变频供水远程控制系统设计-毕业设计.doc

变频供水远程控制系统设计摘 要变频调速恒压供水系统可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人们的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计，采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，再经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。实验结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。论文论述了采用多泵供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题，给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。变频恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制，保证了供水的质量，以变频器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。因此,采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统, 具有良好的技术、经济效益, 有广阔的应用前景和推广价值。关键词：PLC；变频调速；PID控制；恒压供水；MCGSFrequency of water supply remote control system designAbstractFrequency control water supply system can improve the stability and reliability of water supply systems, easily achieve the centralized management and monitoring of the water supply system.at the same time the system has good energy efficiency.This is particularly important in the increasing scarcity of energy today. so the study design of the system has important practical significance for improving business efficiency and people's living standards,and at the same time reducing energy consumption. The design is designed for the living water / fire water, the frequency control water supply system with PLC control, logic control by the PLC, pressure regulation by the inverter, and then after the PID operation. Frequency switching frequency and work through the PLC control to achieve closed-loop automatic adjustment of the constant pressure water supply. The experimental results show that the system has the advantages of stable pressure, simple structure, reliable work. the paper discusses the rationality for multi-pumps water supply program, a variety of water supply status of the multi-pumps water supply and conversion conditions. analysis of the changing of motor by the inverter frequency operation mode switching process and the problems are given effective state cyclic change of control of the electrical design and PLC control program design.The constant pressure water supply, including the constant voltage control of the domestic water and fire water of constant voltage control, to ensure the quality of the water supply, the inverter for the host control system to enrich the system's control function to increase the reliability of the system.Therefore, PLC and inverter composed of the core components of the constant pressure water supply system, with good technical and economic benefits, have broad application prospects and promotional value.Keywords: PLC; variable frequency speed control; PID control; constant pressure water; MCGS 目录摘要.IAbstractII目录III插图清单V表格清单VI引言 VII第1章 绪论.- 1 -1.1课题研究背景和意义- 1 -1.2变频恒压供水的系统特点及安全性讨论- 1 -1.3本课题设计任务及要求- 2 -第2章 系统总体设计- 3 -2.1 变频恒压供水系统的控制要求- 3 -2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图- 3 -2.3变频恒压供水系统控制流程- 6 -2.4水泵切换条件分析- 6 -第3章 系统的硬件设计- 7 -3.1系统的硬件选型- 7 -3.1.1 PLC及其扩展模块的选型- 7 -3.1.2 变频器的选型- 8 -3.1.3 水泵机组的选型- 8 -3.1.4 压力变送器的选型- 8 -3.1.5 液位变送器的选型- 9 -3.2 控制系统的I/O点及地址分配- 9 -3.3 PLC及扩展模块的外围接线- 10 -3.4 系统主电路的硬件设计- 10 -3.5系统控制电路的硬件设计- 11 -第4章 控制系统软件设计- 13 -4.1 编程软件介绍- 13 -4.2 PID控制器参数整定- 13 -4.2.1 PID控制及其控制算法- 13 -4.2.2 变频恒压供水系统的近似数学模型- 14 -4.2.3 PID参数的设置- 14 -4.3 系统软件设计分析- 14 -4.4 控制系统下位机程序设计- 17 -4.4.1主程序设计- 17 -4.4.2初始化子程序设计- 22 -4.4.3 PI控制中断子程序- 23 -第5章 监控系统的设计.- 25 -5.1 MCGS组态软件的介绍- 25 -5.2 MCGS组态界面的建立- 25 -5.2.1 画面设计- 25 -5.2.2 设备连接- 27 -5.3 上下位机联机调试- 28 -第6章 总结- 29 -致谢- 30 -参考文献- 31 -附录一 系统主电路图及PLC接线图- 32 -附录二 外文文献及其翻译34附录三 主要参考文献的题录及其摘要40附录四 梯形图42插图清单图 2- 1 生活消防双恒压供水系统构成.- 3 -图 2- 2 变频恒压供水系统控制流程图- 5 -图3- 1 恒压供水控制系统PLC及扩展模块的外围接线.- 10 -图3- 2 变频恒压供水系统主电路图- 11 -图3- 3 变频恒压供水系统控制电路图- 12 -图4- 1 PID控制原理框图.- 13 -图4- 2变频恒压供水系统主程序流程图- 16 -图4- 3 初始化子程序SBR_0梯形图- 22 -图4- 4 PID控制中断子程序INT_0梯形图- 24 -图5- 1 工程界面.- 25 -图5- 2 参数的设定- 26 -图5- 3 监控界面- 26 -图5- 4 动画连接设置- 27 -图5- 5 设备窗口设置- 27 -图5- 6 设置通道及其对应的对象- 27 -表格清单表3- 1 本系统主要硬件设备清单- 7 -表3- 2 PLC输入输出信号的名称、代码及地址编号- 9 -表4- 1 程序中使用的PLC元件及其功能.- 17 -引言随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低，可靠性差，自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的生活用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中有着广泛的应用。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。在经过PID运算， 通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益。第1章 绪论1.1课题研究背景和意义随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济性、稳定性提出了越来越高的要求。而且目前我国水资源问题较严重，近2/3城市不同程度存在缺水，特别是水资源短缺地区的城市，水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足，城市工业每年的经济损失很大，同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐患。节能减排是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施，是各行各业的技术改革方向，节水节能已成为时代特征。我国由于水资源和电能短缺比较严重，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等方面技术一直比较落后，而且自动化程度低。因此如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。早先电动机的简单调速己不再适应当前高精度的要求，现在需要的是高性能、低能耗、低成本以及技术指标要求苛刻的应用系统，基于PLC变频调速恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便实现供水系统的集中管理，同时系统具有良好的节水性和节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2变频恒压供水的系统特点及安全性讨论变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：l)滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量一样，对控制作用的响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性：变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4)时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵恒压供水，节能效果显著。