PLC变频调速恒压供水系统.doc

PLC变频调速恒压供水系统

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2

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毕业实践（设计）任务书

题 目:PLC变频调速恒压供水系统中的应用
班 级：
姓 名：
指导老师：

完成日期:2010。04。30

xxxxxxx 制
年 月

包头钢铁职业技术学院毕业实践（设计)成绩及评语表
姓 名

性 别

学 号

院（系）

专 业

班 级

评

语

总评成绩： 指导教师（签名）：

年 月 日
系(教研室）
主 任 审 查 意 见

签章：
年 月 日
院（系）领导
审 定 意 见

签章:
年 月 日
备 注
① 论文（设计、报告）成绩按五级记分制（优秀、良好、中等、及格、不及格)；
② 未安排答辩的学生，答辩成绩注明“未安排答辩”。

摘 要
变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统，随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性被厂泛地应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系统。在智能建筑教学领域,恒压供水系统已成为一个研究的重要课题,其典型结构是由压力传感器、可编程控制器（PLC）、变频器、供水泵组等组成.随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后,机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行,爆损现象也挺严重。本论文结合现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统.
本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求，是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成.它利用流量与转速成正比的关系来实现节能，即当需求的压力降低时,电动机转速降低,泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节能的目的。
对象系统由四台不同功率的水泵机组组成,都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供动力系统.回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性.
控制系统采用手动和自动两种控制方式,在自动控制器失效的状态下，用手动控制系统也能保证系统地可靠运行。在系统投入自动运行前，手动控制还可用于检验动力线路和动力设备的工况.在有变频和工频两种运行状态的设备间，采用机械互锁和逻辑互锁的双重保护设计，以保障设备的安全运行；该系统同时采用过载保护、漏电保护、接地保护等多重保护机制，充分保障了操作者的人身安全和设备的运行安全。
关键词:恒压供水 变频调速 PLC 泵机切换,

目 录
第一章绪论 3
1．1本课题设计的背景 3
1．2本课题设计的内容 3
第二章系统控制方案的确定 5
2．1变频调速 5
2．1 .1变频调速的工作原理 5
2．1 。2变频器主要功能的预置 6
2.2系统控制方案 6
第三章系统硬件设计 8
3．1 可编程控制器（PLC)的选型 8
3．1．1 PLC概述 8
3．1．2 PLC的选型 9
3．2变频器的选型 10
3．3水泵的选型 11
3．4压力传感器的选型 11
3．5 PLC及变频器控制电路 12
3．6硬件接线图 14
3．7I/O分配表 14
第四章系统软件设计 15
4．1 PLC梯形图概述 15
4。2系统工作过程分析 16
4。3控制系统程序设计 17
4。3.1启动程序 17
4。 3。 2水泵切换程序 17
4 。3 .3逐台停泵程序 18
4．3 .4故障处理 18
第五章结论 18
参考文献 20

第1章绪论
1．1本课题设计的背景
随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统，然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（水泵)，在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题．本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界第一台可编程控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上.但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制期，简称PLC(programmable logic controller)。
70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展,使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制中，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller).但由于PC容易与个人计算机(programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。
1985年国际电工委员会(IEC)对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器,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的指令，并通过数字或模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势.继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算(2)弱电控制强电.
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱(PLC ROBOT COT/COM）的首位.可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一种新型工业控制设备。具有1．可靠性高、抗干扰能力强2．设计、安装容易,维护工作量少4功能强、通用性好5．开发周期短，成功率高6体积小，重量轻、功耗低等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域,并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修;能直接推动电磁阀、接触器与之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此,进行变频恒压供水系统的PLC控制系统的设计,可以推动变频恒压供水系统行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值.
1．2本课题设计的内容
本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。
1．恒压供水系统的选型
该系统是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统(手动控制、自动控制）组成。对象系统由四台不同功率的水泵机组组成,都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统：回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性.
2．系统的硬件设计
PLC变频恒压供水控制系统由4台水泵，一台智能型电控柜(包括变频器、PLC、交流接触器、继电器等)，一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。
3．系统的软件设计
系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数设定。这里主要讨论PLC的程序设计。PLC的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。当选择开关打到”自动"时，系统能够进入自动工作状态，由PLC和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。供水系统共有4台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行,泵组电机的切换过程由逻辑控制单元PLC实现。
1．3本课设计的目的和意义
随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备,起动半稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击：由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应.其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量.
PLC恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用PLC恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
PLC是面向工业生产过程控制的,特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器一接触器控制系统，使控制装置的可靠性大为提高，在改造传统工业控制设备和"发研制机电一体化高新技术产品中发挥了巨人作用.而变频器能节能和凋速,并能实现自动控制程度高精度控制,还能在恒压恒温控制应用实现了智能控制等。本课程的基本要求是在了解PLC一般性硬软件基本构成和工作原理的基础上，掌握利用PLC技术实现生产过程顺序控制或程序控制开发应用的方法步骤和全过程真正掌握此项新技的开发和应用，并和变频器综合利用，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力,达到恒压供水的目的。改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。

