基于PLC的恒压供水控制系统的设计

毕业设计（论文）

毕业论文题目：基于PLC的恒压供水控制系统的设计

摘 要

随着城市化的发展，供水的便利性和稳定性决定了用水的品质，对工作和生活

有着重要的意义。本文设计的变频调速恒压供水系统是以PLC以及频率转换器为主

要控制系统，A/D转换模块将压力传感器检测到的数字信号变成标准的电信号，通过

CPU的PID算法处理的差异，然后由CPU发出控制指令，改变频率可变控制器的频率

和输出电压来改变泵的转速和泵数，比如一台作变速运行时其他两泵作恒速运行。

这样，主管道的压力就稳定在恒定范围内，从而保证了供水能力与用水的平衡。此

外，变频恒压供水是以PLC为基础，并与供水泵、压力表等设备相结合，实现切换

水泵、运行监控、数据报警的功能。

供水系统以用户体积为基础，自动调节参数的节能系统实现了水量的恒定和多

变。该系统能保持稳定的水压，保护需水量，可应用于高层建筑、居民小区、企业

生产等方面。

关键词：PLC；恒压供水；变频调速；组态软件

ABSTRACT

The A / D conversion module changes the digital signal detected by the pressure

nsor into the standard electrical signal, process the difference through the PID

algorithm of the CPU, and then the CPU nds out the control command, changes the

frequency and output voltage of the frequency variable controller to change the speed and

number of pumps, such as The other two pumps operate at constant speed when the

platform is in variable speed operation. In this way, the pressure of the main pipeline is

stable in a constant range, thus ensuring the balance between water supply capacity and

water consumption. In addition, frequency conversion constant pressure water supply is

bad on PLC, and combined with water supply pump, pressure gauge and other

equipment, to achieve the function of switching water pump, operation monitoring, data

alarm.

The water supply system is bad on the ur volume, and the energy-saving system

with automatic adjustment parameters realizes the constant and variable water volume.

The system can maintain stable water pressure and protect water demand, which can be

applied to high-ri buildings, residential areas, enterpri production and other aspects.

Key words: PLC; constant pressure water supply; variable frequency speed

regulation; configuration software

II

目 录

1绪论 ............................................................. 1

1.1 引言 ....................................................... 1

1.2 课题背景及意义 ............................................. 1

1.3 供水系统的国内外研究现状 ................................... 2

1.3.1 国内外发展与现状 ..................................... 2

1.3.2变频供水系统的发展趋势 ................................ 2

1.4 PLC概述 ................................................... 3

1.4.1 可编程逻辑控制器简介 ................................. 3

1.4.2 西门子S7-200系列PLC简介 ........................... 3

2 变频恒压供水系统的理论分析及方案 ................................ 5

2.1 系统的理论分析 ............................................. 5

2.1.1水泵工作原理及节能原理 ................................ 5

2.1.2 供水系统恒压原理 ..................................... 5

2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 ............................. 6

2.2.1控制方案的确定 ........................................ 6

2.2.2 变频恒压供水系统的体系结构 ........................... 7

2.2.3 变频恒压供水系统控制流程 ............................. 9

2.2.4 水泵切换控制分析 .................................... 10

3 系统的硬件设计 ................................................. 12

3.1 系统主要设备的选型 ........................................ 12

3.1.3 水泵机组的选型 ...................................... 13

3.1.4 压力变送器的选型 .................................... 13

3.2 系统主电路设计 ............................................ 14

3.3 系统控制电路设计 .......................................... 15

3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线 .............................. 17

4 系统的软件设计 ................................................. 20

4.1 系统软件设计分析 .......................................... 20

4.2 PLC程序设计 .............................................. 24

4.2.1控制系统主程序设计 ................................... 24

4.2.2 控制系统子程序设计 .................................. 27

5 监控系统的设计 ................................................. 30

5.1 组态软件简介 .............................................. 30

5.2 监控系统的设计 ............................................ 30

5.2.1 组态王的通信参数设置 ................................ 30

5.2.2 新建工程与组态变量 .................................. 31

5.2.3 组态画面 ............................................ 31

1绪论

1.1 引言

水是生命之源，人们对用水品质、安全等问题愈加重视。要实现供水量与消费

量的一致必须要保持恒定的供水压力。以城市的水供给管网络为中心，通过水泵来

驱动泵机产生压力，使网管水流动，从而达到给用户送水的目的。

变频调速恒压供水系统的策略是：通过PLC、频率可变控制器、压力变送器和

电机构成变频调速闭环控制系统，该系统的目的是泵站主管道的出口压力。系统有

三台水泵可用于流量调节，通过对主供水管压力表的实测值和压力表实测值的比较，

通过CPU的PID算法处理的差异，然后CPU发出控制指令，改变泵的转速和泵数，

比如一台作变速运行时其他两泵作恒速运行。这样，主管道的压力就稳定在这些值

之内，从而保证了供水能力与用水的平衡。

[1]

