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基于plc的恒压供水系统

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1　绪论

1.1　选题的目的和意义

稳定的供水是人民生活质量的重要保障之一,但由于城市建设步伐的加快,高层

建筑越来越多,使居民的生活存在自来水管管道压力不足的现象,特别是供水的高峰

期的高层居民用水尤为突出,给居民的生活带来困惑。

所以优秀的供水条件是人们追

求高质量生活的必要条件。

以往的水塔供水方法有很多缺点和无法改变的诟病，这

种方法必须做出更新，不但投资大同时不利于房屋的维护和抗震，此外水箱还容易

对水造成二次污染。

管网压力不稳定是水塔供水的致命缺点，无法维持正常生活用

水的稳定。

以前的供水方法已经不能满足正常生活的需要，变频恒压供水控制系统的的方

案逐渐突出。

随着科技的发展,变频调速技术也迅猛发展起来,用户供水系统也逐步

采取变频技术供水来取代以往的水塔供水,先进的变频调速供水方式不仅可以提高用

户对供水系统的满意度而且具有显著的节能效果。

变频调速供水方案解决了以往供

水方式的种种不足，此外还能延长整个供水系统的使用寿命。

变频恒压供水控制系

统是个闭环控制系统，它是通过检测管道压力，然后利用 PLC 控制变频器的输出频

率和多台水泵的启停及工作方式，实现管道的恒压供水。

1.2　当今国内外变频恒压供水控制系统发展状况

变频调速技术经过多年发展，其功能的局限性逐渐缩小，恒压供水在其基础之

上也逐渐发展起来。

在变频没有应用到恒压供水领域之前，国外生产的变频器功能

也非常有限，它也就只能对频率进行控制、对电机的正反转进行控制、对电机升速

和降速进行控制以及对启动和制动进行控制。

变频器在整个恒压供水控制系统中仅

作为被控制单位，它在可编程控制器的控制下输出相应频率。

在不同的时间点，用

户对用水量的需求也不相同，为了满足用户的用水量的同时，确保管道压力恒定不

变，必须在管道内安装压力传感器，压力传感器把管网中的压力反馈到 PID，最终

达到 PLC 对压力进行闭环控制的效果。

从目前国外恒压供水系统设计的情况来看，国外的设计思路大多数是一台变频

器只带一台水泵，基本没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的方式，即一套供

水系统需要多台变频器和多台水泵，这样的方式投资成本太高。

变频技术被良好的

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应用在恒压供水设计之后，恒压供水系统也愈变稳定可靠。

恒压供水系统的很多优

点得到大家认可后，设计人员也逐步提高它的自动化程度。

除了高自动化程度、稳

定的性能、超高的可靠性以外，它的节能效果被大家发现和认可。

在变频恒压供水

必将取代以往供水方式的势头下，很多变频器生产厂家开始研发具有变频恒压供水

功能的变频器，这样就开发出了变频恒压供水基板，采用这种高集成化的恒压供水

模块，就可直接控制数个内置的继电接触器工作，最终可组成多个水泵的变频恒压

供水控制系统。

这种高集成化的设备虽然缩小了电路结构，降低了设备批量化生产

的投资成本，但其输出端口的扩展功能不具有灵活性，整个系统的动态稳定性低，

与别的上位机系统和组态软件难以实现数据通信，此外限制了带负载的能力，因此

在实际供水应用中，它作用范围将受到很大局限。

目前，国内也有很多公司在对变频恒压供水系统进行研发和生产，主要是针对

对水管管道压力的闭环控制以及对多台水泵进行轮换控制，一些厂家设计是运用可

编程控制器（PLC）和其他模块来实现，还有的一些厂家设计是运用单片机和相应的模

块予以实现。

这两种变频恒压供水方式在实际应用中看，它的系统动态稳定性、抗

干扰性以及各种场合的适应能力等各方面的指标来看，还没有达到理想的状态。

这

种变频器把 PID 调节和循环逻辑控制模块集成在变频器内部实现，但是它带负载的

能力受到极大的限制，此外不具有通信功能是其致命的缺点，因此只适合容量小，

控制要求简单的供水场合。

高集成化、便捷的操作是当前变频恒压供水系统的发展方向，在国内和国外，

很多厂家在生产恒压供水专用变频器，这种变频器集成度非常高，它集成了 PLC 模

块和 PID 模块，有的甚至连压力传感器都集成到变频器组件中。

