毕业设计（论文）-基于PLC的恒压供水系统设计与调试.doc

XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 XXXXXXXX 职业技术学院毕业设计（论文）职业技术学院毕业设计（论文） 基于基于 PLCPLC 的恒压供水系统设计与调试的恒压供水系统设计与调试 XXX 班 级 专 业 机电一体化 教 学 系 机电系 指导老师 完成时间 2011 年 月 日至 2011 年 月 日 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 I 摘摘 要要 本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器 （PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析 开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实 际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以 PLC 为主机 的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。 关键词关键词：恒压供水，变频器，压力传感器，PLC，组态软件 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 0 目目 录录 摘摘 要要II 第一章第一章 恒压供水介绍恒压供水介绍.3 1.11.1 恒压供水产生的背景和意义恒压供水产生的背景和意义3 1.21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状3 1.31.3 全自动变频恒压供水系统特点及适用范围全自动变频恒压供水系统特点及适用范围4 第二章第二章 PLCPLC、变频器、变频器、MCGSMCGS 组态软件介绍组态软件介绍5 2.12.1 可编程控制器可编程控制器5 2.1.1 可编程控制器的介绍.5 2.1.2 可编程控制器 PID 控制原理与特点 .5 2.1.3 PLC 的基本结构和工作原理 6 2.22.2 4A/D4A/D 及及 4D/A4D/A 扩展模块扩展模块9 2.2.1 模拟量输入模块 FX2N-4AD.9 2.2.22.2.2 模拟量输出模块模拟量输出模块 FX2N-4DAFX2N-4DA.10 2.32.3 变频器变频器11 2.3.1 变频器的工作原理及其组成结构.11 2.3.2 变频控制恒压供水控制方式12 2.3.32.3.3 变频器的系统组成及接口定义变频器的系统组成及接口定义13 2.42.4 MCGSMCGS 组态软件组态软件14 2.4.1 MCGS 组态软件的整体结构 14 第三章第三章 变频恒压供水系统分析与节能原理变频恒压供水系统分析与节能原理.15 3.13.1 恒压供水系统工艺简介恒压供水系统工艺简介15 3.23.2 供水系统的基本特征和方式供水系统的基本特征和方式16 3.33.3 常用调速方式及变频调速原理常用调速方式及变频调速原理17 3.43.4 恒压调速运行的节能分析恒压调速运行的节能分析19 3.4.1 供水系统的节能原理19 3.4.2 系统经济效益分析及系统优点：21 第四章第四章 变频调速恒压供水系统的硬件设计变频调速恒压供水系统的硬件设计.22 4.14.1 设备的选型设备的选型.22 4.24.2 控制系统的硬件分析控制系统的硬件分析.23 4.2.1 硬件接线.23 4.2.2 控制电路25 4.2.3 PLC 系统选型 26 DOCUMENT TITLE XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 1 4.2.4 系统控制要求及梯形图程序.27 4.34.3 MCGSMCGS 组态软件组态软件28 4.44.4 MCGSMCGS 与与 PLCPLC 之间的连接之间的连接31 第五章第五章 系统的调试与运行系统的调试与运行.32 5.15.1 调试过程调试过程32 5.25.2 系统总装调试及主意问题系统总装调试及主意问题.33 5.35.3 系统运行系统运行.33 结论与展望结论与展望.33 参考文献参考文献.34 附录附录 （系统程序设计）（系统程序设计）.35 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 2 第一章第一章 恒压供水介绍恒压供水介绍 1.11.1 恒压供水产生的背景和意义恒压供水产生的背景和意义 供水系统在各行各业的生产和生活中起着至关重要的作用。如何保证供 水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都关注的问题。把先进的 PLC 控制 技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。 要保障供水网的末端工作压力和供水始端压力正常显得尤其重要和关键。通常， 供水系统全天各时段用水量变化较大，如果不及时对供水量及供水压力进行调 节，会使整个供水管网的压力处于波动状态，严重的还会引发管网失压或爆管 事故，将对供水质量造成极大不利影响。 在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统 的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全 隐患。因此在一些用水量变化大、水压控制高，并且流量完全由用户确定的供 水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。 当前我国供水运行管理仍然比较落后，水资源浪费现象十分严重，不能适 应现代社会发展的需求。因此在供水网络中需要采用供水优化调整方案，引入 计算机、变频器、可编程控制器等先进技术，使供水网络在最佳状态下运行， 具有重要的现实意义。只有强化水资源的同意管理，进行合理开发，才能促进 国民经济的可持续发展。 1.21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状 二十世纪 60 年代在电子计算机的推广应用带动下，可编程控制器开始问世 并被逐渐广泛应用于制造业的生产线继电器控制系统；随着时间的推移，在二 十世纪 90 年代变频器开始应用在电气传动控制系统中，这种现代变频器的应用 迅速成为国内外电气传动界的关注热点。变频器目前被国内外厂家广泛应用于 矿山机械、冶金、水泥、钢铁、化工、电力、机械制造、汽车、轻工、环保及 自动恒压供水系统等领域。在同一时期，PLC 构成的 PLC 网络和变频器有机结 合的应用飞跃式发展，使其日益成为工业现在化首选的控制装置，成为现代工 业自动化的重大支柱之一。 在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，结合现代控制技术、 网络和通讯技术同时兼顾的变频恒压供水系统，逐渐越来越多运用在生活和生 产实践中。在英国、德国、每过、日本等发达国家的 VVVF 变频器在工业生产 过程的自动控制领域中得到广泛应用。 