【導讀】本設計是針對居民生活用水而設計的。由變頻器、PLC、PID調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。經(jīng)過PID運算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變頻供水。運行結果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結構簡單，工作可靠等特點。變頻調(diào)速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調(diào)速驅(qū)動技術，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調(diào)速技術也得到了更加深入的應用。變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水不僅保證廠內(nèi)自用高壓水足夠且穩(wěn)定，而且保證了供水的安全可靠性。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。

　　

【正文】 動均不能）。此時應查看系統(tǒng)故障信息，排除故障后，按“故障確認”按鈕，系統(tǒng)才能恢復正常操作運行第六章 恒壓供水系統(tǒng)的程序設計 PLC 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。因此我們在選擇PLC時，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、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型。S7200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo。 系統(tǒng)軟件設計分析 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)，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下：(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準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。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上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。(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均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，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)結合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。(3) 程序的結構及程序功能的實現(xiàn)由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都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。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定的。白天模式系統(tǒng)設定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設定值為滿量程的70%。 PLC程序設計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7MicroWINV40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)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，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，是應用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結構原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結構與數(shù)字電路的結構極為相似，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、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到PLC，控制任務的完成，是通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。 控制系統(tǒng)主程序設計PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構成。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進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、減泵判斷和相應操作程序當PID調(diào)解結果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）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位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當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。當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，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水泵為例進行說明。當?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(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)生復位1水泵變頻運行信號、1泵未工作在工頻狀態(tài)時，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水泵為例進行說明。產(chǎn)生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當前3泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于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。當故障信號產(chǎn)生時，相應的指示燈會出現(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)生后重新設定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結束后產(chǎn)生故障結束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。主程序流程圖如圖61所示。由于在圖61中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖62和圖63對其作了完整的補充。其中圖62是以2泵為例的變頻運行控制流程圖，圖63是以2泵為例的工頻運行控制流程圖。3泵的運行控制情況與2泵相似，在此就不再重復。 圖61變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 圖62 2泵變頻運行控制流程圖 圖63 2泵工頻運行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td）。最后再設置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖64所示。 圖64 初始化子程序SBR_0梯形圖 (2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉換，經(jīng)過PID運算后，再將標準值轉化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖65所示。圖65 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖 參考文獻[1]李若谷 韓敏. 西門子PLC編程指令與梯形圖快速入門. 電子工業(yè)出版社[2] S7 PLC 原理及應用. 機械工業(yè)出版社[3]黃銳鴻. PLC與觸摸屏在恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J]. 機電工程技術[4]陳伯時、陳敏遜. 交流調(diào)速系統(tǒng). 機械工業(yè)出版社[5]廖常初. S7200 PLC基礎教程[M]. 機械出版社[6]西門子(中國)有限公司. M420變頻器使用手冊[J][7]—200/300/400PLC基礎與應用技術. 機械出版社[8]. 國防工業(yè)出版社[9]李良仁. 變頻調(diào)速技術與應用. 機械工業(yè)出版社[10]杜金城. 電氣變頻調(diào)速技術. 中國電力出版社[11]. 機械工業(yè)出版社 結論 　在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉速和加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水；減泵時采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后?！狈绞剑艽_保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用三臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現(xiàn)故障消除后自啟動，具有一定的先進性。如果采用該系統(tǒng)代替原先的供水方式將在節(jié)電，節(jié)水，節(jié)資方面取得效果明顯。致謝通過這次的課題設計我學到了很多，在PLC理論知識及實踐能力方面都有了增加提高，更多的認識到PLC在現(xiàn)今社會中的作用，開闊了眼界，學到了各種PLC之間的區(qū)別和聯(lián)系。感謝學校提供相關實驗室為我們畢業(yè)設計提供方便，感謝我的指導老師王克剛老師，本課題的設計是在王老師的悉心指導和關懷下才得以順利完成。老師的勤奮好思、嚴謹求實，在我學習過程中，給我很多的啟示，不僅僅是知識上，更有方法上、思想上的幫助。附錄一：恒壓供水系統(tǒng)模擬系統(tǒng)原理圖附錄二：程序模塊圖 41