基于S7-200PLC的24層樓房供水系統(tǒng)設計含程序
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基于S7-200PLC的24層樓房供水系統(tǒng)設計,指導老師：XXXX 答 辯 人：XXXX,XXXX,一.供水方案及供水方式確定,1.確定供水方案 采用分區(qū)供水 一區(qū)：1-6層自然供水 二區(qū)：7-15層二次加壓供水 三區(qū)：16-24層二次加壓供水 供水簡圖如右圖所示。 2.確定供水方式 采用變頻調(diào)速恒壓供水方式,二.系統(tǒng)功能,供水系統(tǒng)分為手動控制和自動控制。 手動控制：各個水泵的啟動/停止，工頻/變頻運行，頻率的增大/減小 自動控制：系統(tǒng)可以根據(jù)壓力傳感器反饋回來的電壓值，控制水泵電動機的 轉(zhuǎn)速，使管內(nèi)壓力值一直接近或等于設定的目標壓力值。 當系統(tǒng)滿足切換水泵的條件時，自動進行水泵工作狀態(tài)的切換,三.系統(tǒng)主電路,四.PLC的I/O分配表,根據(jù)系統(tǒng)系統(tǒng)的功能要求和系統(tǒng)主電路，確定了PLC的I/O分配。,五.PLC的外部接線圖,根據(jù)PLC的I/O分配確定了PLC的型號及擴展模塊，由CPU224、數(shù)字量輸入模塊EM221、數(shù)字量輸出模塊EM222、模擬量輸入模塊EM231、模擬量輸出模塊EM232。它們的外部接線圖如右圖所示。,六.流程圖,根據(jù)系統(tǒng)所要完成的的控制功能，設計出了如右圖所示的流程圖。 增加水泵的條件：傳感器反饋的電壓值小 于管內(nèi)壓力下限對應電 壓標準值、電動機的頻 率達到50Hz 減少水泵的條件：傳感器反饋的電壓值大 于管內(nèi)壓力上限對應電 壓標準值,七.梯形圖,1.手動控制,七.梯形圖,2.自動控制,八.總結(jié),1. 實現(xiàn)24層樓房的分區(qū)自動供水 2. 實現(xiàn)手動控制和自動控制兩種控制模式 3.采用PID控制，反饋響應快，系統(tǒng)穩(wěn)定性好 4. 存在沒有和計算機進行連接網(wǎng)絡通信，PID參數(shù)沒有整定等 不足 5.添加設備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)具有綜合功能的供水自動化控制和管理 系統(tǒng),,謝謝！,
基于S7-200PLC的24層樓房供水系統(tǒng)設計
摘 要
隨著當今社會的高速發(fā)展，科技的進步，如今的住房小區(qū)的樓層高度也變得越來越高。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)的已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代的樓房的需求，所以很多的新型的供水系統(tǒng)源源不斷的出現(xiàn)，本文的供水系統(tǒng)使用的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。
本文首先討論了供水系統(tǒng)的供水方案和供水方式，確定采用分區(qū)供水這一供水方案和變頻調(diào)速恒壓供水這一供水方式，并且闡述了選擇它們的理由，然后本文詳細的說明了變頻調(diào)速的系統(tǒng)功能和原理，本系統(tǒng)采用閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，采用PID控制來控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速，來達到對管內(nèi)壓力和流量的調(diào)節(jié)的目的。
其次本文說明了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成以及選擇標準，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由PLC、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、變頻器、水泵、壓力傳感器、以及繼電器組等構成。根據(jù)系統(tǒng)的要求設計出了系統(tǒng)主電路、PLC的接線圖
文章的最后，根據(jù)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制要求、所要完成的任務以及系統(tǒng)的主電路圖設計出了系統(tǒng)的流程圖，并且根據(jù)流程圖設計出了系統(tǒng)程序的梯形圖和語句表。
關鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水；變頻器
Abstract
With the rapid development of modern society and the progress of science and technology, the floor height of the housing community is getting higher and higher. Traditional water supply system has been unable to meet the needs of modern buildings, so a lot of a steady stream of new type of water supply system, water system of this paper USES the frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system.
This paper first discusses the water supply scheme of water supply and water supply way, determination by partitioning the water supply scheme of water supply and the frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply water supply mode, and expounds the reason to choose them, then this article detailed description of the system function and the principle of frequency control of motor speed, this system adopts the closed loop automatic control system, using PID control to control the speed of water pump motor, to achieve the goal of the adjustment of the pressure and flow in pipe.
Secondly this article explains the hardware composition of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system and selection criteria, the frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system by PLC, digital quantity input/output module, analog input and output module, frequency converter, water pump, pressure sensor, and relay group, etc. According to the requirements of the system, the wiring diagram of the main circuit and PLC was designed.
By the end of the article, according to the requirements of the frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system control, to complete the task and the system of the main circuit diagram design flow chart of the system, according to flow chart and design the system program of ladder diagram and the statement list.
