毕业设计（论文）-基于PLC的高楼恒压供水系统设计.doc

毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目： 基于 plc 的高楼恒压供水系统的设计 作者所在系部： 机械工程系 作者所在专业： 测控技术与仪器 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2012.6 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 目 录 摘要摘要. abstactabstact 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 引言1 1.2 本课题产生的背景和意义.2 1.3 变频恒压供水的现况2 1.3.1 国内外变频供水系统现状 2 1.3.2 变频供水系统应用范围 3 1.4 本论文的主要工作.3 第二章第二章 变频恒压供水的理论分析变频恒压供水的理论分析4 2.1 水泵的工作原理4 2.2 供水电机的搭配4 2.3 水泵的调节方式5 2.4 恒压供水系统的能耗分析5 2.5 供水系统的安全性问题7 2.5.1 水锤效应 7 2.5.2 水锤效应的产生原因7 2.5.3 水锤效应的消除 8 2.5.4 延长水泵寿命的其他因素 8 第三章第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计变频恒压供水控制系统硬件的设计9 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案9 3.2 变频恒压供水系统的控制方案9 北华航天工业学院毕业论文 3.3 供水设备的选择原则.11 3.4 参数的计算与供水设备选型.13 3.4.1 水泵的参数计算与型号的选择 .13 3.4.2 变频器的选择 13 3.4.3 压力传感器的选择 15 3.4.4 水位传感器的选择 15 3.4.5 其他低压电器的选择 15 3.5 plc 的选型 16 3.5.1 i/o 点的统计.16 3.5.2 plc 选型的基本原则.17 3.5.3 i/o 的分配.17 3.6 系统硬件线路设计.18 3.7 pid 调节 .19 3.7.1 pid 控制原理和特点 .19 3.7.2 pid 参数的预置 .20 第四章第四章 变频恒压供水控制系统软件的设计变频恒压供水控制系统软件的设计.22 4.1 编程软件的简单介绍 .22 4.2 恒压供水系统程序的设计 .23 4.2.1 梯形图的设计 .23 4.3 程序的仿真与调试 .28 4.3.1 仿真软件的简介 .29 4.3.2 恒压供水系统程序的仿真调试 .29 第五章第五章 总结与期望总结与期望.33 北华航天工业学院毕业论文 5.1 总结 .33 5.2 展望 .33 参考文献参考文献.34 致致 谢谢.36 附附 录录.37 语句表语句表.37 北华航天工业学院毕业论文 1 第一章 绪论 1.1 引言 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上 都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中 的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机 泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我 国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术 水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡 量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户 是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成 更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平 衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低； 用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持 平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。 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。利用变频技术与自动控制技术相结合，在 中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率， 更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频 恒 水 压供水系统集变频技术、电气传动 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， 方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以 设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图 1.2)，对于提高企业 效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 北华航天工业学院毕业论文 2 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 变频器 plc 图1-1 传统供水机示意图 图1-2 变频供水机示意图 1.2 本课题产生的背景和意义 我国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，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔 二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不 断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定 可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机 械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统 具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可 靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 1.3 变频恒压供水的现况 1.3.1 国内外变频供水系统现状 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。目前国外的恒压供水 系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变 频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺 点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进 口元件组装或直接进口国外变频器，结合 plc 或 pid 调节器实现恒压供水，在小容量、 控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当 部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步 北华航天工业学院毕业论文 3 改进和完善。 1.3.2 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: (1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特 点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw 以下，控制系统简单。