毕业设计 PLC控制的恒压无塔供水系统

摘 要

在以PLC控制为核心,变频调速技术为基础的恒压供水系统中,PLC将压力设定值与测量值的偏差经PID运算后得到的信号控制变频器,从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的压力,实现恒压供水的目的.介绍了基于S7-200恒压供水系统PID调节器的实现.

关键词:

PLC 变频调速 PID 恒压供水

I

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Abstract

In a PLC control as the core technology-based frequency control constant pressure water supply systems, PLC and measuring the pressure setting value of the deviation by the PID control algorithms to the signal converter, which control the pump speed through the inverter regulating the pressure of pipe network to achieve constant pressure water supply purposes. introduced the S7-200 based on constant pressure water supply system PID regulator implementation.

Key words ：PLC frequency control PID constant pressure water supply

II

目 录

摘 要 .................................................................... I Abstract ................................................................. II 第1章 绪论 .............................................................. 1

1.1 课题背景 .......................................................... 1

1.2 恒压供水发展概况 .................................................. 1 1.3 变频恒压供水的现状 ................................................ 1

1.3.1 国内外变频供水系统现状 ....................................... 1 1.3.2 变频供水系统应用范围 ......................................... 2 第2章 可编程控制器概述 ................................................... 3 2.1可编程控制器的基本结构 ................................................ 3

2.1.1 CPU模块 ......................................................... 3 2.1.2 I/O模块 ..................................................... 3 2.1.3 电源 ......................................................... 4 2.1.4 编程器 ....................................................... 4 2.1.5 输入/输出扩展单元 ............................................ 4 2.1.6 外部设备接口 ................................................. 4 2.2可编程控制器的工作原理 ............................................. 4 2.3可编程控制器的内存区域的分布及I/O配置 ............................. 5 2.4 可编程控制器基本指令简介 .......................................... 6 2.5 STEP7-Micro/WIN软件的使用方法 ..................................... 7

2.5.1系统需求 ..................................................... 7 2.5.2软件的使用 ................................................... 7 2.5.3编程规则 ..................................................... 8 第3章 PLC控制的恒压供水系统 ............................................ 10

3.1 设计基本思路 ..................................................... 10 3.2 恒压供水系统的基本构成 ........................................... 10 3.3 变频器及其控制 ................................................... 11

3.3.1变频器的基本结构 ............................................ 12 3.3.2 变频器的分类及工作原理 ...................................... 13 3.4 PLC在恒压供水泵站中的主要任务 .................................... 14

3.4.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务 .............................. 14 3.4.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 .............................. 14 第4章 恒压供水硬件设计 .................................................. 15

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4.1 系统控制要求 ..................................................... 15 4.2 控制系统的I/O点分配及地址分配 ................................... 15 4.3 PLC系统选型 ...................................................... 16 4.4 电气控制系统原理图 ............................................... 16 第5章 恒压供水软件设计 .................................................. 18

5.1 系统流程图 ....................................................... 20 5.2 系统程序 ......................................................... 20 5.3 程序指令表 ....................................................... 33 第6章 总结 .............................................................. 37 致 谢 .................................................................... 38 参考文献 ................................................................. 39

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第1章 绪论

1.1 课题背景

随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出：一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍：另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，发生火灾时，能够可靠供水。

衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡，但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上。

随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平的高低。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高。自动化程度等缺点，难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。

1.2 恒压供水发展概况

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗将具有重要经济意义。

我国供水机泵的特点是数量大、范围大、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定差距。对大多数供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统。目前不论是国内还是国外都在利用PLC过程控制功能，结合变频调速和触摸屏技术对原有的老旧系统进行改造，随着科技的发展，供水系统向着更智能化方向发展。

1.3 变频恒压供水的现状

1.3.1 国内外变频供水系统现状

变频恒压供水时在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国内外的恒压供

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水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频器的数量一样多，因而投资成本很高。

国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前，国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产并且发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频器恒压供水市场。但在大功率容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。

