基于PLC的变频恒压供水系统.doc

毕业论文（设计）

变频恒压供水PLC控制器的设计

学 生 姓 名： 赵 阳
指导教师： 高艳萍
专业名称： 自动化
所在学院： 信息工程学院

2012 年 6 月

目 录

摘 要 III
Abstract IV
第一章 前言 1
1.1本课题研究的目的和意义 1
1.2供水系统国内外研究现状 1
1.3本课题的主要研究内容 1
第二章 系统的整体分析 2
2.1 供水系统的要求 2
2.2 供水系统的结构 3
2.3 供水系统控制方案的设计与选择 3
2.4 供水系统的工作原理 4
第三章 系统硬件设计 7
3.1 可编程控制器（PLC）概述 7
3.2 PLC的选择 9
3.3 变频器技术概述 11
3.4 变频器的选择 12
3.5水泵的选择 14
3.6其他相关设备的选择 15
3.7系统硬件连接图 16
第四章 软件系统的设计 18
4.1 总体流程设计 18
4.2 各个模块梯形图设计 25
4.3 系统的测试与运行分析 41
第五章 结束语 44
5.1 论文完成情况 44
5.2 存在的不足 44
致谢 45
参考文献 46

摘 要
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性的要求不断提高，但供水系统本身却存在着水电供应不足的压力。
本文在介绍了变频供水系统的节能原理、系统构成和工作原理的基础上。设计了基于西门子S7-200系列PLC控制系统，通过PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经PID运算，PLC进行控制变频和工频切换，从而实现闭环自动调节恒压，进行变量供水。本文详细地说明了此设计的硬件选型和配置、软件的流程以及梯形图，并分析了运行中存在的问题并予以改正。
该供水系统对水压实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，变频器的控制方式采用模拟量输入，通信输出控制，通过PID指令实现闭环控制正确有效，达到了恒压供水系统的控制要求，满足城区居民工作和生活的日常用水需要。

关键词：PLC,变频,恒压,供水

Abstract
With the rapid development social economy, on one hand, people’s request to enhance the quality of water supply and the water supply system reliability is increased continuously, foe the other hand, there is also a great pressure of the insufficient water and electricity supply.
The design of the system is the VF water supply systems that controlled by PLC of Siemens S7-200 series. The paper introduced the principle of energy saving, system structure and working principle of this control system. By the logic control of PLC, pressure adjustment of the frequency converter, operation of PID, PLC controls the switchover between variable frequency and power frequency, which automatically makes the closed-loop adjust constant pressure and conduct the variable water supply. Of the system design, it gives a comprehensive introduction of hardware system configuration, selection, software system process design, and process design. It also points out the problems that existed in design process and gives the related solutions.
The constant pressure water supply system has good performance in real—time water pressure control. The hardware module is stable and reliable. The control mode of frequency converter is analog quantity input and through the PID order to realize valid control of closed loop, which achieves the control requirements of water supply system and satisfies the work and daily water needs of urban residents.
Key words: PLC, Variable frequency, Constant pressure, Water supply

第一章 前言
1.1本课题研究的目的和意义
随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活。
1.2供水系统国内外研究现状
从查阅的资料情况来看，以前国外的恒压供水系统在设计时大都采用单台变频器控制单台水泵机组的方式，很少采用单台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频调速技术的发展，变频器的功能也在不断完善，特别是应用于供水系统中的变频器，工作时的稳定性、安全性和可靠性得到提高，而且其高效节能的效果越来越受用户欢迎。国外很多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，比如日本SAMCO公司，就推出了恒压供水基板，备有变频泵循环方式和固定方式两种工作模式；还有基于PLC的变频恒压供水系统的设计将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多控制七台水泵工作的供水系统。这类设备虽然使用成本不是很高，同时也集成化了电路结构，但变频器输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与很多组态监控软件很难实现数据通信，并且限制了拖动电机的容量，因此在实际使用过程中，其使用范围还是具有一定局限性。
通过国内外情况的分析，可以发现在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、计算机技术、网络通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还需深入。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践[1]。
1.3本课题的主要研究内容
本设计在分析我国城市供水的实际要求基础上，依托PLC控制系统的发展，设计一种变频恒压供水PLC控制器。在中小型恒压供水系统中，变频调速恒压供水系统由三台水泵（12.5KW）组成。一台变频器通过PLC控制器的切换和控制，使任一台电动机处于工频或变频状态下运行，能依次进行软启动。变频调速主回路的接触器KM1、KM2和KM3分别控制三台水泵工频运行，接触器KM4、KM5和KM6分别控制三台水泵变频运行，该系统通过变频器对电机的控制调整水泵电机的转速，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，实现恒压供水。

