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输出信1#泵工频运行接触器及指示灯 KM1、HL1 1#泵变频运行接触器及指示灯 KM2、HL2 2#泵工频运行接触器及指示灯 KM3、HL3 2#泵变频运行接触器及指示灯 KM4、HL4 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 AQW0 号 3#泵工频运行接触器及指示灯 KM5、HL5 输出信3#泵变频运行接触器及指示灯 KM6、HL6 水池水位上下限报警指示灯 变频器故障报警指示灯 白天模式运行指示灯 报警电铃 HL7 HL8 HL9 HA KA Uf 号 变频器频率复位控制 变频器输入电压信号 结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3.4所示：
4681012141618202224N12＋－压力变送器输出压力信号1L0.00.10.20.3。2L0.40.50.60.71.03L1.11.21.31.41.51.61.7。地NL1Q02×RS485Q1CPU 226 CNI0I1I2AC增益1M0.00.10.20.30.40.50.60.71.01.11.21.31.42M1.51.61.72.02.12.22.32.42.52.62.7ML+SA1SB7SU水位上下限信号窗口SLHL比较器输入变频器液位变送器偏移配置ML+地M0V0I0RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+D-EM235
图3.4 PLC及扩展模块外围接线图
本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输
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入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。
本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
图3.4 只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等。
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第4章 系统的软件设计
4.1 系统软件设计分析
硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：
(1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理
为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。
(2) 多泵组泵站泵组管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。
(3) 程序的结构及程序功能的实现
由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。
程序中使用的PLC元件及其功能如表4.1所示。
表4.1 程序中使用的PLC元件及其功能 器件地址 VD100 过程变量标准化值 功 能 器件地址 T37 工频泵增泵滤波时间控制 功 能 23
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VD104 压力给定值 T38 工频泵减泵滤波时间控制 VD108 VD112 PID计算值 比例系数Kc M0.0 M0.1 故障结束脉冲信号 水泵变频启动脉冲(增泵) VD116 采样时间Ts M0.2 水泵变频启动脉冲(减泵) VD120 VD124 积分时间Ti 微分时间Td M0.3 M0.4 倒泵变频启动脉冲 复位当前变频泵运行脉冲 VD204 变频运行频率下限值 M0.5 当前泵工频运行启动脉冲 VD208 VD250 变频运行频率上限值 PID调节结果存储单元 M0.6 M2.0 新泵变频启动脉冲 泵工频/变频转换逻辑控制 VB300 变频工作泵的泵号 M2.1 泵工频/变频转换逻辑控制 VB301 工频运行泵的总台数 M2.2 泵工频/变频转换逻辑控制 VD310 T33 变频运行时间存储器 工频/变频转换逻辑控制 M3.0 M3.1 故障信号汇总 水池水位越限逻辑 T34 工频/变频转换逻辑控制 T35 工频/变频转换逻辑控制 24
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4.2 PLC程序设计
PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言[14]。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。
PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。
4.2.1控制系统主程序设计
PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。
(1) 系统初始化程序
在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。
(2) 增、减泵判断和相应操作程序
当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。
(3) 水泵的软启动程序
增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。
当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。
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