毕业论文基于PLC的自动恒压供水系统设计(定稿)

1、基于PLC的自动恒压供水系统设计摘要在传统的学校供水系统中,由于用水高峰比较集中,使得供水系统工作不稳定。因此,有必要对供水系统进行改造。采用西门子S7-300 PLC和MM440变频器为主控单元,构建一个PLC自动控制的变频恒压供水系统,充分发挥PLC扫描精度高运算能力强等优点,为学校供水系统提供了一套全新的方案。 本设计在学校供水系统的改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足学校用水需要，而且很好地显示出节能、节水的良好效果。另外该设计采用的MM440系列变频器和S7-300系列可编程控制器具有很好的性能，而且使用方便，价格适中，所以极具推广价值。关键词: 变频器 PLC控制 恒压

2、转速调节 PID控制AbstractIn the traditional water supply system in school, because the many users needs water during the rushing hour time, the efficiency of water supply system not stable, so it not be satisfied the demand of all students and teachers. Therefore, it is necessary to transform the water man

3、agement system. Idescribe the way to construct the follow-up pressure water supply system. Based on the PLC technology and frequency converter, it provides a new satisfactory pressure control solution for the water supply system by exerting the high scanning accuracy and the great operation capabili

4、ties of S7-300.This design is applied successfully in the reform of supplying water system in the school. The answer which satisfy the demands of water in the school; furthermore, it has effective in energy and doesnt waste the water. Those people who want to reform their supplying water system can

5、also use it. Moreover this design uses the MM440 series frequency changer and the S7-300 series programmable controller has the very good performance, moreover the easy to operate, the price is moderate, therefore has the promoted value extremely.Keywords: frequency converter, PLC control, follow-up

6、 pressure, variable-speed control，PID control目录摘要IAbstractII目录III前言11 变频控制理论概述31.1变频调速的概念3转速和频率的关系3保持的控制方式31.2 PID功能简介41.3恒压供水闭环系统的PID调节过程51.4变频器的节能功能8降压节能的原理8从机械特性看压降节能的原理8变频调速与二次方律负载91.5彻底消除供水系统中的水锤效应102 供水系统的总体方案设计112.1供水系统的具体要求112.2变频恒压供水系统原理112.3变频恒压供水系统供水特点122.4水压控制信号算法处理132.5变频恒压供水控制方式比较和选择13

7、2.6变频调速恒压供水系统工作方式163 供水系统硬件软件设计183.1 系统硬件设计18供水系统主电路18 MM440变频器简介19 S7-300 PLC简介20供水系统控制电路213.2系统软件设计24 PLC梯形图设计24变频器容量计算25变频器端口设置26变频器主要功能的预置264 系统维护及注意事项284.1 PLC注意事项284.2变频器注意事项314.2.1变频器和电机的距离确定电缆和布线方法31变频器的接地314.3变频器与控制柜314.4变频器接线规则324.5变频器的维护33通电前检查334.5.2 变频器的试运行33变频器的维护33总结35致谢36参考文献37前言在现代工

8、业和经济生活中，随着电子技术微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术节能技术已经广泛应用于各个领域。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能的转换问题，同时又要处理信息的收集交换和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要解决高电压大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的收集变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件软件问题。目前交流变频调速主要发展方向为：1.高水平的控制。矢量控制磁场控制转矩控制模糊控制等高水平的控制技术已应用在交流变频调速中。2.开发清洁电能的交流器。随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频

9、器对环境的影响已经是大势所趋。尽可能降低网侧和负载的谐波分量，减少对电网的公害和电动机转矩的脉动，实现清洁电能变换。3.结构小型化。紧凑型的变频系统要求功率和控制元件具有高的集成度。主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术。均促进了变频装置结构小型化。4.高集成化。提高集成电路技术及采用表面贴片技术，使装置的容量体积比得到进一步提高。随着变频调速技术的发展，广泛推广变频调速具有十分重要的现实意义。在工业生产中，能够大大提高生产设备的工艺水平加工精度和工作效率，大大减小生产机械的体积和质量，减少金属耗用量，从而提高产品的质量。在生活生产过程中对风机和水泵一类的负载，若