Key words:：PLC；Variable frequency speed control；Constant pressure water supply；The inverter
目 錄
引 言 1
第一章 緒論 2
1.1 供水方案的確定 2
1.2 供水方式的確定 2
第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能說明 4
2.1 控制對象 4
2.2 控制功能 4
2.3 閉環(huán)控制和PID控制 5
2.3.1 閉環(huán)負反饋控制 5
2.3.2 PID控制 6
2.3.3 采樣周期的確定 7
第三章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件設計 8
3.1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構方案設計 8
3.2 系統(tǒng)主電路設計 8
3.3 PLC輸入輸出的確定 8
3.3 PLC的選型 9
3.3.1 CPU模塊的選擇 9
3.3.2 擴展模塊的選擇 10
3.4 PLC接線圖 10
3.5 變頻器的選擇 11
3.6其他組成元件的選擇 12
3.6.1水泵的選擇 12
3.6.2壓力傳感器的選擇 13
第四章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設計 15
4.1系統(tǒng)流程圖 15
4.2梯形圖的設計 17
結(jié) 論 23
參考文獻 24
附 錄 25
致 謝 29
引 言
城市規(guī)模逐漸地擴大，建筑物的高度也越來越高，飲水問題對于我們中國來說是一個非常嚴重的問題。在用水高峰期的時候，用戶用水量增大，水泵需要超負載運轉(zhuǎn)；在用水閑暇時，供水系統(tǒng)的供水量很小，然而電動機還是在滿負載工作。這樣不僅浪費了大量的水、電資源，還對供水設備造成嚴重的損耗。我們倡導節(jié)約用水，充分的使用我們?yōu)閿?shù)不多的水資源?？墒菍τ谖覀儊碚f，還是存在很多浪費水資源的情況，很多時候不是我們?nèi)藶樵斐傻模枪┧O備所造成的。供水設備本身就存在著漏水，滲水等問題。以前的供水設備很難滿足現(xiàn)代人們的需要，很多新型的供水設施層出不窮?，F(xiàn)在使用的最多是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，它具有很好的供水穩(wěn)定性。
本次設計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)不僅可以控制水泵的供水量，還減少了對設備的損耗。當用水量大時，傳感器反饋的壓力值小于設定值，進行PID運算，運算后輸出的電壓值增大，變頻驅(qū)動器控制電動機的頻率增大，供水量增加。當用水量小時，壓力傳感器檢測的壓力值大于設定值，模擬量模塊把壓力值轉(zhuǎn)換后進行PID運算，運算后輸出的電壓值減小，變頻驅(qū)動器控制電動機的頻率減小，供水量減小。這樣既滿足了用水需求，又節(jié)省了很多的資源。
第一章 緒論
1.1 供水方案的確定
由于本設計的樓層較高，如果采用直接加壓供水，供水管道中會存在很大的壓力，并且還存在著上層壓力小，下層壓力大的現(xiàn)象。普通的供水管道不能夠承受這么大的壓力，會出現(xiàn)管道炸裂、漏水、滲水等情況。所以本次設計采用分區(qū)供水，分區(qū)結(jié)果如下。
一區(qū)：1-6層自然供水，由市政管道直接供水
二區(qū)：7-15層二次加壓供水，由水泵加壓后再供水給用戶
三區(qū)：16-24層二次加壓供水，由水泵加壓后再供水給用戶
供水方案示意圖如圖1.1.1所示，見附錄。
1.2 供水方式的確定
以前的供水方式主要有：水泵加壓供水、壓力罐供水、高位水箱供水等[9]。下面簡單說明一下幾種供水方式的特點。
水泵加壓供水系統(tǒng)中，水泵是以50Hz的頻率恒定速度運行的。設計時一般選用容量大于理論容量的水泵并且認為水泵一直高效率的工作，但是現(xiàn)實中并不是這樣，水泵一般不能滿足設計時的理想效率和質(zhì)量，這樣很多資源就會白白的損耗掉，同時還縮短了設備的工作年限。水泵加壓供水方式不會隨著用戶管網(wǎng)的水壓改變而改變轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)自動化不足，非常依賴手動操作。為了保證供水量能夠滿足用戶的用水需求，水泵需要超負載運行，降低了工作效率。當用戶對供水需求降低時，供水管道中的壓力升高，管道會出現(xiàn)磨損甚至是炸裂，這種供水方式當前很少使用。
壓力罐供水方式相對于水泵直接加壓供水有比較好用的優(yōu)點。操作方式簡單，不占用很大的地方，對高度要求不高。然而這種供水方式也存在很多不足之處，水量調(diào)節(jié)范圍很小，電動機經(jīng)常是滿載啟動，且電動機的頻率不可調(diào)，這樣就會產(chǎn)生很多水資源的消耗。
高位水箱供水相對于其他的供水方式的優(yōu)點是不需要復雜的控制系統(tǒng)，工作原理簡單明了，維修時還可以在短時間內(nèi)供水。但是建造水箱需要很多金錢，還需要有足夠大的空間，很難進行維修養(yǎng)護。
