科毕业文
基pLc变频器恒压供水系统设计
考生姓名： 准考证号：
专业层次： 科 院 （系）：机械工程学院
指导教师： 职 称： 讲 师
XX学院
二OXX年X月X日
摘
着国家济建设生活水逐步提高高层建筑楼层断增高城区面积断扩城市供水线断延伸城市供水系统面着越越压力水压足严重影响述户正常工作生活保障高层建筑供水线终端户正常水需针实际情况述户供水系统增加压力恒压供水系统效解决高层建筑供水线终端户水压足影响正常供水问题恒压供水日常生活中非常重基PLC变频器技术设计生活恒压供水控制系统性高效率高节效果显著动态响应速度快实现恒压动控制需操作员频繁操作节省力提高供水质量减轻劳动强度实现值班节约理费整供水程说系统扩展性理员根季节水情况选择压力设定范围节约水节约电达更优节方式实现供水优化控制稳定性控制
文根中国城市区供水求设计套基PLC变频器恒压供水系统 利组态软件开发良运行理界面变频恒压供水系统编程控制器变频器水泵机组压力传感器工控机等构成
关键词： 变频调速恒压供水PLC组态软
Based on pLc and frequency converter for constant pressure water supply system design
ABSTRACT
With the national economic construction and people's living standard gradually enhancement highrise building floors continuously increased urban area expands ceaselessly city water supply pipeline extends continuously city water supply system is facing more and more pressure due to insufficient pressure seriously affected the normal work and life of user In order to guarantee the high building and water supply pipeline terminal users to normal water need according to the actual situation on the users of the water supply system to increase pressure constant pressure water supply system can effectively solve the highrise buildings and water supply pipeline terminal user of insufficient water pressure and affect the normal water supply problems Constant pressure water supply in daily life is very important based on PLC and frequency converter technology to design the life constant pressure water supply control system has high reliability high efficiency obvious energy saving effect fast dynamic response Because of the realization of automatic control operating personnel do not need frequent operation saving manpower improve water quality reduce labor intensity can realize unattended save administrative costs On the whole process of water supply the system has good expansibility managers can according to each season the water situation choose a different pressure setting range not only saves water but also saves energy achieve better energy saving way realize water supply optimal control and stability control
This thesis according to the Chinese city residential water demand designed a set based on the PLC inverter for constant pressure water supply system and the use of configuration software to develop good management interface Frequency constant pressure water supply system by programmable controller frequency converter water pump a pressure sensor the IPC
Keywords：Variable frequency speed control Constant pressure water supply PLC configuration software
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪 1
11 课题提出 1
13 PLC概述 2
131 编程控制器定义 2
132 PLC发展应 2
14 课题研究容 3
2 系统理分析控制方案确定 4
21 变频恒压供水系统理分析 4
211 电动机调速原理 4
212 变频恒压供水系统节原理 4
22 变频恒压供水系统组成原理图 6
3 系统硬件设计 9
31 系统设备选型 9
32 系统电路分析设计 9
33 系统控制电路分析设计 11
34 PLCIO端口分配外围接线图 13
4 系统软件设计 16
41 系统软件设计分析 16
42 PLC程序设计 16
421控制系统程序设计 17
422 控制系统子程序设计 20
43 PID控制器参数整定 23
431 PID控制控制算法 23
432 PID参数整定 25
5 监控系统设计 27
51 组态软件简介 27
52 监控系统设计 27
521 组态王通信参数设置 27
522 新建工程组态变量 28
523 组态画面 29
524 监控系统界面 30
结 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 35
文原创性声明
1 绪
11 课题提出
水电类生活生产中缺少重物质节水节已成时代特征现实条件水资源电源短缺国家长期市政供水高层建筑供水工业生产循环供水等方面技术直较落动化程度较低着国社会济发展生活水断提高住房制度改革断深入城市中类区建设发展十分迅速时区基础设施建设提出更高求区供水系统建设中重方面供水性稳定性济性直接影响区住户正常工作生活直接体现区物业理水高低
传统区供水方式：恒速泵加压供水气压罐供水水塔高位水箱供水液力耦合器电池滑差离合器调速供水方式单片机变频恒压供水系统等方式优缺点：
(1) 恒速泵加压供水方式法供水网压力做出时反应水泵增减赖工进行手工操作动化程度低保证供水机组常处满负荷运行效率低耗电量水量较少时网长期处超压运行状态爆损现象严重电机硬起动易产生水锤效应破坏性目前较少采
(2) 气压罐供水具体积技术简单受高度限制等特点方式调节量水泵电机硬起动起动频繁电器设备求较高系统维护工作量减少水泵起动次数停泵压力较高致水泵低效段工作出水压力谓增高浪费加限制发展
(3) 水塔高位水箱供水具控制方式简单运行济合理短时间维修停电停水等优点存基建投资占面积维护方便水泵电机硬起动启动电流等缺点频繁起动易损坏联轴器目前应高层建筑
(4) 液力耦合器电池滑差离合器调速供水方式易漏油发热需冷效率低改造麻烦驱动需常检修优点价格低廉结构简单明维修方便
(5) 单片机变频恒压供水系统做变频恒压动化程度优面4种供水方式系统开发周期较长操作员素质求较高性较低维修方便适恶劣工业环境
综述传统供水方式普遍程度存浪费水力电力资源效率低性差动化程度高等缺点严重影响居民水工业系统中水目前供水方式高效节动方发展变频恒压技术显着节效果稳定控制方式风机水泵空气压缩机制冷压缩机等高耗设备广泛应特城乡工业水级加压系统居民生活水恒压供水系统中变频恒压水泵节效果尤突出优越性表现：节显著二开停机时减电流电网击供水水压网系统击三减水泵电机身机械击损耗[2]
基PLC变频技术恒压供水系统集变频技术电气技术现代控制技术体采该系统进行供水提高供水系统稳定性性时系统具良节性源日益紧缺天尤重研究设计该系统提高企业效率民生活水降低耗等方面具重现实意义
13 PLC概述
131 编程控制器定义
