1、 本科畢業設計（論文）題目 基于PLC和組態技術的變頻恒壓供水系統設計 學 院 電氣與自動化工程學院 年 級 2014級 專 業 自動化（專轉本） 班 級 ZB02141 學 號 ZB0214128 學生姓名 徐志強 校內導師 俞倩蘭 職 稱 副教授 校外導師 職 稱 論文提交日期 2016-05-16 常熟理工學院本科畢業設計(論文)誠信承諾書本人鄭重聲明： 所呈交的本科畢業設計(論文)，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完

2、全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 本人簽名： 日期： 常熟理工學院本科畢業設計(論文)使用授權說明本人完全了解常熟理工學院有關收集、保留和使用畢業設計(論文)的規定，即：本科生在校期間進行畢業設計(論文)工作的知識產權單位屬常熟理工學院。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許畢業設計(論文)被查閱和借閱；學校可以將畢業設計(論文)的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編畢業設計（論文），并且本人電子文檔和紙質論文的內容相一致。保密的畢業設計(論文)在解密后遵守此規定。 本人簽名： 日期： 導師簽名： 日期： 摘 要 根據

3、城鎮居民住宅區的供水要求，本文采用PLC控制器為核心設計了一套變頻調速恒壓供水系統。與傳統的水塔供水方式不同，該系統采用變頻器實現水泵電機的軟啟動和變頻調速。系統由可編程控制器（PLC）、水泵機組、變頻器、變送器等組成，其中水泵機組是由三臺水泵電機組成，并且以變頻循環方式運行，水泵機組的變頻循環方式遵循“先啟先停”的原則。壓力變送器則是檢測實時供水管網的水壓，將信號送入PLC進行PID運算，通過運算出的穩定誤差來控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而改變水泵電機的轉速，最后使供水管網的壓力穩定在設定值附近。出于安全考慮，PLC中附加了報警控制。另外通過工控機與PLC連接，使用組態軟件完成監控系統的任

4、務，實現了運行狀態的動態顯示數據。 本論文詳細的介紹了系統所需要的PLC、變頻器和傳感器的特點，系統主電路的設計和程序設計流程圖及程序。關鍵詞：變頻調速 恒壓供水 PLC 組態王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 課題簡介11.2 發展狀況21.3 課題設計概述22 系統的設計分析及方案確定42.1 供水系統整體構思方

10、法42.1.1 水泵電機的調速原理42.1.2 變頻恒壓供水的節能原理52.2 供水系統方案的確定62.2.1 控制方案的確定62.2.2 系統的組成及原理72.2.3 系統的功能設計93 系統電路設計113.1 系統的主電路結構113.2 系統的控制電路設計124 設備選型與I/O分配134.1 供水設備選型134.2 PLC的I/O端口分配及外部接線圖155 系統的軟件設計185.1 軟件設計分析185.2 PLC程序設計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 監控系統的設計256.1 組態軟件的選擇256.2 組態王的

11、通信參數256.3 新建工程與組態變量266.4 組態界面27總 結28致 謝29參考文獻30附錄131附錄 239IV常熟理工學院畢業設計（論文）1 緒 論1.1 課題簡介 隨著社會經濟的飛速發展，中國人口越來越多，導致人們從三層以下的平房搬遷到群居的高層住宅房。在眾多城鎮中，一般規定供水管網的水壓能保證6層以下的居民房穩定用水，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50年代，自動化剛剛發展起來，因此當時的高層住宅房均采用傳統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以超出實際需要水壓來供水，這就導致電機增加了軸功率和能量損耗。自變頻器問世以來，變頻調速技術的

