PLC、变频器恒压供水的设计.doc

1、 河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 I 页 毕业设计任务书 设计题目： （ 变频器在恒压供水中的应用 ） 学校：河南工院 学号： 0202080650 姓名： 班级：机电 0806 指导老师： 河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 II 页 PLC、变频器恒压供水的设计 摘 要 传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题，本文采用控制技术和变频调速技术相结合的方法来研究恒压供水系统，该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独立的闭环控制子系统。设计好 的系统每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地

2、向城市供水，保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本；而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。 论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和 PLC 控制程序设计方案。通过对计算机和 PLC 之间通信协议的研究，完成了上 、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。 关键字 ： 恒压供水

3、 ； 控制 ； 变频器 ； PLC 河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 III 页 目录 PLC 变频器恒压供水系统的设计 . I 摘 要 . II ABSTRACT . 错误 !未定义书签。 2.变频器 . 6 3. 1 PLC 的定义 . 13 3. 2 PLC 的特点 . 13 3. 3 PLC 的组成 . 14 3. 4 PLC 的应用领域 . 16 3. 5 PLC 的工作方式 . 17 3. 6 PLC 工作过程 . 18 3. 7 PLC 机型选择 . 19 3. 8 SIMATIC S7-200 产品介绍 . 20 4.1 S7-200 控制原理 . 25 4.1.

4、1 控制原理 . 25 4.1.3 系统的软件设计 . 28 4.2 PID 的相关知识 . 30 4.2.1 PID 的参数的预置与调整 . 30 4.2.2 PID 调节器在控制回路中的工作过程 . 31 4.3 压力传感器工作原理 . 31 4.4 变频器的基本控制原理 . 33 5.1 系统组成 . 35 5.2 系统 控制工作原理 . 36 5.3 变频器恒压供水系统硬件设计 . 37 5.4 变频器恒压供水系统软件设计 . 38 河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 IV 页 5.5 系统工作过程 . 39 结 论 . 40 参考文献 . 42 河南工业职业技术学院 毕业

5、设计 (论文 ) 第 0 页 1 绪论 1.1 课题背景及意义 众所周知，水是人类生活、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

6、压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、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： l、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、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

7、要应用于 高层建筑。 3、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、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。 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，河南

8、工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 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著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： 是节能显著；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

9、的机械冲击损耗口 1。 PLC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，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。 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 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、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

10、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，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被大家发现和认可后，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，像日本 Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式 “、“变频泵循环方式一两种模式，它将 PID调节器和 PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实

11、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 7台电机 (泵 )的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其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 (如 BA系统 )和组态软件难以实现数据通信，并且限河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司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

12、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。原深圳华为 (现己更名为艾默生 )电气公司和成都希望集团 (森兰变频器 )也 推出了厦压供水专用变频器 (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，

13、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水压闭环控制研究得不够。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。 1.3 变频调速的发展概况 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。 20世纪 60年代后半期开始，电力电子器件从 SCR(晶闸管 )、 GTO(N极可关断晶闸管 )、 BJT(双极型功率晶体管 )、 MOSFET(金属氧化物场效应管 )、 SIT(静电感应晶体管 )、 SITH(静电感应晶闸管 )、 MGT(MOS控制晶体管 )、 MCT(控制晶闸管 )发展到今

14、天的 IGBT(绝缘栅双极型晶体管 )、 HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管 )，器件的更新促使电力变换技 术的不断发展。 20世纪 70年代开始，脉宽调制变压变频 (PVM-VVVF)调速研究引起了人们的高度重视，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波 PWM模式效果最佳。 VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和

15、静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 流电流 Im1、 Itl(Iml相当于直流电动机的励磁电流， nl相当于与转矩成正比的电枢电流 )，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复

16、杂，使得 实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 现在，变频调速技术已被国内外公认为交流调 速领域里最理想调速方式，特别是高压大功率的变频调速器的研制，具有广阔的市场前景和重要的理论研究价值，在工业应用各相关领域，对原有传动系统进行变频改造也是势在必行，无疑会优化资源配置，改善原有系统的运行并产生较大的经济效益。 1.4 变频调速的优点和现实意义 交流调速从用途上可以分为工艺调速和节能调速，前者如轧钢机、造纸机、矿井卷扬机、机床、电梯等。这类生产工艺要求的调速，调速的指标较高，即要求有宽的调速范围，小的静差率，快的动态 响应。目前这类调速多采用变频变压 (VVVF)的矢量控制方式，正在发展的调

17、速方式是直接转矩控制的变频调速。后者如风机、泵类电机，应用量很大，节电效果很可观，可达 30 -40。据有关部门统计，在我国的工业电动机负荷中，交流电机占 90左右。其中鼠笼型电动机又占交流电机的 90以上。交流电机的负载主要是风机、泵类平方根转矩电动设备、恒转矩电动设备、以及倒数转矩类电动设备，虽然这几类设备节能潜力不同，但一般都在 20以上。 变频调速的优点是可以做到无级并精确调速，调速范围大，变频调速系统可同时满足调速精度和节能 两个要求，达到高性能、高动态、高品质的行业标准。并且正日益向着智能化、自适应化、自诊断的方向发展，给各种实际应用带来很大的方便和经济效益。当今微电子技术迅速发展

18、，器件质量好，也为能供应高性能，高可靠性，高控制精度的变频器创造了条件。推广变频调速的现实意义： (1)可以大大提高生产设备加工工艺精度、工艺水平、生产效率，进而提高产品质量和数量。 (2)节能和环保意义。泵和风机负载的耗电量约占工业总用电量的 50左右。变频调速技术用于泵和风机的感应电动机，节能效果显著，可以达到 200“-“60，并且输出谐波小 ，对电网污染小，容易满足国际和国内标准。 河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 (3)减少生产机械的体积和重量，减少金属耗量和成本，增加产品竞争力。 (4)变频调速容易实现电机的频繁起动及软启动，对电机冲击小，不需电机降额使用，延

19、长驱动部件的寿命。 1.5 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点： 1)滞后性：供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量 (如：温度、流量、浓度等 )一样，对控制作用的 响应具有滞后性，同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。 3)多变性：变频调速恒压供水系统要具有

20、广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 4)时变性：在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制 (包括定量泵的停止和运 行 )是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。 5)容错性：当出现意外的情况 (如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等 )时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故

21、障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。 6)可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据 进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。 7)节能性：系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从 0到电机额定电流，减少了启动电流对电河南工业职业技术学院 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道

22、的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管 子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此 外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处： 1)产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。 2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。 3

23、)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动， 可大大延长联轴器寿命。 1.6 本课题的主要研究内容 本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和 PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而言，论文包括以下内容： 1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法； 2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水 的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。 3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论 PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍 PID调节原理的基础上，分析利用 PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出 PID参数设置方法；最后还提出了 保障系统可靠性的一些措施。