毕业设计（论文） 恒压供水系统的PLC控制与远程监控

三 江 学 院 本科毕业设计（论文）题 目 恒压供水系统的 PLC 控制与远程监控 电气及自动化工程学 院（系） 自动化 专业学 号 Z06072040 学生姓名 指导教师 起讫日期 2010.2.23-5.28 设计地点 L407 I摘摘 要要随社会经济的迅速发展，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趋势。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、PLC 及 PID 调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。本文介绍了采用 PLC 控制的变频调速供水系统，由 PLC 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。在经过 PID 运算，通过 PLC 控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。关键字：关键字：变频调速 ；恒压供水；PID调节；PLCIIAbstractWith the rapid development of social economy, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.It is very important of the Water Supply System in Constant Pressure for the water supply in industrial and citizen existence. It is consist of the variable frequency and speed regulation, PLC, PID control system for the control system. It controls the outcome of the pumps. The generator pumps are consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. According to the water supply of constant pressures outcome water press and flux, the control system control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over, cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. This design has many merits such as save energy.In this paper, the control principle of VVVF providing-water system is introduced. PLC is used to carry on logic control and inverter to modulate pressureThrough PID control principle. We realize Closed-loop control in VVVF Providing-water System. The result indicates that the system has the stable pressure, simple structure, and reliable work.KeyKey w wo ords:rds: variable frequency and speed regulation； water supply of constant pressure； PID control system； PLC；目目 录录摘摘 要要.IABSTRACT.II第第 1 章章 绪绪 论论.11.1 变频恒压供水的目的和意义.11.2 变频恒压供水系统的国内研究现状.11.3 毕业设计的主要内容.21.3.1 课题来源 .21.3.2 毕业设计的主要任务 .2第第 2 章章 恒压供水系统的基本构成恒压供水系统的基本构成.42.1 恒压供水系统的基本构成.4第第 3 章章 变频器和压力传感器变频器和压力传感器.63.1 变频器的基本结构和原理.63.2 压力传感器的概念.7第第 4 章章 系统的硬件电路设计系统的硬件电路设计.94.1 系统总体上的规划.94.2 系统工作流程.104.3 系统主电路的设计.11第第 5 章章 PID 的控制原理与理论设计的控制原理与理论设计.125.1 PID 调节原理和特点 .125.2 PID 调节参数的调整 .135.3 PID 调节的控制 .135.4 PID 回路类型的选择 .145.5 正作用或反作用回路.14第第 6 章章 系统的软件与仿真设计系统的软件与仿真设计.156.1 系统设计的要求.156.2 控制系统的 I/O 及地址分配.156.3 PLC 系统选型 .166.4 电气控制系统主电路图.166.5 系统程序设计.176.5.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 .176.5.2 多泵组泵站泵组管理规范 .186.5.3 系统流程图设计 .186.5.4 程序的结构及程序功能的实现 .206.5.5 系统的运行分析 .216.6 虚拟对象的调试.216.7 供水资源的分配管理.226.8 网关设置.236.9 供水罐模型设计.246.10 变频器以及水泵电机控制.256.11 SIMIT 例程设计操作.25第第 7 章章 总总 结结.27致致 谢谢.28参考文献参考文献.29附录附录 PLC 程序程序.30三江学院毕业设计（论文）1 第第1章章 绪绪 论论1.11.1 变频恒压供水的目的和意义变频恒压供水的目的和意义随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，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。希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以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，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.21.2 变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水系统的国内研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，三江学院毕业设计（论文）2 对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果。