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：1）产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。2）降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。1.3本课题设计任务及要求(l)提出系统的总体设计方案和思路，确定论文主要的研究方法；(2)系统的硬件设计；(3)系统的软件设计；(4)监控系统的设计；(5)利用仿真软件对下位机进行仿真调试。第2章 系统总体设计本论文介绍一个两泵生活/消防恒压无塔供水系统。如图2-1Error! Reference source not found.所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用两台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，两台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得点，关闭生活用水管网，两台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，两台泵再改为生活供水使用。市网来水SLHYV1SLL水池YV2消防用水生活用水EQ1#2#图 2- 1 生活消防双恒压供水系统构成2.1 变频恒压供水系统的控制要求（1）生活供水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。（2）两台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。（4） 两台泵在启动时都要有软启动功能。（5） 要有完善的报警功能。（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。2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图变频恒压供水系统主要有PLC、液位变送器、压力变送器、变频器、上位机、水泵电动机组等组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵电动机或循环控制多台水泵电动机组，实现管网水压的恒定和变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择:(l)有供水基板的变频器+水泵电动机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。(2)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。(3)通用变频器十PLC十人机界面+压力变送器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过上位机来改变存储器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电动机转速来实现恒压。为了减少对水泵电动机组、管道所产生的水锤，水泵电动机组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综上所述，控制系统是整个系统的核心部分，主要由PLC、变频器、水泵电动机组、液位变送器、压力变送器和上位监控计算机组成。该系统的控制流程图如图2-2所示：PLC（含PID）管网压力信号变频器压力变送器用户水泵机组液位变送器水池报警信号水池水位信号M图 2- 2 变频恒压供水系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网。(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3)控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制。变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为0-10V的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。2.3变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差,调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M1关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M2关掉。2.4水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，经过计算在2.8125HZ左右。所以选择50HZ和2.8125HZ作为水泵机组切换的上下限频率。第3章 系统的硬件设计3.1系统的硬件选型变频调速恒压供水系统由PLC、变频器、水泵电动机组、液位变送器、压力变送器、上位机等构成。系统采用一台变频器拖动多台电动机的起动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。通过压力变送器采样管网压力信号，变频器输出电动机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电动机组进行切换。PLC接上位机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。系统主要设备见表3-1。表3- 1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 226模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵机组SFL系列水泵两台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。PLC在系统中的主要实现的功能：（1）实现水压给定值与反馈值的综合与调节作用，实现数字式PID调节。用PLC作调节器可同时实现多路PID设置。（2）对变频器的驱动控制。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接收压力变送器送来的模拟信号，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控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，由于实际中需要数字量输入6个，数字量输出10个，模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，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。3.1.2 变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。MicroMaster440变频器的输出功率为0.75-90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。3.1.3 水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±0.01Mpa。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。因此根据设计要求并结合实际中小区生活用水情况，本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵两台（电机功率75KW）。3.1.4 压力变送器的选型压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力变送器是将水管中的水压变化转变为1-5V或4-20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0-1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4-20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。3.1.5 液位变送器的选型考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m-5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（4-20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m-200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制4-20mADC；精度等级：0.25级。3.2 控制系统的I/O点及地址分配 根据控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3-2所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。表3- 2 PLC输入输出信号的名称、代码及地址编号名称代码地址编号输入信号手动自动消防信号SA1I0.0水池水位下限信号SLLI0.1水池水位上限信号SLHI0.2变频器报警信号SUI0.3消铃按钮SB9I0.4试灯按钮SB10I0.5远程压力表模拟量电压值UPAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1，HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2，HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3, HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4，HL4Q0.3生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.0水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2火灾报警指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5控制变频器频率用电压信号UFAQW03.3 PLC及扩展模块的外围接线图3-1为PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，I0.0为1。图3- 1 恒压供水控制系统PLC及扩展模块的外围接线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用来控制生活/消防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，窗口比较器输出高电平1，送入I0.1、I0.2；变频器的故障输出端与PLC的I0.3相连，作为变频器故障报警信号；开关SB10与I0.5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10个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0-Q0.3分别输出两台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.0输出生活/消防供水转换电磁阀信号；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输出火灾报警信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。3.4 系统主电路的硬件设计对两台水泵电动机组恒压供水系统的基本要求是:(l)两台水泵电动机根据恒压需要，采取“先开先