变频泵加工频泵的恒压供水系统

变频泵加工频泵的恒压供水系统

1.

4.1恒速泵供水此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节当工艺需要小流量时，调小调节阀的开度，反之，调大开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上（一般阻力降为

0.02-

0.5MPa）,浪费了许多能量而往复式机泵通常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例的下降，而功耗的下降是大于该比例的但是转速调节受驱动机的限制采用直流电动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点恒速泵由于耗能不合理，控制方法不足，适应性差将逐渐被淘汰

1.

4.2高位水箱供水采用在用水场合上方建筑设高位水箱供水的方式,虽然较为安全可靠,设备、技术等方面也较为成熟然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题例如，由于建筑顶部水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染；目前对水箱内防腐的处理还存在一些困难,水箱内还经常发现有死老鼠的情况，加之建筑顶端高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般只考虑用水量不大的场合在工业生产中很少用这样的供水方式高位水箱的供水系统，虽然实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度而管道的主力特性却是变化的，当用水的用户多时（也即打开阀门,放水的支路多时），管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了供水的质量虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大而且水质二次污染比较严重

1.

4.3气压罐供水气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来已在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等等缺点，因而这种供水系统的发展受到限制不应用于工业供水之中事实上要制造满足储存调节水量较大的气压水罐，在技术上是可以做到的但在实际工程中，由于受到建筑物内场地的限制而很难实现为此广大设计人员对气压水罐只用作增加压力及稳压设施

1.

4.4水箱管网联合型平时用水量不大时水压足够直接由供水管网供水，超压时，多余水进入水箱,当用水量不足时水箱靠重力供水，这只适用于用水量少的场合本设计应用于工业生产，不适合用此方法

1.

4.5变频恒压供水在供水系统中，当用水量需要变化时，传统的调节方法是通过人工改变阀门的开度来调整，操作不变在一些用水量变化大、水压控制要求高，而流量完全由用户决定的供水系统，全自动恒压供水则显得尤其重要，若用调节水泵的速度来控制流量和压力，则可以较大的节省电能并提供高素质的供水系统以PLC为控制器的控制系统稳定性好，操作方便，通用性与使用性强而且近年来，变频器技术也已相当成熟，为全自动恒压供水的实现提供了可靠的技术支持本章小结

1.5采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径本章还讲述了一些常见的供水方式分为了基本的五种，由于高位水箱和气罐压供水方式各有其局限性，加之近年来变频器技术的发展，及交流调速理论的不断完善，使得恒压供水成为了越来越被广泛应用的供水方式，以下几章将对此进行详细的介绍第二章控制系统算法简介控制原理与数学模型

2.1PID

2.

1.1控制原理介绍供水的压力通过传感器采集给系统,再通过PLC的A/D转换模块转换成数字信号，同时PLC的A/D将压力设定值转换成数值量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据PLC的参数设置进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出PID控制模块具有比较和差分的功能，供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节以负作用为例，如果压力在上升接近设定值的过程中，上升速度过快，PID运算也会自动减少执行量，从而稳定压力供水压力经PID调节后的输出量通过交流接触器组进行切换后输出给水泵的电动机在水网中的用水量增大时，会出一台变频泵压力不够的情况，这时，就需要其他的水泵以工频的形式参与供水，交流接触器组就负责水泵的切换工作，由PLC控制各接触器，将工频泵或者变频泵按需要选择水泵的运行情况PID（Proportional-Integral-Derivative）,即比例、积分、微分，指的是一项流行的线性控制策略在PID控制中，错误信号（受控系统的压力与实际压力之间的差值）在加到压力控制电源驱动电流之前先分别以三种方式（比例、积分、微分）被放大比例增益向错误信号提供瞬时响应积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平积分增益还有助于过滤掉实测压力信号的噪音，微分增益使驱动依赖于实测压力的变化率，正确用微分增益能缩短响应定位点改变或其他干扰所需的稳定时间然而，在许多情况下，比例积分（PIProportional-Integral,没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的PID控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间按键与开关组直接与PLC的输入连接，当PLC正常工作时，通过控制这些开关按键组就可以改变PLC的输出状态，从而达到控制系统的功能当手动控制时，系统就可以通过手动按键直接控制某些接触器的工作状态，可以测试硬件的工作情况或调试当自动控制时系统可以自动通过变频器的频率情况调整交流接触器的工作情况实际中用水量大部分时间处于较低的状态，也就是说大部分时间只有一台水泵工作，这就存在着某台水泵寿命缩短的隐患，因此需长时期用一台水泵工作的情况下需要两台水泵交替工作PLC不但起到控制交流接触器的作用，还有控制电磁阀和监测故障点的作用故障点的设置是通过PLC几位输出分别控制的，电磁阀在PLC程序支持下无论手动还是自动的工作状态下，都可以通过相应的按键控制

2.

1.2PID介绍S7—200系列的PLC都有配套的STEP7-MICRO/WIN32编程软件，该软件可以在PC机上运行，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供良好的编程环境STEP7—Micro/WIN提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插入到主程序中在稳态运行时，控制器调节其输出值以驱使误差为零误差由给定点希望值）与过程变量PID（SP,（PV,实际值）之差来确定控制的原理基于下面的方程，它描述了输出与比例项、积分项和微分PID M（t）项的运算参数关系M（t）=K*e+Kc厂e〃+Kc*—（

2.1）c Mnitiai+J0dt输出比例项+积分项+微分项式中（为回路控制算法的输出（为时间的函数）；为回路增益；为误差（给定值与过程变量M Kce之差）；为回路控制算法输出的初始值Mimitial为了在数宇式计算机中实现这一控制功能，上式所描述的连续函数必须先进行离散化，即误差进行周期性的采样井什算输出值这一离散形式可表达为下列方程:Mn=Kc*en+Ki*Ze,+Minitial+Ko*en-en-l

2.2Z=1输出比例项+积分项+微分项式中Mn为在采样时刻计算出的回路控制输出值；Kc为回路增益；en为在采样时刻n的回路误差；e『i为上次误差即在采样时刻n-l的误差；Ki为积分项的比例系数；Mimi面为回路输出的初始值；KD比为微分项的比例系数由此方程可看出，积分项包括自第一次采样到当前采样时刻的所有误差；微分项由本次和上次采样值所诀定；而比例项仅由本次采样值所诀定在数字计算机中要存储所有采样的误差值是不实际的，也是不必要的因为自第一个采样时刻开始，每次采样获得一个误差，要由数字计算机来计算一次输出，所以只需将上一次的误差值和上一次的积分项存储利用数字计算机的迭代运算，可将上式化为递推形式简化形式如下Mn=Kc*e+Ki*e+MX+KD*e-e-i