编程控制器简称PLC(Programmable logic Controller)指计算机技术基础新型工业控制装置1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布PLC标准草案中PLC做定义PLC种专门工业环境应设计数字运算操作电子装置采编制程序存储器部存储执行逻辑运算序运算计时计数算术运算等操作指令通数字式模拟式输入输出控制种类型机械生产程PLC关外围设备应该易工业控制系统形成整体易扩展功原设计
132 PLC发展应
世界公认第台PLC1969年美国数字设备公司(DEC)研制限时元器件条件计算机发展水早期PLC分立组件中规模集成电路组成完成简单逻辑控制定时计数功20世纪70年代初出现微处理器快引入编程控制器PLC增加运算数传送处理等功完成真正具计算机特征工业控制装置方便熟悉继电器接触器系统工程技术员编程控制器采继电器电路图类似梯形图作编程语言 参加运算处理计算机存储组件继电器命名时PLC微机技术继电器常规控制概念相结合产物20世纪70年代中末期编程控制器进入实化发展阶段计算机技术已全面引入编程控制器中功发生飞跃更高运算速度超型体积更工业抗干扰设计模拟量运算PID功极高性价奠定现代工业中位20世纪80年代初编程控制器先进工业国家中已获广泛应时期编程控制器发展特点规模高速度高性产品系列化阶段特点世界生产编程控制器国家日益增产量日益升标志着编程控制器已步入成熟阶段 20世纪末期编程控制器发展特点更加适应现代工业需控制规模说时期发展型机超型机控制力说诞生种样特殊功单元压力温度转速位移等式样控制场合产品配套力说生产种机界面单元通信单元应编程控制器工业控制设备配套更加容易目前PLC国外已广泛应钢铁石油化工电力建材机械制造轻纺交通运输文化娱乐等行业称现代技术三支柱
14 课题研究容
设计区供水系统控制象采PLC变频技术相结合技术设计套城市区恒压供水系统引计算机供水系统进行远程监控理保证整系统运行安全节获佳运行工况
PLC控制变频恒压供水系统变频器编程控制器压力变送器现场水泵机组起组成完整闭环调节系统设计中3贮水池3台水泵采部分流量调节方法3台水泵中1台水泵变频器控制作变速运行余水泵做恒速运行PLC根网压力动控制水泵间切换根压力检测值定值间偏差进行PID运算输出变频器控制输出频率调节流量供水网压力恒定水泵切换遵循先起先停先停先起原
根控制求进行系统总体控制方案设计硬件设备选型PLC选型估算需IO点数进行IO模块选型绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图IO连接图分配IO点数列出IO分配表熟练相关软件设计梯形图控制程序程序进行调试修改设计监控系统
2 系统理分析控制方案确定
21 变频恒压供水系统理分析
211 电动机调速原理
水泵电机采三相异步电动机转速公式：
(21)
式中：f表示电源频率p表示电动机极数s表示转差率
式知三相异步电动机调速方法：
(l) 改变电源频率
(2) 改变电机极数
(3) 改变转差率
改变电机极数调速调控方式控制简单投资省节效果显著效率高需专门变极电机级调速级差较变速时转速变化较转矩变化适特定转速生产机器改变转差率调速保证较调速范围般采串级调速方式优点回收转差功率节效果调速性线路复杂增加中间环节电损耗成高影响推广价值面重点分析改变电源频率调速方法特点
根公式知转差率变化时异步电动机转速n基电源频率f成正连续调节电源频率滑改变电动机转速单调节电源频率导致电机运行性恶化着电力电子技术发展已出现种性良工作变频恒压电源装置促进变频恒压广泛应
212 变频恒压供水系统节原理
供水系统扬程特性供水系统路中阀门开度变前提表明水泵某转速扬程H流量Q间关系曲线图21示阀门开度水泵转速变情况流量取决户水情况扬程特性反映扬程H水流量Qu间关系Hf(Qu)阻特性水泵转速变前提表明阀门某开度扬程H流量Q间关系曲线图21示阻特性反映水泵量克服泵系统水位压力差液体道中流动阻力变化规律阀门开度改变实际改变某扬程供水系统户供水力阻特性反映扬程供水流量Qc间关系Hf(Qc)扬程特性曲线阻特性曲线交点称供水系统工作点图21中A点点户水流量Qu供水系统供水流量Qc处衡状态供水系统满足扬程特性符合阻特性系统稳定运行
图21 恒压供水系统基特征
变频恒压供水系统供水部分水泵电动机道阀门等构成通常异步电动机驱动水泵旋转供水电机水泵做成体通变频器调节异步电机转速改变水泵出水流量实现恒压供水供水系统变频实质异步电动机变频恒压异步电动机变频恒压通改变定子供电频率改变步转速实现调速
供水系统中通常流量控制目常控制方法阀门控制法转速控制法阀门控制法通调节阀门开度调节流量水泵电机转速保持变实质通改变水路中阻力改变流量阻阀门开度改变改变扬程特性变实际水中需水量变化阀门开度段时间保持变必然造成超压欠压现象出现转速控制法通改变水泵电机转速调节流量阀门开度保持变通改变水动改变流量扬程特性水泵转速改变改变阻特性变变频恒压供水方式属转速控制工作原理根户水量变化动调整水泵电机转速网压力始终保持恒定水量增时电机加速水量减时电机减速
流体力学知水泵网供水时水泵输出功率P网水压H出水流量Q积成正水泵转速n出水流量Q成正网水压H出水流量Q方成正述关系水泵输出功率P转速n三次方成正：
（22）
（23）
(24)
(25)
式中kk1k2k3例常数
图22 网水泵运行特性曲线
阀门控制时供水量高峰水泵工作E点流量Q1扬程H0供水量Q1减Q2时必须关阀门时阀门摩擦阻力变阻力曲线b3移b1扬程特性曲线变扬程H0升H1运行工况点E点移F点时水泵输出功率正H1×Q2调速控制时采恒压(H0)变速泵(n2)供水阻特性曲线b2扬程特性变曲线n2工作点E点移D点时水泵输出功率正H0×Q2H1>H0阀门控制流量时正(H1－H0)×Q2功率浪费掉着阀门断关阀门摩擦阻力断变阻特性曲线移运行工况点移H1增浪费功率增加调速控制方式阀门控制方式供水功率节效果显著
22 变频恒压供水系统组成原理图
PLC控制变频恒压供水系统变频器编程控制器压力变送器现场水泵机组起组成完整闭环调节系统该系统控制流程图图23示：
图23变频恒压供水系统控制流程图
图中出系统分：执行机构信号检测机构控制机构三部分具体：
(l) 执行机构：执行机构组水泵组成水供入户网中台变频泵两台工频泵构成变频泵变频恒压器控制进行变频调整水泵根水量变化改变电机转速维持网水压恒定工频泵运行启停两种工作状态水量（变频泵达工频运行状态法满足水求时）情况投入工作
(2) 信号检测机构：系统控制程中需检测信号包括网水压信号水池水位信号报警信号网水压信号反映户网水压值恒压供水控制反馈信号信号模拟信号读入PLC时需进行AD转换外加强系统性需供水限压力限压力电接点压力表进行检测检测结果送PLC作数字量输入水池水位信号反映水泵进水水源否充足信号效时控制系统系统实施保护控制防止水泵空抽损坏电机水泵信号安装水池中液位传感器报警信号反映系统否正常运行水泵电机否载变频器否异常该信号开关量信号
(3) 控制机构：供水控制系统般安装供水控制柜中包括供水控制器(PLC系统)变频器电控设备三部分供水控制器整变频恒压供水控制系统核心供水控制器直接系统中压力液位报警信号进行采集机接口通讯接口数信息进行分析实施控制算法出执行机构控制方案通变频恒压器接触器执行机构(水泵机组)进行控制变频器水泵进行转速控制单元踪供水控制器送控制信号改变调速泵运行频率完成调速泵转速控制
根水泵机组中水泵变频器拖动情况变频器两种工作方式变频循环式变频固定式变频循环式变频器拖动某台水泵作调速泵台水泵运行50Hz时供水量达水求需增加水泵机组时系统先变频器该水泵电机中脱出该泵切换工频时变频拖动台水泵电机变频固定式变频器拖动某台水泵作调速泵台水泵运行50Hz时供水量达水求需增加水泵机组时系统直接启动台恒速水泵变频器做切换变频器固定拖动水泵系统运行前选择[9]设计中采前者
作控制系统报警必少重组成部分系统适供水领域保证系统安全稳运行防止电机载变频器报警电网波动供水水源中断造成障系统必须种报警量进行监测PLC判断报警类进行显示保护动作控制免造成必损失
变频恒压供水系统供水出口网水压控制目标控制实现出口总网实际供水压力设定供水压力设定供水压力常数时间分段函数时段常数某特定时段恒压控制目标出口总网实际供水压力维持设定供水压力变频恒压供水系统结构框图图24示：
图24变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通安装户供水道压力变送器实时测量参考点水压检测网出水压力转换4—20mA电信号检测信号实现恒压供水关键参数电信号模拟量必须通PLCAD转换模块读入设定值进行较较偏差值进行PID运算运算数字信号通DA转换模块转换成模拟信号作变频器输入信号控制变频器输出频率控制电动机转速进控制水泵供水流量终户供水道压力恒定实现变频恒压供水
3 系统硬件设计
31 系统设备选型
根基PLC变频恒压供水系统原理系统电气控制总框图图31示：
图31 系统电气控制总框图
系统电气总框图出该系统硬件设备应包括部分：(1) PLC扩展模块(2) 变频器(3) 水泵机组(4) 压力变送器(5) 液位变送器设备选型表31示：
表31 系统硬件设备清单
设备
型号生产厂家
编程控制器（PLC）
Siemens CPU 226
模拟量扩展模块
Siemens EM 235
变频器
Siemens MM440
水泵机组
SFL系列水泵3台（海熊猫机械限公司）
压力变送器显示仪表
普通压力表Y100XMT1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)