由于这一范围的用户 群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电 机功率在 135kv320kw 之间，电网电压通常为 220v 或 380v。受中小水厂规模和经济条 件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于 320kw)、 机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了 国外进口变频器和控制系统。 目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以 通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不 一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通 用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况， 并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。 1.4 本论文的主要工作 本课题主要通过研究 plc 来控制变频器实现恒压供水，通过设计了解并熟悉了 plc 的工作原理、编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计， 系统的控制设备选用 s7-200 系列的 plc（cpu222），变频器选用西门子泵类专用的变频 器 mm430。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由 s7-200 完成， pid 控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取 得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的 北华航天工业学院毕业论文 4 成果及局限性。 北华航天工业学院毕业论文 5 第二章 变频恒压供水的理论分析 2.1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图 2.1 所示，叶轮安装在泵 2 内，并紧 固在泵轴 3 上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口 4 与吸入管 5 连接，液 体经底阀 6 和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口 8 与排出管 9 连接。 在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的 液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以 高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动 能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流 向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压 力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和 排出。 12 3 4 6 8 7 910 5 1-叶轮 2-泵壳 3-泵轴 4-吸入口 5-吸入管 6-单顶底阀 7-滤网 8-排出口 9-输出管 10-调节阀 图2-1 离心泵结构示意图 2.2 供水电机的搭配 供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要 以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电 动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点: 北华航天工业学院毕业论文 6 (1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过 载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。 (2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不 能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能 浪费。 因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生 产机械轴上的功率)p1（kw），可按式(2.1)计算所需电动机的功率p(kw)： (2-1) 21 1 p p 式中，1为生产机械的效率，2为电动机的效率，即传动效率。 按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于 或稍大于计算所得的功率。 2.3 水泵的调节方式 水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状 况点(简称工况点)的位置，使流量、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵 的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式， 即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调 节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并 设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。 水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下： 北华航天工业学院毕业论文 7 水泵的调节方式 调压调速 异步电机转子串电阻调速 异步电机的变极调速 异步电机的串极调速 变频调速 液力耦合器的变速调节 油膜转差离合器的变速调节 电磁转差离合器的变速调节 改变传动装置 改变原动机的转速 节流调节 混流式，轴流式泵的动叶调节 改变泵的运行台数调节 恒速调节 变速调节 2.4 恒压供水系统的能耗分析 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调 节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流 量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水 泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压 供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。 (1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来 强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变， 但是扬程特性不变。 如图 2-3所示，设用户所需流量qx为额定流量的60%(即qx=60%qn)。当通过关小阀门 来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点 移至e点，这时，流量减小为qe(=qx)；扬程增加为he；供水功率pc与面积odej成正比。 北华航天工业学院毕业论文 8 j k o g e n c q h 阀门关小 阀门全开 转速下降 稳定转速 qeqn da 图2-3 调节流量的方法与比较 (2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转 速控制法。 转速控制法的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。当水泵的 饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。 