本文实现变频恒压供水系统是以PLC为中心、结合传感器和数字PID技术，监

控方面使用MCGS软件设计。在高峰期启动两个水泵的供水方式是一个耗时的操作，

特别是给高层居民带来供水不便。全速运行，导致严重浪费电。以变频调速为核心，

恒压供水控制系统的应用越来越广泛，具有平稳可靠启动、设备寿命延长等优点。

按照以上要求，首先确定总体结构，实现变频调速用频率可变控制器以及PLC；

其次，设计系统硬件，设置频率可变控制器参数，分配I/O点；最后，在软件设计方

法的基础上，通过对供水系统的分析，设计了软件流程图和梯形图程序。文中介绍

了系统的运行方案、电气原理图、梯形图控制程序和监控系统等。

[2]

1.2 课题背景及意义

现在我国城市建设的发展十分迅速，供水问题在中小城市的高楼建筑中也越发

突出。能够满足供水需求的系统首先要求改善供水水质，供水水压的波动不会引起

供水的故障；其次必须在供水的安全可靠性方面有保证。传统供水使用水塔的方式

虽然控制方式简单且在停电时可实现不断水，但仍然存在诸多缺点：一是不能满足

峰谷使用的要求；二是供水压力大幅度变化，会破坏管道和闸门，导致维护成本较

高；第三，它对环境有一定的影响是不可避免的。

供水系统如今的发展方向是自主控制、高效运行以及节约能源，变频调速控制

方式的优势就是在稳定性和节能结果方面比较突出，起动电流低对网管及电网无打

1

击，在高能耗装备上有普遍应用。我国的供水机泵虽然类型多、范围广且数量大，

但远远比不上国外的先进技术，尤其是在工程标准、技术水平、经济效益等指标方

面。

[3]

变频调速恒压供水系统是自控和变频原理的结合，可随水量的不同自主改变系

统的工作参数，而频率可变控制器的采用使得水泵转速的无级调节得以实现，管网

的恒定水压也得以保持。系统不仅在可靠稳定性上有进步，使用户对供水的需求得

到满足，而且有效减小了水压对设备的冲击，节能效果明显。该系统的设计研究对

于解决现在能源紧缺造成的问题、提高人民生活水平等方面有重大的现实意义。

1.3 供水系统的国内外研究现状

1.3.1 国内外发展与现状

变频调速技术是为了实现控制电机转速、频率和电压发生变化的技术，它在各

种产业中广泛使用，如家电产品、运输、纤维、机械、冶金等化学工业，具有高效

节能、调速平稳、完善的保护功能等优点。为了提高国家能源效率计划，该项技术

是非常重要的。

[4]

随着的电力电子技术和产业自动化技术的发展，世界性能源不足问题也愈发突

出，在定压供给水系统中频率可变控制技术的应用变得更多，水供应环境得到了很

大的改善。通过使用供给网管中的瞬时压力变化，在供给系统的实际时间内调节水

泵的速度，通过开关、PLC等智能控制装置来切换泵电机。可以保持其管网压力设

定点的压力。与高塔的水供应系统和气压水箱供水系统等具有一定速度的传统供水

系统相比，频率可变控制系统供水的稳定性、灵活性和节能性更高。

目前，海外的恒定压力控制技术比国内更先进，用于定压供水系统的频率可变

控制器也相对更成熟，更值得信赖。但是就现状而言，供水技术在国内的发展并不

性和可靠性。

供水系统的未来趋势：采用组合式、简单、高效、节能和自动高信率的自动机

械泵开关；可以自动报警并记录音频数据；与计算机网络产业界的动态动作参数连

接，从计算机的指令被接收为实现水供给系统的智能动作。许多频率可变控制器是

特别为国内外供水系统设计的，集成化程度越来越高。与小功率和小容量场合应用

较广泛相比，国产频率可变控制器大型场合下仍有不足，还需要不断努力的研究设

计才能应用于更大的环境。

1.4 PLC概述

1.4.1 可编程逻辑控制器简介

PLC是基于集成电子控制电路技术的设备，属于计算机家族，广泛应用于制造

业中的工业过程等一系列自动化任务。PLC的开发原本是为了取代继电器而服务于

汽车工业。作为自动化控制器，自那时以来，因为高可靠性而使得其在环境恶劣时

也能应用良好。

[6]

早期的PLC被设计成替代继电器逻辑系统的设备。对低成本、多用途和容易委

托的控制器的需求导致了PLC的发展，如今已被加固并适合于控制制造过程，例如

装配线或机器人装置，可在各种工业应用中快速简单地使用。长久发展下来，PLC

已经具有的强大的功能、完善的控制系统编程方法。与大多数其他计算设备的主要

区别在于PLC可容忍更苛刻的条件同时提供广泛的输入/输出（I/O）以将PLC连接

到传感器和致动器。

1.4.2 西门子S7-200系列PLC简介

SIMAIC S7-200微型PLC系统是一个全功能的可编程控制系统，可以解决大部

分应用程序，适合大多数自动控制设备。每个紧凑的S7-200 CPU单元是完全自包含

的，并且包括CPU、电源和输入/输出点（I/O）。更大的系统，具有附加的I/O、通

信或操作员交互需求，可以通过添加扩展模块来配置。特点如下：

[7]

