变频恒压供水系统毕业设计.doc

综合实训报告实训项目： 系 部： 电气工程系 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 同组成员： 指导教师： 日 期： 摘要随着社会的发展，恒压供水越来越重要。本系统以PLC与变频器控制水泵工作，根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。文中重点叙述了变频节能原理，恒压供水原理及PID控制方式。并提供控制系统硬件和控制软件，经现场模拟调试成功，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单等效果。恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。共三台电机，其中由一台变频器拖动2台电动机的起动、运行与调速，1台电机备用。控制系统中采用德国SIEMENS公司的S7-300可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由FB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命关键词： 恒压供水；PLC控制；闭环PID 目录摘要.1一：引言.二：变频恒压供水控制系统简介. 1.恒压供水系统的目的和意义. 2.恒压供水系统的特点.三：变频恒压供水控制系统理论分析. 1.变频恒压供水控制系统构成. 2.变频恒压供水控制系统理论模型.四：变频恒压供水控制系统设计与选型. 1.变频恒压供水系统设计 2.变频恒压供水系统器件选型. 1）可编程逻辑控制器（plc）简介 2）变频器简介. 3)变频器与plc的连接. 4)压力传感器的简介. 3.变频恒压供水系统主电路设计 4.变频恒压供水系统控制电路设计. 1)控制系统主程序设计. 5. PID设计 1）PID控制. 五：变频恒压供水控制系统调试六：总结.七：研究愿望.参考文献附件.致谢词.一：引言随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，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。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。本文介绍的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序控制器控制变频与工频切换,自动控制水泵投入的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的。 本文首先对供水系统的特性和变频调速的原理进行介绍，在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计进行研究，通过学习德国SIEMENS公司的S7-300的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。二：变频恒压供水控制系统简介 1.恒压供水系统的目的和意义 泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。2.恒压供水系统的特点变频频恒压供水系统在水量增加时，变频器频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，变频器频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，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；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。变频恒压供水系统的主要特点：:均配有稳压泵或稳压罐稳压，在用水量小到一定值时，主泵可停止运转，减少水泵电机的机械磨损并且节约电能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。:结构紧凑，占地面积小，安装快，投资省，运行稳定，无污染，效率高。:配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。:运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。:由于能对水泵实现软停和软起，消除了启动电流对电网的冲击。:采用单片机，程序灵活多变，精度高，可靠性强，反映速度块，操作简便，省时省力。三：变频恒压供水控制系统理论分析 1.变频恒压供水控制系统构成 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，并且把电机和水泵连成一体，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。 图1-1水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。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，使系统的调试更为简单、方便。2.变频恒压供水控制系统理论模型变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就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。 图1-2从图1-2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。四：变频恒压供水控制系统设计与选型 1.变频恒压供水系统设计变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。压力传感器将管道中的水压值变换成电信号(420mA)，送入系统内置数字PID控制器进行比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制三台水泵电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变三台水泵的运转状态和转速，实现压力调节。控制部分是以德国SIEMENS可编程序控制巡检综合判定，控制输出三个逻辑过程。电气部分包括对水泵电机，变频器的启器S7-300为核心，实现信号采集，动、停止，以及故障检测，指示灯的控制，S7-300据有丰富的指令系统，并且依托STEP7-V5.3良好的编程界面，很方便程序编制和现场调试。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。传动装置用了富士变频器，适用于异步电机无级调速控制。该变频器的输出控制方式为恒压频比以及IGBT大功率晶体管模块。其优点之一是具有高的切换频率，可输出低谐波分量的正弦波，在低速时电机有更大的输出转矩，降低电机的损耗和噪音，减少了电机运行时的温升。变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为0.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的cos中，以致于可以省去为改善功率因数的电容补偿以及相应控制设备。传感器选用了设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。外围设备主要包括执行设备，如水泵、接触器、按钮、选择开关、电流互感器等设备，由于外围设备种类较、型号较杂，且不是本设计的技术难点，故对其选型说明简述至此。2.器件的选型及介绍 1）：可编程逻辑控制器（plc）简介S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。 PLC 采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区。批量输入、批量输出。