[信息与通信]基于PLC的高楼恒压供水系统设计

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1、 辽宁科技大学毕业设计 第IV页 基于PLC的高楼恒压供水系统设计 摘 要 本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。 进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有10个输

2、入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数。在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了适合初学者的逻辑代数编程，写出了恒压变频供水的逻辑代数，并设计了梯形图，结果表明了设计程序的正确性。 关键词：恒压供水，变频调速，PLC，设计，仿真 Tall Building Constant

3、 Pressure Water Supply System Based on PLC Abstract In this paper, pipe network and pumps under the operation of the curve, clarify the water supply system for energy-saving Frequency Control Principle; specific analysis of the frequency of the principle of constant pressure water supply system an

4、d the composition of the structure, through research and comparison, concluded: Frequency Control is the highest international one-effectiveness, performance, the best and most widely, the most The future development of the Motor technology. Therefore this paper to adopt the PLC and inverter combina

5、tion of a systematic approach to a small residential area pump motor control system for the targe. A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selecti

6、on, equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM430 The converter, In the control process, the electronic control system completed by the S7-200, PID control by the converter built-in PID control manner, in accordance

7、 with control system software and hardware design and control requirements, combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters . Key words：Constant pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC，Design，Simulation 摘 要 I Abstract II 1 绪论

8、5 1.1 引言 5 1.2 本课题产生的背景和意义 6 1.3 变频恒压供水的现况 6 1.3.1 国内外变频供水系统现状 6 1.3.2 变频供水系统应用范围 7 1.4 本人的主要工作 7 2 系统的理论分析及控制方案确定 8 2.1 变频恒压供水系统的理论分析 8 2.1.1 电动机的调速原理 8 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理 8 2.2 恒压供水系统的能耗分析 11 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计 13 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 13 3.2 变频恒压供水系统的控制方案 14 3.3 供水设备的选择原则 14 3.4

9、参数的计算与供水设备选型 17 3.4.1水泵的参数计算与型号的选择 17 3.4.2 变频器的选择 17 3.4.3 压力传感器的选择 19 3.5 PLC的选型 19 3.5.1 PLC选型的基本原则 19 3.5.2 I/O点的分配 19 3.6 系统硬件线路设计 20 3.7 PID参数的预置 23 4 变频恒压供水控制系统软件的设计 26 4.1 常用编程方法 26 4.1.1 经验设计法 26 4.1.2 翻译设计法 26 4.1.3 逻辑代数设计法 27 4.2 编程软件的简单介绍 29 4.3 恒压供水系统梯形图的设计 30 总 结

10、 34 致 谢 35 参考文献 36 附 录 37 附录A 初始化程序及PID中断程序梯形图 37 辽宁科技大学毕业设计 第43页 1 绪论 1.1 引言 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规

11、模上也有一定水平，但在技术水平、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。 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，

12、在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频 恒 水 压供水系统集变频技术、电气传动技术、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;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 图1.1 传统供水

13、机示意图 图1.2 变频供水机示意图 1.2 本课题产生的背景和意义 我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技术一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，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，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占

14、地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 1.3 变频恒压供水的现况 1.3.1 国内外变频供水系统现状 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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求

15、低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。 1.3.2 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: (1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中

16、城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。 目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部

17、分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善[1][2][3][4]。 1.4 本人的主要工作 本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力

18、、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。 2 系统的理论分析及控制方案确定 2.1 变频恒压供水系统的理论分析 2.1.1 电动机的调速原理 水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： (2.1) 式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： (l) 改变电源频率 (2) 改变电机极对数 (3) 改变转差率 改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资

19、省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其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，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。 根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性

20、能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理 供水系统的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，如图2.1所示。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Qu间的关系H=f(Qu)。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之间的关系曲线，如图2.1所示。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。由于阀门开度的改变，实际上是改变

21、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2.1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2.1 恒压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

22、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。 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。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，是通过改变水的动能改变流量。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

23、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。 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即： （2.2） （2.3） (2.4)

24、 (2.5) 式中k、k1、k2、k3为比例常数。 图2.2 管网及水泵的运行特性曲线 当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1Q2。当用调速控制时，若采用恒压(H0)，变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率正比于H0Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－

25、H0)Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。 2.2 恒压供水系统的能耗分析 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施

26、及阀门调节。 (1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。 如图 2.3所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。 图2.3 调节流量的方法与比较 （2）恒压控制法： 即通过改变水泵

27、的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。 转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。 以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。 在所需流量小于额定流量(Qx<100%QN)的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。这是变