32 系统电路分析设计
基PLC变频恒压供水系统电路图图32示：三台电机分M1M2M3分带动水泵1#2#3#接触器KM1KM3KM5分控制M1M2M3工频运行接触器KM2KM4KM6分控制M1M2M3变频运行FR1FR2FR3分三台水泵电机载保护热继电器QS1QS2QS3QS4分变频器三台水泵电机电路隔离开关FU电路熔断器
系统采三泵循环变频运行方式3台水泵中1台水泵变频器控制作变速运行余水泵工频做恒速运行水量情况果变频泵连续运行时间超3h切换台水泵系统具倒泵功避免某台水泵工作时间长时间台水泵工作变频时间段三台水泵轮流做变频泵
图32 变频恒压供水系统电路图
三相电源低压熔断器隔离开关接变频器RST端变频器输出端UVW通接触器触点接电机电机工频运行时连接变频器隔离开关变频器输出端接触器断开接通工频运行接触器隔离开关电路中低压熔断器接通电源外时实现短路保护台电动机载保护相应热继电器FR实现变频工频两回路允许时接通变频器输出端绝允许直接接电源必须接触器触点电动机接通工频回路时变频回路接触器触点必须先行断开样工频转变频时必须先工频接触器断开允许接通变频器输出端接触器KM1KM2KM3KM4KM5KM6绝时动作相互间必须设计互锁监控电机负载运行情况回路电流通电流互感器变送器4~20mA电流信号送位机显示时通通转换开关接电压表显示线电压通转换开关利电压表显示相间线电压初始运行时必须观察电动机转符合求果转相反改变电源相序获正确转系统启动运行停止操作直接断开电路(直接熔断器隔离开关断开)必须通变频器实现软启动软停提高变频器功率数必须接电抗器采手动控制时必须采耦变压器降压启动软启动方式降低电流系统采软启动器
33 系统控制电路分析设计
系统实现恒压供水体控制设备PLC控制电路合理性程序性直接关系整系统运行性系统采西门子公司S7200系列PLC体积执行速度快抗干扰力强性优越
PLC实现变频恒压供水系统动控制完成功：动控制三台水泵投入运行三台水泵间实现变频泵切换三台水泵启动时软启动功水泵操作手动动控制功手动应急检修时时系统完善报警功显示运行状况
图33电控系统控制电路图图中SA手动动转换开关SA1位置手动控制状态2状态动控制状态手动运行时钮SB1~SB6控制三台水泵启停动运行时系统PLC程序控制运行
图中HL10动运行状态电源指示灯变频器频率进行复位提供干触发点信号系统通中间继电器KA触点变频器进行复频控制图中Q00~Q05Q11~Q15PLC输出继电器触点旁边468等数字接线编号结合节中图34起读图
图33 变频恒压供水系统控制电路图
注：PLCIO端口指示灯代表含义节IO端口分配中详细介绍
系统手动动控制运行程：
(1) 手动控制：手动控制检查障原时会便电机障检测维修单刀双掷开关SA1端时开启手动控制模式时通开关分控制三台水泵电机工频运行停止SB1时KM2常闭触点接通电路KM1线圈电KM1常开触点闭合实现锁功电机M1稳定运行工频SB2时会切断电路KM1线圈失电电机M1停止运行理通SB3SB5启动电机M2M3通SB4SB6电机M2M3停机
（2）动控制：正常情况变频恒压供水系统工作动状态单刀双掷开关SA2端时开启动控制模式动控制工作状况PLC程序控制Q00输出1#水泵工频运行信号Q01输出1#水泵变频运行信号Q00输出1时KM1线圈电1#水泵工频运行指示灯HL1点亮时KM1常闭触点断开实现KM1KM2电气互锁Q01输出1时KM2线圈电1#水泵变频运行指示灯HL2点亮时KM2常闭触点断开实现KM2KM1电气互锁理2#3#水泵控制原理Q11输出1时水池水位限报警指示灯HL7点亮Q12输出1时变频器障报警指示灯HL8点亮Q13输出1时白天供水模式指示灯HL9点亮Q14输出1时报警电铃HA响起Q15输出1时中间继电器KA线圈电常开触点KA闭合变频器频率复位处动控制状态动运行状态电源指示灯HL10直点亮
34 PLCIO端口分配外围接线图
基PLC变频恒压供水系统设计基求：
(1) 白天夜间区水量明显设计采白天供水夜间供水两种模式两种模式设定定水压值白天区水量系统高恒压值运行夜间区水量系统低恒压值运行
(2) 水量情况果台水泵连续运行时间超3h切换台水泵系统具倒泵功避免某台水泵工作时间长倒泵系统台变频泵长时间工作情况
(3) 考虑节水泵寿命素水泵切换遵循先启先停先停先启原
(4) 三台水泵启动时软启动功水泵操作手动动控制功手动应急检修时时
(5) 系统完善报警功
根控制求统计控制系统输入输出信号名称代码址编号表32示
表32 输入输出点代码址编号
名 称
代 码
址编号
输入信号
供水模式信号(1白天0夜间)
SA1
I00
水池水位限信号
SLHL
I01
变频器报警信号
SU
I02
试灯钮
SB7
I03
压力变送器输出模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器指示灯
KM1HL1
Q00
1#泵变频运行接触器指示灯
KM2HL2
Q01
2#泵工频运行接触器指示灯
KM3HL3
Q02
2#泵变频运行接触器指示灯
KM4HL4
Q03
3#泵工频运行接触器指示灯
KM5HL5
Q04
3#泵变频运行接触器指示灯
KM6HL6
Q05
输出信号
水池水位限报警指示灯
HL7
Q11
变频器障报警指示灯
HL8
Q12
白天模式运行指示灯
HL9
Q13
报警电铃
HA
Q14
变频器频率复位控制
KA
Q15
变频器输入电压信号
Uf
AQW0
结合系统控制电路图33PLCIO端口分配表32画出PLC扩展模块外围接线图图34示：
图34 PLC扩展模块外围接线图
变频恒压供水系统五输入量中包括4数字量1模拟量压力变送器测网压力输入PLC扩展模块EM235模拟量输入端口作模拟量输入开关SA1控制白天夜间两种模式间切换作开关量输入I00液位变送器测水池水位转换成标准电信号送入窗口较器窗口较器中设定水池水位限超出限时窗口较输出高电1送入I01变频器障输出端PLCI02相连作变频器障报警信号开关SB7I03相连作试灯信号手动检测指示灯否正常工作
变频恒压供水系统11数字量输出信号1模拟量输出信号Q00~Q05分输出三台水泵电机工频变频运行信号Q11输出水位超限报警信号Q12输出变频器障报警信号Q13输出白天模式运行信号Q14输出报警电铃信号Q15输出变频器复位控制信号AQW0输出模拟信号控制变频器输出频率
图34 简单表明PLC扩展模块外围接线情况严格意义外围接线情况忽略素：(1) 直流电源容量(2) 电源方面抗干扰措施(3) 输出方面保护措施(4) 系统保护措施等
4 系统软件设计
41 系统软件设计分析
硬件连接确定系统控制功通软件实现结合泵站控制求泵站软件设计分析：
(1) 恒压求出发工作泵组数量理
恒定水压水压降落时升高变频器输出频率台水泵工作满足恒压求时需启动第二台水泵判断需启动新水泵标准变频器输出频率达设定限值功通较指令实现判断变频器工作频率达限值确实性应滤偶然频率波动引起频率达限情况程序中应考虑采取时间滤波
(2) 泵组泵站泵组理规范
变频器泵站希次启动电动机均软启动规定台水泵必须交泵组泵站泵组投运理规范设计中控制求中规定台泵连续变频运行超3h次需启动新水泵切换变频泵时新运行泵变频泵合理具体操作：现行运行变频器变频器切接工频电源运行变频器复位新运行泵启动外泵组理问题泵工作循环控制设计中泵号加1方法实现变频泵循环控制工频泵总数结合泵号实现工频泵轮换工作
(3) 程序结构程序功实现
模拟量单元PID调节需编制初始化中断程序程序分三部分：程序子程序中断程序系统初始化工作放初始化子程序中完成样节省扫描时间利定时器中断功实现PID控制定时采样输出控制程序功泵切换信号生成泵组接触器逻辑控制信号综合报警处理等程序白天夜间模式定压力值两恒压值采数字方式直接程序中设定白天模式系统设定值满量程90夜间模式系统设定值满量程70
42 PLC程序设计
PLC控制程序采SIEMENS公司提供STEP 7MicroWINV40编程软件开发该软件SIMATIC指令集包含三种语言语句表(STL)语言梯形图(LAD)语言功块图(FWD)语言语句表(STL)语言类似计算机汇编语言特适合计算机领域工程员指令助记符创建户程序属面机器硬件语言梯形图(LAD)语言接继电器接触器控制系统中电气控制原理图应种编程语言计算机语言相梯形图作PLC高级语言考虑系统部结构原理硬件逻辑容易般电气工程设计运行维护员接受初学者理想编程工具功块图(FWD)图形结构数字电路结构极相似功块图中模块输入输出端输出输入端函数关系非异逻辑运算模块间连接方式电路连接方式基相
PLC控制程序程序干子程序构成程序编制计算机完成编译通PCPPI 电缆程序载PLC控制务完成通RUN模式机循环扫描连续执行户程序实现
421控制系统程序设计
PLC程序系统初始化程序水泵电机起动程序水泵电机变频工频切换程序水泵电机换机程序模拟量(压力频率)较计算程序报警程序等构成
系统初始化程序
系统开始工作时候先整系统进行初始化开始启动时候先系统部分前工作状态进行检测出错报警接着变频器变频运行限频率PID控制参数进行初始化处理赋予定初值初始化子程序进行中断连接系统进行初始化程序中通调子程序实现初始化紧接着设定白天夜间两种供水模式水压定值变频泵泵号工频泵投入台数
增减泵判断相应操作程序
PID调解结果等变频运行限频率（等变频运行限频率）水泵稳定运行时定时器计时5min（便消水压波动干扰）执行工频泵台数加（减）操作产生相应泵变频启动脉信号
(3) 水泵软启动程序
增减泵倒泵时复位变频器软启动做准备时变频泵号加产生前泵工频启动脉信号台水泵变频启动脉信号延时启动运行
