高层楼宇恒压供水控制系统的设计

攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要高层楼宇恒压供水控制系统具有运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点，这对于楼宇节能降耗、提高经济效益和保障设备安全、稳定运行具有现实意义。本论文通过分析恒压供水控制系统的原理，系统的组成结构及不同的控制方案，设计出更切合实际需要的恒压供水控制系统。通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水，对系统的硬件设计进行了详细的介绍，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，完成供水压力的恒定控制，使管网流量变化达到稳定供水压力的目的。系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入PLC运算处理后，发出控制指令，控制电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。 该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高了生产管理水平。系统可靠性高、经济性强。关键词 变频调速，恒压供水，PLC攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTFrequency control water supply system has a stable and reliable operation, small footprint, power saving, high degree of automation, convenient control features, which improve the economic and security equipment for building energy saving, safe and stable operation withpractical significance.The paper through the analysis of the principle of frequency control water supply control system, the system structure and different control schemes to design more in line with the actual needs of the constant pressure water supply control system. Through research and comparison, the paper inverter and PLC constant pressure water supply, carried out a detailed introduction to the hardware design of the system, and then use the digital PID constant voltage control system design. The basic control strategy of constant pressure water supply control system: the use of a motor speed control device with programmable controller (PLC) control systems, constant water pressure control, the purpose of a stable water supply pressure changes in the pipe network traffic. Explorer pressure of the water supply pressure and feedback system set actual value comparison, the difference between the input PLC operation processing, issue control instructions to control the speed of the motor, so as to achieve the water mains pressure stabilized at the set pressure value.The system is capable of automatic control of the water supply process, which can effectively reduce power consumption, to ensure the water supply system is maintained at the optimum operating conditions to improve the production management level. System reliability is high, the economy is strong.Key word Speed-frequency variable，Constant pressure water supply，PLCI攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1前景11.2 国内外研究概况11.3 恒压供水工艺图22 高层楼宇恒压供水系统整体设计32.1 变频恒压供水系统的组成及原理图32.2 变频恒压供水系统控制流程52.3 水泵切换条件分析53 系统的硬件设计73.1 系统主要设备的选型7 3.1.1 PLC及其扩展模块的选型73.2 系统主电路分析及其设计83.3 系统控制电路分析及其设计103.