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1、绪 论传统的自来水厂的供水模式在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患，供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。在这种供水模式下长期以来许多水厂各部门的管理人员采用传统的人工管理模式，
2、通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。所以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平，这为现在化的恒压供水控制广泛应用提供了条件。恒压供水系统具有如下几个优点：1.高效节能 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。 2恒压供水 变频恒压供水系统实现了系统供水压
3、力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。 3安全卫生 系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。 4自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5延长设备寿命、保护电网稳定 使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降
4、低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。 6占地少、投资回收期短新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。本设计就真对恒压供水控制系统包括软硬件方
5、面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。系统将PID调节、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。第1章 恒压供水系统的设计方案1.1本设计系统的方案分析本设计的内容如下：本系统是基于S7-200变频调速恒压供水系统的设计。其具体设计思路如下：1通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。介绍变频器和PLC技术的应用和
6、发展，及其各自的特点和压供水系统的发展前景。2变频调速恒压供水系统的理论原理硬件设计。主要介绍由可编程控制的变频调速恒压供水系统的工作原理，变频器的节能、调速原理；以及系统调速范围的确定。硬件设计包括了设计框图、原理图、PLC外部接线图、确定安装模拟控制板的元器件数量。3系统软件设计。主要介绍变频调速恒压供水运行软件的总体结构设计，写出语句表（包括PID控制程序）。1.2 变频供水系统的介绍及变频器的控制方式变频器主要是用来调速的，变频调速有很多的优点。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，所以在实际应用中异步电动机的应用最为广泛。异步电机的调速方法很多，例如无极调速
7、、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达
8、到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电4060，节水1530。通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来，特别是近几年来随着微机技术的日新月异,现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步,通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面。其多用途，高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用各种大型自动化生产线和各类电机控制上，变频器不仅可以单台工作，也可以多台分别控制各自的被控对象，并相互串联，与计算机进行通迅，采用计算机对变频器网络的集中控制，形成连续生产线的调速控制系统。变频器内置的各种功能，对合理设
9、计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调节控制水泵的电机，且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行，这种多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作
10、点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调。变频器有多种结构类型，但工业主流的变频器不论交交变频器还是交直交变频器都有类似的结构如下：图1-1变频器的基本结构变频调速的控制方式有开环控制方式的V/F控制、闭环控制方式的转差频率控制和矢量控制。1.3变频调速的节能、调速原理1V/F控制 异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上
11、升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2转差频率控制 检测出电机转速、构成闭环、速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由电机学的基础知识可知只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。与V/F控制相比其加减特性和限制过电流的能力得到提高。3矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制
12、。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。由流体力学可知，P（功率）=Q（流量） H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5。在对水水泵控制过程中,水泵工控点的确定对系统稳定高效有着重要的作用。 水泵工作
13、点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。水泵的扬程H计算公式如下:H=PR-PV+(V2-V1)/2g+z （1.1）H水泵的扬程，单位：米；PR水泵出口压力表读数，单位：米；PV水泵进口压力（真空）表读数；V2、V1水泵出口、入口处的流速，单位：米/秒；z 出口、入口表计的安装高差，单位米；G 重力加速度，米/秒。一般工程计算中扬程简化计算公式如式（1.2）。H=PR-PV （1.2）式（1.2)给出了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表示为流量Q扬程H曲线，而纵观调速水泵的控制方式，则以水泵出水压力PR作为控制参数，因