2.3n n n n输出比例项+积分项+微分项式中Mn为在采样时刻计算出的回路控制输出值；Kc为回路增益；en为在采样时刻的回路误差；e『i为上次误差即在采样时刻n-l的误差；Ki为积分项的比例系数；MX为上次即在采样时刻n—1积分项；KD为微分项的比例系数CPU将上述简化形式再进一步组合、简化，即得下面的方程，用来实际计算回路控制的输出值Mn=MPn+MIn+MDn

2.4输出比例项+积分项+微分项式中Mn为在采样时刻n所计算出的回路控制输出；MPn为在采样时刻n所算出的比例项；Mln为在采样时刻所算出的积分项；MDn为在采样时刻n所算出的微分项比例项比例项MP为增益Kc用于控制输出的敏感度和误差为给定值SP与过程变量PV在给定采样时刻的差值的乘积CPU采用的计算比例项的方程如下MPn=K*SPn-PVn

2.5C式中MPn为在采样时刻n的回路控制输出中的比例项；Kc为回路增益；SPn为在采样时刻n的给定值PVn为在采样时刻n的过程变量值积分项积分项MI正比于历次采样时刻的误差的累积值采用的计算积分项的方程如下MIn=Kc*Ts/Tl*SPn-PVnMX

2.6式中Mln为在采样时刻n的回路控制输出中的积分项；kc为回路增益；Ts为采样周期；Ti为积分时间常数；SPn为在采样时刻的给定值；PVn为在采样时刻的过程变量值；MX为在采样时刻n-1的积分项也称为积分和积分和MX是所有采样时刻的积分项的总和每计算一次ML,积分和MX就以Mln的值更新一次它可被进一步调整或限幅积分和的初始值通常调定为Minteial,还有几个常数与积分项有关，即增益Kc、采样周期Ts和积分时间常数Tin微分项微分项正比于误差的变化其方程为:MDn=Kc*TD/TS*[SPn-PVn-SPn-l-PVn-l]

2.7为了实现在给定值改变时控制输出的无扰动切换，假定给定值为常数SPn SPn-l,则可将上式化为计算过程变量的变化，而不是计算误差的变化，如下MDn=Kc*TD/TS*SPn-PVn-SPn+PVn-

12.8即为MDn=Kc*TD/TS*PV-i-PV

2.9nn式中MDn为在采样时刻n的回路控制输出中微分项；Kc为回路增益；Ts为采样周期；TD为微分时间常数；SPn为在采样时刻n的给定值；SPn-l回为在采样时刻n-l的给定值；PVn为在采样时刻n的过程变量值；PVn-1为在采样时刻n-1的过程变量值为了下一个采样时刻计算微分项之用，应将过程变量值而不是误差存储起来第一采样时刻时将PVn-l初始化为值PVnoS7-200PID功能输入一般需模拟输入，以反映被控制的物理量的实际数值反馈用户设定的调用目标值为给定PID运算的实质就是根据反馈与给定的相对差值，按照PID运规律计算出结果,输出到变频器驱动水泵电机变速运在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块现的通过定时按照采样时间执行PID功能块按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比一积分一微分数据，计算出控制量PID功能块根据一个PID回路表交换数据，这个表是在数据存区中开辟的，长度为36字节因此每个PID功能在调用时需要指定两个要素PID控制回路号，及控制回路表的起始地址以VB表示我们选择的是西门子S7-200系列的CPU226,S7-200CPU226回路表包含9个参数，用来控制和监视PID运算这些参数分别是过程变量当前值PVn,程变量前值PVn-l,给定值SPn,输出变量Mn,增益Kc,采样时间Ts,积分时间Tl,微分时间TD和积分项前值MX36个字节的回路见表LL若要以一定的采样频率进行PID运算，采样时间必须输入到回路表中且PID指令必须编入定时发生的终端程序中，或者在主程序中由定时器控制PID指令的执行频率若不需要微分项（即为PI算法），则应将微分时间常数设置为0若不需要比例项（即为ID算法或I算法），则应将回路增益设置为0,但由干回路增益同时影响到方程中的积分项、微分项，故需规定此时用干什算积分项、微分项的增益约定为1表指令回路表

2.1PID地址偏移变量名称格式类型描述+0过程变量PVn双字-实数输入过程变量

0.0-

1.0+4给定值SPn双字-实数输入给定值

0.0-L0+8输出变量Mn双字-实数输入/输出输出值

0.0-L0+12增益Kc双字-实数输入增益是比例常数+16采样时间T双字-实数输入单位为秒正数s+20积分时间Ti双字-实数输入单位为分钟正数+24微分时间TD双字-实数输入单位为分钟正数+28积分项前值双字-实数输入/输出积分前项必须在MX

0.0-

1.0+32过程变量前值双字-实数输入/输出PVn.1最近一次PID运算过程变量值，必须在.0-

1.0之间J对于PID回路的控制，有些控制系统只需要比例、积分、微分其中的一种或几种控制类型通过设置相关的参数即可选择所需的回路控制类型回路控制的功能组合的选择可通过对相关参数（常数）的设定来完成若不需要积分项（即为PD算法，则应将积分时间常数设置为无穷大，由干积分和的初始值不一定为0,故即使无积分作用，积分项也并不是一定为0闭环控制闭环控制系统closed-loop controlsystem的特点是系统被控对象的输出被控制量会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈Negative Feedback,若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统闭环控制系统的例子很多比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统另例，在本设计控制系统中由压力传感器将压力信号送入PLC中经PID运算后决定如何控制电机转速，这样的工作方式会持续进行当系统断电后才结束这就构成了一个完整的闭环控制系统阶跃响应是指将一个阶跃输入step function加到系统上时，系统的输出稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述稳是指系统的稳定性stability,一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来Steady-state error描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述系统的组成