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图124 系统的软件设计154.1 系统软件设计分析154.2 PLC程序设计16 4.2.1控制系统主程序设计16 4.2.2 控制系统子程序设计194.3 PID控制器参数整定22 4.3.1 PID控制及其控制算法22 4.3.2 PID的参数整定24结 论27致 谢29II攀枝花学院本科毕业设计（论文） 绪论1 绪论1.1前景随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求也不断提高。目前最先进的自动化技术，控制技术，通信技术和网络技术综合应用到供水领域，将成为供水系统的新发展方向。基于PLC的恒压供水控制系统更是的到了广泛的应用。1.2 国内外研究概况高层楼宇恒压供水控制系统的发展得益于变频调速技术的发展。随着科学技术的不断发展，恒压供水控制系统中的变频器作为执行机构，在供水量大小需求不同时，为了保证管网压力恒定，在管网终端配备压力控制器和压力传感器，从而实现对压力的闭环控制。在初期，由于国外生产的变频器的功能主要局限在频率控制、正反转控制、升降速控制、起制动控制、变压变频比控制及其它保护功能。从早期的相关资料显示情况来看，国外的恒压供水系统在设计之初都只采用了一台变频器带一台水泵机组的方式，因此投资成本较高，不利于系统的大规模使用和发展。直至1968年，丹佛斯公司（丹麦）发明并首家生产了面向多台设备的变频器之后，变频技术的历史性革新发展及变频恒压供水控制系统体现出来的稳定性、可靠性、自动化程度高等优点以及显著的节能效果才被大家发现和认可。之后国外生产变频器的厂家开始推出能够同时服务于多台工作机组的变频器。像ABB集团（瑞士）推出了HVAC恒压供水基板，有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”双模式。但这也体现出了这类产品的先天不足，这类设备虽说微化了电路结构，降低了设备投入，但其输出接口仍缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性能依然不高，与别的设备之间难以形成有效的数据通信，而且限制了带负载的容量。因此，在实际使用时其范围依然受到诸多的限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水控制系统的工程，但主要设备如变频器，仍大多采用国外品牌。从系统的动态性、稳定性、抗干扰性以及开放性等多方面的综合技术指标来看，系统依然存在很多缺陷，还远远没能达到用户的要求。因此，有待于厂家进一步研究改善变频恒压供水控制系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践当中，给用户提供更方便，更简单的服务。即使目前变频调速还存在诸多短处，变频调速依然是目前优于以往任何一种调速方式(如调压调速、串级调速、变极调速等)的控制系统，变频调速已成为当今世界上一项性能最好、效益最高、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统也具有诸多特点，如：高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等。1.3 恒压供水工艺图图1.1 恒压供水工艺图28攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 高层楼宇恒压供水控制系统整体设计2 高层楼宇恒压供水系统整体设计2.1 变频恒压供水系统的组成及原理图变频恒压供水系统主要由变频器、PLC、压力变送器和终端水泵机组组成，形成一个完整的闭环调节系统，系统的控制流程图如图2.1所示：图2.1恒压供水控制系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、控制机构、信号检测机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，包括一台变频泵和两台工频泵，变频泵通过变频器发出控制信号对电机转速进行调整，使水量稳定在可控范围内；工频泵只有启停功能，当用户用水量很大时（变频泵已经达到额定功率，但仍无法满足用户需求），工频泵开始投入工作。(2) 信号检测机构：在系统运行时，需要检测相关信号来及时调整执行机构的工作状态，此时就需要检测管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号检测的是用户管网的水压值，他是整个系统的主要反馈信号。由于终端检测得到的是模拟信号，需要经过A/D转换。为了提高系统的可靠性，还需对供水的上下限压力进行检测，电接点压力表就能很好的完成这一任务，检测结果通过数字量传给PLC进行检测；水池水位信号是检测水源的充足性。当信号有效时，控制系统会自动检测并对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。液位传感器通常安装于水池中；报警信号是当工作组机构运行有错误时输出信号，系统进行相应的开关控制以此保护整个系统。(3) 控制机构：控制系统包括PLC、变频器和电控设备，一般整体安装于控制柜中。PLC是变频恒压供水控制系统的最核心部件。PLC直接处理系统中传来的各方数据，如压力信号、液位信号、报警信号等，对收集的数据和设定数据进行比较，再做出相应的控制操作；变频器是PLC的执行单元，PLC送来的控制信号作用于变频器，变频器通过改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据实时用水情况的不同，变频器可以有两种工作方式：变频固定式和变频循环式。