第二章 系统的整体分析
2.1 供水系统的要求
2.1.1供水系统电机运行分析
变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机，它是整个供水系统的动力源泉。一般是由三项异步电动机拖动水泵旋转实现供水，并且把电动机和水泵做成一个整体，通过改变变频器供电频率，可以调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。当然，三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数p和改变电动机的转差率s这两种方式来实现，这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种，它是变频器改变电动机定子的供电频率，从而改变同步转速实现调速的。由异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的转速公式为[2]：

其公式中为异步电机的同步转速，它是60倍的工频与电动机磁极对数的比值；为异步电动机转差率，它是异步电动机的同步转速跟电动机转子转速n的差值与同步转速的比值。
从上式可知，当磁极对数和转差率固定不变时，电机转子转速与只定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速，从而控制水泵循环工作实现恒压供水。
2.1.2供水系统的特性分析

图1 供水系统的基本特性
图1所示为离心式水泵供水的基本特性，其中和分别表示供水系统扬程和流量。图中两条曲线均是在供水管路中的阀门开度固定的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线。
从上图曲线可以看出，供水系统的扬程值越小，管路供水流量越大。由于管阻特性是以水泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，系统扬程与流量之间的关系，管阻特性反映了水泵的能量用来克服水体在管道中的流动阻力、水泵系统的水位及压力差的变化规律。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系。而在水泵的转速和阀门开合程度都固定的情况下，流量的大小主要取决于用户在不同时间段的用水情况，因此，扬程特性所反映的是用水流量与扬程之间的关系。由于阀门开和程度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称之为供水系统的工作点，如图1中点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
2.2 供水系统的结构
供水控制系统的结构总的来讲包括两个部分：一个是机械机构部分；另一部分就是电气控制系统。其中系统的机械部分主要是供水系统管网系统，它构成了一个立体的管道网络，设计相对简单，其设备、结构组成都比较固定，是实现控制功能的前提和基础，而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心部分，它包括如下组成部分。
2.2.1 主要组成部分
从系统组成来讲，恒压供水系统可由三部分组成。分别是控制电路--PLC、变频器；信号检测电路--压力传感器、压力控制器；执行电路--水泵机组。
供水控制系统一般安装在集控室的控制柜内，具体包括PLC、变频器和电控设备部分；信号检测机构是由压力传感器和压力控制器构成。在控制过程中，需要检测管网水压信号和预警信号；系统执行机构主要来说就是水泵机组，通过变频调速控制水泵电机合适的转速和工作组合，维持管网供水和用户用水平衡。
2.2.2 电气控制系统
电气控制系统主要包括电气控制柜及基本单元面板。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，然后根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的逻辑控制与时序控制，就需要严格按照检测信号的输入进行控制。
2.3 供水系统控制方案的设计与选择
供水系统控制方案的设计主要是利用控制器单元控制变频器或者通过专用变频器控制单台水泵或循环控制多台水泵，并能根据水压变化使电机在变频和工频状态自动切换，实现供水管路的水压恒定，同时还要能对运行数据进行通信传输。
要想确定合适的控制方案，还必须认真分析控制的系统的结构，恒压供水系统的主要由控制机构、信号检测机构、执行机构以及低压电气控制电路构成。对应设备包括控制器、变频器、压力传感器、压力控制器、电磁接触器和水泵机组等组成。
根据系统的设计任务要求，结合系统的使用设备和场所，有以下几种方案可供选择，现将各控制方案分析比较一下。