28、频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。 如：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）； 如：供水能力QG<用水需求QU，则压力上升（P↓）； 如：供水能力QG=用水需求QU，则压力上升（P不变）。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说

29、，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的[5][6]。 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计才用通用变频器+PCL(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3.1所示。 图3

30、.1 系统构成图 这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关[7] 。 3.2 变频恒压供水系统的控制方案 用水量较小，工频泵单独运行，状态1 用水量增加，超过工频，开启变频泵，状态2 用

31、水高峰过后，用水量下降至低于工频，关闭变频泵 图3.2 控制方案 将1号泵设置为工频泵，2号泵设置为变频泵，由变频器控制。 开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在工频下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。 当用水量持续增加，只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，在状态1的前提下通过控制系统启动2号泵电机，2号泵在变频器控制下根据用水量变频运行，控制系统处于状态2。 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将2号泵电机停运，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往

32、复的工作，以满足系统用水的需要[8] 。 3.3 供水设备的选择原则 在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。有关选择依据原则使用表格如下。 不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.1。 表3.1 不同住宅类型的用水标准 住宅 给水卫生器具完善程度 用水标准（/人日） 小时变化系数 1 仅有给水龙头 0.04～0.08 2.5～2.0 2 有给水卫生器具，但无淋浴设备 0.085～0.13 2.5～2.0 3 有给水卫生器具，并有淋浴设

33、备 0.13～0.19 2.5～1.8 4 有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应 0.17～0.25 2.0～1.6 2. 供水规模换算表。 不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.2。上面一行为用水标准(/人日)，中间数据为用水规模(/h)。 表3.2 供水规模换算表 户数 用水标准（/人日） 450 39.40 59.00 78.70 98.40 500 43.80 65.60 87.50 109.40 600 52.50 78.80 105.00 13

34、1.30 700 61.30 91.90 122.50 153.10 800 70.00 105.00 140.00 175.00 1000 87.50 131.30 175.00 218.80 3. 根据供水量和高度确定水泵型号和台数,并对电动机进行选型,见表3.3。 表3.3 水泵，电机和变频器选型表 50xN 40 80LG50-20x2 11 11 60 80LG50-20x3 15 15 80 80LG50-20x4 18.5 18.5 100 80LG50-20x5 22 22 120 80LG50-20x

35、6 30 30 100xN 40 100DL2 18.5 18.5 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 4. 设定供水压力经验数据：平方供水压力P=0.12MPa；楼房供水压力[9] P=（0.08+0.04楼层数）MPa (3.1) （5）系统设计还应遵循以下的原则： ① 蓄水池容量应大于每小时最大供水量； ② 水泵扬程应大于实际供水高度； ③ 水泵流量总

36、和应大于实际最大供水量。 3.4 参数的计算与供水设备选型 3.4.1 水泵的参数计算与型号的选择 (1) 根据表3.1确定用水量标准为0.19/人日。 (2) 根据表3.2确定每小最大用水量为175.00/h。 (3) 根据10层楼高度35m，按照式(3.1)计算得 P =（0.08+0.04楼层数）MPa=0.48MPa 可确定设置供水压力值为0.48MPa。 根据表3.3确定水泵型号为100DL3，工3台(其中一台做备用)，水泵自带电动机功率为30kW。 3.4.2 变频器的选择 本

37、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35kW。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[10]。 1. MM430变频器介绍 MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3.3所示。

38、图3.3 MM430 端子接口分布图 2. 端子功能介绍 各端子的功能如表3.4所示。 表3.4 端子功能表 引脚序号 引脚名称 功能 引脚序号 引脚名称 功能 1 +10V 电源电压 12 AOUT1+ 模拟输出1 2 0 电源电压 13 AOUT1- 模拟输出1 3 AIN1+ 模拟输入1 14 PTCA 4 AIN1- 模拟输入1 15 PTCB 5 DINN1 数字输入 16 DIN5 数字输入 6 DINN2 数字输入 17 DIN6 数字输入 7 DINN3 数字输入

39、26 AOUT2+ 模拟输出2 8 DINN4 27 AOUT2- 9 +24V 电源电压 28 PE 10 AIN2+ 模拟输入2 29 P+ 11 AIN2- 模拟输入2 30 P- 18 RL1-A 22 RL2-C 19 RL1-B 23 RL3-A 20 RL1-C 24 RL3-B 21 RL2-B 25 RL3-C 3.4.3 压力传感器的选择 CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列压力传感器的压力