台变频泵长时间运行时连续运行时间进行判断超3h动倒泵变频运行
(4) 水泵变频运行控制逻辑程序
水泵变频运行控制逻辑体相现1#水泵例进行说明第次电障消者产生1#泵变频启动脉信号系统障产生未产生复位1#水泵变频运行信号1#泵未工作工频状态时Q01置1KM2常开触点闭合接通变频器1#水泵变频运行时KM2常闭触点开防止KM1线圈电变频工频间实现良电气互锁KM2常开触点实现锁功
(5) 水泵工频运行控制逻辑程序
水泵工频运行取决变频泵泵号取决工频泵台数水泵工频运行控制逻辑体相现1#水泵例进行说明产生前泵工频运行启动脉前2#泵处变频运行状态工频泵数0者前3#泵处变频运行状态工频泵数1Q00置1KM1线圈电KM1常开触点闭合1#水泵工频运行时KM1常闭触点开防止KM2线圈电实现变频工频间实现良电气互锁KM1常开触点实现锁功
(6) 报警障处理程序
系统中包括水池水位越限报警指示灯变频器障报警指示灯白天模式运行指示灯报警电铃障信号产生时相应指示灯会出现闪烁现象时报警电铃响起试灯钮时指示灯会直点亮
障发生重新设定变频泵号工频泵运行台数障结束产生障结束脉信号
变频恒压供水系统程序梯形图较复杂方便全部画出仅画出控制程流程图详细程序梯形图请参考附录C
程序流程图图41示图41中未台水泵变频工频运行控制做详细介绍图42图43作完整补充中图422#泵例变频运行控制流程图图432#泵例工频运行控制流程图1#3#泵运行控制情况2#泵相似重复
图41 变频恒压供水系统程序流程图
图42 2#泵变频运行控制流程图 图43 2#泵工频运行控制流程图
422 控制系统子程序设计
(1) 初始化子程序SBR_0
首先初始化变频运行限频率第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行限频率分50HZ20HZ假设选变频器输出频率范围0~100HZ限定值分160006400初始化PID控制参数（KcTsTiTd）参数取值节中详细介绍设置定时中断中断连接具体程序梯形图图44示
图44 初始化子程序SBR_0梯形图
(2) PID控制中断子程序
首先AIW0输入采样数进行标准化转换PID运算标准值转化成输出值AQW0输出模拟信号具体程序梯形图图45示
图45 PID控制中断子程序INT_0梯形图
43 PID控制器参数整定
431 PID控制控制算法
供水系统设计中选含PID调节PLC实现闭环控制保证供水系统中压力恒定连续控制系统中常采Proportional(例)Integral(积分)Derivative(微分)控制方式称PID控制PID控制连续控制系统中技术成熟应广泛控制方式具理成熟算法简单控制效果易熟悉掌握等优点PID控制器种线性控制器定值r(t)实际输出值y(t)间偏差e(t)：
（41）
例(P)积分(I)微分(D)运算通线性组合构成控制量u(t)控象进行控制称PID控制器系统模拟PID控制器控象组成控制系统原理框图图46示图中u(t)PID调节器输出调节量
图46 PID控制原理框图
PID控制规律：
（42）
式中：Kp例系数Ti积分时间常数Td微分时间常数相应传递函数形式：
（43）
PID控制器环节作调节规律：
(1) 例环节：成例反映控制系统偏差信号作偏差e(t)旦产生控制器立产生控制作减少偏差彻底消系统偏差系统偏差例系数Kp增减少例系数导致系统稳定
(2) 积分环节：表明控制器输出偏差持续时间关偏差存控制发生改变直系统偏差零积分环节消静差提高系统差度积分作强弱取决积分时间常数TiTi越积分作越弱易引起系统超调量加反越强易引起系统振荡
(3) 微分环节：偏差信号变化趋势做出反应偏差信号变太前系统中引入效早期修正信号加快系统动作速度减少调节时间微分环节控制调量振荡减超调量加快系统响应时间改善系统动态特性
计算机进入控制领域数字计算机代模拟调节器实现PID控制算法具更灵活性性数字PID控制算法通式(42)离散化实现阶差分似代连续系统微分PID位置控制算法表达式：
（44）
式中：T采样周期n采样序号e(n)第n时刻偏差信号e(nl)第n1时刻偏差信号
实际控制中采增量式PID控制算法表达式：
（45）
式中：调节器输出控制增量
432 PID参数整定
控制器参数整定方法纳起分两类：理计算整定法工程整定法常工程整定法：动态特性参数法稳定边界法阻尼振荡法现场验整定法设计选动态特性参数法根系统开环广义程（包括调节阀WV(s)控象WO(s)测量变送Wm(s)）阶跃响应特性进行似计算方法
系统单闭环系统结构框图图47示
图47 恒压供水系统结构框图
设计压力控制求较高选择PI控制器传递函数：
（47）
系统似带纯滞阶惯性环节假设程传递函数变频器似例环节反馈回路传递函数系统具衡力公式(48)(49)求PI控制器参数
时
(48)
(49)
计算：
PI控制器传递函数：
matlab软件仿真编程：
s1tf(2[3001])
s2tf([2401][7200])
sks1*s2*50
sfeedback(sk003)
step(s)
运行仿真波形图图48示
图48 恒压供水系统阶跃响应仿真波形图
5 监控系统设计
51 组态软件简介
组态软件般图形界面系统实时数库系统第三方程序接口组件控制功组件组成图形界面系统生成现场程图形画面实时数库系统实时存储现场控制点参数第三方程序接口组件组态软件应程序交换数控制功组件生成监控需控制策略设计中选择北京亚控公司组态王软件制作监控系统
52 监控系统设计
521 组态王通信参数设置
设计中S7200PPI编程电缆实现计算机CPU模块通信串行通信接口1双击工程浏览器设备文件夹中COM1图标出现话框中设置波特率19200bits图51示
图51 串行通信接口参数设置
选中COM1双击右侧工作区出现新建…图标出现话框PLC文件夹中选择西门子S7200系列通信协议PPI（见图52）设置单击步直完成样右侧会出现刚生成新IO设备图标通信设置结束
图52 通信协议设置
522 新建工程组态变量
双击组态王652启动工程理器新建工程名恒压供水系统双击新建工程开工程浏览器点击工程浏览器中数词典图标右面工作区会出现系统定义存变量双击面新建…图标弹出定义变量话框（见图53）开始定义输入输出变量样方法组态变量（见图54）
图53 定义变量话框
523 组态画面
(1) 建立新画面
单击工程浏览器左侧画面图标双击工作区新建…图标弹出新画面话框输入名称点击确定进入组态王开发系统
(2) 制作动态监控画面
利工具箱中画图工具绘制监控系统界面然进行动画连接
(3) 编写控制流程程序
双击工程浏览器左边窗口\文件\命令语言\应程序命令语言进行编程
(4) 钮指示灯组态
设定钮文字链接象钮执行某命令输入数某变量外部智仪表PLC等进行连接时会增加数传输简洁性指示灯组态显示系统工作状态
524 监控系统界面
系统中根需开发5界面包括启动界面(包含系统菜单)系统运行界面历史实时趋势曲线数报表报警界面加强系统安全性系统户设置相应权限通菜单界面调界面根需系统运行界面中改变压力定值
系统运行监控界面图55示界面实时显示前时间设定水压值前水压值系统动手动运行情况三台水泵变频工频运行状态转速运行频率设备障报警显示等
图55 城市区恒压供水系统监控界面
结
文针城市区供水特点设计开发套基PLC变频恒压供水动控制系统该系统利单台变频器实现台水泵电机软起动调速摒弃原耦降压起动装置时水泵电机控制纳入动控制系统压力变送器采样网压力信号PID处理传送变频器变频器根压力调节电机转速通改变水泵性曲线实现水泵流量调节保证网压力恒定该系统仅效保证供水系统网压力恒定具工作施工简单节效果显著全动控制二次污染等优点
文工作：
(1) PLC变频器实现生活水恒压控制系统采PLC实现泵切换控制通变频器实现三相水泵电机软启动电动机变频恒压实现水压调节
(2) 通控制程原理分析利西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计恒压供水系统程序程序包括序控制程序初始化子程序中断子程序三部分
(3) 位机组态监控系统进行设计根泵站监控求利组态王软件完成泵站组态监控画面功设计系统界面清楚明易操作动态显示前运行情况前水压障情况
通次毕业设计仅巩固原知识掌握拓宽知识面提高时更加清楚认识足处：硬件设备间连接IO端口分配址分配方面起初解半年学老师学请教知识更深入理解通半年实践学学课中法涉知识体会工程设计复杂困难感受亲做出成绩成功喜悦开始研究生生活坚实基础学生活中会断提高充实争取获更成绩
致 谢
够利完成次毕业设计运学知识查找资料外更重老师正确指导四年中学知识系统进行分类总结课题分配方案选择具体设计调试凝聚着老师心血汗水功夫负心学生活期间感受导师精心指导私关怀令受益匪浅终身受益老师表示深深感谢崇高敬意
参考文献
[1]吴忠智吴加林变频器应手册北京：机械工业出版社2000
[2]韩安荣通变频器应北京：机械工业出版社2000
[3]陈伯时电力拖动动控制系统北京：机械工业出版社1996
[4]廖常初PLC编程应北京：机械工业出版社2003
[5]李华变频调速技术供水系统中应电气动化1996
[6]张国强全动变频调速恒压供水系统设计探讨学术坛2006
[7]贺玲芳基PLC控制全动变频恒压供水系统西安科技学院学报2000
[8]刘润华编程序控制器变频调速供水系统中应基础动化1997
[9]岳庆变频器编程序控制器触摸屏综合应技术北京机械工业出版社
附 录
程序说明：
1动运行部分
2手动运行部分
3公部分