2.3.1 专用变频器控制
具体说是采用带有供水基板的专用变频器配合压力传感器构成的信号检测电路控制水泵机组，它将PLC设备和PID控制器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。虽然这种控制方案高度集成化，电路结构相对简单，设备使用成本也不是很高，但在运行调试时，PID调节范围小、整定调节参数困难，系统的稳态、动态性能不易保证。而且，在反馈压力值和基准压力值的设定等显示功能方面比较麻烦，无法自动实现实时控制水泵运行，其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了拖动符合运行的能力，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
2.3.2 单片机控制
这种控制方案没有采用专用变频器，而是用单片机微处理器和通用变频器组合作为核心控制系统，通过处理压力传感器反馈回来的电信号，控制水泵机组运行工作。这种方式控制误差小、算法比较灵活，具有很好的性能价格比，但程序开发周期长，并且程序调试后投入运行，一旦有问题很难修改，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，必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性和稳定性。所以该系统针对目前城市用水需求来看也不算是最佳的选择方案。
2.3.3 可编程控制器（PLC）控制
目前比较流行的控制方案是采用PLC配合通用变频器(本控制系统正是采用西门子S7—200PLC和西门子MM430变频器)作为系统的控制器。这种控制方式端口灵活可以扩展，而且具有良好的通信端口，可以方便地与组态监控系统进行数据交换，而且PLC用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器，只需要少量的输入端口／输出端口与压力传感器、执行器连接，使控制系统中电控柜体积减小、电路结构简化，出现故障易于排查，同时也提高了系统的可靠性和抗干扰的能力。因此该系统能适用手各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的负荷大小无关[3][4]。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案即以PLC和通用变频器为系统核心，配合信号检测电路(压力传感器和压力控制器)控制水泵机组实现的变频恒压控制方式更适合本系统。本课题就是基于这种控制方案来分析设计的。
2.4 供水系统的工作原理

2.4.1 控制系统总体框图
供水电气控制系统的总体框图如图2所示，PLC为核心控制器，通过CPU循环采集各种主令信号、压力传感器信号，以及其它相关模拟信号，并进行运算处理，得到输出响应控制变频器，完成相关设备的运行、停止和调速控制。
主令信号
传感器信号
模拟量信号

S7200
PLC
水泵机组
MM430
变频器

图2 供水电气控制系统总体框图
2.4.4 系统运行分析
供水系统有两种运行状态：一种是手动操作状态，一种是自动运行状态。
供水系统在手动状态下，各类设备的控制根据操作电控柜内的各类功能按钮和开关来控制，没有逻辑控制信号，即不采集传感器的信号状态进行来控制系统操作。次工作方式可以在控制系统出现故障时，切换到手动操作状态，可以保证用户正常用水需求。
通常的运行模式是在自动状态下运行的，通过PLC控制变频器，进行PID运算，实现闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制，其工作过程如下。
第一步：系统初始化程序并测量水池水位是否正常。
第二步：采集压力传感器反馈的信号，通过A／D转换，将该传感器输出的模拟信号转换成PLC可处理的数字量信号。
第三步：PLC根据压力反馈值，以及变频器输出频率，对模拟量进行数据处理。
第四步：PLC的CPU通过对数据进行运算处理，产生输出控制信号，对执行器进行实时控制。
启动
初始化运行
测量压力反馈值
PID调节
检测变频器输出
输出控制执行器

图3 供水系统主要过程示意图

第三章 系统硬件设计
通过前面对供水系统结构和控制方案的分析，确定下来了本系统所需要的硬件设备主要有PLC设备、变频器、压力传感器和压力控制器构成的压力变送器、以及水泵机组和继电设备等。本章将对这些硬件设备进行具体选型分析和配置。
3.1 可编程控制器（PLC）概述
3.1.1 PLC的基本概念
可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。它是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
3.1.2 PLC的基本结构
l、可编程序控制器(PLC)结构主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、输入／输出模块、电源及附属端口电路组成。输入端口连接一些指令元件(按钮或开关)和现场检测元件(各种传感器)，输出端口连接一些执行器件(接触器、电磁阀、指示灯)，控制和驱动负载工作。系统编译，以前还需要手持编程器，现在的PLC系统结构基本不采用了，程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。手持编程器只能通过指令表编程，不能输入和编辑梯形图，编程方式比较麻烦，加之很多PLC生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件，所以目前PLC系统程序在编辑时，都采用计算机编程。下图4是PLC控制系统示意图。