（1）独立的CPU，结构小而且紧凑，强大的性能；

（2）最优微模块化扩展能力和通信数据的开放性；

（3）简单的离散、浮点数学控制能力；

（4）存储数据和程序的容量大；

3

（5）操作过程和顺序快速而精准。

2 变频恒压供水系统的理论分析及方案

2.1 系统的理论分析

2.1.1水泵工作原理及节能原理

泵是一种利用自然基本的力量通过机械作用来移动流体（液体或气体）的装置。

实质上把水传递输送到目的地，即增加压力把机械能转换为流体能量。当运动的泵

部件（叶轮、叶片、活塞隔膜等）开始移动时，泵内液体也随之移动，空气被推开。

空气的运动产生了部分真空（低压），它可以被更多的空气填充。因此更多的液体因

为大气压力流入水泵内，就这样连续被吸进液池中然后又连续从水泵出口排出。

泵的功率损耗与速度的立方成比例。节流阀模式下电机始终在额定转速运行。

设想在阀门开度为80%时系统稳定，此时设速度为n1，功率为p1。当采用变频方式

时，只有低速电机转速达到额定转速的80%，同时把阀门完全打开，才可以满足同

样的供水需求。则此时两次功率损耗的关系如公式2-1所示。

[8]

p2n20.8n1



0.512



p1n1n1



（2-1）

从公式上看，变频损耗功率与传统方式相比小得多。所以在节能潜力上，变频

恒压供水系统的效果更加明显。

[8]

2.1.2 供水系统恒压原理

供水系统通过控制出口压力来改变管道的控制方式和管网压力设定值。

扬程特性曲线：泵在流量不同时有不同的扬程，如下图2-1。该曲线由于频率变

换速度控制电机改变转速时也发生变化。保持阀门开度不变。

管阻特性曲线：泵管道在不同流量时对应的阻力不同，如下图2-1。

H

HA

扬程特性管阻特性

33

A

QAQ

5

图2-1 供水系统的恒压原理

要达到改变泵流量和扬程的目的，需要使管阻性线与扬程性线的交点发生变化，

即使泵的管道阻力系数发生变化，根本上是使出口阀门开度发生变化。

在该系统中，要达到改变电机的转动速度，就是要使频率变换器的输出频率发

生变化。在转速变化后，管阻特性曲线不变时，与扬程特性曲线相交成为泵新的工

作点上，用水流量Qu和供水流量Qc相平衡，扬程特性和管阻特性同时得到满足，

则此时系统运行稳定。

只有准确控制供水量，系统稳定运行的目的才能达到。在阀门开度恒定时，改

变电机转动速度可以使流量的大小发生变化。用水量增大则供水流量Q增大，管网

供水压力也随之降低，这时需要增大频率可变控制器的输出频率才能保持供水压力

恒定，则水泵的转速也增加，反之亦然。如下公式2-2所示，电动机转动速度n与频

率f成正比，公式中极对数p、转差率s。根据改变电机供电频率改变供水速度进而

改变供水流量，是变频供水系统的原理。

n(1s)

60f

（2-2）

p

通过用户的供水管所设置的压力变送器，将定压供给水系统实时检测基准点水

压和管网络的水压，自动转换成标准电信号。因为是模拟信号，所以需要将实际值

与设定值的偏差比较后进行PID运算，再通过D/A转换器转换为模拟量。控制频率

可变控制器的输出频率，达到对电动机的速度的控制，来控制泵的水的供给流量，

以保持用户的供水管的压力为恒定，实现频率变换和定压供水。

2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定

2.2.1控制方案的确定

根据设计要求，用于实现对供水系统执行机构的控制、自动设备运行状态的显

示、三相电流泵的自动测量、具有过电压报警等保护功能、便于设备故障维修等，

本系统的控制方式需要考虑有两种模式：手动控制和自动控制。根据系统的控制特

点，采用现代控制理论与PID控制相结合，电机调速装置和PLC通过调速器优化泵

运行，自动调节泵的运行单位数，实现对水压的闭环控制，然后控制泵站的水压。

系统运行后，水压泵站主水压和设定的系统反馈更大，与输入CPU的差值进行处理，

6

如果差值超过设定范围，则发出控制指令，使电机转速一致，使主水压和设定压力

值始终保持一致，从而保持稳定的网管压力。

供水系统设计的任务是用频率可变控制器循环控制水泵电压控制装置，使用管

网供水的压力一定，实现泵电动机的软启动和频率变换泵之间的开关，并且实现传

输数据的功能。根据需要，考虑系统的使用场所，本文采用频率可变控制器通用模

式与PLC控制结合实现该变频恒压供水系统。

[10]