40、敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[11]。主要特点： （1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围； （2）抗冲击、耐震动、体积小、防水； （3）标

41、准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强； （4）最具有竞争力的价格。 3.5 PLC的选型 3.5.1 PLC选型的基本原则 这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面[12]。 （1）规模要适当； （2）功能要相当，结构要合理； （3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确； （4）要考虑环境条件。 根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。 3.5.2 I/O点的分配 恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表3.5所示。

42、 表3.5 I/O统计表 名 称 代 码 地址编号 变频器故障 SU I0.0 启动 SB1 I0.1 停止 SB2 I0.2 变频器达到下限 BGL I0.3 变频器达到上限 BGH I0.4 1#泵故障 FR1 I0.5 2#泵故障 FR2 I0.6 压力变送器输出模拟量电压值 Up AIW0 1#泵工频运行接触器及指示灯 KM1、HL1 Q0.0 2#泵变频运行接触器及指示灯 KM2、HL2 Q0.1 故障报警指示灯 HA Q0.2 变频器输入电压信号 Uf AQW0 3.6 系统

43、硬件线路设计 供水系统主电路设计如图3.4所示，采用一台水泵工频持续运行，另一台水泵与变频器连接运行。 图3.4 变频恒压供水系统主电路图 图3.5 变频恒压供水系统控制电路图 图3.6 PLC及扩展模块外围接线图 图3.7 变频调速恒压控制闭环原理图 3.7 PID参数的预置 由于SIEMENS MM430变频器自带了PID模块，我们不需要进行PID调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。首先将设置模拟输入的DIP开关1拨到ON位置，选择为4～20mA输入，将DIP开关2拨到OFF位置选择电动机的频率，OFF位置为50Hz。其它参数的设

44、置如表3.7所示[13]。 表3.7 MM430参数预置表 参数 名称 参数 名称 P0003=2 用户访问级别为专家级 P2255=100 PID的增益系数 P0004=22 参数滤过，选择PID应用宏 P2256=100 PID微调信号的增益系数 P0700=2 选择命令源，选择为端子控制 P2257=10S PID设定值的斜坡加速时间 P1000=2 频率设定选择为模拟设定值 P2258=10S PID设定值的斜坡减速时间 P1080=5Hz 最小频率 R2260=100% 显示PID的总设定值 P1082=50Hz 最大频

45、率 R2261=3S PID设定值的滤波时间常数 P2200=1 闭环控制选择，PID功能有效 R2262=100% 显示滤波后的PID设定值 P2231=1 允许存储P2240的设定值 P2265=3S PID反馈立场拨时间常数 P2240=75% 键盘给定的PID设定值 P2267=100 PID反馈信号的上限值 P2253=2250:0 选择P2240的值作为PID给定 P2268=0 PID反馈信号的下限值 P2250=100% 显示P2240的设定值输出 P2269=100% PID反馈信号的的增益 P2254=0.0 缺省值，对微调信

46、号没有选择 P2291=100 PID输出的上限 P2292=0.00 PID输出的下限 P2280=3.00 PID的比例增益系数 P2285=7.00S PID的微分时间 P2294=100% 实际的PID控制器输出  4 变频恒压供水控制系统软件的设计 4.1 常用编程方法 4.1.1 经验设计法 在熟悉继电器控制电路设计方法的基础上，如能透彻地理解PLC各种指令的功能，凭着经验比较准确地使用PLC 的各种指令，而设计出相应的程序。设计步骤如下： （1） 确定输入、输出电器； （2） 确定输入、输出点数； （3） 选择PLC 并编程； （

47、4）将各个环节编写的程序合理地联系起来。 这种编程方法没有普遍的规律可循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大关系，它一般只用于简单的梯形图设计(如手动程序) 。 4.1.2 翻译设计法 它是把继电器—接触器控制系统的电器原理图直接翻译成PLC 梯形图。 1. 翻译设计法的设计步骤如下： (1) 将检测元件、控制元件(如行程开关、按钮等) 合理安排,接入PLC 的输入口； (2) 将被控对象(如电磁阀线圈、接触器线圈等) 接入PLC 的输出口； (3) 把由继电器—接触器完成的控制功能由PLC 的软件(即梯形图) 来完成

