变频恒压供水系统课程设计论文正文说明书大学论文.doc

武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计—变频恒压供水系统

学 号：
0121018700222

课 程 设 计

题 目
恒压供水控制系统设计
学 院
物流工程学院
专 业
物流工程
班 级
物流xz1202
姓 名
尹国泰
指导教师
于蒙

2015
年
6
月
21
日
课程设计任务书

学生姓名： 尹国泰 专业班级：物流xz1202
指导教师： 于 蒙 工作单位：物流工程学院
题目: 变频恒压供水控制系统设计
初始条件：
1)PLC型号：西门子公司S7系列，S7-300
2)编程环境：SIMATIC Manager /Step7 V5.5
3)根据控制要求分配PLC I/O地址，画出PLC与控制对象的接线图，设计控制流程，按照模块化的方式设计程序，既可以采用LAD编程，也可以采用STL编程，还可以采用组合方式编程。
4)编写的需要输入PLC，调试通过。
要求完成的主要任务:
系统控制要求对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：
1) 生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统高恒压值运行；
2) 三台泵根据恒压的需要，采取“先开后停”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3小时，则要切换到下系统“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；
4) 三台泵在起动时要有软起动功能；
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。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
尹国泰
性 别
男
专业、班级
物流工程物流xz1202
课程设计题目： 基于S7-300控制的恒压供水系统的设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：
评 定 项 目
评分成绩
1．设计说明书 50分)

2．设计图纸质量（25分）

3．答辩（25分）

总分

备注：成绩等级：优（90分—100分）、良（80分—89分）、中（70分—79分）、及格（60分—69分）、60分以下为不及格。
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

2015年 06 月 16 日
基于S7-300-PLC控制的恒压供水系统的设计

摘 要

 随着经济与技术的发展，对PLC的应用不断扩大到各个领域，从生产制造到日常应用，逐渐形成了一系列以PLC为核心的系统。将PLC应用到恒压供水控制系统中，可以实现恒压供水系统的自动控制，降低整套系统的运行及维护费用，并且提高整套系统的安全性和可靠性。PLC在恒压供水控制系统中的应用，具有巨大的经济和社会价值。在此我们以PLC控制技术为核心，采用了德国西门子公司出产的SIMATIC S7-300系列的PLC，并在此基础上结合传感器技术，论述了恒压供水控制系统的软硬件设计方案及其控制原理，实现了恒压供水系统在生活供水时的低恒压运行和消防供水时的高恒压运行之间的自动转换，以及紧急情况或检修时的手动控制。通过软件的仿真运行，说明了所设计的恒压供水控制系统运行可靠，能够满足实际需要。

关键词：PLC应用；恒压供水；S7-300；运行转换

Constant Pressure Water Supply System based on S7-300-PLC

Abstracts

With the development of economy and technology, the application of PLC expanding to various fields, from manufacturing to daily applications , and gradually formed a series of system which use PLC as the core . The PLC is applied to the constant pressure water supply system can achieve the automatically control of the system , reduce operating and maintenance costs of the entire system , and to improve the safety and reliability of the entire system . In the Water Supply PLC control system , with huge economic and social value. Here we PLC control technology as the core, with a production of the German company Siemens S7-300 series PLC SIMATIC, and on this basis, combined with sensor technology , discusses the hardware and software design pressure water supply control system and control theory to achieve the automatic conversion of high constant pressure water supply system is running at a low constant running water and fire water of life between , as well as manual control during emergencies or maintenance by running the simulation software , and explains the design of constant pressure water supply control system is reliable , able to meet the actual needs.

Key words: PLC applications ; constant pressure water supply ; S7-300;operation conversion

目 录
摘 要 IV
Abstract V
第1章 绪论 - 1 -
1.1 城市楼宇恒压供水系统的要求及特点 - 1 -
1.2 变频恒压供水产生的背景和意义 - 2 -
第2章 变频恒压供水系统的模型设计 - 3 -
2.1 变频恒压控制理论模型 - 3 -
2.2 变频恒压供水系统概述及方案选择 - 3 -
第3章 变频恒压供水系统的硬件设计 - 5 -
3.1 PLC概述及选型 - 5 -
3.1.1 可编程控制器的定义 - 5 -
3.1.2 PLC的发展和应用 - 5 -
3.1.3 西门子S7-300PLC简介 - 6 -
3.2 供水设备的选择 - 7 -
3.2.1 供水设备的选择 - 7 -
3.3 变频器概述及选型 - 7 -
3.3.1 变频器的基本结构 - 7 -
3.3.2 变频器的分类 - 7 -
3.3.3 变频器的控制方式 - 7 -
3.3.4 变频器的选型 - 8 -
3.4 压力传感器概述及选型 - 8 -
3.4.1 压力传感器的选型 - 8 -
3.5 液位传感器概述及选型 - 9 -
3.6 软启动器概述及选型 - 10 -
第4章 PLC软硬件配置 - 11 -
4.1 I/O地址表 - 11 -
4.2 PLC的硬件配置 - 12 -
4.3 系统硬件线路设计 - 14 -
4.4 变频恒压供水系统控制流程 - 18 -
4.4.1 手动运行 - 18 -
4.4.2 低恒压值自动运行（生活供水） - 19 -
4.4.3 高恒压值自动运行（消防供水） - 20 -
4.5 PLC程序 - 22 -
4.5.1 手动运行梯形图 - 22 -
4.5.2 自动运行梯形图 - 24 -
4.5.3 系统异常报警指示梯形图 - 32 -
参考文献 - 36 -