变频固定式是指变频器始终拖动某一台水泵机组作为调速泵，当供水量无法满足要求时，并且此组水泵机组已经是工作在50HZ的频率下，这是就需要增加另一台水泵机组来增大管网水压，系统会直接启动一台处于工频运行状态的水泵机组，原来的调速泵依然运行于调速状态；变频循环式也是当供水要求无法满足时，需要增加额外的水泵机组，但新增加的水泵机组做变频运行，原来的变频调速泵转为工频运行状态。在工作之前须确定好恒速泵，本设计中采用后者。任何控制系统，报警器绝对是必不可少的重要组成部分。由于本系统适用范围广泛，所以为了保证系统能够安全、可靠、平稳的运行，系统必须具有对各种警报量的检测功能，检测量会直接送至PLC，并由PLC判断报警类别，进行相应的动作控制，以免造成不必要的损失。变频恒压供水系统是以控制供水出口管网水压为控制目标，使实际供水量始终处于设定的供水压力范围。设定值的表现方式可以是常数，也可以是时间分段函数。所以，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的允许波动供水压力内。变频恒压供水系统的结构框图如图2.2所示： 图2.2恒压供水控制系统框图恒压供水系统的压力变送器安装于用户供水管道上，并实时检测监测点的水压，以420mA的电信号传送至PLC，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，还需通过PLC内置的A/D转换模块将电信号转换成数字信号并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定在允许范围内，实现变频恒压供水功能。2.2 变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先变频器会启动变频泵M1，根据比较压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差来调节变频器的输出频率，控制Ml的转速。当输出水压达到设定值，用水量与供水量达到相对平衡时，转速会稳定在某一转速值，这期间Ml将处于调速运行的稳定工作状态。(2) 当用水量增加导致管网水压减小时，压力变送器反馈的水压信号会减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的将增大输出频率，从而使水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速将相对稳定在一个转速值。反之，当用水量减少使管网水压增大时，通过与前面相反的压力闭环调节，减小水泵的转速直至稳定在另一个新的稳定值。(3) 当用水量持续增加，水泵机组的工作频率已达到50Hz，实际水压仍未达到实际设定压力值，并且增加水泵的条件也已经满足(在下节有详细阐述)时，在处于变频循环式的工作模式下，系统的PLC自动控制水泵，使M2进行变速运行，同时变频泵M1转换为工频泵运行，系统仍然处于闭环调节状态，直至管网水压与供给水压趋于平衡。当用水量持续增加，同时增加水泵的条件也已经满足，将会重复上面的转换行为，并将指定工频泵M3进入工频运行状态。如果供水量持续增加，变频器的输出频率也已经达到频率的最高上限50Hz，但压力却仍没有达到初始设定值时，控制系统的终端就会传送警报信号，主机发出水压超限报警，此时供水系统已经达到设计的最大负荷。(4) 当用水量开始下降，管网水压开始升高，变频器输出的频率也已降至下限，管网的实际水压仍高于设定压力值，并满足减少水泵机组的条件时，系统将会关掉工频泵M2，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。2.3 水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际水压仍低于设定压力，仍需要增加水泵来满足供水要求，来达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际水压仍高于设定压力，此时仍需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么怎么才能使系统既能有效的工作在额定供水压力范围内，又能避免上诉情况的出现，同时又使机组不过于频繁的切换呢?由于我国电网的固定传输频率是50HZ，因而变频器和电机工作频率受到限制，因此50HZ成为频率调节的上限频率。另外，由于变频器不可能输出负值，最多只能是0HZ，就是变频器停止工作。在实际生产生活应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ的。因为当水泵机组运行时，水泵开始向上抽水，已经送入管网的水会对水泵有反作用力，阻止水泵的抽水运行，所以一旦电机的运行频率降到一定程度时，就已经不能向管网送水，实际的管网中的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。在实际应用中这个频率就是电机运行的下限频率。毫无疑问，这个频率是远大于0HZ的。具体的频率与系统的使用场合和水泵的基本特性等因素有关，一般使用情况下是在20HZ左右。因此水泵机组工作室的切换频率上下限分别为50HZ和20HZ。当水泵机组的输出频率达到上限频率时，管网的实际供水压力会趋于稳定在某一压力值。如果，PLC会进行机组切换，由于突然增加了一台水泵机组，供水压力很可能在短时间内超出了压力设定值，系统很有可能做出停掉一组水泵机组的指令，长此以往对系统的结构性损伤非常大。假定在极端情况下，系统刚增加了一组水泵机组，而实际供水压力超过设定供水压力，新增加的水泵机处于频率下限运行，并且完全满足了系统关停机组的条件，这时系统会做出关停一组水泵机组的指令。如果在实际用水量不变的情况下，供水泵站中的所有水泵机组就会存在一种循环，即投入切出再投入再切出地一直循环下去，机组切换的次数在一定时间内会增加，系统也会处于一种长期不稳定状态，这样也会导致实际供水压力处于不断波动之中。所以在系统构建之初就要考虑相关的解决方案，一旦出现此情况系统既无法提供稳定可靠的供水压力，水泵机组的使用寿命也会大大缩短，频繁使用的阀门和水泵等相关器件也会很快磨损，造成设备维护成本的上升。