基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文1

1、 編號 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢畢業(yè)業(yè)論論文文題 目基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名仝猛學(xué) 號42012107系 部電氣工程系專 業(yè)機(jī)電一體化班 級420121指導(dǎo)教師王玲 顧問教師馬硯芳二一四年 11 月摘 要i摘摘 要要隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人們生活水平的快速提高，小區(qū)的建設(shè)越來越迅速，因此對小區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施提出更高要求，本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于 plc 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測

2、當(dāng)前水壓信號，送入 plc 與設(shè)定值比較后，進(jìn)行 pid 運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。本系統(tǒng)通過在西門子 plc 變頻器實訓(xùn)室進(jìn)行系統(tǒng)的裝調(diào)，驗證了功能的正確性和完整性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：小區(qū)供水 plc 變頻調(diào)速 恒壓供水a(chǎn)bstractiia abstractbstractwith the rapid development of our economy, the rapid development of urbanization, the rapid increase of people living stand

3、ard, residential construction more and more quickly, thus put forward the higher requirements for small infrastructure, according to the chinese city water supply requirements, design a set of variable frequency speed constant pressure water supply system based on plc.the system consists of three pu

4、mp motor, which comprises a frequency conversion cycle operation mode. the realization of three-phase motor pump soft start and frequency conversion speed adjustment by frequency converter, operation switch adopts the start stop first principle. the pressure sensor detects the current hydraulic pres

5、sure signal is sent to the plc, compared with the set value, pid operation, so as to control the transducers output voltage and frequency, and then change the water pump motor speed to change the water supply pipe network pressure, finally keep stable around the setting value.keywords: district wate

6、r supply plc variable frequency speed-regulation constant-pressure water目 錄iii目目 錄錄摘摘 要要.iabstract.ii第一章第一章 緒論緒論.11.1 傳統(tǒng)供水系統(tǒng).11.2 基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng).1第二章第二章 可編程邏輯控制器簡介可編程邏輯控制器簡介.22.1 可編程邏輯控制器（plc）的定義.22.2 plc 的組成 .22.3 plc 的工作原理 .32.4 西門子 plc( s7-200)的簡介.4第三章第三章 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用.53.1 變頻恒壓供

7、水的系統(tǒng)組成及特點.53.1.1 系統(tǒng)組成.53.1.2 系統(tǒng)的特點.63.2 系統(tǒng)的節(jié)能原理.63.2.1 水泵的揚程特性.63.2.2 管路的阻力特性.63.2.3 調(diào)節(jié)流量的方法.7第四章第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成恒壓供水系統(tǒng)硬件組成.84.1 系統(tǒng)的控制要求.84.2 主要硬件選擇.84.3 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計.94.3.1 主電路設(shè)計分析.94.3.2 控制電路設(shè)計分析.114.3.3 i/o 分配表.114.3.4 i/o 接線.124.4 變頻器參數(shù)設(shè)置.13第五章第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計.155.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析.155.2 plc 程序設(shè)計 .16第六章第六

8、章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.21致致 謝謝.22參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).23附錄附錄 1 梯形圖梯形圖.24第一章 緒論1第一章第一章 緒論緒論1.1 傳統(tǒng)供水系統(tǒng)傳統(tǒng)供水系統(tǒng)由于城市的供水管網(wǎng)一般只能保證 6 層以下供水，且隨著中國城鎮(zhèn)化水平提高，樓層建設(shè)逐漸增高，傳統(tǒng)的高樓供水系統(tǒng)已經(jīng)落后。傳統(tǒng)的高層樓房供水一般有恒速泵直接供水、氣壓罐供水、高位水塔水箱供水、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式。這些傳統(tǒng)供水方式一般有以下優(yōu)缺點：1恒速泵直接供水是水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴(yán)

9、重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。2氣壓罐供水具有體積小、簡單方便，不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高。且對于用水不是高峰期時候，泵壓力較高，造成浪費。3高位水塔水箱供水最大的問題是水箱或水塔內(nèi)會有大量的微生物或藻類，這是對水質(zhì)第二次污染，隨著對健康的追求更高，這種方式注定淘汰。4單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。1.2 基于基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)自變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)便在