12、有點逐漸被工業領域的各個專家發現并運用。當變頻器運用到供水事業，形成的變頻恒壓供水設備具有安全、穩定、節能、高質量供水等優點，更是讓國內的供水事業經歷了一次質的飛躍。恒壓供水采用閉環控制，根據管網用水量的工況自行通過控制器調節運行參數，使得管網在水壓恒定的情況下，用戶滿意用水，這就導致系統中的水泵電機必須采用無極調速方式。該系統是我國當今最合理和最節能的供水系統。我國電力電子技術的研究開發，變頻器的內置功能模塊越來越多，性能越來越強。國內電氣工程師充分利用內置功能，改善恒壓供水設備，在質量得到保證的前提下，減少成本。 現在社會經濟迅速發展，人們的物質水平越來越高，對于居住小區的基礎設施要求越來

13、越高，而小區供水系統是體現物業管理水平的一個因素。因此傳統小區的一些供水方式遭到了淘汰。比如：（1） 恒速泵加壓供水：它無法對水壓進行實時控制，自動化水平低，導致水泵的啟動和停止需要人工手動操作，而且電機還是硬啟動；（2） 水塔高位水箱供水系統：雖然它的供水方式簡單經濟，而且在停電和維修等突發狀態下不停水的優勢，但是它前期投資大，維護不方便，因此目前多數應用與高層建筑；（3） 單片機變頻調速供水系統，它和PLC控制的系統一樣，都可以做到變頻調速，但是缺點也很明顯，那就是開發周期比較長，對該系統的操作員素質要求比較嚴格，更重要的是不適應于現場工業的惡劣環境。和這些傳統的供水相比，PLC變頻恒壓供

14、水具有高效節能、高自動化和安全可靠的優勢，其中調速水泵表現了突出的節能效果：一是顯著的節能性；二是在啟動時可以降低電流對電網的沖擊；三是減少水泵的機械損耗。1.2 發展狀況 變頻恒壓供水的概念是在變頻調速技術發展起來后才提出的。在早期，國外的變頻器功能主要在控制頻率、轉速控制、正反轉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的執行器，因此為了保證管網的水壓恒定，必須在外部加入壓力控制器和變送器形成閉環控制。從各種渠道查詢來看，國外的供水工程大多都是一拖一的方式，導致投資成本高。1968年，丹佛斯公司發明了首個變頻器，隨著變頻器的穩定可靠，節能和高自動化等優點被其他公司認可后

15、，國外的許多廠家學習其技術并研發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調節和PLC集成到變頻器基板上，用戶可以設置參數代碼，然后搭載配套的恒壓供水設備單元，就構成了供水系統。它是通過微化電路設計，降低成本。缺點也很明顯，那就是output的擴展模塊缺乏靈活性，穩定性也不高，其它監控系統和組態軟件很難數據通信，造成了實際應用的限制。 當前，國內供水事業的公司和研究院都在開發變頻調速技術，但是那些生產的設備和國外的設備相比，無論是在功能上還是質量上都是有點差距的。自從我國經濟飛速發展，供水行業的公司有了兩種選擇

16、，一是直接從國外引進現成的設備用于系統中；二是在自行設計的整套裝置中使用國外進口設備，再結合自己的應用軟件。無論是哪一種都為我國重大的供水工程解決了問題，滿足了行業的需求。 總體上來看，國內開發變頻恒壓供水設備的能力還比較弱，對國外的設備有很大依賴性，這個值得思考。1.3 課題設計概述 本系統是以10層高樓小區供水管網為被控對象，使用變頻調速技術，通過閉環控制設計一套高層樓房的恒壓供水系統，并使用組態技術對系統實施監控，保證系統安全可靠的運行，使供水設備保持在最佳工況，有問題可以迅速解決。 本系統是由可編程控制器（PLC）、水泵機組、變頻器、壓力變送器和投入式液位變送器等組成一個閉環控制的調節

