基于plc的恒压供水系统.docx
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基于plc的恒压供水系统
1 绪论
1.1 选题的目的和意义
稳定的供水是人民生活质量的重要保障之一,但由于城市建设步伐的加快,高层建筑越来越多,使居民的生活存在自来水管管道压力不足的现象,特别是供水的高峰期的高层居民用水尤为突出,给居民的生活带来困惑。
所以优秀的供水条件是人们追求高质量生活的必要条件。
以往的水塔供水方法有很多缺点和无法改变的诟病，这种方法必须做出更新，不但投资大同时不利于房屋的维护和抗震，此外水箱还容易对水造成二次污染。
管网压力不稳定是水塔供水的致命缺点，无法维持正常生活用水的稳定。
以前的供水方法已经不能满足正常生活的需要，变频恒压供水控制系统的的方案逐渐突出。
随着科技的发展,变频调速技术也迅猛发展起来,用户供水系统也逐步采取变频技术供水来取代以往的水塔供水,先进的变频调速供水方式不仅可以提高用户对供水系统的满意度而且具有显著的节能效果。
变频调速供水方案解决了以往供水方式的种种不足，此外还能延长整个供水系统的使用寿命。
变频恒压供水控制系统是个闭环控制系统，它是通过检测管道压力，然后利用PLC控制变频器的输出频率和多台水泵的启停及工作方式，实现管道的恒压供水。
1.2 当今国内外变频恒压供水控制系统发展状况
变频调速技术经过多年发展，其功能的局限性逐渐缩小，恒压供水在其基础之上也逐渐发展起来。
在变频没有应用到恒压供水领域之前，国外生产的变频器功能也非常有限，它也就只能对频率进行控制、对电机的正反转进行控制、对电机升速和降速进行控制以及对启动和制动进行控制。
变频器在整个恒压供水控制系统中仅作为被控制单位，它在可编程控制器的控制下输出相应频率。
在不同的时间点，用户对用水量的需求也不相同，为了满足用户的用水量的同时，确保管道压力恒定不变，必须在管道内安装压力传感器，压力传感器把管网中的压力反馈到PID，最终达到PLC对压力进行闭环控制的效果。
从目前国外恒压供水系统设计的情况来看，国外的设计思路大多数是一台变频器只带一台水泵，基本没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的方式，即一套供水系统需要多台变频器和多台水泵，这样的方式投资成本太高。
变频技术被良好的应用在恒压供水设计之后，恒压供水系统也愈变稳定可靠。
恒压供水系统的很多优点得到大家认可后，设计人员也逐步提高它的自动化程度。
除了高自动化程度、稳定的性能、超高的可靠性以外，它的节能效果被大家发现和认可。
在变频恒压供水必将取代以往供水方式的势头下，很多变频器生产厂家开始研发具有变频恒压供水功能的变频器，这样就开发出了变频恒压供水基板，采用这种高集成化的恒压供水模块，就可直接控制数个内置的继电接触器工作，最终可组成多个水泵的变频恒压供水控制系统。
这种高集成化的设备虽然缩小了电路结构，降低了设备批量化生产的投资成本，但其输出端口的扩展功能不具有灵活性，整个系统的动态稳定性低，与别的上位机系统和组态软件难以实现数据通信，此外限制了带负载的能力，因此在实际供水应用中，它作用范围将受到很大局限。
目前，国内也有很多公司在对变频恒压供水系统进行研发和生产，主要是针对对水管管道压力的闭环控制以及对多台水泵进行轮换控制，一些厂家设计是运用可编程控制器（PLC）和其他模块来实现，还有的一些厂家设计是运用单片机和相应的模块予以实现。
这两种变频恒压供水方式在实际应用中看，它的系统动态稳定性、抗干扰性以及各种场合的适应能力等各方面的指标来看，还没有达到理想的状态。
这种变频器把PID调节和循环逻辑控制模块集成在变频器内部实现，但是它带负载的能力受到极大的限制，此外不具有通信功能是其致命的缺点，因此只适合容量小，控制要求简单的供水场合。
高集成化、便捷的操作是当前变频恒压供水系统的发展方向，在国内和国外，很多厂家在生产恒压供水专用变频器，这种变频器集成度非常高，它集成了PLC模块和PID模块，有的甚至连压力传感器都集成到变频器组件中。