图 4 PLC控制系统示意图
3.1.3 PLC的工作原理
PLC的工作过程是一个循环扫描的工作方式。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。其CPU的扫描过程如下图3-2所示。典型的PLC在一个周期中可以完成以下几个扫描过程：
1、开机自检扫描。该自检过程保证设备可靠正常运行，及时反应系统所出现的故障，PLC都具有自动监视功能。
2、与网络进行通讯扫描。一般对于小型PLC系统没有建立网络通讯的单机工作状态，没有这一扫描过程，只有多台PLC之间或者是PLC与终端设备之间建立的通信的网络状态才有该工作过程。
3、扫描用户程序过程。这是PLC在一个扫描周期内的主要工作阶段，只要系统处于正常运行状态下，每一个扫描周期内都包含该扫描过程。该工作过程是直接面对用户的，即用户可以通过软件进行编辑调试，便可实现系统的控制功能。程序量的大小会直接影响一个扫描周期，这就是实现同样一个控制功能，不同编程人员设计出来的程序，调试成功后运行效率却有差别的原因。
4、读输入、写输出扫描过程。PLC在正常运行状态下，每一个扫描周期都包含这个扫描过程。该过程在PLC运行过程中能否被执行是可控的。CPU在处理用户程序时，使用的输入值不是直接从输入点读取的，运算的结果也不直接送到实际输出点，而是在内存中设置了两个映像寄存器：一个为输入映像寄存器，另一个为输出映象寄存器。用户程序所用的输入值是输入映像寄存器的值，运算结果也放在输出映像寄存器。在输入扫描过程中，CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器，在输出扫描过程中CPU把输出映像寄存器的值传送到输出点。

图 5 PLC的CPU扫描过程
3.1.4 PLC应用介绍
PLC在工业生产中的应用已经成为目前衡量一个国家自动化水平的重要标志，在欧美发达国家，PLC已经广泛地应用在各个的工业部门，随着其性价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面：
1、基本逻辑控制
PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联，代替传统继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业。
2、网络通讯
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信以及作为下位机与上位机PC之间通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统[17][18]。
3、位置控制
PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、三轴和多轴的位置控制，是运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械。
4、处理数据
现代的PLC具有数据传送、转换、排序和查表及数据运算、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。
5、闭环过程控制
过程控制是只对温度、压力流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的转换，一般称为A/D转换和D/A转换，并对模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。本课题的设计与实现很好的应用了PID闭环控制功能。
3.2 PLC的选择
3.2.1 PLC的具体选型
PLC又称作为工业计算机，在整个变频恒压供水控制系统中起到核心控制作用，它要完成对系统中所有输入信号(包括数字量信号和模拟量信号)的采集，并经过CPU运算处理，产生相关输出信号，所有输出单元进行控制，并经过循环扫描工作，实时控制所用执行器工作。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。
在PLC品牌选择方面，主要根据供水电气控制系统的功能要求，考虑系统的市场的认可度、工作稳定性、可靠性以及出色的性价比，本课题选择西门子S7系列PLC作为供水电气控制系统的主机。虽然美国的Rockwell和ABB等系列PLC软硬件都很出色，控制功能都很强大，但是其高昂的价格不适合作为本控制系统的主机，日本三菱、松下、Omron系列PLC虽然价格比较便宜，不过稳定性要比西门子S7系列稍逊一筹，所以也不予考虑。另外由于供水系统电气控制电路的输入／输出端口数量较少，本控制系统选择小型PLC端口数量即能满足要求。因此采用CPU224作为该控制系统的主机。
在该控制系统中，还需要采集传感器的模拟信号，因此需要再扩展一个模拟量输入／输出扩展模块。西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入／输出模块EM235[5]，该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力，可满足控制系统的功能要求。
3.2.2 PLC的I/O资源配置
通过上面选型分析，并根据系统的功能要求，对PLC的I/O进行配置，具体分配如下：
1、数字I/O信号
此供水系统的控制信号，所需要的输入量基本上都属于基本数字量，主要包括各种按钮、旋钮和开关等数字输入，共有15个数字输入量；而此控制系统中，所用到输出控制设备主要是接触器和阀门。其系统数字量I/O具体分配如表1所示。
表 1 I/O地址分配
输入信号地址
输入设备
输出信号地址
输出设备
I0.0
急停SA
Q0.0
1#泵工频KM1
I0.1
手动启动信号SB1
Q0.1
1#泵变频KM4
I0.2
自动启动信号SB2
Q0.2
2#泵工频KM2
I0.3
水池高位信号
Q0.3
2#泵变频KM5
I0.4
水池低位信号
Q0.4
3#泵工频KM3
I0.5
1#泵工频启动SB3
Q0.5
3#泵变频KM6
I0.6
1#泵变频启动SB6
Q0.6
水池阀门
I0.7
2#泵工频启动SB4