10、采用变频调速技术则可以显著的节约人力、物力和财力。变频调速技术在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位。变频技术使频率为可充分利用的资源。近年来，变频调速技术获得了飞速发展，取得了明显的社会效益和经济效益。在看到变频技术如此优越性后，让我想到针对现实生活中用水高峰期出现高楼层供水困难这一问题，可以采用变频调速技术改进现有的供水系统。用水量增加，就提高带动水泵的电动机的转速，提高流量；用水减少时，就减小电机的转速，把流量降下来，又省电又省钱。在有这个基本想法后，通过查阅有关资料和请教老师后，可以确定这种方法是解决供水困难问题的有效途径之一。构思中，设想采用了变频器、电机压力传感器液面传感器以及控

11、制线路组成了一个闭环控制系统，由变频器控制电机的转动。当工程人员人工开关驱动水泵的电机，这样又耗时又耗力。在采纳指导老师的意见后，决定接受可编程控制器代替人力，由可编程控制器自动控制电机的开/关。由此，我最终确定该毕业设计的结构：第一部分论述变频器相关内容，分析恒压供水系统的PID调节过程，并且在供水系统主要原理分析的基础上,认识变频器最主要的功能：节能功能,详细论述变频器工作过程,明确变频器各个使用端子的功能。第二部分论述恒压闭环供水系统。介绍系统原理和与系统相关联的内容。第三部分论述软件硬件部分相关内容, 介绍PLC的相关知识。详细论述PLC设计语言。第四部分对整个系统实际使用过程中出现的

12、问题提出系统维护和解决方案，深入地了解供水系统在实际使用中出现的问题。1 变频控制理论概述本设计由于采用到自动化专业知识，所以在此章先对变频控制理论来一概述。1.1 变频调速的概念 转速和频率的关系三相交流异步电动机的旋转磁场转速和转子转速分别为（1-1）（1-2）式（1-2）中，表示电动机转速,表示定子交流电源的频率，表示磁极对数，表示转差率，表示旋转磁场转速。由式（1-2）可知，旋转磁场的转速和输入电流的频率成正比，当改变电流频率时，可以改变旋转磁场的转速，因而转子转速也随之改变，达到调速的目的。保持的控制方式电动机绕组中的感应电动势的大小是无法从外部加以控制的。定子绕组的阻抗电压为（1-

13、3）当电动势值较高时，定子绕组阻抗压降可以忽略不计，使定子相电压与电动势相平衡则有（1-4）在频率较高时，只要保持电压与频率同步变化，就可以近似代替反电动势与频率同步变化，从而确保在调速过程中，主磁通和电磁力矩不变。所以，变频的同时必须变压，这种控制方式称为恒压频比的控制方式。低频时，由于和都比较小，定子阻抗压降与和相比，不能再忽略了，为了保证与的比恒定，可以人为地稍微把抬高一些，来近似补偿定子压降。1.2 PID功能简介PID调节属于闭环控制，是过程控制中应用得十分普遍的一种控制方式。它是使控制系统的被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。在实行PID调节时必须至少有两种控制

14、信号：（1）目标信号 通常也称给定信号，是与被控物理量的控制目标对应的信号，用表示。（2）反馈信号 是通过传感器测得的与被控物理量的实际 值对应的信号，用表示。PID调节功能将随时对与进行比较，以判断是否已经达到预定的控制目的。具体地说，它将根据两者的差值，利用比例（P）积分（I）微分（D）的手段对被控物理量进行调整，直至反馈信号与目标信号基本相等，达到预定的控制目标为止。为了满足用户的需求，保证供水质量，要求通过变频器及其PID调节功能使供水管网的水压保持恒定。具体地说：当用户的用水量增大时，使供水管网的水压力下降，变频器应立即提高输出频率，使电动机加速，以增大水泵产生水压的能力，保持供水管

15、网水压的恒定。反之，当用户的用水量减少时，使供水管网的水压力上升，变频器应立即降低输出频率，使电动机减速，以减少水泵产生水压的能力，保持供水管网水压的恒定。供水管网内压力的大小由压力传感器进行测量。所以，在恒定控制系统中，的输出信号XF应该始终无限接近于目标信号。为了是供水管网保持一定的压力，将变频器的输出频率及其频率给定信号保持在一定范围内是必要的。令 （1-5） 式（1-5）中，称为频率给定信号；称为放大倍数，也叫比例增益。 就是说，将放大了倍后再作为频率给定信号，越大，则越小，越接近于。显然，因为能等于0，所以，能是无限接近于却不能等于。这说明，和之间总会有一个差值，这个差值称为静差，静