10、諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)以其清潔，高效，安全，高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，在我國迅速流行發(fā)展。基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)依據(jù)水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時保持水壓恒定用來滿足用水要求，是目前最為先進(jìn)的，合理的，高效的節(jié)能行供水系統(tǒng)。21 世紀(jì)是信息社會，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，變頻器功能越來越多，操作也日趨簡單化，利用變頻器的功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，有著重要意義。相對于傳統(tǒng)供水系統(tǒng)，基于 plc 的變頻恒壓系統(tǒng)有如下優(yōu)點：1配置靈活，自動化程度高，功能齊全，可靠性好。2占地面積小，投入少，效率高。3運行合理，采用軟啟動，可以平均電機(jī)軸上的扭

11、矩，減少磨損，從而減少維修量和維修費用，使泵的壽命大大提高。4不會有二次污染，可以預(yù)防疾病。5可以通過遠(yuǎn)程控制，能實現(xiàn)無人職守，減少人的勞動力。6開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文2第二章第二章 可編程邏輯控制器簡介可編程邏輯控制器簡介2.1 可編程邏輯控制器（可編程邏輯控制器（plc）的定義）的定義可編程邏輯控制，簡稱 plc（programmable logic controller） ，是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。國際電工委員會頒布的 plc 標(biāo)準(zhǔn)草案對plc 做如下定義：“plc 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)

12、計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)、和算數(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。2.2 plc 的組成的組成可編程控制器主要由中央處理單元(cpu)、存儲器(ram、rom)、輸入輸出單元(i/o)、電源和編程器等幾組成。plc 硬件結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 圖 2-1plc 的組成1中央控制處理(cpu) cpu 運算和控制中心 起“心臟”作用。 當(dāng)從編程器輸入的程序存入到用戶程序存儲

13、器中，然后 cpu 根據(jù)系統(tǒng)所賦予的功能（系統(tǒng)程序存儲器的解釋編譯程序） ，把用戶程序翻譯成 plc 內(nèi)部所認(rèn)可的用戶編譯程序。輸入狀態(tài)和輸入(cpu)eprom()ram()i/oi/oi/oplceprom第二章 xxx22 3信息從輸入接口輸進(jìn)，cpu 將之存入工作數(shù)據(jù)存儲器中或輸入映象寄存器。然后由淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文4cpu 把數(shù)據(jù)和程序有機(jī)地結(jié)合在一起。把結(jié)果存入輸出映象寄存器或工作數(shù)據(jù)存儲器中，然后輸出到輸出接口、控制外部驅(qū)動器。cpu 由控制器、運算器和寄存器組成。這些電路集成在一個芯片上。cpu 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線與 i/o接口電路相連接。 2存儲器 具有記憶

14、功能的半導(dǎo)體電路。 分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶存儲器。 系統(tǒng)程序存儲器用以存放系統(tǒng)程序，包括管理程序，監(jiān)控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序。由只讀存儲器、rom 組成。廠家使用的，內(nèi)容不可更改，斷電不消失。 用戶存儲器：分為用戶程序存儲區(qū)和工作數(shù)據(jù)存儲區(qū)。由隨機(jī)存取存儲器（ram）組成。用戶使用的。斷電內(nèi)容消失。常用高效的鋰電池作為后備電源，壽命一般為 35 年。 3輸入/輸出接口 （1）輸入接口。 光電耦合器由兩個發(fā)光二極度管和光電三極管組成。 發(fā)光二級管：在光電耦合器的輸入端加上變化的電信號，發(fā)光二極管就產(chǎn)生與輸入信號變化規(guī)律相同的光信號。 光電三級管：在光信號的照射下導(dǎo)通，導(dǎo)通程