考虑到传统的供水设备的不足之处，诸多国外生产厂家近年来纷纷推出了 一系列新产品，例如华为的 TD2100;施耐德公司的 Altivar58 泵切换卡；ABB 公 司 ACS600、ACS400 系列产品；富士公司的 G11S/P11S 系列；西门子公司的 MM420/MM440 系列；SANKEN 的 SAMCO-系列产品等等。上述产品将 PID 调节器以简易的可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成带有各种新型变 频器。由于 PID 运算在变频器内部，这样就省去了可对变成控制器存贮容量的 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 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 3 成本，而且大大提高了工作效率。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稳定。还考虑到为了保证水压反馈信号的准确、 不失真，又可以对该信号设置滤波时间常数，同时还可以对反馈信号进行换算， 保证了系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高， 但是功能却增强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出来的恒压供 水设备，使设备成本大大降低。 在 20 世纪 90 年代初我国引进德国西门子公司的 PLC 技术，同时变频器也 开始起步应用于我国，恒压调速供水系统经历了一个逐步完善的发展过程， 2008 年至今中国变频恒压自动供水设备市场发展迅速，产品产出持续增长，国 家产业政策鼓励变频恒压自动供水设备产业向高技术产品方向发展，国内企业 新增投资项目投资逐渐增多。投资者对变频恒压自动供水设备行业的关注越来 越密切，这使得变频恒压自动供水设备行业的发展需求迅速增大。 1.31.3 全自动变频恒压供水系统特点及适用范围全自动变频恒压供水系统特点及适用范围 1、系统特点 (1)高效节能。按需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调节水泵转速，使 水泵始终在高效率工况下运行，同普通的无塔供水设备相比，节能效果达到 20。 (2)对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和 干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、 过热等多种保 护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。 (3)定时唤醒功能。由于系统是根据管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台 数，所以当用水量长期在某一小范围内变化时就会使得某台水泵长期运行而磨 损严重，而其他水泵长期不使用造成生锈，设定本功能后则可方便的解决该问 题。对于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时间相同，须设置定时换泵功 能。在设定了定时换泵功能后，当一台变量泵连续工作时间超过设定值后，且 有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时间最长的变量泵， 并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。换泵时 间可任意设定。 (4)当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停 电后再来电，设备能够自动启动运行。 2、适用范围: 广泛应用于居民区、宾馆及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、 各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉恒压补水、输油管道增压、注水系 统、农田灌溉等。 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 4 第二章 PLC、变频器、MCGS 组态软件介绍 2.12.1 可编程控制器可编程控制器 2.1.1 可编程控制器的介绍可编程控制器的介绍 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称 PLC,主要用于顺 序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算。随着 计算机技术的发展，PLC 的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制 和顺序控制的范围，具备了模拟量的控制、过程控制以及远程通信等强大的功 能。 国际电工委员会（IEC）于 1987 年对 PLC 定义为：PLC 是专为在工业环境 下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序 的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和 算术等的操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生 产过程。PLC 及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易 于扩展其功能的原则设计。 事实上，PLC 就是以嵌入式 CPU 为核心，配以 I/O 等模块，可以方便地用 于工业控制领域的装置。因此，PLC 实际上就是：“工业专用计算机” 2.1.2 可编程控制器可编程控制器 PID 控制原理与特点控制原理与特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其 结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理 论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试 来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不能完全了解一个系统和 被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制 技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 (1)比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与 输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady- stateerror） 。 (2)积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正 比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控 制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError） 。为了消 除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分， 随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间 的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 5 因此，比例 积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3)微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分 （即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能 会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 （delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的 办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用 就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的 作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化 的趋势，这样，具有比例 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等 于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后 的被控对象，比例 微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 现在很多中小型 PLC 都提供 PID 控制用的功能指令，如 FX2N 系列 PLC 的 PID 指令，它实际上是用于 PID 控制的子程序，与 ADDA 模块一起使用， 可以得到过程控制模块的效果。 FX2N 的 PID 功能指令说明如图 2-1 所示。 X0 FNC88 PID D0D1D100 D150 S1S2S3D SV SV mV 图 2-1 PID 功能指令说明 2.1.3 PLC 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 1、PLC 的基本结构 (1).PLC 的硬件组成 可编程控制器主要由微处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出接 口(I/O)、电源和编程器等几个部分组成。PLC 硬件结构如图 2-2 所示。 图 2-2 PLC 硬件结构 微处理器（CPU） CPU 是 PLC 的运算控制中心，PLC 在 CPU 的控制下，协调系统内部各部 分的工作，执行监控程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制 信号，实现对现场各个设备的控制。 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 6 存储器 可编程控制器配有两种存储器：系统存储器(ROM)和用户存储器(RAM)。 系统存储器：存放系统管理程序。用户存储器：存放用户编制的应用程序和工 作数据。 输入输出接口 输入输出接口是 PLC 和现场输入与输出设备连接的部分。 A)输入接口 输入接口电路用来接收和采集现场输入信号，输入回路中公 共点 COM 通过输入元件连接到对应的输入点上，再通过输入继电器将输入元 件的状态转换成 CPU 能够识别和处理的信号，并存储到输入映像寄存器中。 PLC 输入回路接线如图 2-3 所示。 图 2-3 PLC 输入回路接线 B)输出接口 输出接口电路就是 PLC 的负载驱动回路，通过输出接口， 将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载就由 PLC 输出接口的 ON/OFF 进 行控制，输出接口为 ON 时，负载得到驱动。PLC 输出回路接线如图 2-4 所示。 图 2-4 PLC 输出回路接线 (2).PLC 的软件组成 PLC 的软件由系统监控程序和用户软件程序组成。 1)系统监控程序是每一台 PLC 必须包括的部分，是由 PLC 的制造者编制的， 用于控制 PLC 本身的运行。系统监控程序分成管理程序、用户指令解释程序、 标准程序或系统调用子程序。 2)用户程序是 PLC 的使用者编制的针对控制问题的程序。它是用梯形图或 某种 PLC 指令助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 7 言等，其助记符形式 PLC 型号的不同而略有不同。用户程序是线性地存储在系 统监控程序指令的存储空间内的，它的最大容量也是由监控程序限制的。 2、PLC 的工作原理 (1)PLC 控制逻辑的实现 PLC 是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理之上的， 是通过执行反应控制要求的用户程序来实现控制的。由于计算机在每一瞬间只 能做一件事，其 CPU 是以分时操作方式来处理各项任务的，所以程序的执行时 按顺序依次完成相应的动作，这便形成时间上的串行，即串行工作方式。 (2)PLC 的工作方式 采用循环扫描方式。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程 序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。 注意：由于 PLC 是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化， 输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能 改变。PLC 循环扫描过程如图 2-5 所示。 停止 图 2-5 PLC 循环扫描过程 (3)PLC 的工作过程 PLC 的工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输 出处理几个阶段。 1）内部处理阶段 在此阶段，PLC 检查 CPU 模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完 成一些其它内部工作。 2）通信服务阶段 内部处理 通信操作 输入处理 程序执行 输出处理 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 8 在此阶段，PLC 与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程 器的显示内容等，当 PLC 处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。 