PLC在恒压给水系统中的应用_毕业设计(论文)（可编辑）,plc毕业论文..
扫扫二维码，随身浏览文档
手机或平板扫扫即可继续访问
PLC在恒压给水系统中的应用_毕业设计(论文)（可编辑）
举报该文档为侵权文档。
举报该文档含有违规或不良信息。
反馈该文档无法正常浏览。
举报该文档为重复文档。
推荐理由：
将文档分享至：
分享完整地址
文档地址：
粘贴到BBS或博客
flash地址：
支持嵌入FLASH地址的网站使用
html代码：
&embed src='/DocinViewer-4.swf' width='100%' height='600' type=application/x-shockwave-flash ALLOWFULLSCREEN='true' ALLOWSCRIPTACCESS='always'&&/embed&
450px*300px480px*400px650px*490px
支持嵌入HTML代码的网站使用
您的内容已经提交成功
您所提交的内容需要审核后才能发布，请您等待！
3秒自动关闭窗口内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸摘 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。 本系统包含三台水泵电机，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内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸目 录1 绪论 ................................................................................................................ 11.1 课题的提出 ............................................................................................ 1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ................................................ 2 1.3 本课题的主要研究内容 ........................................................................ 42 系统的理论分析及控制方案确定 ........................................................ 52.1 变频恒压供水系统的理论分析 ............................................................ 5 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 .................................................... 83 系统的硬件设计....................................................................................... 163.1 系统主要设备的选型 .......................................................................... 16 3.2 系统主电路分析及其设计 .................................................................. 20 3.3 系统控制电路分析及其设计 .............................................................. 224 系统的软件设计....................................................................................... 254.1 系统软件设计分析 .............................................................................. 25 4.2 PLC 程序设计....................................................................................... 275 结束语 ......................................................................................................... 33 参考文献 ......................................................................................................... 48 致 谢 ................................................................................................................ 49内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸符号说明输出功率 P 出水流量 Q 水压 H 水泵的转速 n f 表示电源频率 p 表示电动机极对数 s 表示转差率fUP 上限频率 f LOW 下限频率 Ps 设定压力Pf 反馈压力内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 1 页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。 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地 面积大，水质易污染，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基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒 定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电 机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域， 特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压 力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水 方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 2 页高。 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。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术 及电机控制理论的发展。从 20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英 等发达国家的基于 VVVF 技术的通用变频器已商品化并广泛应用。在我国， 60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机 运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在，我 国约有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自 行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的 技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 3 页家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装 置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软 件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办 法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩， 但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公 司的依赖还很严重。 1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状 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、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。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。