简化了维护操作，同时也显著的降低了维护成本。
目前国内有很多公司在研发和生产变频恒压供水，他们大多是直接进口应用国外生产的变频器，只有少许是采用国产变频器，但是国产变频也主要进口国外的元件进行组装。
通过变频器结合其他控制模块实现变频恒压供水。
在如此激烈的竞争中，国产变频器也在迅速的发展。
国产变频器主要针对小容量、控制要求低的恒压供水场合，因其低廉的价格在小容量和控制要求低的场合占有相当一部分。
当前在国内外变频恒压供水控制系统的设计中，还没有既能适用于各种控制要求，又能承受负载容量大，此外还需有和外界通信功能的系统。
目前对水压闭环控制系统研究还不够。
因此，要进一步研究，以提高恒压供水系统的性能，使它可以在生活，生产实践更好地利用。
2 设计方案的确定
2.1 任务要求
变频恒压供水控制系统通过检测管网压力，PLC控制变频器的输出频率，最终使管网的压力恒定。
当系统开始工作时，如果管网压力低于设定值，PLC启动一台水泵，并通过程序控制变频器的运行频率，使其逐渐上升，当管网压力升至设定值时，水泵保持当前运行状态，保持水压恒定在设定值；如果当前水泵运行频率上升到电网工频时，此时管网压力还未达到设定值，此时控制系统自动将此水泵切换至工频电网，启动第二台水泵，并调速至水压达到设定值，是水压恒定。
还有一台水泵一般当做备用泵。
当用水量变化，当网管压力很低时，管网水压超过设定值，PLC控制变频器逐渐降低输出频率，当变频器输出频率降低至零时，PLC关闭此台泵，将另一台工频运行的水泵切换到变频运行，调节水压至设定值。
2.2 任务分析
变频恒压供水控制系统采用一台变频器控制三台水泵，首先用变频器启动一台水泵，当水泵达到工频时，将水泵切换至工频运行，然后用变频器启动下一台水泵。
当变频器输出为零时，停止水泵，然后将工频运行的水泵切换至变频运行，由变频器控制。
水管压力设定可以在PLC程序里设定。
水泵由变频切换至工频时，采用先切后头的控制方式。
即先停止变频器，使水泵自由停车，然后断开变频器与水泵间的接触器，再接通水泵与工频间的接触器，完成变频到工频的切换。
水泵由工频切换至变频时，也采取先切后投的方式。
即先断开水泵与工频间的接触器，使电动机处于自由停车状态，然后接通水泵与变频器间的接触器。
使用变频器的捕捉再启动功能，使变频器可以跟踪电动机转速，直至变频器输出频率与电动机转速同步，再将电动机调节至设定速度。
变频器采用西门子MM440水泵、风机专用变频器。
PLC通过程序逻辑控制变频器的启动、停止和调速。
2.3 工艺流程图
程序主要依据压力传感器给定的模拟量输入与设定值进行比较，确定水泵是由变频向工频切换还是由工频向变频切换，变频恒压供水自动运行状态下的逻辑框架如图2.1所示。
图2.1变频恒压供水的逻辑框架图
3 硬件系统设计
3.1可编程控制器的介绍
可编程控制器（ProgrammableController），亦可简称PC，但为了和个人计算机（PC）区分，现多称为ProgrammableLogicController，简称PLC。
计算机和继电接触器技术的结合有了可编程控制器，其功能包括逻辑控制和定时等，逐渐取代了继电接触器。
3.1.1 PLC的特点
PLC是综合继电器。
从继电接触器发展而来，也具有计算机的特点，这就使PLC的优点更加的明显。
（1）稳定性强
PLC是为了适用工业生产而诞生的，集成电路组成了其内部，并由软件实现控制，外部接线减少，使用更加的方便。
另外，硬件和软件采取了一系列提高可靠性和抗干扰性的措施，而且本身也具有自检的功能，因此可靠性高、抗干扰力强、运行稳定。
（2）应用灵活
PLC产品种类繁多，其优点是采用模块式结构，方便扩展和组合，可以更好的满足用户的各种复杂的需要。
（3）编程方便
PLC的编程采用梯形图语言，用户非常容易读懂。
且有单独的加强的编程模块，更加地方便使用了。
（4）功能强以及扩展能力强
PLC除了具有一般可编程的控制器具有的功能外。
PLC的通信接口还可与计算机和其他PLC联网[1]，完成信息的交换，使整个系统更加的强大。
它不仅可以控制单个作业环节，还可以控制多个作业环节或者一条生产线。
