基于西門子PLC的變頻恒壓供水系統控制的硬件和軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u80221系統的硬件設計 1146871.1系統主要設備的選型 1174131.1.1PLC及其擴展模塊的選型 299831.1.2變頻器的選型 235181.1.3水泵機組的選型 384881.1.4壓力變送器的選型 3276241.1.5液位變送器選型 3104631.2系統主電路分析及其設計 4219541.3系統控制電路分析及其設計 4126591.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖 636512系統的軟件設計 790452.1系統軟件設計分析 7123022.2PLC程序設計 8314342.2.2控制系統子程序設計 1125112.3PID控制器參數整定 1423742.1.1PID控制及其控制算法 14222072.1.2變頻恒壓供水系統的近似數學模型 15221172.1.3PID參數整定 151系統的硬件設計1.1系統主要設備的選型根據基于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1.1所示：圖1.1系統的電氣控制總框圖從以上系統的電氣框圖可以看出，系統的主要硬件裝置必須包括（1）PLC及擴展模塊、（2）轉換器、（3）泵單元、（4）壓力發射器、（5）液位發射器。主要設備選型如表1.1所示：表1.1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）SiemensCPU226模擬量擴展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440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(淄博丹佛斯公司)1.1.1PLC及其擴展模塊的選型PLC是恒常頻率變換控制系統的核心，需要采集所有輸入數字，控制所有生產單元，實現恒壓，完成外部數據的交換，因此選擇PLC時要考慮指令的執行速度。由于自動控制系統的恒壓供水量比較小，指令豐富，存儲空間大，通信接口和協議豐富。擴展模塊容量大，編程軟件方便，PLC選擇西門子S7-200使用。S7-200結構緊湊，可靠性高，擴展性強，通信命令豐富，通信協議簡單等優點，與控制器連接，監視自動控制系統。PLC與上級機的通信采用PC電纜/PPI，采用支持點對點接口協議（PPI），PC電纜/PPI可簡單地從PLC通信接口RS485轉換為RS232cc的通信接口。必須根據控制系統所需的實際端子數，考慮PLC端子數預先決定。PLCS7-200的主模塊是cpu226，其開關量為16點，輸出模塊是繼電器AC220V的輸出，cpu226的開關量輸入是24點，輸入模塊是輸入+24VDC。實際上需要模擬輸入點和模擬輸出點。EM235被選擇為具有四個模擬輸入（AIW）和模擬信號信道（aqw）的擴展模塊。輸入信號和輸出信號連接到a口后，a/D轉換會自動完成，標準輸入信號會轉換成16位數字信號。輸出信號連接到a口時，D/1轉換自動完成，將16位數字信號轉換為標準輸出信號。EM235模塊可以使用基于多個標準輸入信號的微開關來設置。1.1.2變頻器的選型逆變器是系統控制致動器的硬件。變換頻率調節發動機的轉速，可以改變水的輸出，頻率轉換器的選擇必須根據泵的電力和電流來決定，頻率轉換器還應該具有通信功能。根據控制功能，一般的頻率轉換器分為三種類型。一般的U/F控制逆變器功能，高性能U/F控制轉換器，扭矩控制功能和高矢量功能轉換器，供水系統泵負荷，低速時扭矩小。可以選擇相對便宜的U/F控制逆變器。本項目的PLC選擇了西門子S7-200的機型，為了方便PLC和頻率轉換器之間的通信，使用西門子。由微處理器控制的三級交流引擎的轉速系列產品。采用分離門雙極晶體管作為能量功能，流量控制可以提高動態響應特性，高個子可以在低頻下輸出，微主440的逆變器的輸出為0.75~90kw。1.1.3水泵機組的選型（75kW發動機功率）系列泵3臺。生活供水泵的低噪音SFL外殼，棒采用不銹鋼，主軸。本項目使用上海熊貓機械有限公司生產的3臺75kW發動機動力SFL系列泵。1.1.4壓力變送器的選型當運行中壓力傳感器和壓力發射器發生故障時，系統可以打開所有泵。為了防止因爆炸管道和超高水壓而造成的室內水設備（熱水器、廁所等）損傷，本表的供水系統采用PLC數字輸入等電極點壓力表的上部輸出，當壓力超過上限時，停止所有泵應該發出警報輸出[13]。通過以上分析，使用xml-170數字工具和普通y-100壓力計實現壓力檢測、顯示和傳輸，壓力計的測量范圍為0~1MPa，精度為1.0。