17、系統。變頻器通過變頻循環的方式來控制水泵機組中的三個水泵電機，即通常說的變頻器一拖三的概念。當1#水泵工作，隨著供水官網的壓力變小，1#水泵運行到50Hz時，供水量依舊不夠，需要增加水泵，系統就讓1#水泵脫離變頻器進入工頻狀態，變頻器去拖動2#水泵。為了使供水官網的壓力保持恒定狀態，變頻器需要自動在各個水泵之間切換，水泵之間遵循“先啟先停”和“先停先啟”的要求。 主要設計內容為：了解全套恒壓供水系統的工藝流程，設計供水系統的硬件電路；研究恒壓變頻供水的控制算法；開發基于組態王的組態軟件的監控界面，完成系統監控調試；熟練使用PLC、組態王等軟件以及變頻器的參數修改。492 系統的設計分析及方案確

18、定2.1 供水系統整體構思方法 系統是通過變頻器和可編程控制器（PLC）構成控制核心。經過變頻調速技術優化水泵機組的運行，自動控制泵組所需的運行臺數，來形成供水管網的閉環壓力控制，達到穩定與節能的目的。這個閉環系統的被控對象是泵站系統圖中的供水管網壓力，系統將測量的供水管網壓力和給定值壓力數據比較，所產生的反饋值輸入CPU中處理，最后PLC發出指令來控制水泵機組中工頻運行水泵的臺數和變頻運行水泵的轉速，從而達到恒壓供水。2.1.1 水泵電機的調速原理 水泵機組中的電機大多采用三相異步電機，電機轉速的公式為： （2-1）式（2-1）中：是交流電源的頻率，是電機的磁極對數，是轉差率，是旋轉磁場的轉

19、速。 從電機的轉速公式中可以得出異步電機最基本的調速方式有三種：（1） 變頻調速：改變交流電源頻率；（2） 變級調速：改變磁極對數；（3） 變轉差率調速：改變電機的轉差率；雖然三種調速方式都可以改變電機的轉速，但是不是三種都能適合變頻恒壓供水系統。他們有各自的優缺點：（1） 變級調速的優點是設備簡單、可靠運行、機械特性較硬，而且還可以獲得恒轉矩或恒功率的調速方式，但是其顯著的缺點就是只可以有極調速，而且級數很有限，因此不適合變頻恒壓供水，因為供水管網的壓力可能時刻都在變化，必須采用無極調速；（2） 變轉差率調速有另外三種方式：轉子串電阻調速、串級調速、調壓調速。不過為了能擁有較大的調速范圍，因

20、此一般都采用串級調速，其最大的優點就是可以實現無極調速，調速滑行好。不過成本高，而且低速運行時過載能力和功率因數低。也不符合本系統的要求，因為供水管網并不是一直有用戶用水；（3） 變頻調速具有很好的調速性能，完全可以媲美直流電動機的調速性能，如圖2-1。它的主要特點有調速范圍廣；頻率可以連續調節，實現無極調速；機械特性硬，靜差率小；從基頻向下可以進行恒轉矩調速，從基頻向上可以進行恒功率調速；運行效率高。根據上述三種交流調速方式的優缺點比較，本文采用了變頻調速方式。隨著電力電子技術發展，新一代的電子器件可關斷晶閘管（GTO）、場效應晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）等應用與變頻調速設備，

21、使得變頻器體積在減小，性能卻在提高，促進了變頻調速的廣泛應用。圖2-1 基頻以下變頻調速機械特性2.1.2 變頻恒壓供水的節能原理 所有供水系統都有揚程特性和管阻特性。其中，揚程特性是以管道的閥門開度不變為基礎，水泵在某一固定轉速下揚程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、水泵轉速和用戶的用水情況這三種因素，在閥門開度和水泵轉速都固定不變的情況下，就由用水情況決定。因此，揚程特性曲線反映的是揚程H和用水流量之間的關系，即。而另一個管阻特性則是讓水泵轉速不改變，來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生的能量來克服蓄水池的水位