另外，供水压力超调量的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰值出现的情况，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。实际的机组切换判别条件如下：加泵条件： 且延时判别成立 (2.6) 减泵条件： 且延时判别成立 (2.7)式中： ：上限频率 ：下限频率：设定压力 ：反馈压力攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计3 系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据基于PLC的恒压供水控制系统的原理，控制系统框图如图3.1所示：图3.1 控制系统框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：表3.1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（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（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个系统的核心部件，它需要完成很多任务，如：输入号的采集、输出单元的控制、恒压的实现、对外的数据交换等。因此在选择PLC时，首先要考虑PLC的整体性能，如：指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、带扩展模块的能力、通讯接口及协议、编程软件的方便与否等。由于目前世界上专业应用于恒压供水控制系统的控制设备相对较少，因此决定选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的特点较为突出：整体结构紧凑，价格实惠，高性价比。SIEMENS公司的产品可扩展性好，可靠性高，有丰富的通信指令，通信协议简单；工控计算机与PLC建立连接后，控制系统就可以实现监测控制。根据对控制系统实际所需端子数目和预留量的考虑，因此选用的主模块为CPU226，它有16点开关量输出口，以AC220V继电器形式输出；有24点开关量输入口，以+24V直流形式输入。在实际中由于还有模拟量输入，所以需要模拟量输入点和模拟量输出点各1个。由于原有的设备已经不能实现，所以需要扩展模块的补充，在此选择的是EM235。此模块由4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号总共5个通道组成。此模块的输入输出端口能够自动完成A/D和D/A的转换，转换信号可以是一个字长(16bit)的数字信号，也可以是标准的输入输出信号。EM235模块还可以针对不同的标准输入输出信号，通过DIP开关进行设置，它的拓展性和实用性还可以为系统的进一步升级提供有效的硬件支持。3.2 系统主电路分析及其设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：执行机构由三台水泵电机组成，分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。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为热继电保护器，分别为三台水泵电机过载保护；QS1、QS2、QS3、QS4为隔离开关；FU为熔断器，用来保护主电路。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。图3.2 恒压供水控制系统主电路图三相电源经过低压熔断器、隔离开关连接至变频器的R、S、T端，电机通过接触器的触点与变频器的U、V、W端相连。当电机工频运行时，隔离开关及变频器输出端的接触器与变频器之间断开，工频运行的接触器与隔离开关之间闭合。低压熔断器除除了可以保护接通电源外，同时还可以实现短路保护，对应的热继电器FR则可以对每台电动机进行过载保护。在工作状态下，变频和工频不可能同时接通，二者只可以有一种工作状态。变频器的输出端必须经过接触器的触点，不能直接与电源相连接，这是为了保证变频器过载时的安全性。当电动机处于工频运行状态时，接触器的触点会自动断开。同样的当水泵机组从工频状态转为变频状态时，工频接触器必须先断开，才允许变频器输出端与接触器接通，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁，防止上述情况的发生。为了实时监控电机负载的运行情况，主回路的电流大小将通过电流互感器和变送器测得的信号以420mA电流信号实时传送至上位机。同时在转换开关处接电压表测线电压，电压表还可通过转换开关测得不同相之间的线电压，由此可以使系统更实用简洁。系统开始初始运行时，必须先观察电动机的转向，确保转向正常。若转向相反，则需要通过改变电源相序来调整转向。在系统进行启停操作时，主电路不能被直接断开(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须进行软启动或软停止，这可以通过变频器实现。为了使变频器更高效，所以要接电抗器来提高变频器的功率因素。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。3.3 系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越，非常适合小型控制系统。PLC主要用于实现变频恒压供水系统的自动控制，负责以下功能的实现：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。如图3.3为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，当SA打在1的位置时，此时为手动控制状态；打在2的位置时，此时为自动控制状态。