目前国内在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC 和 PID 调节器，可完成最多 4 台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。 可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的研究还不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.31.3 毕业设计的主要内容毕业设计的主要内容1.3.11.3.1 课题来源课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。1.3.21.3.2 毕业设计的主要毕业设计的主要任务任务本系统做主要由主供水回路、清水池及泵房组成。如图 1-1 为变频恒压供水控制系统，其中，泵房装有 1#3#共三台泵机，还有多个电动阀门控制各回路和水流量。控制系统采用了已具有丰富功能的 PLC 为核心的多功能高可靠性控制系统。恒压供水的主要目的是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就需要用变频器为水三江学院毕业设计（论文）3 泵电机供电。这里采用数台电机配一台变频器，变频器与电机之间可以切换，供水运行时，只有一台泵变频运行，以满足不同用水量的需求。 图1-1 变频恒压供水控制系统三江学院毕业设计（论文）4 第第2章章 恒压供水系统的基本构成恒压供水系统的基本构成2.12.1 恒压供水系统的基本构成恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需设多台水泵电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，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。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。图 2-1 为恒压供水系统构成示意图。图中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。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压转变为电流或电压的送给调节器。PLC送消防生活变频器工频/变频切换电路1 号泵2 号泵3 号泵压力罐压力传感器调节器调节器图2-1 恒压供水系统示意图调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能： (1)设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。大部分调节器用数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。(2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了三江学院毕业设计（论文）5 水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称 PID 调节器。调节器的调节参数，如 P、I、D 参数均是可以由使用者设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。调节器的输出信号一船是模拟信号，420mA 变化的电流信号或 010V 间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。三江学院毕业设计（论文）6 第第3章章 变频器和压力传感器变频器和压力传感器3.13.1 变频器的基本结构变频器的基本结构和原理和原理交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。众所周知，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50Hz。而交流电动机的同步转速。 PfN1160 (3.1.1)式中1N-同步转速，r/min； 1f -定子频率，Hz；P -电机的磁极对数。而异步电动机转速)1 (60)1 (11sPfsNN (3.1.2)式中s-异步电机转差率，11/ )(NNNs，一般小于3%。均与送入电机的电流频率与电机的转速成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。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3-1所示。三江学院毕业设计（论文）7 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ACM运行指令图3-1 交-直-交变频器的基本结构由主回路，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的性能的优劣决定了变频器的性能。(5)变频器有 2 个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。3.23.2 压力传感器压力传感器的概念的概念在自动控制系统中检测环节是非常重要的一部分，它将检测到的控制量反馈回输入端，三江学院毕业设计（论文）8 才能实现自动调节，本系统所用的检测的是水压，采用压力传感器，它通常安装在出水管网上，其功能是把出口压力信号变成 420mA 变化的电流信号或 010V 间变化的电压信号的标准信号送入 PLC 的端口进行 PID 调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过 PLC 控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。三江学院毕业设计（论文）9 第第4章章 系统的硬件电路设系统的硬件电路设计计4.14.1 系统总体上的规划系统总体上的规划恒压供水要求用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述要求，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。变频器恒压供水系统如图 4-1 所示。图 4-1 变频器恒压供水系统连接图该系统主要由 3 台水泵（两台生活水泵，一台备用泵）、1 台变频器（内带 PID 调节功能）、PLC、及线性压力传感器等组成。