以用户所需流量等于 60%qn 为例，当通过降低转速使得 qx=60%qn 时，扬程特性仍为 曲线，故工作点移向 c 点。这时流量减小为 qe（=qx），扬程减小为 hc，供水功率 pc 与面积 0dck 成正比。 比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(qx用水需求 qu，则压力上升（p）； 如：供水能力 qg用水需求 qu，则压力上升（p）； 如：供水能力 qg=用水需求 qu，则压力上升（p 不变）。 北华航天工业学院毕业论文 9 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压 力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒 定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所 需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。 2.5 供水系统的安全性问题 2.5.1 水锤效应 异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在 0.25s。这意味着在0.25s的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不 可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击， 并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为 水锤效应。 水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会 导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统 的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。 2.5.22.5.2 水锤效应的产生原因水锤效应的产生原因 产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中， 异步电动机和水泵的机械特性如图2-4a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线 2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩tj(即两者之差)。 1 2n t 0 n t 0 2 1 tj tj tntn 北华航天工业学院毕业论文 10 （a）全压启动 （b）变频启动 图2-4 水泵的全压启动与变频启动 在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩tj tj=tm-tl 由图2-4a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所 示，是很大的。所以，加速过程很快。 2.5.3 水锤效应的消除 采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为 减小，如图2-4b命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2 是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械 特性与水泵机械特性之差)。 在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为 减小，从而彻底消除了水锤效应。 2.5.4 延长水泵寿命的其他因素 水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转 速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使: (1) 叶片承受的应力大为减小。 (2) 轴承的磨损也大为减小。 所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。 北华航天工业学院毕业论文 11 第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、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。系统主要的设计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启动 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。根据系统的设计任 务要求，结合系统的使用场所，本次设计才用通用变频器+pcl(包括变频控制、调节器控 制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3.1所示。 plc变频器 压力传感器 工频 变频 用户 蓄水池 1#泵 2#泵 备用泵 图3-1 系统构成框图 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的硬件配置和变频器的外部接线，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的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各 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。 北华航天工业学院毕业论文 12 3.2 变频恒压供水系统的控制方案 变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案， 也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比 较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原 理如图3-2所示。 图3-2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按12 341的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变 频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输 出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1 台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换 到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时， 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机 停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。 当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增 加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控 制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电 机，控制系统处于状态4。 1 号泵变频运行 2 号泵停止 2 号泵变频运行 1 号泵工频运行 2 号泵变频运行 1 号泵停止 1 号泵变频运行 2 号泵工频运行 北华航天工业学院毕业论文 13 当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时， 表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从 变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4。 