15、度與光信號的強(qiáng)弱有關(guān)。在光電耦合器的線性工作區(qū)內(nèi)，輸出信號與輸入信號有線性關(guān)系。 輸入接口電路工作過程：當(dāng)開關(guān)合上，二極管發(fā)光，然后三極管在光的照射下導(dǎo)通，向內(nèi)部電路輸入信號。當(dāng)開關(guān)斷開，二極管不發(fā)光，三極管不導(dǎo)通。向內(nèi)部電路輸入信號。也就是通過輸入接口電路把外部的開關(guān)信號轉(zhuǎn)化成 plc 內(nèi)部所能接受的數(shù)字信號。 （2）輸出接口 plc 的繼電器輸出接口電路 工作過程：當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號 1，有電流流過，繼電器線圈有電流，然后常開觸點閉合，提供負(fù)載導(dǎo)通的電流和電壓。當(dāng)內(nèi)部電路輸出數(shù)字信號 0，則沒有電流流過，繼電器線圈沒有電流，然后常開觸點斷開，斷開負(fù)載的電流或電壓。也就是通過輸出接口電路

16、把內(nèi)部的數(shù)字電路化成一種信號使負(fù)載動作或不動作。 3三種類型： 繼電器輸出：有觸點、壽命短、頻率低、交直流負(fù)載。 晶體管輸出：無觸點、壽命長、直流負(fù)載。 晶閘管輸出：無觸點、壽命長、交流負(fù)載 。4編程器 編程器分為兩種，一種是手持編程器，我們實驗室使用的就是手持編程器。二種是通過 plc 的 rs232 口。與計算機(jī)相連。然后敲擊鍵盤。通過 nstp-gr 軟件（或 windows 下軟件）向 plc 內(nèi)部輸入程序。2.3 plc 的工作原理的工作原理plc 采用“順序掃描，不斷循環(huán)的工作方式 如圖 2-2。1每次掃描過程。集中對輸入信號進(jìn)行采樣。集中對輸出信號進(jìn)行刷新。第二章 xxx32輸入

17、刷新過程。當(dāng)輸入端口關(guān)閉時，程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時，輸入端有新狀態(tài)，新狀態(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時，新狀態(tài)才被讀入。3一個掃描周期分為輸入采樣，程序執(zhí)行，輸出刷新。 4元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5掃描周期的長短由三條決定。（1）cpu 執(zhí)行指令的速度（2）指令本身占有的時間（3）指令條數(shù) 6由于采用集中采樣。集中輸出的方式。存在輸入/輸出滯后的現(xiàn)象，即輸入/輸出響應(yīng)延遲。 圖 2-2 plc 工作原理圖2.4 西門子西門子 plc( s7-200)的簡介的簡介 創(chuàng)立于 1847 年的西門子股份公司是全球電子電氣工程領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)公司，它推出很多的 plc 產(chǎn)

18、品，s7-200 屬于小型 plc ，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品，2004 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點如下：1功能齊全。s7-200 有強(qiáng)大的性能，最多可以有 38 路模擬量 i/o。2最優(yōu)模塊化和開放式通訊。3結(jié)構(gòu)緊湊小巧狹小空間處任何應(yīng)用的理想選擇。4大容量程序和數(shù)據(jù)存儲器。5杰出的實時響應(yīng)在任何時候均可對整個過程進(jìn)行完全控制，從而提高了質(zhì)量、效率和安全性。6完善的網(wǎng)上技術(shù)支持。接通電源內(nèi)部處理通信服務(wù)cpu 運行方式輸出處理輸入采樣stop 模式y(tǒng)y程序執(zhí)行run 模式淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文30 6第三章第三章 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用3.

19、1 變頻恒壓供水的系統(tǒng)組成及特點變頻恒壓供水的系統(tǒng)組成及特點3.1.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成根據(jù)水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，所以確定轉(zhuǎn)速公式： n = 60f/p(1-s)公式中：f =電源頻率，p =電動機(jī)極對數(shù)，s =轉(zhuǎn)差率因此，由公式可知道三相異步交流電動機(jī)調(diào)速方法有：改變電源頻率，改變電機(jī)極對數(shù)，改變轉(zhuǎn)差率三種。改變電動機(jī)極對數(shù)方法簡單，節(jié)能顯著，但是必須要求專門電動機(jī)，且為有級調(diào)速，不能適用日益復(fù)雜的控制要求。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，由于線路過于復(fù)雜，成本高，能耗損失較大，因此不適宜恒壓供水系統(tǒng)。所以，優(yōu)異的調(diào)速的啟動，制動性能，高效率，高功率因數(shù)

