变频恒压供水控制系统
（自动化与电气工程学院 指导教师：蒋 惠 忠） 张 春 健
摘 要：论文讨论了变频恒压供水控制原理，设计了变频恒压供水控制系统。采用了松下PLC （FP0—C32CT ）和模拟量输入/输出模块（FP0—A21）、Pro —face 触摸屏(GP37W2)以及富士变频器（FVR —E11S ）构成一个对水压进行恒定控制的系统。系统能根据不同时间段用水量的不同实现目标压力值的自动调整，同时系统还具有在用水量非高峰期时定时自动切换水泵电机的功能。本设计采用了触摸屏作为人机界面，通过触摸屏的操作可进行参数设置，实现对各种功能的控制，同时还能通过触摸屏对系统当前运行状态进行实时的监控。
关键词：恒压供水；PLC ；触摸屏； 模拟量输入/输出模块； 变频器
Abstract ：In this thesis, the focus is the principle of frequency conversion constant pressure water supply control, designing frequency conversion constant pressure water supply control system. Using Panasonic PLC (FP0 - C32CT) and analog input / output modules (FP 0-A21). Pro-face Touch screen (GP37W2) and Fujitsu Inverter (FVR - E11S) constitutes a constant pressure control system for water. According to different water instantaneous pressure in different times ,the system could automatically adjust the pressure of water supply system, at the same time, the system has the function—regular automatic switch the pump motor when water consumption is in non-peak period.
In this design touch screen is used as man-machine interface, because Touch screen and PLC both are universal. Operating the touch screen could control various functions, while touch screen could real-time monitor current states of system .
Keyword: constant pressure water supply；PLC ；touch screen; analog input/output module；transducer
1 前 言
1.1背景
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手动操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。在农村中, 传统的水塔供水方式存在许多实际问题，如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水源造成二次污染、水塔供水无法维持供水压力的恒定等问题。近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展，居民区供水系统正逐步采用无塔变频供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，
并能延长系统的使用寿命，克服传统供水方式的种种缺点。
随着工业企业和人们生活用水量的增大以及对供水要求不断的提高，恒压供水变得也来越重要。目前国内多数企业仍使用传统的恒速泵组切换加压供水方式，其水压不稳而且浪费电能。我国每年水泵消耗电能约占电能总消耗量20％以上，而电能消耗又占水费成本60％以上，故优化对水泵的控制，具有重要意义。
在生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节, 管网压力的波动也会很大, 容易出现管网失压或爆管事故, 同时也浪费了大量能源。为了节约电能, 又能保证正常用水, 供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速, 将供水压力控制在一定范围之内, 既满足了变化的用水需求, 也起到了节能降耗的目的[1]。
[2]1.2 变频调速恒压供水的基本原理
变频恒压供水, 一般由压力变送器采样水压信号与系统设定压力值比较后产生输出信号, 再经变频器控制水泵电机转速, 实现恒压供水。水泵转动的越快, 产生的水压越高, 才能将水输送到远处或较高的楼层。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式, 这需采用PLC 的模拟量控制模块, 该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号, 输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID 处理后得出的模拟量控制信号, 并依此信号的变化改变变频器的输出频率。采用PLC 控制, 不仅可减少系统控制接线, 提高可靠性, 用软件实现上述硬件, 维修简易, 充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点, 使整个系统的稳定性有了可靠的保障。
1.3 变频调速使水泵电机节能的原理
水泵额定运行状态下的输出功率：
N = r H Q [3]
式中： Q 为输出流量, 单位为m /s； p 为泵的水压, 单位为MPa ； H 为泵的扬程, 单位为m ；r 为重要系数, 单位为N/m。
33
根据泵的相似律, 当驱动转速改变时, 输出流量Q 、泵的水压p 、扬程H 分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成正比例。
图1 示出水泵Q - p 运行特性, 其中曲线①、②分别是转速为n1 、n2 时的特性曲线, 曲线③、④是转速为n2 时的等效管阻特性, 曲线⑤是转速为n1 时的等效管阻特性。设水泵电机由电网直接供电驱动, 水泵运行于A 点, 此时泵功率为： N1 =Q1 p1 ,对应于图中的矩型面积A p1 OQ1 , 若将水量减为Q2 , 工作点将由A 滑向B , 水压增为p2 , 功率N2 则由面积B p2 OQ2 描述。若水泵改为变频调速驱动, 在小水量时降为低速n2 , 水泵可运行于C 点稳定, 功率N3 由面积Cp1 OQ2 描述, 而水压则维持为p1 ,节约的能耗对应阴影面积B p2 p1 C。
图1 Q - p运行特性及管阻特性
以下以数值定性说明节能效果。
因流量与转速成正比, 功率与转速立方成正比, 总需求为Q , 在某一工作点时, Q 是一定值。
当变频器运行在45 Hz 时, Q ∝ f = 45 Hz ,节
E=1-(0.9)=27.1%3
电率；
当变频器运行在40 Hz 时, f = 40 Hz ,节电率
E=1-(0.8)=48.8%3
；
当变频器运行在35 Hz 时, f = 35 Hz ,节电率
E=1-(0.7)=65.7%； 3
以75 kW为例, 平均运行在45 Hz ,1 年可节约
电能75 ×24 ×365 ×27. 1 % = 178 047 kWh。
若电价为0 . 8 5 元/ kWh , 则1 年可节约电
费0. 85 ×178 047 = 151 339. 95 元。
1.4 国内外的研究现状及分析
针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到用户的要求。从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展，从目前情况看，微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水流控制两种主流。前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出口流量则依用户需求随时可变。这种控制方法的优点是供水品质优良，可在任何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。不足之处是过于强调恒压指标，对低区用户扬程指标订得太高，水压过高，用户不得不用阀门限流，造成能源浪费，且由于水压过高，管网耐压水平必须提高，造成材料浪费。恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制，对水压与扬程指标则放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，可最大限度节能。但缺点也是显然的，其一是仅控制用水总量，而无法分配水流去向，势必造成分配不均，特别在低层用水量大时，造成高层断流。而在高层用水量大时又造成低层水压过高。其二是水的流量检测难度较大，闭环控制困难。国内的许多专家，学者从 70 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面[4]。目前国内供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其它其术的结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关技术结合，通过人工起动或停止水泵和调节泵出口阀开度来
实现恒压供水。该系统线路复杂, 操作麻烦, 劳动强度大，维护困难, 自动化程度低，应用前景不大。后来增加了微机加 PLC 监控系统, 提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转, 水流量靠调节泵出口阀开度来实现, 浪费大量能源，也没有很好的发展。
2 系统总体设计方案
系统总体方案原理如图2所示
图2 控制系统原理示意图
本系统是一个以变频调速为主要控制目的的控制系统。工作时可以通过触摸屏设定PID 调节参数，由系统根据内部时钟的判断自动调整目标值，然后通过A/D转换模块从外部压力变送器输入外部压力信号，与目标值比较后进行PID 调节并输出控制量，通过D/A转换模块输出模拟量控制变频器的输出频率以达到调节水泵电机速度的最终目的。
系统拟采用两台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能又可靠。配单台电机及水泵时, 其功率必须足够大, 在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的, 电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候, 备用泵是必要的。该系统在单台水泵电机长时间运行时能定时自动切换水泵电机的运行，达到系统设备的平均利用，防止系统设备因长时间无运作而生锈损坏等。
3 系统硬件设计
3.1系统总电路