16、差值应该越小越好。为了减少静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，太大了，当XF随着用户用水量的变化而变化时，有可能一下子增大（或减少）了许多，使变频器的输出频率很容易超调，于是又反过来调整，引起被控量忽大忽小，形成振荡。为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是：使给定信号的变化与乘积对时间的积分成正比，只要偏差不消除，积分就不停止，从而能有效地消除静差。但积分时间太长，又会发生当用水量急剧变化时，被控量难以迅速恢复的情况。解决这个问题就采取微分控制，微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。1.3 恒

17、压供水闭环系统的PID调节过程图1.1所示是变频器调速恒压供水系统在正常工况下的PID调节过程。图1.1.a所示是用水量Q的变化情况；图1.1.b所示是供水压力P的变化情形，由于PID调节的结果，它的变化是很小的；图1.1.c所示是PID的调节量, 只是在压力反馈量与目标值之间有偏差时才出现。在无偏差的情况下，；图1.1.d所示是变频器输出频率的变化情况。系统的工作情形如下：0段： 流量Q无变化，压力P也无变化，PID的调节量为0，变频器的输出频率也无变化；段： 流量Q增加，压力P有所下降，PID产生正的调节量（为“+”）,变频器的输出频率上升；段： 流量Q不再增加，压力P已经恢复到目标值，P

18、ID的调节量为0（=0）,变频器的输出频率不再上升；段： 流量Q减少，压力P有所增加，PID产生负的调节量（为“-”）,变频器的输出频率下降；以后： 流量Q不再减少，压力P又恢复到目标值，PID的调节量为0（=0）,变频器的输出频率不再下降。图1.1 恒压供水的正常工况a)流量 b)压力 c)调节量 d)频率图1.2所示是流量过大或过小时的系统工况。当用户的用水流量过大或过小时，由于变频器的输出频率要受到上限频率和下限频率的限制，使PID的调节功能受到制约，供水系统的压力将无法保持恒定。1. 流量过大供水系统流量过大的工作情形如下：0段：用水流量Q增加，但变频器的输出频率尚未到达上限频率，系统

19、在正常状态下运行，由于变频器内PID功能的调节作用，变频器的供水流量能够随时满足用水流量的需求，供水系统始终处于平衡状态，供水压力也一直保持恒定；段：当用水流量Q继续增加到一定程度以后，系统将具有如下的工作特点：（1） 变频器的输出频率已经到达上限频率，水泵的转速不可能再升高；（2） 变频器的供水流量满足不了用水流量的需求，管网压力P（从而）将降低到下限压力之下；（3） 变频器的PID功能力图增加变频泵的供水流量，调节量不断增加，超过了上限值；段：用水流量Q不再增加，压力P（从而）也不再下降，但由于和目标值之间始终存在偏差，PID中的积分环节将不断地积分，从而调节量将继续上升。图1.2 流量过

20、大或过小时的工况a) 流量b) 压力c) 调节量d) 频率2. 流量减小用水流量减小后，系统又进入正常运行状态，工作过程是：段：流量Q开始减少，压力P也开始增加。在压力（）上升至目标压力（）之前，PID的调节量仍为“+”，变频器的输出频率仍为上限频率。而当压力继续上升时，PID的调节量开始变为负值，变频器的输出频率开始下降；3. 流量过小当夜深人静，用水量很小时的工作特点如以后所示：（1） 变频器的输出频率下降到下限频率后将不再继续下降，水泵的转速不可能再降低；（2） 供水流量超过了用户的需求，管网压力P将增大到超过上限值；（3） 变频器的PID功能力图减少变频泵的供水流量，调节量不断减小，超

21、过了下限值。1.4 变频器的节能功能 降压节能的原理异步电动机在轻载运行时，功率因数与效率都较低。两者之间又有一定的关联，如图1.3所示，功率因数越低（越大），则在有功电流相等的情况下，定子电流越大。结果是电动机的铜损增加，效率降低。图1.3 电流大小与功率因素 从机械特性看压降节能的原理如图1.4所示：图1.4 降压节能的原理a)额定电压下运行 b)降压运行（1）额定电压下运行的特点 是电动机在额定电压下运行时的情形：曲线是额定电压下的机械特性曲线，同步转速为，临界转矩为，临界转差为，启动转矩为。当负载转矩等于电动机的额定转矩时，额定工作点为N点，转速为。当负载转矩减轻为时，工作点转移至Q点