20、和節(jié)能效果的變頻器變得到應(yīng)用。變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由變頻器、plc、水泵、電動機(jī)、管道、閥門、傳感器，調(diào)節(jié)器等構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖 3-1 所示。如圖。恒壓供水控制系統(tǒng)產(chǎn)生水壓的設(shè)備是水泵，水泵轉(zhuǎn)動越快產(chǎn)生的水壓則越高。壓力傳感器主要用于檢測管路中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低，用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，在系統(tǒng)中可以設(shè)定管路壓力，接收傳感器送來的管路水壓的實測值即反饋值，并與給定值進(jìn)行比較輸出調(diào)節(jié)信號（一般為模擬信號，020ma 變化的電流信號或 010v 變化的電壓信號） ，本系統(tǒng)此

21、任務(wù)由 plc 控制器承擔(dān)。調(diào)節(jié)器變頻器壓力傳感器電源電動機(jī)用戶水箱mp水泵圖 3-1 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成第三章 xxx5 73.1.2 系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點1恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電機(jī)電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。2由于水泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，水泵轉(zhuǎn)速降低，減少了轉(zhuǎn)軸的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電機(jī)的機(jī)械使用壽命。3因?qū)崿F(xiàn)恒壓供水自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動程度，節(jié)省了人力。4水泵電機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電機(jī)啟動時的電流沖

22、擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。5由于水泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。3.2 系統(tǒng)的節(jié)能原理系統(tǒng)的節(jié)能原理整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 plc 和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋 05v 電壓信號)或壓力變送器(反饋420ma 電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，無波動

23、穩(wěn)壓的效果。供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表示某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 h 與流量 q 之間的關(guān)系。3.2.1 水泵的揚程特性水泵的揚程特性供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，如圖 3-2表示某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 h 與流量 q 之間的關(guān)系。揚程 h c 和流量 q 之間的關(guān)系hf（q） ，稱為揚程特性，曲線如圖 3-2 所示。曲線 2 和曲線 4 為揚程特性，曲線 2 為水泵轉(zhuǎn)速較高的情況，曲線 4 為水泵轉(zhuǎn)速降低的情況。3.2.2 管路的阻力特性管路的阻力特性裝置的揚程 h c 與管路的流量 q 之間的關(guān)系 h cf（q） ，稱管路的阻力特性，曲線如圖 3

24、-2 所示。曲線 1 為開大管路閥門管阻較小的管阻特性，曲線 3 為關(guān)小管路閥門管阻較大的管阻特性?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文6 88 3.2.3 調(diào)節(jié)流量的方法調(diào)節(jié)流量的方法如圖 3-2 曲線 1 表示閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線 2 表示水泵額定轉(zhuǎn)速時的揚程特性，則這時供水系統(tǒng)工作在 a 點：流量為 qa，揚程為ha。電動機(jī)的軸功率與面積 oqaaha 成正比。要將流量調(diào)整為 qb，有兩種辦法：1轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小，工作點移至 b 點，流量為 qb。電動機(jī)的軸功率與面積 oqbbhb 成正比。2閥門的開度不變，降低轉(zhuǎn)速后揚程特性曲線圖 3-2 中的曲線 4 所示，工作點

25、移至 c 點，流量仍為 qb，揚程為 h c。電動機(jī)的軸功率與面積 oqbchc成正比?？梢钥闯?，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電動機(jī)所取用的功率將大為減少。圖 3-2 水泵的流量調(diào)節(jié)曲線 第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成7 9第四章第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成恒壓供水系統(tǒng)硬件組成4.1 系統(tǒng)的控制要求系統(tǒng)的控制要求1生活供水時系統(tǒng)低恒壓運行，消防用水時，三臺電機(jī)均已工頻運行。2系統(tǒng)共有三臺水泵，正常情況下一臺水泵工頻運行，一臺水泵變頻運行，另外一臺水泵備用，當(dāng)連續(xù)運行 3 小時，進(jìn)行輪休，及第二臺水泵變頻運行，第三臺水泵工頻運行，如此循環(huán)。當(dāng)達(dá)到最小頻率 5hz 時候，停止該泵運行，由此控制增減