48、。 2. 应用举例 例如:电动机正反转控制电路,原理线路如图4.1所示。 改用PLC 控制后,其I/ O 接线和梯形图分别如图4.2 ,图4.3所示。 图4.1 电气原理图 图4.2 I/O接线图 图4.3 电机正反转梯形图 4.1.3 逻辑代数设计法 在继电器—接触器控制线路中用逻辑代数设计法比较容易获得设计方案。设计出来的控制线路既符合工艺要求，又达到工作可靠、经济合理，因而得以广泛的应用。 1. 逻辑代数设计法的设计步骤如下 （1） 根据控制要求，列出输入输出及辅助继电器等之间关系的状态表； （2） 根据状态表列写出逻辑函数表达式，并化简； （

49、3） 根据化简后的逻辑表达式画出梯形图。 2.　应用举例 例如：某系统中4 台通风机，要求在以下几种运行状态下应发出不同的显示信号:三台及三台以上开机时,绿灯常亮; 两台开机时，绿灯以5Hz的频率闪烁；一台开机时,红灯以5Hz 的频率闪烁；全部停机时，红灯常亮。为讨论方便,设4 台通风机分别为A、B 、C、D ,现以绿灯常亮的设计原理为例，其余类推。绿灯闪烁的程序设计:设灯常亮为“1”,灭为“0”,风机开为“1”,停为“0”,绿灯常亮有5 种情况，则其状态表如表4.1 所示。 表4.1 绿灯闪烁状态表 A B C D F 0 1 1 1 1 1 0 1 1

50、 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 由状态表可得F 的逻辑函数表达式为: 化简为: 选择西门子公司S7-200系列的PLC。其I/ O 分配如表4.2 所示。 表4.2 　I/ O 分配表 I O A B C D F I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 则其梯形图如图4.4 所示: 图4.4 绿灯常亮梯形图 本设计采用的是逻辑代数设计法。 4.2 编程软件的简单介绍 STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公

51、司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。 STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式，参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。 软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行

52、，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。 S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。单击图4.5所示的编程软件图标可进入如图4.6所示的操作界面，在此界面可完成主程序，子程序，中断程序的编制与修改，完成程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供PLC使用。 图4.6 STEP7-Micro/WIN32操作界面 4.3 恒压供水系统梯形图的设计 在控制系统中，变频器通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反馈信号，进行单闭环控制。PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及水池水位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去

53、控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应的控制任务， PLC主要控制任务就是根据实际情况实现工频和变频的切换。 根据系统的控制要求，经过化简后的各变量的逻辑表达式如下： (4.1) (4.2) (4.3)

54、 (4.4) (4.5) (4.6) 根据逻辑表达式（4.1）~（4.13），设计的梯形图如图4.7所示。 图4.7 主程序梯形图 图4.8 变频恒压供水系统主程序流程图 图4.9 2#泵变频运行控制流程图 图4.10 1#泵工频运行控制流程图

55、 总 结 本课题主要研究的是某小区的恒压供水。为此设计了一套具有高性能的变频器控制系统来代替原有的手动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。 根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。 在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大，而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门同时开启，停止时先关闭电动

56、阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿命。 致 谢 对于这次毕业设计的顺利完成，我首先要感谢孙红星教授，是他细心的给我讲解了许多关于PLC、变频器、供水原理相关的知识，并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，本次设计能够有较好的主体框架也得益于孙红星教授的指导，导师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向孙教授表示我最衷心的感谢。最后，我要感谢关心我们毕业设计的系领导和各位老师，感谢你们四年来为我们付出的辛勤汗水；同时还要感谢学校图书馆给我们提供的各种资料。

57、 参考文献 [1] 金传伟，毛宗源．变频调速技术在水泵控制系统中的应用．电子技术应用，2000，No.9: 38-39 [2] 马桂梅，谭光仪.陈次昌泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报.2003，No.9: 5-7 [3] 崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报.2000， No.1: 84-88 [4] 吴民强.泵与风机节能技术水利电力出版社，1994:2-6 [5] 叶汝裕.水泵风机的节电及技术改造重庆大学出版社，1998:1-4 [6] 徐士鸣.泵与风机原理与应用.大连理工大学出版社，19

58、92:12-24 [7] 周玉国.变频调速节能分梳东北电力技术，2004，No.8:4-4 [8] 吴浩烈.电机及电力拖动基硷重庆大学出版社，1996:173-174 [9] 黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版，1933:197-206 [10] 中国工空信息网 [11] 胡跃冰.水泵电机变频调速的节能与计算节能技术，2003，No.5:48 [12] 西门子（中国）自动化网 [13] 任国.泵变频调速节能的理论分析与应甩计算技术与自动化，1994，No.4:37-39 附 录 附录A 初始化程序及PID中断程序梯形图 初始化程序梯形图 PID控制中断程序梯形图