控制流量的方法分為兩種，第一種是通過控制閥門開度的大小，水泵的供水量保持不變。它的原理就是改變管道內(nèi)的阻力，通過阻力改變出水量的大小。但是在供水系統(tǒng)中，用戶用水需求不是一成不變的，如果閥門保持一定的開度，那么管道內(nèi)一定會發(fā)生壓力減小或者壓力增大的情況。第二種是通過控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速，它的實質(zhì)是改變管道內(nèi)的供水量。供水量會隨著管道內(nèi)的壓力改變，壓力增大，供水量減小；壓力減小，供水量增大。兩種供水方式相對比，會發(fā)現(xiàn)第二種方法比第一種方法更加的節(jié)約資源、提高水泵的工作效率。轉(zhuǎn)速控制更加的便于閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，
本設計采用的基于S7-200PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。它由S7-200PLC、MM420變頻器、水泵、三相交流電動機等組成。和上文所述的供水方式相比較，該系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：
（1） 節(jié)省了建造高位水箱的前期資金投入，并且還可以節(jié)省很大的建筑空間，
（2） 能夠更加充分地利用的資源，提高工作效率。用戶用水需求量大的時候，增加電動機的頻率，提高電動機的轉(zhuǎn)速；用戶用水量減小的時候，讓電動機的頻率減小，降低電動機的轉(zhuǎn)速。
（3） 通過PID來控制變頻驅(qū)動器的頻率，反應時間更快，反饋更靈敏，能夠更好的控制水鞥的供水量，使供水量和用水量更長時間的處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)。
第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)功能說明
2.1 控制對象
對于電機的調(diào)速方面，由于大多數(shù)水泵采用交流異步電動機拖動其轉(zhuǎn)速為[1]
n=60fp（1-s） （1-1）
式中，n為轉(zhuǎn)速；p為電動機的磁極對數(shù)；f為電源頻率；s為轉(zhuǎn)差率[1]。電動機轉(zhuǎn)速的改變可以通過下文所述的方法，第一種是通過改變電動機的極對數(shù)，由公式可知，極對數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比。極對數(shù)增加，電動機的轉(zhuǎn)速降低，極對數(shù)減小，電動機的轉(zhuǎn)速提高。第二種則是通過改變電動機的頻率，由公式可知，電動機的轉(zhuǎn)速與頻率成正比。電動機的頻率增大，電動機的轉(zhuǎn)速也隨之增大；反之，電動機的轉(zhuǎn)速減小。變頻調(diào)速是通過變頻器來改變提供給電動機的交流電頻率，讓電動機的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生變化[1]。
傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)通過人工控制來完成供水系統(tǒng)所有的功能，包括水泵的啟停、頻率的改變，不能及時根據(jù)管內(nèi)壓力和水量的改變，來改變水泵的運行狀態(tài)，以滿足管內(nèi)壓力的恒定。PLC控制變頻器就能很好的解決上面所述的對壓力和水量的改變反應不及時的問題。
2.2 控制功能
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制功能是根據(jù)管道內(nèi)的壓力改變，控制電動機轉(zhuǎn)速的變化，保證管道內(nèi)壓力的恒定。這樣在不同壓力下電動機的轉(zhuǎn)速是不一樣的，不僅保證了水泵的供水效率，還節(jié)省了很多不必要的資源浪費。根據(jù)系統(tǒng)所要完成的任務，分析出系統(tǒng)的主要功能為低頻率啟動，避免全頻啟動時的沖擊；變頻運行，根據(jù)不同的管內(nèi)壓力對電動機的頻率做出適當?shù)母淖?；工頻運行，適用于用戶用水量大時。控制過程如圖2.2.1所示
圖2.2.1供水系統(tǒng)簡單工作過程
按下啟動開關后，電動機低頻率運行。與此同時壓力傳感器反饋給PLC管內(nèi)壓力值，PLC會比較管內(nèi)的壓力值和設定值的大小。當壓力值小于設定值時，頻率增加，傳感器會不斷的把管內(nèi)的壓力值反饋給PLC，直到電動機的頻率達到50Hz，然后把變頻器復位，電動機從變頻運行切換到工頻運行。在工頻運行狀態(tài)，當壓力值大于管內(nèi)壓力上限時，則啟動變頻器，使電動機從工頻狀態(tài)切換到變頻狀態(tài)。如果是兩臺電動機同時工作，當一臺電動機達到工頻運行時，管內(nèi)壓力仍然小于設定值，則啟動第二臺電動機在變頻狀態(tài)下運行。若此時管內(nèi)壓力值還不能滿足要求，則第二臺電動機從變頻運行切換為工頻運行；若此時管內(nèi)的壓力值大于管內(nèi)壓力上限，則先停止第二臺變頻運行的電動機，讓第一臺工頻運行的電動機從工頻狀態(tài)切換為變頻運行狀態(tài)。繼續(xù)對第一臺電動機進行變頻控制。重復以上過程直到滿足管內(nèi)壓力的設定值。