系统原理图见附图，说明如下：
电源进线控制：此部分主要是为方便对系统电源的操作而设计的，使得不必打开控制柜就可以对系统的总电源进行控制，既安全又方便。此部分中的交流接触器要求有常开和常闭的辅助触点，而且考虑到两个水泵电机同时工作时功率很大，故选此交流接触器型号为正泰CJX1F
系列（具体选择视水泵电机现场实际所需功率而定，下同）。按钮SB1和SB2选用带灯显示类型，且SB1选择为绿色（作为电源启动按钮），SB2选择为红色（作为电源停止按钮）。急停开关作为紧急情况时的电源切断开关，此为设计时的常规考虑。
水泵电机切换：此部分为整个控制系统的主要控制对象部分（两个水泵电机），包括有4个同型号的交流接触器、一个变频器（FVR-E11S ）和一个热继电器，其中的两个小型断路器的设置主要是作为下面元器件更换时的电路可靠切断用的（下同）。4个同型号的交流接触器用来实现两个水泵电机的定时切换和水压压力在单个电机运行而不足时投入工频电机运行设置的，对此4个交流接触器的控制由PLC 控制实现。热继电器的设置则是对水泵电机在工频运行状态下起过载保护的作用。
强弱电隔离：此部分是为保护PLC 输出点而设置的。由中间继电器的触点实现对4个交流接触器线圈的控制，而中间继电器的触点的控制则由PLC 控制继电器的线圈实现，这样就在实际上实现了PLC 对4个交流接触器的控制，也实现了对PLC 输出点的保护。热继电器的常闭辅助触点串联在中间继电器中，使得在出现电机过载情况下热继电器主触点动作断开时能同时使交流接触器线圈断电而动作切断电路连接，起到双重保护作用。
控制系统供电：此部分的作用是为PLC 、模拟量输入/输出模块和人机界面等提供正常工作电源。
在器件的选型中，由于交流接触器使用类别为AC －3（即频繁控制异步电动机的启动和分断），故接触器分断电流为电动机额定电流Ie 。选用的方法有查表法和查选用曲线法，在产品样本中直接列出在不同额定工作电压下的额定工作电流和可控制电动机的功率，按电动机功率或额定工作电流，用查表法选用接触器，也要通过计算来得到电动机额定电流Ie ，再选取相应的交流接触器，计算公式如下所示：
电动机的额定输出功率=3UeIeCOSΦη
其中：Ue －电动机的额定电压；
Ie －电动机的额定电流；
COS Φ－电动机的功率因数；
η-电动机的效率。
热继电器的额定电流应略大于水泵电机额定电流，本系统中其整定电流选为水泵电机额定电流的1.1～1.15倍。
3.2系统硬件构成
3.2.1 PLC控制器[5][6][7][8][9]
PLC 即可编程控制器，（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC 标准草案中对PLC 做了如下定义：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿, 并在1987年2月通过了对它的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算, 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
PLC 具有以下特点:
可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格
的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F 系列PLC 平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU 的PLC 的平均无故障工作时间则更长。从PLC 的机外电路来说，使用PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
⏹ 配套齐全，功能完善，适用性强
PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC 的功能单元大量涌现，使PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC 组成各种控制系统变得非常容易。
⏹ 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
⏹ 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
⏹ 体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm ，重量小于150g ，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
本系统的控制器为松下FP0—C32CT 型PLC 。FP0系列PLC 是松下电工推出的一种超小型的PLC 产品，体积小，功能强，还增加了一些大型机的功能和指令，其编程口为RS —232C ，可以直接和编程器或计算机连接，此PLC 的输入输出端子由公头式接插件组成(如下图所示), 使用非常方便。
图3 I/O连接器前视图
FP0—C32CT 型PLC 只有晶体管式输出型，为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载，其NPN 晶体管输出型和PNP 晶体管输出型如图4所示：
(a)NPN型 (b)PNP型
图4 两种晶体管输出型示意图
3.2.2 模拟量输入/输出模块
FP0—A21型特殊功能模块。此功能模块体积小巧、性能先进，能与松下FP 系列PLC 组合使用，非常方便。FP0—A21模块有2个模拟输入通道(CH0,CH1)、一个模拟输出通道。此模块的I/O接口如下图所示, 其中V 表示电源模拟信号，I 表示电流模拟信号[11]。
图5 模拟量输入/输出模块的I/O接口
FP0-A21的I/O分配是由安装的位置来决定的，其I/O编号如表1所示。
表1 FP0-A21的I/O编号
3.2.3 人机界面[10][11]
触摸屏即根据显示屏表面接触(如用手指、笔或其它物) ，靠电脑来识别其位置的装置。当手指、笔或电流等接触到触摸屏，则接触点信号改变(光，声或电流等) 传感器接收后根据算法，确定触点X 或Y 的坐标，配以应用软件，便可执行相应的操作，它比键盘操作更直观。从精度、灵敏度和密闭性上考虑，应选用电容或电阻型触摸屏。电阻型触摸屏比其它类型的触摸屏可靠性高，适用于各种工业环境。
工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU ，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。
触摸屏主要有以下几种类型: （1）电阻式触摸屏； （2）电容式触摸屏； （3）红外线触摸屏； （4）表面声波触摸屏。
比较之模拟仪表、操作台控制的优点： （1）体积小，几乎不占空间； （2）连线简单化；
（3）能储存大量的数据（配方数据和采样数据）；
（4）通过标准的Ethernet 实现数据共享和机器的远程监控。
本系统中采用Pro —face GP32W2型触摸屏。GP 系列触摸屏工业图形显示器（简称触摸屏）是一种连接人类和机器的（主要为PLC ）的人机界面（国外称为HMI 或MMI ），被称为PLC 的脸面。它是替代传统的控制面板和键盘的智能化操作显示器。可用于参数的设置、数据的显示和存储、并以曲线、动画等形式描绘自动化控制的过程，并可简化PLC 的控制程序。
GP 系列触摸屏的主要作用：
监视：以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映PLC 的内部状态，存储器数据，从而
直观反映工业控制系统的流程、走向。
控制：可以通过触摸来改变PLC 内部状态位，存储器数值，从而参与过程控制。 数据处理：通过标准的大容量CF 卡存储配方数据，实时采样的数据和历史报警信息。 还可以通过标准的Ethernet 不增加工厂成本的情况下接入工厂现有的局域网从而
实现数据共享和机器的过程监控。
3.2.4 变频器
[12][13]
如图（图 6变频器的构成）所示为通用变频器的结构原理，用变频器把工作电流（50HZ 或60HZ ）变换成各种频率的交流电路，以实现电机的变速运行。变频器由主电路和控制电路构成。
图6 变频器的构成
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。包括整流电路（工频电源的电流变换成直流电且对直流电进行平滑滤波）和逆变电路（直流电路变换成各种频率的交流电）两部分。
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路完成对主电路的控制。控制电路由以下电路组成 ：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。
对于通用变频器单元，变频器一般是指包括整流电路和逆变电路部分的装置。
本系统中采用富士FVR —E11S 型变频器。此变频器体积小，但性能高，0.5Hz 时电动机的起动转矩能达到200%，低速范围转矩脉动小，具有各种智能化的功能，如自动节能、自整定和RS485通信等，并增强了维护/保护功能，适用于供水系统、潜水泵、冷却塔风机、食品搅拌机、起重机、印染机械等种类场合。
图7 富士FVR —E11S 型变频器
3.3系统硬件设计 3.3.1 PLC的硬件配置
PLC都是按点数设计的，点数和成本直接相关。因此在设计PLC 控制系统时，选择合适PLC 输入输出点数就成为一个重要的考虑因素。应根据需要选择点数，少了当然不行，但过多就会造成浪费。一般PLC 的输入输出点数在选择时都要稍微多一点。最严格的要求是多出三分之一。本课题因考虑到能扩展FP0—A21模拟量输入/输出模块以及能与触摸屏的通信问题, 选用了FP0—C32CT 型PLC 。
FP0—C32CT 型PLC 共有32点（输入16点，输出16点），可单独使用，也可以和扩展单元任意组合，最多可配置3个扩展模块。I/O点可以从最少的10点扩展到最多的128点，使用时可根据实际需要进行适当的组合。主机和扩展单元都有专用的扩展口，在扩展时可以直接连接，不需要连接电缆。
3.3.2 PLC输入输出端子的电路连接
PLC 和模拟量输入/输出模块的工作电源以及输入输出端子都由24V 直流电源供电，其中输入输出端子的电路连接方式如下图所示(图中的电源均为24V 直流电源):
图8 FP0—C32CT 端子接线图 (I/O连接器)
在此系统设计中，PLC 的输出共用到4点，对应如下：
Y1————KA1 Y2————KA4 Y3————KA2 Y4————
KA3
图9 PLC输出点与继电器线圈接法示意图
此连接中还使用二极管与中间继电器线圈并联以保护PLC 输出点免受电流的冲击。 在实际接线中，继电器KA 的线圈的两个接线端编号为13、14且不分正负极（柳工HH54P ）。
3.3.3 模拟量输入/输出模块的设置
要正确进行A/D或D/A转换，还需要进行模式设置。在FP0—A21上部，有如图10所示的一个模式切换开关，改变切换开关的方向，可控制开或关，对1～5个切换进行不同的组合，可以等到不同的结果。表XXX 列出了模拟模式切换开关的设置组合。
图10 A/D和D/A模式切换开关
表2 模拟模式切换开关设置表[9]
在本系统设计中，采用-10～+10V的有平均电压模式，故模式设置为1，4，5为ON ，2，3
为OFF ，如下图所示：
图11 模拟量输入/输出模块设置示意图 3.3.4 变频器接线