2.2.2 变频恒压供水系统的体系结构

系统主要包括控制器、执行器和测量传感器和监控器四个部分，形成一个完整

的闭环调节系统。

控制器主要包括可编程控制器PLC、PI控制器、频率可变控制器和电控组。 控

制器作为整个系统的控制核心，主要用于手动启动和停止各单元，处理模拟量，控

制泵启动和切换、PID控制调节和数据处理。

执行器的构成是变频泵1台和只能运行于起停工作状态的2台工频泵。 变频泵

通过频率可变控制器控制可根据水量的不同改变电机的转速，而工频泵在变频泵达

到频率上限时投入工作。

测量传感部分包括压力变送器、液位变送器、压力表及报警、报警铃，主要用

于测量管网水压信号、水池水位信号和报警信号以及实现SIIEMS运行的水压、流量、

温度等控制策略。防止水泵空转、电机过载等故障。

监控部分中文组态软件，主要用于系统菜单操作、测量信号量化显示参数设置、

故障信息处理、报警信号显示。

供水系统的流程如下图2-2所示。

7

网管压力信号

报警信号

PLC

变频器

水池水位信号

（含PID）

M

液位变送器

水泵机

组

压力

变

送

器

用户

水池

图2-2变频恒压供水系统流程图

变频调速恒压供水系统框图如图2-3所示。将其与给定值比较，设置频率转换器

通过PID进行数据运算处理，输出运行频率。

PID模块可以进行比较、差分操作。当实际供水压比给定值低时，频率可变控制

器的输出频率就会提高，否则会降低，另外差分调节会随着压力的改变而工作。系

统运行后，水压泵站主水压和设定的系统反馈更大，与输入CPU的差值进行处理，

如果差值超过设定范围，则发出控制指令，使电机转速一致， 使主水压和设定压力

值始终保持一致，从而保持稳定的网管压力。

8

给定

PIDD/A

变

频

器

接

触

器

水

泵

机

组

管

道

管网压力

PLC

A/D压力变送器

图2-3供水系统框图

2.2.3 变频恒压供水系统控制流程

实现系统恒压供水是一个闭环控制过程，频率可变控制器执行控制过程，输出

频率不同则使达到改变供水压力的目的，完成整个运行控制过程。

该系统PLC的功能是调整水泵运行数量并且控制交流接触器组在不同需求下进

行工频和变频的切换。

（1）系统开始工作，如上图接通KM1，以变频方式运行1号泵。 根据设定值

与实测量值偏差来调节输出频率，控制1号泵的运行速度。 当它与设定值相同时，

水的供给量与消耗量相同，此时电动机在这个期间内处于调整速度的工作状态。

（2）水消耗变大→ 供水压力变小→ 反馈信息弱化→ 偏差差距加大→ 加大输

出的信号→频率增强→ 转速加快→ 供水量大增→ 转速趋于稳定。 反之，亦然。

（3）水消耗仍然变大→ 频率变换器达到上限但实际压力没有达到设定值→ 输

出上限信号→断开KM1、接通KM2，以工频运行1号泵→ 接通KM3，2号以变频

起动→ 闭环调节继续。

（4）水消耗仍然变大→ 收到上限输出信号→ 断开KM3、接通KM4，以工频

运行2号→ 同时接通KM5， 以变频运行3号泵→ 输出频率达到上限但压力没有→

水压超限报警。

（5）水消耗变小→ 水压变大→ 变频器频率小到下限，实际水压仍高于设定压

力值→ 输出下限信号→ KM5、KM4接通，KM2吸合， 变频启动2号泵→闭环调

9

节继续→ 再次收到下限信号。

2.2.4 水泵切换控制分析

为了确定频率可变控制器的工作频率，PLC通过检测其上限和下限输出频率，

使水的接触器组泵的数量增加或减少。PLC正常运行时，可以通过控制直接连接到

PLC输入的开关按键组来改变输出状态实现控制系统的功能。当手动控制的情况下，

系统可以通过手动按钮直接控制特定的接触器的动作状态来进行硬件工作情况的测

试和调试。在自动控制的情况下，系统可以根据不同的频率可变控制器频率自动调

整交流接触器的工作状态。PLC不但对交流接触器的控制发挥着重要的作用，另

[12]

