1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 基于 PLC 的恒压供水监控系统设计 学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本 人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 （黑体小二号） 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学
2、位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在 以上相应方框内打 “”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 摘 要 本论文以实际项目居民小区的恒压供水为背景，设计了一套基于 PLC 的恒压供水系统，该系统由可编程控制器 PLC、变频器、水泵机组、接触器组和压力变送器等构成。 在本次设计中，采用闭环控制来控制出水口的水压值。本系统有三台水泵机组，通过一台变频器控制一台水泵变频运转，水泵可以在变频运转和工频运转之间切换，以“先启先停”为原则实现变频循环
3、运行方式。压力变送器将压力值送入 PLC,并 与给定比较后进行PID 运算，将模拟量输出给变频器，从而控制变频器所带水泵的转速。该系统有白天和夜间两种运行模式，水泵机组也可以在手动和自动方式运行，在系统中有各种工作状态的指示灯以及故障报警和故障处理功能。 关键词： PLC；恒压供水；变频调速 Abstract This thesis with the actual project of constant pressure water supply in residential area as the background, design a set of constant pressure w
4、ater supply system based on PLC, the system consists of PLC programmable controller, inverter, pump, the contactor group and pressure transmitter, etc. In this design, the use of closed loop control to control the outlet water pressure value. This system has three pump unit,and by a frequency conver
5、ter control a pump running. Water pump can switch between the variable frequency operation and power frequency is running, with “inception to stop“ for the principle to realize frequency conversion cycle operation mode. Pressure transmitter will pressure value into the PLC, and after compared with t
6、he given PID arithmetic, the analog output to inverter, to control the speed of the inverter with the pump. The system has two kinds of day and night operation mode, the pump unit can also be run in manual and automatic way, in the system have a variety of light on the working state and fault alarm
7、and fault handling function. Key Words： PLC； constant pressure water supply； frequency control of motor speed 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 变频恒压供水的目的和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 恒压供水的基本原理 . 2 1.4 本文设计内容及目标 . 2 第 2 章 恒压供水系统总体设计 . 4 2.1 电机的调速原理 . 4 2.2 PID 控制原理 . 5 2.3 恒压供水系统的技术方案 . 5 2.4 恒压供水的过程 . 7 第 3 章 系统的硬件
8、设 计 . 9 3.1 PLC 的概述 . 9 3.1.1 可编程控制器定义及原理 . 9 3.1.2 PLC 选型及 PLC 工作方式 . 10 3.2 变频 器的概述 . 11 3.2.1 变频器的基本原理及构成 . 11 3.2.2 变频器的选型及特点 . 12 3.2.3 MM440 变频器的使用 . 12 3.3 其他设备的选型 . 14 3.4 系统的主电路设计 . 15 3.5 系统的控制电路设计 . 16 3.6 PLC 的 I/O 端口分配及外围电路 . 17 3.6.1 PLC 的 I/O 分配 . 17 3.6.2 PLC 及变频器的外围接线 . 18 第 4 章 系统的
9、软件设计 . 21 4.1 系统程序流程图设计 . 21 4.2 软件设计 PLC 内部元件分配 . 25 4.3 PLC 梯形图程序设计 . 25 4.4 力控组态模拟供水过程 . 29 4.4.1 力控组态概述 . 29 4.4.2 模拟供水过程 . 30 第 5 章 总结与展望 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 35 附录 A 系统电路图 . 36 附录 B 主程序梯形图 . 39 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 本次设计论文题目“基于 PLC 的恒压供水监控系统设计”，即以 PLC 为基础，通过控制变频器来控制水泵的转速，最终达到恒压供水的目的。本篇论文将从课
10、题背景开始介绍，涉及目的和意义，重点介绍系统的硬件设计和软件设计，在论文的最后将作出总结。 1.1 变频恒压供水的目 的和意义 在小区供水和工厂供水中，通过水泵直接对供水，由于用户端用水量在不同时间段会有所改变，导致供水过量或不够，造成了很大的水资源浪费和电能浪费，并且水泵的寿命维护以及产生的各类噪音、污染都很难达到最优化 1。因此，如何解决供水与用水的不平衡，寻找提高供水效率的整体解决方案，是我们关注的焦点问题。 在供水系统中，其根本的控制对象是水的流量。常见的方法有阀门控制法及转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统的采用阀门调节实现 2。阀门控制阀是通过关小或开大阀门来调节流量，
11、而转速保持 不变，实质是水泵本身的供水能力不变，而改变水路中的阻力大小强行改变流量，以适应用户对水量的要求；恒压控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，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。 随着变频技术的发展，变频器调速技术已经在各大行业成熟运用，特别是风机、水泵、制冷压缩机、空气压缩机等高耗能设备上，而且运用变频器调速在恒压供水中可以起到节能高品质的供水，所以这次设计运用到了变频器控制 3。变频恒压供水系统集电气传动技术、变频技术、现代控制技术于一体。 采用变频器调 节以后系统实现了软启动，电机启动时电流从零逐渐增至额定电流，启动时间相应延长，而且对电网没有