變頻調(diào)速恒壓供水控制方式分為手動控制和自動控制，手動控制和自動控制通過PLC上的兩個輸入來完成。在手動模式下，可以分別對四臺電動機進行變頻和工頻控制和四臺電動機的啟動和停止。但是每個區(qū)的兩臺水泵不能同時處于變頻狀態(tài)，手動控制狀態(tài)下，無法保證供水管道的實際壓力一直處于一個恒定狀態(tài)，需要通過人為的去調(diào)整電動機的頻率的大小來滿足供水管道內(nèi)的供水壓力。因此，手動模式都是用來對供水系統(tǒng)進行系統(tǒng)調(diào)試和維修的，以及在特殊情況下對水泵進行人為的控制。
2.3 閉環(huán)控制和PID控制
2.3.1 閉環(huán)負反饋控制
在實際應用中，大多都會用閉環(huán)負反饋控制方法來控制壓力這類連續(xù)變化的模擬量，最常使用的就是PID控制，即比例控制、積分控制、微分控制[2]。PID控制具有很好的可操作性和恰切性，可以根據(jù)不同的被控制對象，采用不同的組合，比如比例控制、比例-積分控制、比例-微分控制和比例-積分-微分控制。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，管內(nèi)壓力由壓力傳感器轉(zhuǎn)換為0-5V的電壓信號，PLC用模擬量輸入模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換為離散的二進制變量。將這一過程變量與壓力設定值進行比較，對它們的差值進行PID控制運算，把計算后的數(shù)值進行轉(zhuǎn)換成模擬量用來控制電動機的轉(zhuǎn)速，通過控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對壓力的閉環(huán)控制。
閉環(huán)負反饋控制能夠讓過程變量等于或者接近設定值，當管內(nèi)壓力值小于設定值，在它們的差值為正，PID運算后的輸出值則增大，使電動機的轉(zhuǎn)速增高，水泵的功率提高，管內(nèi)壓力值就會上升，最后實現(xiàn)管內(nèi)的實際壓力等于或者接近設定值。
2.3.2 PID控制
PID控制的三個環(huán)節(jié)都是有它們相對應的物理意義的，我們了解他們的物理意義有助于我們跟好的進行PID控制。我們可以通過在手動模式下人對管內(nèi)壓力的控制來反映PID控制的原理。
手動控制其實也是一種閉環(huán)控制，操作人員知道壓力穩(wěn)定在設定值時的頻率大小，當管內(nèi)壓力值小于壓力設定值時，差值為正，在當前頻率下增大頻率，來增加電動機的戰(zhàn)速；當管內(nèi)壓力值大于壓力設定值時，差值為負，在當前頻率下減小頻率，來降低電動機的轉(zhuǎn)速。令頻率差值與壓力差值成正比，壓力差值的絕對值越大，則頻率調(diào)節(jié)的幅度就越大，這就是比例控制環(huán)節(jié)。
在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，積分控制采取每個采樣周期的頻率變化的數(shù)據(jù)。積分項根據(jù)誤差的正負變化，誤差大于零，積分項增大，使電動機轉(zhuǎn)速增加；誤差小于零，積分項減小，使電動機轉(zhuǎn)速減小。所以在積分作用下，系統(tǒng)的誤差會越來越趨近于零。積分控制可以降低穩(wěn)定狀態(tài)下的誤差，讓控制更加準確。積分雖然能消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是如果參數(shù)整定的不好，積分也有負面作用。如果積分設置過大，每次調(diào)節(jié)的頻率值都大于理論調(diào)節(jié)頻率值，其作用與增益過大相同，會使系統(tǒng)的動態(tài)性變差，系統(tǒng)波動增大。
PID輸出的微分分量與誤差的變化速率成正比，誤差變化越快，微分項的絕對值越大。誤差變換的方向決定了微分項的正負，誤差不斷減小，微分項為負；誤差不斷增大，微分項為正。微分控制具有提前做出判斷的作用。在管內(nèi)壓力還沒有達到設定值時，但是因為管內(nèi)壓力上升速度很快，可能會出現(xiàn)管內(nèi)壓力大于設定值，這個時候PID就會輸出一個讓變頻器頻率減小的數(shù)據(jù)，變頻器控制電動機減小轉(zhuǎn)速，減緩管內(nèi)壓力上升的速度。閉環(huán)控制系統(tǒng)因為存在滯后作用，會出現(xiàn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定狀態(tài)。微分控制的超前作用可以有效的緩解的系統(tǒng)的滯后作用。通過適當?shù)奈⒎挚刂疲梢詼p小超調(diào)量，減少調(diào)節(jié)時間，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。
2.3.3 采樣周期的確定