变频器的接线由强电和弱电两部分组成。变频器的电源进线和与电机的连接为强电连接部分，与PLC 以及模拟量输入/输出模块的连接为弱电连接部分。 表3 此系统中变频器所连接端子说明
3.3.5 触摸屏接线
触摸屏的接线非常简单, 包括直流24V 电源进线和一条与PLC 的通信线。
触摸屏与PLC 的通信线内部构成：在PLC 连接端，通信线由三苾组成，标号分别为S 、R 、
G ；在触摸屏连接端，由一个25苾的接线端子组成，通信线中对应 S、R 、G 的三苾分别与2、3、7号针连接，同时必须把4号针和5号针短接，示意图如下：
图12 PLC—GP 通信连接示意图
4 系统软件设计
本系统的软件设计包括PLC 的编程、触摸屏监控界面的制作以及变频器运行模式的参数设置。
4.1 PLC编程
4.1.1 PLC编程软件与语言介绍
目前PLC 程序的编写大部分是在计算机上运用编程软件编写的。松下FP 系列PLC 的编程软件为FPWIN GR软件。该软件采用的是典型的Windows 界面，菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式重叠或平铺显示，甚至可以把两个不同的程序在一个屏幕上同时显示，可以通过Ctrl+Tab或Ctrl+F6键在各个窗口之间进行移动切换。各种功能切换和指令的输入既可以使用键盘上的快捷操作键操作，也可用鼠标单击图标操作，使用很方便。其他功能也更趋合理，使用更加方便，特别是在软件的“帮助”菜单中增加了软件操作方法、指令列表、特殊内部继电器和数据寄存器一览表等。
图13 FPWIN GR正常启动后的初始画面
PLC 的编程语言一般有四种，即梯形图语言、功能图语言、助记符语言和高级语言。 本设计应用的是逻辑关系简明，应用最广泛的梯形图编程语言，它主要是基于电气操作原理图设计的，形象、直观、实用。它所使用的内部继电器、定时/计数器等，都是由软件实现的，使用方便、修改灵活，这是传统的继电器的硬件连接无法比拟的。
梯形图表示了信号的流向，从结构的左上点开始，各指令按照从左到右、从上到下的顺序进行扫描。在一行或一组指令中，每一条指令的输入信号被作为其右边指令是否执行的条件，直到最右侧为止，然后扫描下一行或下一组指令；在一行或一组指令中，如果扫描出任意一条指令的条件不满足，则不再往右侧扫描，原输出信号不变，立即转向下一行或下一组指令进行。
本设计应用到很多的指令，包括有数据传输、算术运算等高级指令，当然最重要的还是时间处理指令—PID 指令。这里只针对PID 指令进行详细介绍。
PID 程序举例（S 表示PID 参数区（30字）的起始数）
4.1.2 PID参数设置方法介绍
[9]
参数解释
1 控制模式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S] 用十进制H 常数选择PID 处理和自动调整类型
⏹
自动调整
通过测量过程响应曲线可以测定PID 参数KP TI 和TD 的最佳值当自动调整执行在自动调整完成后在参数
区中反映出估算结果可能会在自动调整不执行中发生这种情况由过程决定如果发生处理返回起始参数据操
作需关于自动调整的注意事项查阅下面 ⏹
正方向操作和反方向操作
当过程中发生改变时确定这些参数输出是否将增加或减少 ⏹
正方向操作
如果测量过程值减小输出将增大如加热 ⏹
反方向操作
如果测量过程值减小输出将减小如制冷 ⏹
微分类型PID 和比例微分类型PID
当设定值改变时输出改变 ⏹
微分类型
当设置值改变时通常发生很大的变化所以收敛快
比例微分类型
当设置值改变时通常发生很小的变化所以收敛慢
2 设定值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+1]
在下列范围内设定目标值 K0～K10000
3 过程值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+2]
用A/D 转换器或其它设备输入当前过程控制值下列范围内 K0～K10000
4 输出值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+3]
PID 调整结果被存储用D/A 转换器或其它设备将它输出到过程中 K0～K10000
5 输出下限值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+4]
K0～K9999（
6 输出上限值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+5]
K1～K10000（
限制如下所示
0 ≤输出下限值＜输出上限值≤10000
7 比例增益„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+6]
规定用于PID 调整的系数, 设定值×0.1=实际比例增益
设定范围K1～K9999（0.1～999.9 规定以0.1为增量）
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
8 积分时间„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+7]
规定用于PID 调整的系数，设定值×0.1=实际微分时间
设定范围K1～K30000（0.1～3000S 规定以0.1S 为增量）
当设定值为0时不执行积分
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
9 微分时间„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+8]
规定用于PID 调整的系数，设定值×0.1=微分时间
设定范围K1～K10000（0.1～1000S 规定以0.1S 为增量）
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
10控制周期„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+9]
设定执行PID 调整的周期，设定值×0.01=控制周期
设定范围K1～K6000（0.01 600S 规定以0.01S 为增量）
11进行自动调整„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+10]
如果在控制模式中规定自动调整，显示自动调整已进行的程度。K1～K5的值基于从默认值0进行存储当自动调整完成后恢复为默认值
12PID 调整工作区„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+11]～[S+29]
该系统使用这个工作区执行PID 调整
4.1.3 PLC程序编写
此控制系统的PLC 程序主要完成与触摸屏监控画面匹配以实现人机对话、实现PID 自动调节、在不同时间段自动调整压力目标值、按情况自动切换水泵电机等功能。
图14 不同时间段自动调整压力目标值程序流程图
此功能程序段通过读取触摸屏内部时钟寄存器获得时间信息，经过数据转换和运算后得到整点时间，存放在数据寄存器DT305中，此处采用特殊内部继电器R901B 作为读取触摸屏内部时钟信息的触发信号, R901B为0.2秒时钟脉冲继电器。由于从触摸屏传送到PLC 数据寄存器的时间信息是4位BCD 码，故运用F81高级指令转换成16位数据，并由F32高级指令取得整点时间信息。
水泵电机的自动切换分为两种情况，即单泵变频运行之间的切换和工频泵的运行、停止。在附录的PLC 程序中的中间继电器R40为有/无工频运行标志位，当有工频运行时R40复位，此时就没有单泵变频运行切换的说法了。程序中采用定时器和计数器的组合以使时间延长至6小时，即单泵连续变频运行时每6小时切换一次水泵电机。
程序中是否需工频运行方式的判断是通过系统的压力反馈值与压力目标值的比较，在一定时间内两个值的差大于一定范围时就投入工频运行方式，当在有工频运行时一定时间内两个值的差小于一定范围时将切断工频运行的水泵电机, 程序流程图如下：
图15是否需工频运行方式判断程序流程图
本系统拟采用的TPT503压力变送器的输出电压为0～10V ，对应0～1MPa ，而此电压反馈信号若输入FP0-A21模拟量输入输出模块进行转换后对应数字量为0～2000，故在程序设计中把用户从触摸屏输入的压力目标值自动乘以后再运用数据传送指令调入PID 调节设置参数中的压力目标值参数，参数换算程序段如下：
PID 调节指令程序：
本程序的PID 调节每2秒执行一次并输出调节值，上述程序段中的WY2为模拟量输入/输出模块的输出通道。
4.2 触摸屏控制界面设计
4.2.1 GP内部系统介绍
GP 与PLC 、温度控制器等连接时，GP 内部的寄存器称为LS 区。在GP-PRO/PB编辑软件里指定ADDRESS 地址时，可以通过小键盘的下拉列表里找到“LS ”以便区分。
LS 区除了系统数据区、特殊继电器区外，可以自由使用, 如下表所示
表4 GP内部寄存器分布
[11]
在LS 区中，开始的20个寄存器，LS0—LS019，被规定为专门的系统数据区。系统数据区的每个寄存器，都有特殊用途，分只读或可写。GP 与PLC 连接时，系统数据区也同时复制到PLC 内，占用PLC 的连续数据寄存器。在PLC 程序编写中曾介绍过读取触摸屏内部时钟的程序段，就是LS5自动写入到PLC 数据寄存器中的，其中的DT1005是因为在设计触摸屏控制界面
时把系统起始地址设为了DT1000。
4.2.2 GP高级功能介绍[14]
在本系统的触摸屏控制界面制作中用到了4个高级功能（Tag ），以下对这4个高级功能进行介绍。
L —Tag ，意即图形显示。在GP 执行模式中的基本画面，可以呼叫其它登记作库的文字及图形画面。基于字地址中数值的变化，画面上就会出现动态显示。L —Tag 调用的图像库画面是在当前画面之上显示的，其指定画面有直接、间接、状态3种方式。L —Tag 显示的参考点被叫做图形的中心点。
T —Tag ，屏幕按键输入，当按下这个功能区域时，T —Tag 将执行设定的动作。
U —Tag ，视窗显示，在当前显示的画面上，重叠显示在其它画面中登录为窗口的画面，窗口下隐藏的触摸键将不再起作用。画面登录为窗口的方法将在后面介绍。
当在一个画面上重叠显示多个窗口时，最后调用的窗口显示在最前面，而在后面的窗口只需触摸一下，就会调到前面来。
X —Tag ，显示文字资料功能，从指定的起始行数（Start Line ）开始显示文字画面（Text Screen ）任何一行的文字。一个画面上可以放几行文字及一行可以放几个字符，决定于GP 的类型和X —Tag 字符大小的设定。
4.2.3 D脚本编程语言（D-Script ）[14]
在用GP 软件制作画面的过程中，根据实际情况，有时候需要对一些数据进行处理，包括判断、运算、转移、复位，甚至包括一些动画的绘制，如果将这些数据全部交给PLC 处理，必然大大增加PLC 的负担，减缓通讯速率，并且给PLC 编程人员加大了编程的难度。而使用D 脚本编写程序后，能使GP 本身完成一些数据处理，从而协调好与PLC 的通讯工作。
4.2.4 GP界面制作
本系统中触摸屏界面共有10个画面组成，有几个界面较为简单，以下将介绍其余中的4个。
⏹ 主控界面
图16主控制界面