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[3]。 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。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计 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 (EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 4 页得不够。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[4]。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 3 个贮 水池，3 台水泵，采用部分流量调节方法，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变 频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。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。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 5 页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：n? 60 f (1 ? s) p(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内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 6 页术的发展，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 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。H扬程特性管阻特性 AHAQAQ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内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 7 页成。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：P ? k1HQ n ? k2Q（2-2） （2-3） (2-4) (2-5)H ? k3Q2 P ? kn3式中 k、k1、k2、k3 为比例常数。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 8 页H H2 H1 H0 b1 b2 b3 0 Q2 Q1 Q n2 D E n1 F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 H1×Q2。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 H0×Q2，由于 H1&H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1－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 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内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 9 页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择[8]： (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内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 10 页扰能力强、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 变频恒压供水系统的组成及原理图 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 和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程 图如图 2-3 所示：管网压力信号 报警信号 水池水位信号 PLC (含PID) 变频器 压力变送器 M 液位变送器 用户水泵机组 水池图 2-3 变频恒压供水系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三 大部分，具体为： (l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户 管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、 可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 11 页持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量 很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工 作。 (2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水 压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水 压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入 PLC 时，需进行 A/D 转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力 和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给 PLC，作为数字量 输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系 统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来 自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电 机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。 (3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控 制器(PLC 系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压 供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号 进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算 法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即 水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控 制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方 式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为 调速泵，当这台水泵运行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要 增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工 频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台 水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 12 页求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切 换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9]，本设计中采用前者。 作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能 适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防 止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因 此系统必须要对各种报警量进行监测，由 PLC 判断报警类别，进行显示和 保护动作控制，以免造成不必要的损失。 