PID的采樣周期要選擇適當，不能過小或過大，太小時采樣太頻繁，相鄰兩次采樣的數(shù)據(jù)沒有什么變化，并且會增加PLC的數(shù)據(jù)運算量；太大時采樣數(shù)據(jù)太少，不能反映出模擬量的變化趨勢。確定本次的采樣周期為100ms，能夠更加合理的反映出壓力變化的趨勢。也不至于增加PLC過多的遠算量。
第三章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件設計
3.1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構方案設計
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由PLC、變頻器、水泵、壓力傳感器等組成。PLC通過壓力傳感器反饋回來的壓力信號來控制變頻器改變輸出的頻率。變頻器控制水泵的電動機的頻率來控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的功率。他們的結(jié)構簡圖如圖3.1.1所示。
3.2 系統(tǒng)主電路設計
根據(jù)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點，對系統(tǒng)進行認真考慮之后，經(jīng)過反復的推敲，設計出如圖3.2.1所示的系統(tǒng)主電路圖。對系統(tǒng)主電路進行簡單的介紹，QS為主電路的隔離開關；FU為熔斷器，是主電路的短路保護裝置。FR1、FR2、FR3、FR4為熱繼電器，是電動機過載保護的裝置。KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7、KM8為接觸器，KM1、KM2、KM3、KM4分別控制四臺電動機的工頻運行，KM5、KM6、KM7、KM8分別控制電動機的變頻運行，系統(tǒng)中共有兩臺變頻器，每臺變頻器控制兩臺電動機的變頻運行。電動機不能夠同時進行變頻和工頻運行，所以需要加上互鎖，防止變頻接觸器和工頻接觸器同時閉合。
3.3 PLC輸入輸出的確定
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和系統(tǒng)的主電路，確定了PLC的輸入輸出，如表3.3.1所示。在手動模式下，電動機需要完成啟動/停止，變頻/工頻，以及頻率的增大/減小。由于PLC要和變頻器相連，PLC輸出時，每個變頻器需要兩個輸出點。其中一個控制變頻器的啟停，另一個控制變頻器的復位。
表3.3.1 PLC的輸入輸出
輸入
說明
輸出
說明
I0.0
系統(tǒng)開機
Q0.0
1#工頻
I0.1
系統(tǒng)關機
Q0.1
1#變頻
I0.2
手動
Q0.2
2#工頻
I0.3
自動
Q0.3
2#變頻
I0.4
1#工頻啟動
Q0.4
3#工頻
I0.5
1#變頻啟動
Q0.5
3#變頻
I0.6
1#停止
Q0.6
4#工頻
I0.7
2#工頻啟動
Q0.7
4#變頻
I1.0
2#變頻啟動
Q1.0
故障報警
I1.1
2#停止
Q1.1
手動/自動信號燈
I1.2
3#工頻啟動
Q1.2
二區(qū)變頻器啟動停止
I1.3
3#變頻啟動
Q1.3
二區(qū)變頻器復位
I1.4
3#停止
Q1.4
三區(qū)變頻器啟動停止
I1.5
4#工頻啟動
Q1.5
三區(qū)變頻器復位
I1.6
4#變頻啟動
AQW0
二區(qū)變頻器模擬量輸入
I1.7
4#停止
AQW2
三區(qū)變頻器模擬量輸入
I2.0
1#變頻器頻率增大
I2.1
1#變頻器頻率減小
I2.2
2#變頻器頻率增大
I2.3
2#變頻器頻率減小
AIW0
一區(qū)傳感器輸入
AIW2
二區(qū)傳感器輸入
3.3 PLC的選型
由于本次設計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)對PLC的性能要求不高，可以選擇的PLC的種類很多，對市場上大多數(shù)的PLC進行比較之后，德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC與其相同功能的其他品牌的PLC進行比較后，發(fā)現(xiàn)S7-200具有非常突出的性能價格比。也是人們使用最多的一種小型PLC系統(tǒng)。
S7-200具有很多非常有競爭力的特點，功能強大到可以和一些中型甚至是大型的PLC相媲美，價格卻和其他公司生產(chǎn)的小型PLC系統(tǒng)不分上下。容易上手，內(nèi)置豐富的集成功能，結(jié)構緊湊、可以增加很多個功能模塊。S7-200因為其具有強大的功能，實惠的價格成為了很多工程師們的首選。
3.3.1 CPU模塊的選擇
本次設計的供水系統(tǒng)比較簡單，不需要太復雜的程序設計，因此在選擇PLC的CPU時，，不需要選擇處理特別強的CPU模塊，在S7-200可用的CPU中，CPU222是價格最為便宜的。因此本次設計首選的是CPU222，但是CPU222只有8個輸入點和6個輸出點，只能進行兩個模塊的擴展。然而本次系統(tǒng)設計的程序需要20個數(shù)字量的輸入、2個模擬量的輸入、14個數(shù)字量的輸出、2個模擬量的輸出。顯而易見，CPU222不能夠滿足本次的設計的需要，退而求其次，選擇CPU224，CPU224總共有14個數(shù)字量輸入和10數(shù)字量輸出，可以同時進行7個模塊的擴展，完全能夠腕足本次設計的需要。它具有強大的模擬量處理能力，優(yōu)于CPU222的數(shù)據(jù)處理能力，更大的存儲容量，是S7-200系列產(chǎn)品中使用最多的。