22、差、壓力差、流動阻力的變化規律。管阻特性曲線反映了楊程H和供水流量之間的關系，即。二者之間交點稱之為供水系統的工作點，即圖2-2中的A點。在A點，用戶的用水流量和供水流量處于平衡狀態，系統可以穩定運行16。圖2-2 恒壓供水系統的基本特性 變頻恒壓供水系統的供水結構是由水泵、電動機、管道和閥門等構成。供水是由變頻器調節異步電動機改變轉速，異步電動機再改變水泵供水，從而實現恒壓供水。2.2 供水系統方案的確定2.2.1 控制方案的確定 控制器、變送器、變頻器、水泵機組以及低壓電器等組成了變頻恒壓供水系統。系統通過控制單元來控制變頻器，間接控制循環水泵，實現供水管網恒壓，水泵電機的軟啟動，水泵的工

23、/變頻切換，同時還可以利用組態軟件通過數據通信來進行監控，由于控制單元的不同可以有以下幾個方案進行選擇：（1） 供水基板的變頻器控制 這種控制方式的優點在于它的結構簡單，因為這是廠家將PID調節器集成在變頻器的基板上，通過改變內部的指令參數來實現恒壓供水功能。雖然這樣可以降低設備的成本，但是在設置給定壓力以及實時顯示反饋壓力值比較麻煩，另外系統不能保證閉環控制的穩、準、快，而且擴展功能不夠靈活，限制了帶負載的容量，僅適應小容量的場合。（2） 單片機控制通用變頻器 單片機相當于一臺微型計算機，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比相當高。不過因為單

24、片機的程序比較固化，而且單片機開發周期比較長，這就造成了現場調試的靈活性比較差，而且變頻器與單片機會有干擾，這就使得這種方式適合特定領域的小容量場合。（3） PLC控制通用變頻器 由于當前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，而且硬件方面只需確定PLC的硬件配置和I/O外部接線，現場調試只需改變PLC程序。因此這種控制方式靈活方便、通用性強。 同過現場考察分析以及以上幾種方案的比較，本設計決定使用第三種方式，因為既可以滿足靈活方便，易通信監控，而且還能保證系統的安全可靠，高精度控制。2.2.2 系統的組成及原理 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，采用的是閉環調節控制方式，該系統的泵站圖如圖2-3。圖2-3 變頻恒壓供水系統泵站圖由供水系統的泵站圖，可導出供水系統的工作流程圖，如圖2-4所示。該系統的工作原理是：首先通過PLC程序將壓力穩定值設置為0.3MPa，然后通過壓力變送器實時測得來自用戶供水管網的水壓并將信號送入PLC中，PLC通過PID運算得到控制信號并送入變頻器中。當供水管網壓力不足時，PLC控制變頻器使水泵機組抽取儲水池中的水；當供水管網壓力超過穩定值時，PLC減少水泵機組運行功率，從而達到變頻恒壓供水的控制。圖2-4 變頻恒壓供水系統工作流程圖 系

26、統主要分為三大機構：執行機構、檢測機構、控制機構，這三個機構的功能如下：（1） 執行機構：它的作用是接收控制器給出的調節信號，調節被控介質。在這里是由水泵機組構成的，它接受控制機構送來的信號調節電機轉速來改變供水官網的壓力。而這里的水泵機組是由三個變頻泵組成的，變頻泵通過變頻器控制，根據供水官網的壓力變化來改變電機的轉速。當第一個泵從變頻變成工頻，但是轉速依舊不夠，這時候就將第一個泵保持在工頻狀態，然后啟動第二個泵來繼續增加供水官網的，第三個泵也是如此。（2） 檢測機構：這個系統中，檢測分為兩個部分，一個是供水管網的水壓，另一個是蓄水池的液位。水壓是通過壓力變送器檢測出來的，壓力是一種模擬信號

