基于PLC控制的恒压供水系统设计 (6)

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手动只在应急或检修时临时使用。

(5) 系统要有完善的报警功能。

根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址如表3-2所示。

表3-2 输入输出点代码及地址编号

名 称 输入信号 供水模式信号(1-白天，0-夜间) 水池水位上下限信号 变频器报警信号 试灯按钮 压力变送器输出模拟量电流值 输出信号 输出信号 1#泵工频运行接触器及指示灯 1#泵变频运行接触器及指示灯 2#泵工频运行接触器及指示灯 2#泵变频运行接触器及指示灯 3#泵工频运行接触器及指示灯 3#泵变频运行接触器及指示灯 水池水位上下限报警指示灯 变频器故障报警指示灯 白天模式运行指示灯 报警电铃 变频器频率复位控制 变频器输入电压信号 代 码 SA1 SLHL SU SB7 Ip KM1、HL1 KM2、HL2 KM3、HL3 KM4、HL4 KM5、HL5 KM6、HL6 HL7 HL8 HL9 HA KA Uf 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 AIW0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 AQW0

结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3-2，画出PLC扩展模块外围接线图，如图3-4所示：

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4681012141618202224N12＋－压力变送器输出压力信号1L0.00.10.20.3。2L0.40.50.60.71.03L1.11.21.31.41.51.61.7。地NL1Q02×RS485Q1CPU 226 CNI0I1I2AC增益1M0.00.10.20.30.40.50.60.71.01.11.21.31.42M1.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7ML+SA1SB7SU水位上下限信号窗口SLHL比较器输入变频器液位变送器偏移配置ML+地M0V0I0RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-EM235

图3-4 PLC及扩展模块外围接线图

本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。

本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；图3.4 只AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。

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4 系统的软件设计

4.1 系统软件设计分析

硬件连接好之后，系统的控制功能要由软件实现，结合系统的控制要求，对泵站软件设计分析如下：

(1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理

为了实现水压恒定，在水压降落时需升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断是否需启动新水泵的标准是变频器的输出频率是否达到设定的上限值，可通过比较指令实现这一功能。为正确判断变频器工作频率达上限值，应排除偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。

(2) 多泵组运行管理规范

因为希望每一次启动电机实现变频泵软启动,而且每台泵必须交替使用,多泵组泵站泵投运必须具备的管理标准。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体操作是:将当前运行的水泵从变频器切除,并连接到的工频电源运行, 并将变频器复位用于新运行泵的启动。泵组管理的另外一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中采用泵号加1的方法实现变频泵循环控制；用工频运行泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。

(3) 程序的结构及程序功能的实现

因为模拟单元和PID调节都需要初始化和中断控制,本程序主要分为三个部分:主程序、子程序和中断程序。为了节省扫描时间，可采用初始化子程序完成系统初始化工作。使用定时器中断功能实现PID控制定时采样和输出控制。泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等由主程序控制实现。白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。

程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。

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表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能

器件地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD204 VD208 VD250 VB300 VB301 VD310 T33 T34 T35 功 能 过程变量标准化值 压力给定值 PID计算值 比例系数Kc 采样时间Ts 积分时间Ti 微分时间Td 变频运行频率下限值 变频运行频率上限值 PID调节结果存储单元 变频工作泵的泵号 工频运行泵的总台数 变频运行时间存储器 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 器件地址 T37 T38 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M2.0 M2.1 M2.2 M3.0 M3.1 功 能 工频泵增泵滤波时间控制 工频泵减泵滤波时间控制 故障结束脉冲信号 水泵变频启动脉冲(增泵) 水泵变频启动脉冲(减泵) 倒泵变频启动脉冲 复位当前变频泵运行脉冲 当前泵工频运行启动脉冲 新泵变频启动脉冲 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 故障信号汇总 水池水位越限逻辑 4.2 PLC程序设计

PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表语言、梯形图语言、功能块图语言。最接近于电气控制原理图的是梯形图语言，它是应用最多的一种编程语言，无需考虑系统内部结构原理和硬件逻辑便可完成系统控制设计。

PLC控制程序由一个主程序、若干子程序组成，编制程序在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过软件在RUN模式下，由主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。

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4.2.1 控制系统主程序设计

本系统控制的主程序由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机换机程序、水泵电机变频/工频切换程序、模拟量(水压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。

系统初始化程序

启动系统工作时，需对系统进行初始化，即启动时，应检测系统各个部分的当前工作状态进行，若出错则报警。接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。

增、减泵判断和相应操作程序

当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。

水泵的软启动程序

增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。

各水泵变频运行控制逻辑程序

各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。

各水泵工频运行控制逻辑程序

水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于

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