2.2PID调节变频调速恒压供水控制系统由PLC、变频器、压力传感器、控制切换电路以及电动机泵组等构成系统组成框图见图

2.1系统采用1台变频器拖动2台水泵电机，2台水泵电机互为备用使用的方式运行压力传感器负责对管网压力采样，变频器对水泵电机变频调速水泵电机是输出环节安装在供水管摘要介绍了用S7-200进行逻辑及PID控制，用PLC进行压力调节，自动控制小水泵投入的台数和大水泵电机转速，在保持恒压状况下，达到节约电能的目的基于PLC和变频器技术的恒压供水系统的组成和工作原理，给出了控制系统的硬件组成和软件设计方案运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点设计了利用PLC和变频器实现自动恒压供水的控制系统采用PLC内置的PID调节器，选用一台变频器和一台PLC分别控制两台大泵机和五台小泵机进行恒压供水采用西门子PLC及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒压变频供水系统的PID控制——实时跟踪管网压力与给定压力的偏差变化，经PLC内部PID运算，通过可编程控制器控制变频与工频切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压变量供水的目的系统性能稳定，投资小关键词PI调节器；PLC；变频器；恒压供水；压力上的压力传感器，把出口压力信号变成4〜20mA的标准信号反馈给PLC的PTD模块进行PID调节经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数发出控制信号，控制变频PLC选用西门子S7-200系列的CPU226,其中的CPU226具有40位浮点运算功能和内置集成的PID调节运算指令，比较适合变频调速恒压供水系统为了方便地将管网压力信号、电机频率信号传输给PLC,经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了EM235模拟量扩展模块该模块有3个模拟输入A1W,1个模拟输出AQW信号通道输入信号接入端口时能够自动完成A/D的转换,标准输入信号能够转换成一个字长16bit的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长16bit的数字信号能够转换成标准输出信号EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置在本系统中，压力信号是标准电流信号4-20MA,电机频率信号是0-10V的电压信号在本设计中利用了碟阀来控制电机的起停所以我们还配合使用了数字量扩展模EM222o本恒压供水泵站需要设多台水泵电机，这比设单台水泵电机节能而可靠配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就要由变频器控制水泵电机的转速有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不需切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求在本设计中我们只需要一台变频电机，以及与之匹配的备用电机,所以我们只需要一台变频器对两台电机进行控制就可以达到要求其它电机为工频运行利用PLC来设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调节规律发出的系统调节信号等功能传感器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是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PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作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时，须增加一台或几台工频泵投入运行PLC则是泵组管理的执行设备PLC同时还是变频器的驱动控制恒压供水泵站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子接受到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信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等由PLC控制变频器根据用水量的大小调节一台变频电机从而满足供水的压力要求，如果用水量很大则一台变频电机无法满足压力要求，因此要利用PLC将五个工频电机逐个投入运行中直到满足管道内压力的要求根据上述介绍我们可将本工作系统分为以下几部假睛翱供精分―恒区----------------------纵传感器供压力采窠郡水_______PLC系筑-----------------------独卷分一----------继端嵬列SIMATICs7-200编程软件PLC电气控制部图恒压供水系统组成

2.2分一计算机本章小结

2.3蹦输PLC是由取代继电器控制系统开始产生和发展的早期的PLC多用于机电系统的顺序控制，因而许多人习惯于把PLC看作继电器、定时器和计数器的集合这种看法，对于原先从事继电控制系统设计、维护的人掌握PLC的应用技术曾起了很大的作用要认识到PLC其实是工业控制计算机，它具有计算机控制系统的功能，例如算术/逻辑运算、程序流控制、通信等等极为强大的功能这些功能通常是通过功能指令的形式来实现的功能指令的丰富程度及其使用的方便程度是衡量PLC性能的一个重要指标在本设计中我们利用了S7-200系列中的CPU226以及一些扩展模块的配合使用来达到控制要求，实现控制目的减少了继电器的应用大大减少了操作人员的工作量第三章硬件设计变频恒压供水系统构主要是由PLC、变频器、压力传感器、交流接触器，配电装置以及水泵等组成其中有2个大泵,5个小泵用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来控制和观察系统的运行状况学习PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对于设计一个较大的PLC控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要用以下设计步骤来进行系统设计随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围一般来说,能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC控制来完成当某一个控制任务决定由PLC来完成后选择PLC就成为最重要的事情一方面是选择多大容量的PLC,另一方面是选择什么公司的PLC以及外设对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来,包括开关量I/O模拟量I/O以及这些I/O点的性质I/O点的性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀、指示灯，则最后选用的PLC的输出点有可能大于实际点数因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端,这一组的输出只能有一个电源的种类和等级对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑

1、功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务如对PLC与PLC、PLC与智能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量有特殊要求的；或对PLC的位置控制有特殊要求等这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择

2、价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上在使用PLC较多的情况下，这样的差价必须是需要考虑的

3、个人喜好方面有些工程技术人员对某种品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品变频器选用

3.1变频器选用西门子的变频器，该变频器的设计具有高效率和准确控制，安装灵活等特点它除了具有第四代变频器的特点以外，还具有应用于风机和泵类的硬件和软件特征，尤其适合用于风机和水泵负载的控制使用此种型号的变频器可以节约能源消耗,降低运行噪声，对环境起到很好的保护作用变频器外部接线如下图所示，其中上限频率一般设置为49-50HZ,为防止水泵转速较低，下限频率一般设置为20-25HZ变频器的运行和停止由PLC的Q

3.0控制来实现KM8X1PLC/Vd oX1O2:15PLC235/MX102:16X101:7封锁X101:8起停X101:9X101:1图变频器外部接线图

3.1介绍

3.2PLC

3.

2.1PLC简介可编程控制器简称PLC（Programmable LogicController）,是一种在传统的继电器控制系统的基础上，与3C技术（Computer,Control,Communication）相结和而不断发展完善起来的新型工业控制装置，具有使用方便、编程简单、可靠性高、易于雏护等优点，在工业控制领域应用得十分广泛目前已从小规模的单机顺序控制发展到过程控制、运动控制等诸多领域，无论是老设备的技术改造还是新系统的开发，设计人员都倾向于采用它来进行设计PLC的应用面广，功能强大、使用方便，己经成为当代工业自动化的主要装置之一在工业生产的所有领域得到了广泛的应用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展

3.

2.2PLC的基本结构PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（见图

3.2）有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务

1、CPU模块CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成在PLC控制系统中,CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据

2、I/O模块PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程,人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展一是1/0（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因输入（mput）模块和输出（Output）模块简称为i/o模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置图控制系统示意图

3.2PLCCPU模块的工作电压一般是5V,而PLC的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作在I/O模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的I/O电路，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用

3、编程器编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图只能输入和编辑指今表程序，因此又叫做指令编程器它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换程序被编译后下载到PLC,也可以将PLC中的程序上传到计算机程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送

4、电源PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源内部的开关电源为各模块提供DC5V,+12V,-12V,24V等直流电源小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供

3.