变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出 口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一 个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以， 在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维 持在设定的供水压力上[10]。变频恒压供水系统的结构框图如图 2.4 所示：给定 管网压力 PID D/A 变频器－PLC接触 器水泵 机组管道A/D压力变送器图 2-4 变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参 考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为 4―20mA 的电信号，此检 测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过 PLC 的 A/D 转换模块才能读入并与设定值进行比较， 将比较后的偏差值进行 PID 运算，再将运算后的数字信号通过 D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 13 页器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控 制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供 水。 2.2.3 变频恒压供水系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下: (l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变 频器拖动变频泵 M1 工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定 压力的偏差调节变频器的输出频率，控制 Ml 的转速，当输出压力达到设定 值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间 Ml 工作 在调速运行状态。 (2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏 差变大，PLC 的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增 大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水 量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 (3) 当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率 50Hz 时，若 此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件(在 下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在 PLC 的控制下 自动投入水泵 M2(变速运行)，同时变频泵 M1 做工频运行，系统恢复对水压 的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加 水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵 M3 投入运行，变频器 输出频率达到上限频率 50Hz 时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发 出水压超限报警。 (4) 当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户 管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 14 页工频泵 M2 关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水 量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一 台工频泵 M3 关掉。 2.2.4 水泵切换条件分析 在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此 时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求， 达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率， 此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流 量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供 水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢? 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ 成为频率调 节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是 0HZ。 其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到 0HZ。因为当水泵机 组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给 带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止 源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就 己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这 个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于 0HZ，具体 数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在 20HZ 左右。所以选择 50HZ 和 20HZ 作为水泵机组切换的上下限频率。 当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若 出现 Ps ? Pf 时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水 压力一下就超过了设定压力。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供 水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 15 页时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停 掉。如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这 样投入―切出―再投入―再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数， 使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围 内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由 于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。另外，实际供水压力超调的 影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机 组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相 应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加 了回滞环的应用和判别条件的延时成立。 实际的机组切换判别条件如下[11]： 加泵条件： f ? fUP 减泵条件： f ? f LOW 式中： fUP ：上限频率Pf ? Ps ? ?Pd 2 ?Pd Pf ? Ps ? 