天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
第四章 PLC 控制程序
第一节 水泵工频/变频运行状态及转换过程分析
一、供水状态及其转换
供水状态是指供水时按照用水量的大小设定投入运行的水泵台数及运行状况。根据城区用水量可分为小、较小、较大和大四种情况，并分别由辅助泵、一台主泵变频、两台主泵一工一变及三台主泵两工一变投入运行。启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。
当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。
二、状态转换关系
为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。若有N台水泵参与变频调速，则满足“先起先停”原则的最大有效状态数为N2+1。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。
本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，见表 4-1
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表4-1 系统供水状态
用水量 小 状态符号 S0 S20 较小 S21 S22 S23 较大 S24 S25 S26 大 S27 S28 供水状态 辅助泵运行，1、2、3#停机 1#变频运行，2、3#停机 2#变频运行，1、3#停机 3#变频运行，1、2#停机 1#工频运行，2#变频运行，3#停机 2#工频运行，3#变频运行，1#停机 3#工频运行，1#变频运行，2#停机 1、2#工频运行，3#变频运行 2、3#工频运行，1#变频运行 3、1#工频运行，2#变频运行
各状态之间的转换关系见图4-1：
图 4-1 供水状态转换图
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图中，箭头向下为增泵过程，箭头向上为减泵过程。从图4-1可见，供水状态之间的转换不但和转换条件有关，还与其目前所处的供水状态有关；由辅助泵切换到主泵供水也遵循有效状态循环方式，即上一次启动1#主泵，则下次由辅助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。
三、状态转换条件
供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为X1，水压达到设定压力下限值时的欠压信号为X2，水压达到设定压力上限值时的超压信号为X3。
从辅助泵切换到主泵条件：满足X2；
从主泵切换到辅助泵条件：同时满足X1、X3； 增泵条件：同时满足X1、X2； 减泵条件：同时满足X1、X3。 四、状态转换过程的实现方法
从辅助泵切换到主泵只需断开辅助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动一台主泵的运行即可。从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将辅助泵直接投入工频运行即可。
第二节 PLC 程序设计方法
一、PLC 编程语言
PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式：梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令。
二、梯形图语言编程的一般规则
通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有[11]： （1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母
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线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。
（2）梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流，层次的改变也只能自上而下。
（3）梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1”态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0”态。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
（4）梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
（5）继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
（6）PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的。
第三节 供水系统控制程序
1、系统初始化模块
在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120, D8121 ,D8129 的通信参数；置标志M6=1，在自动运行时，首先起动辅助泵进入S0状态:置标志M0=1，保证辅助泵运行状态首次S0转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。
2、水泵运行与状态转换模块 （1） 辅助泵/主泵的转换
主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态S11转入S0的过程。PLC置输出继电器Y1为0，同时置Y7= 1。
辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，
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关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态S0转入S11的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器M3，M2， Ml 作为S20，S21，S22状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证状态S20，S21，S22的循环。
（2） 主泵的增加
增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Y16得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令BX生效，切断变频器输出，延时500ms后，将主水泵与变频器断开，延时l00ms，将其转为工频恒速运行，同时PLC的Y16失电，BX指令取消，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。
（3） 减少主泵的状态转换模块
减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。
水泵运行状态转换模块流程图如图4-2所示；根据水泵运行状态转换模块流程图编制的辅泵/主泵、主泵（S20→S23→S26）之间切换的部分程序见附录，（S21→S24→S27）及（S22→S25→S28）之间的切换雷同，略其程序
输出极限频率X1
YES YES 压 力 上 限 减泵 X3？ NO 维持 NO
压力下限X2?
YES 加泵 图4-2 比较环节流程图 26