I1.0
2#泵变频启动SB7

I1.1
3#泵工频启动SB5

I1.2
3#泵变频启动SB8

I1.3
电动机加速

I1.4
电动机减速

I1.5
水池进水阀门

I1.6
变频器复位

2、模拟量输信号
由于需要采集压力传感器所反馈的数据信号，因此扩展了一个模拟量输入／输出模块。
3.1.3 PLC控制系统与端口连接
根据控制系统的功能要求，设计出PLC控制系统与端口元件的连线图，如图6所示，此控制面板上的手动控制部分主要在调试系统时使用，调试完成后基本处于闲置状态。

图6 PLC控制系统与端口硬件连线图
3.3 变频器技术概述
3.3.1 变频技术概念
变频技术，简单的说就是电流整流或者逆变的过程，是把直流电逆变成为不同频率的交流电，或者是把交流电整流成直流电再逆变成不同频率的交流电，在这些变化过程中，有一个共性问题就是供电电源频率都产生了变化。现在人们常说的变频技术主要是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电。
3.3.2 变频器结构分类
从变换频率的过程来看，变频器分为交—直—交和交一交两种形式。交—直—交变频器是先把工频交流电50Hz通过整流变成直流电，然后再把直流电变换成电压和频率均可调的交流电，又称之为间接式变频器。而交—交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率均可调的交流
电，称为直接式变频器。目前市场上通用变频器多是交—直—交变频器这种形式的。
交—直—交变频器结构可分为主电路和控制电路。其中主电路由整流器、中间直流电路、逆变器构成，现将各部分的功能分述如下：
l、主电路：整流器由整流二极管构成，它的作用是把三相或单相的工频交流电变换成直流电；中间直流电路一般采用电感和电容构成，利用其储能特性来吸收脉动的电压(电流)，起到抑制电信号波动的作用，使整流后的直流电更加平滑；逆变器是由晶闸管构成，它的主要作用是将平滑的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路有两种分别是有源逆变和无源逆变其中有源逆变是将直流电变换成工频交流电，而无源逆变是将直流电变换成频率可以调节的交流电。
2、控制电路：它是变频器的核心，是给变频器主电路提供各种控制信号的电路。变频器的控制电路具体包括调节运算电压、频率的电路和对其信号进行放大的驱动电路、检测主电路电压、电流和电机速度的电路、I/O接口电路及保护电路等。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能[19]。
3.3.3变频器与PLC使用USS通信
使用USS通信协议，用户程序可以通过调用子程序的方式实现S7-200PLC与MM4系列变频器之间通信，程序量不是很大，使用的硬件接线少，是一种比较方便的通信方式。通信网络由PLC和变频器内置的RS485通信接口及双绞线组成，一台S7-200PLC最多可以监控31台变频器，本课题在设计过程中，关于PLC与变频器之间的通信，便是采用此种通信方式。
1、USS通信协议的功能
S7系列PLC可以采用通用的USS串行接口协议与MM4系列变频器通信。所有的西门子变频器均带有一个RS-485串行通信接口。根据各个变频器的地址或者采用广播方式，可以访问通信的变频器。主站可以发送通信请求报文，而从站不可以发送通信请求报文，只有接收到主站的请求报文才可以向主站发送数据，所以从站之间不能进行数据信息的交换。
2、USS协议指令
（1）使用USS协议指令步骤
