高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

4 系统软件开发

4.1 PLC控制程序的设计

4.1.1全自动变频恒压运行方式水泵运行状态及转换过程分析

1．转换过程分析

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，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号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，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。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数，直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并开始运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。

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，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，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。

2．供水状态及其转换关系

供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。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锈死现象，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。

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。

3．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；

4．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。

减泵过程是在满足减泵条件的前提下，通过PLC控制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。

增泵过程的实现相对复杂一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。切换过程主要考虑三方面的问题：

第一，切换过程的可靠性。决不允许出现变频器的输出端和工频电源相连的情况，这一点通过控制电路、PLC内部软继电器的互锁及PLC控制程序中动作的时间先后次序来保证。

其次，切换过程的完成时间。时间太长，原变频运行的电机转速下降太多，一方面造成水压下降大，另一方面在接下来切换到工频时冲击电流大，时间太短，切换过程的可靠性下降。具体时间还需根据电动机的容量大小来设定，容量越大时间越长，一般情况下500ms足够。

再次，切换过程的电流。因变频器输出电压相位和电网电压相位一般不同，当电机从变频器断开后，转子电流磁场在定于绕组中的感应电压与电网电压往往也存在相位差。此时，切换到工频电网瞬间，如果二者刚好反相，则将产生比直接起动时的起动电流更大的冲击电流，反过来对变频器造成冲击。

4.1.2 PLC程序设计方法

1．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，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器——接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程。绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。

指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成。比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表。编程设备简单价

廉。

状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。

高级语言类似于BACIC语言、C语言等，在某些厂家的PLC中应用。

2．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：

(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，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。

3．PLC程序开发平台

不同公司的PLC采取的开发平台不同，这次设计采用MITSUBISHI公司提供的Windows环