2.3PLC的特点

1、编程方法简单易学梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后再去执行

2、功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能与相同功能购继电器系统相比，具有很高的性能价格比PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理

3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品己经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方使快速地适应工艺条件的变化

4、可靠往高，抗干扰能力强传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器由子触点接触不良，容易出现故障PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因触点接触不良造成的故障大为减少PLC使用了一系列硬件和软仲抗扰扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已彼广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一

5、系统的设计、安装、调试工作量少PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计这种编程方法很有规律，很客易掌握对于复杂的控制系统，如果掌握了正确的设计方法，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多可以在实验窒模拟调试PLC的用户程序，输入信号用小开关来模拟，可通过PLC的发光二极管关察输出信号的状态.完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多AbstractThis dissertationintroduces aconstant pressurewater supply system,which usedS7-200toprocess logiccontrol,PID controland employedinverter toadjust water pressure.It couldautomatically control thenumber ofwater pump and speed of A.C motor,save electricenergy.Thestructure andworking principleof aconstant pressurewater supply system basedon PLC andfrequency variationtechnique,the hardwareand thesoftware ofthe controlsystem areintroduced indetail.The systemin practiceproves tohave constantwaterpressure,simple structureand betterreliability.Designed awater supplyingsystem withautomotive constantpressure basedon PID and PLCtechnology.The systemused the PID,which wasinside PLC,PLCand frequency inverterto controlfivesmall water pumpandtwo bigwater pump.It adoptsSiemens PLCandfrequencyconverter astop managementunit,cooperates withcontactorand relayin orderto realizethePIDcontrol water-supplysystemof constantpressure-They followup thedeviation betweenthe pipenetwork pressureand pressuregiven.Throughoperation ofPIDandswitchover offrequency conversionand powerfrequency wascontrolled byPLC,it couldautomaticallycontrolnumber ofwaterpumpput intooperation andspeedofAC motorforveining automaticregulation ofclose-loop andsupplying waterunder constantpressure andvarietyrunoff.Key wordsProportional integral；programmable logiccontrol；frequency inverter；constantpressure watersupplysystem；pressure

6、维修工作量小，维修方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障

7、体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2-1/10PLC控制系统的配线比继电器控制系统的少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工作时间，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用

3.

2.4PLC的功能经过长期的工程实践,PLC的上述特点越来越为广大技术人员所认识和接受,已经广泛用到石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻功、采矿、水利、环保等各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络从功能来看，PLC的应用范围大致包括以下几个方面

1、逻辑（开关）控制这是PLC最基本的功能，也是最为广泛的应用PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能采用PLC可以很方便地实现对各种开关量的控制，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制PLC即可用于单机或多机控制，又可用于自动化生产线的控制PLC可根据操作按钮、各种开关及现场其他输入信号或检测信号控制执行机构完成相应的功能

2、定时控制PLC具有定时控制功能，可为用户提供几十个甚至上千个定时器时间可以由用户在编程时设定，也可以由操作人员在工业现场通过人一机对话装置时间设定，实现具体的控制

3、计数控制PLC具有定时计数控制功能，可为用户提供几十个甚至上千个计算器计数设定方式同定时器一样计数器为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等类型,以成不同用途的计数控制一般计数器的计数频率较低如需对频率较高的信号进行计数，则需要选用高速计数器模块，其最高计数频率可达50HZ也可选用具有内部高速计数器的PLC,目前的PLC一般可以提供计数频率大lOKHz的内部高速计数器计数器的实际计数值也可通过人——机对话装置实时读出或修改

4、步进控制PLC具有步进（顺序）控制功能在新一代的PLC中，可采用IEC规定的用于顺序控制的标准化语言——顺序功能图编写用户程序，使PLC在实现按照事件或输入状态的顺序控制相应输出的时候更加简便

5、模拟量处理与PID控制PLC具有A/D（模拟/数字）和D/A转换模块，转换的位数和进度可以更加用户要求选择，因此能进行模拟量处理与PID控制PLC可以接模拟量输入和输出模拟量信号，模拟量一般为4mA〜20mA的电流、IV〜5V或0V-10V的电压为了既能完成对模拟量的PID控制，又不加重PLC的CPU负担，一般选用的PID控制模块实现PID控制因此还具有温度测量接口，可以直接连接各种热电阻和热点偶

6、数据处理PLC具有数据处理能力，可进行算术运算、逻辑运算、数据比较、数据传送、数据转换、数据移位、数据显示和打印、数据通信等功能，如加、减、乘、除、乘方、开方、与、或、异或、求反等操作新一代的PLC还能进行三角函数运算和浮点运算

7、通信和联网功能现在的PLC具有RS-

232、RS-

422、RS-485或现场总线等通信接口，可进行远程I/O控制，可实现多台PLC联网和通信外部设备与一台或多台PLC之间可实现程序和数据的传输通信□按标准的硬件接口和相应的通信协议完成通信任务的处理例如西门子S7-200系列PLC配置的Profibus现场总线接口，其通信速率可以达到12Mbpso在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制的选型

3.3PLC

3.

3.1概述PLC的普通输入输出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以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，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235,它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中系统共有开关量输入点23个、开关量输出点11个；模拟量输出点5个；数字量输出端16个；如果选用CPU226的PLC,还需要扩展单元因此参照西门子S7-200产品目录可知选用的主机为CPU226一台，加上两台数字量扩展模块EM222,再扩展一个模拟量模块EM235这样配置是最为经济的整个PLC系统的配置如图

3.3所示图系统的配置

3.3PLCS7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC,其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注特别是S7-20CUP22*系歹lJPLC由于它具有多种功能模块和人机界面HMD可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成PLC网络

3.

3.2CPU226工作特点的概述CPU226在CPU224基础上功能进一步强大，主机增加到40个数字量I/O点最大扩展至248个数字量I/O点或35路模拟量I/O点增加了通信接口的数量,可以分别进行设置，同时与两个设备进行通信而互不干扰，通信功能大大增强CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的扩展能力，更快的运行速度和功能更强大的内部集成特殊功能使它完全适用于复杂的中小型控制系统CPU226的主要特点

1、自带高速计数器，有多个接口可以接受最高达30HZ的高速脉冲输入，同时可以做加减计数，连接两项相位差为90的A/B相增量编码器，可通过编程对高速计数功能相关状态字几项设置，得到多种对高速脉冲的计数模式

2、具有高速脉冲输出接口，最大脉冲频率可达20HZ,能够直接用于定位控制

3、存储空间很大，并可以用超级电容对数据进行长达190分钟的掉电保护,若选用存储卡，则可保持200天

4、运算指令丰富，并由实数运算功能，可实现复杂的计算和控制策略，并允许在程序中立即读写I/O接口，在一些需要立即响应的场合应用非常方便

5、可以为模拟量和数字量输入设置滤波器，输入接口可以捕捉比CPU扫描速度更快的窄脉冲信号，便于适应复杂的工业环境

6、内部配有+5VDC扩展电源，输出电流可达1000M;+24V DC传感器电源或负载驱动电源，输出电流可达400MA

7、具有RS-485通信接口，可与计算机、变频器、文本显示器、手持编程器等进行通信，交换数据、完成控制功能

3.