首先编写用户程序，然后USS_INIT指令初始化，为USS指令库分配V存储区，接下来用变频器的操作面板设置变频器的通信参数，使之与用户程序中所用的波特率和从站地址相符合，最后用通信电缆将PLC与变频器之间相应端口连接起来便完成USS协议指令的操作。
（2）初始化指令USS_INIT
初始化指令用于允许或禁止变频器的通信，在执行其他USS协议指令前，必须要先执行USS_INIT。
（3）变频器控制指令USS_CTRL
USS_CTRL指令用于控制激活状态下的变频器，每台变频器只能使用一条这样的指令[20]。
3.4 变频器的选择
恒压供水系统的实现就是靠变频器控制水泵的变频运行，所以变频器的选择也是很重要的一个环节。
3.4.1 变频器的选型
目前，国内外通用变频器品牌很多，国外市场占用率较高的有西门子、ABB、安川、三菱等品牌；国内有森兰、四方、台安等众多品牌。通用变频器的选择包括类型选择和容量选择两个方面。其总的选用原则是在满足控制要求的前提下，尽可能考虑系统的投入成本。要根据负载的具体要求，比如需要考虑系统特性、负载的起动转矩、调速范围等参数，选择性价比相对较高的类型和品牌。
综合以上因素，并进行相关市场调研，发现西门子变频器在国内变频器市场有很高的占有率，并且工作性能稳定，有较强的组合功能和良好的力矩特性。所以，本控制系统选用西门子公司生产的MM430型变频器，它能适用于各种变频调速控制系统，其对水泵、风机类负载进行调速具有突出优势。选择时还需注意一个问题是一定按照变频器说明书内规定配用电机水泵容量[6]。
3.4.2 MM430型变频器性能特点及技术指标
MM430变频器具有模块化设计。操作面板和通讯模块可以不使用任何工具，非常方便的用手进行更换，MM430适合用于各种变速驱动系统装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置[7][8]。
MM430型变频器，具有利用率高、稳定性好的特点，具有较多的输入端子和输出端子，相对MM420型变频器操作面板进行了优化设计，更便于工作人员进行操作，其主要技术指标如下：
1、6个可编程的带电位隔离的数字输入端。
2、2个模拟输入，也可作为第7/8个数字输入端。
3、2个可编程的模拟输出（0～20mA）。
4、3个可编程的继电器输出，在阻性负载下：DC30V/5A；感性负载下：AC250/2A。
5、MM430变频器可与S7-200PLC连接，也可集成到SIMATIC和SIMOTION的TIA系统中。
6、具有内置PID控制器，可用于简单的过程控制
3.4.3 MM430型变频器的参数设定和调试
1、MM430变频器的功能很多，主要是为适用于不同场合而开发的。本控制系统被驱动设备是供水用的水泵，通常也只能用到变频器很少的一部分功能，而变频器的大多数参数都不用设置，只需针对风机水泵这类负荷的参数进行设置即可。在此，对西门子MM430变频器采用“快速调试”的方法，这是对变频器进行参数设置快速有效的一种方法。
在进行快速调试之前，必须确认所用的机械部分和电气部分结构安装工作已经完成，并进行必要的清场，对于要求严格的场合还要做好相关的安全防护工作，如按规范要求执行操作票制度，开出完善的调试步骤作为操作票的附件，以保证人身和设备的安全。
2、要对MM430变频器进行快速调试，必须了解掌握两个重要参数：P0010——参数过滤功能(设置P00l0=1，选择变频器进行快速调试)；P0003——选择用户访问级别的功能。MM430变频器有三个用户访问级别：专家级、扩展级和标准级。当对变频器进行快速调试设置时，访问级别比较低，大多参数的数值要么自动地计算要么缺省设置，能够看到的参数较少。
