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1、基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 隨著社會的發(fā)展和進步，城市高層建筑的供水問題日益突出。一方面要求提高供水質 量，不要因為壓力的波動造成供水障礙；另一方面要求保證供水的可靠性和安全性。針對 這兩方面的要求，這就要求一種新的供水方式，這里采用 PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。 系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關 系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度 快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。對于自動化專業(yè)的學生學習可編程控制器是必不可少的。 本設計是以恒壓供水系統(tǒng)為控制對象，采用 PLC和變頻技術相結合技術，設計

2、一套恒壓 供水系統(tǒng)。為滿足城市需水量日益加大的要求，降低供水能耗，實現(xiàn)全自動、可靠、穩(wěn)定 的供水，需要利用變頻恒壓供水技術對原供水系統(tǒng)進行自動化改造，采用 PLC空制并進行 遠程監(jiān)控、管理及故障遠程報警。通過使用基于 PLC勺恒壓供水控制系統(tǒng)，有效地解決了 傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，增強了系統(tǒng)的可靠性，并與計算機實現(xiàn)了有機的結合，提升 了系統(tǒng)的總體性能。 關鍵詞：恒壓供水，PLC控制 I 沈陽工程學院課程設計 目錄 摘要 I?… 目錄 II 1弓丨言 -1 - 2設計內(nèi)容 -2 - 3工藝分析及控制要求 -3 - 3.1工藝分析 -3 - 3.2控制要求 -4

3、 - 4恒壓供水控制系統(tǒng)及硬件設計 -5 - 4.1網(wǎng)絡結構設計 -5 - 4.2 PLC硬件設計 -5 - 4.3電氣原理圖 -5 - 4.4 I/O地址分配 -6 - 5 PLC程序設計 -8 - 6總結 -10 - 7參考文獻 -11 - # 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 1引言 傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動 化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高 效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式， 在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機

4、等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用 水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出， 其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水 壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗。 基于PLC和變頻技術的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體。 采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性， 這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的 生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 此系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方

5、式。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵 電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用 先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當前水壓信 號，送入PLC與設定值比較后進行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率， 進而改變 水泵電機的轉速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設定值附近。 -1 - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 2設計內(nèi)容 本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用 PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城 市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可 靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。 PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器

6、和現(xiàn)場的水泵 機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設計中有 1個貯水池，3臺水泵，采用部分流 量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運 行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差 進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵 切換遵循先起先停、先停先起原則。 根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。硬件設備選型、 PLC選型，估算所 需I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O連接 圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，設計梯形圖控制

7、程序，對程序進行調(diào)試和修改。 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 3工藝分析及控制要求 3.1工藝分析 PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵 機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 3.1所示： -3 - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際 供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段 函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出 口總管網(wǎng)

8、的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構框圖如圖 所示： *變頻器 —? 接觸 —? 水泵 器 機組 管網(wǎng)壓力 ■＞管道一— 壓力變送器* -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 圖3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢 測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉換為 4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵 參數(shù)。由于

9、電信號為模擬量，故必須通過 PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行 比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A轉換模塊轉換成 模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而 控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 3.2控制要求 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同， 本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式， 兩種模式下設定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間， 小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。 (2) 在用水

10、量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵, 即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻 泵長時間工作的情況下。 (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。 (4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動 只在應急或檢修時臨時使用。 系統(tǒng)要有完善的報警功能。 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 4恒壓供水控制系統(tǒng)及硬件設計 4.1網(wǎng)絡結構設計 網(wǎng)絡結構采用環(huán)型拓撲型式，總體結構采用三層網(wǎng)絡結構模式，分別為調(diào)度指揮控制中 心以太網(wǎng)、1

11、000 M工業(yè)以太網(wǎng)及接入系統(tǒng)網(wǎng)絡。 系統(tǒng)由主干千兆光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、 調(diào)度 指揮控制中心骨干路由網(wǎng)關、工業(yè)以太網(wǎng)交換機以及連接用光纖、光配等組成。 主干網(wǎng)絡的布置以調(diào)度室和水廠的交換機為核心，其它子系統(tǒng)交換機為系統(tǒng)以后的改 造、信號的上傳預留接口，所有交換機形成環(huán)網(wǎng)，并通過光纖彼此相連，從而使得各個子系統(tǒng) 的信號可以匯總傳送到調(diào)度室交換機上。 交換機采用西門子SCALANCE X - 400工業(yè)交換機。工業(yè)以太網(wǎng)絡采用西門子的最新 工業(yè)以太網(wǎng)技術PROFINET網(wǎng)絡化系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡的高可靠性、豐富的網(wǎng)絡管理功能、模 塊化結構和較少的協(xié)議轉換功能。 4.2 PLC硬件設計 PLC是整

12、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S7-200型。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，可以對程序實施安全保護。 根據(jù)控制

13、系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的 S7-200型PLC的主模塊為CPU226,其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出； 開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1 個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是 EM235，該模塊有4個模擬輸入 (AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D的轉換， 標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A的轉換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉換成標準

14、輸出信號。EM235模塊可以針對不 同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。 4.3電氣原理圖 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 4.1所示：三臺電機分別為 M1、M2、 M3，它們分別帶動水泵 1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制 M1、M2、M3 的工頻運行；接觸器 KM2、KM4、KM6分別控制 M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、 FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器； QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和 三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器

15、控制下作變 速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間 超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。 因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變 頻泵。 4.4 I/O地址分配 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 4.1所示: 表4.1輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸 入 信 號 供水模式信號（1-白天，0-夜間） SA1 I0.0 水池水位上下限信號 SLHL I0.1 變頻器報警信號 SU

