基于S7-200的楼宇恒压供水控制系统设计

浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（开题报告）毕业设计 (论文)开题报告信息与电子工程系工业电气自动化专业03级 (1) 班课题名称：基于S7-200的楼宇恒压供水系统设计 毕业设计(论文)起止时间：2006 年2 月15 日6 月6 日(共17周)学生姓名： 李达军 学号： 2指导教师： 黄云龙 朱秋琴 廖东进 报告日期： 2006年3月8日 1本课题所涉及的问题在国内(外)的研究现状综述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“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”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)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw) ,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，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。国外交流变频调速技术高速发展的特点：市场的大量需求，随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果。功率器件的发展近年来高电压大电流的SCR, GTO, IGBT, IGC等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。控制理论和微电子技术的发展，矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段9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。控制理论和微电子技术的发展，矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段9配套部件生产的社会化、专业化基础工业和各种制造业的高速发达，为变频器相关配套部件生产的社会化、专业化提供了可靠保证。国内变频调速技术进展状况：电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成 7。电气传动关系到如何合理地使用电动机，以节约电能和有效控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能到机械能的高效转换，最终达到优质、高产、低耗的目的的问题。电气传动分成不调速传动和调速传动两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式不调速就是传动电动机直接由电网供电，而没有经过电力变换过程的传动方式。随着电力电子技术的发展，为了节约电能(节约1520%或更多)、改善产品质量、提高产量，这类原本不调速的机械越来越多的改用调速传动方式运行。在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的4。因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式改造以节约电能一直得到国家重视9。目前，电机调速技术已具备比较完备的技术和实践基础。近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。，。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。但长期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源1。现在，我国已有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。但自行开发生产的变频调速产品，和国际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，变频调速已形成了一个巨大的市场。为适应经社会经济和社会建设的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，国内的相关部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，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，对国外公司的依赖性还很严重。当前国内变频调速行业的主要特点有变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于分散并没有形成一定的技术和生产规模。变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。相关配套产业及行业落后。产品可靠性及工艺水平不高。 交流变频调速技术高速发展的特点:市场的大量需求：随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。尤其在水泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果。功率器件的发展：近年来高电压大电流的SCR, GTO, IGBT, IGC等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。控制理论和微电子技术的发展：矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础。16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段 。2.设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法供水系统的基本特性： 供水系统的基本特性和工作点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与流量之间的关系曲线，如图1所示。由图2.1可以看出，流量越大，扬程越小。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与用水流量。之间的关系。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，扬程与流量之间的关系。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。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量也越大。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之间的关系。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1中A点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，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。 图1 供水系统的基本特性研究的主要内容： 通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面(HMI)、各种传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以用于深井泵恒压供水系统，各类型的自来水厂，供热和空调循环用水系统、消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。本文研究的主要内容如下: a、通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。 b、分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。 c、内置PID变频器的算法和选择。 d、PLC的介绍和分析。e、设计变频恒压供水系统的硬件和软件。 f、在实际供水系统中运行该系统，分析系统性能。变频调速技术的特点及应用: 作为高性能的调速传动，直流发电机-电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。，异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速.、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。 70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060%，节水1530%由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑线，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐:。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。 自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性.、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。可编程序控制器的特点及应用。早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。 1969年，美国数字设备公司( DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。 在发达工业国家，PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点5,6,7： 1.可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 2.具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3.采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4.编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5.安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等8.9,10,11。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。3. 课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路多泵恒压供水系统中的关键问题交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区:一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者象软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换;另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。本文的主要研究内容 经过系统的调研和分析，并结合楼宇供水情况，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器（内置PID）拖动多台电机变频运行的横压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。具体而言，论文包括以下内容: 1.对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 2.从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。3.PID算法在变频横压供水系统中的应用及如何选择变频器。4. 通过对可编程控制器PLC的端口介绍及软件分析为本论文的PLC选择提供依据，并保证系统能有效的进行工作。 5.介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感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整电机转速，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。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法参考文献:1 宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析J.城镇供水.2001, 2: 22262 田会山，杨爱华.水泵和水泵站M.北京:中国建筑工业出版社，19863 成都佳灵电气制造公司.JP6C-T9系列PIM IGBT高性能数字式变频器使用手册.2001，24 陈国呈编著.PWM变频调速技术M.北京:机械工业出版社，1998. 75 廖常初编著.可编程序控制器应用技术M.重庆:重庆大学出版社，2001, 76 俞云奎，罗耀华主编.可编程序调节器、控制器原理与应用M.哈尔滨工程大学出版社，1997, 57 钟肇新，王颧编.可编程控制器入门教程(SIMATIC S7-200) M.广州:华南理工出版社，1999, 58 钱毅，韩涛.微机控制的变频调速恒压供水系统J .资源节约和综合利用，1996,6 (2)9 李红斌，张承慧，宋军，万军.远程供水变频调速计算机控制系统设计J.电气传动，2002第1期:141810 陈虹，史旺旺，唐鸿儒，刘正意.中小型水厂自动化技术的实现方法J.给水排水，2001，27(11): 869011 史志强.水厂自动化控制系统中可编程控制器的应用J.福州大学学报(自然科学版)，1998, 26(6): 444712 金以慧主编.过程控制M .清华大学出版社2001, 713 林敏，薛红主编.计算机控制技术与系统M.北京:中国轻工业出版社，1999,614 李清泉，杜继宏编著.计算机控制系统及应用M.机械工业出版社，1988, 1215 全继萍.陈玩丰大涌水厂给水泵房改造节能总结J.城镇供水.2002 4