在主控制界面中，共有5个按键部分组成。“操作指南”由两个字开关和一个功能开关组合而成，此按键部分的功能是切换至文本显示画面，并激活文字资料显示功能X —Tag ，使文本显示在第一行第一个字。其中一个字开关用来调操作指南文本显示行, 此开关字地址设为LS2311, 常量设为1, 功能为字设置；另一个字开关用来调操作指南文本, 此开关字地址设为LS2310, 其它与前一个字开关相同；功能开关设置为画面切换，目标值设为5，即切换至画面5。 “运行监控”只有一个功能开关组成，这里用来作为简单的画面切换（切换至运行显示画面），因此其目标值设为6；“PID 参数设置”键、“压力目标值设定”键与“运行监控”一样，都只有一个用作画面切换的功能开关，前者目标值设为9，后者设为10；“开始运行”由一个位开关和一个功能开关组合而成，位开关用来启动系统运行（与PLC 程序相关），运算位地址设为R0（此与PLC 程序有关），功能为瞬间触发，功能开关则将当前画面切换至运行显示画面，其目标值设为6。
⏹ PID 参数修改确认界面
图17 PID参数修改确认界面
在此界面中主要说明的是注册窗口（配合U —Tag 的制作）。上图中能明显看到一个矩形框，左上角还标有数字“1”。矩形框圈住的就是当前窗口注册的区域，数字“1”表示当前的窗口注册号为1，此号为唯一编号；Yes 键由一个位开关和一个功能开关组成，其中位开关运算位地址设为R120，功能为复位，其作用是使U —Tag 触发信号复位，以便下次操作；功能开关为画面切换功能，其目标值设为4；No 键也有一个位开关和一个功能开关组成，功能和设置与Yes 键一样，只是其中的功能开关画面切换目标值设为6。
PID 参数设置和PID 参数修改界面
图18 PID参数设置界面
图19 PID参数修改界面
以上两界面中除了“注”中的文字说明不一样外，其它设置都一样，因为进入前一个界面是在系统刚开始，而后一个是在系统运行时；画面中三个数据输入键都是由键盘输入显示构成，地址分别设置为DT165、DT175和DT185，此数据地址设置与PLC 程序有关；确认键由一个位开关和一个功能开关组合而成，其中位开关运算位地址设为R50，功能为瞬间触发；功能开关为画面切换功能，目标值设为6。
文本显示界面
图20 文本显示界面
从上图中就可以明显看出此界面中有4个T —Tag 和1个X —Tag 高级功能。
X —Tag 功能用来显示文本画面中的信息。由于文本画面字地址为GP 内部寄存器LS2310，
文本内容的起始行间接地址自然就为LS2311， 所以在X —Tag 的模式设置中，文本画面字地址设为LS2310，文本内容的起始行间接地址设为LS2311；根据GP37W2的尺寸大小，在X —Tag 的显示格式设置中，显示行数设为9，（每行）显示字符数设为38。
因文本字符多，在GP37W2屏幕中无法当前显示所有字符，此时就需要由T —Tag 功能来实现字符的换行或翻页了。在“上一页”和“下一页”的T —Tag 功能键设置中，常量设置一栏分别设为-9和9，表示每触发一次，行数翻动9行（在X —Tag 的显示格式设置中显示行数设为9），正好为一页；在“上一行”和“下一行”的T —Tag 功能键设置中，常量设置一栏分别设为-1和1，表示每触发一次，行数翻动1行。在4个T —Tag 的功能设置中还启用了“互锁”功能，此功能的设置是保证当文本内容当前显示在第一行时GP 将屏蔽“上一行”和“上一页”按键区域的触摸功能，同理当文本内容当前显示在最后一行时GP 将屏蔽“下一行”和“下一页”按键区域的触摸功能。
文本内容的正常显示和操作还需要由D 脚本作配合使用。这里的D 脚本语言和说明如下： //控制文本显示1-44行
//LS2311=显示行
//LS231200＝1显示首行锁定1，＝0时可滚动显示
//LS231300＝1显示末行锁定44，＝0时可滚动显示
if ([w:LS2311]
{[b:LS231200]=1
[w:LS2311]=1
}
else
{[b:LS231200]=0
}
endif
if ([w:LS2311]>=36)
{[b:LS231300]=1
[w:LS2311]=36
}
else
{[b:LS231300]=0 } Endif
运行显示界面
图21 运行显示界面
此界面中有U —Tag 高能功能, 用来显示PID 参数修改确认界面中的注册窗口。在U —Tag 的指定窗口设置中设为窗口1就可以了。界面中还有两个L —Tag 高能功能（叠加在一起），用来显示系统当前运行状态，分别调用7号和8号画面，即“系统运行中„„”和“系统未运行”两个信息显示。界面中趋势图图形设置为普通，显示方向设为右，数据采样设为20，翻页设为6，采样时间设为1，轴刻度中X 轴与Y 轴分配都设为10，通道设置中通道号设为1，通道地址设为DT212，当前通道为通道1。U —Tag 指定窗口设置中设置为高速，位地址设为R120，指定窗口方式为直接，窗口注册号为1；两个L —Tag 用来调用7号和平外交政策号画面以作为系统当前运行状态显示，在设置中特定画面指定方式都设置为直接，触发方式为上升沿方式，画面类型为基本画面，清除模式为是，其中一个的触发位地址为R110，画面号为8，另一个触发位地址为R100，画面号为7；当前压力值显示由一个数字显示设备构成，数据地址设为DT212，PID 参数调整键为一个位开关，其运算位地址设为R120，功能为位设置，此按键与之前介绍的PID 参数修改确认界面中的Yes 和No 两个键中的位开关作用有直接联系；返回键是用来返回主控界面的，其由一个位开关和一个功能开关组合而成的，位开关与PID 参数调整键一样，只是
功能为位复位，是为了确保退出此界面时U —Tag 功能未被触发，功能开关用来切换画面，其目标值设置为2；时间和日期显示器由系统内部时钟提供显示信息，不需要设置。
压力目标值设定界面
图22 运行显示界面
画面中四个数据输入键都是由键盘输入显示构成，地址分别设置为DT401、DT402、DT403和DT404，此数据地址设置与PLC 程序有关；确认键由一个位开关和一个功能开关组合而成，其中位开关运算位地址设为R20，功能为瞬间触发，功能开关用来切换画面，其目标值地址设为2。
4.3 变频器参数设置
在使用变频器之前，需要对相关参数进行设置, 才能使变频器具有所需要的功能。本系统中变频器的主要功能是根据FP0—A21特殊功能模块输出的模拟量来控制输出电源的频率，从而达到变频调速的目的。
4.3.1 键盘面板介绍
图23 键盘面板外观图
FVR —E11S 型变频器的键盘面板如上图，图中以七段码显示的“60.00”字样为当前显示信
息。右上部分为单位及运行模式显示区，当键盘面板处在工作状态时，PANEL CONTROL灯亮。
4.3.2 参数设置
本系统中功能参数的设定包括基本功能F 、控制功能C 和高级功能H 的参数设定。参数设置列表如下： 表5 参数设置列表
说明：1、设定基本频率大于最高频率时，输出频率受最高频率的限制，输出电压不可能上升至
额定电压。
2、二次方递减转矩特性如下图：
图24 二次方递减转矩特性曲线图
当转矩提升值过大，在低速区域会发生过激磁状态。若在此状态下连续运行，则电动机可能发生过热。
5 结束语
本文运用了触摸屏、PLC 和变频器设计了一个变频恒压供水系统。通过触摸屏能对系统进行远程监控，系统还能通过PLC 控制器在不同时间段自动调整压力目标值，在实际应用中能进一步做到节能，具有良好的经济效益和社会效益，完全可以取代传统供水方式，弥补其不足之处。
通过本系统的设计，主要收获如下：
(1) 通过对相关资料的查找和阅读，并结合以前学到的理论知识，了解了恒压供水的原理和特点，变频调速的节能原理，常见变频调速恒压供水系统的设计方法，以及恒压供水系统的发展和应用前景。
(2) 通过系统的硬件设计，了解了各类相关的电气元器件的型号、技术参数和作用，掌握了系统设计的方法和设计过程中的注意点。
(3) 通过对系统软件方面的制作，掌握了如何根据实际需要来编写PLC 程序，以及制作相对应的触摸屏控制界面，对变频器进行参数设置以通过外部控制器对其进行相应的控制。
(4) 通过对整个系统设计的方案比较、论证以及对系统的制作和调试过程，了解了系统设计的具体步骤和方法，加深了对系统概念的理解，锻炼了自己的动手能力，提高了自己的自学能力和解决问题的能力。
当然，由于条件的限制和个人能力的不足，此系统还有不尽如人意的地方。在调试过程中，因无法用真正的水泵通过自来水管供水做PID 参数调节实验，所以PLC 程序中的PID 参数只能到使用现场通过调试才能得到，在本系统设计中只能给出PID 的调节原理，系统的水压反馈信号也只能通过使用电压源做模拟信号进行调试。
致 谢
本次毕业设计是在蒋惠忠副教授的悉心指导下完成的。在整个毕业设计过程中，老师敏锐的洞察力和渊博的专业知识使我受益非浅；同时他那种严谨的治学态度、忘我的科研精神也将永远是我学习的榜样。每当为我遇到困难无法解决的时候，他都会和我一起耐心地分析问题，给我提出很多建议，让我自己去思考如何解决问题。每当解决了一个问题后，我就能学到不少东西，增强了自信心，同时也使我发现了自己存在着很大的不足，认识到了自己的缺点, 而这些也是本次毕业设计中最大的收获。
感谢老师们四年来的教导，才使我有今天的收获。感谢所有在我大学期间给予过我关心、支持、帮助的老师、同学和朋友。
参考文献
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变频恒压供水控制系统
（自动化与电气工程学院 指导教师：蒋 惠 忠） 张 春 健
摘 要：论文讨论了变频恒压供水控制原理，设计了变频恒压供水控制系统。采用了松下PLC （FP0—C32CT ）和模拟量输入/输出模块（FP0—A21）、Pro —face 触摸屏(GP37W2)以及富士变频器（FVR —E11S ）构成一个对水压进行恒定控制的系统。系统能根据不同时间段用水量的不同实现目标压力值的自动调整，同时系统还具有在用水量非高峰期时定时自动切换水泵电机的功能。本设计采用了触摸屏作为人机界面，通过触摸屏的操作可进行参数设置，实现对各种功能的控制，同时还能通过触摸屏对系统当前运行状态进行实时的监控。
关键词：恒压供水；PLC ；触摸屏； 模拟量输入/输出模块； 变频器
Abstract ：In this thesis, the focus is the principle of frequency conversion constant pressure water supply control, designing frequency conversion constant pressure water supply control system. Using Panasonic PLC (FP0 - C32CT) and analog input / output modules (FP 0-A21). Pro-face Touch screen (GP37W2) and Fujitsu Inverter (FVR - E11S) constitutes a constant pressure control system for water. According to different water instantaneous pressure in different times ,the system could automatically adjust the pressure of water supply system, at the same time, the system has the function—regular automatic switch the pump motor when water consumption is in non-peak period.