远程和现场控制都是可以实现的。
（5）它可以方便的调试和设计
PLC可以进行空闲编程设置，还可以方便地进行模拟量调试。
这就远远优于需要现场调试的继电器-接触器控制系统。
（6）维修方便
PLC可以进行自诊断，就大大减少了人工。
自诊断可以让维修人员很快地找到故障部位，并迅速地排除故障。
（7）便于组装
PLC体积轻巧的特点让其易于运输和安装。
通过电气控制方式实现PLC的强大功能就大大减少机械结构的设计[2]，为实现机电一体化奠定了基础。
3.1.2 PLC的组成
PLC包括微机技术和控制技术，使之具有与一般微机系统相类似的特点。
如图3.1所示是PLC的基本组成。
图3.1PLC的基本组成
（1）中央处理单元（CPU）
CPU是核心。
不同机型的PLC配置不同的CPU。
小型PLC和中型PLC分别用的是8位通用微处理器和16位通用微处理器[3]。
但是大型PLC则主要采用高速位片式处理器[3]。
其主要特点是
（a）用户程序和数据输入到编程器再传给PLC。
（b）可以对电源、内部电路的进行工作故障和语法错误的诊断。
（c）输入映像寄存器或数据寄存器中存放现场传给输入接口的现场数据或状态。
（d）执行用户程序。
（e）执行结果，更新状态，由输出单元控制。
（2）存储器单元
存储器主要有两种：
一种是既可读又可以写的存储器RAM；另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM、EEPROM。
系统程序是在生产PLC时编辑在硬件上的，为PLC的运行提供平台，用户是无法修改和访问的[4]。
PLC的控制对象决定用户程序，用户根据生产要求编制应用程序。
干扰对RAM中程序有破坏，为减少破坏可将其固化在只读存储器EEPROM[5]。
现在EEPROM作为用户存储器也是PLC中较常见的。
（3）存储器单元
电源单元把电源转换后提供给PLC。
当然也有电源单元作为负载电源，由PLC的I/O接口把直流24V电源提供给负载。
开关电源长作为PLC的常用电源，有较宽的输入电压，较强的抗干扰能力。
电源单元隔离了输入与输出，是为了外界的扰动不影响PLC的正常工作。
（4）输入/输出单元
PLC通过输入接口检测到控制对象的数据和状态，PLC也通过输出接口[6]把结果传给被控对象，达到目的。
（5）接口单元
扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口组成了接口单元。
I/O单元也是接口单元，以电信号联系了PLC[6]与工业现场。
当然也可以靠接口单元与外部联系。
3.1.3 PLC的工作原理
（1）PLC的循环扫描工作方式
PLC既有继电器的工作特点，又具有微机的工作特点，但又拥有自己的特点，与继电器和微机不尽相同。
扫描方式对用户程序的执行，从第一条用户程序开始扫描，按从上到下，从左往右的顺序，逐条执行用户程序，如果有中断程序或者子程序也要执行。
然后又返回到第一条指令再次执行用户程序，这样不断地重复执行程序。
（2）PLC的扫描工作过程
PLC在整个扫描的工作过程中，不仅要对用户程序进行扫描，还要完成PLC内部处理和与外部模块的通信服务[7]等工作，包括内部自诊断、通信处理、处理用户程序，如图3.2所示。
图3.2PLC的扫描工作过程
当PLC处于停止（STOP）状态时，只执行前两个阶段，即只作内部处理与自诊断，与外设进行通信处理；当PLC处于（RUN）状态时，不仅可以内部处理与自诊断、与外设进行通信服务工作，还可以完成输入采用、用户程序执行、输出刷新工作。
3.2变频器在恒压供水系统中的应用
在此设计中所采用的是MICROMASTER440（MM440）变频器[8]。
该变频器是西门子公司生产的一款易于灵活运用、安装方便和调速优秀的变频器，有牢固的EMC设计[9]、对控制信号响应准确迅速、调速范围大等特点。
变频器在恒压供水控制系统中是个在PLC控制下的执行机构。