3）输入处理 输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并 将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新， 接着进入程序的执行阶段。 4）程序执行 根据 PLC 梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描， 执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转 地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC 从输入映象寄存器中读出上一 阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前 状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。 5）输出处理 程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y 寄存器的 状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路， 使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。 2.22.2 4A/D4A/D 及及 4D/A4D/A 扩展模块扩展模块 2.2.1 模拟量输入模块模拟量输入模块 FX2N-4AD 1、FX2N4AD 的功能 FX2N4AD 是 FX 系列 PLC 的模拟量输入模块，有四个输入通道，每个通道 都可进行 A/D 转换。即将模拟量信号转换成数字信号送给 PLC,以实现对过程参 数的控制。 2、FX2N4AD 的外部接线 FX2N-4AD 外部接线如图 2-6 所示。图中模拟量信号采用双绞屏蔽电缆输入 FX2N4AD 中，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。如果输入 电压有波动，或在外部接线中有电气干扰，可以接一个 0.10.47uF 的平滑电 容。 FX2N-4AD 的 4 个输入通道（CH1CH4）通过输入端子接线，可以选择为电 压输入或电流输入。如果是电流输入，应将端子 V+和 I+连接。 FX2N-4AD 接地端应与 PLC 主单位接地端连接，如果存在过多的电气干扰， 还应将外壳地端 FG 和 FX2N-4AD 接地端连接。其外部接线如图 2-6 所示。 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 9 于于 V+ I+ VI- FG 于于 V+ I+ VI- FG 24+ 24- 于于于于 -20 - +20mA 于于于于 -10 - +10V 于于于于4 CH4 于于于于1 CH1 于于于于 DC24V10 55mA 于于于于 于于100? 于于于于 250? 100K? 100K? CH4 AG 250? 100K? 100K? CH4 DC/DC 于于于 AG +15V -15V 于于于于于于于 FX2N-4AD 图 2-6 FX2N-4AD 外部接线 在 A/D 转换过程中，输入的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，而输出 的则是时间上，幅值上均离散的数字量，因此，要把模拟量转换成数字时需经 采样、保持、量化、编码四个步骤。A/D 转换原理框图如图 2-7 所示。 图图 2-7 A/D 转换原理框图 2.2.22.2.2 模拟量输出模块模拟量输出模块 FX2N-4DAFX2N-4DA 1、FX2N4DA 的功能 FX2N4DA 是 FX 系列 PLC 的模拟量输出模块，有四个输入通道，每个 通道都可进行 D/A 转换，即将 PLC 处理后的数字信号转换成模拟量信号输出， 以实现对现场过程参数的控制。 2、FX2N-4DA 的外部接线 FX2N4DA 的外部接线如图 2-8 所示。图中模拟量输出信号采用双绞屏蔽 电缆传输，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。如果输出电压 波动或在外部接线中有电气干扰，可以接一个 0.10.47uF 的平滑电容。 FX2N4DA 的 4 个输出通道（CH1CH4）通道输出端子接线，可以独立 的选择为电压输出或电流输出。电压输出端子为 V+和 VI-；电流输出端子 I+和 VI-。 FX2N4DA 接地端应与 PLC 主单元接地端连接；双绞屏蔽电缆应在负载 端使用单点接地。其外部接线如图 2-8 所示。 模 拟 量 采 样 保持量化编码数字量 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 10 控制指令 中间直流环节 AC 控 制 指 令 控 制 指 令 网侧变流器 整流器 逆变器 AC M 运行指令 24+ 24- V+ VI- V+ VI- I+ I+ 于于于于 于于于于 +15V AG -15V 于于于于于于于 FX2N-4DA PLC DC24V,200mA 于于 于于 DC/DC 于于 于 CH1于于于于 CH2于于于于 图 2-8 FX2N4DA 的外部接线 在 D/A 转换过程中，输入的是幅值上均离散的数字量，输出的是时间上、 幅 值上都是连续的模拟量，因此，要把数字量转换成模拟量时需经控制对象、 检测对象、A/D 转换、数字系统、D/A 转换、执行机构六个步骤。D/A 转换原 理 框图如图 2-9 所示。 图 2-9 D/A 转换原理框图 2.32.3 变频器变频器 2.3.1 变频器的工作原理及其组成结构变频器的工作原理及其组成结构 从频率变换的形式来说，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频 器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频 器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直 流电变换成频率、电压均可控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频 器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图 2-10 所示. 控制 对象 检测 对象 A/D 转换 数字 系统 D/A 转换 执行 机构 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 11 图 2-10 变频器基本结构 由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各 部分的功能分述如下： （1）整流器 电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单 相)交流整流成直流。 （2）直流中间电路 直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑， 以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为 异步电动机，属于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因 数总不会为 1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又 常称直流中间环节为中间直流储能环节。 （3）逆变器 负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路 的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的 交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。 （4）控制电路 变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极 驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。其主要任务是完成对逆变器 的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的 核心部分，其性能的优劣决定了变频器的性能。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成直流中间电路的储能 元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大 容量的电感。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些 辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用 6 个半导体主开关器件组成的三 桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的 三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制 为变频器的优良性能提供了硬件保障。 2.3.2 变频控制恒压供水控制方式变频控制恒压供水控制方式 众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。即 N=KN3 N：为水泵消 耗功率；n：为水泵运行时的转速；K 为比例系数。而水泵设计是按工频运行时 设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及 微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终 达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速 降低 20%，从而大大降低能耗，节能率可达 20%-40%。 目前国内各厂家生产的供水设备电控柜，除采用落后继电接触器控制方式 外，大致有以下四类：逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带 PID 回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式和新型变频调速供水设 备。 变频控制恒压供水的控制方式是带有 PID 回路调节器和可编程序控制器 （PLC）的控制方式。该方式中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制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算， XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 12 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。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口， 又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高， 这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编 程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块 PWM 调制板，将可 编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和 附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程 控制器和一个 PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器 差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出 就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 2.3.32.3.3 变频器的系统组成及接口定义变频器的系统组成及接口定义 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动 单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。 变频器的接口组成如图 2-11 所示。 图 2-11 变频器的接口组成 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位： n 60 f(1 s)/p (1) 式中 n 异步电动机的转速； f 异步电动机的频率； s 电动机转差率； XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 13 p 电动机极对数。 由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的 转速，当频率 f 在 0 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、 高性能的调速手段。 2.42.4 MCGSMCGS 组态软件组态软件 MCGS(Monitor And Control Generated System,通用监控系统)是一套全中文 工控组态软件,用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于 Microsoft 的各种 32 位 Windows 平台上运行,可以以 Microsoft 的 Windows 95,98,Me,Nt 或 windows 2000 为操作系统.通过对现场数据的采集处理,以动画显 示,报警处理,流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方 案,有着广泛的应化领域用.