PLC 控制各台水泵的运行状态（如工频运行、变频运行、停止），从而控制水泵的运行台数，在供水中利用 PID 回路调节功能将检测到的现场压力值与整定值进行比较，比较后的信号送至变频器，对变频器进行调节，从而达到三江学院毕业设计（论文）10 控制电泵速度的目的。水泵的速度具体的调节是采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制。4.24.2 系统工作流程系统工作流程（1）系统工作流程如图 4-2 所示图 4-2 工作流程图（2）系统工作过程首先开主电源和 PLC 电源，然后根据需要选择手动或自动，如果选择手动，则根据需要选择各泵的运行，如果选择自动，开变频器后，系统会自动根据水压情况调节水泵的运行，当用水量大，水压过小的时候，PLC 和变频器配合工作，根据需要来投入各泵的运行，变频调速无法满足时，PLC 将各泵调整为工频运行。当水压变大时，PLC 和变频器配合工作，切除相应的泵运行，如果水压一直过大时，PLC 则调整 1 泵为变频运行。三江学院毕业设计（论文）11 4.34.3 系统主电路的设计系统主电路的设计该系统包括 3 台水泵电动机 M1、M2、M3，其中 M3 为备用，系统为一台变频器依次控制每台水泵实现转速的调节，并实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵。主电路如图 4-3 所示。图 4-3 恒压供水系统主电路其中接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制 M1、M2、M3 工频运行，KM1、KM3、KM5 分别控制M1、M2、M3 变频运行，KM0 控制变频器的工作，热继电器 FR 起热保护作用。三江学院毕业设计（论文）12 第第5章章 PID的控制的控制原理与理论设计原理与理论设计5.15.1 PIDPID 调节原理和特点调节原理和特点PID（比例积分微分）英文全称为 Proportion Integration Differentiation，它是一个数学物理术语。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器（intelligent regulator），其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。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。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-state error）。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（System with Steady-state Error）。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，即便三江学院毕业设计（论文）13 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。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。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。5.25.2 PIDPID 调节参数的调整调节参数的调整PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID 控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。三江学院毕业设计（论文）14 5.35.3 PIDPID 调节的控制调节的控制根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和 PID 相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID 来保持静态精度。这通过 PLC 加智能仪表可时现该算法，同时对 PLC 的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用 PID 调节器进行控制，而采用 PLC 参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。5.45.4 PIDPID 回路类型的选择回路类型的选择 在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数可先选用想要的回路控制类型。 如果不想要积分回路，可以把积分时间设为无穷大。即使没有积分作用，积分项还是不为 0 因为有初值 MX，但积分作用可以忽略。如果不想要微分回路，可以把微分时间设为 0，如果不想要比例回路，但需要积分或微分回路，分项和微分项时，把增益当作 1 看待。5.55.5 正作用或反作用回路正作用或反作用回路 如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。对于增益为正的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；指定为负，则为反作用回路。三江学院毕业设计（论文）15 第第6章章 系统系统的软件的软件与仿真设计与仿真设计6.16.1 系统设计的要求系统设计的要求对变频恒压供水系统的基本要求是：1） 供水运行时，系统恒压运行。 2） 通过调节电磁阀的开度，控制供水罐的进水速度。 3） 三台电机按顺序进行切换，如果压力低于设定值，则切换为工频运行同时开启下一台电机变频运行。4） 同时变频器有报警信号和报警指示灯。 6.26.2 控制系统的控制系统的 I/OI/O 及地址分配及地址分配将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有 5 个输入信号和 11 个输出信号，下表是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。水位上下限信号分别为 I0.3,IO.4 它们在水淹没时为 0 没有淹没的时候 1 。数字量输入地址符 号定 义I0.0Start系统启动I0.1Stop系统停止I0.2Warn变频器报警信号I0.3Levelmin水位下限信号I0.4Levelmax水位上限信号数字量输出地址符 号定 义Q1.01_gongrun一号泵工频运行指示灯Q1.11_bianrun一号泵变频运行指示灯Q1.22_gongrun二号泵工频运行指示灯三江学院毕业设计（论文）16 Q1.32_bianrun二号泵变频运行指示灯Q1.43_gongrun三号泵工频运行指示灯Q1.53_bianrun三号泵变频运行指示灯Q2.0Open变频器运行指示灯Q2.1Close变频器停止指示灯Q2.2Warn_dis变频器报警指示灯Q2.3Start1进水开Q2.4Stop1进水关模拟量输入地址符 号定 义IW4p压力传感器传送值IW10pressset压力设定值模拟量输出地址符 号定 义AQW10控制变频器频率用电压信号控制变频器频率用电压信号6.36.3 PLCPLC 系统选型系统选型 从上面分析可以知道，本系统选用 S7-300 PLC,电源模块 PS307 2A,CPU 模块 CPU313C-2DP,模拟量模块 SM334 模块。