第二章系统控制方案的确定
2．1变频调速
2．1 。1变频调速的工作原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成.整流部分为二相桥式小可控整流器，逆变部分为TGRT二相桥式逆变器,且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。从评论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系
n=2x60f/q(1-s) （q一电机极数。Ｓ一转差率)　　　　　　　 （2一1)
由上式可知,转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在０～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽.变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
变频器在工频以下和工频以上工作时的情况:
（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小,所以U／F=E／F不变时，磁通为常数,转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩)能力，并成为恒转矩调速。
（2)变频器50Hz以上时,通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。(T=Te,P〈=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时,电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的l／2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。
下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况.众所周知，对一个特定的电机来说，其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是：15kw／380V／30A，电机可以工作在50Hz以上。
当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为：30A。这时如果增大输出频率到60Hz变频器的最大输出电压电流还只能为380V／30A。很显然输出功率不变。所以我们称之为恒功率调速。
这时的转矩情况怎样呢?由于功率是角速度与转矩的乘积。因为功率不变,角速度增加了,所以转矩会相应减小。我们还可以换一个角度来看:
从电机的定子电压
U=E+Ｉ×Ｒ (I－电流，R－电了电阻，E－感应电势) （2 —2)
可以看出，U、I不变时,E也不变。而
E=Ｋ×f×XⅣ(k－常数,f－频率,x－磁通) （2 -3）
所以当f由50一〉60Hz时,x会相应减小.对于电机来说,
Ｔ=K×Ｉ×X（K—常数，I—电流,x—磁通) （2- 4）
因此转矩T会跟着磁通x减小而减小.
结沦：当变频器输出频率从50Hz以下增加时,电机的输出转矩会减小。
2．1 。2变频器主要功能的预置
虽然水泵对系统调速的精度要求不高,但要使供水系统运行性能稳定,工作问题，就必须正确设置变频器的各种性能.
1．频率功能的设置
①最高频率 水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时,转矩将按平方规律增加,导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等,即Fmax=Fn=50Hz
②上限频率 一般说来，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50Hz的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动机的负载;二是变频调速系统在50Hz下运行时,还不如直接在工频下运行,可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49Hz或49．5Hz是适宜的。
③下限频率在供水系统中,转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泉“空转"的现象。所以。下限频率应定为25 ～30Hz.
④起动频率水泵在起动时，如果从0Hz开始起动，水泵基本没有压力输出,为减少调节时间，府预置起动频率值为1 5 －20Hz，即设置变频器PTD输出值的下限为最大值的30％－40％。
2．升速、降速时间
由于水泵电动机不需要频繁的起停，对于起、停时严格要求。整定变频器的升、降速时间时主要考虑升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸：升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供水要求。因此，升、降速时间的确定,应根据现场的实际情况来决定。
2.2系统控制方案
PLC变频恒压供水控制系统本系统是以PLC为控制核心，由PLC控制器、变频调节器、压力传感器等其他电控设备以及4台水泵组成，如图2－1所示。