1.3.2 变频供水系统应用范围

变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：

（1）小区变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw一下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 （2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统

这类变频供水系统主要用于中小型供水厂或大中型的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135km和320km之间，电网电压通常为220V或380V。受中小型水厂规模和经济条件，目前主要是采用工厂通用的变频恒压供水变频器。 （3）大型供水厂的变频恒压供水系统

这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外的进口变频器和控制系统。

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第2章 可编程控制器概述

可编程序控制器，英文称Programmable Logical Controller，简称PLC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。

2.1可编程控制器的基本结构

可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示）。

按 钮选择开关限位开关电 源输入模块可编程序控制器输出模块接触器电磁阀指示灯电 源CPU 模块 编程装置 图2-1

2.1.1 CPU模块

CPU模块又叫处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。

2.1.2 I/O模块

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I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。

可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等

执行器，

可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。

2.1.3 电源

可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。

2.1.4 编程器

编程器是PLC的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。

2.1.5 输入/输出扩展单元

I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。

2.1.6 外部设备接口

此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。

本实验装置选用的主机型号为S7-200系列的主机。

2.2可编程控制器的工作原理

可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。

除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。

在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

在通信服务阶段，可编程序控制器与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。

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在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。

在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。

2.3可编程控制器的内存区域的分布及I/O配置

S7-200CPU224部分编程元件的编号范围与功能说明如下表所示 元件名称 编号 编号范围 功 能 说 明 I 输入寄存器 I0.0～I1.5共14点 接受外部输入设备的信号 输出程序执行结果并驱动外部设备 在程序内部使用，不能提供外部输出 保持型通电延时1ms 保持型通电延时10ms 保持型通电延时100ms ON/OFF延时,1ms ON/OFF延时,10ms 输出寄存器 位存储器 Q M Q0.0～Q1.1共10点 M0.0～M31.7 T0,T T1～T4,T65～T68 T5～T31,T69～T95 T32,T96 定时器 T T33～T36,T97～T100 T37～T63,T101～T255 ON/OFF延时,100ms 计数器 C C0～C255 加法计数器，触点在程序内部使用 用来累计比CPU扫描速率更快的事件 提供控制程序的逻辑分段 数据处理用的数值存储元件 使用临时的寄存器，作为暂时存储器 高速计数器 顺序控制继电器 变量存储器 HC HC0～HC5 S V VB0.0～VB5119.7 L S0.0～S31.7 局部存储器 LB0.0～LB63.7 5

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SM 特殊存储器 SM0.0～SM549.7 CPU与用户之间交换信息 特殊存储器（只SM 读） SM0.0～SM29.7 CPU执行时标志位的状态 累加寄存器 AC AC0～AC3 用来存放计算的中间值 2.4 可编程控制器基本指令简介

S7-200的SIMATIC基本指令简表： LD N 装载(开始的常开触点) LDN N 取反后装载(开始的常闭触点) A N 与(串联的常开触点) AN N 取反后与(串联的常闭触点) O N 或(并联的常开触点) ON N 取反后或(并联的常闭触点) NOT 栈顶值取反 EU 上升沿检测 ED 下降沿检测 二 N 赋值 S S_BIT,N 置位一个区域 R S_BIT,N 复位一个区域 SHRB DATA,S_BIT,N 移位寄存器 SRB OUT,N 字节右移N位 SLB OUT,N 字节左移N位 RRB OUT,N 字节循环右移N位 RLB OUT,N 字节循环左移N位 TON Txxx,TP 通电延时定时器 TOF Txxx,TP 断电延时定时器 CTU Cxxx,PV 加计数器 CTD Cxxx,PV 减计数器 END 程序的条件结束 STOP 切换到STOP模式 WDR 看门狗复位300ms JMP N 跳到指定的标号 CALL N(N1,N2„„) 调用子程序，可以优16个可选参数 6