S7-300PLC是模块式的PLC，本设计主要用得的有以下部分： 中央处理单元（CPU）各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒。信号模块（SM）信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的电信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC420mA和DC010V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程连接到前连接起的端子上。本设计主要用到的是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。功能模块（FM）功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。图4.1 PLC I/O点及地址分配图PLC的接线如图附录A所示，根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数，名称及地址编号如下表4.2所示。名称地址编码名称地址编码输入信号输出信号水位上限I0.01号水泵工频运行Q0.0水位下限I0.11号水泵变频运行Q0.1变频器报警I0.22号水泵工频运行Q0.2消铃按钮I0.32号水泵变频运行Q03试验按钮I0.43号水泵工频运行Q0.4变频器启动I0.4高低液位报警Q0.5变频器停止I0.5变频器报警Q0.6报警声Q0.7 表4.2 I/O点及地址分配2.变频器简介1）变频器的基本结构与分类变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。2）变频器的选型 （1）：控制方式控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。（2）：变频器容量的选择变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。从电流的角度：大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。从效率的角度：系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。3）.变频器与PLC的连接图4.3-1 变频器变频器与PLC的连接如图4.3-2所示，其中变频器各端子功能如下：R,S,T端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序；U,S,W端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对，则可交换其中的任意两相；G端子为接地端子；端子11为模拟输入信号的公共端子；端子12为设定电压输入端，输入PID控制的反馈信号，以此来设定频率；FWD端子为正转运行/停止命令 端子，端子FWD-CM间：闭合（ON），正转运行；断开（OFF），减速停止，此端子有PLC输出点控制；接点输入公共端CM为接点输入信号的公共端子；X1为选择输入1端子，作为报警复位命令信号端子；Y1、Y2为晶体管输出1端子与晶体管输出2端子，为水位上限与下限报警端子；晶体管输出公共端CME，为晶体管输出信号的公共端子，端子CM和11在变频器内部相互绝缘；可选信号输出继电器端子Y5A,Y5C,为变频器报警输出端子。 图4.3-2 PLC与变频器的连接4）.传感器的简介传感器的作用是将压力、温度等非电量的物理信号转换成电量信号，以便后续电路进行处理。在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。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。并且压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为15V或420mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗。在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用P0表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即 PI=PA -P0 由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使用的压力仪表测量的值称为表压力。显然当绝对压力值PA 小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕(Pa)，工业上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力的单位。设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。3.变频恒压供水系统系统主电路的设计供水系统的主电路图结合实际情况，本论文的恒压供水系统的主电路如图4.3所示。系统共有三台电机，分别为Ml、M2、M3。其中Ml、M2均可以在工频或变频两种方式下运行，而M3只能工频运行。每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联，变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护。空气开关的容量依据大电机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种工作状态的电动机Ml、M2，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，KM2、KM4控制M1、M2的变频运行。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。FR1、FR2、FR3为三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2分别为变频器和水泵电机的主电路隔离开关，FU为主电路的熔断器，是作为主电路短路保护用的。VF为通用变频器。 图4.3 供水系统主电路图变频器主电路电源输入端子(R、S、T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U、V、W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U、V、W)的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。4.变频恒压供水系统控制电路设计图4.4为本系统的控制电路图。控制电路中有独立的自动控制部分和手动控制部分，具有方便的手动和自动切换功能，由控制电路中的转换开关SA来实现。SB1、 SB3、SB5分别为1号泵电机、2号泵电机、3号泵电机的启动按钮。SB2、 SB4、 SB6分别为1、2、3号泵电机的停止按钮。HL1、 HL3、HL5分别为三个泵的工频运行指示灯，HL2、HL4为1，2号泵电机的变频运行指示灯，HL6、HL7分别为水位下限和变频器故障报警指示灯，HA为故障电铃。图4.4控制系统电路图其控制线路工作过程如下：A手动控制。万能转换开关处于手动位置时，启动电机，合上电源开关Q1、Q2，按下启动按钮SB1，接触器KM1的线圈得电，接触器KM1的主触电立即闭合，电动机M1接通电源开始全压启动，同时KM1的辅助常开触电也闭合，使KM1吸引线圈经两条路通电。这样，当松手SB1复位跳开时，KM1由于自锁正常运行。要使电动机M1停止运转，只要按一下停止按钮SB2即可。按下SB2，线圈KM1断电释放，则KM1的主触点断开电源，同时辅助常开触电也断开，控制回路解除自锁，电动机M1自停车到转速为零。电动机M2、M3同理。在手动方式下，水泵只能工频运行，无法变频运行。B自动控制。