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科毕业文
基pLc变频器恒压供水系统设计
考生姓名： 准考证号：
专业层次： 科 院 （系）：机械工程学院
指导教师： 职 称： 讲 师
XX学院
二OXX年X月X日
摘
着国家济建设生活水逐步提高高层建筑楼层断增高城区面积断扩城市供水线断延伸城市供水系统面着越越压力水压足严重影响述户正常工作生活保障高层建筑供水线终端户正常水需针实际情况述户供水系统增加压力恒压供水系统效解决高层建筑供水线终端户水压足影响正常供水问题恒压供水日常生活中非常重基PLC变频器技术设计生活恒压供水控制系统性高效率高节效果显著动态响应速度快实现恒压动控制需操作员频繁操作节省力提高供水质量减轻劳动强度实现值班节约理费整供水程说系统扩展性理员根季节水情况选择压力设定范围节约水节约电达更优节方式实现供水优化控制稳定性控制
文根中国城市区供水求设计套基PLC变频器恒压供水系统 利组态软件开发良运行理界面变频恒压供水系统编程控制器变频器水泵机组压力传感器工控机等构成
关键词： 变频调速恒压供水PLC组态软
Based on pLc and frequency converter for constant pressure water supply system design
ABSTRACT
With the national economic construction and people's living standard gradually enhancement highrise building floors continuously increased urban area expands ceaselessly city water supply pipeline extends continuously city water supply system is facing more and more pressure due to insufficient pressure seriously affected the normal work and life of user In order to guarantee the high building and water supply pipeline terminal users to normal water need according to the actual situation on the users of the water supply system to increase pressure constant pressure water supply system can effectively solve the highrise buildings and water supply pipeline terminal user of insufficient water pressure and affect the normal water supply problems Constant pressure water supply in daily life is very important based on PLC and frequency converter technology to design the life constant pressure water supply control system has high reliability high efficiency obvious energy saving effect fast dynamic response Because of the realization of automatic control operating personnel do not need frequent operation saving manpower improve water quality reduce labor intensity can realize unattended save administrative costs On the whole process of water supply the system has good expansibility managers can according to each season the water situation choose a different pressure setting range not only saves water but also saves energy achieve better energy saving way realize water supply optimal control and stability control
This thesis according to the Chinese city residential water demand designed a set based on the PLC inverter for constant pressure water supply system and the use of configuration software to develop good management interface Frequency constant pressure water supply system by programmable controller frequency converter water pump a pressure sensor the IPC
Keywords：Variable frequency speed control Constant pressure water supply PLC configuration software
目 录
摘 I
ABSTRACT II
1 绪 1
11 课题提出 1
13 PLC概述 2
131 编程控制器定义 2
132 PLC发展应 2
14 课题研究容 3
2 系统理分析控制方案确定 4
21 变频恒压供水系统理分析 4
211 电动机调速原理 4
212 变频恒压供水系统节原理 4
22 变频恒压供水系统组成原理图 6
3 系统硬件设计 9
31 系统设备选型 9
32 系统电路分析设计 9
33 系统控制电路分析设计 11
34 PLCIO端口分配外围接线图 13
4 系统软件设计 16
41 系统软件设计分析 16
42 PLC程序设计 16
421控制系统程序设计 17
422 控制系统子程序设计 20
43 PID控制器参数整定 23
431 PID控制控制算法 23
432 PID参数整定 25
5 监控系统设计 27
51 组态软件简介 27
52 监控系统设计 27
521 组态王通信参数设置 27
522 新建工程组态变量 28
523 组态画面 29
524 监控系统界面 30
结 32
致 谢 33
参考文献 34
附 录 35
文原创性声明
1 绪
11 课题提出
水电类生活生产中缺少重物质节水节已成时代特征现实条件水资源电源短缺国家长期市政供水高层建筑供水工业生产循环供水等方面技术直较落动化程度较低着国社会济发展生活水断提高住房制度改革断深入城市中类区建设发展十分迅速时区基础设施建设提出更高求区供水系统建设中重方面供水性稳定性济性直接影响区住户正常工作生活直接体现区物业理水高低
传统区供水方式：恒速泵加压供水气压罐供水水塔高位水箱供水液力耦合器电池滑差离合器调速供水方式单片机变频恒压供水系统等方式优缺点：
(1) 恒速泵加压供水方式法供水网压力做出时反应水泵增减赖工进行手工操作动化程度低保证供水机组常处满负荷运行效率低耗电量水量较少时网长期处超压运行状态爆损现象严重电机硬起动易产生水锤效应破坏性目前较少采
(2) 气压罐供水具体积技术简单受高度限制等特点方式调节量水泵电机硬起动起动频繁电器设备求较高系统维护工作量减少水泵起动次数停泵压力较高致水泵低效段工作出水压力谓增高浪费加限制发展
(3) 水塔高位水箱供水具控制方式简单运行济合理短时间维修停电停水等优点存基建投资占面积维护方便水泵电机硬起动启动电流等缺点频繁起动易损坏联轴器目前应高层建筑
(4) 液力耦合器电池滑差离合器调速供水方式易漏油发热需冷效率低改造麻烦驱动需常检修优点价格低廉结构简单明维修方便
(5) 单片机变频恒压供水系统做变频恒压动化程度优面4种供水方式系统开发周期较长操作员素质求较高性较低维修方便适恶劣工业环境
综述传统供水方式普遍程度存浪费水力电力资源效率低性差动化程度高等缺点严重影响居民水工业系统中水目前供水方式高效节动方发展变频恒压技术显着节效果稳定控制方式风机水泵空气压缩机制冷压缩机等高耗设备广泛应特城乡工业水级加压系统居民生活水恒压供水系统中变频恒压水泵节效果尤突出优越性表现：节显著二开停机时减电流电网击供水水压网系统击三减水泵电机身机械击损耗[2]
基PLC变频技术恒压供水系统集变频技术电气技术现代控制技术体采该系统进行供水提高供水系统稳定性性时系统具良节性源日益紧缺天尤重研究设计该系统提高企业效率民生活水降低耗等方面具重现实意义
13 PLC概述
131 编程控制器定义