3.3.2 擴展模塊的選擇
本次設計的系統(tǒng)共有20個數(shù)字量輸入，而CPU224只有14個數(shù)字量的輸入，因此需要選擇一個數(shù)字量輸入的擴展模塊，查書《PLC編程及應用》可知EM221數(shù)字量輸入模塊具有8個數(shù)字量的輸入，數(shù)字量的輸入接口還有20%的剩余，符合本次的選擇要求。系統(tǒng)具有14個數(shù)字量輸出，而CPU224只有10個數(shù)字量的輸出，因此需要選擇一個數(shù)字量輸出的擴展模塊，查書《PLC編程及應用》可知EM222數(shù)字量輸出模塊具有8個數(shù)字量的輸出，數(shù)字量的輸出接口還有20%的剩余，符合本次的選擇要求，本次選擇兩個數(shù)字量的擴展模塊，而沒有選擇EM223數(shù)字量混合模塊，是因為在價格方面，EM223的價格大于EM221和EM222價格的總和。系統(tǒng)需要兩個模擬量的輸入接口和兩個模擬量的輸出接口，查書《PLC編程及應用》可知EM231模擬量輸入模塊具有4個模擬量輸入點，EM232模擬量輸出模塊具有2個模擬量輸出點，符合本次的設計要求。
綜上所述，本次設計的PLC系統(tǒng)由CPU224、EM221、 EM222、EM231、EM232組成。
3.4 PLC接線圖
根據(jù)上述的PLC的輸入輸出以及PLC所選擇的模塊可以畫出PLC的接線圖，如圖3.4.1所示，見附錄。在設計接線圖是要注意幾個問題，第一，擴展模塊的電源都是直流24V，可以通過CPU224的輸出電源提供。第二，所有模塊的接地應該接到一起，然后接地。第三，把所有模塊的M端串聯(lián)在一起，L端串聯(lián)在一起。
3.5 變頻器的選擇
變頻器在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中扮演著不可動搖的角色，PLC通過變頻器來改變電動機的工作頻率，改變水泵的供水量，達到改變管內(nèi)壓力的目的。PLC將壓力傳感器反饋回來的電壓值經(jīng)過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換后，再由PID運算，把運算后的數(shù)值經(jīng)過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換后傳遞給變頻器，變頻器根據(jù)輸入的電壓值控制電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水的目的。
變頻驅(qū)動器的型號通過負載特性和要求來選擇。負載特性一般包括負載轉(zhuǎn)矩特性和啟動特性。
對于泵類負載，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，低速時負載轉(zhuǎn)矩較小，可以選擇普通功能型的變頻器
在實際應用中，通常根據(jù)電動機的額定電流和額定功率來決定變頻器的容量。因此，一般情況下，驅(qū)動一臺電動機時，對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須滿足表3.5.1所列出的3項要求[3]。
表3.5.1 變頻器選擇標準
驅(qū)動要求
計算公式應滿足的條件
備注
滿足電動機容量
kPmcosφ≤變頻器容量kV·A
PM為負載要求的電動機輸出功率（kW）；cosφ為電動機的功率因數(shù)，一般為0.75。
滿足負載輸出
k×√3UNIN×10-3≤變頻器容量（kV·A）
UN、IN分別為電動機的額定電壓和額定電流；k為電流波形的補償系數(shù)
滿足電動機電流
kIN≤變頻器額定電流（A）
變頻器容量的選擇原則是所適用的電動機功率應大于或等于實際使用的電動機的額定功率，變頻器的額定輸出電流大于或等于電動機的額定電流，變頻器的額定輸出電壓大于或等于電動機的額定電壓。
本設計采用的是西門子公司生產(chǎn)的MM420變頻器，MM420具有非常好用的變頻驅(qū)動的能力。價格相對便宜。具有引導調(diào)試簡單、模塊化結(jié)構允許組態(tài)的最大靈活性等特性。本設計需要兩個變頻器，采用每臺變頻器拖動兩臺電動機。由于二區(qū)的水泵的電動機的功率為7.5kW，所以選擇的變頻器的功率為7.5kW；三區(qū)的水泵的電動機的功率為11kW，所以選擇的變頻器的功率為11kW。
3.6其他組成元件的選擇
3.6.1水泵的選擇
由題目給出的條件聯(lián)系實際，確定24層樓房大約有500戶。根據(jù)城市《居民用水用量標準》GB/T50331-2002,如圖3.6.1所示。
圖3.6.1 居民用水標準
根據(jù)用水標準我選擇的是0.25m3/人日，小時變化系數(shù)為2.0-1.6。
將用水標準轉(zhuǎn)換成用水規(guī)模如圖3.6.2所示
圖3.6.2 用水規(guī)模
根據(jù)戶數(shù)和用水標準，查出相應的用水規(guī)模為109.40m3/h.