14、而，笔者利用水泵的流量Q出水压力PR曲线作辅助分析，为有所区别，将曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图1-2），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图1-2中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率A。图1-2 水泵工作点的确定从图1-2中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当
15、水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证供水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图1-3所示：图1-3水泵工况点的变化当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2 向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P1低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。图1-4 水泵变速恒压工况根据1-4图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0
16、移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程如下：首先，交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：n =60 f(1-s)/p （1.3）式中S为转差率，P为极对数。不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。Q1/Q2=n1/n2
17、 （1.4）H1/H2=(n1/n2)2 （1.5）P1/P2 =(n1/n2)3 （1.6） H =KQ2 （1.7）式1-5是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图1-5来说明。图1-5 变频调速恒压供水水泵工况调节图由图1-5可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0OQA四点所围的面积。当管网负载减小
18、时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 420A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及效率C ，工作点C的轴功率即为CH0OQC四点所围的面积。考察水泵的效率曲线h-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，
19、也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。考虑到水泵的效率, 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。1.4系统的方案设计恒压供水系统的设计框图如下:图1-6 系统设计框图本系统由一
20、个变频器和一个PLC组成,由管道传回反馈信号到PLC,经PLC分析处理后输出相应的模拟信号给变频器进而控制电动机的变频,变频器的切换也由PLC通过程序控制。变频器采用一控多的形式，随着用水量的增加由PLC控制变频器的频率不断上升，当要上升到50HZ而还满足不了需要时由PLC控制把此泵自动切换至工频，变频器接至下一台水泵变频工作。当水量减小时，自动减少水泵运行台数，进行工频与变频的切换。变频器工频与变频切换的电路如下图：图1-7 变频器切换控制主电路变频与工频切换时必须注意的问题：切换时当图中的KM2断开后，定子绕组的电流和磁场都将立即消失，自感电动势也就立即消失。然而KM2断开时，由于电动机的
21、转子绕组是自成回路的，所以，根据“楞次定律”，转子绕组的自感电动势将阻止电流的消失。这是一个逐渐衰减的不交变电流，其起始值取决于接触器KM2断开瞬间的转子电流值。这个电流将产生一个逐渐衰减的磁场，在转子尚未完全停住时，将被定子绕组所切割，且在定子绕组中产生互感电动势。如是在定子绕组中的互感电动势尚未消失的情况下接通工频电源，则互感电动势与外加的工频电压相迭加，有可能产生较大的过电流。所以在切换时，是先把电动机接到变频器的接触器KM2断开，经适当的延时后合上KM3，将电动机接至工频电源。这个延时时间在供水系统中通常取0.7-1.0 秒以上。变频调速恒压供水系统具体构成如下图所示，由可编程控制器、
22、变频器、水泵电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速，其中一台大机45KW)和两台小机(22KW)分别采用循环使用的方式运行。PLC上接工控计算机，水位传感器采样水池水位信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块或模糊模块,PLC根据这两个信号经PID运算或模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供水系统进行监测控制。如图1-8所示:系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M1的功率为45KW、M2为22KW、M3为22KW。该系统为一台变频器
23、依次控制每台水泵实现软启动及转速的调节，实现恒压控制。系统具有变频和工频两种运行状态，当变频器调节频率达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵切换为工频运行状态，并指示下一台为变频泵。主电路图1-8如下所示：其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5变频运行，KM7控制变频器的工作。选用西门子公司最新的专用变频器MICROMASTER Eco型变频器。 图1-8变频调速恒水位供水自动控制系统组成分析自动控制系统的机组（1#、2#水泵电机）工作过程,可分为以下三个工作状态：1) 1#电机变频起动；2)1#
24、电机工频运行，2#电机变频运行；3) 2#电机单独变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水位发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。1.切换过程1#电机变频起动，频率达到50HZ,1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统开始工作时，水池水位低于设定水位下限hl，按下相应的按钮, PLC可编程控制器控制下, KM1得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器FWD端，变频器对拖动1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频 （即50HZ），可编程控制