这个系统开始是通过压力传感器对管道压力进行检测，传感器的输出电压信号送给PLC，PLC经过内置PID算法模块，把实时检测到的管网压力和给定压力进行比较，PLC中的程序对比较的结果进行处理输出信号，信号输出到变频器，对变频器的输出频率进行调节，最终达到控制水泵转速的目的，达到恒压效果。
3.3 I/O分配表
根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表3.1所示。
表3.1I/O分配表
输 入
输 出
PLC地址
功能
PLC地址
功能
I0.0
手自切换
Q0.0
一号泵变频
I0.1
一号泵启/停
Q0.6
一号泵工频
I0.2
二号泵启/停
Q0.2
二号泵变频
I0.3
备用泵号启/停
Q0.3
二号泵工频
I1.1
自动启动
Q0.4
备用泵变频
I1.2
自动停止
Q0.5
备用泵工频
AIW0
管道压力
Q0.7
变频器启动
AWQ0
变频器频率
3.4 I/O接线图
根据所设控制要求及I/O分配表，画出I/O接线图，如图3.3所示。
图3.3变频恒压供水控制系统I/O接线图
3.5 硬件电路接线图
根据实际PLC模块，I/O分配表和I/O接线图，连接PLC和变频器各模块，并通过PC机联机，实现程序控制要求。
如图3.4所示。
图3.4硬件电路接线图
4 软件系统的设计
4.1 程序的流程图
程序主要依据变频恒压供水系统控制工艺,根据各环节所需求的不同进行编制的,变频恒压供水的流程如图4.1所示。
图4.1变频恒压供水的流程图
4.2 梯形图程序
根据控制要求、I/O分配表，设计PLC梯形图，如图4.2所示。
PLC程序分为1个主程序和7个子程序。
7个子程序分别为手动子程序、自动子程序、自动子程序SBR_4、自动子程序SBR_5、自动子程序SBR_7、运行灯子程序和PID向导自动生成的子程序。
（1）主程序：
网络1和2是主程序里调用手动程序和自动程序。
在网络1中，当手/自动切换旋钮切换至手动时，执行手动程序。
在网络2中，当手/自动切换旋钮切换至自动时，执行自动程序。
网络3-6是调用PID调节程序。
在网络3中是给予管道压力设定值。
在网络4中，当手/自动切换旋钮切换至自动。
在网络5中，当PID为手动方式，由变频转为工频时，将0赋值给PID手动输入。
因为从变频切换至工频，在切换完成时，上一台水泵变为工频运行，变频器需从0Hz开始启动下一台水泵；由工频转为变频时，将50赋值给PID手动输入。
因为在工频切换为变频时，水泵是以工频运行的，切换到变频后，水泵仍有很高的转速，所以需使变频器从50Hz开始调节水泵转速，达到设定的管道压力。
在网络6中，每个周期都需调用PID调节子程序PID0_INIT。
在网络7中，在手动切换为自动或自动切换为手动时，断开三台水泵的变频及工频接触器。
在网络8中，每个扫描周期都要调用运行指示灯子程序。
网络9和10是用来轮换备用水泵工作的，在水泵不在自动运行状态下，按下轮换按钮，备用泵就轮换一次水泵。
（2）手动子程序：
在网络1中，在手动方式下，断开变频器与所有电动机间的接触器。
在网络2中，若一号泵启/停拨钮拨至启动位置，并且一号泵没有变频启动，则一号泵工频启动。
在网络3中，若二号泵启/停拨钮拨至启动位置，并且二号泵没有变频启动，则二号泵工频启动。
在网络4中，若备用泵启/停拨钮拨至启动位置，并且备用泵没有变频启动，则备用泵工频启动。
（3）自动子程序：
自动子程序有三个调用子程序，分别是三种轮换状态。
在网络1中，系统运行1号泵和2号泵。
经过1次轮换后，系统运行网络2即备用泵和2号泵。
再经过1次轮候，形态就运行网络3即1号泵和备用泵运行。
自动子程序SBR_4：
网络1和网络2是自动启动和自动停止程序。
在网络1中，在自动方式下，当按下自动启动按钮时，系统将自动运行。
在网络2中，在自动方式下，当按下自动停止按钮时，系统将自动停止，停止变频输出。
网络3到网络5是变频向工频切换的准备程序。
当PID输出为100%时，也就是变频器的输出达到50Hz，同时当前运行的泵好不大于2时，启动自由停车延时T39。
水泵运行的频率达到50Hz持续1s，那么变频器停止输出，同时启动断开变频延时定时器T37.