它功能齐全，便于方案设计。MCGS 为解决工程监控 问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、 流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件 能快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的 计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题， ，组态配置出高性能、高可 靠性、高度专业化的上位机监控系统。具有功能完善、操作简便、可视性好、 可维护性强的突出特点。 2.4.1 MCGS 组态软件的整体结构组态软件的整体结构 MCGS 组态软件（以下简称 MCGS）由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运 行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关 图 2-12MCGS 组态软件的整体结构 MCGS 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。用户在 MCGS 组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全 部组态工作后，生成扩展名为.mcg 的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 14 MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。 MCGS 工程的五大部分 图 2-13MCGS 的工程组成 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗 口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作 包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口， 设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集 与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种 动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将 MCGS 工程的 各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数 据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序 （ifthen 脚本程序） ，选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、 配方操作、多媒体输出等。 第三章第三章 变频恒压供水系统分析与节能原理变频恒压供水系统分析与节能原理 3.13.1 恒压供水系统工艺简介恒压供水系统工艺简介 恒压供水控制系统的基本控制方法是：在变频供水系统中，主要单元采用 可编程控制器构成控制系统，执行组件为运行的电动机，通过水管压力实际参 数与给定压力差值的变化自动调节达到稳定供水压力和节约电能的目的。 技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否 能不断领先于竞争者的重要指标依据。随着我国变频恒压供水系统市场的迅猛 发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了 解国内外变频恒压供水系统生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及 趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。 本文通过参考大量专利文献对变频恒压供水系统的工艺技术进展做了系统 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 15 介绍，通过详细的调查和权威技术资料及相关情报的收集，为用户提供了变频 恒压供水系统产品核心技术应用现状、技术研发、工艺设备配套、高端技术应 用等多方面的信息，对于企业了解各类变频恒压供水系统产品生产技术及其发 展状况十分有益。 3.23.2 供水系统的基本特征和方式供水系统的基本特征和方式 我国是一个发展中的大国，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生 产循环供水等方面一直存在着技术比较落后、自动化程度低等缺点。在用于高 峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低、水供不应求的现象；而在 用于低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高、水供过于求的情况， 不仅白白造成电能的浪费，有时还造成水管破裂和用水设备损坏等情况。 在深入研究变频恒压供水技术之前，先将之前使用的几种主要供水方式做 一总结。 （1）单台恒速泵直接供水方式 在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水后直接送给用户，有的甚至连蓄 水池也没有，直接从城市公用水网中抽水。一般情况下，抽水泵会整日不停运 转，有的会在夜间用水低谷时段停止运行。其供水方式简单、造价最低，但耗 电、耗水严重，供水质量很差，也会严重影响城市公用管网压力稳定性。 （2）恒速泵+水塔的供水方式 这种方式是由水泵先向水塔供水，再从水塔供水。水塔注满后水泵停止， 水塔水位低于某一位置时再启动水泵。要求水塔最低水位略高于供水系统所需 要的压力。水泵工作状态是断续的。由于水泵工作在额定流量、额定扬程的条 件下，水泵始终工作于高效区。这种方式显然比前一种节能，其节电率与水塔 容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关。 供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大；水 压不能随所需流量调整，也无法兼顾近期与远期的需求；存在一些能量损失和 二次污染问题。在使用过程中，如果水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能 进行自动的开停，必须由人操作中，将会出现能量的严重浪费和供水质量的严 重下降。 （3）恒速泵+高位水箱的供水方式 这种方式的工作原理与水塔基本相同，只是水箱设在建筑物的顶层。高层 建筑还可以分层设置水箱。占地面积与设备投资与水塔供水相比有所减少，但 对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大， 导致供水范围较小。如果设计时考虑不周，无法防止一些动物甚至人进入水箱 造成水质污染。