27、，因此在儲存在PLC的寄存器中是，需要A/D轉換。此外，為了使系統更加安全可靠，使用電接點壓力檢測儀表對供水壓力的上下限進行檢測，其結果可以直接作為數字量輸入給PLC進行儲存和應用。此外，蓄水池的液位是通過投入式液位變送器檢測的，它反應的是進水水源是否充足，是否需要將自來水進水管道的電磁閥的開度變大，防止水泵空抽而損壞設備。（3） 控制機構：此系統設計的控制機構是由PLC、變頻器和電控設備組成的。控制機構是是整個供水系統的核心，它是接收信號并且改變流量的中心點。在這個系統中，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，分析通訊接口的數據并進行運算，得出現場的控制方案，通過執行機構的變

28、頻器對水泵機組發出控制指令，直到控制器得到的反饋信號與設定值之間的穩定誤差在可允許誤差內為止，才算完成變頻恒壓供水的任務。 本系統的執行機構是水泵機組，它是由變頻器拖動運行的，根據變頻器的工作方式可以分為循環式或者固定式。其中變頻循環式是先將1#水泵作為調速泵，當這臺水泵工作到50Hz時，用戶的供水量依舊沒有達到要求，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#水泵中脫出來并且將1#水泵轉入工頻模式中，才能讓變頻器繼續控制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水泵進行變頻工作，當這臺水泵工頻運行依舊不能滿足供水要求

29、，那就直接啟動另一臺恒速水泵，另一臺水泵則從最低轉速開始繼續變頻工作，這種方式里變頻器不做切換，這就使另外兩臺恒速泵硬啟動，所以我們采用前者變頻循環式。 變頻恒壓供水是將供水管網作為被控對象，水壓作為被控變量，在控制上滿足實際水壓跟隨設定水壓。變頻恒壓供水系統的的結構框圖如圖2-5。 圖2-5 變頻恒壓供水系統框圖 根據系統框圖可以知道，系統通過管道上的壓力變送器采集實時的供水官網壓力，并轉換成420mA的電信號。因為PLC無法直接識別電信號，因此必須通過PLC內部的A/D模塊將電信號轉變成數字量再進行PID運算，運算結束后，再利用D/A模塊轉換成電信號輸送到變頻器，從而實現變頻恒壓的控制。2

30、.2.3 系統的功能設計 根據資料查詢以及分析，本系統設計的功能有如下幾點：（1） 自動運行狀態 在外部按下自動按鈕，1#水泵電機通電，變頻器的輸出控制頻率從0Hz開始增加，這時壓力變送器也開始采集壓力信號，經過一系列轉換傳給PLC進行PID調節，再把控制信號傳給變頻器。如果壓力不夠的話，輸出控制頻率繼續增加直到工頻，仍然不夠，則將1#水泵從變頻器中拖出切換至工頻狀態，并將2#水泵投入變頻器使用，后面則是依次加泵；如果管網用水量需求減小（供水管網壓力過大），變頻器達到下限頻率，則將先啟動的1#水泵切除。倘若有瞬間停電的工況，則系統停機等待通電。當供電恢復正常，則系統工作在自動運行模式。（2）

31、手動運行狀態 當供水設備出現故障狀態時，為了確保居民可以正常用水，三臺水泵可以分別進行手動控制運行。（3） 停止狀態 在供水設備工作一定時長后，需要進行維護和保養，這是只需將轉換開關撥轉到停止位置，使所有供水設備都處于停機狀態，工作人員即可進行維護，維護結束只需撥轉到啟動，供水就恢復正常。（4） 設施保護以及報警功能 對工頻回路和變頻回路實現機械與電氣都互鎖，防止短路現象。當水泵電機的功率較大時，為了防止因為啟動電流過大而燒壞水泵電機，必須通過變頻器采用軟啟動方法。當系統因為壓力不夠而需要增加水泵時，必須先斷開先啟電機，讓其利用慣性切換到工頻回路，才能將變頻器轉入下一個電機，這樣可以防止產生過