一區(qū)供水水泵的確定
確定水泵的揚程H≥11+4×9=47m，
確定一區(qū)流量Q=40.872m3/h，
確定水泵供水的壓力目標值P=0.68-0.28=0.40MPa。
根據(jù)以上條件，參照下表可選擇水泵的型號為50LG24-20×3，數(shù)量兩臺。
該系類的水泵的電動機功率為7.5kW、揚程為60m、流量為24m3/h。
二區(qū)供水水泵的確定
確定水泵的揚程H≥11+4×18=83m，
確定二區(qū)流量Q=40.872m3/h，
確定水泵供水的壓力目標值P=0.68-0.28=0.76MPa。
根據(jù)以上條件，參照下表可選擇水泵的型號為50LG24-20×5，數(shù)量兩臺。
該系列的水泵的電動機功率為11kW、揚程為100m、流量為24m3/h。
3.6.2壓力傳感器的選擇
本次設計我選用的是上海朝輝壓力儀器有限公司所生產(chǎn)的PT124B-210系列標準型應變式壓力變送器。該系列傳感器具有價格實惠、做工精良、量程準確、不用調(diào)校等特點。在選擇壓力傳感器量程是時，要根據(jù)供水壓力的目標值來選擇，選擇的量程不能過大，太大會影響精度，由上文可知二區(qū)的供水壓力目標值為0.68MPa，因此我選擇的是量程為0-1MPa，三區(qū)的供水壓力目標值為1.04MPa，因此我選擇的是量程為0-1.5MPa。
壓力傳感器的作用是把壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，可以進行PLC的模擬量的輸入，通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行PID運算之后經(jīng)過模擬量輸出模塊傳遞給變頻器控制電動機運行
第四章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設計
4.1系統(tǒng)流程圖
根據(jù)變頻調(diào)速恒壓供水的控制要求設計出如圖4.4.1所示的流程圖。對流程圖進行簡要的說明。
圖4.1.1 選擇模式流程圖
控制方式有自動控制和手動控制。
圖4.1.2 手動模式流程圖
在手動模式下，操作人員可以通過PLC實現(xiàn)各個水泵的工頻運行、變頻運行以及在變頻運行狀態(tài)下的頻率增大和頻率減小。這種模式通常都是用來新設備的調(diào)試和設備發(fā)生故障時的維修用的。
圖4.1.3 自動模式流程圖
按下開始按鈕，選擇自動控制模式，一號水泵的電動機由變頻器變頻啟動，壓力傳感器反饋給PLC壓力信號，然后進行PID運算，經(jīng)過PID運算后數(shù)值傳送給變頻器，改變變頻器的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速隨之改變，水泵的功率也發(fā)生改變，當壓力傳感器反饋的壓力信號小于設定值時，經(jīng)過PID運算后的輸出值增大，變頻器的頻率增大，當變頻器的頻率增大到50赫茲、而反饋回來的壓力值仍然小于管內(nèi)壓力下限時，變頻器復位，一號水泵的電動機由變頻運行切換到工頻運行，二號電動機變頻啟動。若此時反饋壓力值仍然小于設定值，則二號電動機在變頻器的控制下繼續(xù)增加頻率，當二號電動機的頻率增加到50赫茲時，若反饋回來的壓力值仍然小于管內(nèi)壓力下限時，則變頻器復位，二號電動機由變頻運行切換為工頻運行。此時管內(nèi)的壓力值大于管內(nèi)壓力上限，則二號電動機由工頻運行切換為變頻運行，一號電動機仍然工頻運行；若此時管內(nèi)的壓力值大于設定值，經(jīng)過PID運算后輸出的數(shù)值減小，變頻器的頻率減小，當反饋回來的壓力值大于管內(nèi)壓力上限時，二號電動機停止變頻運行，一號電動機由工頻運行狀態(tài)切換為變頻運行狀態(tài)；這樣就完成了一次兩個水泵由變頻運行到工頻運行再到變頻運行的循環(huán)。
4.2梯形圖的設計
根據(jù)上述的流程圖，設計出了下面的梯形圖，本程序主要由三部分組成，程序主程序，初始化程序和中斷程序。
在程序開始之前，調(diào)用初始化程序，對程序進行初始化。對程序中的雙整數(shù)進行初始化賦值。
按下I0.0、I0.3啟動自動運行程序，由于I0.1、I0.2、M0.0、Q0.0都是常閉觸電，Q0.1得電。Q0.1常開觸電閉合，1#電動機變頻運行。
當管內(nèi)壓力值VD108小于管內(nèi)壓力下限對應的電壓標準值VD104，經(jīng)PID運算后的電壓值VD102等于變頻器輸出為50Hz時電壓對應的標準值VD100時，啟動定時器T37，定時10s，定時時間到，M0.0得電，M0.0的常閉觸點斷開，變頻器復位，1#電動機停止變頻運行。
M0.0得電，M0.0的常開觸點閉合，Q0.0、Q0.3得電，Q0.0、Q0.3的常開觸點閉合，1#泵工頻運行，2#泵變頻運行
當管內(nèi)壓力值VD108小于管內(nèi)壓力下限對應的電壓標準值VD104，經(jīng)PID運算后的電壓值VD102等于變頻器輸出為50Hz時電壓對應的標準值VD100時，啟動定時器T38，定時10s，定時時間到，M0.1得電，M0.1的常閉觸點斷開，變頻器復位，2#電動機停止變頻運行。
M0.1得電，M0.1常開觸電閉合，Q0.2得電，Q0.2的常開觸電閉合，2#電動機工頻運行。此時1#電動機依然在工頻運行。