26、工頻運行水泵臺數(shù)。3三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，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。4考慮節(jié)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。5信號檢測；（1）報警信號，系統(tǒng)要有完善的報警功能，監(jiān)控系統(tǒng)是否有異常狀態(tài)。（2）水壓信號，反應(yīng)系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力值，是恒壓供水主要反應(yīng)信號。4.2 主要硬件選擇主要硬件選擇plc 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此，在選擇 plc 時候，要考慮 plc 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和

27、編程軟件的方便與否等多方面。由于恒壓更水系統(tǒng)控制設(shè)備較少，因此，plc 選用德國 siemens 公司的 s7200 型號。s7200 型號的 plc 結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，較高的性價比，廣泛的應(yīng)用在一些小型的控制系統(tǒng)。siemens 公司的 plc 具有可靠性高，可拓展型好，又有較為豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點。plc 可以上接工業(yè)控制計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測控制。plc 和上位機(jī)的通信采用 pc/ppi 電纜，支持點對點接口（ppi）協(xié)議，pc/ppi 電纜可以方便的實現(xiàn) plc 的通信接口 rs485 到rs232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)。根據(jù)

28、控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮到 plc 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 s7200 型號 plc 的主模塊為 cpu，器開關(guān)量為 16 點，輸出形式為 ac220v 繼電器輸出：開關(guān)量輸入 cpu226 為 24 點，輸入形式為+24v 直流輸入。由于實際中模量輸入點 1 個，模擬量輸出點 1 個，所以需要拓展，拓展模塊選擇是 em235（圖 4-1） ，該模塊有 4 個模擬量輸入（aiw） ，1 個模擬量輸出（aqw）信號通道，輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 a/d 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換一個字節(jié)長（16bit）的數(shù)字信號，輸入信號接出端口能夠自動完成 d/a 的轉(zhuǎn)換，一個

29、字節(jié)長（16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號，em235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入型號，通過 pid 開關(guān)進(jìn)行設(shè)計?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文8 10第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成9 1111在圖 4-1 中，演示了模擬量擴(kuò)展模塊的接線方法，對于電壓信號，按正、負(fù)極直接接入 x和 x；對于電流信號，將 rx 和 x短接后接入電流輸入信號的“”端；未連接傳感器的通道要將 x和 x短接。 4.3 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計 4.3.1 主電路設(shè)計分析主電路設(shè)計分析 基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 4-2 所示：三臺電機(jī)分別為m1、m2、m3，它們分別

30、帶動水泵 1#、2#、3#。接觸器 km1、km3、km5 分別控制 m1、m2、m3 的工頻運行；接觸器 km2、km4、km6 分別控制m1、m2、m3 的變頻運行；fr1、fr2、fr3 分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；qf1、qf2、qf3、qf4 分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；fu 為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)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(nèi)只能

31、有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。圖 4-1 plc 的 em235 模塊淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文1212三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)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(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 fr 實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點

32、必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 km1 和km2、km3 和 km4、km5 和 km6 絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)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 420ma 電流信號送至上位機(jī)來顯示，同時可以通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓，并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開) ，而必須通過變頻器實

33、現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。funl1qf1qf2qf3qf4 l1 l2 l3 變頻器 u v wm1m2m3km1km3km5km2km4km6fr2fr3fr1l2l3pe圖 4-2 供水系統(tǒng)主電路圖第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成134.3.2 控制電路設(shè)計分析控制電路設(shè)計分析 如圖 4-3 為系統(tǒng)的控制電路圖，圖中的 sa 為手動自動切換，sa 在 1 位置為手動狀態(tài)，在 2 的位置為自動控制。手動運行時，可用按鈕 sb1-sb6 對三臺泵進(jìn)行啟?？刂?，自動運行時，系統(tǒng)在

34、plc 的程序監(jiān)控下運行。4.3.3 i/o 分配表分配表根據(jù)系統(tǒng)的控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的地址的名稱、代碼及地址編號如表 4.1 所示。圖 4-3 系統(tǒng)的控制電路nl1 02sb1sb2q0.0km2km1q0.1fr1plckm1km2sb4sb3sb6qfkm1km2km3km4km5km6sb5q0.2km4km3q0.3fr2km3km4q0.4km6km5fr3km5km6q0.5sa淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文14表 4.1 輸入輸出點代碼及地址編號名名 稱稱代代 碼碼地址編碼地址編碼系統(tǒng)啟動sb1i0.0系統(tǒng)停止sb2i0.1消防用水i0.2生活用水sai0.3