编程控制器简称PLC(Programmable logic Controller)指计算机技术基础新型工业控制装置1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布PLC标准草案中PLC做定义PLC种专门工业环境应设计数字运算操作电子装置采编制程序存储器部存储执行逻辑运算序运算计时计数算术运算等操作指令通数字式模拟式输入输出控制种类型机械生产程PLC关外围设备应该易工业控制系统形成整体易扩展功原设计
132 PLC发展应
世界公认第台PLC1969年美国数字设备公司(DEC)研制限时元器件条件计算机发展水早期PLC分立组件中规模集成电路组成完成简单逻辑控制定时计数功20世纪70年代初出现微处理器快引入编程控制器PLC增加运算数传送处理等功完成真正具计算机特征工业控制装置方便熟悉继电器接触器系统工程技术员编程控制器采继电器电路图类似梯形图作编程语言 参加运算处理计算机存储组件继电器命名时PLC微机技术继电器常规控制概念相结合产物20世纪70年代中末期编程控制器进入实化发展阶段计算机技术已全面引入编程控制器中功发生飞跃更高运算速度超型体积更工业抗干扰设计模拟量运算PID功极高性价奠定现代工业中位20世纪80年代初编程控制器先进工业国家中已获广泛应时期编程控制器发展特点规模高速度高性产品系列化阶段特点世界生产编程控制器国家日益增产量日益升标志着编程控制器已步入成熟阶段 20世纪末期编程控制器发展特点更加适应现代工业需控制规模说时期发展型机超型机控制力说诞生种样特殊功单元压力温度转速位移等式样控制场合产品配套力说生产种机界面单元通信单元应编程控制器工业控制设备配套更加容易目前PLC国外已广泛应钢铁石油化工电力建材机械制造轻纺交通运输文化娱乐等行业称现代技术三支柱
14 课题研究容
设计区供水系统控制象采PLC变频技术相结合技术设计套城市区恒压供水系统引计算机供水系统进行远程监控理保证整系统运行安全节获佳运行工况
PLC控制变频恒压供水系统变频器编程控制器压力变送器现场水泵机组起组成完整闭环调节系统设计中3贮水池3台水泵采部分流量调节方法3台水泵中1台水泵变频器控制作变速运行余水泵做恒速运行PLC根网压力动控制水泵间切换根压力检测值定值间偏差进行PID运算输出变频器控制输出频率调节流量供水网压力恒定水泵切换遵循先起先停先停先起原
根控制求进行系统总体控制方案设计硬件设备选型PLC选型估算需IO点数进行IO模块选型绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图IO连接图分配IO点数列出IO分配表熟练相关软件设计梯形图控制程序程序进行调试修改设计监控系统
2 系统理分析控制方案确定
21 变频恒压供水系统理分析
211 电动机调速原理
水泵电机采三相异步电动机转速公式：
(21)
式中：f表示电源频率p表示电动机极数s表示转差率
式知三相异步电动机调速方法：
(l) 改变电源频率
(2) 改变电机极数
(3) 改变转差率
改变电机极数调速调控方式控制简单投资省节效果显著效率高需专门变极电机级调速级差较变速时转速变化较转矩变化适特定转速生产机器改变转差率调速保证较调速范围般采串级调速方式优点回收转差功率节效果调速性线路复杂增加中间环节电损耗成高影响推广价值面重点分析改变电源频率调速方法特点
根公式知转差率变化时异步电动机转速n基电源频率f成正连续调节电源频率滑改变电动机转速单调节电源频率导致电机运行性恶化着电力电子技术发展已出现种性良工作变频恒压电源装置促进变频恒压广泛应
212 变频恒压供水系统节原理
供水系统扬程特性供水系统路中阀门开度变前提表明水泵某转速扬程H流量Q间关系曲线图21示阀门开度水泵转速变情况流量取决户水情况扬程特性反映扬程H水流量Qu间关系Hf(Qu)阻特性水泵转速变前提表明阀门某开度扬程H流量Q间关系曲线图21示阻特性反映水泵量克服泵系统水位压力差液体道中流动阻力变化规律阀门开度改变实际改变某扬程供水系统户供水力阻特性反映扬程供水流量Qc间关系Hf(Qc)扬程特性曲线阻特性曲线交点称供水系统工作点图21中A点点户水流量Qu供水系统供水流量Qc处衡状态供水系统满足扬程特性符合阻特性系统稳定运行
图21 恒压供水系统基特征
变频恒压供水系统供水部分水泵电动机道阀门等构成通常异步电动机驱动水泵旋转供水电机水泵做成体通变频器调节异步电机转速改变水泵出水流量实现恒压供水供水系统变频实质异步电动机变频恒压异步电动机变频恒压通改变定子供电频率改变步转速实现调速
供水系统中通常流量控制目常控制方法阀门控制法转速控制法阀门控制法通调节阀门开度调节流量水泵电机转速保持变实质通改变水路中阻力改变流量阻阀门开度改变改变扬程特性变实际水中需水量变化阀门开度段时间保持变必然造成超压欠压现象出现转速控制法通改变水泵电机转速调节流量阀门开度保持变通改变水动改变流量扬程特性水泵转速改变改变阻特性变变频恒压供水方式属转速控制工作原理根户水量变化动调整水泵电机转速网压力始终保持恒定水量增时电机加速水量减时电机减速
流体力学知水泵网供水时水泵输出功率P网水压H出水流量Q积成正水泵转速n出水流量Q成正网水压H出水流量Q方成正述关系水泵输出功率P转速n三次方成正：
（22）
（23）
(24)
(25)
式中kk1k2k3例常数
图22 网水泵运行特性曲线
阀门控制时供水量高峰水泵工作E点流量Q1扬程H0供水量Q1减Q2时必须关阀门时阀门摩擦阻力变阻力曲线b3移b1扬程特性曲线变扬程H0升H1运行工况点E点移F点时水泵输出功率正H1×Q2调速控制时采恒压(H0)变速泵(n2)供水阻特性曲线b2扬程特性变曲线n2工作点E点移D点时水泵输出功率正H0×Q2H1>H0阀门控制流量时正(H1－H0)×Q2功率浪费掉着阀门断关阀门摩擦阻力断变阻特性曲线移运行工况点移H1增浪费功率增加调速控制方式阀门控制方式供水功率节效果显著
22 变频恒压供水系统组成原理图
PLC控制变频恒压供水系统变频器编程控制器压力变送器现场水泵机组起组成完整闭环调节系统该系统控制流程图图23示：
图23变频恒压供水系统控制流程图
图中出系统分：执行机构信号检测机构控制机构三部分具体：
(l) 执行机构：执行机构组水泵组成水供入户网中台变频泵两台工频泵构成变频泵变频恒压器控制进行变频调整水泵根水量变化改变电机转速维持网水压恒定工频泵运行启停两种工作状态水量（变频泵达工频运行状态法满足水求时）情况投入工作
(2) 信号检测机构：系统控制程中需检测信号包括网水压信号水池水位信号报警信号网水压信号反映户网水压值恒压供水控制反馈信号信号模拟信号读入PLC时需进行AD转换外加强系统性需供水限压力限压力电接点压力表进行检测检测结果送PLC作数字量输入水池水位信号反映水泵进水水源否充足信号效时控制系统系统实施保护控制防止水泵空抽损坏电机水泵信号安装水池中液位传感器报警信号反映系统否正常运行水泵电机否载变频器否异常该信号开关量信号
(3) 控制机构：供水控制系统般安装供水控制柜中包括供水控制器(PLC系统)变频器电控设备三部分供水控制器整变频恒压供水控制系统核心供水控制器直接系统中压力液位报警信号进行采集机接口通讯接口数信息进行分析实施控制算法出执行机构控制方案通变频恒压器接触器执行机构(水泵机组)进行控制变频器水泵进行转速控制单元踪供水控制器送控制信号改变调速泵运行频率完成调速泵转速控制
根水泵机组中水泵变频器拖动情况变频器两种工作方式变频循环式变频固定式变频循环式变频器拖动某台水泵作调速泵台水泵运行50Hz时供水量达水求需增加水泵机组时系统先变频器该水泵电机中脱出该泵切换工频时变频拖动台水泵电机变频固定式变频器拖动某台水泵作调速泵台水泵运行50Hz时供水量达水求需增加水泵机组时系统直接启动台恒速水泵变频器做切换变频器固定拖动水泵系统运行前选择[9]设计中采前者
作控制系统报警必少重组成部分系统适供水领域保证系统安全稳运行防止电机载变频器报警电网波动供水水源中断造成障系统必须种报警量进行监测PLC判断报警类进行显示保护动作控制免造成必损失
变频恒压供水系统供水出口网水压控制目标控制实现出口总网实际供水压力设定供水压力设定供水压力常数时间分段函数时段常数某特定时段恒压控制目标出口总网实际供水压力维持设定供水压力变频恒压供水系统结构框图图24示：
图24变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通安装户供水道压力变送器实时测量参考点水压检测网出水压力转换4—20mA电信号检测信号实现恒压供水关键参数电信号模拟量必须通PLCAD转换模块读入设定值进行较较偏差值进行PID运算运算数字信号通DA转换模块转换成模拟信号作变频器输入信号控制变频器输出频率控制电动机转速进控制水泵供水流量终户供水道压力恒定实现变频恒压供水
3 系统硬件设计
31 系统设备选型
根基PLC变频恒压供水系统原理系统电气控制总框图图31示：
图31 系统电气控制总框图
系统电气总框图出该系统硬件设备应包括部分：(1) PLC扩展模块(2) 变频器(3) 水泵机组(4) 压力变送器(5) 液位变送器设备选型表31示：
表31 系统硬件设备清单
设备
型号生产厂家
编程控制器（PLC）
Siemens CPU 226
模拟量扩展模块
Siemens EM 235
变频器
Siemens MM440
水泵机组
SFL系列水泵3台（海熊猫机械限公司）
压力变送器显示仪表
普通压力表Y100XMT1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)
32 系统电路分析设计