水箱的位置监控装置也很容易损坏。 （4）恒速泵+气压罐供水方式 这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控 制泵的开、停。罐的占地面积与水塔、水箱供水方式相比较小，而且可以放在 地上，设备的成本比水塔要低得多。由于气压罐是密封的，能大大减小因异物 进入造成的水质污染。气压罐供水方式也存在着许多缺点，将在介绍了变频调 速供水方式后，再将二者进行比较。 （5）变频调速供水方式 其工作原理是：通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 16 力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出来无级调剂水泵转速，使系统水 压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。细分起来又有如下 3 种：水泵 出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 (a)出口恒压控制 水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程 中始终保持出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占 比例较小的情况，即整个给水系统的压力可以看作是恒定的。当在供水面积较 大的居民中应用时，由于管路损耗较大，在低峰用水时，容易造成最不利点的 流出水头高于设计值，不能得到最佳的节能效果。 (b)出口变压控制 在这种供水方式中，也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定 值不只有一个而是多个，即按用水曲线将每日 24 小时分成若干时段，计算出各 个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式 其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。它比水泵出口恒压控制方式更能节能， 其节能效果取决于将全天 24 小时分成的时段数以及所需求水泵出口压力值的精 确程度。水泵出口压力计算得越符合实际情况就越节能，将全天分得越细也越 节能，当然实现起来也越复杂。 (c)最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行 过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但是由于最 不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此 工程中很少采用。 变频调速方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐供水方式依靠压 力罐中的压缩空气送水。当气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流 量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力 造成能量的浪费。加上水泵是工频启动，且启动频繁，又会造成一定的电能损 耗。相比之下，变频恒压供水能在系统用水量下降时无级调节水泵转速，使供 水压力与系统所需水压大致相等，这样就能节省了许多电能，同时变频器对水 泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗也比较小。另外气压罐供水需要 配备一定量的钢罐，气压罐体积一般比较大，占地面积几十平方米。在变频调 速方式中，调速装置占地面积仅有几平方米，相比气压罐供水方式将节省大量 占地面积。从运行效果上看，气压罐方式与调速式相比也存在一定的差距。气 压罐方式运行不太稳定，突出表现在频繁启动时。由于气压罐的调节容量仅占 其总容积的 1/31/6，因而每个罐的调节能力很小，只能依靠频繁的启动来保证 供水稳定性，这不仅将产生较大的噪声，同时由于启动较于频繁，常常造成供 水压力不稳。由于是硬启动，电气和机械冲击也很大，设备损坏很快。变频调 速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设 备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，由于是经水泵加压 后直接送给用户的，防止水质的二次污染，保证了饮水水质质量。 通过上述比较可以看出，变频调速式供水系统具有节约能源、节能占地、 节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，因而具有广阔的应用前景和明 显的经济效益和社会效益。 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 17 3.33.3 常用调速方式及变频调速原理常用调速方式及变频调速原理 水泵多由交流异步电动机拖动。交流异步电动机的转速公式为： (3-1) 10 (60/)(1)(1)nfpsns 式中， 001 1 60/ / min nnfp f p nr 同步转速， 异步电动机供电电源频率 异步电动机极对数 电动机转速。单位为。 改变电动机极对数 P、改变转速差 S 及改变电源频率 f 都可以达到调速的 目的。 (1)変级对数调速 在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动 机极对数，就可以改变转速。可以通过改变定子绕组的接线方法来改变极对数。 如果使 P=1，2，3 等，就可以得到 n。=3000、1500、1000r/min 等不同的 同步转速，从而得到不同的转子速度。这种调控方式控制简单，投资省，节能 效果显着，效率高，但需要专门的変极电机，是有级调速，而且级差比较大， 只适用于特定转速的生产机器。 (2)变频调速 变频调速是将电网工频交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电， 然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。 改变电动机定子频率 可以平滑地调节同步转速 相应地也就改变了转子转 速 ，而转速差 S 可保持不变或很小。但对电动机；来说，定子频率改变后，其 运行会受到影响。如果电压不变，频率增加时，磁通量将减小，电动机转速会 下降，严重时会使电机堵转；而当频率降低时，磁通增加，会使磁路饱和，励 磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许出现的情况。因此，在 实用上，要求在调频的同时，也改变了定子电压，以保持磁通基本不变，既不 是铁芯发热，又保持转矩不变。 (a)交-直-交 变频器 它由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电 变为电压可调的直流电；可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电 变换为频率可调的交流电；滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是 利用无源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 在交-直-交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变 频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型 （PWM）变频器技术获得了飞速的发展。PWM 变频器也有电压型和电流型两 种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。它不仅 可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。 (b) 交-交变频器 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 18 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同 时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交-交变频器由于直接 交换，减少了换流电路，损耗小，效率高，波形好，但调速范围小，控制线路 复杂，功率因数低，目前较少采用。 利用变频技术对水泵电动机进行调速，可以获得优良的运行特性和明显的 节能效果，是目前常用的技术。 (3)可控硅串级调速 它是把异步电动机转子电势经过整流-逆变后回馈给电网，回收功率就是转 差功率，当改变逆角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达 到调速的目的。但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线 上升。可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大 提高电动机低速运行时的效率。 串级调速的最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也 好。但是由于调速线路过于复杂，且还需要增加一台与电动机相匹配的变压器， 增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高、占水泵房面积大等缺点因而影响 它的推广使用 3.43.4 恒压调速运行的节能恒压调速运行的节能分析分析 3.4.1 供水系统的节能原理供水系统的节能原理 在供水系统中，通常以流量为控制目标，常用的控制方法有阀门控制法和 转速控制法两种。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速 保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量。因此，管阻将随 阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际应用水中，需水量是变化 的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。 转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。这 种控制方法是通过改变水的动能来改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的 改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理 是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒 定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。 供水系统管网及水泵的运行特性曲线如图 3-1。 图3-1 管网及水泵的运行特性曲线 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水系统设计与调试 19 当用阀门控制时，假设供水量高峰水泵工作在 E 点，流量为 ，扬程为 。 当供水量从 减小到 时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线 从 移动到 。扬程特性曲线不变，而扬程则从 升到 ，运行工况点从 E 点移动 到 F 点，此时水泵输出功率即 5 为（ ）围成的矩形部分，其值为： 21 0,Q F H （3-2） 12 /102 D PH Q 当用调速系统时，若采用恒压（ ） 、变速泵（ ）供水，管阻特性曲 0 H 2 n 线为 ，扬程特性变为曲线 ，工作点从 E 点移动到 D 点。此时水泵输出功率为 （ ）围成的矩形面积，其值为： 20 0,Q D H （3-3） 02 /102 F PH Q 可见，改变调速控制，节能量为（）围成的矩形面积，其值为： 01 ,HD F H (3-4) 02 /102 F PH Q 从公式可以看出，当用阀门控制流量时，有值为 的功率被浪费掉。随着阀 门的不断减小，阀门的摩擦阻力也不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况也 随之上移，于是 增大，造成被浪费的功率也随之增加。 根据水泵便需运行的相似定律，变速前后流量 Q、扬程 H、功率 P 与转速 N 之间的关系为： (3-5) 23 212121212121 /:/(/) :/(/)QQ NNHHNNPPNN 式中 ， 为变速前的流量、扬程、功率， 变速后的流量、扬程、功率。 由公式（3-4）可以看出，水泵功率与转速的立方成正比，流量与转速成正 比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式相比阀门控制方式其供水功率 要小得多，节能效果显着。 变频恒压供水的特点分析。 变频恒压供水系统能适应生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合， 具有以下特点： （1）非线性 用户管网中因为有管阻、水锤等影响，同时又由于水泵的一些固有特性， 使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是 一个非线性系统。 （2）多变性 变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统， 而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其 控制对象的模型具有很强的多边性。 （3）容错性 当出现意外的情况下，例如突然断电或水泵、变频器、软启动器等出现故 障时，系统能根据泵、变频器或软启动器的状态、电网状况及水源水位以及管 压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的 XXXX 职业技术学院毕业设计（论文）