当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时， 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号 泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往 复的工作，以满足系统用水的需要。 3.3 供水设备的选择原则 在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供 水规模和住宅类型以及用户数有关。有关选择依据原则使用表格如下。 1. 不同住宅类型的用水标准。 不同住宅类型的用水标准，根据城市居民生活用水标准gb/t 50331-2002， 节录如表3-1。 表 3-1 不同住宅类型的用水标准 住宅 类型 给水卫生器具完善程度 用水标准（/人日） 3 m 小时变化系 数 1 仅有给水龙头0.040.082.52.0 2 有给水卫生器具，但无淋浴 设备 0.0850.132.52.0 3 有给水卫生器具，并有淋浴 设备 0.130.192.51.8 4 有给水卫生器具，但无淋浴 设备和集中热水供应 0.170.252.01.6 2. 供水规模换算表。 不同住宅类型的用水标准，根据城市居民生活用水标准gb/t 50331-2002，节录 北华航天工业学院毕业论文 14 如表3.2。上面一行为用水标准(m3/人日)，中间数据为用水规模(m3/h)。 表 3-2 供水规模换算表 用水标准（m3/人日）户数 0.100.150.200.25 45039.4059.0078.7098.40 50043.8065.6087.50109.40 60052.5078.80105.00131.30 70061.3091.90122.50153.10 80070.00105.00140.00175.00 100087.50131.30175.00218.80 3. 根据供水量和高度确定水泵型号和台数,并对电动机进行选型,见表3-3。 表 3-3 水泵、电机和变频器选型表 4080lg50-20x21111 6080lg50-20x31515 8080lg50-20x418.518.5 10080lg50-20x52222 50xn 12080lg50-20x63030 40100dl218.518.5 60100dl33030 80100dl43737 100xn 100100dl54545 北华航天工业学院毕业论文 15 注：n为水泵台数 4. 设定供水压力经验数据：平方供水压力p=0.12mpa；楼房供水压力 p=（0.08+0.04楼层数）mpa (3-1) （5）系统设计还应遵循以下的原则： 蓄水池容量应大于每小时最大供水量； 水泵扬程应大于实际供水高度； 水泵流量总和应大于实际最大供水量。 3.4 参数的计算与供水设备选型 3.4.1 水泵的参数计算与型号的选择 (1) 根据表3.1确定用水量标准为0.19m3/人日。 (2) 根据表3.2确定每小最大用水量为175.00m3/h。 (3) 根据10层楼高度35m，按照式(3-1)计算得 p =（0.08+0.04楼层数）mpa=0.48mpa 可确定设置供水压力值为0.48mpa。 120100dl65555 北华航天工业学院毕业论文 16 根据表3-3确定水泵型号为100dl3，共3台(其中一台做备用)，水泵自带电动机功率 为30kw。 3.4.2 变频器的选择 本系统中 ，采用mciormaster430系列变频器，型号为hvac(风机和水泵节能型) ec014500/3，额定电压为380v500v，额定功率35kw。micromaster430系列变频器是 全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家，功率范围7.5kw至250kw。它按照 专用要求设计，并使用内部功能互联(bico)技术，具有高度可靠性和灵活性，牢固的 emc(电磁兼容性)设计；控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路 功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。 1. mm430变频器介绍 mciormaster430变频器的端子接口分布如图3-3所示。 rl1-a rl1-b rl1-c rl2-b rl2-c rl3-a rl3-b rl3-c 18 12 25 24 23 22 21 20 19 3 2 1 26 27 28 29 30 16 15 14 13 11 10 9 8 7 6 5 4 17 aout1+ aout1- ptcb ptca 0v +10vn- p+ pe0v aout2- aout2+ din6 din5 din2 din3 din4 +24v ain2+ ain2- din1 ain1- ain1+ 31 32 3334 35 36 l1 l2 l3 u v w v v v f 图3-3 mm430 端子接口分布图 2. 端子功能介绍 各端子的功能如表3-4所示。 表 3-4 端子功能表 引脚序号引脚名称功能引脚序 号 引脚名称功能 1+10v12aout1+ 20 电源电压 13aout1- 模拟输出1 3ain1+14ptca 4ain1- 模拟输入 1 15ptcb 北华航天工业学院毕业论文 17 3.4.3 压力传感器的选择 cyyb-120系列压力变送器为两线制420ma电流信号输出产品。它采用cyyb-105系列 压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补 偿及非线性修正、v/i变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420ma标准信号输出。 一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、 便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、a/d转换器及计算机数据采集系统连接方 便。cyyb-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广 泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统 产品及所有压力测控领域。主要特点： （1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围； （2）抗冲击、耐震动、体积小、防水； （3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强； （4）最具有竞争力的价格。 3.4.4 水位传感器的选择 sl980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油 池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。接受与液体深度成正比的液压信号，并将 5dinn116din5 6dinn217din6 数字输入 7dinn326aout2+ 8dinn4 数字输入 27aout2- 模拟输出2 9+24v 电源电压 28pe 10ain2+29p+ 11ain2- 模拟输入 2 30p- rs-485 18rl1-a22rl2-c 19rl1-b23rl3-a 20rl1-c24rl3-b 21rl2-b 输出继电 器的触头 25rl3-c 输出继电器的触 头 北华航天工业学院毕业论文 18 其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自 动控制。主要特点是：安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等。 3.4.5 其他低压电器的选择 1. 断路器的选择 （1）qf2 和 qf3 选择。 断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的 输入侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力 为150%，时间为1min。所以为了避免误动作，断路器qf2 的额定电流应选 qn i （a） (3-2)87621.41.3 nqn ii 式中in为变频器的额定输出电流 所以qf2，qf3 选90a。 （2） 断路器qf1选择。在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应 按电动机在工频下起动电流来考虑，断路器qf1的额定电流iqn应选 (a) （3-3）150605 . 25 . 2 qn mn ii 式中为电动机的额定电流，=60a。 mn i mn i 所以qf1选160a。 2. 接触器的选择 接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的 额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60a，所以接触器的触点电流 选70a即可。 3.5 plc 的选型 3.5.1 i/o点的统计 恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表 3-5 所示。 表 3-5 i/o 统计表 北华航天工业学院毕业论文 19 3.5.2 plc选型的基本原则 这是plc应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的plc种类很多，在选用plc时 应考虑以下几个方面。 （1）规模要适当； （2）功能要相当，结构要合理； （3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确； （4）要考虑环境条件。 根据以上原则，这次设计选择西门子s7-200系列的cpu222ac/dc。 输入器件输出器件 编号符号名称编号符号名称 1sb1 启动 1km1 1#泵变频 2sb2 停止 2km2 2#泵变频 3s1 液位传感器 3km3 1#泵工频 4s2 变频器达到上限 4km4 2#泵工频 5s3 变频器达到下限 5km5 备用泵工频 6s4 1#水泵故障 6l1 报警指示灯 7s5 2#水泵故障 8ss6 变频器故障 北华航天工业学院毕业论文 20 3.5.3 i/o的分配 根据功能要求和工艺流程，我们统一了i/o接点的分配，分配表如表3.6所示。根据 plc口的分配，系统的控制要求以及合理利用i/o口的原则。 表 3-6 i/o 分配表 输入器件输出器件 i0.0 启动（sb0） q0.0 驱动 km1（1#泵变频） i0.1 停止（sb1） q0.1 驱动 km2（2#泵变频） i0.2 液位传感器 q0.2 驱动 km3（1#泵工频） i0.3 变频器达到上限 q0.3 驱动 km4（2#泵工频） i0.4 变频器达到下限 q0.4 驱动 km5（备用泵工频） i0.5 1#水泵故障 q0.5 报警指示灯 i0.6 2#水泵故障 i0.7 变频器故障 3.6 系统硬件线路设计 供水系统主电路设计如图3.4所示，采用了一台变频器同时连接两台电动机，所以必 须确保开关km1和km2电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题或紧 急情况下，可以起用备用水泵。 北华航天工业学院毕业论文 21 图3-4 主电路图 系统的控制线路如图3-5所示。 北华航天工业学院毕业论文 22 图3-5 控制线路图 3.7 pid 调节 3.7.1 pid 控制原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 pid 控制，又称 pid 调节。pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳 定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参 数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统 控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 pid 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数 时，最适合用 pid 控制技术。pid 控制，实际中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器就是根据 系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（p）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误 差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（steady-state error） 。 积分（i）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关 系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳 北华航天工业学院毕业论文 23 态误差的或简称有差系统（system with steady-state error） 。为了消除稳态误差，在控制 器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会 增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出 增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在 进入稳态后无稳态误差。 微分（d）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差 的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的 作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ， 即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ， 它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控 制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后 的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 3.7.2 pid 参数的预置 由于 siemens mm430 变频器自带了 pid 模块，我们不需要进行 pid 调节器的设计， 只需进行简单的参数设置就可以了。首先将设置模拟输入的 dip 开关 1 拨到 on 位置，选 择为 420ma 输入，将 dip 开关 2 拨到 off 位置选择电动机的频率，off 位置为 50hz。 其它参数的设置如表 3.7 所示。 表 3-7 mm430 参数预置表 参数名称参数名称 p0003=2 用户访问级别为专家级 p2255=10 0 pid的增益系数 p0004=22 参数滤过，选择pid应用 宏 p2256=10 0 pid微调信号的增益系 数 p0700=2 选择命令源，选择为端 子控制 p2257=10 s pid设定值的斜坡加速 时间 p1000=2 频率设定选择为模拟设 定值 p2258=10 s pid设定值的斜坡减速 时间 北华航天工业学院毕业论文 24 p1080=5hz 最小频率 r2260=100 % 显示pid的总设定值 p1082=50hz 最大频率 r2261=3s pid设定值的滤波时间 常数 p2200=1 闭环控制选择，pid功能 有效 r2262=100% 显示滤波后的pid设定 值 p2231=1 允许存储p2240的设定值 p2265=3s pid反馈立场拨时间常 数 p2240=75% 键盘给定的pid设定值 p2267=10 0 pid反馈信号的上限值 p2253=2250 :0 选择p2240的值作为pid 给定 p2268=0 pid反馈信号的下限值 p2250=100% 显示p2240的设定值输出p2269=100%pid反馈信号的的增益 p2254=0.0 缺省值，对微调信号没 有选择 p2291=10 0 pid输出的上限 p2292=0.00 pid输出的下限 p2280=3.00 pid的比例增益系数 p2285=7.00 s pid的微分时间 p2294=100% 实际的pid控制器输出 北华航天工业学院毕业论文 25 第四章 变频恒压供水控制系统软件的设计 4.1 编程软件的简单介绍 step7-micro/win32编程软件是基于windows的应用软件，由西门子公司专为s7- 200系列plc设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监 控用户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户 使用起来更加方便。 