外具有控制电磁阀的故障点的功能。

有时用水量越增加，一台变频泵效率达不到设定值，此时增加以工频形式运行

的泵来提供供水就有需要，但是合适且不过于频繁的切换才能使系统稳定可靠。

（1）电机运行的上限频率：50Hz。因为电力网络、频率变换器、电动机运行频

率的限制。

（2）电机运行的下限频率：20Hz。由于水泵机组在工作频率减小到某个值时水

已经抽不出来了，此时，供水压力并不会随频率减小而继续降低。 即此时这个比0Hz

大很多的工作频率就作为下限频率，所以选取这个值作为下限频率。

当输出达到频率的上限值时，如果一旦供水压力设定值大于反馈压力即时就开

始控制切换电机，会造成供水压力突然比设定值大太多的情况，那么系统的稳定性

有所降低。所以，在实际应用中，只有明确切换电机条件才能保证系统稳定性，这

就要考虑回滞环思想进行条件分析，如下图2-4。

增泵

△Pd/2

△Pd/2

增泵

设定压力

实际压力

设定压力实际压力

上限频率下限频率

10

图2-4 用于压力判断的回滞环

即：如果频率可变控制器的输出频率达到上限，要想增加电机组，需要在实际

供水压力值比设定值小△Pd/2时才成立；反之亦然。

回滞环表明如果满足切换条件，则实际水压不能满足设定的要求。但完全用满

足这个判别条件来证明需要机组切换是存在例外的，会对系统造成影响。所以有必

要在判别条件中加入延时的判断。

所谓延时判别，主要是当光不能满足目前供电需求的时候，必须进行换机组的

切换，还需要继续保持一段时间，即在延时后才能进行切换操作；反之则不成立，

也就不能进行切换操作。因此，实际的机组切换应满足延时条件且符合公式2-6

[13]

和2-7所示。

增加泵的判别条件：

ff

UP

，

P＜P

fs

P

d

（2-6）

2

减少泵的判别条件：

ff

LOW

，

P P

fs

P

d

（2-7）

2

式中，是上限频率，是下限频率，是设定压力，是反馈压力。

f

UP

P

fP

LOWs

f

11

3 系统的硬件设计

3.1 系统主要设备的选型

电气控制总框图如下图3-1所示。

故障、状态报警、控制上位机、

等量输入等量输出组态等

A/D模块通讯模块

可编程控制器

（PLC）

变频器

压力变送

器

人机界面

水泵机组

图3-1 系统的电气控制总框图

由图3-1可以看出，本文设计的供水系统主要的硬件设备选型包括PLC和扩展

模块、压力液位变送器、频率可变控制器水泵机组如表3-1。

3.1.1 PLC及其扩展模块的选型

可变频率调速恒压供水系统的重点部分是PLC，为了与外部交换数据、采集所

有输入输出信号、控制定压供给水，在选型时指令的执行速度、内存空间、通信接

口等多方面因素要考虑在内。本文选择的是S7-200型PLC，生产于德国SIEMENS

公司，它特点如下：

①高可靠性、紧凑的结构、简单的通信协议、丰富的通信指令，可以连接工业

控制计算机自动完成监测控制。使可编程控制器和上位机实现数据通讯交换可以通

过PC/PPI电缆。

②选用CPU222为PLC的主模块。继电器输出是AC220V。

③对于各种输入信号，EM235通过开关可以进行设置，在接入数模转换端口时

转换能自主进行。

12

3.1.2 变频器的选型

频率可变控制器是这个系统的执行控制程序的硬件。 频率转换器改变出水量是

通过改变频率来改变电机的转速，因此需要根据电动机的电流和功率来选型。 另外

频率转换器需要具有通信功能才能实现监控整个供水系统的功能。 变频器为实现与

上述PLC选型之间数据交换、信息通讯更便捷，则选择西门子的MicroMaster430。

特点如下：

①可根据不同的需要自定义I/O端口功能。 RS-485/232C接口在频率转换器本

身内部就存在，还有它的闭环控制器PI在执行小控制流程时非常便捷。

②输出功率范围为7.5至250KW，可在大功率、高要求的情况下应用。 水泵电

机功率为75KW，则该变频器的输出信号满足成为该电机输入信号的要求。

③便于设备信息传送和数据交流。PLC可与通信端口RS-485直接相连。

3.1.3 水泵机组的选型

水泵机组的选型要根据要求并结合实际，选择的3台水泵是上海熊猫机械有限

公司生产的功率为75KW的SFL系列。

①网管水压应是0.3±0.01Mpa，电动机正常工作时的功率为75KW。

②与用水量变化幅度相同，运行应处于高效率区，节能效果好。

③运行平稳，性能可靠。

④它可以输送清水等流质，低噪音、磨损小、寿命更长。一般用在城市给排水、

空调冷却系统等。

[15]

3.1.4 压力变送器的选型

在泵站的出水口的常设装置，主要有检测管网水压的功能。A/D转换模块的输

入信号是模拟量，而水压信号为数字量，所以需要转化为模拟量，范围是4~20mA。

干扰或者损耗是信号传输过程中不可避免的，所以压力变送器选择4~20mA输出。

①当发出压力上限输出信号则将水泵关闭并报警，防止用电器的损坏或水管爆

裂等问题。

②送给EM235模块的进行PID调节的电流信号是4~20mA，上、下限压力值可

以通过设定来改变，继电器执行输出压力超过限制的信号。

[16]

表3-1 系统主要硬件设备

13

主要设备 型号及其生产厂家

可编程控制器（PLC）

模拟量扩展模块

频率可变控制器

水泵机组 SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限

Siemens CPU 222

Siemens EM 235

Siemens MM 430

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)

3.2 系统主电路设计

KM2、4、6决定以变频方式工作。该供水系统是三个泵的工作方式是依次使用

循环泵。在少量用水时，为避免同台水泵工作时间过长，在变频泵连续运行超过三

小时则要换另一台水泵。

接触器KM1、2，KM3、4，KM5、6需要电气互锁的设计因为如果它们同时闭

合或断开会造成变频、工频状态工作紊乱。

[17]