35、1#泵過載保護(hù)fr1i0.42#泵過載保護(hù)fr2i0.53#泵過載保護(hù)fr3i0.6輸輸入入信信號號變頻器故障信號i0.71#泵工頻運行km1q0.01#泵變頻運行km2q0.12#泵工頻運行km3q0.22#泵變頻運行km4q0.33#泵工頻運行km5q0.43#泵變頻運行km6q0.5消防用水指示燈hl1q1.0生活用水指示燈hl3q1.1變頻器故障指示燈hl4q1.2輸輸出出信信號號系統(tǒng)啟動指示燈hl5q1.3 4.3.4 i/o 接線接線根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計出 i/o 接線圖如圖 4-4 所示。第四章 恒壓供水系統(tǒng)硬件組成15 圖 4-4 該系統(tǒng)的 i/o 接線圖4.4 變頻器參數(shù)設(shè)

36、置變頻器參數(shù)設(shè)置若想變頻器按照控制系統(tǒng)要求準(zhǔn)確可靠運行，必須對其相關(guān)參數(shù)加以設(shè)定，本控制系統(tǒng)變頻器相關(guān)參數(shù)設(shè)定如表 4-2 所示。值得注意的是，在設(shè)定參數(shù)之前對變頻器中的參數(shù)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位到出廠時的參數(shù)默認(rèn)值。表 4-2 恒壓供水系統(tǒng)的變頻器參數(shù)設(shè)定序號序號參數(shù)參數(shù)設(shè)定值設(shè)定值參數(shù)功能說明參數(shù)功能說明1p000312p0010303p09701變頻器參數(shù)復(fù)位4p00101開始快速調(diào)試5p0304以銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)額定電壓為6p0305以銘牌數(shù)據(jù)三臺電機(jī)額定總電流7p0307以銘牌數(shù)據(jù) 0電機(jī)額定功率8p0309以銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)的額定效率9p031050電機(jī)的額定頻率fu 2l1l220v sa-sb

37、1 sb2 +24v1mfrfrfrkm2km1q0.0q0.1km2km1q0.2q0.3km2km1q0.4q0.5km2km1km4km3km6km53lq1.0q1.1q1.2q1.3q1.4mm4402019945324v24vmm0l+i0a+racpu 226 cndc 0-10vem235a-i0.0i0.1i0.2i0.3i0.4i0.5i0.6淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文16（續(xù)表 4-2）序號序號參數(shù)參數(shù)設(shè)定值設(shè)定值參數(shù)功能說明參數(shù)功能說明10p0311以名牌數(shù)據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速11p39001結(jié)束快速調(diào)試12p10002設(shè)置頻率給定源（2 為模擬輸入 1 通道）13p

38、10805電機(jī)運行最小頻率為 5hz14p108250電機(jī)運行最大頻率為 10hz15p112010電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速最大頻率所需時間16p112110電機(jī)從最大頻率減速到靜止?fàn)顟B(tài)所需時間17p13000控制方式選擇（0 為線性 v/f）18p075700v 對應(yīng) 0%的標(biāo)度，即 0hz19p0758020p07591010v 對應(yīng) 100%的標(biāo)度，即 50hz21p076010022p07610死區(qū)寬度為 0v23p00031設(shè)置用戶參數(shù)訪問等級為 3 級24p07002選擇命令給定源（2 為 i/o 端子控制）25p10002設(shè)置頻率給定源（2 為模擬輸入 1 通道）第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計1

39、7第五章第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析系統(tǒng)軟件設(shè)計分析硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下：1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓，在水壓降落時要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。判斷需啟動新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。2多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必

40、須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過 3h，因此每次需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。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加1 的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。3程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)由于模擬量單元需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間