网络6到网络9为变频向工频切换的执行程序。
当T37定时器计时到时，复位所有水泵的变频工作，同时启动接通工频延时定时器T38。
当T38定时器计时到时，接通当前水泵的工频接触器，并使当前泵号自动加1，然后让变频器置位，使下一台水泵变频工作。
网络10到网络12是工频向变频切换的准备程序。
当PID输出为0.0%，也就是变频器的频率为0Hz，同时当前泵号不小于2，启动停泵延时定时器T42，当T42定时器计时到时，水泵变频输出达到0Hz持续1s后，这个时候变频器停止输出，变频运行的水泵水泵复位，同时让当前泵号自动减，为接下来切换工作做好准备。
网络13到网络15是工频向变频切换的执行程序。
当变频器停止输出时，启动断开工频延时定时器T40。
当T40定时器计时到时，随后断开对应泵号的工频接触器，并启动接通变频延时定时器T41。
当定时器T41计时到时，接通相应水泵的变频接触器，并给变频器置位。
（4）自动子程序SBR_5：
把SBR_4里的Q0.0替换成Q0.4，Q0.6替换成Q0.5，即用备用水泵替换一号水泵，起到轮换作用。
（5）自动子程序SBR_7：
把SBR_4里的Q0.2替换成Q0.4，Q0.3替换成Q0.5，即用备用水泵替换二号水泵，起到轮换作用。
自动子程序SBR_5和自动子程序SBR_7逻辑等同于SBR_4，自动子程序SBR_5和自动子程序SBR_7只是替换了输出水泵，也就是用备用泵替换一号泵和二号泵，这样就达到现实水泵的轮换效果。
（6）指示灯程序：
在网络1中，当一号泵工频或者变频运行时，则一号泵运行指示灯亮。
在网络2中，当二号泵工频或者变频运行时，则二号泵运行指示灯亮。
在网络3中，当备用泵工频或者变频运行时，则备用泵运行指示灯亮。
（7）PID向导子程序
根据任务分析，编写PLC梯形图。
首先要利用PLC中自带的PID向导功能，生成PID向导子程序。
PID回路设定值和回路的参数如图4.2所示。
因为压力传感器的量程是0-5MPa，所以PID给定值的范围的最高限是5.0，最低限是0.0。
比例增益是1.5，积分时间是6分钟，采样时间是0.1秒，微分时间是0，即不使用微分环节，以上参数是根据经验和实际程序调节得到的。
图4.2PID回路设定值和回路的参数
PID回路的输入参数和输出参数如图4.3所示。
输入选项标定为单极性，变量过程0-32000对应给定值0-5。
输出类型为模拟量，标定为单极性，范围限定是0-32000。
图4.3PID回路的输入参数和输出参数
5 组态软件对现场状态监控的实现
5.1 组态王6.53的介绍
组态王也称为KingView，该组态软件一般都可以在Windows98或者Windows2000等PC机[11]中运行。
使用组态王，用户可以绘画出自己需要的各种逼真的组态画面，绘制出的组态画面可以实时的监控现场的情况。
用户可以通过组态王实时便捷的对现场情况进行监控。
通过组态王6.53，用户可以对复杂的工业现场进行绘制，这样使得现场能够逼真的显现在用户面前。
用户可以在组态软件里绘制出按钮来代替实际的开关，同样绘制的按钮可以控制多个对象。
有工业现场比较复杂没有安全保障，但是通过组态王，用户可以绘制出和现场几乎一样的动态画面，现场的工作状态和实时数据都可以在组态画面里展示。
生产过程中如有什么文字和图像信息都能通过组态精确的显示出来。
在需要的情况下，用户可以用电脑键盘中某个按键来实现指定动作[12]。
在组态王里，用户可以通过对报警系统、实时报表曲线、历史报表曲线和报表打印配置，就能检测到报警信息，观察实时和历史曲线，同时也能打印出需要的报表。