2且延时判别成立 且延时判别成立(2-6) (2-7)f LOW ：下限频率Ps ：设定压力Pf ：反馈压力内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 16 页3 系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据基于 PLC 的变频恒压供水系统的原理， 系统的电气控制总框图如 图 3.1 所示：故障、状态 等量输入 报警、控制 等量输出 上位机、 组态等A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力 变送器人机界面软启动、自 耦变压器水泵机组图 3-1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下 几部分：(1) PLC 及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力 变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表 3.1 所示：表 3-1 本系统主要硬件设备清单 主要设备 可编程控制器（PLC） 模拟量扩展模块 变频器 水泵机组 型号及其生产厂家 Siemens CPU 226 Siemens EM 235 Siemens MM440 SFL 系列水泵 3 台（上海熊猫机械有限公司）内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 17 页压力变送器及显示仪表 液位变送器普通压力表 Y-100、XMT-1270 数显仪 分体式液位变送器 DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 PLC 及其扩展模块的选型 PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心， 它要完成对系统中所有输 入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因 此我们在选择 PLC 时，要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、内存 空间、 通讯接口及协议、 带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方 面因素。 由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少， 因此 PLC 选用德 国 SIEMENS 公司的 S7-200 型。S7-200 型 PLC 的结构紧凑，价格低廉，具 有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS 公司的 PLC 具 有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优 点；PLC 可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC 和上 位机的通信采用 PC/PPI 电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI 电缆 可以方便实现 PLC 的通信接口 RS485 到 PC 机的通信接口 RS232 的转换， 用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护[12]。 根据控制系统实际所需端子数目， 考虑 PLC 端子数目要有一定的预留 量，因此选用的 S7-200 型 PLC 的主模块为 CPU226，其开关量输出为 16 点，输出形式为 AC220V 继电器输出；开关量输入 CPU226 为 24 点，输入 形式为+24V 直流输入。由于实际中需要模拟量输入点 1 个，模拟量输出 点 1 个，所以需要扩展，扩展模块选择的是 EM235，该模块有 4 个模拟输 入(AIW)，1 个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自 动完成 A/D 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信 号；输出信号接出端口时能够自动完成 D/A 的转换，一个字长(16bit)的 数字信号能够转换成标准输出信号。 EM235 模块可以针对不同的标准输入内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 18 页信号，通过 DIP 开关进行设置。 3.1.2 变频器的选型 变频器是本系统控制执行机构的硬件， 通过频率的改变实现对电机转 速的调节， 从而改变出水量。 变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电 流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据 控制功能不同， 通用变频器可分为三种类型： 普通功能型 U/f 控制变频器、 具有转矩控制功能的高功能型 U/f 控制变频器以及矢量控制高功能型变 频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜 的 U/f 控制变频器。 由于本设计中 PLC 选择的西门子 S7-200 型号，为了方便 PLC 和变频 器之间的通信，我们选择西门子的 MicroMaster440 变频器。它是用于三 相交流电动机调速的系列产品， 由微处理器控制， 采用绝缘栅双极型晶体 管作为功率输出器件， 具有很高的运行可靠性和很强的功能。 它采用模块 化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的 RS-485/232C 接口和用于简单过程控制的 PI 闭环控制器，可以根据用户 的特殊需要对 I/O 端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运 行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。 MicroMaster440 变频器的输出功率为 0.75~90KW， 适用于要求高、 功率大 的场合，恰好其输出信号能作为 75KW 的水泵电机的输入信号。另外选择 西门子的变频器可以通过 RS-485 通信协议和接口直接与西门子 PLC 相连， 更便于设备之间的通信。 3.1.3 水泵机组的选型 水泵机组的选型基本原则， 一是要确保平稳运行； 二是要经常处于高 效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 19 页选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。 本设计的要求为： 电动 机额定功率 75KW，供水压力控制在 0.3±0.01Mpa。根据本设计要求并结 合实际中小区生活用水情况， 最终确定确定采用 3 台上海熊猫机械有限公 司生产的 SFL 系列水泵机组（电机功率 75KW） 。SFL 型低噪音生活给水泵 在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处 理，效率可提高 5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保 护装置，噪声更低(室外噪音 60 分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用 柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先 进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质 不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、 消防给水等。因此本设计中选择电机功率为 75KW 的上海熊猫机械有限公 司生产的 SFL 系列水泵 3 台。 3.1.4 压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压， 常装设在泵站的出水口， 压力传 感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为 1~5V 或 4~20mA 的模拟量 信号，作为模拟输入模块(A/D 模块)的输入，在选择时，为了防止传输过 程中的干扰与损耗，我们采用 4~20mA 输出压力变送器。在运行过程中， 当压力传感器和压力变送器出现故障时， 系统有可能开启所有的水泵， 而 此时的用水量又达不到， 这就使水管中的水压上升， 为了防止爆管和超高 水压损坏家中的用水设备(热水器、 抽水马桶等)， 本文中的供水系统使用 电极点压力表的压力上限输出， 作为 PLC 的一个数字量输入， 当压力超出 上限时，关闭所有水泵并进行报警输出[13]。 根据以上的分析，本设计中选用普通压力表 Y-100 和 XMT-1270 数显 仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围 0~1Mpa，精度 1.0；数内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 20 页显仪输出一路 4~20mA 电流信号，送给与 CPU226 连接模拟量模块 EM235， 作为 PID 调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制 输出压力超限信号。 3.1.5 液位变送器选型 考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命， 因此需要对水池水位作必要 的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m~5m，所以要通过液位变送器 将检测到的水位转换成标准电信号（4~20mA 电压信号） ，再将其输入窗口 比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入 PLC。