当设置了P0010=l，使变频器进入快速调试状态时，P0003用户访问级用来选择要访问的参数，这一参数也可以用来选择由用户定义的、进行快速调试的参数表。快速调试的进行与参数P3900的设定有关，在快速调试的所有步骤都己完成以后应设定P3900=1，以便进行对电动机相关数据计算。当P3900被设定为1时，快速调试法结束后会将除了P0010=1之外其他所有的参数恢复到它们的缺省设置状态。
当进行P3900=1设置，并完成快速调试以后，变频器即已做好了运行准备(这种情况只有在快速调试方式下才存在)。
3、为满足恒压供水系统的控制要求，需要对变频器的通信功能进行设置，主要包括对以下几个参数进行整定[9][10]，如表2所示。
表2 变频器参数设置表
参数设置值
参数标号
说明
21
P0005
显示实际运行频率
5
P0700
COM链路的USS设置
5
P1000
通过COM链路的USS设定
2
P1300
用于可变转矩负载
6
P2010
9600baud
1
P2011
USS地址设置
按实际选用电动机设置
P0300
电动机类型（同步、异步）
按实际选用电动机设置
P0304
确定电机
按实际选用电动机设置
P0305
确定电机
按实际选用电动机设置
P0310
电动机额定频率（50Hz）
按实际选用电动机设置
P0311
确定电机额定转速
对于此系统中的变频器采用通信控制，需要将变频器进行地址编号，在程序控制当中，通过对己编址的变频器发送控制命令，实现对变频器的控制，在本控制系统中，由于只选用了一台变频器，因此要将变频器的地址设置为l。具体通过改变参数P2011中的值来实现。在不同的系统中，也可以实现对多个变频器的控制。
4、在实际应用时，有时需将变频器的所有参数复位为出厂时的缺省设置值；如进行参数复位，可对下面的参数的数值进行设置(需使用BOP-2或通讯选件)：
（1）设置P0010=30；（2）设置P0970=1。
3.5水泵的选择
由于供水系统在运行时是靠水泵抽水来实现的，它是整个系统的执行机构，因此，水泵的选择合适与否也是影响系统运行是否安全稳定、节能高效的重要因素[11]。
3.5.1选用水泵的原则
l、根据水泵抽水的流量和水泵供水的总扬程选择水泵。应以保证水泵工作在高效稳定区域为原则，考虑系统运行时各种原因造成水泵出力下降，可按所计算的扬程值乘以1.05--1.1系数后，选择水泵。
2、应尽量选用高效节能且噪音较低的水泵，不可采用市场淘汰产品。
3、根据实际供水系统的规模即所带负荷情况，合理确定水泵的台数。当一台水泵运行能够满足正常供述需求时，一般不宜采用多台水泵并联方式运行。若必须采用多台水泵并联运行，才能满足供水需求时，应考虑各台水泵品牌、型号尽量一致(本课题所考虑的三台水泵通过变频器控制工频／变频切换组合运行，保障了系统的供水能力)。
4、同一个供水系统所配用的水泵扬程要相同，主泵之间的供水流量最好相同，辅泵供水流量与主供水泵的流量之比最好不小于1/3。
3.5.2选择水泵应注意的问题
当水泵的型号选定以后，对于离心式水泵而言，其消耗功率的大小与水泵的实际供水流量是成正比的，而水泵的流量会随扬程的增大而减小，因而扬程值越高，供水流量越小，消耗的功率也就越小。反之，扬程值越低，流量就会越大，消耗的功率也就越大。因此，为了防止电机过载，一般要求水泵在实际使用时，扬程不得低于标准扬程的60%。所以，当高扬程水泵用于低扬程供水系统时，电机容易过载而发热，甚至会烧毁电机。
实际运行中应注意电机的温升和电流参数，若发现电