14

FU

N

L1

L2

L3

QS1QS2QS3QS4

R S T

变频器

U V W

KM1

KM3

KM5

KM2KM4

KM6

FR1FR2FR3

M

M1

3~

M

M2

3~

M

M1

M3

3~

3~

图3-2 变频恒压供水系统主电路图

3.3 系统控制电路设计

设计选择PLC为西门子S7-200系列具有自动变频并实现压力保持恒定的功能。

图3-3为电控系统控制电路图，0.0~0.5为PLC输出软电器触点，其中用于系统工作

在可变频率时的是0.1、0.3、0.5，则0.2、0.4用于工作在工频状态。如图3-4为变频

器接线图。

15

AC220V

N

3#泵变频1#泵1#泵2#泵2#泵3#泵

工频启动变频工频变频工频变频

KM6KA1KM1KM2KM3KM4KM5

HK

自停手

动止动

KM5

KM2

KM1

KM4KM3KM6

⑨ ⑩

⑦ ⑧

③ ④

① ②

SA1

SA2

SA3

1L 0.0 0.1 0.2 2L 0.3 0.4 0.5 N L

S7-200 CPU222

KA2KA3

1M 0.0 0.1 0.2 0.3 2M 0.4 0.5 0.6 0.7

VO-

VO+

RL2

SL

KM1

KM2

KM3

自动

停止

手动

⑤

⑥

1#3#2#

RL1RL2

KA2KA3

自变变变水

动频频频池

故故故

启上下故缺

障障障

动限限障水

图3-3 供水系统控制电路图

16

AC220V

123

125

+10V

0V

AIN1+

AIN1-

DIN1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 22 23 24 25 26 27

压力表

127

129

MicroMaster 430

DIN2

DIN3

DIN4

+24V

AIN2+

AIN2-

AOUT1+

AOUT1-

PTCA

PTCB

DIN5

DIN6

RL1-A

RL1-B

RL1-C

RL2-B

RL2-C

RL3-A

RL3-B

RL3-C

AOUT2+

AOUT2-

KA1

KM1

KM2

KM3KM5

KM4KM6

+5V

KA2KA3KH1KH3

KH2

131

开

关

电

源

GND

115

117

101

HG1HG2HG4HR1HR2HY1

HG3HY3

HY2

N

电

源

指

示

1#

泵

运

行

2#变2#

泵频泵

运故故

行障障

3#

泵

运

行

水1#

池泵

缺故

水障

3#

泵

故

障

103

N

图3-4变频器接线图

3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线

根据以上的控制要求，系统I/O端口分配如表3-2所示。

表3-2 I/O端口地址分配

名称 代码 地址编号

输入自动/手动模式

信号 水池水位上下限信号

频率可变控制器报警信

号

消铃按钮

试灯按钮

压力变送器输出模拟量

电压值

输出信号 1#泵工频运行接触器及指示KM1、HL1

灯

1#泵变频运行接触器及指示KM2、HL2

17

SA1 I0.0

SLH/L I0.1/I0.2

SU I0.3

SB9 I0.4

SB10 I0.5

Up AIW0

Q0.0

Q0.1

灯

续表3-2

Q0.2

名称 代码 地址编号

2#泵工频运行接触器及指KM3、

示灯

2#泵变频运行接触器及指KM4、

示灯

3#泵工频运行接触器及指KM5、

示灯

3#泵变频运行接触器及指KM6、

示灯

输出信水池水位上下限报警指示

号 灯

频率可变控制器故障报警

指示灯

白天模式运行指示灯

报警电铃

频率可变控制器频率复位

控制

频率可变控制器输入电压

信号

结合图3-3以及表3-2，画出扩展模块EM235示意简图如3-4所示。

Uf AQW0

HL9 Q1.3

HA Q1.4

KA Q1.5

HL8 Q1.2

HL3

HL4

HL5

HL6

HL7 Q1.1

Q0.5

Q0.4

Q0.3

18

位

器

N1 2

M

L+

地

M0

V0

I0

增益

偏移

配置

RA

A+

A-

RB

B+

B-

RC

C+

C-

RD

该供水系统包括1个模拟量和4个数字量一共5个输入量。SA1是开关输入量，

送到I0.0是为了选择工作模式是处于白天还是夜晚；水池水位信号是由液位变送器

检测到的，然后转变成电信号在窗口比较器中设置不同的上下限值。若比较器输出

为1则意味着达到了上限值，把这个信号传送到I0.1口；频率转换器的故障报警信

号是将I0.2口与输出端接通；手动检查各灯运行是否正常是将SB7连接到I0.3。

本文设计的系统有输出信号模拟量1个和数字量11个。电机以工频或变频状态

工作输出信号是Q0.0~Q0.5；超过水位上限的报警输出信号是Q1.1；频率转换器故

障的报警输出信号是Q1.2；系统在白天工作则输出信号为Q1.3；输出电铃报警信号

的是Q1.4；频率转换器复频输出信号的是Q1.5；决定频率转换器输出频率大小的是

AQW0输出的模拟信号。

[18]