In this design touch screen is used as man-machine interface, because Touch screen and PLC both are universal. Operating the touch screen could control various functions, while touch screen could real-time monitor current states of system .
Keyword: constant pressure water supply；PLC ；touch screen; analog input/output module；transducer
1 前 言
1.1背景
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手动操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。在农村中, 传统的水塔供水方式存在许多实际问题，如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水源造成二次污染、水塔供水无法维持供水压力的恒定等问题。近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展，居民区供水系统正逐步采用无塔变频供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，
并能延长系统的使用寿命，克服传统供水方式的种种缺点。
随着工业企业和人们生活用水量的增大以及对供水要求不断的提高，恒压供水变得也来越重要。目前国内多数企业仍使用传统的恒速泵组切换加压供水方式，其水压不稳而且浪费电能。我国每年水泵消耗电能约占电能总消耗量20％以上，而电能消耗又占水费成本60％以上，故优化对水泵的控制，具有重要意义。
在生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节, 管网压力的波动也会很大, 容易出现管网失压或爆管事故, 同时也浪费了大量能源。为了节约电能, 又能保证正常用水, 供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速, 将供水压力控制在一定范围之内, 既满足了变化的用水需求, 也起到了节能降耗的目的[1]。
[2]1.2 变频调速恒压供水的基本原理
变频恒压供水, 一般由压力变送器采样水压信号与系统设定压力值比较后产生输出信号, 再经变频器控制水泵电机转速, 实现恒压供水。水泵转动的越快, 产生的水压越高, 才能将水输送到远处或较高的楼层。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式, 这需采用PLC 的模拟量控制模块, 该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号, 输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID 处理后得出的模拟量控制信号, 并依此信号的变化改变变频器的输出频率。采用PLC 控制, 不仅可减少系统控制接线, 提高可靠性, 用软件实现上述硬件, 维修简易, 充分发挥了可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便和可现场调试的优点, 使整个系统的稳定性有了可靠的保障。
1.3 变频调速使水泵电机节能的原理
水泵额定运行状态下的输出功率：
N = r H Q [3]
式中： Q 为输出流量, 单位为m /s； p 为泵的水压, 单位为MPa ； H 为泵的扬程, 单位为m ；r 为重要系数, 单位为N/m。
33
根据泵的相似律, 当驱动转速改变时, 输出流量Q 、泵的水压p 、扬程H 分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成正比例。
图1 示出水泵Q - p 运行特性, 其中曲线①、②分别是转速为n1 、n2 时的特性曲线, 曲线③、④是转速为n2 时的等效管阻特性, 曲线⑤是转速为n1 时的等效管阻特性。设水泵电机由电网直接供电驱动, 水泵运行于A 点, 此时泵功率为： N1 =Q1 p1 ,对应于图中的矩型面积A p1 OQ1 , 若将水量减为Q2 , 工作点将由A 滑向B , 水压增为p2 , 功率N2 则由面积B p2 OQ2 描述。若水泵改为变频调速驱动, 在小水量时降为低速n2 , 水泵可运行于C 点稳定, 功率N3 由面积Cp1 OQ2 描述, 而水压则维持为p1 ,节约的能耗对应阴影面积B p2 p1 C。
图1 Q - p运行特性及管阻特性
以下以数值定性说明节能效果。
因流量与转速成正比, 功率与转速立方成正比, 总需求为Q , 在某一工作点时, Q 是一定值。
当变频器运行在45 Hz 时, Q ∝ f = 45 Hz ,节
E=1-(0.9)=27.1%3
电率；
当变频器运行在40 Hz 时, f = 40 Hz ,节电率
E=1-(0.8)=48.8%3
；
当变频器运行在35 Hz 时, f = 35 Hz ,节电率
E=1-(0.7)=65.7%； 3
以75 kW为例, 平均运行在45 Hz ,1 年可节约
电能75 ×24 ×365 ×27. 1 % = 178 047 kWh。
若电价为0 . 8 5 元/ kWh , 则1 年可节约电
费0. 85 ×178 047 = 151 339. 95 元。
1.4 国内外的研究现状及分析
针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到用户的要求。从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展，从目前情况看，微机控制变频调速自动供水技术可分为恒水压控制与恒水流控制两种主流。前者强调对水泵出口压力进行给定跟踪控制，使出口水压基本保持恒定，而出口流量则依用户需求随时可变。这种控制方法的优点是供水品质优良，可在任何情况下同时满足全网各用户对供水流量与扬程的不同要求。不足之处是过于强调恒压指标，对低区用户扬程指标订得太高，水压过高，用户不得不用阀门限流，造成能源浪费，且由于水压过高，管网耐压水平必须提高，造成材料浪费。恒水流控制则强调对出口流量进行宏观总量控制，对水压与扬程指标则放松，其优点是在满足用户对用水量的基本要求前提下，可最大限度节能。但缺点也是显然的，其一是仅控制用水总量，而无法分配水流去向，势必造成分配不均，特别在低层用水量大时，造成高层断流。而在高层用水量大时又造成低层水压过高。其二是水的流量检测难度较大，闭环控制困难。国内的许多专家，学者从 70 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面[4]。目前国内供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其它其术的结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关技术结合，通过人工起动或停止水泵和调节泵出口阀开度来
实现恒压供水。该系统线路复杂, 操作麻烦, 劳动强度大，维护困难, 自动化程度低，应用前景不大。后来增加了微机加 PLC 监控系统, 提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转, 水流量靠调节泵出口阀开度来实现, 浪费大量能源，也没有很好的发展。
2 系统总体设计方案
系统总体方案原理如图2所示
图2 控制系统原理示意图
本系统是一个以变频调速为主要控制目的的控制系统。工作时可以通过触摸屏设定PID 调节参数，由系统根据内部时钟的判断自动调整目标值，然后通过A/D转换模块从外部压力变送器输入外部压力信号，与目标值比较后进行PID 调节并输出控制量，通过D/A转换模块输出模拟量控制变频器的输出频率以达到调节水泵电机速度的最终目的。
系统拟采用两台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能又可靠。配单台电机及水泵时, 其功率必须足够大, 在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的, 电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候, 备用泵是必要的。该系统在单台水泵电机长时间运行时能定时自动切换水泵电机的运行，达到系统设备的平均利用，防止系统设备因长时间无运作而生锈损坏等。
3 系统硬件设计
3.1系统总电路
系统原理图见附图，说明如下：
电源进线控制：此部分主要是为方便对系统电源的操作而设计的，使得不必打开控制柜就可以对系统的总电源进行控制，既安全又方便。此部分中的交流接触器要求有常开和常闭的辅助触点，而且考虑到两个水泵电机同时工作时功率很大，故选此交流接触器型号为正泰CJX1F
系列（具体选择视水泵电机现场实际所需功率而定，下同）。按钮SB1和SB2选用带灯显示类型，且SB1选择为绿色（作为电源启动按钮），SB2选择为红色（作为电源停止按钮）。急停开关作为紧急情况时的电源切断开关，此为设计时的常规考虑。
水泵电机切换：此部分为整个控制系统的主要控制对象部分（两个水泵电机），包括有4个同型号的交流接触器、一个变频器（FVR-E11S ）和一个热继电器，其中的两个小型断路器的设置主要是作为下面元器件更换时的电路可靠切断用的（下同）。4个同型号的交流接触器用来实现两个水泵电机的定时切换和水压压力在单个电机运行而不足时投入工频电机运行设置的，对此4个交流接触器的控制由PLC 控制实现。热继电器的设置则是对水泵电机在工频运行状态下起过载保护的作用。
强弱电隔离：此部分是为保护PLC 输出点而设置的。由中间继电器的触点实现对4个交流接触器线圈的控制，而中间继电器的触点的控制则由PLC 控制继电器的线圈实现，这样就在实际上实现了PLC 对4个交流接触器的控制，也实现了对PLC 输出点的保护。热继电器的常闭辅助触点串联在中间继电器中，使得在出现电机过载情况下热继电器主触点动作断开时能同时使交流接触器线圈断电而动作切断电路连接，起到双重保护作用。