万能转换开关处于自动位置时，接触器的通断由PLC程序控制，变频器启动，合上电源开关Q1、Q2，启动PLC，开始运行程序，当Q0.0有输出时，KM1的线圈得电， KM1的主触电闭合，水泵1开始工频运行；当Q0.1有输出时，KM2的线圈得电， KM2的主触电闭合，水泵1开始变频运行。其他水泵的动作同理。1）.控制系统主程序设计 PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动、停止程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。程序流程图如图4.4-1所示。图4.4-1 主程序流程图.系统初始化程序：在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、电机频率)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。.水泵电机切换程序：水泵电机切换是根据不同时段管网压力大小和压力设定值的比较结果来进行切换机的。在变频调速恒压供水系统中，系统在一个工作周期内有四个工作状态，即1号电机变频运行；1号电机工频运行，2号电机变频运行（三号电机工频运行）； 2号电机变频运行；1号电机变频运行，2号电机变频运行（三号电机工频运行）。一般情况下，水泵电机都处于这四种工作状态之中，当管网压力发生变化时，四种工作状态之间就要发生相应转换，因此这四种工作状态也对应着四个切换过程。在水泵电机换机程序设计中，必须认真考虑这几个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。由于电机切换涉及到不同时段管网压力大小和设定值的比较计算；电机反馈频率的大小比较计算，因此在切换程序设计中还应包含模拟量(压力、频率)比较计算和逻辑运算程序设计；同时要考虑电机根据“先起先停”的原则，使各泵平均运行以避免一台泵长期工作，所以切换是根据电机运行时间的长短来自动完成不同电机间的切换；泵在启动时有软启动功能，即在启动前变频器频率要复位。.报警程序报警程序是依据电动机的热继电器动作进行设计的，当电动机过热时，热继电器常开触点闭合，作为PLC的输入条件。对于电动机的热继电器输入，报警指示输出既需要三个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。可以根据实际情况增加相应的报警功能。5. PID设计1）.PID控制PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图4.6所示。图4.6 PID控制原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差12e(t)=y(t)一r(t) （4-1）将偏差e(t)的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。微分部分(D)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。五：变频恒压供水控制系统调试计算机（上位机）作为编程通过专用通信电缆与PLC（下位机）进行通信。在连接或断开专用电缆时，应关闭控制电源；同时须注意专用电缆接插头插入的位置，否则易损坏上述仪器设备。在进行现场调试时应逐级调试，即先软件，再硬件；先弱电，再强电；先低压，再高压；先输入，再输出；先开环，再闭环；先电气，再机械。PLC的输入和输出的公共端COM必须分开，不能直接连接。六：总结本文针对我国中小城市水厂供水的特点，设计一套变频调速恒压供水自动控制系统。系统包括可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器以及接触器控制柜等。采用一台变频器拖动2台电动机的起动、运行与调速。压力传感器采样管网输出点的压力信号，压力传感器输出的是420mA的电信号，将这个输出与PLC的模拟量输入端相连，同时变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出指令，对水泵电机的投入、停止，工频和变频之间的切换进行控制。采用模块化的编程方式进行了PLC程序的设计、编写、调试，使系统的动态调节性能、程序控制算法都基本达到系统工艺的要求。恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。七：研究愿望本次设计内容主要包括：恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和PLC软件编程等。由西门子S7 - 300 系列PLC、变频器和压力传感器等组成的恒压供水系统,充分发挥了PLC 内置的PID 运算模块,自动调节变频器输出频率、投入使用泵数,达到恒压供水的目的;通过泵号管理程序,实现泵号自动切换,使每台水泵工作状况基本相同,提高设备利用率并减少维修费用;同时通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点,具有很大的应用价值。随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于GPRS的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。参 考 文 献1 张国雄.测控电路M. 北京:机械工业出版社:2006.22 瓮维勤，孙洪程.过程控制系统M.北京:化学工业出版社:2002.73 陈立定，吴玉香，苏开才.电气控制与可编程控制器M.广州:华南理工大学出版社:2000.9.4 吴勤勤.控制仪表及装置M.北京:化学工业出版社:2007.15 深圳康沃电气技术有限公司.康沃变频调速器使用手册Z.1126.深圳:2006.48496 顾跃.基于PLC的变频调速恒压供水系统研究D.中南大学硕士学位论文.2004.47 方桂笋. 基于PLC的变频恒压供水系统的设计D.兰州理工大学硕士学位论文,2008,58 金传伟，毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用J.上海:华南理工大学,1999，65-689 毛允明.传统变频调速供水设备能耗问题分析及解决方法J.山东水利,2004.9:4647 10 胡纲衡，唐瑞球，江志敏.交流变频调速的切换控制技术J.电工技术杂志，2001（6）:43-4511 吴小雨.恒压变量供水装置中PLC的应用J.低压电器，2002，（1）:42-45 12 刘小春.恒压供水系统控制及组态监控系统设计D.中南大学硕士学位论文，2008,413 张戟，单台变频器实现多台水泵软启动的恒压供水方法J.计算机技术与自动化，1999，4:18-20附录A PLC与变频器接线图附录B 控制系统主电路图与控制电路图 致谢词经过几个月的时间，经过查资料、整理材料、写作论文，最终论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师颉新春，因为论文是在颉老师的悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都在颉老师的指导之下，倾注了颉老师大量的心血。在此，谨向颉老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢颉老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助。同时，论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。通过此次的毕业设计，我学到了太多太多的知识，过去我们只是被动的学习，老师教什么我们学什么，而在做毕业设计的过程中我们变被动为主动，根据设计的需要自己去学习去解决问题，对于不懂之处积极寻求答案，在此获得很多老师的帮助；在设计过程中出现的任何问题都不要轻视，要通过正确的途径去解决，要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的；而且要学会与同学们一起合作，这样会事半功倍。这些都为我们走向社会打了一个很好的基础。再次感谢我在大学传授给我知识以及给我帮助和鼓励的老师，同学和朋友，谢谢你们!