25、器发出指令，接通变频器BX端，变频器FWD端断开，KM1失电，1#电机自变频器输出端断开，KM2得电1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后,开启1#泵阀门，1#泵工作在工频状态。接着KM3得电，2#电机接至变频器输出端,接通变频器FWD端，变频器BX端断开,2#电机开始软起动，运行一段时间后，开启2#泵阀门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现1#水泵由变频切换至工频电网运行，2#水泵接入变频器并启动运行。同样当开启两台水泵还不能满足要求时，和上述过程一样，继续使第二台水泵接为工频运行，使第三台水泵开启变频运行。在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水压达到设定值为止。2.切换过程当
26、晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限PK时,在PLC可编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。依此方式来减少水泵运行的台数。直到符合要求。3.切换过程当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频f0（即50Hz），水池水位低于设定水位上限H时，接通变频器BX端，变频器FWD端断开， KM3断开，2#电机自变频器输出端断开； KM1得电,1#电机接至变频器输出端；接通变频器F
27、WD端,与此同时变频器BX端断开,1#电机开始软起动。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。在PLC程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。第2章 控制系统硬件设计图2-1 电流互感器的接线图2.1 主电路设计在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中3#水泵电机是小机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联；1#、2#水泵电机是大机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量
28、依据大机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的3#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接，如图2-1所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过
29、空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的P1,P+端子是连接DC电抗器之用。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反
30、转，实现阀门的开启和关闭。对于系统中真空泵控制电路，使用一台三相交流异步电动机和4个两位两通电磁换向气阀组成抽取真空的回路。每次抽真空的时候，需要预先决定需要抽真空的水泵，然后先开启真空抽取电动机，接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换向气阀，这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。如有必要，在系统中这样还可以安装多台真空泵，实现同时抽取多台水泵真空，确保系统的正常工作。2.2控制电路设计在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中
31、间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切
32、断小容量电动机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制PLC的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。2.3 PLC配置可编程序控制器(PLC)是在电器控制技术和计算机控制技术基础上开发出来的,并逐渐发展成为以微处理器为核心、把年自动化技术，计算机技术通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前PLC被广泛用于各种生产机械和生
33、产过程的自动控制。或为一种最重要最普及应用场合最多的工业控制装置。电器系统靠机械触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触会出现抖动问题，而PLC通过程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序执行时间在微秒级，不会出现抖动问题，PLC精度高，定时范围宽，用户可根据需要设定定时值，修改方便，不受环境影响。继电器控制系统中，由于器件的老化，脱焊，触点的抖动以及触点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。在PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之PLC在硬件和软件方面都采取了强有力的措施，所以继电器控制系统中的很多问题都能够避免。总的来说PLC具有以下特点：1
34、可靠性高。可编程控制器在设计、制作、元件的选取上，采用了精选、高度集成化和冗余量大等一系列措施大很大程度上提高了可编程序控制器的可靠性。2控制能力强。可编程序控制器不但具有对开关量和模拟量的控制能力，还具有数值运算、PID调节、数据通信、中断处理等功能。3操作方便。PLC提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD，指令语句 表STL，控制系统流程图CSF等。4具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。5采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外， 绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括
35、CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。以下是针对本系统所选西门子PLC的介绍1S7-200型PLC的特点 本系统PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS
36、485到PC机的通信接口RS232的转换，通信传输速率为9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。2PLC的开关量输入、输出点PLC的输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。系统共有开关量输入点9个，开关量输出点8个，如果选用CPU222PLC，也需要扩展单元PLC，参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU224（14 输入/10继电器输出）。根据我们的实际情况，这里我们设计选用CPU226，同时还加上一个扩展模块EM235模拟量输入输出模块。PLC输入输出端口地址的分配如表2-1所示。自动控制