3.3扩展单元介绍扩展单元的基本用途是对基本单元的输入、输出口进行扩展不同的基本单元加上不同的扩展单元，可以方便地构成各种输人、输出点数的系统，以适应不同工业控制的需耍还有一些扩展单元是一些特殊功能单元，如模拟量输入/输出单元，连接专门传感器的工作单元或专用的功能单元，如热电偶功能单元，定位控制单元及专用的通讯单元等用于扩展输人/输出的扩展单元一般不含CPU,而专用的功能单元一般带有自身的CPU,称为智能模块.扩展单元一般都不能单独使用需利用基本单元配合使用模拟量模块在工业控制系统，尤其是过程控制系统中，以模拟量作为I/O信号是常见的在变频恒压供水系统中，必须用压力变送器将压力信号转换为标准的电压信号送入PLC中经过程序运算再由控制器输出模拟量信号到变频器以控制水泵的转速，使供水系统稳定在设定的压力值，其他工业参数，如温度、液位、流量等的控制也必须通过传感器采集模拟量信号送入PLC,而驱动伺服电机、电动机调节阀等则需要PLC输出模拟量信号在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模块本身自带模拟量I/O接口，其他的CPU模块若要处理模拟量信号，均需扩展模拟量模块EM235为模拟量模块，其上部端子排为标注A、B、C、D的四路模拟量输入端口，可分别接入标准电压、电流信号为电压输入时，电压信号正端接入A+端，负极信号接入A-端，RA端悬空为电流信号时，必须将RB与B+短接后与电流信号输出端相连接，电流信号输入端则接入端接入B-接口若四个端口未被全部使用，则将未用端口正负端相连接，以免受到外部的干扰，下部端子为一路模拟量输出端子的三个接线端M

0、

70、

10、其中M0为数字端口接地接口，VO为电压输出接口，IO为电流接口若为电压负载，则将负载继而MO、VO接口，若为电流负载接入MO、IO接口在进行接线时应该注意一下几点

1、传感器接线的长度应尽可短，并使用屏蔽双绞线

2、敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角

3、避免将信号线与电源线路平行接近布置

4、使用高质量的24VDC传感器EM235模拟量工作单元性能指标表模拟量扩展模块输入/输出技术规范

3.1EM235输入技术规范输出技术规范最大输出电压30VDC无隔离（现场到逻辑）最大输入电压32mA信号范围±10输入滤波衰减-3dB,

3.1kHz电压输出电流输出0—20mA分辨率12位A/D转换器隔离否分辨率，满量程、12位输入类型差分电压电流11位输入范围电压单极性0〜10V,0〜5V电压电流-32000〜+32000O~1V,0〜500mV0〜+32000〜100Mv,0〜50mV±10V,精度电压双极性±5V,±

2.5V±1V,±500mV,最差情况0〜55℃±250Mv±100mV,±50mV,电压输出±2%¥两里程±25mv电流输出±2%涵里程电流精度0〜20mA输入分辨率最差情况55℃电〜10/日.工口AD转换时间压轴出电流输出±2%俩里在250〃s±2%满里程模拟输入阶跃响应

1.5mS至95%典型，25℃电压输出士5%满里程共模抑制4dB,DC至U60Hz电流输出±5%）两里,程共莫电压信号电压加共加模电压±12V

20.4—

28.8V设置时间24VDC电压范围电压输出100s数据字格式电流输出E4-17」卜44+i2ms巨工口-32000〜+32000双极「生，，两里程0〜32000单极性，满量程为能适用各种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设计成可编程，而转换生成的数字量一般具有固定的长度及格式模拟量输出则希望将一定范围的数字量转换为标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口上表中输入、输出信号范围栏给出了EM235的输出、输入信号规格，以供选用EM235的工作程序编制包括以下的内容

1、设置初始化主程序在该子程序中完成采样次数饿预置顶及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备

2、设置模块检测子程序该子程序检查模块的连接的正确性以及模块工作的正确性

3、设置子程序完成采样以及相关的计算工作

4、工程所需的有关该模拟量的处理程序

5、处理后模拟量的输出工作S7-200PLC硬件系统的配置方式采用整体式和积木式，即主机包含一定数量的输入/输出（I/O）点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能的模块数字量模块，S7-200系列PLC的CPU模块均集成了一定数量的I/O接口，能够方便的构成控制系统但在使用中，实际需要的I/O接口数量往往较多，CPU模块的接口不能够满足要求，使用PLC成本会较高所以在这种情况下，就要考虑CPU主机模块附加数字量扩展模块的形式，以增加数字量接口为主要目的EM222模块是单独输出模块无输入点，有8个输出点有四个隔离组，输出电源为

20.4~

28.8DV或20V〜250VAC控制系统的设计

3.4PLC输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜系统调试分模拟调试和联机调试，硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分是否正确软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的输出指示灯进行需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行调试时可利用上诉外围设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确如果有错误则修改后反复调试现在PLC的主流产品都可以在PC机上编程，并可以在电脑上直接进行模拟调试下表是在本设计中所用到的输入输出端地址口分配表地址分配表

3.2PLC I/O输入功能

10.0变频器故障

10.11#碟阀未到限位

10.22#碟阀未到限位

10.33#碟阀未到限位

10.44#碟阀未到限位

10.55#碟阀未到限位

10.66#碟阀未到限位

10.77#碟阀未到限位

11.0变频器通电

11.1水箱无水

11.2水位底

11.32#、3#泵切换

11.41#泵自动

11.54#泵自动

11.65#泵自动

11.76#泵自动

12.07#泵自动

12.1音响解除

12.2装置启动

12.3变频器复位

12.4变频器起停

12.52#泵自动

12.63#泵自动输出功能QO.O变频器故障Q

0.11#泵运行Q

0.

22、3#泵运行QO.34#泵运行Q

0.45#泵运行QO.56#泵运行Q

0.67#泵运行Q

1.0变频器通电Ql.l1#泵停止Q

1.24#泵停止Q

1.35#泵停止QI.46#泵停止QL57#泵停止Q

1.6变频器复位Q

1.7报警器音响扩展模块1EM222Q

2.0变频器封锁Q

2.11#泵碟阀开Q

2.22#泵碟阀开Q

2.33#泵碟阀开Q

2.44#泵碟阀开Q

2.55#泵碟阀开Q

2.66#泵碟阀开Q

2.77#泵碟阀开控制模块2EM222Q

3.0变频器起停Q

3.11#泵碟阀关Q

3.22#泵碟阀关Q

3.33#泵碟阀关Q

3.44#泵碟阀关Q

3.55#泵碟阀关Q

3.66#泵碟阀关Q

31.