手动运行时，通过按钮SB1SB6来实现三台水泵的启/停功能；自动运行时，系统会在已经写好了的PLC程序控制下自动运行。图中的HL10为自动运行状态下的电源指示灯。如果变频器想进行复频控制，只需要通过中间继电器的触点即可。图中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5为PLC的输出继电器触点，可结合下节中图3.4一起读图。图3.3 恒压供水控制系统控制电路图注：PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。（2）自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：(1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。(2) 在供水量小的情况下，如果同一台水泵运行时间超过3h，则要切换至下一台水泵，此举就是通常所说的“倒泵功能”，这是为了避免同一台水泵工作时间过长导致的使用寿命下降。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。(3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4) 水泵在启动时通常使用软启动，但水泵系统具有手动/自动控制功能，在紧急情况下或者检修时才能使用。(5) 系统要有完善的报警功能。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3.2所示。表3.2 I/O地址编号名 称代 码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW0结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3.4所示：图3.4 PLC及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统由4个数字输入量和1个模拟输入量组成。压力变送器将测得的管网压力数据输入扩展模块EM235的模拟量输入端口，将转换的数据传送至PLC进行再处理；I0.0-开关量输入；水池水位通过液位变送器测得数据，并转换成标准电信号传送至窗口比较器，当实际的水位超出窗口比较器中的水池水位上下限时，窗口比较器会输出高电平1，送入I0.1；I0.2为故障报警信号端口；I0.3为试灯信号，与开关SB7相连，手动检测时即可用此端口检测各部件指示灯是否正常工作；开关SA1-白天/夜间两种模式的切换。本系统由1个模拟量输出信号和11个数字量输出信号组成。其中Q0.0Q0.5分别负责输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1-输出水位超限报警信号；Q1.2-输出变频器故障报警信号；Q1.3-输出白天模式运行信号；Q1.4-输出报警电铃信号；Q1.5-输出变频器复位控制信号；AQW0-输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图3.4 只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况，初略的说明了接线结构。它忽略了以下因素：(1) 电源方面的抗干扰措施；(2) 直流电源的容量；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 4 系统的软件设计4 系统的软件设计4.1 系统软件设计分析硬件连接完成并整体检测通过之后，系统的控制功能就要通过软件来得以实现，结合楼宇水泵站的实际要求，对水泵站软件设计做了如下分析：(1) 处于“恒压”要求的水泵工作组数量管理为了保持恒定的水压，在水压降低时水泵电机需要提高工作频率来获得更多的提升力，在一台水泵机组不能满足要求的时候还需要另一台水泵的介入。当变频器的输出频率达到设定的上限值时，则满足了启动新水泵机组的要求，并及时的启动。这一功能可通过PLC的比较指令得以实现。在实际操作过程中往往会出现频率的波动现象，所以在信号采集时还要考虑采取时间滤波，将尖峰值滤掉。(2) 多泵组泵站泵组交互管理由于设计之初水泵工作组之间希望全部实现软启动，并且实现水泵之间的交替使用，所以在运行时需要有管理规范。在本设计中，控制要求中规定水泵的连续变频运行不得超过3h，因此每次启动的水泵工作组调整为变频运行是比较合理的，原来变频运行的工作组水泵则可以调整为工频运行或者停止运行。具体的操作流程可以为：先将现行运行的变频水泵工作组调整为工频运行，然后变频器再复位，对新的工作组进行相关操作。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用水泵号加1的方法实现来变频水泵工作组的循环控制，这样可以更有效的使各工作组之间的运行时间达到平衡，有利于整体系统的使用。(3) 程序的结构及功能实现在对模拟量单元及PID进行调节之前，需要将编制程序初始化并且中止系统程序运行，本系统程序大致可分为主程序、子程序、中断程序三部分。如果将系统初始化工作写入初始化子程序中，不仅可以节省扫描时间，还能简化系统操作程序和程序的写作难度。如果想实现PID控制的定时采样及输出控制，可以利用定时器的中断功能予以实现。主程序可以实现多种功能，如泵切换信号的生成及处理和报警信号的收集和预处理等。由于白天、夜间两种模式的给定管网压力值不相同，需要事先将两个恒定值是通过数字方式直接设定于程序中。白天模式下设定值设定为总量程的90%，夜间模式下设定值为总量程的70%，具体情况可以更具实际用户需求来调整。4.2 PLC程序设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发完成。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)语言和功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机常用语言中的的汇编语言，计算机领域的工程技术人员特别适用于此语言，用户程序由指令助记符实现，属于直接面向机器硬件的机器语言，属于最基础的编程语言。