- VI -

第1章 绪论
1.1 城市楼宇恒压供水系统的要求及特点
众所周知，水是生产生活中不可或缺的重要组成部分。在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个人均自然资源贫瘠的国家，长期以来在城市楼宇供水技术方面比较落后，自动化程度低。其落后主要表现为主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
变频调速供水方式。这种方式是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式具体有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。
①出口恒压控制
水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的系统，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水压高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。
②出口变压控制
水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。
③最不利点恒压控制
最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处；使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。
变频调速式供水系统与以前出现的供水系统相比具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。因此，推广使用变频调速是供水系统势在必行的改革。
1.2 变频恒压供水产生的背景和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率：降低能耗，对我国国民经济发展有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于在设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还是有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大：另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理，造成的不必要能量浪费。因此，研究供水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，大有潜力可挖，这也是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。
以PLC为核心结合变频器组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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民的生活水平、降低能耗等方面具有颇为重要的现实意义。

第2章 变频恒压供水系统的模型设计
2.1 变频恒压控制理论模型
变频恒压控制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。
从图2-1中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
变频器
水泵
用户管网
压力
压力变送器
给定值
+
-

图2-1 变频恒压控制原理图
2.2 变频恒压供水系统概述及方案选择
从变频恒压供水的原理分析和设计要求可知，该系统主要由PLC、变频器、压力传感器（内含变送器）、异步电机、水泵和相应管路组成。变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。系统的构成框图如图2-2所示。

图2-2 系统构成框图
由前文可知，变频调速供水方式分为三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。在考虑所设计系统的前提下，结合这三种供水方式的特点分析可知，选择水泵出口恒压控制能取得最佳费效比。（所设计系统较小，且只要求系统平时保持低恒压值运行，消防供水时系统应保持高恒压值运行，故出口压力波动不会太大。）

第3章 变频恒压供水系统的硬件设计
3.1 PLC概述及选型
3.1.1 可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”
3.1.2 PLC的发展和应用
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。
3.1.3 西门子S7-300PLC简介
西门子S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6-0.1μs/1条指令）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。（SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。）西门子S7-300操作系统能自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。
在此，因为设计任务要求我们采用西门子S7-300可编程控制器实现系统逻辑控制，故不再对选型原因进行讨论。
3.2 供水设备的选择
3.2.1 供水设备的选择
三台水泵喝三台电机
3.3 变频器概述及选型
3.3.1 变频器的基本结构
变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
3.3.2 变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
3.3.3 变频器的控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
(1) V/f控制
(2) 转差频率控制
(3) 矢量控制
(4) 直接转矩控制
(5) 最优控制
3.3.4 变频器的选型
由于本设计中PLC选择的是西门子S7-300型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，本来我们准备选择西门子的MicroMaster430变频器（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）。但是如果应用西门子的MM430变频器，如何解决生活供水时系统低恒压值运行状态和消防供水时系统高恒压值运行状态之间的转换就成为了一个让人头疼的问题，但是在查阅资料的过程中意外发现了同样基于串行口RS-485通信协议的新风光JD-BP32-XF型供水变频器。JD-BP32-XF型是山东新风光电子公司推出的专用于供水变频器，使用空间电压矢量控制技术适用于各类自控场合。在恒压供水中可以采用这类变频器。JD-BP32-XF型变频器除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率（可以任意设定），可以方便地进行双压力控制，内置智能PI控制，以上功能非常适用于供水控制要求。故而采用新风光JD-BP32-XF型供水变频器代替了略显呆板的MM430变频器。根据系统功率要求，本例直接采用西门子USS协议变频器.
3.4 压力传感器概述及选型
3.4.1 压力传感器的选型
压力传感器用于检测管网中的水压，在此设计中因为我们采取水泵出口恒压控制，故将压力传感器装设在泵站的出水口，压力传感器的作用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。同时根据查找到的恒压供水系统出水口压力大小，我们选择了量程为0～2.5MPa的压力变送器。至于压力传感器的工作温度，因为楼宇恒压供水系统其工作温度就是室温，压力传感器普遍能满足恒压供水系统所需的工作温度，故不予考虑。
根据以上的分析并且查询大量压力传感器资料后，本设计选用了上海铭动电子科技有限公司出产的MD-W型恒压供水压力传感器，MD-W 恒压供水压力传感器专业为恒压供水以及变频供水系统设计，采用全不锈钢焊接外壳，具有优秀的电磁兼容性和长期稳定性，可兼容使用配套各类型号变频器。同时针对在供水系统中变频器的使用，采用抗变频干扰电路，保证输出信号的稳定性。其专用电路对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行精密补偿，使之具有集成度高、体积小、精度高、一致性好、抗干扰能力强、响应速度快等特性。其产品特点如下：
* 抗变频干扰设计。
* 多种压力接口，根据客户需要定制压力接口。
* 可选复合压力量程，如-100Kpa～1Mpa…1.6Mpa…10MPa。
* 体积小、易安装。
* 9-32V宽电源供电。
* 优秀的长期稳定性。