數字顯示工具產生發送到連接到cpu226的模擬模塊EM235的4到20mA的電流信道。1.1.5液位變送器選型（4~20mA信號電壓）需要插入窗口的比較器，利用比較器的高水位輸出成為罐的水位的警報信號，輸入到PLC。綜合以上因素：本項目使用淄博丹佛公司生產的ds26分體式液位轉換器，測定范圍為0m~200m，適合水箱、深井等液位的測量。零和全刻度應該可以外部調整。食物：24VDC；輸出信號：2線制4~20mADC，精度等級：0.25級。1.2系統主電路分析及其設計系統為了不讓一臺泵的工作時間變長，而具備了“裝泵功能”。只有一個泵可以同時進行頻率轉換工作，但是三個泵可以在不同的時間進行頻率轉換工作。圖1.2變頻恒壓供水系統主電路圖三保險絲在連接電源的同時提供短路。當發動機進入頻率電路時，請先切斷反相器電路的接觸器。同樣，從頻率切換到頻率轉換器時，在連接反相器輸出開關之前，請切斷頻率開關。通過電流傳感器和發射器向上級機發送4～20mA的電流信號，顯示主電路的電流。電路電壓用與電壓表連接的轉換開關顯示。相同電壓計通過轉換開關顯示不同相位之間的線路電壓。仔細觀察引擎的旋轉方向，使其符合要求。必須使用自動變壓器啟動或軟啟動來減少電流。1.3系統控制電路分析及其設計完成了以下功能。自動控制3臺泵的投入運行。需要顯示完整的警報功能和運行狀態。圖1.3變頻恒壓供水系統控制電路圖電源泵發動機的運轉和停止，按下SB1，KM1線圈即接通。通常閉合的km2觸點與電路連接，因此常開的KM1觸點關閉，實現自動鎖定功能。M1發動機在頻率以下穩定運行。只需按下SB2，電路就中斷，按Sb4和S6時，m2和M3發動機將停止。（2）自動控制：通常情況下，頻率轉換器恒壓供水系統自動工作，當兩個端子轉動SPDT開關SA時，自動控制模式啟動，自動控制的工業情況由PLC控制，Q0.0輸出1-655。頻率轉換泵運轉信號，Q0.1輸出1-655泵頻率轉換信號。當q0.0結束1時，KML線圈激活，1-655HL1泵的工作頻率指示符打開，并且KML觸點總是斷開，從而形成KM1和km2的電互鎖。當q0.1退出1時，km2線圈打開，1655泵的頻率轉換燈HL2點亮，總是切斷km2觸點，實現km2和KML電的聯動，相同2655和3-655；泵的控制原理相同，q1.1退出1時，池水位的上下限HL7警報燈亮。q1.2退出1后，逆變器警報燈亮燈。退出1點，HL9天的供水指示燈亮燈。q1.4結束后，響鈴。當q1.5退出1時，KA中間繼電器線圈開關，并且KA觸點總是閉合，并且逆變器頻率復位。在自動控制狀態下，hl10電源燈始終處于活動狀態。1.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的頻率轉換恒壓供水系統的基本要求如下：。（1）由于晝夜用水量差異明顯，本項目采用晝夜兩種供水方式，兩種供表1.2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)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1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電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0圖1.4PLC及擴展模塊外圍接線圖超過上限和下限時，窗口與高級別1相比發送給i0.1。逆變器故障輸出的目的是連接PLC的i0.2，作為逆變器故障警報信號。2系統的軟件設計2.1系統軟件設計分析說明一下。為了評價頻率變換器的頻率是否達到上限，需要對頻率變動導致的頻率達到上限時進行濾波。（2）多泵站泵單元管理規范頻率轉換泵確認了各啟動的引擎容易啟動，各泵交替使用，所以多泵組的泵，泵組的運轉需要管理基準。有要求泵的頻率不能連續運轉。具體操作是，逆變器的電流操作從頻率變換器與頻率操作連接，頻率變換器被復位，將頻率轉換泵的總臺數和泵的臺數組合起來，實現頻率轉換泵的旋轉。（3）方案的結構和方案功能的執行情況主程序中泵開關信號的產生、輸出、輸出等大部分功能是泵接觸器的邏輯控制信號的合成和警報處理。白天和晚上的模式所給予的壓力值是不同的。兩個定壓值直接用數字設定為程序。白天模式的系統設定值為90%的比例，夜間模式的系統設定值為70%的比例。程序中使用的PLC元件及其功能如表2.1所示。