3.2 系统主电路分析及其设计基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 3.2 所示： 三台电机分别 为 M1、M2、M3，它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器 KM1、KM3、KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行；接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制 M1、 M2、M3 的变频运行；FR1、FR2、FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热 继电器；QS1、QS2、QS3、QS4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔 离开关；FU 为主电路的熔断器。 本系统采用三泵循环变频运行方式， 即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变 频器控制下作变速运行， 其余水泵在工频下做恒速运行， 在用水量小的情 况下，如果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统 具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只 能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频 泵。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 21 页N L1 L2 L3FUQS1QS2QS3QS4R S T 变频器 U V WKM1KM3KM5KM2 FR1 M1 3~KM4 FR2 M2 3~KM6 FR3 M3 3~图 3-2 变频恒压供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 R、S、T 端，变频器 的输出端 U、V、W 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接 至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开， 接通工频运行的接触 器和隔离开关。 主电路中的低压熔断器除接通电源外， 同时实现短路保护， 每台电动机的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。变频和工频两个回路 不允许同时接通。 而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源， 故必须经 过接触器的触点， 当电动机接通工频回路时， 变频回路接触器的触点必须 先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许 接通变频器输出端接触器，所以 KM1 和 KM2、KM3 和 KM4、KM5 和 KM6 绝对 不能同时动作， 相互之间必须设计可靠的互锁。 为监控电机负载运行情况， 主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将 4~20mA 电流信号送至内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 22 页上位机来显示。 同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。 并通过 转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。 初始运行时， 必须 观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相 序来获得正确的转向。 系统启动、 运行和停止的操作不能直接断开主电路 (如直接使熔断器或隔离开关断开 )，而必须通过变频器实现软启动和软 停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须 采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流， 本系统采用软启动 器。3.3 系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是 PLC，控制电路的合理性，程序 的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司 S7-200 系列 PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。 PLC 主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功 能： 自动控制三台水泵的投入运行； 能在三台水泵之间实现变频泵的切换； 三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功 能， 手动只在应急或检修时临时使用； 系统要有完善的报警功能并能显示 运行状况。 如图 3-3 为电控系统控制电路图。 图中 SA 为手动/自动转换开关， SA 打在 1 的位置为手动控制状态； 打在 2 的状态为自动控制状态。 手动运行 时，可用按钮 SB1~SB6 控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在 PLC 程序控制下运行。 图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是 只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频 器进行复频控制。 图中的 Q0.0~Q0.5 及 Q1.1~Q1.5 为 PLC 的输出继电器触内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 23 页点，他们旁边的 4、6、8 等数字为接线编号，可结合下节中图 3-4 一起读 图。N L1 FU2 SA2 1 SB1 SB2 KM1 Q0.0PLC KM1 KM24N1FR1HL1 KM2 HL2 KM3 FR2 HL3 KM4 HL4 KM5 FR3 HL5 KM6 HL6 HL7Q0.1 6KM1 SB3 SB4 KM3 Q0.2 KM3 Q0.3 10 SB5 SB6 KM5 Q0.4 KM612KM48KM5 Q0.5 14 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5图 3-3 变频恒压供水系统控制电路图16HL818HL920 22 24HA KA HL10注：PLC 各 I/O 端口、各指示灯所代表含义在下一节 I/O 端口分配中 将详细介绍。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 24 页本系统在手动/自动控制下的运行过程如下： (1) 手动控制： 手动控制只在检查故障原因时才会用到， 便于电机故 障的检测与维修。单刀双掷开关 SA 打至 1 端时开启手动控制模式，此时 可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。 SB1 按下时 由于 KM2 常闭触点接通电路使得 KM1 的线圈得电， KM1 的常开触点闭合从 而实现自锁功能，电机 M1 可以稳定的运行在工频下。只有当 SB2 按下时 才会切断电路，KM1 线圈失电，电机 M1 停止运行。同理，可以通过按下 SB3、SB5 启动电机 M2、M3，通过按下 SB4、SB6 来使电机 M2、M3 停机。 （2） 自动控制： 在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。 单刀双掷开关 SA 打至 2 端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由 PLC 程序控制。Q0.0 输出 1#水泵工频运行信号，Q0.1 输出 1#水泵变频运 行信号，当 Q0.0 输出 1 时，KM1 线圈得电，1#水泵工频运行指示灯 HL1 点亮，同时 KM1 的常闭触点断开，实现 KM1、KM2 的电气互锁。当 Q0.1 输出 1 时，KM2 线圈得电，1#水泵变频运行指示灯 HL2 点亮，同时 KM2 的 常闭触点断开，实现 KM2、KM1 的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原 理也是如此。当 Q1.1 输出 1 时，水池水位上下限报警指示灯 HL7 点亮； 当 Q1.2 输出 1 时，变频器故障报警指示灯 HL8 点亮；当 Q1.3 输出 1 时， 白天供水模式指示灯 HL9 点亮；当 Q1.4 输出 1 时，报警电铃 HA 响起；当 Q1.5 输出 1 时，中间继电器 KA 的线圈得电，常开触点 KA 闭合使得变频 器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯 HL10 一 直点亮。