3.5 液位传感器概述及选型
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。一般恒压供水系统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，本设计选择北京汇金祥科技有限公司出产的KLP-18静压投入式水箱液位变送器，其功能特点为：
●量程范围 0-0.3m～600m
●精度 　　 ±0.2%FS.可选±0.1%FS.
●供电电源 　　12～36V　DC（一般24VDC）
●输出信号 　　4～20mA或0～5VDC或0～10VDC或1～5VDC等
●负载特性 　　（电流型）250~1425Ω（电压型）≥2KΩ
●工作温度 　　-10℃～＋80℃
●过载能力 　　200%FS.
●防护等级 　　IP68
●采样频率 ≤2ms
●壳体材质 　　316L不锈钢
●环境温度 　　-40～85℃
●长期稳定性 　≤0.1F·S/年
●温度漂移 　　±0.01%FS/℃

图3-5 KLP-18静压投入式水箱液位变送器
3.6 软启动器概述及选型
因为设计要求三台泵在启动时都要有软启动功能，故而不能采用变频器来代替软启动器，而是需要三台软启动器来与三台电机相匹配。经过比较之后选定了北京欧德利科技发展有限公司潍坊分公司出产的ODLR8系列中的ODL-R8-037-3软启动器。
ODLR8系软起动器的主要作用如下：
第一：有效降低了电动机的起动电流；可减少配电容量，避免电网增容投资。
第二：减小了电动机及负载设备的起动应力；延长了电动机及相关设备的使用寿命。
第三：软停机功能有效地解决了惯性系统的停车喘振问题；是传统起动设备无法实现的。
第四：具有六种独特的起动模式；以适应复杂的电机和负载情况，达到完善的起动效果。
第五：具有完善可靠的保护功能；有效地保护了电动机及相关生产设备的使用安全。
第六：电动机软起动器智能化、网络化技术的应用使得电机控制技术适应了飞速发展的电力自动化技术的更高要求。

第4章 PLC软硬件配置
4.1 I/O地址表
根据系统的功能要求和PLC设计准则，该系统的I/O地址表如下表4-1所示：
表4-1 I/O地址表
地址
代号
信号
地址
代号
信号
I0.0
SA0
旋钮手动运行档
Q0.0
KM1
工频总开关
I0.1
SA1
启动1#水泵(手操)
Q0.1
KM2
1#泵工频
I0.2
SA2
启动2#水泵（手操）
Q0.2
KM3
2#泵工频
I0.3
SA3
启动3#水泵（手操）
Q0.3
KM4
3#泵工频
I0.4
SA4
旋钮自动运行档
Q0.4
KM5
变频总开关
I0.5
SA5
自动运行启动按钮
Q0.5
KM6
1#泵变频
I0.6
FR0
1#水泵故障
Q0.6
KM7
2#泵变频
I0.7
FR1
2#水泵故障
Q0.7
KM8
3#泵变频
I0.8
FR2
3#水泵故障
Q0.8
L1-1
1#泵故障灯
I0.9
FR3
变频器故障
Q0.9
L1-2
2#泵故障灯
I1.0
FR4
变频器上限
Q1.0
L1-3
3#泵故障灯
I1.1
FR5
变频器下限
Q1.1
L2
变频器故障灯
I1.2
FR6
液位下限
Q1.2
L3
液位下限指示灯
I1.3
FR7
消防警报
Q1.3
L4
消防警报指示灯
I1.4
SB0
旋钮总停车挡（无用）
Q1.4
L5
水压超限报警指示灯
I1.5
SB1
1#水泵停车按钮（手操）
Q1.5
L6
用水量下限报警指示灯
I1.6
SB2
2#水泵停车按钮（手操）