41、。利用定時器中斷功能實現(xiàn) pid 控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。程序中使用的 plc 元件及其功能如表 5.1 所示。表 5.1 程序中使用的 plc 元件及其功能器件地址器件地址功能功能器件地址器件地址功能功能vd100過程變量標(biāo)準(zhǔn)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(jié)束脈沖信號vd112比例系數(shù) km0.1水泵變頻啟動脈沖（增泵）淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)

42、設(shè)計論文1418vd116采樣時間 tsm0.2水泵變頻啟動脈沖（減泵）第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計1519vd120積分時間 tim0.3倒泵變頻啟動脈沖vd124微分時間 t dm0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運行脈沖vd204變頻運行頻率下限值m0.5當(dāng)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(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元m2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制vd300變頻工作泵的泵號m2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制vd301工頻運行泵的總臺數(shù)m2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換邏輯控制m3.1水池水位越限邏輯t

43、34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制t35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制5.2 plc 程序設(shè)計程序設(shè)計plc 控制程序采用 siemens 公司提供的 step 7-micro win-v40 編程軟件開發(fā)。該軟件的 simatic 指令集包含三種語言，即語句表(stl)語言、梯形圖(lad)語言、功能塊圖(fwd)語言。語句表(stl)語言類似于計算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖(lad)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是 plc 的高級語言，幾乎不用

44、去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(fwd)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。plc 控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機(jī)上完成，編譯后通過 pc/ppi 電纜把程序下載到 plc，控制任務(wù)的完成，是通過在run 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。plc 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序

45、、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。1系統(tǒng)初始化程序淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文20在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計21頻運行的上下限頻率、pid 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)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(shù)。2增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng) pid 調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變

46、頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時 5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。3水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進(jìn)行判斷，超過 3h 則自動倒泵變頻運行。4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(xiàn)在只以 1#水泵為例進(jìn)行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生 1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位 1#水泵變頻運行信號、1#泵未工

47、作在工頻狀態(tài)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(xiàn)良好的電氣互鎖，km2 的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。5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(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1#水泵為例進(jìn)行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖后，若當(dāng)前 2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前 3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 1，則 q0.0 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

48、 常閉觸點打開防止 km2 線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，km1 的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。6報警及故障處理程序本系統(tǒng)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(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)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(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細(xì)的主程序梯形圖請參考附錄圖 c-1。淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文22主程序流程圖如圖 5-1 所示

49、。由于在圖 5-1 中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細(xì)介紹，因此圖 5-2 和圖 5-3 對其作了完整的補(bǔ)充。其中圖 5-2 是以 2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖 5-3 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(fù)。如圖 5-1 所示。本設(shè)計主程序流程圖1調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值；2根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)；3根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號；4通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進(jìn)行控制；5進(jìn)行報警和故障處理；圖 5-1 系統(tǒng)流程圖 開始調(diào)初始化子程序生活|消防三臺電機(jī)工頻運行自動啟動系統(tǒng)運行時間濾波修改泵組系數(shù)停機(jī)

50、、報警fminffmax30min 到否？兩臺泵工頻運行？輪休時間到否？消防生活ynyynnyn第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計23主程序流程圖如圖 5-1 所示。由于圖 5-1 并未對個臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細(xì)介紹，因此圖 5-2 和 5-3 對其做了完整的補(bǔ)充。圖 5-2 是以 2#泵為例的變頻器控制流程圖，圖 5-3 是在 2#泵為工頻為例運行控制的流程圖，1#、3#與之相似。 圖 5-2 2#變頻運行控制系統(tǒng) 開始是否有變頻器啟動脈沖信號變頻泵號是否為 22#是否工頻運行系統(tǒng)是否無故障2#泵變頻運行是否無變頻器復(fù)位脈沖結(jié)束nnnnnyyyyy淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文24圖 5-3 2#變頻運行控制系統(tǒng)流程圖圖 5.2.3 2#工頻運行控制系統(tǒng)流程圖 開始幾號變頻器運行？3#變頻運行？2#是否變頻運行1#變頻運行？2#泵變頻運行工頻泵數(shù)是否大于 0結(jié)束工頻泵數(shù)是否大于 1nyynyy第六章 總結(jié)與展望25第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望本論文研究的是變頻恒壓供水系統(tǒng)，恒壓供水系統(tǒng)以