16、 I0.2 試燈按鈕 SB7 I0.3 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIWO  輸 出 信 號 1#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM1 HL1 Q0.0 1#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM2 HL2 Q0.1 2#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM3 HL3 Q0.2 2#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM4 HL4 Q0.3 3#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM5 HL5 Q0.4 3#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM6 HL6 Q0.5 輸 出 信 號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 Q1.1 變頻器故障報警指示燈 HL8 Q

17、1.2 白天模式運行指示燈 HL9 Q1.3 報警電鈴 HA Q1.4 變頻器頻率復位控制 KA Q1.5 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 PLC及擴展模塊外圍接線圖，如圖4.2所示: L 01 2 3 L 4 5 7 TV 廠 2 3 4 5 71 1 地F N A 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 N1 2 Q0 - Q1 CPU 226 CN

18、 M0 1 2 . 6 7 0 1 12 3 M 5 6 1 2 3 [4 5 6 7 M /I1 +， 10 11 I2 水位上下 限信號 SLHL 窗口 比較器 變送器 M L 地0 7V 下1 移置 T耳 f 輸入變頻器 圖4.2 PLC及擴展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括 4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器 將測得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關 SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入 I0

19、.0；液位變送器把測得 的水池水位轉換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下 限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1,送入I0.1 ;變頻器的故障輸出端與 PLC 的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢 測各指示燈是否正常工作。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0~Q0.5分別 輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器 故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器 復位控制信號；AQW

20、0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。 -7 - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -9 - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 5 PLC程序設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 ］裡序注裡 網(wǎng)豬I 洪水圧比給空值設舌 IO?O 1 1 MOV_F r t-.i |~ MFb 1 1 □.7- IM OUT rVD1O4 冋苗2 増京腮獨 IM TON 1 OO m s 50- rj MO.1 T37

21、 10.0 VD25O ―I I 1 "卜 VD2QO -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 冋誥3 T37 特合增杲親件時? 工除泉這行敲力” VO301 I 1 <-E M0.1 < ? -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 r kj INC_B ENO X/1B3O1 - IM out -X/B3O1 冋緒4 I IM TON 1 Oij- PT 1 00 fg MO.2 T3B VEJZ5

22、O 1 gp &4UU 冋紡 吞 輅藝:威瓊親件旳，丄藪泵：仝葉」埶:咸1 T33 VB3O1 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 1 %, / 7 EN □匚匚D IE [NO □21 VEJ3O1 ■ IN qjt -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 冋略 t> 佗I」京曰寸評 SteMZ.D M0.1 M2.0 ―I I C S 1 T33 M2.D

23、 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 冋絡0 T33 產(chǎn)生關觀當箭變頻泵際沖信號 M0.4 5 IN TONI 1 - PT 10 ms -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 冋絡9 吏頻泵號加1 M0.4 M2.1 1 X s 匚施i INC_ .B itm n GIN e. n u A VB300- IN OUT -VB300 -# - 基于PLC的恒壓

24、供水控制系統(tǒng)設計 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 M0.5 1號泵工頻運行控制邏輯 M0.5 0 QO.Q ==E 3 M2.1 R > VB30Q VB300 ■■B |i 2 1 1— IN TDN Z- 尸T 1D ms M2-1 產(chǎn)生當前工頻JB動?脈沖信號 ■y1 VB3O1 I >e QO.O 網(wǎng)緇1 3 塢泵工頻運行控制邏擅 M05 VB300 ==B Q0.2 VB：300 ==B | 1 VE301 Q0.3 I : I 1 1 / \ VB301 1 Q0.2

25、 < > 冋紹1彳竭泵工頻運行塩制邏輯 M05 VB300 1 I 1 1 =；B I Q04 VB300 —I I—1~ =-1— 2 VB301 I汨 0 VB301 |汨| 1 Q0.1 Q0_4 -11 - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 6總結 接觸PLC已經(jīng)有一段時間了，可是用 PLC設計東西的機會很少，基本沒有經(jīng)驗。通過 老師的講解，慢慢融入課題，一步一步完成課程設計的要求

26、。在這個過程中，每完成一步 就相當有成就感，感覺自己課堂所學的東西都沒白學，從選課題、查找資料、程序設計到 每一步的調(diào)試，我們課堂所學的東西都得到了進一步的升華。 通過本次課程設計，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。在提 高自己的同時，我也更加清楚的認識到自己的一些不足之處。比如：在硬件設備之間的連 接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學， 以及向老師、同學們請教，我對這些知識有了更深入的理解。通過這半年的實踐和學習， 我學到了很多課本中無法涉及到的知識，體會到了工程設計的復雜與困難，也感受到了親 自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將

27、開始的大學生活打下了堅實的基礎。在以后的學 習和生活中，我會不斷的提高、充實自己，爭取獲得更大的成績。 -# - 基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計 7參考文獻 [1] 鐘文能?基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設計分析[J].建筑熱能通風空調(diào)? 2006(03) [2] 李麗敏,葉洪海，張玲玉.PLC恒壓供水系統(tǒng)的設計[J].自動化與儀器儀表.2008(01) [3] 李巧紅.基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)研究[J].中國科技信息.2008(20) [4] 李貴生.基于PLC的恒壓供水自動控制系統(tǒng)的設計[J].山西建筑.2008(26) ⑸ 李燕.基于PLC控制的變頻器恒壓供水系統(tǒng)[J].中國高新技術企業(yè).2010(04) -13 -