19

输入变频器

+ -

图3-5 扩展模块EM235示意图

EM 235

压力变送器

输出压力信号

D+

D-

4 系统的软件设计

4.1 系统软件设计分析

结合设计要求，在设计完硬件后，软件的设计应该要考虑能达到实现系统完整

控制要求的目的。在控制系统中，频率可变控制器通过PLC对反馈信号作单闭环控

制。另外，程序应将手动频率控制功能考虑在内。程序设计的主要任务是在执行程

序之前，通过对各种信号来判断当前的系统是否处于稳定运行状态。而对于各操作

任务的实现是通过操作变频器、接触器和继电器等设备来完成的。

（1）水泵切换运行实现恒压效果

要保持供水压力不变，当压力减小时频率可变控制器输出频率就要增加。而且

要根据实际情况考虑，及时判别达到输出频率上限时是否需启动另一台水泵。系统

压力控制程序的设计流程如下图4-1。PLC对压力检测信号进行分析并与设定值比

较。经过PID运算后使其与设定值相同，PLC改变频率参数从而达到供水压力恒定。

当然中断程序处理信号报警的设计也有必要。

开始

程序初始化

管网压力信号采集

N

自动变频开始

Y

数据分析计算

手动

压力是否达到

设定值

N

PID运算程序

运算结果输出到变频器，

进行变频控制

Y

图4-1恒压控制流程图

20

（2）增减水泵电机的管理

由于电动机启动时对电网及设备冲击较大，所以采用软启动方式。软启动之前

应该先将频率可变控制器复位。要产生两个脉冲信号，一个是将正在变频运行的水

泵以工频运行的形式启动，另一个是使在当前泵号加1的水泵以变频运行的形式启

动。其次由3.4节系统设计要求来看，为了避免同一台水泵长时间工作而导致设备的

损耗或故障，水泵必须交替使用。因此当水消耗量少时，已经连续工作三小时以上

的水泵从频率可变控制器上切除，并以工频工作状态运行，而频率可变控制器进行

复频操作并启动另一台新的水泵投入运行。

对于该供水系统的两种工作模式，在选择自动运行时，PLC检测外接信号，如

果要求满足，则将1号电机连接到变频器以变频状态工作，并由压力反馈来对频率

的大小做出调整。按照2.2.3节流程要求控制如下图4-2所示增减水泵。

[19]

21

开始

初始化子程序

频率到达上限，

压力小于设定值

N

变频切换开机子程序

变频泵切换到工频运行，

变频器软启动另一台泵

频率到达上限，

压力小于设定值

N

停机子程序

停止工频运行的机泵

运行结果输出到PLC输出继电器

控制水泵和阀门控制器

结束

图4-2电机增减主程序流程图

系统控制程序中提及的PLC元件如下表4-1所示。

表4-1 PLC元件及其功能

器件功能 器件功能

地址 地址

VD1T37

00

VD1T38

04

22

过程变量标准化值 工频泵增泵滤波时间

控制

压力给定值 工频泵减泵滤波时间

控制

VD1M0.0

08

VD1M0.1

12

VD1M0.2

16

VD1M0.3

20

VD1M0.4

24

VD2M0.5

04

VD2M0.6

08

VD2M2.0

50

VB3M2.1

00

VB3M2.2

01

VD3M3.0

10

T33 M3.1

PID计算值 故障结束脉冲信号

比例系数Kc 水泵变频启动脉冲

(增泵)

采样时间Ts 水泵变频启动脉冲

(减泵)

积分时间Ti 倒泵变频启动脉冲

微分时间Td 复位当前变频泵运行

脉冲

变频运行频率下限当前泵工频运行启动

值 脉冲

变频运行频率上限新泵变频启动脉冲

值

PID调节结果存储泵工频/变频转换逻

单元 辑控制

变频工作泵的泵号 泵工频/变频转换逻

辑控制

工频运行泵的总台泵工频/变频转换逻

数 辑控制

变频运行时间存储故障信号汇总

器

工频/变频转换逻辑水池水位越限逻辑

4.2 PLC程序设计

本文开发PLC控制程序采用的是STEP 7-MicroWIN-V40编程软件，由西门子公

司提供。指令集包含语句表、梯形图和功能块图三种语言。

[20]

4.2.1控制系统主程序设计

下图4-3为主程序流程，主要有以下几部分：

（1）设置子程序初始化的调用。

当系统投入运行时，要检测各部分是否能正常运行。由子程序调用命令实现对

频率转换器上下限值、PID参数的赋值。初始化后进行供水压力给定值、运行水泵数

量的设定。

（2）增加或减少工频泵投入数量。

PID输出信号≥ 频率转换上限且水泵工作平稳时，增加或减少水泵数量要在定

时器设置的计时5分钟后才执行。 PID输出信号≤ 频率转换下限亦然。

[21]

