【正文】 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 所示。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程 序功能的實(shí)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。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。 (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(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 31 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)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(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。 圖 只是簡單的表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字 量輸出信號(hào)和 1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號(hào)S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號(hào)輸 入 變 頻 器圖 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其 中包括 4 個(gè)數(shù)字量和 1 個(gè)模擬山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 30 量。 表 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱 代 碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 供水模式信號(hào) (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號(hào) SLHL 變頻器報(bào)警信號(hào) SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 29 號(hào) 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號(hào) 水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 白天模式運(yùn)行指示燈 HL9 報(bào)警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號(hào) Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。 (3) 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。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工 作時(shí)間過長。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 28 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 輸出 1水泵工頻運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。 （ 2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。只有當(dāng) SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1 端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 26 只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過一個(gè)中間繼電器 KA 的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺(tái)水泵的啟 /停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運(yùn)行。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。本系統(tǒng)采用西門子公司S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)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(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。同時(shí)可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，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 KM KM3 和 KM KM5山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 25 和 KM6 絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。因此 在同一時(shí)間內(nèi)只山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 24 能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。接觸器 KM KMKM5 分別控制 M M M3 的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3 的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS4 分別 為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU為主電路的熔斷器。 綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為 DS26 分體式液位變送器，其量程為： 0m~200m，適用 于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號(hào)：兩線制 4~20mADC 精度等級(jí)： 級(jí)。 液位變送器選型 考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測和控制。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實(shí) 現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?1~5V或 4~20mA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4~20mA 輸出壓力變送器。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺(tái)上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 22 機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì) I/O 端子進(jìn)行功能自 定義。 由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號(hào)，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。 EM235 模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)，模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4 個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1 個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)通道。 PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口 (PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。因此我們在選擇 PLC 時(shí)，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)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 式中： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 19 3 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： A