毕业设计论文邹昊基于PLC的恒压供水系统设计文档格式.docx
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中国水利水电出版社，2001.
[3]田瑞庭．可编程序控制器应用技术[M]．北京：
机械工业出版社，1994.
[4]廖常初．PLC编程及应用．北京：
机械工业出版社[M]，2002，220-235
[5]胡平杰.PLC控制系统可变参数输入方法[J].电子与自动化,1997,（04）
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年月日
系主任意见：
摘要
本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，设计出一种在这三个方面都有所提高的PLC控制的恒压供水系统。
恒压变频供水系统是当今应用最广泛的节能型供水系统。
本文通过对供水系统运行特征及工作状态的分析，阐述了系统的节能原理，介绍了系统的基本构成及特点。
并从实际出发，通过对PLC，变频器，离心水泵等原理的介绍，阐述了整个系统实现的理论基础，通过具体编制PLC程序，实现了控制要求，较好的满足了工艺要求。
本文所做的研究对同类系统的研究和再开发具有一定的参考价值。
关键词：
变频调速；
节能；
PLC控制
一、恒压供水原理及工艺
（一）任务
随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。
一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；
另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。
针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。
恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。
恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
（二）工艺要求
对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：
（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行。
（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出。
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换
到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。
（4）三台泵在启动时要有软启动功能。
（三）系统的组成和基本工作原理
以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警用。
为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；
当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。
二、PLC概述
（一）PLC组成
1．PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。
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I/O（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。
2．PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件，并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。
3．PLC的控制机制
PLC已经完全取代继电器控制系统。
只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。
I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。
但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。
在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。
同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。
这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。
主要体现在：
一是乱序，只要条件满足就执行；
而另一个是顺序执行。
PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。
具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：
Y（n）=f（x（n-1），y（n-1））
式中，Y（n）为某一时间段的输出值；
Y（n-1）为上一时间段的输出值；
X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值；
F为他们应满足的控制关系。
即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。
至于上一时间段的输出，在参加计算的时候，只是存储在映像寄存器中的输出结果，执行运算过程中并不修改端子的输出值。
真实的输出已表现在端子的接点上，并要保持一个时间段，也就是采取集中输出的方式，在计算的过程中完全可以使用或修改其映像寄存器中的值而不会对先阶段的输出产生影响。
这样只要时间段足够短，并且PLC周而复始的运行着就完全可以模仿继电器的控制并且取代它。
由于采用集中I/O的思想，其I/O状态存储在寄存器中，可以充分发挥计算机的强大逻辑家能力，以完成更复杂的控制功能。
如图1所示，PLC与通用计算机没有什么区别，只是一台增强了I/O功能的可与控制对象方便连接的计算机。
其完成控制的实质是按一定算法进行I/O变换，并将这个变换物理实现，应用与工业现场。
（1）输入寄存器
输入寄存器可按为进行寻址，每一为对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。
CPU可以读其值，但是不可以写或进行修改。
（2）输出寄存器
输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。
只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。
（3）存储器
存储器分为系统存储器和用户存储器。
系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固化好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。
用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。
（4）CPU单元
CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。
（5）其他单元接口
其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件
图1PLC的组成
三、系统硬件设计
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点是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，又有直流24V的指示灯，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。
图2PLC控制系统设计步骤
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。
（一）恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。
配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少十开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。
而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的。
恒压供水的主要目标是保持管压网水呀的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。
这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。
另一种方案是数台电机陪一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵共频运行，以满足不同用水两的需求。
下图为恒压供水泵站的示意图。
如图9所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低；
用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。
图3变频恒压供水站的基本组成
调节器是一种电子装备，在系统中完成以下几种功能：
（1）设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。
供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。
给定值即是系统正常工作时的恒压值，另外有些供水系统可能有多种供水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不只一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值设定功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。
（2）接受传感器送来的管网水压的实测值。
管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器实反馈的接受点。