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CRET FOR/NEXALD OLD NETR NETW SLCR SLCT SLCE INDX,INIT,FI TABLE,PORT TABLE,PORT N N 从子程序条件返回 For/Next循环 电路块串联 电路块并联 网络读 网络写 顺控继电器段的启动 顺控继电器段的转换 顺控继电器段的结束 2.5 STEP7-Micro/WIN软件的使用方法

STEP7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发你的应用程序，STEP7-MicroWIN软件提供了三种程序编辑器。STEP7-Micro/WIN软件提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。

本实验装置使用的编程软件是STEP7-Micro/WIN V4.0版本，在做实验前，首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上，然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。

2.5.1系统需求

STEP7-MicroWIN既可以在PC机上运行，也可以在Siemens公司的编程器上运行。PC机或编程器的最小配置如下：Windows98、Windows2000、Windows Me或者Windows NT4.0以上。

2.5.2软件的使用

(1)打开STEP7-Micro/WIN V4.0，在 中选择PC/PPI协议。

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(2)点击 更改通信端口和通信速率。

(3)在通讯菜单里双击刷新，STEP7-Micro/WIN V4.0开始搜索PPI网络中的S7-200CPU。

搜索完成后会出现网络中所有PLC的列表，选择要操作的PLC即可对所选PLC进行操作了。

(4)编辑梯形图。

(5)点击 将程序下载到PLC中，点击 可以对程序运行状态进行监控，

点击 可以将PLC置于运行的状态。

2.5.3编程规则

(1)外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。

(2)梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边，

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在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。

(3)线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。

(4)同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。

(5)梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。

(6)在梯形图中串联接点使用的次数是没有的，可无限次地使用。 (7)两个或两个以上的线圈可以并联输出。

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第3章 PLC控制的恒压供水系统

3.1 设计基本思路

生产及生活都离不开水。但如果水源离用水场所较远，就需要管路的输送。而将水送到较远的地方，管路中是需要有一定水压的，水压高了，才能将水输送到较远或较高的楼层。

产生水压的设备室水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。传统的维持水压的方法是建造水塔，水泵开着时将水打到水塔中，水泵休息时，借助水塔的水位继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度变化很小，也就是说水塔能维持供水管路中水压的基本恒定。

但是，建造水塔需花费财力物力，水塔还会造成二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题。通常的做法是：用水量大时，增加泵数量或提高水泵的转速以保持官网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调整。这就是恒压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但今天办到这一点已变得很容易了，交流变频器的诞生为水泵转速的平滑连续调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子电力设备，输入三相工频交流电后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。

3.2 恒压供水系统的基本构成

恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，他们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持官网水压的恒定，水泵电机转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当让方便，电机与变频器不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。

图3-1为恒压供水泵站的构成示意图。图中压力传感器用于检测官网中的水压，常常设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。

调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：

（1）设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高于生活用水。调节器具有给定值设定功能，可

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以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。

（2）接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送给泵站控制装置称为反馈，调节器是反馈的接收点

（3）根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作那个还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例—积分—微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的，PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。

图3-1 供水泵站的构成示意图

3.3 变频器及其控制

交流变频器室微计算机及现代电子电力技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电子电力器件构成了变频器的主电路。我们知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50周。而交流电动机的同步转速

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式中 N——同步转速，r/min； f——电子频率，Hz p——电机的磁极对数。 而异步电动机转速

式中 s——异步电动机转差率，s=（N1-N）/N1,一般小于3%。

均与送入电机的电流频率f成正比例。因而，改变频率可以方便的改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。

3.3.1变频器的基本结构

从频率变换的形式来说，变频器分为交—交和交—直—交两种形式。交—交变频器可将工频交流电直接换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交—直—交变频器则是先把工频电通过整流变成直流电，然后再把直流电换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。市售通用变频器多是交—直—交变频器，其基本结构如图3-2所示，由主回路、包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：

图3-2 变频器的基本结构 电整流成直流。

（1）整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流 （2）直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变器及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感

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性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间环节的储能元件来缓冲。所以又常称为直流中间环节为中间直流储能环节。