图2—1变频调速恒压供水控制系统的原理图

其工作过程：设定一个水压值后，根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器,连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号,并将水压信号转换为电信号送入PLC，PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PTD运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内，当变频器频率到达最大最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水,从而达到恒压供水的目的。这样也就形成了一个闭环控制的恒压供水系统.
该系统的特点：
1)水泵能自动变频软启动，四台水泵自动变频软启动，并根据用水量达小自动调节泵台数。
2)电控自动状态时，四台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用 泵自动投入，可转换自动或人工手动开、停机。
3)设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具 有相序保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能.
4）有设备工作、停机、报警指示。
该系统可分为手动和自动两种运行方式，四台水泵均可以在工频或变频调速状态下工作。
1、手动运行
当用手动方式时，把转换开关切换到自动挡，按下启动按钮，启动电机变频运行当系统压力不够需要增加泵时，此时切断电机变频同时PLC控制电机变频运行．为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了0.5的时间延迟，当压力过大时,可以手动按下停止按钮，切断工频运行的电机．使用该方式时,可根据需要,停按不同电机对应的启停按钮,可以依次实现手动启动和手动停止水泵.该方式仅供自动故障时使用。
2、自动运行
由PLC分在条件成立时,进行增泵升压和减泵降压控制．
（1)升压控制：
系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态系统。系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵启动且转速逐渐升高,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,这期间第一台泵处在调速运行状态．当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速．当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频(即50HZ）时，水压仍低于设定值，锁相同步控制器控制变频器频率与工频同步，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行；同时,使第二台水泵，投入变频器并变速运行,系统恢复对水压的闭环调节,直到水压达到设定值为止．在第二台投入变频器运行以前，使变频器输出频率降至起动频率，然后再投入．如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行当最后一台水泵投入运行，变频器输出频率达到上频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警．
（2）降压控制：
当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将上频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值．这样每台水泵的启动均经变频器的控制，全部机组实现循环软启动,即每台泵的启动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。当用水量继续下降,每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止．当一台水泵变速运行，用水量接近于零，水泵最小转速为临界转速时(这时变速运行水泵最小工作转速），可根据这一工作状态的长短和系统用水的特点,使系统转入间歇运行或小容量水泵运行。
除了具有上述自动切换功能外，系统具有一次水位检测功能，即在水位低限时报警和切断输出。该系统还设有多种保护、人机交互、强电逻辑硬件互锁、报警及上位连接功能，从而保证正常供水,且可以做到无人值守．

第三章系统硬件设计
3．1 可编程控制器（PLC）的选型
3．1．1 PLC概述
可编程控制器,英文称Programmable controller,简称PLC，本课题中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的点控制器。它源于继电器控制技术但基于电了计算机。它通过运行存储在其内存中的程序,把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身,信息入出物理过程一般不考虑的.而PLC则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际使用.特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题，入出信息变换及可靠的物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。PLC可以通过它的外设或通信接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多.
PLC有丰富的指令系统,有各种各样的I／0接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统,因而具有以下基本的功能：
（1） 逻辑处理功能:
（2） 数据运算功能；
（3） 准确定时功能：
（4） 高速计数功能；
（5） 中断处理(可以实现各种内外中断)功能;
（6） 程序与数据存储功能;
（7） 联网通信功能；
（8） 自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC几乎也都可以做到.
像PLC这样。集丰富功能于一身，是别的电控器所没有的，更是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时，也为节水行业的远程化、信息化及智能化创造了条件。
3．1．2 PLC的选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
1．输入输出（I／O）点数的估算
I／O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10％～20％的可扩展。余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整.根据估算的方法故本课题的I／0点数为输入5点，输出10点。
2．存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量.设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代.
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I／0点数的10～15倍,加上模拟I／O点数的100倍，以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25％考虑余量。因此本课题的PLC内存容量选择应能存储2000条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有足够的空间。
3．控制功能的选择
该选择包括运算功能控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所设计的变频调速恒压控制的需要,主要介绍以下几种功能的选择。
(1)控制功能
PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量.
(2）编程功能
离线编程方式：PLC和编程器共用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制,不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换,编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：顺序功能幽(SFC）、梯形图(LD）、功能模块幽（FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本（ST）两种文本语言.选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式,如C语言，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
(3）诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断.硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断.
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求,并影响平均维修时间。
4．机型的选择
目前，国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从.通过对输入／输出点的选择、对存储容量的选择、对I／O响应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。我们决定使用的三菱公司生产的Fx2N列的Fx2N一32M型号的可编程控制作为变频调速恒压供水系统的控制器，但是由于和变频器之间的信号不同,我们要添加一个有A／D、D/A转换功能的模拟输入输出模块,将信号进行转换输入变频器。
3．2变频器的选型
在传统的变频控制系统中,变频器的启动／停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率是由PLC通过模拟量输卅端口输出0～5(10)V或4～20mA信号控制的,这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测只是由PLC读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障,但具体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息再阅读变频器说明书才知道，这对于一般值班人员来说太难了。
因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，我们选用的是三菱系列F500变频器风机／泵类专用变频器，采用最适磁通控制方式，实现更高节能运行。内置PID,变频器／工频切换和多泵循环运行功能.PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数。其实物图如图3－１所示。

图3－ l FR－ F500系列三菱F500系列变频器的实物图
3．3水泵的选型
根据我们的需要，并结合它所具有的特点，我们选用上海沪龙公司的ISG型立式离心泵，它供输送清水及物理化学性质类似丁清水的其他液体之用，适用于工业和城市给排水、高层建筑增压送水、园林喷灌、消防增压、远距离输送、暖通制冷循环、浴室等冷暖水循环增压及设备配套，使用温度T：≤80℃. 其实物图如图3－２所示.