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 25 页4 系统的软件设计4.1 系统软件设计分析硬件连接确定之后， 系统的控制功能主要通过软件实现， 结合泵站的 控制要求，对泵站软件设计分析如下： (1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 为了恒定水压， 在水压降落时要升高变频器的输出频率， 且在一台水 泵工作不能满足恒压要求时， 需启动第二台水泵。 判断需启动新水泵的标 准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实 现。 为了判断变频器工作频率达上限值的确实性， 应滤去偶然的频率波动 引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。 (2) 多泵组泵站泵组管理规范 由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动， 又规定各台水泵 必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中，控 制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过 3h，因此每次需启动新水 泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是：将现 行运行的变频器从变频器上切除， 并接上工频电源运行， 将变频器复位并 用于新运行泵的启动。 除此之外， 泵组管理还有一个问题就是泵的工作循 环控制， 本设计中使用泵号加 1 的方法实现变频泵的循环控制， 用工频泵 的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。 (3) 程序的结构及程序功能的实现内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 26 页由于模拟量单元及 PID 调节都需要编制初始化及中断程序， 本程序可 分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初 始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生 成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜 间模式的给定压力值不同， 两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定 的。白天模式系统设定值为满量程的 90%，夜间模式系统设定值为满量程 的 70%。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 4-1 所示。表 4-1 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 VD100 VD104 VD108 VD112 VD116 VD120 VD124 VD204 VD208 VD250 VB300 VB301 VD310 功 能 器件地址 T37 T38 M0.0 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M2.0 M2.1 M2.2 M3.0 功 能过程变量标准化值 压力给定值 PID 计算值 比例系数 Kc 采样时间 Ts 积分时间 Ti 微分时间 Td 变频运行频率下限值 变频运行频率上限值 PID 调节结果存储单元 变频工作泵的泵号 工频运行泵的总台数 变频运行时间存储器工频泵增泵滤波时间控制 工频泵减泵滤波时间控制 故障结束脉冲信号 水泵变频启动脉冲(增泵) 水泵变频启动脉冲(减泵) 倒泵变频启动脉冲 复位当前变频泵运行脉冲 当前泵工频运行启动脉冲 新泵变频启动脉冲 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 泵工频/变频转换逻辑控制 故障信号汇总内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 27 页T33 T34 T35工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制 工频/变频转换逻辑控制M3.1水池水位越限逻辑4.2 PLC 程序设计PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 编程软 件开发。该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、 梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言[14]。语句表(STL)语言类似于计算 机的汇编语言， 特别适合于来自计算机领域的工程人员， 它使用指令助记 符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于 继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语 言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是 PLC 的高级语言，几乎不用去 考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑， 因此， 它很容易被一般的电气工程 设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD) 的图形结构与数字电路的结构极为相似， 功能块图中每个模块有输入和输 出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之 间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 PLC 控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机 上完成，编译后通过 PC/PPI 电缆把程序下载到 PLC，控制任务的完成， 是通过在 RUN 模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 4.2.1 控制系统主程序设计 PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变 频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程 序和报警程序等构成。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 28 页(1) 系统初始化程序 在系统开始工作的时候， 先要对整个系统进行初始化， 即在开始启动 的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警， 接着对变频器变频运行的上下限频率、 PID 控制的各参数进行初始化处 理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初 始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。 在初始化后紧接着要设定 白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台 数。 (2) 增、减泵判断和相应操作程序 当 PID 调解结果大于等于变频运行上限频率 （或小于等于变频运行下 限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时 5min（以便消除水压波动的干 扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉 冲信号。 (3) 水泵的软启动程序 增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备， 同时变频泵号加一， 并 产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号， 延时后启 动运行。 当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过 3h 则自动倒泵变频运行。 (4) 各水泵变频运行控制逻辑程序 各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以 1#水泵为例进 行说明。当第一次上电、故障消除或者产生 1#泵变频启动脉冲信号并且 系统无故障产生、未产生复位 1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频 状态时，Q0.1 置 1，KM2 常开触点闭合接通变频器，使 1#水泵变频运行， 同时 KM2 常闭触点打开防止 KM1 线圈得电， 从而在变频和工频之间实现良内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 29 页好的电气互锁，KM2 的常开触点还可实现自锁功能。 (5) 各水泵工频运行控制逻辑程序 水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。 