简化了维护操作，

同时也显著的降低了维护成本。

目前国内有很多公司在研发和生产变频恒压供水，

他们大多是直接进口应用国外生产的变频器，只有少许是采用国产变频器，但是国

产变频也主要进口国外的元件进行组装。

通过变频器结合其他控制模块实现变频恒

压供水。

在如此激烈的竞争中，国产变频器也在迅速的发展。

国产变频器主要针对

小容量、控制要求低的恒压供水场合，因其低廉的价格在小容量和控制要求低的场

合占有相当一部分。

当前在国内外变频恒压供水控制系统的设计中，还没有既能适

用于各种控制要求，又能承受负载容量大，此外还需有和外界通信功能的系统。

目

前对水压闭环控制系统研究还不够。

因此，要进一步研究，以提高恒压供水系统的

性能，使它可以在生活，生产实践更好地利用。

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2　设计方案的确定

2.1　任务要求

变频恒压供水控制系统通过检测管网压力，PLC 控制变频器的输出频率，最终

使管网的压力恒定。

当系统开始工作时，如果管网压力低于设定值，PLC 启动一台

水泵，并通过程序控制变频器的运行频率，使其逐渐上升，当管网压力升至设定值

时，水泵保持当前运行状态，保持水压恒定在设定值；如果当前水泵运行频率上升

到电网工频时，此时管网压力还未达到设定值，此时控制系统自动将此水泵切换至

工频电网，启动第二台水泵，并调速至水压达到设定值，是水压恒定。

还有一台水

泵一般当做备用泵。

当用水量变化，当网管压力很低时，管网水压超过设定值，PLC

控制变频器逐渐降低输出频率，当变频器输出频率降低至零时，PLC 关闭此台泵，

将另一台工频运行的水泵切换到变频运行，调节水压至设定值。

2.2　任务分析

变频恒压供水控制系统采用一台变频器控制三台水泵，首先用变频器启动一台

水泵，当水泵达到工频时，将水泵切换至工频运行，然后用变频器启动下一台水泵。

当变频器输出为零时，停止水泵，然后将工频运行的水泵切换至变频运行，由变频

器控制。

水管压力设定可以在 PLC 程序里设定。

水泵由变频切换至工频时，采用先切后头的控制方式。

即先停止变频器，使水

泵自由停车，然后断开变频器与水泵间的接触器，再接通水泵与工频间的接触器，

完成变频到工频的切换。

水泵由工频切换至变频时，也采取先切后投的方式。

即先

断开水泵与工频间的接触器，使电动机处于自由停车状态，然后接通水泵与变频器

间的接触器。

使用变频器的捕捉再启动功能，使变频器可以跟踪电动机转速，直至

变频器输出频率与电动机转速同步，再将电动机调节至设定速度。

变频器采用西门子 MM440 水泵、风机专用变频器。

PLC 通过程序逻辑控制变

频器的启动、停止和调速。

2.3　工艺流程图

程序主要依据压力传感器给定的模拟量输入与设定值进行比较，确定水泵是由

变频向工频切换还是由工频向变频切换，变频恒压供水自动运行状态下的逻辑框架

如图 2.1 所示。

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PLC

设定压力PID调节变频器水泵水压

压力变送器

图 2.1 变频恒压供水的逻辑框架图

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3　硬件系统设计

3.1可编程控制器的介绍

可编程控制器（ProgrammableController），亦可简称 PC，但为了和个人计算机

（PC）区分，现多称为 Programmable Logic Controller，简称 PLC。

计算机和继电接触

器技术的结合有了可编程控制器，其功能包括逻辑控制和定时等，逐渐取代了继电

接触器。

3.1.1　PLC 的特点

PLC 是综合继电器。

从继电接触器发展而来，也具有计算机的特点，这就使

PLC 的优点更加的明显。

（1） 稳定性强

PLC 是为了适用工业生产而诞生的，集成电路组成了其内部，并由软件实现控

制，外部接线减少，使用更加的方便。

另外，硬件和软件采取了一系列提高可靠性

和抗干扰性的措施，而且本身也具有自检的功能，因此可靠性高、抗干扰力强、运

行稳定。

（2） 应用灵活

PLC 产品种类繁多，其优点是采用模块式结构，方便扩展和组合，可以更好的

满足用户的各种复杂的需要。

（3） 编程方便

PLC 的编程采用梯形图语言，用户非常容易读懂。