图3—2 ISG型立式离心泵的实物图
3．4压力传感器的选型
根据我们的需要，并结合它所具有的特点,我们选用PTH503压力传感器。它采用不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性.输出信号：4～20mA(二线制)、0~5v、1~5v、0～10v(三线制）供电电压：24DCV（9～36DCV）。广泛用于工业设备、水力、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制，具有高精度、高稳定性、高重复性、量程范围宽、介质兼容性好等优点.其实物图如图3-3所示.

图3-3 PTH503压力传感器的实物
3．5 PLC及变频器控制电路
1．供水系统主电路
该系统有四台水泵，如图3—4所示，合上空气开关后,当交流接触器1KM、3KM、5KM、7KM主触点闭合时，水泵为T频运行；当2KM、4KM、6KM、8KM主触点闭合时，水泵为变频运行。四个热继电器FR1。FR4分别对四台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。如图3－４恒压供水的主电路

图3－4恒压供水的主电路

2．供水系统控制电路
如图3－５所示，Y0～Y7为PLC输出软继电器触点，其中YO、Y2、Y4、Y6控制变频运行电路：Y1、Y3、Y5、Y7控制工频运行电路。SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。当SAC切在手动位时，通过1SB2～4SB2按钮分别启动四台水泵工频运行;当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。

图3－5恒压供水系统的控制电路

lKA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路,切断主电路，实现缺水保护作用.
3．缺水保护电路
当水池缺水或水位不足时,若不及时切断电源就会损坏水泵,甚至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路,如图3-6所示.利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制.水池水位正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放,系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路和主电路,水泵停止。水位正常后，液位继电器1K吸合,重新启动系统。

图3—6缺水保护电路

4．缺相相序保护电路
水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大,容易烧坏电动机;另外，为了避免电源相序相反电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路,如图3—7所示。采用缺相相序保护电路继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后，三相正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸合，接通PLC控制电路.反之，缺相或反向时,KP的1—2触点断开,会切断PLC控制电路,系统停止工作,缺相相序保护指示灯亮。

图3—7缺相相序保护电路
3．6硬件接线图
系统的硬件连接图即PLC中各个硬件的连线.由于PLC所输出的信号 是数字信号，不被变频器所识别，所以我们在他们之间加了个模拟量输入输出模块FxON一3A。其功能为：该模块具有2路模拟晕输入（0~l0V直流或4～20mA直流）通道和l路模拟量输出通道.其输入通道数字分辨率为8位,A／D的转换时间为100u s，在模拟与数字信号之间采用光电隔离，适用于FxlN、Fx2N、Fx2NC子系列,占用8个I／0点.

3．7I/O分配表

I/O分配表

第四章系统软件设计
4．1 PLC梯形图概述
梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为P1．c的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路剧很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程.
PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器)，每一软继电器与PLC存储器中央映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开,称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反,称该软继电器为“O”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。
梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Bus bar)，。在分析梯形剧的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线)之间有一个左正右负的直流电源电压线之间有“能流"从左向右流动。右母线可以不画出。
根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的.
4。2系统工作过程分析
1、开始
2、初始化程序
3、PLC检测给水池液位保护开关是否动作
4、启动第一台水泵进行变频_上作
5、变频输出率是否达到最大值
6、变频切换开机程序
7、变频输出率是否达到最小值
8、逐台停泵程序
9、运行结果送到PLC输出控制水泵运行或停机
10、工作结束
其流程图如下：

4。3控制系统程序设计
4。3.1启动程序
在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1＃泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升,此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1＃泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频肩动2＃泵，频率逐渐上升,直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。
4. 3。 2水泵切换程序
如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值(水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行：若在一定时间内出水压力仍高于设定压力,根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵,直至出水压力达到设定值。
4 .3 。3逐台停泵程序
当用户用水量较少，若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一段时叫后根据先投先停的原则，停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率,则切除变频运行主泵，投入小流量泵,既保护主泵电动机，又节约能源。当外来管网压力达到设定压力时，则控制器完全停止各泵工作，外界管网直接向用户供水。
4．3 。4故障处理
变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障,蜂呜器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频运行（若水泉功率大于37Kw,则需要采用降压启动或其它启动方式）,经一定延时后根据压力变化情况再使2＃泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂呜器发出警报声.所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。
第五章结论
本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了利用可编程控制器控制变频调速恒压供水的功能，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当系统的功能增加时，硬件接线上只需增加行程开关输入信号。原来的接线不需改变,软件上只需增加相应程序以及输出的功能，要改动的地力也较少.调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方而，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
通过本设计，我学习到了很多东西，在工作的细心上也得到了提高.并且，