由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以 1#水泵为例进 行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前 2#泵处于变频运行状 态且工频泵数大于 0， 或者当前 3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于 1， 则 Q0.0 置 1，KM1 线圈得电，使得 KM1 常开触点闭合，1#水泵工频运行， 同时 KM1 常闭触点打开防止 KM2 线圈得电， 从而实现变频和工频之间实现 良好的电气互锁，KM1 的常开触点还可实现自锁功能。 (6) 报警及故障处理程序 本系统中包括水池水位越限报警指示灯、 变频器故障报警指示灯白天 模式运行指示灯以及报警电铃。 当故障信号产生时， 相应的指示灯会出现 闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点 亮。 故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数， 在故障结束后产生 故障结束脉冲信号。 由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂， 不方便全部画出， 在 此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录 C。 主程序流程图如图 4-1 所示。 由于在图 4-1 中并未对各台水泵的变频 和工频运行控制做详细介绍，因此图 4-2 和图 4-3 对其作了完整的补充。 其中图 4-2 是以 2#泵为例的变频运行控制流程图，图 4-3 是以 2#泵为例 的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与 2#泵相似，在此就 不再重复。 如图 4-1 所示。本设计主程序大体包括以下几部分： (1) 调用初始化子程序，设定各初始值；内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 30 页(2) 根据增、减泵条件确定工频泵运行数； (3) 根据增泵、倒泵情况确定变频泵号； (4) 通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制； (5) 进行报警和故障处理。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 31 页开始程序结束调用初始化 子程序产生故障结束 脉冲 变频泵号置1 工频泵数置0 Y 是否有报警 N设置两种模式 下水压给定值设定变频泵号 变频器故障报警 变频器频 率达上限 Y 定时5min,滤波 水位越限报警 工频泵数加1，产 生变频启动脉冲 Y 水池水位越限 变频器频 率达下限 Y 定时5min,滤波 1#、2#、3#泵变频 运行控制 工频泵数减1，产 生变频启动脉冲 产生倒泵信号 是否增泵或倒泵 Y 复位变频器， 变频泵号加1 调整变频泵 号，遇4变1 N Y 变频泵单独运 行时间达3h 产生当前泵工频 运行，下台泵变 频运行启动脉冲 N N 1#、2#、3#泵工频 运行控制 N N Y 变频器故障 N图 4-1 变频恒压供水系统主程序流程图内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 32 页开始 N开始是否有变频 启动脉冲信号 Y 变频泵号 是否为2 Y 系统是否无故障 Y 是否无变频器 复位脉冲 Y 2#泵是否 工频运行 N 2#泵变频运行是否有工频 运行启动脉冲 YNN几号泵 变频运行？N3#泵 变频运行1#泵 变频运行N N Y 工频泵数 是否大于0 Y 2#泵是否 变频运行 N 2#泵工频运行 Y 工频泵数 是否大于1 Y N结束 结束图 4-2 2#泵变频运行控制流程图图 4-3 2#泵工频运行控制流程图内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 34 页6 结束语本文针对城市小区供水的特点， 设计开发了一套基于 PLC 的变频恒压 供水自动控制系统。 该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和 调速， 摒弃了原有的自耦降压起动装置， 同时把水泵电机控制纳入自动控 制系统。 压力变送器采样管网压力信号经 PID 处理传送给变频器， 变频器 根据压力大小调节电机转速， 通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调 节， 保证管网压力恒定。 该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定， 而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染 等优点。 本文主要的工作如下： (1) 由 PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用 PLC 实现对 多泵切换的控制。 通过变频器实现对三相水泵电机的软启动， 由电动机的 变频调速实现对水压的调节。 (2) 通过对控制过程和原理的分析，利用西门子 STEP7 MicroWIN 编 程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程 序，初始化子程序和中断子程序三部分。 (3) 对上位机组态监控系统进行了设计。 根据泵站监控要求， 利用组 态王软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计，系统界面清楚明 了，易于操作，能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。 通过本次毕业设计， 不仅使我巩固了对原有知识的掌握， 还拓宽了我 的知识面。 在提高自己的同时， 我也更加清楚的认识到自己的一些不足之 处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O 端口的分配，地址的分配这几方 面自己起初不是很了解， 但经过这半年的自学， 以及向老师、 同学们请教，内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 34 页我对这些知识有了更深入的理解。 通过这半年的实践和学习， 我学到了很 多课本中无法涉及到的知识， 体会到了工程设计的复杂与困难， 也感受到 了亲自做出成绩的成功与喜悦， 这些都为即将开始的研究生生活打下了坚 实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获 得更大的成绩。内蒙古化工职业学院毕业设计（论文、专题实验报告）用纸 第 35 页参考文献[1] 崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J].兰州铁道 学院学报,-88 [2] 张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社, [3] 金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用 [J],电子技 术应用,-39 [4] 张 燕 宾 .SPWM 变 频 调 速 应 用 技 术 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社, [5] 胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社, [6] 马桂梅,谭光仪,陈次昌.泵变频调速时的节能方案讨论[J],四川工业 学院学报,-7 [7] 林俊赞,李雄松,尹元日.PLC 在恒压供水控制系统中的应用[J],电机 电器技术,-48 [8] 吴 浩 烈 . 电机及电力拖动基础 [M]. 重庆 : 重庆大学出版社 ,4 [9] 杨 东 平 . 变 频 调 速 恒 压 供 水 系 统 综 述 [J], 南 宁 职 业 技 术 学 院 学 报,-45 [10] 耿红旗,吕冬艳.可编程序控制器应用教程 [M].北京:中国水利水电 出版社, [11] 郑兆生,张伟,郑新志.PLC 及变频器恒压供水控制系统设计 [J],山 东轻工业学院学报,-138 [12] 邵 裕 森 , 戴 先 中 . 过 程 控 制 工 程 [M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,致 谢首先衷心的感谢我的论文指导老师于梦琦老师。 在我做毕业设计的过 程中得到了于老师的指导。 从设计的开始到论文的定稿， 整个过程老师是 一丝不苟。于老师严谨的治学态度，影响着我努力改进，并将成为我以后 学习和工作的榜样。在此谨向于老师表示最衷心的感谢。 在这 20 天的毕业设计的过程中，我还得到了本班同学的大力帮助， 我们一起学习，一起探讨问题、解决问题。遇到困难时，他们给了我许多 好的建议和帮助。在此，对所有给予我帮助的同学表示衷心的感谢。
PLC在恒压供水系统中的应用(毕业论文)―汇集和整理大量word文档,专业文献,应用文书,考试资料,教学教材,办公文档,教程攻略,文档搜索下载下载,拥有海量中文文档库,关注高价值的实用信息,我们一直在努力,争取提供更多下载资源。