且有单独的加强的编程模块，

更加地方便使用了。

（4） 功能强以及扩展能力强

PLC 除了具有一般可编程的控制器具有的功能外。

PLC 的通信接口还可与计算

机和其他 PLC 联网[1]，完成信息的交换，使整个系统更加的强大。

它不仅可以控制

单个作业环节，还可以控制多个作业环节或者一条生产线。

远程和现场控制都是可

以实现的。

（5） 它可以方便的调试和设计

PLC 可以进行空闲编程设置，还可以方便地进行模拟量调试。

这就远远优于需

要现场调试的继电器-接触器控制系统。

PLC

编程器

监控设备

外存储器

打印机

条码读入器

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（6） 维修方便

PLC 可以进行自诊断，就大大减少了人工。

自诊断可以让维修人员很快地找到

故障部位，并迅速地排除故障。

（7） 便于组装

PLC 体积轻巧的特点让其易于运输和安装。

通过电气控制方式实现 PLC 的强大

功能就大大减少机械结构的设计[2]，为实现机电一体化奠定了基础。

3.1.2　PLC 的组成

PLC 包括微机技术和控制技术，使之具有与一般微机系统相类似的特点。

如图 3.1

所示是 PLC 的基本组成。

存储器（ROM/RAM）

系统程序+用户程序

外

I/O

扩

展

模

块

扩

展

接

口

中央处理器

CPU

部

设

备

接

口

输入接口电源输出接口

输入设备输出设备

图 3.1 PLC 的基本组成

（1） 中央处理单元（CPU）

CPU 是核心。

不同机型的 PLC 配置不同的 CPU。

小型 PLC 和中型 PLC 分别用

的是 8 位通用微处理器和 16 位通用微处理器[3]。

但是大型 PLC 则主要采用高速位片

式处理器[3]。

其主要特点是

（a） 用户程序和数据输入到编程器再传给 PLC。

（b） 可以对电源、内部电路的进行工作故障和语法错误的诊断。

（c） 输入映像寄存器或数据寄存器中存放现场传给输入接口的现场数据或状态。

（d） 执行用户程序。

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（e） 执行结果，更新状态，由输出单元控制。

（2） 存储器单元

存储器主要有两种：

一种是既可读又可以写的存储器 RAM；另一种是只读存储

器 ROM、PROM、EPROM、EEPROM。

系统程序是在生产 PLC 时编辑在硬件上的，为 PLC 的运行提供平台，用户是无

法修改和访问的[4]。

PLC 的控制对象决定用户程序，用户根据生产要求编制应用程序。

干扰对 RAM

中程序有破坏，为减少破坏可将其固化在只读存储器 EEPROM[5]。

现在 EEPROM 作

为用户存储器也是 PLC 中较常见的。

（3） 存储器单元

电源单元把电源转换后提供给 PLC。

当然也有电源单元作为负载电源，由 PLC

的 I/O 接口把直流 24V 电源提供给负载。

开关电源长作为 PLC 的常用电源，有较宽

的输入电压，较强的抗干扰能力。

电源单元隔离了输入与输出，是为了外界的扰动

不影响 PLC 的正常工作。

（4） 输入/输出单元

PLC 通过输入接口检测到控制对象的数据和状态，PLC 也通过输出接口[6]把结

果传给被控对象，达到目的。

（5） 接口单元

扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口组成了接口单元。

I/O 单元也是接口单元，以电信号联系了 PLC[6]与工业现场。

当然也可以靠接口

单元与外部联系。

3.1.3　PLC 的工作原理

（1） PLC 的循环扫描工作方式

PLC 既有继电器的工作特点，又具有微机的工作特点，但又拥有自己的特点，

与继电器和微机不尽相同。

扫描方式对用户程序的执行，从第一条用户程序开始扫描，按从上到下，从左

往右的顺序，逐条执行用户程序，如果有中断程序或者子程序也要执行。

然后又返

回到第一条指令再次执行用户程序，这样不断地重复执行程序。

（2） PLC 的扫描工作过程

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PLC 在整个扫描的工作过程中，不仅要对用户程序进行扫描，还要完成 PLC 内

