1、 1 昆明工业职业技术学院 毕业设计 设计题目： 基于 PLC 的变频调速的恒压供水控制系统的设计 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 工程师 指导小组组长： 教学班负责人： 设计时间： 昆明工业职业技术学院 毕业设计 设计题目： 基于 PLC 的变频调速的恒压供水控制系统的设计 班 级： 1 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 工程师 指导小组组长： 教学班负责人： 设计时间： 2014年 9 月 30 日 至 2014年 12 月 30 日 摘要 本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统 , 并利用组态软件开发良好的运行管理
2、界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。 本系统包含 两 台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用 “先启先停 ”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与 PLC 的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。 关键词 ：变频调速，恒压供水， PLC，组态软件1 目录 1 绪论 .3 1.1 课题的提出 .3
3、1.2 PLC 概述 .4 1.3 本课题的主要研究内容 .6 2 系统的理论分析及控制方案确定 .7 2.1 变频恒压供水系统的理论分析 .7 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 . 错误 !未定义书签。 3 系统的硬件设计 .17 3.1 系统主要设备的选型 .17 3.2 系统主电路分析及其设计 .19 3.3 系统控制电路分析及其设计 .21 3.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图 .23 4 系统的软件设计 .28 4.1 系统软件设计分析 .28 4.2 PLC 程序设计 .29 4.3 PID 控制器参数整定 .36 5 监控系统的设计 .39 5.1 组态软件简介
4、 .39 5.2 监控系统的设计 .39 6 结束语 .41 参考文献 .42 附录 .45 附录 C 主程序梯形图 .45 2 1 绪论 1.1 课题的提出 水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，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，自动化程度 较 低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住 房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影
5、响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有 ： 恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力 耦 合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下 1： (1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低 ，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、
6、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器 设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可3 不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 (4) 液力 耦 合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修 ； 优点是价格低廉，结构简单明了 ，维修方便。 (5) 单片机变频调速供
7、水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源 ；效率低 ； 可靠性差 ； 自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，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，特别是在城 乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在 ： 一是
8、节能显 著 ；二是在开、 停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击 ； 三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗 2。 基于 PLC 和 变频 技术的 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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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 。 4 1.2 PLC 概述 1.2.1 可编程控制器的定义 可编程控制器，简称 PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型
9、工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 :“ PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计 。 ” 1.2.2 PLC 的发展和应用 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字
10、设备公司 (DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。 20世纪 70 年代 初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控 制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 5 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 。 20 世纪 70 年代中末期， 可编程控制器进入实用
11、化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、5 模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获 得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功
12、能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面 单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易 。 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。 1.2.3 西门子 S7-200PLC 简介 西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。 S7 系列是传统意义的 PLC，S7-200 属于小型 PLC，在 1998 年升级为第二代产品， 2004 年升级为第三代产品，其特点如下 6： (1) 功能强大 。 S7-200 有 5 种
13、CPU 模块，最多可扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量 I/O 或 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据 存储空间； (2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件； (3) 灵活方便的寻址方法； (4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面； (5) 有竞争力的价格； (6) 完善的网上技术支持等。 6 1.3 本课题的主要研究内容 本设计是以小区供水系统为控制对象，采用 PLC 和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。 PLC 控制变频
14、恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组一起 组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 2 个贮水池， 2 台水泵，采用部分流量调节方法，即 2 台水泵中有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行， 另一台 水泵做恒速运行。 PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID 运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。 根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、 PLC选型，估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置
15、图、 I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统 。 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统的设计 系统的理论分析及控制方案确定 7 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 ： 60 (1 )fnsp (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
16、机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，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 7，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。