控制系统供电：此部分的作用是为PLC 、模拟量输入/输出模块和人机界面等提供正常工作电源。
在器件的选型中，由于交流接触器使用类别为AC －3（即频繁控制异步电动机的启动和分断），故接触器分断电流为电动机额定电流Ie 。选用的方法有查表法和查选用曲线法，在产品样本中直接列出在不同额定工作电压下的额定工作电流和可控制电动机的功率，按电动机功率或额定工作电流，用查表法选用接触器，也要通过计算来得到电动机额定电流Ie ，再选取相应的交流接触器，计算公式如下所示：
电动机的额定输出功率=3UeIeCOSΦη
其中：Ue －电动机的额定电压；
Ie －电动机的额定电流；
COS Φ－电动机的功率因数；
η-电动机的效率。
热继电器的额定电流应略大于水泵电机额定电流，本系统中其整定电流选为水泵电机额定电流的1.1～1.15倍。
3.2系统硬件构成
3.2.1 PLC控制器[5][6][7][8][9]
PLC 即可编程控制器，（Programmable logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC 标准草案中对PLC 做了如下定义：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC 标准的草案第一稿，第二稿, 并在1987年2月通过了对它的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算, 顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
PLC 具有以下特点:
可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格
的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F 系列PLC 平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU 的PLC 的平均无故障工作时间则更长。从PLC 的机外电路来说，使用PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
⏹ 配套齐全，功能完善，适用性强
PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC 的功能单元大量涌现，使PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC 组成各种控制系统变得非常容易。
⏹ 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
⏹ 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
⏹ 体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm ，重量小于150g ，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
本系统的控制器为松下FP0—C32CT 型PLC 。FP0系列PLC 是松下电工推出的一种超小型的PLC 产品，体积小，功能强，还增加了一些大型机的功能和指令，其编程口为RS —232C ，可以直接和编程器或计算机连接，此PLC 的输入输出端子由公头式接插件组成(如下图所示), 使用非常方便。
图3 I/O连接器前视图
FP0—C32CT 型PLC 只有晶体管式输出型，为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载，其NPN 晶体管输出型和PNP 晶体管输出型如图4所示：
(a)NPN型 (b)PNP型
图4 两种晶体管输出型示意图
3.2.2 模拟量输入/输出模块
FP0—A21型特殊功能模块。此功能模块体积小巧、性能先进，能与松下FP 系列PLC 组合使用，非常方便。FP0—A21模块有2个模拟输入通道(CH0,CH1)、一个模拟输出通道。此模块的I/O接口如下图所示, 其中V 表示电源模拟信号，I 表示电流模拟信号[11]。
图5 模拟量输入/输出模块的I/O接口
FP0-A21的I/O分配是由安装的位置来决定的，其I/O编号如表1所示。
表1 FP0-A21的I/O编号
3.2.3 人机界面[10][11]
触摸屏即根据显示屏表面接触(如用手指、笔或其它物) ，靠电脑来识别其位置的装置。当手指、笔或电流等接触到触摸屏，则接触点信号改变(光，声或电流等) 传感器接收后根据算法，确定触点X 或Y 的坐标，配以应用软件，便可执行相应的操作，它比键盘操作更直观。从精度、灵敏度和密闭性上考虑，应选用电容或电阻型触摸屏。电阻型触摸屏比其它类型的触摸屏可靠性高，适用于各种工业环境。
工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU ，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。
触摸屏主要有以下几种类型: （1）电阻式触摸屏； （2）电容式触摸屏； （3）红外线触摸屏； （4）表面声波触摸屏。
比较之模拟仪表、操作台控制的优点： （1）体积小，几乎不占空间； （2）连线简单化；
（3）能储存大量的数据（配方数据和采样数据）；
（4）通过标准的Ethernet 实现数据共享和机器的远程监控。
本系统中采用Pro —face GP32W2型触摸屏。GP 系列触摸屏工业图形显示器（简称触摸屏）是一种连接人类和机器的（主要为PLC ）的人机界面（国外称为HMI 或MMI ），被称为PLC 的脸面。它是替代传统的控制面板和键盘的智能化操作显示器。可用于参数的设置、数据的显示和存储、并以曲线、动画等形式描绘自动化控制的过程，并可简化PLC 的控制程序。
GP 系列触摸屏的主要作用：
监视：以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映PLC 的内部状态，存储器数据，从而
直观反映工业控制系统的流程、走向。
控制：可以通过触摸来改变PLC 内部状态位，存储器数值，从而参与过程控制。 数据处理：通过标准的大容量CF 卡存储配方数据，实时采样的数据和历史报警信息。 还可以通过标准的Ethernet 不增加工厂成本的情况下接入工厂现有的局域网从而
实现数据共享和机器的过程监控。
3.2.4 变频器
[12][13]
如图（图 6变频器的构成）所示为通用变频器的结构原理，用变频器把工作电流（50HZ 或60HZ ）变换成各种频率的交流电路，以实现电机的变速运行。变频器由主电路和控制电路构成。
图6 变频器的构成
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。包括整流电路（工频电源的电流变换成直流电且对直流电进行平滑滤波）和逆变电路（直流电路变换成各种频率的交流电）两部分。
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路完成对主电路的控制。控制电路由以下电路组成 ：频率、电压的运算电路、主电路的电压、电流检测电路，电动机的速度检测电路，将运算电路的控制信号进行放大的驱动电路，以及逆变器和电动机的保护电路。
对于通用变频器单元，变频器一般是指包括整流电路和逆变电路部分的装置。
本系统中采用富士FVR —E11S 型变频器。此变频器体积小，但性能高，0.5Hz 时电动机的起动转矩能达到200%，低速范围转矩脉动小，具有各种智能化的功能，如自动节能、自整定和RS485通信等，并增强了维护/保护功能，适用于供水系统、潜水泵、冷却塔风机、食品搅拌机、起重机、印染机械等种类场合。
图7 富士FVR —E11S 型变频器
3.3系统硬件设计 3.3.1 PLC的硬件配置
PLC都是按点数设计的，点数和成本直接相关。因此在设计PLC 控制系统时，选择合适PLC 输入输出点数就成为一个重要的考虑因素。应根据需要选择点数，少了当然不行，但过多就会造成浪费。一般PLC 的输入输出点数在选择时都要稍微多一点。最严格的要求是多出三分之一。本课题因考虑到能扩展FP0—A21模拟量输入/输出模块以及能与触摸屏的通信问题, 选用了FP0—C32CT 型PLC 。
FP0—C32CT 型PLC 共有32点（输入16点，输出16点），可单独使用，也可以和扩展单元任意组合，最多可配置3个扩展模块。I/O点可以从最少的10点扩展到最多的128点，使用时可根据实际需要进行适当的组合。主机和扩展单元都有专用的扩展口，在扩展时可以直接连接，不需要连接电缆。
3.3.2 PLC输入输出端子的电路连接
PLC 和模拟量输入/输出模块的工作电源以及输入输出端子都由24V 直流电源供电，其中输入输出端子的电路连接方式如下图所示(图中的电源均为24V 直流电源):
图8 FP0—C32CT 端子接线图 (I/O连接器)
在此系统设计中，PLC 的输出共用到4点，对应如下：
Y1————KA1 Y2————KA4 Y3————KA2 Y4————
KA3
图9 PLC输出点与继电器线圈接法示意图
此连接中还使用二极管与中间继电器线圈并联以保护PLC 输出点免受电流的冲击。 在实际接线中，继电器KA 的线圈的两个接线端编号为13、14且不分正负极（柳工HH54P ）。
3.3.3 模拟量输入/输出模块的设置
要正确进行A/D或D/A转换，还需要进行模式设置。在FP0—A21上部，有如图10所示的一个模式切换开关，改变切换开关的方向，可控制开或关，对1～5个切换进行不同的组合，可以等到不同的结果。表XXX 列出了模拟模式切换开关的设置组合。
图10 A/D和D/A模式切换开关
表2 模拟模式切换开关设置表[9]
在本系统设计中，采用-10～+10V的有平均电压模式，故模式设置为1，4，5为ON ，2，3
为OFF ，如下图所示：
图11 模拟量输入/输出模块设置示意图 3.3.4 变频器接线