基PLC变频恒压供水系统电路图图32示：三台电机分M1M2M3分带动水泵1#2#3#接触器KM1KM3KM5分控制M1M2M3工频运行接触器KM2KM4KM6分控制M1M2M3变频运行FR1FR2FR3分三台水泵电机载保护热继电器QS1QS2QS3QS4分变频器三台水泵电机电路隔离开关FU电路熔断器
系统采三泵循环变频运行方式3台水泵中1台水泵变频器控制作变速运行余水泵工频做恒速运行水量情况果变频泵连续运行时间超3h切换台水泵系统具倒泵功避免某台水泵工作时间长时间台水泵工作变频时间段三台水泵轮流做变频泵
图32 变频恒压供水系统电路图
三相电源低压熔断器隔离开关接变频器RST端变频器输出端UVW通接触器触点接电机电机工频运行时连接变频器隔离开关变频器输出端接触器断开接通工频运行接触器隔离开关电路中低压熔断器接通电源外时实现短路保护台电动机载保护相应热继电器FR实现变频工频两回路允许时接通变频器输出端绝允许直接接电源必须接触器触点电动机接通工频回路时变频回路接触器触点必须先行断开样工频转变频时必须先工频接触器断开允许接通变频器输出端接触器KM1KM2KM3KM4KM5KM6绝时动作相互间必须设计互锁监控电机负载运行情况回路电流通电流互感器变送器4~20mA电流信号送位机显示时通通转换开关接电压表显示线电压通转换开关利电压表显示相间线电压初始运行时必须观察电动机转符合求果转相反改变电源相序获正确转系统启动运行停止操作直接断开电路(直接熔断器隔离开关断开)必须通变频器实现软启动软停提高变频器功率数必须接电抗器采手动控制时必须采耦变压器降压启动软启动方式降低电流系统采软启动器
33 系统控制电路分析设计
系统实现恒压供水体控制设备PLC控制电路合理性程序性直接关系整系统运行性系统采西门子公司S7200系列PLC体积执行速度快抗干扰力强性优越
PLC实现变频恒压供水系统动控制完成功：动控制三台水泵投入运行三台水泵间实现变频泵切换三台水泵启动时软启动功水泵操作手动动控制功手动应急检修时时系统完善报警功显示运行状况
图33电控系统控制电路图图中SA手动动转换开关SA1位置手动控制状态2状态动控制状态手动运行时钮SB1~SB6控制三台水泵启停动运行时系统PLC程序控制运行
图中HL10动运行状态电源指示灯变频器频率进行复位提供干触发点信号系统通中间继电器KA触点变频器进行复频控制图中Q00~Q05Q11~Q15PLC输出继电器触点旁边468等数字接线编号结合节中图34起读图
图33 变频恒压供水系统控制电路图
注：PLCIO端口指示灯代表含义节IO端口分配中详细介绍
系统手动动控制运行程：
(1) 手动控制：手动控制检查障原时会便电机障检测维修单刀双掷开关SA1端时开启手动控制模式时通开关分控制三台水泵电机工频运行停止SB1时KM2常闭触点接通电路KM1线圈电KM1常开触点闭合实现锁功电机M1稳定运行工频SB2时会切断电路KM1线圈失电电机M1停止运行理通SB3SB5启动电机M2M3通SB4SB6电机M2M3停机
（2）动控制：正常情况变频恒压供水系统工作动状态单刀双掷开关SA2端时开启动控制模式动控制工作状况PLC程序控制Q00输出1#水泵工频运行信号Q01输出1#水泵变频运行信号Q00输出1时KM1线圈电1#水泵工频运行指示灯HL1点亮时KM1常闭触点断开实现KM1KM2电气互锁Q01输出1时KM2线圈电1#水泵变频运行指示灯HL2点亮时KM2常闭触点断开实现KM2KM1电气互锁理2#3#水泵控制原理Q11输出1时水池水位限报警指示灯HL7点亮Q12输出1时变频器障报警指示灯HL8点亮Q13输出1时白天供水模式指示灯HL9点亮Q14输出1时报警电铃HA响起Q15输出1时中间继电器KA线圈电常开触点KA闭合变频器频率复位处动控制状态动运行状态电源指示灯HL10直点亮
34 PLCIO端口分配外围接线图
基PLC变频恒压供水系统设计基求：
(1) 白天夜间区水量明显设计采白天供水夜间供水两种模式两种模式设定定水压值白天区水量系统高恒压值运行夜间区水量系统低恒压值运行
(2) 水量情况果台水泵连续运行时间超3h切换台水泵系统具倒泵功避免某台水泵工作时间长倒泵系统台变频泵长时间工作情况
(3) 考虑节水泵寿命素水泵切换遵循先启先停先停先启原
(4) 三台水泵启动时软启动功水泵操作手动动控制功手动应急检修时时
(5) 系统完善报警功
根控制求统计控制系统输入输出信号名称代码址编号表32示
表32 输入输出点代码址编号
名 称
代 码
址编号
输入信号
供水模式信号(1白天0夜间)
SA1
I00
水池水位限信号
SLHL
I01
变频器报警信号
SU
I02
试灯钮
SB7
I03
压力变送器输出模拟量电压值
Up
AIW0
输出信号
1#泵工频运行接触器指示灯
KM1HL1
Q00
1#泵变频运行接触器指示灯
KM2HL2
Q01
2#泵工频运行接触器指示灯
KM3HL3
Q02
2#泵变频运行接触器指示灯
KM4HL4
Q03
3#泵工频运行接触器指示灯
KM5HL5
Q04
3#泵变频运行接触器指示灯
KM6HL6
Q05
输出信号
水池水位限报警指示灯
HL7
Q11
变频器障报警指示灯
HL8
Q12
白天模式运行指示灯
HL9
Q13
报警电铃
HA
Q14
变频器频率复位控制
KA
Q15
变频器输入电压信号
Uf
AQW0
结合系统控制电路图33PLCIO端口分配表32画出PLC扩展模块外围接线图图34示：
图34 PLC扩展模块外围接线图
变频恒压供水系统五输入量中包括4数字量1模拟量压力变送器测网压力输入PLC扩展模块EM235模拟量输入端口作模拟量输入开关SA1控制白天夜间两种模式间切换作开关量输入I00液位变送器测水池水位转换成标准电信号送入窗口较器窗口较器中设定水池水位限超出限时窗口较输出高电1送入I01变频器障输出端PLCI02相连作变频器障报警信号开关SB7I03相连作试灯信号手动检测指示灯否正常工作
变频恒压供水系统11数字量输出信号1模拟量输出信号Q00~Q05分输出三台水泵电机工频变频运行信号Q11输出水位超限报警信号Q12输出变频器障报警信号Q13输出白天模式运行信号Q14输出报警电铃信号Q15输出变频器复位控制信号AQW0输出模拟信号控制变频器输出频率
图34 简单表明PLC扩展模块外围接线情况严格意义外围接线情况忽略素：(1) 直流电源容量(2) 电源方面抗干扰措施(3) 输出方面保护措施(4) 系统保护措施等
4 系统软件设计
41 系统软件设计分析
硬件连接确定系统控制功通软件实现结合泵站控制求泵站软件设计分析：
(1) 恒压求出发工作泵组数量理
恒定水压水压降落时升高变频器输出频率台水泵工作满足恒压求时需启动第二台水泵判断需启动新水泵标准变频器输出频率达设定限值功通较指令实现判断变频器工作频率达限值确实性应滤偶然频率波动引起频率达限情况程序中应考虑采取时间滤波
(2) 泵组泵站泵组理规范
变频器泵站希次启动电动机均软启动规定台水泵必须交泵组泵站泵组投运理规范设计中控制求中规定台泵连续变频运行超3h次需启动新水泵切换变频泵时新运行泵变频泵合理具体操作：现行运行变频器变频器切接工频电源运行变频器复位新运行泵启动外泵组理问题泵工作循环控制设计中泵号加1方法实现变频泵循环控制工频泵总数结合泵号实现工频泵轮换工作
(3) 程序结构程序功实现
模拟量单元PID调节需编制初始化中断程序程序分三部分：程序子程序中断程序系统初始化工作放初始化子程序中完成样节省扫描时间利定时器中断功实现PID控制定时采样输出控制程序功泵切换信号生成泵组接触器逻辑控制信号综合报警处理等程序白天夜间模式定压力值两恒压值采数字方式直接程序中设定白天模式系统设定值满量程90夜间模式系统设定值满量程70
42 PLC程序设计
PLC控制程序采SIEMENS公司提供STEP 7MicroWINV40编程软件开发该软件SIMATIC指令集包含三种语言语句表(STL)语言梯形图(LAD)语言功块图(FWD)语言语句表(STL)语言类似计算机汇编语言特适合计算机领域工程员指令助记符创建户程序属面机器硬件语言梯形图(LAD)语言接继电器接触器控制系统中电气控制原理图应种编程语言计算机语言相梯形图作PLC高级语言考虑系统部结构原理硬件逻辑容易般电气工程设计运行维护员接受初学者理想编程工具功块图(FWD)图形结构数字电路结构极相似功块图中模块输入输出端输出输入端函数关系非异逻辑运算模块间连接方式电路连接方式基相
PLC控制程序程序干子程序构成程序编制计算机完成编译通PCPPI 电缆程序载PLC控制务完成通RUN模式机循环扫描连续执行户程序实现
421控制系统程序设计
PLC程序系统初始化程序水泵电机起动程序水泵电机变频工频切换程序水泵电机换机程序模拟量(压力频率)较计算程序报警程序等构成
系统初始化程序
系统开始工作时候先整系统进行初始化开始启动时候先系统部分前工作状态进行检测出错报警接着变频器变频运行限频率PID控制参数进行初始化处理赋予定初值初始化子程序进行中断连接系统进行初始化程序中通调子程序实现初始化紧接着设定白天夜间两种供水模式水压定值变频泵泵号工频泵投入台数
增减泵判断相应操作程序
PID调解结果等变频运行限频率（等变频运行限频率）水泵稳定运行时定时器计时5min（便消水压波动干扰）执行工频泵台数加（减）操作产生相应泵变频启动脉信号
(3) 水泵软启动程序
增减泵倒泵时复位变频器软启动做准备时变频泵号加产生前泵工频启动脉信号台水泵变频启动脉信号延时启动运行
台变频泵长时间运行时连续运行时间进行判断超3h动倒泵变频运行