梯形图(LAD)语言与电气控制原理图十分相似，是目前编程语言中使用最广泛的一种语言，与其它的计算机语言相比它能更快的被学习者接受和掌握，梯形图可以算是PLC中的高级语言，系统硬件原理几乎不用考虑，在编程时只需要按照实际需求编写相应的程序即可。因此，由于它的实用性和简便性使它很容易被初级的电气设计人员和维护人员所接受，是初学者理想的编程工具之一。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，在电路中学习到的相关模块有输入端和输出端，输出端和输入端的函数关系使用方法，如：与、或、非、异或等逻辑运算、模块之间的连接方式等方面与电路的连接方式也是基本相同，可以很好兼容电路的知识。4.2.1控制系统主程序设计PLC主程序主要由系统的初始化程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机起动程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等模块构成。(1) 系统的初始化程序在系统开始工作之前，整个系统必须先进行初始化操作，即在开始启动的时候，系统会对各个部分的当前工作状态进行检测，如果出错则系统会自动报警，如检测正常，系统开始启动。系统自检通过后，接着系统会对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，设定值恢复为初值，在子程序初始化后，系统进行中断连接。系统进行初始化的实现是通过调用主程序中的子程序来是实现的。初始化完成后，紧接着系统需要重新设定白天、夜间两种供水模式下给定水压值和变频泵泵号和工频泵投入台数等。如果数据不用重新设定，只需要回车即可。(2) 增、减泵判断和相应操作程序当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号作用于水泵机组。(3) 水泵的软启动程序增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。(4) 各水泵变频运行控制逻辑程序各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能，其他水泵的运行流程与上述一致。(5) 各水泵工频运行控制逻辑程序水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能，其他水泵的运行流程与上述一致。(6) 报警及故障处理程序本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不方便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。主程序流程图如图4.1所示。由于在图4.1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图4.2和图4.3对其作了完整的补充。其中图4.2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图4.3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似，在此就不再重复。图4.1 恒压供水控制系统主程序流程图图4.2 2#泵变频运行控制流程图 图4.3 2#泵工频运行控制流程图4.2.2 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的上下限频率，在第二章系统的整体设计中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。假设所选变频器的输出频率范围为0100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中断连接。具体程序梯形图如图4.4所示。 图4.4 初始化子程序SBR_0梯形图(2) PID控制中断子程序首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。具体程序梯形图如图4.5所示。 图4.5 PID控制中断子程序INT_0梯形图4.3 PID控制器参数整定4.3.1 PID控制及其控制算法 在供水系统的设计中，本论文选择的PLC S7-200型自身包含PID调节功能，可以进行闭环调节控制，为供水系统中的管网压力和供水压力的恒定起到了很好的控制作用。在连续控制系统中，常采用（Proportional）比例、(Integral)积分和(Derivative)微分控制的方式，统称为PID的控制调节。此控制系统是目前国际上连续控制系统中技术最广泛、应用最稳定的控制方式。具有成熟的理论基础，简单的算法，和良好的控制效果，易于掌握等优点。PID控制器是一种有效的线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t) ： （4.1）经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4.6所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。 图4.6 PID控制原理框图PID控制规律为： （4.2）式中：Kp -比例系数；Ti-积分时间常数；Td-微分时间常数。相应的传递函数形式： （4.3）PID控制器各环节的作用及调节规律如下：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。自从计算机进入控制系统领域以来，数字计算机在可靠性和灵活性的优势逐渐取代了传统的模拟调节器来实现PID控制算法。数字PID控制算法与传统的模拟调节器完全不同，数字看那个值算法通过对式(4.2)离散化来实现PID控制。