变频器的接线由强电和弱电两部分组成。变频器的电源进线和与电机的连接为强电连接部分，与PLC 以及模拟量输入/输出模块的连接为弱电连接部分。 表3 此系统中变频器所连接端子说明
3.3.5 触摸屏接线
触摸屏的接线非常简单, 包括直流24V 电源进线和一条与PLC 的通信线。
触摸屏与PLC 的通信线内部构成：在PLC 连接端，通信线由三苾组成，标号分别为S 、R 、
G ；在触摸屏连接端，由一个25苾的接线端子组成，通信线中对应 S、R 、G 的三苾分别与2、3、7号针连接，同时必须把4号针和5号针短接，示意图如下：
图12 PLC—GP 通信连接示意图
4 系统软件设计
本系统的软件设计包括PLC 的编程、触摸屏监控界面的制作以及变频器运行模式的参数设置。
4.1 PLC编程
4.1.1 PLC编程软件与语言介绍
目前PLC 程序的编写大部分是在计算机上运用编程软件编写的。松下FP 系列PLC 的编程软件为FPWIN GR软件。该软件采用的是典型的Windows 界面，菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式重叠或平铺显示，甚至可以把两个不同的程序在一个屏幕上同时显示，可以通过Ctrl+Tab或Ctrl+F6键在各个窗口之间进行移动切换。各种功能切换和指令的输入既可以使用键盘上的快捷操作键操作，也可用鼠标单击图标操作，使用很方便。其他功能也更趋合理，使用更加方便，特别是在软件的“帮助”菜单中增加了软件操作方法、指令列表、特殊内部继电器和数据寄存器一览表等。
图13 FPWIN GR正常启动后的初始画面
PLC 的编程语言一般有四种，即梯形图语言、功能图语言、助记符语言和高级语言。 本设计应用的是逻辑关系简明，应用最广泛的梯形图编程语言，它主要是基于电气操作原理图设计的，形象、直观、实用。它所使用的内部继电器、定时/计数器等，都是由软件实现的，使用方便、修改灵活，这是传统的继电器的硬件连接无法比拟的。
梯形图表示了信号的流向，从结构的左上点开始，各指令按照从左到右、从上到下的顺序进行扫描。在一行或一组指令中，每一条指令的输入信号被作为其右边指令是否执行的条件，直到最右侧为止，然后扫描下一行或下一组指令；在一行或一组指令中，如果扫描出任意一条指令的条件不满足，则不再往右侧扫描，原输出信号不变，立即转向下一行或下一组指令进行。
本设计应用到很多的指令，包括有数据传输、算术运算等高级指令，当然最重要的还是时间处理指令—PID 指令。这里只针对PID 指令进行详细介绍。
PID 程序举例（S 表示PID 参数区（30字）的起始数）
4.1.2 PID参数设置方法介绍
[9]
参数解释
1 控制模式„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S] 用十进制H 常数选择PID 处理和自动调整类型
⏹
自动调整
通过测量过程响应曲线可以测定PID 参数KP TI 和TD 的最佳值当自动调整执行在自动调整完成后在参数
区中反映出估算结果可能会在自动调整不执行中发生这种情况由过程决定如果发生处理返回起始参数据操
作需关于自动调整的注意事项查阅下面 ⏹
正方向操作和反方向操作
当过程中发生改变时确定这些参数输出是否将增加或减少 ⏹
正方向操作
如果测量过程值减小输出将增大如加热 ⏹
反方向操作
如果测量过程值减小输出将减小如制冷 ⏹
微分类型PID 和比例微分类型PID
当设定值改变时输出改变 ⏹
微分类型
当设置值改变时通常发生很大的变化所以收敛快
比例微分类型
当设置值改变时通常发生很小的变化所以收敛慢
2 设定值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+1]
在下列范围内设定目标值 K0～K10000
3 过程值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+2]
用A/D 转换器或其它设备输入当前过程控制值下列范围内 K0～K10000
4 输出值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+3]
PID 调整结果被存储用D/A 转换器或其它设备将它输出到过程中 K0～K10000
5 输出下限值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+4]
K0～K9999（
6 输出上限值„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+5]
K1～K10000（
限制如下所示
0 ≤输出下限值＜输出上限值≤10000
7 比例增益„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+6]
规定用于PID 调整的系数, 设定值×0.1=实际比例增益
设定范围K1～K9999（0.1～999.9 规定以0.1为增量）
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
8 积分时间„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+7]
规定用于PID 调整的系数，设定值×0.1=实际微分时间
设定范围K1～K30000（0.1～3000S 规定以0.1S 为增量）
当设定值为0时不执行积分
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
9 微分时间„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+8]
规定用于PID 调整的系数，设定值×0.1=微分时间
设定范围K1～K10000（0.1～1000S 规定以0.1S 为增量）
如果控制模式规定选择自动调整，设定值将自动调节并重写
10控制周期„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+9]
设定执行PID 调整的周期，设定值×0.01=控制周期
设定范围K1～K6000（0.01 600S 规定以0.01S 为增量）
11进行自动调整„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+10]
如果在控制模式中规定自动调整，显示自动调整已进行的程度。K1～K5的值基于从默认值0进行存储当自动调整完成后恢复为默认值
12PID 调整工作区„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„[S+11]～[S+29]
该系统使用这个工作区执行PID 调整
4.1.3 PLC程序编写
此控制系统的PLC 程序主要完成与触摸屏监控画面匹配以实现人机对话、实现PID 自动调节、在不同时间段自动调整压力目标值、按情况自动切换水泵电机等功能。
图14 不同时间段自动调整压力目标值程序流程图
此功能程序段通过读取触摸屏内部时钟寄存器获得时间信息，经过数据转换和运算后得到整点时间，存放在数据寄存器DT305中，此处采用特殊内部继电器R901B 作为读取触摸屏内部时钟信息的触发信号, R901B为0.2秒时钟脉冲继电器。由于从触摸屏传送到PLC 数据寄存器的时间信息是4位BCD 码，故运用F81高级指令转换成16位数据，并由F32高级指令取得整点时间信息。
水泵电机的自动切换分为两种情况，即单泵变频运行之间的切换和工频泵的运行、停止。在附录的PLC 程序中的中间继电器R40为有/无工频运行标志位，当有工频运行时R40复位，此时就没有单泵变频运行切换的说法了。程序中采用定时器和计数器的组合以使时间延长至6小时，即单泵连续变频运行时每6小时切换一次水泵电机。
程序中是否需工频运行方式的判断是通过系统的压力反馈值与压力目标值的比较，在一定时间内两个值的差大于一定范围时就投入工频运行方式，当在有工频运行时一定时间内两个值的差小于一定范围时将切断工频运行的水泵电机, 程序流程图如下：
图15是否需工频运行方式判断程序流程图
本系统拟采用的TPT503压力变送器的输出电压为0～10V ，对应0～1MPa ，而此电压反馈信号若输入FP0-A21模拟量输入输出模块进行转换后对应数字量为0～2000，故在程序设计中把用户从触摸屏输入的压力目标值自动乘以后再运用数据传送指令调入PID 调节设置参数中的压力目标值参数，参数换算程序段如下：
PID 调节指令程序：
本程序的PID 调节每2秒执行一次并输出调节值，上述程序段中的WY2为模拟量输入/输出模块的输出通道。
4.2 触摸屏控制界面设计
4.2.1 GP内部系统介绍
GP 与PLC 、温度控制器等连接时，GP 内部的寄存器称为LS 区。在GP-PRO/PB编辑软件里指定ADDRESS 地址时，可以通过小键盘的下拉列表里找到“LS ”以便区分。
LS 区除了系统数据区、特殊继电器区外，可以自由使用, 如下表所示
表4 GP内部寄存器分布
[11]
在LS 区中，开始的20个寄存器，LS0—LS019，被规定为专门的系统数据区。系统数据区的每个寄存器，都有特殊用途，分只读或可写。GP 与PLC 连接时，系统数据区也同时复制到PLC 内，占用PLC 的连续数据寄存器。在PLC 程序编写中曾介绍过读取触摸屏内部时钟的程序段，就是LS5自动写入到PLC 数据寄存器中的，其中的DT1005是因为在设计触摸屏控制界面
时把系统起始地址设为了DT1000。
4.2.2 GP高级功能介绍[14]
在本系统的触摸屏控制界面制作中用到了4个高级功能（Tag ），以下对这4个高级功能进行介绍。
L —Tag ，意即图形显示。在GP 执行模式中的基本画面，可以呼叫其它登记作库的文字及图形画面。基于字地址中数值的变化，画面上就会出现动态显示。L —Tag 调用的图像库画面是在当前画面之上显示的，其指定画面有直接、间接、状态3种方式。L —Tag 显示的参考点被叫做图形的中心点。
T —Tag ，屏幕按键输入，当按下这个功能区域时，T —Tag 将执行设定的动作。
U —Tag ，视窗显示，在当前显示的画面上，重叠显示在其它画面中登录为窗口的画面，窗口下隐藏的触摸键将不再起作用。画面登录为窗口的方法将在后面介绍。
当在一个画面上重叠显示多个窗口时，最后调用的窗口显示在最前面，而在后面的窗口只需触摸一下，就会调到前面来。