(4) 水泵变频运行控制逻辑程序
水泵变频运行控制逻辑体相现1#水泵例进行说明第次电障消者产生1#泵变频启动脉信号系统障产生未产生复位1#水泵变频运行信号1#泵未工作工频状态时Q01置1KM2常开触点闭合接通变频器1#水泵变频运行时KM2常闭触点开防止KM1线圈电变频工频间实现良电气互锁KM2常开触点实现锁功
(5) 水泵工频运行控制逻辑程序
水泵工频运行取决变频泵泵号取决工频泵台数水泵工频运行控制逻辑体相现1#水泵例进行说明产生前泵工频运行启动脉前2#泵处变频运行状态工频泵数0者前3#泵处变频运行状态工频泵数1Q00置1KM1线圈电KM1常开触点闭合1#水泵工频运行时KM1常闭触点开防止KM2线圈电实现变频工频间实现良电气互锁KM1常开触点实现锁功
(6) 报警障处理程序
系统中包括水池水位越限报警指示灯变频器障报警指示灯白天模式运行指示灯报警电铃障信号产生时相应指示灯会出现闪烁现象时报警电铃响起试灯钮时指示灯会直点亮
障发生重新设定变频泵号工频泵运行台数障结束产生障结束脉信号
变频恒压供水系统程序梯形图较复杂方便全部画出仅画出控制程流程图详细程序梯形图请参考附录C
程序流程图图41示图41中未台水泵变频工频运行控制做详细介绍图42图43作完整补充中图422#泵例变频运行控制流程图图432#泵例工频运行控制流程图1#3#泵运行控制情况2#泵相似重复
图41 变频恒压供水系统程序流程图
图42 2#泵变频运行控制流程图 图43 2#泵工频运行控制流程图
422 控制系统子程序设计
(1) 初始化子程序SBR_0
首先初始化变频运行限频率第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行限频率分50HZ20HZ假设选变频器输出频率范围0~100HZ限定值分160006400初始化PID控制参数（KcTsTiTd）参数取值节中详细介绍设置定时中断中断连接具体程序梯形图图44示
图44 初始化子程序SBR_0梯形图
(2) PID控制中断子程序
首先AIW0输入采样数进行标准化转换PID运算标准值转化成输出值AQW0输出模拟信号具体程序梯形图图45示
图45 PID控制中断子程序INT_0梯形图
43 PID控制器参数整定
431 PID控制控制算法
供水系统设计中选含PID调节PLC实现闭环控制保证供水系统中压力恒定连续控制系统中常采Proportional(例)Integral(积分)Derivative(微分)控制方式称PID控制PID控制连续控制系统中技术成熟应广泛控制方式具理成熟算法简单控制效果易熟悉掌握等优点PID控制器种线性控制器定值r(t)实际输出值y(t)间偏差e(t)：
（41）
例(P)积分(I)微分(D)运算通线性组合构成控制量u(t)控象进行控制称PID控制器系统模拟PID控制器控象组成控制系统原理框图图46示图中u(t)PID调节器输出调节量
图46 PID控制原理框图
PID控制规律：
（42）
式中：Kp例系数Ti积分时间常数Td微分时间常数相应传递函数形式：
（43）
PID控制器环节作调节规律：
(1) 例环节：成例反映控制系统偏差信号作偏差e(t)旦产生控制器立产生控制作减少偏差彻底消系统偏差系统偏差例系数Kp增减少例系数导致系统稳定
(2) 积分环节：表明控制器输出偏差持续时间关偏差存控制发生改变直系统偏差零积分环节消静差提高系统差度积分作强弱取决积分时间常数TiTi越积分作越弱易引起系统超调量加反越强易引起系统振荡
(3) 微分环节：偏差信号变化趋势做出反应偏差信号变太前系统中引入效早期修正信号加快系统动作速度减少调节时间微分环节控制调量振荡减超调量加快系统响应时间改善系统动态特性
计算机进入控制领域数字计算机代模拟调节器实现PID控制算法具更灵活性性数字PID控制算法通式(42)离散化实现阶差分似代连续系统微分PID位置控制算法表达式：
（44）
式中：T采样周期n采样序号e(n)第n时刻偏差信号e(nl)第n1时刻偏差信号
实际控制中采增量式PID控制算法表达式：
（45）
式中：调节器输出控制增量
432 PID参数整定
控制器参数整定方法纳起分两类：理计算整定法工程整定法常工程整定法：动态特性参数法稳定边界法阻尼振荡法现场验整定法设计选动态特性参数法根系统开环广义程（包括调节阀WV(s)控象WO(s)测量变送Wm(s)）阶跃响应特性进行似计算方法
系统单闭环系统结构框图图47示
图47 恒压供水系统结构框图
设计压力控制求较高选择PI控制器传递函数：
（47）
系统似带纯滞阶惯性环节假设程传递函数变频器似例环节反馈回路传递函数系统具衡力公式(48)(49)求PI控制器参数
时
(48)
(49)
计算：
PI控制器传递函数：
matlab软件仿真编程：
s1tf(2[3001])
s2tf([2401][7200])
sks1*s2*50
sfeedback(sk003)
step(s)
运行仿真波形图图48示
图48 恒压供水系统阶跃响应仿真波形图
5 监控系统设计
51 组态软件简介
组态软件般图形界面系统实时数库系统第三方程序接口组件控制功组件组成图形界面系统生成现场程图形画面实时数库系统实时存储现场控制点参数第三方程序接口组件组态软件应程序交换数控制功组件生成监控需控制策略设计中选择北京亚控公司组态王软件制作监控系统
52 监控系统设计
521 组态王通信参数设置
设计中S7200PPI编程电缆实现计算机CPU模块通信串行通信接口1双击工程浏览器设备文件夹中COM1图标出现话框中设置波特率19200bits图51示
图51 串行通信接口参数设置
选中COM1双击右侧工作区出现新建…图标出现话框PLC文件夹中选择西门子S7200系列通信协议PPI（见图52）设置单击步直完成样右侧会出现刚生成新IO设备图标通信设置结束
图52 通信协议设置
522 新建工程组态变量
双击组态王652启动工程理器新建工程名恒压供水系统双击新建工程开工程浏览器点击工程浏览器中数词典图标右面工作区会出现系统定义存变量双击面新建…图标弹出定义变量话框（见图53）开始定义输入输出变量样方法组态变量（见图54）
图53 定义变量话框
523 组态画面
(1) 建立新画面
单击工程浏览器左侧画面图标双击工作区新建…图标弹出新画面话框输入名称点击确定进入组态王开发系统
(2) 制作动态监控画面
利工具箱中画图工具绘制监控系统界面然进行动画连接
(3) 编写控制流程程序
双击工程浏览器左边窗口\文件\命令语言\应程序命令语言进行编程
(4) 钮指示灯组态
设定钮文字链接象钮执行某命令输入数某变量外部智仪表PLC等进行连接时会增加数传输简洁性指示灯组态显示系统工作状态
524 监控系统界面
系统中根需开发5界面包括启动界面(包含系统菜单)系统运行界面历史实时趋势曲线数报表报警界面加强系统安全性系统户设置相应权限通菜单界面调界面根需系统运行界面中改变压力定值
系统运行监控界面图55示界面实时显示前时间设定水压值前水压值系统动手动运行情况三台水泵变频工频运行状态转速运行频率设备障报警显示等
图55 城市区恒压供水系统监控界面
结
文针城市区供水特点设计开发套基PLC变频恒压供水动控制系统该系统利单台变频器实现台水泵电机软起动调速摒弃原耦降压起动装置时水泵电机控制纳入动控制系统压力变送器采样网压力信号PID处理传送变频器变频器根压力调节电机转速通改变水泵性曲线实现水泵流量调节保证网压力恒定该系统仅效保证供水系统网压力恒定具工作施工简单节效果显著全动控制二次污染等优点
文工作：
(1) PLC变频器实现生活水恒压控制系统采PLC实现泵切换控制通变频器实现三相水泵电机软启动电动机变频恒压实现水压调节
(2) 通控制程原理分析利西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计恒压供水系统程序程序包括序控制程序初始化子程序中断子程序三部分
(3) 位机组态监控系统进行设计根泵站监控求利组态王软件完成泵站组态监控画面功设计系统界面清楚明易操作动态显示前运行情况前水压障情况
通次毕业设计仅巩固原知识掌握拓宽知识面提高时更加清楚认识足处：硬件设备间连接IO端口分配址分配方面起初解半年学老师学请教知识更深入理解通半年实践学学课中法涉知识体会工程设计复杂困难感受亲做出成绩成功喜悦开始研究生生活坚实基础学生活中会断提高充实争取获更成绩
致 谢
够利完成次毕业设计运学知识查找资料外更重老师正确指导四年中学知识系统进行分类总结课题分配方案选择具体设计调试凝聚着老师心血汗水功夫负心学生活期间感受导师精心指导私关怀令受益匪浅终身受益老师表示深深感谢崇高敬意
参考文献
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[2]韩安荣通变频器应北京：机械工业出版社2000
[3]陈伯时电力拖动动控制系统北京：机械工业出版社1996
[4]廖常初PLC编程应北京：机械工业出版社2003
[5]李华变频调速技术供水系统中应电气动化1996
[6]张国强全动变频调速恒压供水系统设计探讨学术坛2006
[7]贺玲芳基PLC控制全动变频恒压供水系统西安科技学院学报2000
[8]刘润华编程序控制器变频调速供水系统中应基础动化1997
[9]岳庆变频器编程序控制器触摸屏综合应技术北京机械工业出版社
附 录
程序说明：
1动运行部分
2手动运行部分
3公部分
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