41.

51.

51.

61.

61.

82.

82.

213.

213.

3.4CPU2261，D-■£tr^^-DLJfA..JIDLIALOLqAD.£lqJxr-3F^4Jhr^aJIV―^JM1LAV-/oL/nrDor^njtrMMjnnrvATIuA7baQ©9vhAJKrTnJJ

7.qrJ£J7J1uh-4L劫卦锄Q

2.0QZ11牌案同开Q

2.22#嵬嫌用开3料版Q

2.3开Q

2.44#桑臻自EM222Q

2.5开Q

2.65#泵碟同Q2,7开MN5#果袖开7#柔碟翻国］——受领署总停■国］------1#泵磔联南一2/景礁陶关耐—3#系■咫关恒—用更碌周笑座一5#采碟EM222网关朝一6学叙联国—7#聚球闹美皿图扩展模块与接触器的连接

3.5EM222AfA-B+B-y-7RC+X:EM235c-77VoolNV/XIOZL+JolNV/X102:M图扩展模块与接触器的连接

3.6EM235PLC设计流程图步骤K3QKL574765432/057•根据生产的工艺过程分析控制要求•根据控制要求确定所需要的用户输入/输出设备据此确定PLC的I/O点数•选择PLC的类型•分配PLC的I/O点，设计I/O连接图，这一步可以结合第二步进行•进行PLC程序设计，同时可以进行控制台的设计和现场施工在设计电器控制系统时，必须在控制线路设计完后，才能进行控制台的设计和现场施工可见，采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短图可编程控制器系统设计流程图

3.7电气控制线路的绘制

3.5电器控制线路是用导线将电机、电器、仪表等电器无件连接起来.井实现特定的控制要求电器控制线路应本着简单易懂、分析方便的原则，用规定的图形符号和文字符号迸行绘制电器控制线路分为主电路和控制电路两种以电动机为负载通过大电流的电路称主电路以接触器、继电器线圈等为负载通过较小的电流的线路称为控制线路根据需要，电气线路图可以绘制成三种不同的形式电气原理图、电器元件布置图、电气安装接线图

3.

5.1电器原理图电气原理图是根据电路工作原理用规定的图形符号和文字符号绘制的，并能够清楚地表明电路功能由于电气原理图结构简单，层次分明，使于研究、分析电路的工作原理，因此无论在设计部门或现场及教学上都得到了广泛的应用现在我们简要叙述电器原理图的绘制原则

1、在电气原理图中，主电路一般都画在控制电路的左侧或上面，复杂的系统则分图绘制

2、所以的电器元件都用规定的文字符号合图形符号表示图形符号应符合GB4728《电气图用图形符号》的规定，文字符号应符合GB7159—1987《电气设备常用基本文字符号》的规定在图形符号附近用文字符号标注，例如接触器的吸引线圈及触点都用文宇符号KM标注

3、同一电器元件的不同部件（如接触器的线圈和触点）在图中的位置，可以不画在一起，但必须用相同的文字符号

4、元件、器件和设备的可动部分通常应表示在非激励或不工作的状态或位置

5、表示导线、信号通路、连接导线等图线都应是交叉和折弯最少的直线可以水平地布置，也可以采用斜的交叉线

6、电路或元件应按功能布置，并尽可能按工作顺序排列，对因果次序清楚的简图，其布局顺序应该是从左到右和从上到下

7、在原理图上方或右方将图分成若干图区，并标明该区电路的用途与作用

8、电器元件的数据和型号，一般用小号字体标注在电器代号下面352主电路图的设计根据设计的需要我对系统做出如下的设计，其中各电机的型号及容量已给定如图

4.1为电控系统的主电路图七台电机分别为Ml,M2,M3,M4,M5,M6,M7接触器KM8控制电机M2,M3的变频运行;接触器KM1,KM4,KM5,KM6,KM7分别控制电机Ml,M4,M5,M6,M7的工频运行；FR1,FR2,FR3,FR4,FR5分别为五台水泵电机的过载保护的热继电器；QS1,QS2,QS3,QS4,QS5分别为五台水泵电机主电路的隔离开关；INV为西门子系列变频器下图为主电路接线图图主电路接线图

3.7本章小结

3.6在电力拖动自动控制系统中，各种生产机械均由电动机均由电动机来拖动不同的生产工艺对电动机的控制要求也是不同的电器控制线路能实现对电动机的启动、停止、点动、正反转、制动等运行方式的控制以及必要的保护，满足生产工艺的要求，实现生产过程自动化随着我国经济的发展，对电力拖动系统的要求不段提高在现代化的控制中采用了许多新的控制装置和电器元件，任何简单的、复杂的的电器控制线路，都是按照一定的控制原则，由基本的控制环节组成的掌握这些基本的控制线路环节是学习电气控制的基础，特别是对生产机械整个电气控制线路工作原理的分析与设计有很大的帮助PLC都提供了各种类型的继电器，一般都称为“软继电器”，以提供系统软件设计中编程使用常用的输入继电器、输出继电器、内部继电器（分为通用和专用两种）、定时器、计数器、数据寄存器（分为通用专用等类型）等这些编程用的继电器的工作线圈没有机械磨损和电蚀等问题在不同的指令作用下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件本设计中运用了大量的继电器以及PLC模块这样大大简化了工作控制方式，使控制精度提高减少了工作人员的工作量第四章软件设计系列编程软件介绍

4.1SIMATIC S7-200PLC没有软件的裸机是什么事情也干不成的可编程控制器实质上是一台工业用计算机，因而也装有软件可编程控制器的软件分为两大部分系统软件与用户程序系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制可编程控制器本身的运作用户程序由可编程控制器的使用者编制井输入，用于控制外部被控对象的运行STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包它是SIMATIC工业软件的组成部分可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展，为功能模板和通讯处理器赋值参数，强制和多处理器模式，全局数据通讯，使用通讯功能块的事件驱动数据传送，组态连接STEP7编程软件用于SIMATIC S

7、M

7、C7和基于PC的WinCC,是供它们编程、监控和参数设置的基本工具STEP7具有以下功能硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等使用STEP7编程软件时还需产品授权,驱动授权后在SIMATIC Manager编程环境下，STEP7支持三种编程语言梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）,有鼠标拖放复制和粘帖功能

4.