部处理和与外部模块的通信服务[7]等工作，包括内部自诊断、通信处理、处理用户程

序，如图 3.2 所示。

内部处理

通信处理

用户程序处理

信号采样、逻辑运

算、输出刷新

图 3.2 PLC 的扫描工作过程

当 PLC 处于停止（STOP）状态时，只执行前两个阶段，即只作内部处理与自诊断，

与外设进行通信处理；当 PLC 处于（RUN）状态时，不仅可以内部处理与自诊断、与

外设进行通信服务工作，还可以完成输入采用、用户程序执行、输出刷新工作。

3.2变频器在恒压供水系统中的应用

在此设计中所采用的是 MICROMASTER440（MM440）变频器[8]。

该变频器是西

门子公司生产的一款易于灵活运用、安装方便和调速优秀的变频器，有牢固的 EMC

设计[9]、对控制信号响应准确迅速、调速范围大等特点。

变频器在恒压供水控制系统中是个在 PLC 控制下的执行机构。

这个系统开始是

通过压力传感器对管道压力进行检测，传感器的输出电压信号送给 PLC，PLC 经过

内置 PID 算法模块，把实时检测到的管网压力和给定压力进行比较，PLC 中的程序

对比较的结果进行处理输出信号，信号输出到变频器，对变频器的输出频率进行调

节，最终达到控制水泵转速的目的，达到恒压效果。

3.3　I/O 分配表

根据控制要求与设计方案，列出 I/O 分配表，如表 3.1 所示。

表 3.1 I/O 分配表

输　　入输　　出

L

Q0.0

Q0.6

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.7

AQW0

……

CPU224 XP

M

I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

I1.1

I1.2

AIW0

L

……

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PLC 地址功能PLC 地址功能

I0.0手自切换Q0.0一号泵变频

I0.1一号泵启/停Q0.6一号泵工频

I0.2二号泵启/停Q0.2二号泵变频

I0.3备用泵号启/停Q0.3二号泵工频

I1.1自动启动Q0.4备用泵变频

I1.2自动停止Q0.5备用泵工频

AIW0管道压力Q0.7变频器启动

AWQ0变频器频率

3.4　I/O 接线图

根据所设控制要求及 I/O 分配表，画出 I/O 接线图，如图 3.3 所示。

变频器输

入端口

220V

24V

10V

图 3.3 变频恒压供水控制系统 I/O 接线图

3.5　硬件电路接线图

根据实际 PLC 模块，I/O 分配表和 I/O 接线图，连接 PLC 和变频器各模块，并

通过 PC 机联机，实现程序控制要求。

如图 3.4 所示。

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图 3.4 硬件电路接线图

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4　软件系统的设计

4.1　程序的流程图

程序主要依据变频恒压供水系统控制工艺,根据各环节所需求的不同进行编制的,变

频恒压供水的流程如图 4.1 所示。

启动

一号水泵变频

运行

设定管网压力

值

N

管网压力≠压力设定值

Y

水泵变频调节、水

泵工-变频切换和

增减工作泵

管网压力=压力设定值

N

Y

水泵正常运行

停止

图 4.1 变频恒压供水的流程图

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4.2　梯形图程序

根据控制要求、I/O 分配表，设计 PLC 梯形图，如图 4.2 所示。

PLC 程序分为 1 个主程序和 7 个子程序。

7 个子程序分别为手动子程序、自动子

程序、自动子程序 SBR_4、自动子程序 SBR_5、自动子程序 SBR_7、运行灯子程序

和 PID 向导自动生成的子程序。

（1） 主程序：

网络 1 和 2 是主程序里调用手动程序和自动程序。

在网络 1 中，当手/自动切换

旋钮切换至手动时，执行手动程序。

在网络 2 中，当手/自动切换旋钮切换至自动时，

执行自动程序。

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网络 3-6 是调用 PID 调节程序。

在网络 3 中是给予管道压力设定值。

在网络 4

中，当手/自动切换旋钮切换至自动。

在网络 5 中，当 PID 为手动方式，由变频转为

工频时，将 0 赋值给 PID 手动输入。

因为从变频切换至工频，在切换完成时，上一

台水泵变为工频运行，变频器需从 0Hz 开始启动下一台水泵；由工频转为变频时，

将 50 赋值给 PID 手动输入。

因为在工频切换为变频时，水泵是以工频运行的，切换

到变频后，水泵仍有很高的转速，所以需使变频器从 50Hz 开始调节水泵转速，达到

设定的管道压力。

在网络 6 中，每个周期都需调用 PID 调节子程序 PID0_INIT。

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在网络 7 中，在手动切换为自动或自动切换为手动时，断开三台水泵的变频及

工频接触器。

在网络 8 中，每个扫描周期都要调用运行指示灯子程序。

网络 9 和 10 是用来轮换备用水泵工作的，在水泵不在自动运行状态下，按下轮

换按钮，备用泵就轮换一次水泵。

（2） 手动子程序：

在网络 1 中，在手动方式下，断开变频器与所有电动机间的接触器。

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在网络 2 中，若一号泵启/停拨钮拨至启动位置，并且一号泵没有变频启动，则

