基于PLC的变频器综合控制1控3的恒压供水系统设计.doc

目 录
第一部分 设计任务与调研 3
1.1 毕业设计的主要任务 3
1.2 设计的思路、方法 3
1.3 调研的目的和总结 3
第二部分 设计说明 5
2.1恒压供水的理论分析 5
2.2系统方案设计与论证 6
2.3变频器的选择 9
2.4 PLC 的选择 11
2.5 恒压供水系统 14
2.6作品的特点 17
第三部分 设计成果 18
3.1 PLCI/O分配表 18
3.2外部接线图 18
3.3变频恒压供水系统主程序流程图： 19
3.4变频恒压供水系统主程序梯形图如图所示： 20
第四部分 结束语 29
第五部分 致谢 30
第六部分 参考文献 31

第一部分 设计任务与调研

1.1 毕业设计的主要任务
设计一城市自来水管网的小区恒压供水系统，系统总共有3台水泵，采用西门子系列变频器，西门子S-200PLC进行控制。利用PLC，配以不同功能的传感器，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，电路设计要注意整个系统的电路布局与布线。安装和调试方法，绘制电气控制原理图，编写ＰＬＣ控制程序。撰写毕业设计说明书，列出系统的详细设备材料清单。
基本部分控制要求采用变频器与可编程控制器(PLC)构成控制系统，具体要体现恒压供水实质，就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。 发挥部分控制要求供水管网压力按时间自动变化。
1.2 设计的思路、方法
本系统将PLC、变频器（含PID）、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
1.3 调研的目的和总结
城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。而且随着城市用水量不断增加，对供水系统的建设提出了更高的要求。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。本系统是针对居民生活用水而设计的一套由变频器、PLC、水泵机组等设备组成的自动变频恒压供水控制系统。该系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需要，具有运行稳定、操作简单和高效节能等特点。该系统对变频器内置PID模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。
人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。

第二部分 设计说明
2. 1恒压供水的理论分析
2.1.1恒压供水的定义
恒压供水系统控制对象是一个时变、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。它以供水出口管网为控制目标，在控制上现实出口管网的实际供水跟随设定的供水压力而变化。设定的供水压力可以是个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时间段内是一个常数。所以，在某个特定的时段内，和压控制的目标是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
变频恒压供水系统以管网水压 (或用户用水流量)为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节 (PID)，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的，“用多少水，供多少水”；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。
2.1.2恒压供水系统节能原理
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如图1-1
所示：

图2-1供水系统的基本特征
由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量QC之间的关系H f (QC)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。在这一点，用户的用水流量QU和供水系统的供水流量QC处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图1-1供水系统的基本特征。
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通
常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器
调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水
系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定
子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
2. 2系统方案设计与论证
2.2.1恒压供水基本原理
全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机组控制技术的新型机电一体化供水装置。供水流程简图2-1如下所示：

图2-2供水流程简图
2.2.2 恒压供水控制方案分析
（1）逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。
（2）单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。
（3）带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式
该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

图 2-3 PID控制

仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是， I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。
（4）新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
2.2.3 恒压供水方案确定
1台变频器控制3台水泵 利用1台变频器控制3台水泵的控制方案适用于设计供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以1台变频器控制3台水泵的方案来说明。考虑以上方案后，如下图2-2所示：

图2-4 控制系统图
2.3 变频器的选择
2.3.1 变频器的基本构成
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等构成图2-4如下所示：

图2-5 变频器系统构成图
2.3.2 MciorMaster430变频器
本系统中 ，采用MciorMaster430系列变频器，型号为HVAC(风机和水泵节能型)EC01—4500/3，额定电压为380V—500V，额定功率11kW。MicroMaster430系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kW至250Kw。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联(BICO)技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的EMC(电磁兼容性)设计；控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。
MciorMaster430变频器的端子接口分布如图1-3所示:

图 2-6 MM430 端子接口分布图
2.3.3压力传感器的选择
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。结构如图所示：

图 2-7 压力传感器
2.4 PLC 的选择
2.4.1 西门子S7-200PLC简介
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下：
（1）、高可靠性
所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
（2）、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流； 开关量或模拟量；电压或电流； 脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮、行程开关、接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
（3）、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
（4）、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.4.2 EM235模拟量工作单元性能指标
为能适用各种规格的输入、输出两，模拟量处理模块都设计成可编程，而转换生成的数字量一般具有固定的长度及格式。模拟量输出则希望将一定范围的数字量转换为标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口。下表中，输入、输出信号范围栏给出了EM235的输出、输入信号规格，以供选用。
输 入 技 术 规 范
输 出 技 术 规 范
最大输出电压
30VDC
隔离（现场到逻辑）
无
最大输入电压
32mA
信号范围
电压输出
电流输出

±10
0~~20 mA
输入滤波衰减
-3dB，3.1kHz
分辨率
12位A/D转换器
隔离
否
分辨率，满量程
电压
电流
`
12位
11位
输入类型
差分
输入范围