（3）逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变器电路的输出就是变频器的输出。

（4）控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分，其主要任务是完成逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路时变频器的核心部分，性能的优劣决定了变频器的性能。

一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路时电源时是大容量的电感。为了电动机制动电阻及辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。

3.3.2 变频器的分类及工作原理

变频器较详细的工作原理还是与变频器的工作方式，通常变频器按工作方式分类如下：

（1）U/f控制。U/f控制即电压与频率成比例变化控制。由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节，U/f控制由于忽略了电机漏阻抗的作用，在低频段的工作特性不理想。因而实际变频器中常用E/f控制。采用U/f控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。

（2）转差频率控制。转差频率控制是在E/f控制基础上增加转差控制的一种控制方法。从电机的转速角度看，这是一种以电机的实际运行速度加上该速度下电机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在E/f=常数的条件下，通常对转差频率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。

（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电机磁场电流和转矩电流克分别控制的启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量和转矩分量，并分别控制，从而大大的提高了变频器对电机转速和力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。

通常变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能性变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能

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性负载。

3.4 PLC在恒压供水泵站中的主要任务

3.4.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务

（1）代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节。一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置，在多功能供水泵站中各类工况中参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。

（2）控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时，增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。

（3）变频器的驱动控制。恒压供水系统中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。

（4）泵站的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。

3.4.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用

PLC的普通输入端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于模/数转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。

在本次设计中主要用到的模拟量处理单元是EM235。使用EM235时需要经过校准才能使用，其校准步骤如下：

（1） 切断模块电源。使用配置开关选择需要的输入范围。 （2） 接通CPU各模块电源，并稳定15min。

（3） 用一个传感器、一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端。 （4） 读出CPU中测量值。

（5） 调节偏置电位器，使读数为零或为一个所需要的数据值。 （6） 将一个满刻度信号接入某个输入端，读取CPU的值。

（7） 调节增益电位器，直到CPU的读数为32000，或所需要的数据值。 必要时，重复偏置及增益的校准过程。

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第4章 恒压供水硬件设计

如图4-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。

图4-1 三台泵的供水示意图

4.1 系统控制要求

对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：

（1） 生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。 （2） 三台泵根据恒压是需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。

（3） 在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换下一台

泵，即具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长 （4） 三台泵在启动时都要有软启动功能。 （5） 要有完善的报警功能。

4.2 控制系统的I/O点分配及地址分配

根据图4-1所示及以上控制系统的输入输出信号的名称、代码、及地址编号如表4-1所示。水位上下限信号分别为I0.1,I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1

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表4-1 I/O分配表

4.3 PLC系统选型

从上面的分析可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。如果选用CPU222在扩展EM222也可以达到控制要求，但考虑到是初次设计，应保留足够大的余量，故选用CPU224PLC，当然也可以选用CPU226，但是也需要扩展输出单元，而且价格较贵，性价比不高。此外还需要扩展一个EM235模拟量输入输出单元，这就是整个PLC系统的配置。

4.4 电气控制系统原理图

电气控制系统原理图包括主电路图和PLC外围接线图。 1. 主电路图

如图4-2所示为主控制电路图。三台电机分别为Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３。接触器ＫＭ１、ＫＭ３、ＫＭ５分别控制Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３的工频运行；接触器ＫＭ２、ＫＭ４、ＫＭ６分别控制Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３的变频运行；ＦＲ１、ＦＲ２、ＦＲ３分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；ＱＳ１、ＱＳ２、ＱＳ３、ＱＳ４分别为变频器和三台泵电机主电路的隔离开关；ＦＵ１为主电路的熔断器；ＶＶＶＦ为通用变频器。

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图4-2 主电路图

2. PLC外围接线图

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图4-3 PLC外部接线图

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第5章 恒压供水软件设计

硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件分析如下：

1. 由恒压要求出发的工作泵组数量管理

为了恒定水压，在水压降低时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。 2. 多泵组泵站泵组管理规范