1.1系统软件统软件又可分为系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块和系统调用

1、系统管理程序系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主管控制可编程控制器的运作其作用包括三个方画一方面是运行管理，对控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时计算、何时自检、何时通信等作时间上的分配管理另一方面是存储空间管理即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址将用户使用的数据参数、存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址将有限的资源变为用户可很方便地直接使用的元件例如它可将有限个数的CTC扩展为上百个用户时钟和计数器通过这部分程序，用户看到的就不是实际机器存储地址和CTC的地址了，而是按照用户数据结构排列的元件空间和程序存储空间再一方面是系统自检程序它包括各种系统出错检验，用户程序语法检验，句法检验,警戒时钟运行等可编程控制器正是在系统管理程序的控制下，按部就班地工作的

2、用户指令程序众所周知，任何计算机最终都是执行机器语言指令的但用机器语言编程却是非常麻烦的事情可编程控制器可用梯形图语言编程把使用者直观易懂的梯形图变成机器懂得的机器语言，这就是解释程序的任务解释程序将梯形图逐条解释，翻译成相应的机器语言指令，由CPU执行这些指令

3、标准程序模块和系统调用这部分由许多独立的程序块组成，各程序块完成不同的功能，有些完成输入、输出处理，有些完成特殊运算等可编程控制器的各种具体工作都是由这部分程序来完成的这部分程序的多少，就决定了可编程控制器性能的强弱整个系统软件是一个整体，其质量的好坏很大程度上影响可编程控制器的性能很多情况下，通过改进系统软件就可在不增加任何设备的条件下大大改善可编程控制器的性能，因此可编程控制器的生产厂家对可编程控制器的系统软件都非常重视，例如S7—200系列PLC在推出后，西门子公司不断地将其系统软件进行改进完善，使其功能越来越强

4.

1.2用户程序用户程序是可编程控制器的使用者编制的针对具体控制对象的程序在小型可编程控制器中，用户程序有三种形式——a指令表STL、b梯形图LAD和c顺序流程图SFC用户程序的O三种形式见下图

4.1不同牌号的可编程控制器，其梯形图的符号、表示方式或指令表中的助记符会略有不同，但不会有很大的差别所以，学会一种牌号的可编程控制器的编程方法后，再学其它牌号的可编程控制器的编程时就可以触类旁通用户程序存放在系统管理程序指定的存储区内，其容量的大小也为系统管理程序所限制程序容量的大小通常与可编程控制器可组态规模的大小相对应加S1L SR尸U

10.I

10.

10.1QO.O1—A

10.1Q

0.

010.2Q,l

10.2【」Tl-S KlSQ

0.1K1ca图用户程序的三种形式

4.

14.

1.3软件界面简介⑶新特性回叫变量类型数据类型口程叉块I±符信表符号TEMP±状导表TEMP画数具块TEMP系块交引TEMP…通序±向号工国用收态据网络1网络标题位统网络注释时回通比藏夹±转四计逻辑钟浮信整回较中换逻数网络2传画点程数移器断字数辑表讨送序回位皿符回嚼±网络3国国邙指画国图窗口的元素

4.2STEP7MICRO/WIN•浏览条——显示常用的编程按钮群浏览条包括:VIEW（视图）——显示程序模块、符号表、TD200向导、位置控制向导、EM253控制面板和扩展调制解调器向导按钮•指令树——提供所有项目对象和当前程序编辑器（LAD、FBD、STL）的所有指令的树形视图可以在项目分支里对所打开的所有包含的对象进行操作；利用指令分支输入编程指令•交叉参考——查看程序的交叉引用和元件使用信息•数据块——显示和编辑数据块的内容•状态表——允许将程序输入、输出或变量置入图表中，监视其状态可以建

3.

273.

273.

283.

383.

414.

414.

424.

464.

4.2PLC表系列存储器分区及数量

4.1S7-200PLC描述CPU226用户程序大小4K字用户数据大小

2.5K字输入映象寄存器I

0.0-I

15.7输出映象寄存器Q

0.0-Q

15.7模拟量输入（只读）AIW0-AIW62模拟量输出（只写）AQW0-AQW62变量存储器（V）VB0-VB5119局部存储器（L）LB0-LB63位存储器（M）M

0.0-M

31.7特殊存储器（SM）SM

0.0-SM

549.7只读SM

0.0-SM

29.7定时器255T0-T255有记忆接通延迟1ms T0,T64有记忆接通延迟10ms T1-T4J65-T68有记忆接通延迟100ms T5-T31有记忆接通延迟100ms T69-T95接通/关断延迟1ms T32,T95接通/关断延迟10ms T82,T96接通/关断延迟10ms T33-T36接通/关断延迟10ms T97-T100接通/关断延迟100ms T37-T63接通/关断延迟100ms T101-T225计数器C0-C255高速计数器HC0-HC5顺序控制继电器（S）S

0.0-S3L7累加寄存器AC0-AC3跳转/标号0-255调用子程序0-63中断程序0-127正/负跳变256PID回路0-7泵站软件的设计分类

4.

34.

3.1软件设计综述

1、由“恒压”要求出发的工作组数量的管理为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频器的输出频率，并且在一台水泵工作是不能满足恒压要求时，这时需要启动第二台或第三台水泵这样有一个判断标准来决定是否需要启动新泵即为变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值这一功能可以通过比较指令来实现为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应滤去偶然因素所引起的频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采取延时来滤除

2、台组泵站泵组的管理规范有规定各台水泵必须交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范在本次设计中控制要求中规定任意的一台水泵不得连续运行太长时间，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的具体的操作时，将现运行的变频泵从变频器上切除，并且接上工频电源加以运行，同时将变频器复位并且用于新运行泵的启动除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中所使用的是先起先停的方法来实现工频泵的循环控制即1#——4#——5#——6#——7#——1#的逻辑

4.

3.2程序的结果及程序功能的实现根据前面可知，PLC在恒压供水系统中的功能比较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可以分为三个部分:主程序、子程序和中断程序系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间利用定时器中断功能来实现PID控制的定时采样及输出控制在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了PID中断的精确度J执行增泵程序供水压力过低，需要增加水泵妁工作数量执行或系程序供水压力过高，需要或少水泵的是否收到工作数量1我行水泵轮换程序避光某台水泵长时间工作—a进行水泵轮时间？换.上电处理的作用是CPU进行清除内部继电器，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接图主程序流程图

4.3上图为该设计的主程序流程图否是本章小结

4.4本章根据实际情况，充分利用了PLC的硬件资源，使得控制的可靠性增强,输入输出接点得到充分的利用，在充分利用软件设计优势的同时实现类似硬件的保护结束语因实现了恒压自动控制供水，系统稳定性和控制精度满足稳定供水的要求系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内,管接件所承受的压力减小，延长了更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故对于电机和水泵来说,由于起动过程平缓，可运行在最佳工作状态，不再产生“憋泵”现象，运行损耗小，发热大为降低，从而延长了使用寿命设有完善的报警功能，可以对潜水泵的非正常运行状况预先报警和记录，利于泵的维护维修，避免了深井损毁和电机烧毁给企业带来的损失因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班,节约管理费用对整个供水过程来说,系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制由于变量泵工作在变频工况，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约电能若能加深研究必能实现

1、对泵站主机的程序自动开、停机及对励磁实现自动调节；

2、对泵站辅助设备（油、气、水）自动开停机；自动统计主、辅助开停机时间和电量、流量值；事故报警和事故自动记录，进一步研究能够实现多媒体自动显示功能；

3、自动生成实时数据库与历史数据库；

4、动态图像显示泵站空机、输机及各类设备运行参数与状态；

5、打印各类图表、各类参考趋势图；

6、并与下级网络通信发送现场实时运行参数，接收上级网络调度命令，实现全面自动化运行参考文献

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[15]陈志新.电器与PLC控制技术，中国林业出版社，1998附录恒压供水系统梯形图:网络压力不足泵延时滤波

410.