电压单极性
0~10V，0~5V
0~1V，0~500mV
电压
电流
-32000~+32000
0~+32000

电压双极性

电流
0~100Mv,0~50mV
±10V，±5V，±2.5V
±1V，±500mV，±250Mv
±100mV, ±50mV, ±25mv

0~20mA
精度
最差情况0~55℃
电压输出
电流输出

±2%满量程
±2%满量程
精度
最差情况0~55℃
电压输出
电流输出

典型，25℃
电压输出
电流输出

±2%满量程
±2%满量程

±5%满量程
±5%满量程
输入分辨率

AD转换时间
＜250s
模拟输入阶跃响应
1.5 MS到95%
共模抑制
4dB,DC 到60Hz
共莫电压
信号电压加共加模电压≤±12V
24VDC电压范围
20.4~~2.78V
设置时间
电压输出
电流输出

100s
2ms
图2-8 EM235性能指标
2.4.3 S7-200 CPU单元选择
CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。
本设计使用了CPU226：它有24输入/16输出工40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟I/O点。
本次设计由于水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入／输出点数量共为24个点。本系统选用西门子S7-200 CPU型PLC。
2.5 恒压供水系统
2.5.1 恒压供水系统简介
恒压供水控制系统的基本控制策略是:采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是总管的出水压力及系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
压力变送器
水位变送器
PLC
变频器
触摸屏显示器
软启动器
控制回路
水泵电机
电机保护装置
水 压
水 位

图 2-9 恒压供水系统图
恒压供水系统由PLC控制器，变频器，触摸屏显示器，压力变送器，水位变送器，软启动器，水泵电机组，电机保护装置以及其他电控设备等构成，如图2-12所示。
2.5.2 恒压供水系统构成
系统的构成图如图2-10所示:

图2-10 系统构成图
如图3-5所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、以及报警装置等部分组成。
2.5.3 原件表
（1）水泵：M1、M2、M2选用MD6-50型。
（2）热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9 A
（3）熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。
（4）接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw
（5）按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。

水泵
符号
型号
流量(m3/h)
扬程
(m)
转速
(r/min)
功率
（KW）
M1、M2、M3
MD6-50
12.6
61
2900
11

图2-11 水泵的参数
变频器
适用电机容量（KW)
输出额定容量(KVA)
输出额定电流（A）
过载能力
电源额定输入交流电压/频率
冷却方式
MM430型（西门子）
5.5
9.1
12
150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)
3相，380V至480V 50Hz/60Hz
强制风冷

图2-12 变频器参数

元件
符号
型号
个数
可编程控制器
PLC
CPU226+EM235
1
变频器

西门子MM430
1
接触器
KM
SC-E03-C
6

水泵
M1、M2、M3
MD6-50
3
闸刀开关
QS
HD11-100/18
1

熔断器
FU1，FU2
RT18 6A
2
FU3
RT18 8A
1

热继电器
FR1 FR2
TK-E02T-C
2
FR3
K-E02U-C
1
按钮
SB
LAY3—11
1
图2-13 原件总表
2.6 作品的特点
恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，实现了恒压供水的控制。
恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制。
第三部分 设计成果
3.1 PLCI/O分配表
输入量
PLC端子
输出量
PLC端子
启动
I0.0
KM1（1#泵变频）
Q0.0
停止
I0.1
KM2（2#泵变频）
Q0.1
变频器达到上限
I0.2
KM3（3#泵变频）
Q0.2
变频器达到下限
I0.3
KM4（1#泵工频）
Q0.3
1#水泵
I0.4
KM5（2#泵工频）
Q0.4
2#水泵
I0.5
KM6（3#泵工频）
Q0.5
3#水泵
I0.6

3.2外部接线图

3.3变频恒压供水系统主程序流程图：

3.4变频恒压供水系统主程序梯形图如图所示：

第四部分 结束语

本次毕计针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用1台变频器实现3台水泵电机的软起动和调速，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
主要的工作如下：
(1) 由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。
(2) 通过对控制过程和原理的分析，利用西门子S7-200编程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。
总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。

第五部分 致谢

在此设计的完成中，离不开指导老师的悉心指导，我要特别感谢我的指导老师。在设计的过程中是艰辛，但是在我努力下还是完成了。不积跬步无以至千里，设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的专业知识，并在设计中得以体现。从课题的选择到论文的完成都离不开老师对我的帮助。
对本次设计的完成起了很大程度的推动作用，感谢他们的耐心指导使我得以顺利的完成课题设计，在此我对你们的帮助表示衷心的感谢！同时感谢我院、系领导对我们的教导和关注，还有谢谢我周围的朋友和同学他们给了我无数的关心和鼓励，也让我大学生活充满了温暖和快乐。他们在设计过程中给了我许多宝贵的意见和建议。同时也感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的是找到了最好的方法来解决问题。在此我对你们的帮助表示衷心！

第六部分 参考文献

【1】《PLC实用技术》王建 孙怀荣 杜艳丽著 机械工业出版社 P192—205
【2】《变频器应用实践》李练兵 岳大为 申莉莉 化工业出版社
【3】《变频器的控制技术入门与应用实例》 姚锡禄 中国电力出版社 P181-187
【4】《学西门子变频器应用》 李方园 机械工业出版社
【5】《PLC控制系统设计、安装与调试》 陶权 韦瑞录 著
北京理工大学出版社
【6】《变频器、PLC及其组态软件实用技术速成教程》 姚福来 杨鹏 孙鹤旭 机械工业出版社
【7】《电气控制与PLC应用》 王少华 著 中南大学出版社

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