1、I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。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。本系统包含四台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对四相水泵电机的软启动和变频调速。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 PLCIIABSTRACTAccordi
2、ng to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,un
3、its of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts
4、 the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to c
5、hange water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC,with group form software consummately systematic monitoring,have realized operation state development to show and data,report to the pol
6、ice inquiry.Keywords: Variable frequency speed-regulating Constant-pressure water supply PLC- 1 -目录第一章 绪论.11.1 课题的提出.11.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状.21.3 本课题的主要研究内容.3第二章 系统的理论分析及控制方案确定.42.1 变频恒压供水系统的理论分析.42.1.1 电动机的调速原理.42.1.2 变频恒压供水系统的节能原理.42.2 变频恒压供水系统的理论分析.52.2.1 控制方案的比较和确定.52.2.2 变频概述.62.2.3 变频恒压供水系统的组成和原
7、理图.72.2.4 变频恒压供水系统控制流程.92.2.5 水泵切换条件.9第三章 系统的硬件设计.113.1 系统主要设备的选型.113.1.1 控制方案的比较和确定.113.1.2 欧姆龙 CP1E PLC 简介.133.1.3 PLC 及其模块的选型.143.1.4 变频器的选型.143.1.5 水泵机组的选型.153.1.6 压力变送器的选型.153.1.7 液位变送器的选型.163.2 系统主电路分析及其设计.163.3 系统控制电路分析及其设计.173.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图.19第四章 系统的软件设计.224.1 系统软件设计分析.224.2 PLC 程序设
8、计.23- 2 -4.2.1 控制系统主程序程序设计.234.2.2 控制系统子程序设计.264.3 PID 控制器参数整定.354.3.1 PID 控制及其控制算法.354.3.2 PID 参数整定.36第五章 结束语.38参考文献.39致谢.40附录.41附录图 1 主电路图.41附录图 2 控制电路图.42附录图 3 主程序流程图.43附录图 4 主程序梯形图.441第一章 绪论1.1 课题的提出目前，居民生活用水和工业用水日益增加。由于居民日常用水和工业用水会随季节、昼夜等变化而随之发生变化，如采取传统的供水方式不仅影响生活也不利于资源的优化配置。传统的供水系统已经不能满足人们的需求，
9、为了能更合理的分配资源，使能最大限的为人们所用，可采用变频恒压供水方式来代替传统的供水系统，以达到供水稳定，满足人们需求，合理优化分配等目的。本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因为变频恒压供水系统有高效节能，恒压供水，安全卫生，自动运行，管理简便等优点，非常适合现在的国民需求。变频恒压供水系统根据用水量的变化，自动调节运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。变频调速是现在优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等）的技术，是当今国际上一项效益最高、性能最佳、应用广泛、最有发展前途的电机调速技术。它采用了微机控制技术，电力电子技
10、术和电机传动调速技术实现了工业交流电动机的无极调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合 PLC 组成的控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，变成简单，维修方便和低成本低能耗等诸多特点。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，方便实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计系统，对于调高企业效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。21.2 变频恒压供水系统的国内外的发展状况变频恒压供水是在变频调速技术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
11、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。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的不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部压力控制器和压力传感器，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。即 1968 年，丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频
12、器，像瑞士的ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有 PID调节器和 PLC 可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机的供水系统。但是也有其缺点，就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。目前国内有不少公司都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，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的
13、循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用 PLC 及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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。原深圳华为电气公司（现已改名艾默生）和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5.5Kw-22kW） ，无需外接 PLC 盒 PID 调节器，坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹弗斯公司的 VLT 系列变频器可实现七台水泵机组的切换） 。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，
14、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的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的，因此，有待于进一步淡淡的研究改善，使其能更好的应用于生活、生产实践中。31.3 本课题的主要研究内容设计是以供水系统为设计对象，采用 PLC 和变频技术相结合技术，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，保证供水系统安全可靠的运行。PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 4 台泵，大
15、泵电动机功率均为 220KW,小泵功率均为 160KW;所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式；采用 PID 算法实现水压的闭环控制；欧姆龙 S7-200 型系列 PLC 控制变频及现场设备的运行；系统具有自动/手动操作功能；具有故障自诊和自处理能力，对过流，欠压，过压等变频器故障均能自行诊断，并发出报警信号。根据以上控制要求，进行系统的总控制方案设计。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：包括系统硬件配置图、I/O 连接图、分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，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。4第二章 系统
16、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) 60(1)fnsp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：(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
17、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。2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理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
18、，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。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5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
19、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。2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定2.2.1 控制方案的比较和确定恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选
20、择：(1) 有供水基板的变频器 +水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID 调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。(2) 通用变频器 +单片机( 包括变频控制、调节器控制 )+人机界面+压力传感器这种方式
21、控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。(3) 通用变频器 +PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器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，用户可灵活组成各种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 I/O 的外部接线，当
22、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6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。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。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.2.2 变频器概述变频恒压供水是在变频调速技术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、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频
23、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的不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部压力控制器和压力传感器，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。即 1968 年，丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞士的ABB 集团推出了 HVAC 变频技术，法国的施耐德公司
24、推出了恒压供水基板，备有 PID调节器和 PLC 可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机的供水系统。但是也有其缺点，就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。目前国内有不少公司都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，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用 PLC 及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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。原深圳华为电气公司（现已改名艾默生）和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5.5Kw-22kW） ，无需外接 PLC 盒 PID 调节器，坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹弗斯公司的 VLT 系列变频器可实现七台水泵机组的切换） 。该变频器将压力闭环调节与循环
