達到穩定要求時需經歷兩個過程： 首先是水泵將水送到管網中， 這個階段管網壓力基本保持初始壓力， 這是一個純滯后的 過程；其次是水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加直到穩定， 這是一個大時間常 數的慣性過程；由于系統中其他控制和檢測環節，如變頻環節、繼電控制轉換、壓力檢 測等的時間常數和滯后時間與供水系統的時間常數和滯后時間相比可忽略不計， 所以可 等效為比例環節。 因此，恒壓供水系統的數學模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性 Ke s G(s) Ts 1