32、流。 電機的熱保護。白天是居民的工作時間，用水比較少，因此水泵處于低速運行狀態，電機的工作留比較小。雖然用戶雖然用水比較少，但是用水頻繁，這就造成了電機一直處于升、降速的狀態，結果就是有可能產生過電流，導致電機過熱而損壞，熱保護還是必要的。 當用戶用水量特別多時，蓄水池的水位過低，為了防止水泵空抽而損壞設備，因此需要設置報警功能。3 系統電路設計3.1 系統的主電路結構 本論文上面已經敘述變頻器有2種控制方案，而本系統設計選用的一臺變頻器控制多臺水泵的方案，即“一拖”系統。隨著時代的進步，供水系統也出現了“托”的發展趨勢。雖然“一拖”在節能效果上比“托”的方式差，但是它獨有的低成本、高效率的優

33、勢不可否認的。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 從系統主電路圖中可以看到：M1、M2、M3是水泵機組中的三臺異步電機；KM1、KM3、KM5這三個開關是電機處于工頻工況的接觸器；KM2、KM4、KM6這三個則是電機處于變頻狀態的接觸器；FR1、FR2、FR3為電機過載保護的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4為保護電路的空氣開關；FU則是熔斷器。 本系統采用的三泵變頻循環控制方式，即就臺水泵處于變頻器的控制當中，其余的是處于工頻工況或者停止狀態。當用戶的用水量在長時間保持較低情況下，即一臺變頻泵連續工作超過3h，則要切換下一臺水泵工作，減少

34、水泵工作時間，保護設備，這是系統具有的“倒泵”。 當主電路接通電源，電流從熔斷器和隔離開關接通變頻的R、S、T端，變頻器通電工作，變頻器通過U、V、W端口控制電機。在主電路中，工頻和變頻的兩個回路不能同時接通，當電機需要接通工頻時，先將變頻斷開才能接工頻，而斷開時，則需先斷開工頻才能接通變頻，因此這兩個回路的開關必須在硬件上設計可靠的互鎖。此外，在第一次運行電機時，必須保證電機轉向符合要求，否則需要改變電源相序。系統的啟/停操作必須通過變頻器軟啟動才可以。3.2 系統的控制電路設計 變頻恒壓供水主要實現的是自動控制，但是在PLC需要檢修的時候，系統只能采取手動模式，這時就需要控制電路了，見附錄

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

36、送器等組成。通過變頻器和接觸器控制水泵電機工作，實現變頻恒壓供水。根據本系統的控制要求，系統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，系統的主要硬件設備包括可編程控制器（PLC）、變頻器、水泵機組、變送器。下面具體分析硬件設備型號的選取：（1） 可編程控制器（PLC）PLC機型的選擇是在滿足控制要求的情況下保證系統的可靠性、使用性、性價比。因為本系統是偏向于開關量控制的工程項目，并且控制速度要求也不是很高，因此本系統在這里選用了比較低端的PLC西門子公司的系列機。考慮到PLC的I/O點數不能太多，因為會增加成本，但是又要留有相當的裕量，因此本系統選用了系

37、列的CPU 226 CN型。這款型號有以下幾個特點：具有24個輸入和16個輸出；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境，并且可以離線編程和在線調試；此外本系統還需要一個擴展模塊，因為實際中需要一個模擬量輸入信號，一個模擬量輸出信號，這就很明顯選擇EM235模塊，該模塊有4個模擬輸入AIW,一個模擬輸出AQW。并且模塊EM235可以自動完成A/D轉換。（2）變頻器根據設計的要求，三菱的完全可以滿足本設計的控制要求，通過查閱資料得到管腳說明圖，如圖4-2。圖4-2 管腳說明 根據變頻的管腳說明，接線圖如圖4-3。 圖4-3 變頻器接線圖（3）變送器 在本系統中有2種變