X —Tag ，显示文字资料功能，从指定的起始行数（Start Line ）开始显示文字画面（Text Screen ）任何一行的文字。一个画面上可以放几行文字及一行可以放几个字符，决定于GP 的类型和X —Tag 字符大小的设定。
4.2.3 D脚本编程语言（D-Script ）[14]
在用GP 软件制作画面的过程中，根据实际情况，有时候需要对一些数据进行处理，包括判断、运算、转移、复位，甚至包括一些动画的绘制，如果将这些数据全部交给PLC 处理，必然大大增加PLC 的负担，减缓通讯速率，并且给PLC 编程人员加大了编程的难度。而使用D 脚本编写程序后，能使GP 本身完成一些数据处理，从而协调好与PLC 的通讯工作。
4.2.4 GP界面制作
本系统中触摸屏界面共有10个画面组成，有几个界面较为简单，以下将介绍其余中的4个。
⏹ 主控界面
图16主控制界面
在主控制界面中，共有5个按键部分组成。“操作指南”由两个字开关和一个功能开关组合而成，此按键部分的功能是切换至文本显示画面，并激活文字资料显示功能X —Tag ，使文本显示在第一行第一个字。其中一个字开关用来调操作指南文本显示行, 此开关字地址设为LS2311, 常量设为1, 功能为字设置；另一个字开关用来调操作指南文本, 此开关字地址设为LS2310, 其它与前一个字开关相同；功能开关设置为画面切换，目标值设为5，即切换至画面5。 “运行监控”只有一个功能开关组成，这里用来作为简单的画面切换（切换至运行显示画面），因此其目标值设为6；“PID 参数设置”键、“压力目标值设定”键与“运行监控”一样，都只有一个用作画面切换的功能开关，前者目标值设为9，后者设为10；“开始运行”由一个位开关和一个功能开关组合而成，位开关用来启动系统运行（与PLC 程序相关），运算位地址设为R0（此与PLC 程序有关），功能为瞬间触发，功能开关则将当前画面切换至运行显示画面，其目标值设为6。
⏹ PID 参数修改确认界面
图17 PID参数修改确认界面
在此界面中主要说明的是注册窗口（配合U —Tag 的制作）。上图中能明显看到一个矩形框，左上角还标有数字“1”。矩形框圈住的就是当前窗口注册的区域，数字“1”表示当前的窗口注册号为1，此号为唯一编号；Yes 键由一个位开关和一个功能开关组成，其中位开关运算位地址设为R120，功能为复位，其作用是使U —Tag 触发信号复位，以便下次操作；功能开关为画面切换功能，其目标值设为4；No 键也有一个位开关和一个功能开关组成，功能和设置与Yes 键一样，只是其中的功能开关画面切换目标值设为6。
PID 参数设置和PID 参数修改界面
图18 PID参数设置界面
图19 PID参数修改界面
以上两界面中除了“注”中的文字说明不一样外，其它设置都一样，因为进入前一个界面是在系统刚开始，而后一个是在系统运行时；画面中三个数据输入键都是由键盘输入显示构成，地址分别设置为DT165、DT175和DT185，此数据地址设置与PLC 程序有关；确认键由一个位开关和一个功能开关组合而成，其中位开关运算位地址设为R50，功能为瞬间触发；功能开关为画面切换功能，目标值设为6。
文本显示界面
图20 文本显示界面
从上图中就可以明显看出此界面中有4个T —Tag 和1个X —Tag 高级功能。
X —Tag 功能用来显示文本画面中的信息。由于文本画面字地址为GP 内部寄存器LS2310，
文本内容的起始行间接地址自然就为LS2311， 所以在X —Tag 的模式设置中，文本画面字地址设为LS2310，文本内容的起始行间接地址设为LS2311；根据GP37W2的尺寸大小，在X —Tag 的显示格式设置中，显示行数设为9，（每行）显示字符数设为38。
因文本字符多，在GP37W2屏幕中无法当前显示所有字符，此时就需要由T —Tag 功能来实现字符的换行或翻页了。在“上一页”和“下一页”的T —Tag 功能键设置中，常量设置一栏分别设为-9和9，表示每触发一次，行数翻动9行（在X —Tag 的显示格式设置中显示行数设为9），正好为一页；在“上一行”和“下一行”的T —Tag 功能键设置中，常量设置一栏分别设为-1和1，表示每触发一次，行数翻动1行。在4个T —Tag 的功能设置中还启用了“互锁”功能，此功能的设置是保证当文本内容当前显示在第一行时GP 将屏蔽“上一行”和“上一页”按键区域的触摸功能，同理当文本内容当前显示在最后一行时GP 将屏蔽“下一行”和“下一页”按键区域的触摸功能。
文本内容的正常显示和操作还需要由D 脚本作配合使用。这里的D 脚本语言和说明如下： //控制文本显示1-44行
//LS2311=显示行
//LS231200＝1显示首行锁定1，＝0时可滚动显示
//LS231300＝1显示末行锁定44，＝0时可滚动显示
if ([w:LS2311]
{[b:LS231200]=1
[w:LS2311]=1
}
else
{[b:LS231200]=0
}
endif
if ([w:LS2311]>=36)
{[b:LS231300]=1
[w:LS2311]=36
}
else
{[b:LS231300]=0 } Endif
运行显示界面
图21 运行显示界面
此界面中有U —Tag 高能功能, 用来显示PID 参数修改确认界面中的注册窗口。在U —Tag 的指定窗口设置中设为窗口1就可以了。界面中还有两个L —Tag 高能功能（叠加在一起），用来显示系统当前运行状态，分别调用7号和8号画面，即“系统运行中„„”和“系统未运行”两个信息显示。界面中趋势图图形设置为普通，显示方向设为右，数据采样设为20，翻页设为6，采样时间设为1，轴刻度中X 轴与Y 轴分配都设为10，通道设置中通道号设为1，通道地址设为DT212，当前通道为通道1。U —Tag 指定窗口设置中设置为高速，位地址设为R120，指定窗口方式为直接，窗口注册号为1；两个L —Tag 用来调用7号和平外交政策号画面以作为系统当前运行状态显示，在设置中特定画面指定方式都设置为直接，触发方式为上升沿方式，画面类型为基本画面，清除模式为是，其中一个的触发位地址为R110，画面号为8，另一个触发位地址为R100，画面号为7；当前压力值显示由一个数字显示设备构成，数据地址设为DT212，PID 参数调整键为一个位开关，其运算位地址设为R120，功能为位设置，此按键与之前介绍的PID 参数修改确认界面中的Yes 和No 两个键中的位开关作用有直接联系；返回键是用来返回主控界面的，其由一个位开关和一个功能开关组合而成的，位开关与PID 参数调整键一样，只是
功能为位复位，是为了确保退出此界面时U —Tag 功能未被触发，功能开关用来切换画面，其目标值设置为2；时间和日期显示器由系统内部时钟提供显示信息，不需要设置。
压力目标值设定界面
图22 运行显示界面
画面中四个数据输入键都是由键盘输入显示构成，地址分别设置为DT401、DT402、DT403和DT404，此数据地址设置与PLC 程序有关；确认键由一个位开关和一个功能开关组合而成，其中位开关运算位地址设为R20，功能为瞬间触发，功能开关用来切换画面，其目标值地址设为2。
4.3 变频器参数设置
在使用变频器之前，需要对相关参数进行设置, 才能使变频器具有所需要的功能。本系统中变频器的主要功能是根据FP0—A21特殊功能模块输出的模拟量来控制输出电源的频率，从而达到变频调速的目的。
4.3.1 键盘面板介绍
图23 键盘面板外观图
FVR —E11S 型变频器的键盘面板如上图，图中以七段码显示的“60.00”字样为当前显示信
息。右上部分为单位及运行模式显示区，当键盘面板处在工作状态时，PANEL CONTROL灯亮。
4.3.2 参数设置
本系统中功能参数的设定包括基本功能F 、控制功能C 和高级功能H 的参数设定。参数设置列表如下： 表5 参数设置列表
说明：1、设定基本频率大于最高频率时，输出频率受最高频率的限制，输出电压不可能上升至
额定电压。
2、二次方递减转矩特性如下图：
图24 二次方递减转矩特性曲线图
当转矩提升值过大，在低速区域会发生过激磁状态。若在此状态下连续运行，则电动机可能发生过热。
5 结束语
本文运用了触摸屏、PLC 和变频器设计了一个变频恒压供水系统。通过触摸屏能对系统进行远程监控，系统还能通过PLC 控制器在不同时间段自动调整压力目标值，在实际应用中能进一步做到节能，具有良好的经济效益和社会效益，完全可以取代传统供水方式，弥补其不足之处。
通过本系统的设计，主要收获如下：
(1) 通过对相关资料的查找和阅读，并结合以前学到的理论知识，了解了恒压供水的原理和特点，变频调速的节能原理，常见变频调速恒压供水系统的设计方法，以及恒压供水系统的发展和应用前景。
(2) 通过系统的硬件设计，了解了各类相关的电气元器件的型号、技术参数和作用，掌握了系统设计的方法和设计过程中的注意点。
(3) 通过对系统软件方面的制作，掌握了如何根据实际需要来编写PLC 程序，以及制作相对应的触摸屏控制界面，对变频器进行参数设置以通过外部控制器对其进行相应的控制。
(4) 通过对整个系统设计的方案比较、论证以及对系统的制作和调试过程，了解了系统设计的具体步骤和方法，加深了对系统概念的理解，锻炼了自己的动手能力，提高了自己的自学能力和解决问题的能力。
当然，由于条件的限制和个人能力的不足，此系统还有不尽如人意的地方。在调试过程中，因无法用真正的水泵通过自来水管供水做PID 参数调节实验，所以PLC 程序中的PID 参数只能到使用现场通过调试才能得到，在本系统设计中只能给出PID 的调节原理，系统的水压反馈信号也只能通过使用电压源做模拟信号进行调试。
致 谢
本次毕业设计是在蒋惠忠副教授的悉心指导下完成的。在整个毕业设计过程中，老师敏锐的洞察力和渊博的专业知识使我受益非浅；同时他那种严谨的治学态度、忘我的科研精神也将永远是我学习的榜样。每当为我遇到困难无法解决的时候，他都会和我一起耐心地分析问题，给我提出很多建议，让我自己去思考如何解决问题。每当解决了一个问题后，我就能学到不少东西，增强了自信心，同时也使我发现了自己存在着很大的不足，认识到了自己的缺点, 而这些也是本次毕业设计中最大的收获。
感谢老师们四年来的教导，才使我有今天的收获。感谢所有在我大学期间给予过我关心、支持、帮助的老师、同学和朋友。
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