step7-micro/win32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用 户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同 时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软 件设置plc的工作方式，参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避 免一些语法和数据类型方面的错误。 软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也 可以在离线工作方式下进行。 s7-200plc使用step7-micro/win32编程软 件进行编程。单击图4.5所示的编程软件图标可 进入如图4-6所示的操作界面，在此界面可完成 主程序，子程序，中断程序的编制与修改，完成 图4-5 step7编程软件图标 程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供plc使用。 北华航天工业学院毕业论文 26 图4-6 step7-micro/win32操作界面 4.2 恒压供水系统程序的设计 4.2.1 梯形图的设计 在控制系统中，变频器通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反馈信号，进 行单闭环控制。plc程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及水池水位信号， 判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变 频器等器件，以完成相应的控制任务， plc主要控制任务就是根据实际情况实现工频和 变频的切换。 根据系统的控制要求，经过化简后的各变量的逻辑表达式如下： (4-1) 0.00.00.10.20.5 miiii (4-2) 0.10.30.10.20.6 miiii (4-3) 0.3330.10.20.5 mt iii (4-4) 0.40.40.1 mii (4-5) 0.500.10.20.5 mc iii 北华航天工业学院毕业论文 27 (4-6) 0.7340.10.20.6 mt iii (4-7) 1.310.1 mc i (4-8)0.2 0.00.00.50.7 qmmmi (4-9) 0.10.10.60.7 qmmi (4-10) 0.20.30.40.7 qmmi (4.11) 0.30.71.30.7 qmmi (4-12) 0.40.50.6 qii (4-13) 0.50.50.6 qii 根据逻辑表达式（4-1）（4-13） ，设计的梯形图如图4-7所示。 北华航天工业学院毕业论文 29 北华航天工业学院毕业论文 30 北华航天工业学院毕业论文 31 图4-7 主程序 4.2.2 恒压供水系统流程图 北华航天工业学院毕业论文 32 电机启动 1 号泵变频运行 2 号泵变频运行 1 号泵工频运行 2 号泵变频运行 1 号泵变频运行 2 号泵工频运行 3 号泵工频运行 报警指示灯亮 变频器达到上限 变频器达到下限 变频器再次达到上 限 变频器再次达到下限 一号泵、二号泵、变频器故障 北华航天工业学院毕业论文 33 图4-8 plc恒压供水系统流程图 4.3 程序的仿真与调试 4.3.1 仿真软件的简介 由于实验室的条件有限，本次设计采用s7-plcsim进行仿真。s7-plcsim是step7中的 一个非常实用的软件。我们可以把它作为一台仿真的plc，用于运行和测试用户程序。因 为这中仿真完全是用step7软件进行，因此无需连接任何s7硬件，就可以在pg/pc上仿真 一个完整的s7-cpu，包括地址和i/o。 s7-plcsim提供了一个简洁的操作界面，可以监视或者修改程序中的参数，比如直 北华航天工业学院毕业论文 34 接对数字量进行操作。下面我进行仿真的地一步，打开软件，如图4-9所示。 图4-9 s7-plcsim软件的界面 4.3.2 恒压供水系统程序的仿真调试 在编程窗口中把程序下载到仿真plc中，如图4-10所示。 北华航天工业学院毕业论文 35 图4-10 程序装载界面 点击开始按钮，1#泵开始变频运行，如图4-11所示。 北华航天工业学院毕业论文 36 图4-11 1#泵变频运行 变频器达到上限，1#泵工频运行，2#泵变频运行，如图4-12所示。 北华航天工业学院毕业论文 37 图4-12 1#泵工频运行，2#泵变频运行 当水泵出现故障，启动备用泵，图4-13为1#泵出现故障的界面。 北华航天工业学院毕业论文 38 图4-13 1#泵出现故障 北华航天工业学院毕业论文 39 第五章 总结与期望 5.15.1 总结总结 本课题主要研究的是某小区的恒压供水。为此设计了一套具有高性能的变频器控制 系统来代替原有的手动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求，自动 调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。 根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无 级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动 关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。 在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大， 而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门 同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿 命。 5.2 展望 现有系统实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过 对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开 发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤 管理能力.这部份工作有待在以后的学习与工作中来进一步开展下去。 随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在 这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将 提出更高的要求。如对系统采用基于gprs 的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统 进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实 现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以 变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。 北华航天工业学院毕业论文 40 参考文献 1 金传伟，毛宗源变频调速技术在水泵控制系统中的应用电子技术应用， 2000，no.9: 38-39 2 马桂梅，谭光仪.陈次昌泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报. 2003，no.9: 5-7 3 崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道