在1#泵工頻運行、2#泵工頻運行時，當傳感器反饋回的電壓值VD108大于管內(nèi)壓力上限對應的電壓標準值VD106時，定時器T39啟動，定時10s，定時時間到，M0.2得電。M0.2的常開觸電閉合，常閉觸點斷開，變頻器復位，2#水泵停止工頻運行，開始變頻運行。當前水泵的運行情況是1#工頻運行，2#泵變頻運行。
在1#泵工頻運行，2#泵變頻運行時，當傳感器反饋回的電壓值VD108大于管內(nèi)壓力上限對應的電壓標準值VD106時，定時器T40啟動，定時10s，定時時間到，M0.3得電。M0.3的常開觸電閉合，常閉觸點斷開，變頻器復位，2#泵停止變頻運行，1#泵由工頻運行切換為變頻運行。當前水泵的運行情況是1#泵變頻運行，2#泵停止。
常開觸電M0.0、M0.1、M0.2、M0.3其中任何一個得電閉合，變頻器就會復位。
按下I0.0、I0.3啟動自動運行程序，由于I0.1、I0.2、M0.0、Q0.0都是常閉觸電，Q0.5得電。Q0.5常開觸電閉合，3#電動機變頻運行。
當管內(nèi)壓力值VD208小于管內(nèi)壓力下限對應的電壓標準值VD104，經(jīng)PID運算后的電壓值VD202等于變頻器輸出為50Hz時電壓對應的標準值VD100時，啟動定時器T41，定時10s，定時時間到，M0.4得電，M0.4的常閉觸點斷開，變頻器復位，3#電動機停止變頻運行。
M0.4得電，M0.4的常開觸點閉合，Q0.4、Q0.7得電，Q0.4、Q0.7的常開觸點閉合，3#泵工頻運行，4#泵變頻運行
當管內(nèi)壓力值VD208小于管內(nèi)壓力下限對應的電壓標準值VD104，經(jīng)PID運算后的電壓值VD102等于變頻器輸出為50Hz時電壓對應的標準值VD100時，啟動定時器T42，定時10s。定時時間到，M0.5得電，M0.5的常閉觸點斷開，變頻器復位，4#電動機停止變頻運行。
M0.5得電，M0.5常開觸電閉合，Q0.6得電，Q0.6的常開觸電閉合，4#電動機工頻運行。此時3#電動機依然在工頻運行。
在3#泵工頻運行、4#泵工頻運行時，當傳感器反饋回的電壓值VD208大于管內(nèi)壓力上限對應的電壓標準值VD106時，定時器T43啟動，定時10s，定時時間到，M0.6得電。M0.6的常開觸電閉合，常閉觸點斷開，變頻器復位，4#水泵停止工頻運行，開始變頻運行。
在3#泵工頻運行，4#泵變頻運行時，當傳感器反饋回的電壓值VD208大于管內(nèi)壓力上限對應的電壓標準值VD106時，定時器T40啟動，定時10s。定時時間到，M0.7得電。M0.7的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，變頻器復位，4#泵停止變頻運行，3#泵由工頻運行切換為變頻運行。
常開觸電M0.4、M0.5、M0.6、M0.7其中任何一個得電閉合，變頻器就會復位。
結(jié) 論
本文設計一棟24層的住宅樓的供水系統(tǒng)，為了解決樓層高度過高的問題，采用了分區(qū)供水的方式，1-6層自然供水，7-15層采用二次加壓供水，16-24層采用二次加壓供水。由于7-15層和16-24層采用了分離的，獨立的供水管道，所以本次設計采用了兩個獨立的水泵組，根據(jù)計算用戶的用水量，確定了每組兩臺水泵，設計出了由一臺PLC、兩臺變頻器、四個水泵、兩個壓力傳感器組成變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠進行手動操作和自動控制，在手動操作時可以實現(xiàn)水泵的工頻運行和變頻運行以及在變頻運行狀態(tài)下頻率的增減。在自動控制模式下，系統(tǒng)通過PID可以根據(jù)壓力傳感器反饋回來的數(shù)值進行自動變頻和變頻工頻切換的功能。
但是由于時間關系和自己知識的儲備，本次設計的供水系統(tǒng)還存在很多的不足之處。系統(tǒng)能夠完成的功能比較單一，沒有和計算機相連接，不具有網(wǎng)絡通信的功能。不能采用計算機對系統(tǒng)進行監(jiān)控。在未來如果時間和金錢充足的條件下，還可以給這個系統(tǒng)加上計算機監(jiān)控設備，開發(fā)出相應的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)成為具有綜合處理能力的自動化供水系統(tǒng)。
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附 錄
圖1.1.1 供水方案示意圖
圖3.1.1 供水系統(tǒng)結(jié)構示意圖
圖3.2.1 系統(tǒng)主電路
致 謝
非常感謝我們的畢業(yè)設計指導老師安萬德老師，安老師給予了我們很多關于選題、構思、編寫說明書方面的建議，在我們碰到自己單獨不能解決的問題時，安老師總是給我們提供一些解決困難的方法。安老師用他豐富的專業(yè)知識，在我們畢業(yè)設計期間給出了寶貴的指導和建議。讓我能夠了解到當前存在的問題和需要改進的方向，安老師每周都會根據(jù)我們上一周的完成情況，給我們制定這周的任務，這讓我們能夠很有效的完成我們的畢業(yè)設計。同時安老師每周在繁忙的工作中抽出時間作為答疑解惑的時間。再次由衷的感謝安老師對我們非常耐心仔細的教導。
通過本次設計學會了很多關于PLC的知識，同時也了解了與PLC相關的其他設備的知識，比如變頻器的應用。這些知識很多是教材上所沒有的，擴展了我的知識儲備，這些知識在今后的工作和學習中都是非常寶貴的。
最后還要感謝我的同學們，在學習上給了我很多的幫助。
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