将持续系统运行式进行一阶微分后再差分近似代替，最后得到PID位置控制算法表达式为： （4.4）式中：T-采样周期；n-采样序号；e(n)-第n时刻的偏差信号；e(nl)-第n1时刻的偏差信号。实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为： （4.5）式中：为调节器输出的控制增量；。4.3.2 PID的参数整定控制器参数整定的方法很多，归纳起来可分为两大类：理论计算整定法和工程整定法，常用的工程整定法有：动态特性参数法、稳定边界法、阻尼振荡法和现场经验整定法，本设计选用的是动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程（包括调节阀WV(s)、被控对象WO(s)和测量变送Wm(s)）阶跃响应特性进行近似计算的方法。本系统是一个单闭环系统，结构框图如图4.7所示。图4.7 恒压供水控制系统结构框图由于本设计对压力控制的要求较高，故选择PI控制器，其传递函数为： （4.7）本系统可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，假设其过程传递函数为；变频器可近似为一个比例环节，即；反馈回路传递函数为。由于本系统具有自衡能力，与公式(4.8)、(4.9)可求的PI控制器各参数。当时， (4.8) (4.9)计算的：，PI控制器的传递函数为：用matlab软件仿真，编程如下：s1=tf(2,300,1);s2=tf(240,1,720,0);sk=s1*s2*50;s=feedback(sk,0.03);step(s); 运行后得到的仿真波形图如图4.8所示，图4.8 恒压供水控制系统阶跃响应仿真波形图加入纯滞后环节后的仿真波形图如图4.9所示。图4.9 加入纯滞后环节后的仿真波形图从图中不难看出，系统的调节时间较快，且能输出稳定的压力信号，完全符合设计的要求。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 结论结 论本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水控制系统。在这次毕业设计中有如下认识：1、在高层楼宇恒压供水控制系统中，三台水泵工况的调节是通过调节变频器的频率来改变来改变电机的转速n，从而改变水泵的满载工作率得以实现的。由PLC、变频器实现对生活用水管网水压的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制，通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。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。2、高层楼宇恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机、 远传压力表以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器分别控制三台电动机的启动、运行与调速。PLC控制三台水泵的手动装置，远传压力表采集管网压力信号，把此信号反馈到变频器的模拟输入端，通过数字PID的运算，从而使变频器输出适当的频率，调节电机的转速，进而控制水泵电机的工频和变频之间的切换。3、就像电力电子技术的发展给变频技术带了新的革命似的，任何设计没有硬件支持到都是空谈，在本次设计中，我对所用器件进行了选择，所有器件选择都要遵循一定的规范，使我认识到任何设计都要以现行器件为基础。 4、团队精神很重要：在本次设计中，我们组的成员在一起共同讨论，一起研究，一起相互提问，相互学习，有时有些同学不经意间的话语都对设计有很大帮助。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 参考文献参 考 文 献1 刘祖润，胡俊达. 毕业设计指导M.北京：机械工业出版社，1996.2 陈立定. 电气控制与可编程序控制器M.广州：华南理工大学，2001.3 石红梅. 高层楼宇技术原理与应用M.北京：机械工业出版社，2004.4 王树. 高层楼宇器调速系统设计与应用M.北京：机械工业出版社，1982.5 廖常初. 可编程控制器应用技术M.重庆：重庆大学出版社，2001.6 韩焱青. PLC在恒压供水中的应用J.江苏电器，2003.7 赵鹏飞. PLC控制高层楼宇器调速恒压供水系统J.自动化博览，2003.8 陈本孝. 电器与控制M.武汉：华中科技大学出版社，1997.9 赵小惠，赵小娥.基于可编程控制器的恒压供水系统设计，2007(2).10 Marcel Dekker Inc.David G Jonson Programmable controllers for Factory Automation New York and BaselM.1987.11 Clifford. The Passive Stability Analysis of Fuzzy PID ControlM.机械工业出版社,2001.攀枝花学院本科毕业设计（论文） 附录：主程序梯形图附录：主程序梯形图5攀枝花学院本科毕业设计（论文） 致谢致 谢 在本论文设计完成之际，首先要非常感谢陈洪老师非常耐心和仔细的指导。 四年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。所以我要感谢所有的任课老师，是您们的教育和培养，才使我学有所获。在历时将近两个月的时间，终于将该论文完成，在写作过程中遇到了不少困难和障碍，但都在老师和同学的帮助下顺利的度过了。在校图书馆查阅资料时，图书馆的来时也给了我很多的帮助和自持，在此非常感谢帮助和指导过我的老师和同学们。 本论文中应用了多位专家和学着的相关研究文献，没有前辈们积累的理论基础，我想我是很难独自完成这篇论文的，在此谢谢各位素未谋面的前辈们。 由于我的学术水平有限，论文的