表2.1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VD108PID計算值M0.0故障結束脈沖信號VD112比例系數KcM0.1水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD116采樣時間TsM0.2水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD120積分時間TiM0.3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間TdM0.4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VD250PID調節結果存儲單元M2.0泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB300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M1.0故障信號匯總T33工頻/變頻轉換邏輯控制M1.1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2.2PLC程序設計PLC控制程序由西門子提供的phase7-microwin-v40編程軟件開發，SIMPATIC軟件指令組包括三種語言，即聲明列表語言（STL），比例圖（LAD）包括語言，功能框圖（FWD）包括語言[14]。最接近中繼控制系統的電控制原理圖。與。（1）系統初始化程序系統開始動作時，需要初始化整個系統。即系統開始動作時，首先檢測系統各部分的當前運行狀態。如果發生錯誤，會發生警報。然后，設定頻率轉換器的頻率轉換功能的上下限和PID控制參數，給出一定的初始值，在初始化子例程的末尾切斷連接，系統的初始化通過調用主程序的子例程來進行初始化后需要設定規定的水壓值，設定2個日/夜的供水方式的頻率轉換泵頻率和頻率泵數。（2）決定泵增減及操作規程如果PID調節結果大于頻率轉換操作的上限頻率（或低于下變頻操作的下限頻率），則如果泵永久操作，則計時器計數5min（除去水壓波動的干擾），然后將頻率泵的個數加（或減），生成對應的頻率泵脈沖信號。（3）泵的軟啟動方案增加或減少泵，或反轉泵，為了準備穩定的啟動，將變頻器復位。同時，頻率轉換泵的編號加1，產生當前的泵點火頻率的（4）各泵的頻率轉換運轉邏輯控制程序各泵的頻率轉換運轉的控制邏輯基本上相同。現在只以一臺泵為例進行說明。發生泵1啟動脈沖信號的故障取消信號或頻率轉換信號，系統無故障，無復位，泵1頻率轉換信號和泵1不工作。q0.1設置為1，始終閉合k2觸點，將頻率轉換器轉換為泵頻率。km2即使經常打開接點也可以自動鎖定。頻率在0或3’35；由于泵處于頻率變換狀態，頻率功率泵的個數大于1，所以q0.0設定為1，KML線圈通電，始終限制開啟觸點。泵的頻率起作用，KML1接點是常閉接觸點，防止k2活性化，頻率變換和頻率之間可以得到良好的電聯鎖。KM1常開觸點也可達到自動鎖定功能。（6）警報和問題解決步驟系統包含水位限制警報燈、頻率變換器的錯誤警報燈、白天模式運轉指示燈和警報鈴，發生故障信號時相應的燈熄滅。一按照明測試按鈕，指示燈就一直亮著。發生故障后，頻率轉換泵頻率和頻率泵頻率復位，故障后會發生故障停止信號。恒頻供水系統的主要轉換程序比比例圖復雜，對所有繪制都不方便。這里只描繪了控制過程的流程圖。主程序的詳細比例圖請參照附錄C。（2）泵的運轉臺數必須根據泵的運轉狀況增減。（3）頻率轉換泵的數量必須通過泵的增加和泵的反轉來確定。（4）每臺泵的運轉由頻率轉換泵的臺數和頻率轉換泵的臺數來控制。（5）警告和故障問題處理。圖2.1變頻恒壓供水系統主程序流程圖圖2.22#泵變頻運行控制流程圖圖2.32#泵工頻運行控制流程圖2.2.2控制系統子程序設計圖2.4初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序圖2.5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖2.3PID控制器參數整定2.1.1PID控制及其控制算法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)[15]：（2.1）圖2.6PID控制原理框圖PID控制規律為：（2.2）（2.3）控制PID控制器的各連接的功能和規則（2.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號；e(n)為第n時刻的偏差信號；e(nl)為第n1時刻的偏差信號。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為：（2.5）式中：為調節器輸出的控制增量；；。2.1.2變頻恒壓供水系統的近似數學模型因此，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[16]：