0.M

0.1T37______INC-BEN ENO+50-TNT CTTT网

10.0络5符合泵条件时，工频泵运行数加1T37VB301＜二P网络时间到，则产生下一台泵的变频启动信号193HVD301M

0.3=u+180MOV-BEN ENOIN OUT+0VD301网络有工频泵运行时，复位20VD310VB301MOV—DWBEN ENO+0VD310IN OUT网络号泵变频运行逻辑222M

0.6VB300M

3.0M

0.4Q

0.2Q

0.3Z网络号泵变频运行控制逻辑233M

0.6VB300M

3.0M

0.4Q

0.4Q

0.5Q

0.5网络号泵工频运行控制逻辑

241.MO.1VB300VB301QO.OB0QO.O VB300VB301B第一章引言变频泵加工频泵恒压供水系统的设计背景

1.1传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，为了解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节这就是恒压供水的基本思路交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便本设计题目是根据包钢三八站恒压供水系统改造得来的，过去在此工作站中采用的供水方式是通过人工控制调节阀来完成的，误差较大而且调节的速度也很慢，随着生产工艺要求的不断提高供水性能也有了新的要求，因此我们利用变频器以及PLC对该站进行技术改造用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）其优点是起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应；在锅炉和其它燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减少了对环境的污染变频技术的迅猛发展使变频调速在各个领域得到了广泛的应用变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点，为人民生产、生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益交流变频器的诞生和PLC及PID控制的综合运用为水泵转速的平滑性连续恒定调节提供了方便PID控制恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据设定量与用水量的变化自动调节系统的网络号泵工频运行控制逻辑265网络号泵工频运行控制逻辑276网络号泵工频运行控制逻辑

287.M

0.7VB300VB301Q

0.5Q

0.7网络阀打开29YV

210.0Q

1.0一--------------------恒压供水系统梯形图程序网络水位水池下限故障消铃逻辑34M

3.2网络变频器故障消铃逻辑35M

3.2网络火灾消铃逻辑36M

3.4Y主程序恒压供水系统梯形图程序网络报警电铃37M

3.1M

3.2Q

1.

410.3M

3.

310.0M

3.

410.5VB300VB301主程序恒压供水系统梯形图程序子程序网络初始化子程序1子程序B恒压供水系统梯形图程序MOVE—REN ENOINOUTACOVD108——MUL—REN ENOINIOUTACOVD108——IN

232000.0——MOV—DWEN ENO-►INOUT网络2VD204-----------------------ACOACO+25—二R-网络3VD204T39一1-中断子程序恒压供水系统体型图程序运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当前先进、合理的节能型供水系统在我们日常工作实践中，采用PID调节变频调速恒压供水系统主要选用两种方式

1、利用PLC自身的PID调节指令完成变频调速恒压供水控制

2、利用变频器内置的PID功能配合PLC完成变频调速恒压供水控制下面的章节会对这两种PID控制方式分别做以下介绍工作原理

1.2采用变频器调速装置与可编程控制器PLC构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的系统的控制目标是泵站总管的出水压力，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CPU运算处理后，发出控制指令，控制小泵电动机的投运台数和运行变量大泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上恒压供水就是利用PLC的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制即将压力控制点测的压力信号4—20MA直接输入到PLC中，由PLC将其与事先设定的压力值进行比较,并通过PLC内置的PID运算器将结果转换为电信号送给变频器生成调节信号调整水泵电机的电源频率，从而达到控制水泵转速目的通过下面的系统框图来说明工作过程图泵站恒压供水系统框图

1.1变频泵加工频泵恒压供水系统的设计目标及要求

1.

31.

3.1泵站技术指标简介该泵站变频器额定功率为315kw,水路压力波动设定值加减±10%,控制水泵台数7台；控制方式为工频加变频运行，保持压力恒定设计条件为电压380v.；环境温度+5℃〜+40（2；海拔高度1200米一下空气中不含有过量的尘埃以及易燃、易爆、腐蚀性气体系统构成泵站恒压自动控制系统由智能PLC控制器、变频器、电器设备、压力传感设备以及水泵构成智能型PLC控制器控制水泵的起停，并根据给水压力设定值和反馈值的变化计算出调速泵的运行速度，通过一台315KW变频器对变频进行调速当水量发生变化想加开水泵时，经PLC运算判断，控制一台水泵进行启动运行，当用水减少时，切除先运行的水泵

1.

3.2本设计预期达到目标在完成本设计后，能够实现当用水量大时压力传感器将管网内的压力信号送给PLC,PLC经过PID运算后发出控制信号送给变频器，从而控制电机增大转速提高管网内的压力，经过一段延时后传感器再次将压力信号送给PLC,经过PLC的分析后做出新的控制要求，当大电机达到额定转速时还不能满足压力要求PLC自动将小电机逐个投入使用直到压力达到设定值时停止止匕外，此方案的实现为该供水泵站实现无人看守、少人看管、优化调度，为提高运行效率和管理水平提供了可靠的工具若能加深研究必能实现对泵站主机的程序自动开、停机及对励磁实现自动调节；对泵站辅助设备（油、气、水）自动开停机；自动统计主、辅助开停机时间和电量、流量值；事故报警和事故自动记录，具有多媒体自动显示功能；自动生成实时数据库与历史数据库；动态图像显示泵站空机、输机及各类设备运行参数与状态；打印各类图表、各类参考趋势图；并与下级网络通信发送现场实时运行参数，接收上级网络调度命令，实现全面自动化运行技术综述

1.4对于目前给水系统的设计，传统的设计方案一般采用

1、恒速泵供水；

2、高位水箱供水；

3、气压罐供水；

4、水箱，管网联合型供水；

5、变频恒压供水。