I1.7
SB3
3#水泵停车按钮（手操）

4.2 PLC的硬件配置
根据上一节的I/O表可知，该系统需要18个数字量输入信号和16个数字量输出信号，不需要模拟量模块。而且整个系统所需的程序较为简便，即对芯片所需功能要求不严。故而选择CPU 313即可，加上数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322就可以满足要求，而且在输入量上还有一定的裕量。

图4-2 PLC I/O连线图

表4-2 PLC配置模块统计表
序号
名称
型号
说明
数量
1
电源模块
307-1EA00-0AA0
PS307 5A
1
2
CPU模块
6ES7313-5BG04-0AB0
CPU313C
1
3
数字量输入模块
6ES7321-1BH50-0AA0
SM321
2
4
数字量输出模块
6ES7322-1BH01-0AA0
SM322
1

4.3 系统硬件线路设计
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，剩下的水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果有一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。因为要求系统具有倒泵功能，故而系统不可避免的需要将电机在工频和变频状态之间转换，这就要求在变频器输出侧安装接触器以此来完成工作状态的转换。而根据JD-BP32-110F型变频器说明书可知，因为变频器输出电压是脉冲波型，如果输出侧安装有改善功率因数的电容或防雷用压敏电阻等，会造成变频器故障跳闸或器件的损坏，因此需要拆除，另外在输出侧建议不要加空气开关和接触器等开关器件，如图4-3-1所示。（如果必须在输出侧接开关器件，则在控制上必须保证开关动作时变频器的输出电流为零。）

图4-3-1 电机安装注意事项
综合以上可知，为了整个系统的安全起见，最好的办法就是采用硬件控制的形式来控制电动机的继电器开关，使其在电动机带电时不能动作，这样才能最大限度的防止带电时电机开关动作引起的变频器故障。但是阅读系统设计要求后我们会发现，如果采用硬件来实现这一系统，必需增加额外的控制部件，而额外的控制器件也就意味着系统在变的复杂的同时整个系统的造价也会有一定程度的上升，故而综合考虑还是采用软件控制电机启停较为划算。有关软件控制电机启停的具体方法将在下文中涉及PLC具体控制的章节提到，在此不再进行复述。
在下图4-3-2中，三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM6、KM7、KM8分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；KM1为电机工频电路和电闸的隔离继电器；KM5为变频器和电闸的隔离继电器；电闸FU为主电路的熔断器；QF为系统的总电闸。
供水系统主电路设计如图4-3-2所示。

图4-3-2 供水系统主电路图
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器在接通电源的同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM6和KM2、KM3和KM7、KM4和KM8绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4～20mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
4.4 变频恒压供水系统控制流程
在进行具体编程之前，首先要进行的是确定整个系统的控制流程。PLC作为整个控制系统的核心元件，在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频-变频的切换和水泵工作数量的调整。
PLC总程序控制流程图如下：
图4-4 PLC总程序流程图
当系统起动之后，首先检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据预置程序及系统相关的反馈输入信号执行相应的操作。
手动运行模式只在应急或检修时临时使用，主要是在系统出错或器件出问题时临时接管对水泵的操作。
在自动运行模式中，如果PLC接到变频器输出的频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量直至不在收到频率上限信号或者三台水泵全开（如果三台水泵全开则输出水压超限报警信号）。如果PLC接到变频器输出的频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。如果PLC没接到信号则保持现有的运行状态，对泵机的运行不做干涉。
4.4.1 手动运行
当旋钮被旋向手动运行档时，系统处于手动运行状态（相比于原来的按钮控制的手动自动转换，旋钮从根本上避免了误操作）。此时SA1，SA2，SA3分别对应1#水泵的变频运行和2#、3#水泵的工频运行，SB1，SB2，SB3分别对应1#、2#、3#水泵的停车操作，原本设计中SB0是紧急停车按钮，用于在紧急状况下的系统总停车，但是只要程序运行正常，万能转换开关只要转到停车档即可紧急停车。（手动运行模式只在应急或检修时临时使用，主要是在系统出错或器件出问题时临时接管对水泵的操作，故而不需要考虑倒泵功能。）

图4-4-1 手动运行流程图
4.4.2 低恒压值自动运行（生活供水）
变频恒压供水系统自动控制流程如下:
(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