12、较大的冲击，减轻起动机械转矩对于电机的机械损伤，从而有效的延长了电机的使用寿命 4。这样的调节方式以稳定水压为目的，以母管进口压力保持恒定为条件。 恒压供水的基本控制策略是：采取运用可编程控制器（ PLC）与变频调速装置构成控制系统，通过优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，达到供水压力的闭环控制，也就是根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量，自动补偿用水量的变化，从而保证供水管网的压 力保持在设定值，既满足生产供水要求，同时可节约电能，使得系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。 1.2 国内外研究现状 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
13、外生产武汉理工大学毕业设计（论文） 2 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、变压变频比控制及各种保护功能。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。 目前国内有许多公司在做变频恒压供水系统的工程，大多数采用国外品牌的 变频器控制水泵的转速，水管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，部分采用 PLC 及相应的软件予以实现；部分采用单片机及相应的软件予以实现。不过在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰等多方面的综合技术指标来说，还远不及所有用户的要求，所以恒
14、压供水控制系统还需要一个成熟的技术 5。 1.3 恒压供水的基本原理 图 1.1 供水流程简图 此次设计研究的对象是一栋居民楼的供水系统。这栋楼有 16 层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水 压高时将造成能源的浪费。如图 1.1 所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。 1.4 本文设计内容及目标 基于 PLC 的恒压供水系统主要有可编程控制器（ PLC）、变频器、水泵机组、压力变送器组成的一个闭环控制系统，这个系统的控制流程图如下图 1.2 所示： 武汉理工大学
15、毕业设计（论文） 3 用 户M压 力 变 送 器变 频 器P L C( 含 P I D )水 池水 泵 机 组管 网 压 力 信 号图 1.2 控制流程图 如图所示，在本次系统设计中，电机 M 由三台水泵机组组成，用一台变频器分布式控制三台水泵，再由 一台 PLC 和一个压力变送器组成。三台水泵都可以在手动和自动环境下运行，手动主要在故障及维护时采用，本系统的核心是 PLC 和变频器，通过 PID 控制改变电机的频率实现无极调速以及相应的辅助功能。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 第 2 章 恒压供水系统总体设计 2.1 电机的调速原理 目前市场上的水泵一般为三相异步电机，我们学习的异步电机
16、用作电动机，来拖动各种机械组合。异步电动机的优点很明显，有结构简单、价格适宜、可靠性高、坚固耐磨、适用性强，而缺点 是功率因数较差。大家都知道，异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后 性的无功功率，所以它的功率因素总是小于 1，不过电网的功率因数可以用别的办法进行补偿。异步电机运行的时候，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，又由于电磁感应的关系，在转子绕组中 产生电动势、电流，因此产生电磁转矩，异步电机又有感应电机一说 6。 三相异步电机有启动、运行、制动等状态，在本次毕业设计中，我们是控制水泵的转速，所以我们对三相交流电机的调速进行分析。交流电机包括同步电动机和异步电动机。同步电动机的调
17、速靠改变供电电压的频率来改变同步转速。在电机学中，由同步电动机、变频器和检测磁极位置 的检测器组成的电机系统，普遍称之自控式同步电机，改变定子电压就可以调节速度，并具有类似直流电机的调速特性。 我们水泵采用的三相异步电动机的转速为： 60 (1 )fnsp (2.1) f表示电源频率， p 表示电动机极对数， s 表示转差率。三相异步电动机的调速方法很多，主要方法分为以下几种： （ 1）改变电源频率 （ 2）改变电机极对数 （ 3）改变转差率。 改变电机极对数的调速方式控制简单，节能效果明显，效率高，不过需 要专门的变极电机 ,而且是有极调速，由于极差导致的转速变化大，运用范围有限，只能用于特
18、定转速的生产机器。 改变转差率在鼠笼式电机中采用降压在绕线式电机中采用回路串电阻都可以达到调速的目的。为了保证有较大的调速范围一般采用的是串极调速，这种方式可以回收转差功率，节能效果非常好，不过这种调速方法线路过于复杂，中间环节的电能损耗成本太高会影响它的推广价值。 改变电源频率。改变三相异步电动机电源频率 f 可以改变旋转磁通势达到改变转速的目的。随着电力电子技术的发展，变频调速得到广泛运用，变频调速在本次毕业设计中得到充分运 用。 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 2.2 PID 控制原理 恒压供水系统采用了闭环控制的方法， PID 控制即为偏差量经比例、积分、微分通过现行组合构成控制量。
19、完成这个过程的控制就是 PID 控制器。 PID 控制结构简单、稳定可靠，被广泛应用于工业控制中。 PID 控制是一种负反馈，将检测到量与给定值进行比较之后的量比例、积分、微分后用来控制被控对象 7。 图 2.1PID 控制原理图 PID 控制算术表达式 )()(1)()(0 t dt tdeTddtteTiteKptu Kp， Ti， Td 分别为控制式的比例、积分、微分系数 e(t)为偏差， e(t)=r(t)-y(t) r(t)设定值， y(t)实际值 PID 控制器的比例环节、积分环节、微分环节作用如下： （ 1） 比例环节，成比例地反映控制系统的偏差信号 e(0)，误差产生时立即减小
20、误差。 （ 2） 积分环节，即为滞后校正，可以利用滞后校正的这一低通滤波所造成的高频衰减特性，降低系统的截止频率，提高系统的相位裕度，改善系统的暂态性能。 （ 3） 微分环节，即为超前校正，超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，增加相位裕度，提高系统的稳定性。 2.3 恒压供水系统的技术方案 本设计主要通过研究 PLC 来 控制变频器达到恒压供水，通过学习并熟悉了 PLC 的工作原理，编程原理以及编程方法。进行硬件选型，软件编程，控制系统的主电路设计、控制电路设计，本次系统的控制设备选用 S7-200 系列的 PLC，变频器选用西门子泵类专用的变频器型号 MM440。在控制过程中，电控系统由 S7-200 完成， PID 控制由变频器和 PLC完成。 本设计需要重点解决的主要问题有以下几个： 第一，压力的监测与处理。需用到压力变送器，首先是出水口管网的压力监测，经闭