组态画面也可以设置密码，对用户访问权限有安全的保证。
组态王具有优秀的监控性能，除此之外它还具有一些其他监控系统没有的特点：
（1）工程管理
在运用组态王时，一些用户有可能会需要保存不止一个系统工程[13]，有的甚至是对新开发的工程进行备份，这是非常麻烦也容易出错。
用户可以利用组态王工程管理器对本机中所以组态工程进行集中系统的管理。
（2）画面绘制
在绘制组态画面时，用户可以利用系统中丰富的调色板和绘图工具绘制出逼真的画面，此外系统里还有图片库供用户选用，这样就提高了用户的绘图效率[14]。
用户还可以通过粘贴点位图的方法来调用系统外的图面，对插入的图片进行闪烁、缩放、转移、旋转等动画链接定义，这样就可以构造出丰富美观功能齐全的监控系统[15]。
（3）通信功能
组态王6.53可以通过拨号的方式来实现实时监控远程设备[16]。
组态王的远程拨号和组态王的驱动程序是绑定在一起的，所以硬件没有变化。
远程监控可以了解到监控现场的实时情况，随时能打印报表，对报警能作出作出反应。
5.2 组态监控与可编程控制器的通信设置
（1）对外部设备的定义
要想让组态监控软件与可编程控制器进行实时的通信，首先要将计算机与可编程控制器的外部硬件通信线连接好，其次在组态王里进行对PLC进行定义[17]。
组态王为了方便用户，在组态王里添加了设备配置向导的功能。
用户可以迅速的选择到对应的PLC。
如图5.1所示。
图5.1选择设备
选择相应的PLC后点击下一步，需要对设备进行串行口设置，要求组态王和PLC里配置相同的的串行口即可。
如图5.2所示。
图5.2选择通信口
点击下一步，对设备地址的设置要求同上面选择通信口一样，都要求和PLC里对应。
如图5.3所示。
图5.3设备地址的设置
通信故障恢复参数的设定按默认的即可。
如图5.4所示。
图5.4组态王设备通信参数的设置
最后信息总结，再次确定一下设备信息，点击完成就可以通信了。
如图5.5所示。
图5.5组态王设备设置向导总结
以上是对通信外部设备的定义，要想在组态里实现通信，还需要对PLC里变量进行定义，对变量定义后还需关联到组态画面，最终才能实现实时监控。
（2）对相关变量的定义
为了使组态王画面实现某种动作，用户必须给画面关联对应的变量。
其中变量必须给予定义。
定义内容有变量类型、连接设备、寄存器和读写属性等等。
如图5.6和图5.7所示。
图5.6定义变量
图5.7变量和数据定义
（3）变量链接动画
要想让画面能达到实时监控的效果，必须对画面和变量进行连接。
如图5.8所示。
图5.8动画连接
5.3 命令语言
命令语言和和C语言格式用法基本相同，用户可以通过编写命令语言来扩展应用程序功能，让监控画面更加逼真。
本设计的命令语言主要是针对流速的控制，不同管道在不同的情况下流速不同，管道之间流速也有联系，让整个画面更加形象生动。
if（\\本站点\一号泵变频运行==1）
\\本站点\管道1=1;
if（\\本站点\一号泵工频运行==1）
\\本站点\管道1=2;
if（\\本站点\一号泵运行指示灯==0）
\\本站点\管道1=0;
if（\\本站点\二号泵变频运行==1）
\\本站点\管道2=1;
if（\\本站点\二号泵工频运行==1）
\\本站点\管道2=2;
if（\\本站点\二号泵运行指示灯==0）
\\本站点\管道2=0;
if（\\本站点\四号泵变频运行==1）
\\本站点\管道5=1;
if（\\本站点\四号泵工频运行=
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