38、送器，一個是壓力變送器，另一個是液位變送器。其中本系統的壓力變送器是將水壓轉換成420mA的電流信號，所以本系統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 的溫度內工作，供電電源為24±3V(DC)。本系統的液位變送器選擇為投入式液位變送器。它的優點是： 安裝和使用靈活便捷，精度準確，可現場顯示； 具有較強的抗干擾能力，不會因現場環境惡劣被影響； 接線反向和過壓保護，限流保護； 一般蓄水池的深度為46m，在此系統中選擇10m量程的液位變送器，輸出信號為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、根據變頻恒壓供水系統的基本設計要求如下：（1） 考慮到小區居民白天為主要用水時間段，從而造成了白天和夜間的用水量不同，因此本系統設計了白天/夜間供水兩種模式，這兩種模式在PLC中的壓力設定值是不同的。白天模式，供水管網壓力大，系統高恒壓運行；夜間模式，供水管網壓力小，系統低恒壓運行。（2） 在夜間，居民處于休息時間，從而造成了用水量小的情況，這時一臺水泵就會處于連續工作的情況，一旦超過3h,則要切換另一臺水泵，這就是系統具備的“倒泵”功能。（3） 考慮系統的節能和水泵使用壽命等因素，水泵切換遵循“先啟先停”的原則。（4） 水泵的啟動是要通過變頻器進行的軟啟動，系統有自動/手動兩種操作模式。（5

40、） 有完善的報警功能。根據以上的控制要求，設計了如下的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 址輸入信號白天/夜間模式SA1I0.0水位上/下限信號SL/HLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量UPAIW0輸出信號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報警電鈴HAQ1.4變頻器復位控制KAQ1.5變頻器輸出電壓信號UFAQW0根據系統的控制電路圖和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 系統的軟件設計5.1 軟件設計分析 硬件電路已經設計完成，結合硬件電路及設計要求對程序設計分析如下：（1） 恒壓供水要求恒壓工作時的泵組數量本設計的核心控制就是“恒壓”，當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也無法滿足要求，需要增加水泵。這個功能在程序中可以通過PLC中的比較指令來實現。此外，系統不能因為一次偶然的頻率波動使得頻率達到

42、了設置的上限而增加水泵。因此在程序里應該考慮到濾波，考慮到這種情況持續時間比較短，在這里采取時間濾波。（2） 泵組管理原則本系統考慮到電動機硬啟動會造成電流對電機的沖擊從而損壞電機。因此本系統使用變頻器讓電動機的每一次啟動均為軟啟動，而且各水泵都交替使用，嚴格控制每一臺水泵不能連續工作超過3。具體操作：將現運行的變頻泵從變頻器中拖出，轉入工頻運行，變頻器復位重新接入新的水泵并啟動它。此外，系統要考慮到如何使水泵循環工作。在此設計中，通過泵號的方式完成這個目的，及工頻泵號的總數。（3） 程序的框架和功能除去具體的設計要求，本系統大概還需要滿足A/D、D/A的轉換和PID調節，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。系統初始化程序就要放到子程序中，然后在主程序中調用子程序，可以減少掃描時間。本系統的PID控制采用的是定時器中斷。主程序功能比較多，實現了大部分的設計要求，如：水泵之間的切換，接觸器的得電，報警處理等要求。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過程變量標準化值工頻泵增泵濾波時間104壓力給定值工頻泵增泵濾波時間108PID穩定誤差故障結束脈沖112比例系數水泵變頻啟動脈沖（增泵）116采樣時間水泵變頻啟動脈沖（減泵）120積分時間倒泵變頻啟動脈沖12

44、4微分時間復位當前變頻運行脈沖204變頻運行頻率下限當前泵工頻運行啟動脈沖208變頻運行頻率上限新泵變頻啟動脈沖250PID調節結果存儲泵工頻/變頻轉換控制300變頻工作泵的泵號泵工頻/變頻轉換控制301工頻運行總臺數泵工頻/變頻轉換控制310變頻運行時間存儲故障信號匯總工頻/變頻轉換控制蓄水池液位超限工頻/變頻轉換控制工頻/變頻轉換控制5.2 PLC程序設計5.2.1 主程序 根據上面的程序分析可以知道，PLC主程序由調用初始化子程序模塊，水泵電機啟動模塊，水泵電機工頻/變頻之間的切換模塊，報警模塊等構成。具體程序見附錄1.（1） 調用初始化子程序模塊所有工程項目的程序均需對系統初始化。它的