一号泵工频启动。

在网络 3 中，若二号泵启/停拨钮拨至启动位置，并且二号泵没有变频启动，则

二号泵工频启动。

在网络 4 中，若备用泵启/停拨钮拨至启动位置，并且备用泵没有变频启动，则

备用泵工频启动。

（3） 自动子程序：

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自动子程序有三个调用子程序，分别是三种轮换状态。

在网络 1 中，系统运行

1 号泵和 2 号泵。

经过 1 次轮换后，系统运行网络 2 即备用泵和 2 号泵。

再经过 1 次

轮候，形态就运行网络 3 即 1 号泵和备用泵运行。

自动子程序 SBR_4：

网络 1 和网络 2 是自动启动和自动停止程序。

在网络 1 中，在自动方式下，当

按下自动启动按钮时，系统将自动运行。

在网络 2 中，在自动方式下，当按下自动

停止按钮时，系统将自动停止，停止变频输出。

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网络 3 到网络 5 是变频向工频切换的准备程序。

当 PID 输出为 100%时，也就是

变频器的输出达到 50Hz，同时当前运行的泵好不大于 2 时，启动自由停车延时

T39。

水泵运行的频率达到 50Hz 持续 1s，那么变频器停止输出，同时启动断开变频

延时定时器 T37.

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网络 6 到网络 9 为变频向工频切换的执行程序。

当 T37 定时器计时到时，复位

所有水泵的变频工作，同时启动接通工频延时定时器 T38。

当 T38 定时器计时到时，

接通当前水泵的工频接触器，并使当前泵号自动加 1，然后让变频器置位，使下一台

水泵变频工作。

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网络 10 到网络 12 是工频向变频切换的准备程序。

当 PID 输出为 0.0%，也就是

变频器的频率为 0Hz，同时当前泵号不小于 2，启动停泵延时定时器 T42，当 T42 定

时器计时到时，水泵变频输出达到 0Hz 持续 1s 后，这个时候变频器停止输出，变频

运行的水泵水泵复位，同时让当前泵号自动减，为接下来切换工作做好准备。

网络 13 到网络 15 是工频向变频切换的执行程序。

当变频器停止输出时，启动

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断开工频延时定时器 T40。

当 T40 定时器计时到时，随后断开对应泵号的工频接触

器，并启动接通变频延时定时器 T41。

当定时器 T41 计时到时，接通相应水泵的变

频接触器，并给变频器置位。

（4）自动子程序 SBR_5：

把 SBR_4 里的 Q0.0 替换成 Q0.4，Q0.6 替换成 Q0.5，

即用备用水泵替换一号水泵，起到轮换作用。

（5）自动子程序 SBR_7：

把 SBR_4 里的 Q0.2 替换成 Q0.4，Q0.3 替换成 Q0.5，

即用备用水泵替换二号水泵，起到轮换作用。

自动子程序 SBR_5 和自动子程序 SBR_7 逻辑等同于 SBR_4，自动子程序

SBR_5 和自动子程序 SBR_7 只是替换了输出水泵，也就是用备用泵替换一号泵和二

号泵，这样就达到现实水泵的轮换效果。

（6） 指示灯程序：

在网络 1 中，当一号泵工频或者变频运行时，则一号泵运行指示灯亮。

在网络 2 中，当二号泵工频或者变频运行时，则二号泵运行指示灯亮。

在网络 3 中，当备用泵工频或者变频运行时，则备用泵运行指示灯亮。

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（7） PID 向导子程序

根据任务分析，编写 PLC 梯形图。

首先要利用 PLC 中自带的 PID 向导功能，生

成 PID 向导子程序。

PID 回路设定值和回路的参数如图 4.2 所示。

因为压力传感器的

量程是 0-5MPa，所以 PID 给定值的范围的最高限是 5.0，最低限是 0.0。

比例增益是

1.5，积分时间是 6 分钟，采样时间是 0.1 秒，微分时间是 0，即不使用微分环节，以

上参数是根据经验和实际程序调节得到的。

图 4.2 PID 回路设定值和回路的参数

PID 回路的输入参数和输出参数如图 4.3 所示。

输入选项标定为单极性，变量过

程 0-32000 对应给定值 0-5。

输出类型为模拟量，标定为单极性，范围限定是 0-

32000。

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图 4.3 PID 回路的输入参数和输出参数

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5　组态软件对现场状态监控的实现

5.1　组态王 6.53 的介绍

组态王也称为 KingView，该组态软件一般都可以在