6.46.4 电气控制系统电气控制系统主电路图主电路图如图 6-1 所示为电控系统的主电路图。三台电机分别为 M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行；电机分别为 M1、M2、M3。接触器KM2、KM4、KM6 分别控制 M1、M2、M3 的变频运行；FRl、FR2、FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器.三江学院毕业设计（论文）17 图 6-1 电控系统主电路6.56.5 系统程序设计系统程序设计 硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分折如下：6.5.16.5.1 由由“恒压恒压”要求出发的工作泵组数量管理要求出发的工作泵组数量管理前边已经说过，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取R S TU V W M M MNL1L2L3KM1 KM2 KM4 KM6FR1FR2FR3 QS1 QS2 QS3 QS4CIMR-P5A45P5KM3 KM5 三江学院毕业设计（论文）18 时间滤波。6.5.26.5.2 多泵组泵站泵组管理规范多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在该系统中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过 3h，因此每次需启动新泵或切换变额泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本例中使用泵号加 1 的方法实现变频泵的循环控制(3 再加 1 等于 0)，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。6.5.36.5.3 系统流程图设计系统流程图设计系统流程图如下图 6-2三江学院毕业设计（论文）19 图 6-2 控制程序流程图(续)三江学院毕业设计（论文）20 图 6-2 控制程序流程图6.5.46.5.4 程序的结构及程序功能的实现程序的结构及程序功能的实现 根据可知，PLC 上在恒压供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及 PID 调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分可为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定值为满量程的 70，消防供水时系统设定值为满量程的 90。在本系统 PID 中，只是用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数) 三江学院毕业设计（论文）21 6.5.56.5.5 系统的运行分析系统的运行分析（1）设备控制 3 台水泵电机当系统在生活供水运行中，低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速，用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到 50 Hz 即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时，将首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作 2 台水泵。如用水量进一步增加，第二台水泵切换至工频运转,变频调速器控制第三台水泵调频运转，同时工作 3 台水泵。供水量减少时，调速工作水泵首先由高频段向低频段调速运转，水泵工作频率达到柜内微机控制器预先设定的下限工作频率而实测水压仍高于水压设定值时，直接停止首台工作水泵，第二台泵工频运转，第三台泵调频运转保持系统水压恒定，如 2 台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，直接停止工频运转水泵，第三台调频运转保持系统水压恒定。当系统接到消防信号，提供消防供水时，PLC 先初始化高低水位的设定值。然后对每台水泵实行软启动，变频器从 0Hz 开始增加，到达到 50Hz 时，仍不能满足负荷需要时，将首台工作水泵切换至工频运转，变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作 2 台水泵，以后的过程和生活供水的过程是类似的。（2）安全问题在软件方面设置多个保护环节，时时检测系统状态，安全报警等。硬件方面设置安全链机械保护，经多个闭合触点组成，包括紧急停车，压力超上下限开关，水位超上下限开关，电机过热保护继电器，空载保护等。安全链多个触点均为常闭触点，其中任一触点断开，安全链即失效，系统处于停机状态。须排除故障，系统才能进行正常工作。6.66.6 虚拟对象的调试虚拟对象的调试在实验计算机上控制器 PLC 程序的调试步骤如下： (1）在 STEP7 中打开编写好的控制程序恒压供水工程； (2）把程序下载到 PLC 中，将 PLC 置于 RUN 状态； (3）打开 SIMIT, 双击打开恒压供水工程，在列表中双击 Simulation； (4）开始仿真： 三江学院毕业设计（论文）22 注意：必须先运行 PLCSIM，然后再运行 simulation，否则 SIMIT 不能和 PLCSIM 连接上。按钮和指示灯均是绿色表示运行状态。 步骤 1：单击“启动”按钮； 步骤 2：设置阀的开度及流量（开度的范围从 0100，流量的范围从 03000）； 步骤 3：设置“恒定压力”； 6.76.7 供水资源的分配管理供水资源的分配管理 该部分的实现如图 6-3，图 6-4 所示：图 6-3 后台设计 1 三江学院毕业设计（论文）23 图 6-4 后台设计 2其中后台设计 1 是输入信号（对 PLC 而言），通过 SWITCH 元件与前台按钮之间建立联系。后台设计 2 是输出信号（对 PLC 而言），通过 B-STATUS 元件与前台模拟的指示灯之间建立连接。6.86.8 网关设置网关设置接口设计包括数字量输入部分和数字量输出部分。由于 simit 与 Plcsim 两软件之间是默认的连结，所以只需要在网关中定义相应的地址，并与图形窗中的接口名称相对应。