由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，控制要求中规定每台泵连续变频变频运行不得超过3小时，因此每次启动新泵或切换变频泵时，以新泵为变频泵是合理的。具体的操作是，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新泵的启动。初此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本次设计用泵号加1的方法实现变频器的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。 3. 程序结构及程序功能的实现

由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如切换信号的生成，泵组的接触器逻辑控制信号的综合报警处理等都在主程序中。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。在本设计中，只是用到了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，初步确定的增益和时间常数为： 增益k=0.25 采样时间=0.2s 积分时间=30min

程序中使用的PLC元件及其控制功能如表5-1所示：

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表5-1 程序中使用的PLC元件及其控制功能

5.1 系统流程图

5.2 系统程序

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上电初始化，调初始化子程序。消防/生活供水压力给定值设置

上电和故障结束时重新激活变频泵号存储器，变频器频率上限时增泵滤波。

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符合增泵条件时，工频泵运行数加1，频率下限时减泵滤波。

符合减泵条件时，工频泵运行数减1，变频增泵或倒泵时，置位M2.0。

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复位变频器频率为软启动做准备，产生关断当前变频泵脉冲信号。

变频工作泵号加1,。

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产生关断当前泵工频启动脉冲信号。

产生下一台泵变频运行启动信号，变频工作泵的泵号转移。

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一个变频泵运行的持续时间判断。

3小时到，则产生下一台泵的变频启动信号

有工频泵运行时，复位VD310. 1号泵变频运行控制逻辑。

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2号泵变频运行控制逻辑和3号泵变频运行控制逻辑。

1号泵工频运行控制逻辑和2号泵工频运行控制逻辑。

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3号泵工频运行控制逻辑,，火灾时，阀YV2打开。

水池低水位信号处理和水池水位下限信号灯。

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变频器故障信号灯和火灾信号

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水池水位下限故障消铃逻辑和变频器故障消铃

逻辑。

火灾消铃逻辑和报警电铃。

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故障信号及故障结束处理

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5.3 程序指令表

Network1 LD SM0.0 CALL SBR-0 Network2 LD I0.0 MOVR 0.9 ,VD104 NOT

MOVR 0.7 ,VD104 Network3 LD SM0.1 O M0.0 INCB VB300 Network4 LD I0.0

AD>= VD250 , VD208 OLD

AN M0.1 TON T37 , +50 Network5 LD T37 AB<= VB301 , 1 EU

= M0.1 INCB VB301 Network6

LDD<= VD250 , +1800 AN M0.2 TON T38 , +50 Network7 LD T38 AB> VB301 Network8 LD M0.1

O M0.3 S M0.2 , 1 Network9

LD M2.0 TON T33 , +1 = Q1.3 Network10 LD T33 EU

= M0.4 Network11

LD M0.4 S M2.1 INCB VB300 Network12 LD M2.1 TON T34 , +2 Network13 LD T34 EU

= M0.5 R M2.1 , 1 Network14 LD M0.5 S M2.2 , 1 Network15 LD M2.2 TON T39 , +30 Network16 LD T39 EU

= M0.6 R M2,2 , 1 R M2,0 , 1

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Network17 LDB> VB300,3 MOVB 1, VB300 Network18

LDB= VB301 , 0 A SM0.4 EU

Network23 LD M0.6 AB= VB300, 3 O Q0.5

AN M3.0 AN M0.4 AN Q0.4 INCD Network19

LDD>= EU

= MOVD Network20

LDB< > MOVD Network21

LD O O AB= O AN AN AN = Network22 LD AB= O AN AN AN = VD310 VD310 , +180 M0.3 +0 , VD310 VD301 , 0 +0 , VD310 SM0.1 M0.0 M0.6 VB300 , 1 Q0.1 M3.0 M0.4 Q0.0 Q0.1