45、作用在于對所有部分的當前工作狀態進行檢測是否出錯，還有對變頻器的上/下限頻率，PID調節參數賦予初值。為了節約掃描時間，主程序只有一個調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） 水泵軟啟動模塊當系統需要增減水泵或者倒泵時，變頻器需要復位，為電機軟啟動做準備。當變頻泵轉入工頻，變頻泵號，并產生下一臺水泵變頻啟動的脈沖信號，這就讓下一臺延時啟動。（3） 水泵工頻運行控制模塊當前水泵工頻啟動脈沖產生后，倘若水泵處于變頻工況且工頻泵數大于，或者水泵處于變頻工況且工頻泵數大于，則得電，則接觸器觸點閉合，水泵工頻運行。同時為防止觸點閉合，和有良好的電氣互鎖。（4） 報警模塊本

46、系統設計了蓄水池液位超限（上限/下限）報警指示燈，故障指示燈、白天模式指示燈和報警電鈴。此外，還設計了一個試燈按鈕，按下會使所有指示燈點亮。根據上述的主程序設計模塊，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參數時，分別讓比例增益、采樣時間、積分系數、微分系數分別為、。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，將中的實時采樣數據進行標準化轉換，轉換進行PID運算，再將標準值轉換成輸出值，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設計中，選用了含PID調節的PLC來實現閉環控制達到恒壓供水的目的。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Error! Reference source not found.。由于供水系統的控制對象是一個時變和非線性的模型，難以得出它的精確數學模型，只能進行近似等效。水泵由初始狀態

48、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，這是一個純滯后過程：其次是水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加穩定，這是一個大時間常數的慣性過程。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環節，即可以寫成Error! Reference source not found.： （5-1）6 監控系統的設計6.1 組態軟件的選擇 組態軟件（SCADA）全稱監控組態軟件。它的作用是用來采集數據和過程控制，為用戶快速便捷構建工業自動控制系統監控功能的軟件。隨著時代的進步，組態軟件

49、種類也是越來越多樣化，有亞控的組態王、MCGS、華富的ControlX2000等等。而本系統使用的是亞控的組態王。6.2 組態王的通信參數 在本設計中用的是的編程電纜實現計算機與PLC之間的通信，由于使用的是串行通信接口4，并且組態王中的沒有顯示，因此我在工程瀏覽器的設備文件夾中的里，雙擊圖標“”，出現對話框，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 串行接口設置 雙擊工程瀏覽器中的設備文件中的，設置波特率為，見圖6-2。圖6-2 通訊參數6.3 新建工程與組態變量 雙擊打開“組態王6.53”，出現工程管理器，新建一個工程，名為“恒壓供水系統”，雙擊打開新建的工程，單擊

50、“數據詞典”，在最下方有個新建，雙擊新建變量，然后輸入需要的參數，見圖6-3和圖6-4。圖6-3 定義變量圖6-4 所有變量6.4 組態界面 本系統，根據設計要求開發了系統主界面、歷史/實時趨勢曲線、數據報表。主界面如圖6-5。圖6-5 系統主界面總 結 本文根據國內大多數的高樓小區的特點，設計開發了一套基于PLC和組態技術的變頻恒壓供水系統。該系統利用了一臺變頻器帶動多臺水泵軟啟動并調速，實現了“一拖N”。同時該系統采用了閉環自動控制，壓力變送器采集用戶的供水管網水壓，經一系列的數據處理和PID調節，將輸出信號給變頻器，讓其調節水泵電機的轉速，從而保證供水管網的壓力恒定。此外，本文還根據實際情況選擇適合的元器件，考慮到降低成本，提高質量等因素。該