37、系统PLC的输入端口包括电动机的起动、过载、停止及变频器的起动和模拟量的输入等。PLC的输出端口包括控制各电机的变频、工频切换和给变频器复位。对于变频器，不仅需要一个中间继电器来控制变频器的FWD和CM的通断，来实现变频器的运行和停止；而且需要一个中间继电器来控制变频器的BX和CM的通断，断开变频器输出，实现变频/工频的切换。此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既需要四个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。图2-2 CPU 226 DC/DC/DC 端子连接电气图表2-1可编程控制器输入、输出端口（I/0）地址分配表名称代码地址编码名称代码地址编码1#过载
38、FR1I0.1模拟量输入UPAIW01#停止SA1I0.21#变频KM1Q0.02#过载FR2I0.31#工频KM2Q0.12#停止SA2I0.42#变频KM3Q0.23#过载FR3I0.52#工频KM4Q0.33#停止SA3I0.63#变频KM5Q0.4变频器启动SA7I0.73#工频KM6Q0.5水位上限SHI1.0启动变频器KM7Q0.6水位下限SLI1.1变频器复位Q1.5第3章 PLC的软件设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1编程软件开发,该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功
39、能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式
40、基本相同。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。3.1 编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则 PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1编程软件开发,基于WINDOWS的应用软件，该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序
41、，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。梯形图的基本绘制规则：1编程顺序梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。每个逻辑行开始于左母线，一般来说，触点要放在左侧
42、，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。2编号分配对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。3触点的使用次数和线圈的使用次数在PLC的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只能是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。4线圈的连接使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。3.2 控制系统主程序设计在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中1#、2#水泵电机是大机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源
43、相联；3#水泵电机是大机，也有变频、工频工作状态，每台电机只通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两
44、相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。3.3软件设计KM1、KM3、KM5是分别控制M1、M2、M3变频运行，KM2、KM4、KM6是分别控制M1、M2、M3工频运行，KM7控制变频器工作，KA为自来水阀门电磁阀。SA1、SA2、SA3分别为M1、M2、M3的停止开关，SA4、SA5、SA6分别为M1、M2、M3的手动起停开关。S
45、L为水位下限开关，SH为水位上限开关。FR1、FR2、FR3分别为M1、M2、M3过载保护，FA为变频器保护，使系统停止工作。PLC子程序设计共包括四个子程序，分别是模拟量初始化子程序、模拟量数据处理子程序、自由通信初始化子程序、自由数据通信子程序。模拟量初始化子程序是将模拟量（管网压力、电机频率）数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。模拟量数据处理子程序是采集管网压力信号和电机频率信号，并进行平均值处理。自由通信初始化子程序主要是完成通信端口的设置，自由通信设置主要是通过特殊标志寄存器（SM）来完成的。如用SM30来设置端口号，用SM86SM95来设置通信传输数据格式、传输信息字节
46、长度、信号传输空闲时间、起止标志符等等。自由数据通信子程序设计就是要求把当前设备的运行状态、水池水位、电机频率一起传输给自由通信口。在程序设计中，设备的运行状态是依据输出继电器(Q)的状态来确定的；由于管网压力和电机频率接入EM235模块时自动完成A/D转换，因此管网压力和电机频率都是以数字量传输给自由通信口的。3.4编程中应注意的细节问题1.变频运行时，变频接触器接通FWDCM端子闭合BXCM端子断开。2.一机变频工频切换，另一机变频运行时，变频器端子的开启情况如下：BXCM端子闭合FWDCM端子断开断开变频接触器闭合工频接触器另一机变频接触器闭合BXCM端子断开FWDCM端子闭合。3停机时
47、，BXCM端子闭合，FWDCM 端子断开，变频工频接触器断开即可。4从上三点可以得出：FWD端子主要是电机正转、停止指令的输入端，当FWDCM之间接通，正转运转，断开后减速停止；BX端子是自由运转指令输入端，BXCM之间接通，立即切断变频器输出，电动机自动运转后停止，不输出报警信号；CM端子是接地输入信号公用端。5变频恒水位供水系统高速范围的确定：水泵调速具有一定的范围，不同水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需的扬程或压力决定，当选定某型号的水泵时，可确定此泵的最大调速范围，再根据用户的扬程或压力确定具体低调频范围，一般情况下，其频率变化在40HZ以上（一般不低于45HZ），也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率都在高效区。为此，在实际工程设计及选择水泵时，应尽量选择QH特性曲线较陡型水泵，并在设备调试时，恒压线尽量靠近水泵QH特性曲线高效区的下半区。6电机频率f值一般在4550HZ，其对应的十进制范围是：3270029500;管网压力P般在0.450.42Mpa，其对应的十进制范围是：1745017200。相位比较值为300。电机频率f、管网压力P、相位比较是否相同值在EM235接口上，其接口地址为AIW0、AIW2、AIW6。