M0.6 VB300, 2 Q0.3

M3.0 M0.4 Q0.2 Q0.3

= Network24LD O LDB= AB> LDB= AB> OLD ALD

AN = Network26LD O LDB= AB> LDB= AB> OLD ALD

AN = Network27 LD = Network28

Q0.5

M0.5 Q0.0 VB300, 2 VB301, 0 VB300, 3 VB301, 1 Q0.3

Q0.2 M0.5 Q0.4

VB300, 1 VB301, 0 VB300, 2 VB301, 1

Q0.5 Q0.4

I0.0 Q1.0 34

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LD I0.1 O M3.1 A I0.2 = M3.1 Network29

LD SM0.5 O M3.2 O M3.4 A I0.0 = M3.4 Network35 LD M3.1 AN M3.2 LD I.30 A M3.1 O I0.5 = Q0.7 Network30

LD SM0.5 O M3.3 A I0.3 O I0.5 = Q1.0 Network31

LD SM0.5 O M3.4 A I0.0 O I0.5 = Q1.1 Network32 LD I0.4 O M3.2 A M3.1 = M3.2 Network33 LD I0.4 O M3.3 A I0.3 = M3.3 Network34 LD I0.4

AN OLD

LD AN OLD

O = Network36 LD O = MOVB MOVB ED

= SBR_0 Network1

LD MOVD MOVD MOVD MOVR MOVR MOVR MOVR MOVB M3.3 I0.0 M3.4 I0.5 Q1.2 M3.1 I0.3 M3.0 0 , VB300 0 , VD301 M0.0 SM0.0 +1800 , VD204 +22400 , VD208 +28800 , VD212 0.25 , VD112 0.2 , VD116 30.0 , VD120 0.0 , VD124 200, SMB34

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ATCH INT_0,10 ENI INT_0 Network1 LD M0.0 ITD AIW0,AC0 DTR /R MOVR PID MOVR MOVR *R Network2

LDR<= OW> MOVD Network3

LD ROUND MOVD DTI MOVW AC0,AC0 32000.0, AC0 AC0 , VD100 VB100,0 VD108 , AC0 VD108 , AC0 32000.0, AC0 AC0, VD204 T39, +25 VD204 , AC0 SM0.0 AC0, AC0 AC0 , VD250 AC0,ACO AC0 , AQW0

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第6章 总结

本次毕业设计的主要成果和结论归纳如下：

（1）完成了恒压供水系统的总体设计。给出了系统PLC选型的方法，确定了以CPU224为控制器的系统设计过程，系统硬件及软件设计方案。

（2）设计了扩展单元EM222，来扩展输出接口。 （3）设计了模拟量扩展单元EM235来处理模拟量。 （4）设计了程序来实现预想的目标。

（5）设计了PLC与扩展单元的外部接线图。

随着自动化，智能化科技的发展，智能控制也在迅猛发展。由于本人水平和时间的问题，本文只采用了较为流行的PID控制，并且在这方面只是进行了初步的探讨，许多不足还需要进一步的改进，因此我们应该时刻关注最新的研究成果，并且努力把这些成果引入实际工作生产中，实现科学生产力的最大效益。

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致 谢

毕业设计为整个大学生涯画上一个句号，回看整个毕设过程，感慨很多。 首先要对给予我帮助的各位老师以诚挚的感谢，特别感谢魏彩乔老师。本次设计从选题，到最后完成都受到了老师的精心指导和悉心关怀，还给我提出了许多极具价值的建议和方案。

我还要感谢在我身边给我帮助和建议的同学们，他们在我的论文工作中提出了许多宝贵的意见并给予了全力的支持。在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意!

在完成毕设的过程中自己也学到了很多东西。通过查找资料，请教老师，使自己对PLC的使用规范，设计方法及原则都有了更深刻的认识。同时，毕设是对自己大学这几年的所学知识的综合检验，在学习过程中，也发现了好多问题，使自己认识到，自己还有好多知识学的不够扎实。可以激励自己，还要不断学习，充实自己。 最后，再次向指导老师及各位参与答辩的老师，致以真挚的感谢和敬意。

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参考文献

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