（3）根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。
调节器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。
如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。
这些都是由调节器的输出信号控制。
为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节。
调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的，PID调节过程视调节器的的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节器。
调节器的输出信号一般式模拟信号，4~~20mA变化的电流信号或0~~10V间变化的电压信号。
信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。
下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图10所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用
图4生活消防双恒压供水系统构成图
（二）系统控制要求
（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；
（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；
（4）三台泵在启动时要又软启动功能；
（5）要有完整的报警功能；
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
（三）控制系统的I/O点及地址分配
PLC要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，以便对现场设备进行控制。
PLC是通过I/O单元完成此工作的。
I/O单元是PLC与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的信号，以实现被控设备与PLC的I/O接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D与D/A转换等功能。
输入单元接受现场设备向PLC提供信号，包括人为的控制信号和能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量。
这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等处理后，变成CPU接受和处理的信号。
输出单元将经过CPU处理的弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。
根据图10及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示。
水位上下限信号分别位I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。
表1输入输出点代码及地址编号
名称
代码
地址编号
信号
手动和自动消防信号
SA1
I0.0
水池水位下限信号
SLL
I0.1
水池水位上限信号
SLH
I0.2
变频器报警信号
SU
I0.3
消铃按钮
SB9
I0.4
试灯按钮
SB10
I0.5
远程压力表模拟量变压值
U
AIW0
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1，HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2，HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3，HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4，HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5，HL5
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
KM6，HL6
Q0.5
生活/消防供水转换电磁阀
YV2
Q1.0
水池水位下限报警指示灯
HL7
Q1.1
变频器故障报警指示灯
HL8
Q1.2
火灾报警指示灯
HL9
Q1.3
报警电铃
HA
Q1.4
变频器频率复位控制
KA
Q1.5
控制变频器频率用电电压
UF
AQW0
（四）系统选型
从上面分析可知，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；
模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。
如果选用CPU224PLC，也需要扩展单元；
如果选用CPU266PLC则价格较高，浪费较大。
参照S7–200的产品目以及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一台模拟量模块EM235（4AI/1AO）。
这样的配置是最经济的。
整个PLC系统的配置如图11
图5PLC系统组成
S7-200PLC是德国西门子公司生产德一种小型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，它一经退出，即受到了广泛的关注。
特别是S7-200CPU22*系列PLC。
由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）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。
（五）PLC模拟量控制单元的配置以及应用
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，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。
模拟量扩展单元可将外部模拟量转化为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可以使用的模拟量。
模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/转换的，也兼有模/数和数/模两种功能的，以下介绍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入，可以用于恒压供水控制中。
1．EM235模拟量工作单元性能指标
表2模拟量扩展模块EM235输入/输出技术规范
输入技术规范
输出技术规范
最大输出电压
30VDC
隔离（现场到逻辑）
无
最大输入电压
32mA
范围
电压输出
电流输出
0~~20mA
输入滤波衰减
-3dB，3.1kHz
分辨率
12位A/D转换器
隔离
否
率，满量程
电压
电流
位
11位
输入类型
差分
输入范围
电压单极性
0~10V，0~5V
0~1V，0~500mV
-32000~+32000
0~+32000
压双极性
~100Mv，0~50mV
±
10V，±
5V，±
2.5V
1V，±
500mV，±
250Mv
100mV，±
50mV，±
25mv
0~20m
精度
最差情况0~55℃
2%满量程
情况0~55℃
典型，25℃
满量程
5%满量程
输入分辨率
AD转换时间
<
250
s
模拟输入阶跃响应
1.5mS到95%
共模抑制
4dB，DC到60Hz
共莫电压
信号电压加共加模电压≤±
12V
24VDC电压范围
20.4~~28.8V
置时间
2ms
数据字格式
双极性，满量程
单极性，满量程
0~32000
为能适用各种规格的输入、输出两，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。
2．校准及配置
模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行一些设定。
校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调满度。
3．EM235的安装使用
（1）根据输入信号的类型及变化范围设置DIP开关，完成模块的配置工作。
必要时进行校准工作。
（2）完成硬件的接线工作。
注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。
为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。
接线还应注意传感器的线路尽可能短，且应使用屏蔽双绞线，要保证24VDC传感器电源无噪声、稳定可靠。
（3）确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。
S7-200扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块0开始编号。
模块安装完毕后，将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。
（4）为了在主机中进行输入模拟量转换后数字处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。
一般使用模拟量输入AIW及模拟量输出AQW单元安排由模拟量模块送来的数字量及待入模块转变为模拟量输出的数字量。
而在主机的变量存储区V区存放处理产生的的中间数据。
4．EM235工作程序编制
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。
一个完整的系统组成如图
图6S7-200PLC系统组成
（1）基本单元
基本单元（BasicUnit）有时又称CPU模也有的称之为主机或本机。
它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。
实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
（2）扩展单元
主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数时由多种因素共同决定的。
（3）特殊功能模块
当需要完成某些
升级会员 