网关配置如图 6-6： 三江学院毕业设计（论文）24 图 6-5 Plcsim 网关设置6.96.9 供水罐模型设计供水罐模型设计该部分的实现如图 6-7 所示：图 6-6 供水罐模型设计这里的供水罐、传感器以及各种泵和电机都是来自于 Library 中 Flownet，PI 是一个压力传感器，用来测量供水压力，通过前台的 Digital Display（压力）来显示；LI 是一个液位传感器，用来测量水罐的液位，通过前台的 Digital Display（液位）来显示；这里其他的逻辑关系是根据变频器的输出频率，再加上一个 PID 控制器，来调节供水压力。三江学院毕业设计（论文）25 6.106.10 变频器以及水泵电机控制变频器以及水泵电机控制该部分的实现如图 6-8 所示： 图6-7 变频器以及水泵电机控制设计这里变频器的设计是采用了线形的方法，根据不同的 PID 计算值调节供水压力，再通过不同的频率值调节电机的运行状况。6.116.11 SIMITSIMIT 例程设计操作例程设计操作恒压供水控制现场如下图 6-8 所示：图 6-8 恒压供水现场外观图三江学院毕业设计（论文）26 根据控制系统要求与现场器件的对应，前台设计如下图 6-9 所示：图 6-9 全自动变频恒压供水对象仿真界面其中启动、停止、报警信号这三个按钮，是来自于 widgets 一栏 operate(dynamic)库中的 Switch 元件，这些按钮是用来给控制程序传送输入信号；阀开度设置和流量设置是来自 widgets 一栏 operate(dynamic)中的 slider 元件，用来设置供水阀的流量；指示灯元件是来自于 widgets 中 Display 中的 Image Display 元件，这些指示灯分别用来显示三台水泵电机的运行频率，以及水箱液位是否到达上限或下限。另外四个 Digital Display 来自于 widgets 中的 Display，用来显示系统的供水压力，和水泵电机的运行频率。三江学院毕业设计（论文）27 第第7章章 总总 结结本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合供水系统的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水自动控制系统。在这次毕业设计中有如下认识：（1）在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况点节流调节，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。（2）变频调速恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组等构成。系统采用一台变频器拖动 3 台（其中一台为备用）电动机的启动、运行与调速。PLC 控制三台水泵的手动和自动装置，压力表采集管网压力信号，把此信号反馈到变频器的 PID 环节进行控制，再经变频器进行内部调整，从而输出适当的频率，调节电机的转速，进而利用PLC 控制水泵电机的工频和变频之间的切换。（3）在本次设计中，在参考了相关资料后我对所用的主要器件进行了选择，这是以前所没有涉及的。所有器件选择都要遵循一定的规范，使我认识到任何设计都要以现行器件为基础，既要选择比较先进的器件，又不能凭空创造器件出来。变频恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，它可取代传统的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，它具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用 PLC 作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。如果有需要，可加计算机控制和一些外围设备或器件，使其与楼宇监控中心进行通讯，进行界面管理和人机“对话”，实现远程控制。三江学院毕业设计（论文）28 致致 谢谢在即将毕业之际，毕业设计已接近尾声，我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！四年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计，我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为还是提高了认识，学到了东西。所以我要感谢所有的任课老师，是您们的教育和培养，才使我学有所获。大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此，我要感谢学院领导和老师，是他们教会我做人的道理。还有我要向在我论文倾注了大量心血和提供了许多帮助的各位老师、同学表示深深的敬意和谢意。我的导师吉老师在我完成论文的过程中倾注了悉心的指导和大力支持，在此表示深深地感谢。三江学院毕业设计（论文）29 参考文献参考文献1 吉顺平，孙承志，路明.西门子 PLC 与工业网络技术M.北京：机械工业出版社.2 孙承志，徐智，张家海,吉顺平.西门子 S7-200/300/400 PLC 基础与应用技术M.北京：机械工业出版社 .3 张万钟. 可编程控制器入门与应用M.北京：中国电力出版社, 2005.4 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册M.北京： 机械工业出版社, 2000.5 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统M.北京：机械工业出版社, 1998.6 厉无咎,顾明时. 应用变频调速恒压变流量供水系统.中国第四届交流电机调速传动学术会议 19957 姜兴忠，戴恒阳. 变频恒压控水系统的机理分析 电气传动自动化，2004/048 张扣宝. 基于 PLC 和变频器控制的恒压供水系统设计J.北京：电气技术 2007,11.9 滕俊沛，基于 PLC 变频调速恒压供水系统的设计 2007，310 李关飞，变频器在恒压供水控制系统中的应用与变频器世界 2007/0311 Hans Berger Automating with STEP 7 in STL and SCL August 23, 200112 Lawrence S., Giles C. L. Accessibility of Information on the Web. Nature J. July1999, vol. 400:107- 109. 三江学院毕业设计（论文）30 附录附录 PLC程序程序三江学院毕业设计（论文）31 三江学院毕业设计（论文）32 三江学院毕业设计（论文）33 三江学院毕业设计（论文）34 三江学院毕业设计（论文）35 三江学院毕业设计（论文）36 三江学院毕业设计（论文）37