24

开始

调用初始化子

程序

设置两种模式

下水压给定值

设定变频泵号

N

程序结束

产生故障结束脉

冲

变频泵号置1，

工频泵数置0

Y

是否有报警

N

变频器频率

达上限

Y

定时5min，滤波

工频泵数加1，产生

变频启动脉冲

变频器故障报警

Y

变频器故障

N

水位越限报警

Y

变频器频率

达下限

N

水位水池越限

N

定时5min，滤波

工频泵数减1，产生

变频启动脉冲

1#、2#、3#泵工频

运行控制

1#、2#、3#泵变频

运行控制

是否增泵或倒泵

N

产生倒泵信号

Y

复位变频器，

变频泵号加1

变频泵单独运行

时间达3h

N

调整变频泵产生当前泵工频运行，下

号，遇4变1台泵变频运行启动脉冲

图4-3 供水系统主程序流程图

（3）确定变频泵号；

频率转换启动脉冲信号→ Q0.1为高电平→闭合KM2 常开→ 频率转换器运行

→ 1号以变频状态工作→ 打开KM2常闭→ KM1线圈失电→ 互锁→ KM2常开自

25

锁。图4-4是以2#泵为例的变频运行控制流程图。

（4）控制各水泵的工作状态；

工频启动脉冲信号→ Q0.0为高电平→ KM1线圈得电→ 闭合KM1常开→ 1

号以工频状态工作→ 打开KM1常闭→ KM2线圈失电→ 互锁→ KM1常开自锁。

图4-5是以2#泵为例的工频运行控制流程图。

（5）进行报警和故障处理。

发生报警时，对应水池水位超限和频率转换器故障的警报灯亮铃响。发生故障

后，变频器频率被复位，并且根据实际情况设置新的水泵投入运行。故障结束信号

在故障完成后发出。

[22]

26

开始开始

是否有变频启动是否有工频运行

脉冲信号脉冲信号

N

N

Y

Y

N

变频泵号

是否为2

几号泵变频运行？

Y

系统是否故障

N

3#泵1#泵

变频运行变频运行

Y

是否无变频器

复位脉冲

N

NN

工频泵数是否大于工频泵数是否大于

01

YY

Y

Y

2#泵是否

工频运行

Y

N

2#泵是否变频运行

N

2#泵变频运行

2#泵工频运行

结束

结束

图4-4 2#泵变频/工频运行控制流程图

4.2.2 控制系统子程序设计

（1）SBR_0初始化子程序

变频运行的上下限频率初始化，程序梯形图如图4-6所示。

27

图4-6子程序初始化梯形图

（2）PID控制中断子程序

[23]

具体程序梯形图如图4-7所示。

28

图4-7 PID控制INT_0梯形图

5 监控系统的设计

5.1 组态软件简介

（1）图形界面系统：系统工作运行时图形画面；

（2）实时数据库系统：实时存储现场数据参数；

5.2 监控系统的设计

5.2.1 组态王的通信参数设置

如下图5-1所示，在出现的对话框中设置波特率为19200bit/s。

图5-1 串行通信接口参数设置

30

图5-2 通信协议的设置

5.2.2 新建工程与组态变量

新建恒压供水系统工程，如图5-3新建输入输出变量。

图5-3 定义变量对话框

5.2.3 组态画面

用同样的方法组态所有变量如图5-4。建立新的画面→ 绘制动态监控的画面→

编写控制流程程序→建立按钮、指示灯的组态。

31

图5-4 数据词典中的变量列表

5.2.4 监控系统界面

在本系统中，根据需要共开发了5个界面，系统运行主监控界面如图5-5所示。

32

图5-5 恒压供水系统监控界面

6 结论

本文结合生活实际，设计的恒压供水系统是以PLC以及频率转换器为主要控制

系统。A/D转换模块将压力传感器检测到的数字信号变成标准的电信号，通过CPU

的PID算法处理的差异，然后由CPU发出控制指令，泵的数量和转速随着频率转换

器的频率和输出电压而变化。要达到供水能力与用水的平衡，只要通过改变供水量

大小即调整水泵性能曲线，这样就能使管网压力恒定。此外，变频恒压供水是以PLC

为基础，并与供水泵、压力表等设备相结合，实现切换水泵、运行监控、数据报警

的功能。该系统具有简单可靠、节能高效、减少污染等等优点，可广泛应用于高层

建筑、居民小区、企业生产等方面。

致 谢

随着论文的完成同时也宣告了我的大学生涯在这里就接近尾声了，从最初的选

题，开题报告答辩再到中期提交初稿，这一路走得也很是曲折，但在老师同学的帮

助下顺利的完成，真的很感谢大家。

首先，我要特别感谢我的指导老师对我的悉心指导，从带我们选题到答辩，都

对我的论文写作给予了大量的帮助与指导，无法面对面交流，我们就通过邮箱，每

一次写作上的瑕疵导师都会给我指出来，我很荣幸成为您所带的学生。幽默风趣、

博学睿智、认真严谨这样的老师让我从您身上学到了许多终生受益的东西，在这里

我想向您认真的说一声谢谢，谢谢您的耐心与专业，也谢谢您的指导与帮助。

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