22、，转速升高为。如上述，这时的功率因数和效率都较低。（1） 降低电压后的运行特点 异步电动机在降低电压后，其机械特性的特点是：临界转差不变，但临界转矩减小为，起动转矩减小为，如图4.b中之曲线所示，负载转矩为时的工作点转移至点。这时：一方面，电动机的有效转矩为，有效转矩点为E点。如果负载转矩与有效转矩十分接近，则功率因数和效率趋于最佳状态，减小了电流；另一方面，电压也下降了。所以，输入的电功率减小了，实现了节能的目的。 变频调速与二次方律负载如图1.5所示：图1.5 变频调速与二次方律负载a)低频时的情形 b)低频降压时的情形（1）在额定转速时，负载转矩等于电动机的额定转矩，拖动系统在额定工作点

23、N运行；（2）当电压与频率成正比地下降时，电动机的机械特性曲线如曲线所示。这时：同步转速为；临界转矩为；有效转矩点为点；有效转矩为；比额定转矩有所减小；另一方面，二次方律负载的机械特性如曲线所示，拖动系统的工作点移至D点，负载转矩大幅下降为。由图知，所以，功率因数和效率都很低。（3）如通过减小比而减小与对应的电压，使电动机的机械特性如图5.b 中的曲线所示，则电动机的有效转矩点为点。与D点十分接近，从而提高了功率因数和效率，减小了运行电流，同时，电压也下降了许多，可以较好地实现节能的目的。这时候，由于工作点下移至点，拖动系统的实际转速将略下降为，负载转矩也略减小为。1.5彻底消除供水系统中的水

24、锤效应在供水管路中，水锤效应具有很大的破坏作用，说明如下：（1）起动时的水锤效应：异步电动机在全压起动时从静止状态加速到额定转速，所需时间只有0.25s。这意味着在0.25s的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，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音，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂；反之，压强过低，又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应也可能损坏阀门和固定件。（2）停机时的水锤效应：如果让水泵切断电源，使之自由停机，供水系

25、统的水头将克服电机的惯性而使水泵急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。（3）产生水锤效应的原因：产生水锤效应的根本原因，是在起动和制动过程中的动态转矩太大。因为在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩。水泵在直接起动过程中，拖动系统动态转矩是很大的，所以，加速过程很快。（4）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起动过程，使动态转矩大为减小。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。水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。2 供水系统的总体方案设计现在，国家日益强盛，人们生活生产过程中不免要

26、大量消耗能源，经济的快速增长也加剧了能源的消耗量，随着时光流逝，能源问题越来越突出。为此政府强调节能环保，要求尽量节约能源，为可持续发展奠定坚实的物质基础。本人就为突出节能功效，设计了一种变频调速恒压供水系统。这一系统可以用于学校宿舍楼供水网络。由于学校宿舍楼比较集中，学生用水量最大，常常在用水高峰期时宿舍楼高层出现断水现象。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定，实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能节水的目的，满足学校用水需要。2.1 供水系统的具体要求（1）水泵能自动变频软起动 4台水泵自动变频软起动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。（2）电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，工作泵

27、故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开停机。（3）设备具有缺相欠压过压短路过载等多种电气保护功能，具有缺水保护功能。（4）有设备工作停机报警指示。2.2 变频恒压供水系统原理变频恒压供水系统采用一个电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为420mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如果在一定的时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器做工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致，由此构成一个闭环控制系统。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除水泵，达到

28、了节能的目的。变频恒压供水系统功能框图如图2.1所示。图2.1 供水系统的功能框图2.3 变频恒压供水系统供水特点1、恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。2、动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。3、采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。4、系统配置可实现全自动定时供水,彻底实现无人值守自动供水.控制系统具有故障报警和显示功能,并可进行工变频转换,应急供水。5、系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水

29、泵始终工作在高效区，当系统零流量时,机组进入休眠状态,水泵停止，流量增加后才进行工作,节电效果明显，比恒速水泵可节电23%-55%。6、变频恒压供水设备不设楼顶水池，既减少建筑物的造价，又克服了水源二次污染，气压波动大，水泵启动频繁和建造水塔一次性投资大，施工周期长，费用高等缺点。7、整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。8、本设备采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况，操作简单。2.4水压控制信号算法处理在该控制系统中，压力信号的检测采用压力变送器，变送器输出信号为420mA电流或010V电压，对应水压为0；通常情况下供水管网允许最低压力为某

30、一值P1，即管网最小设定值，不为0压力，而正常工作条件下管网最大允许工作压力为P2，假定两者对应的模拟电流为I1I2，则有如下函数关系：（2-1）在上式中，P为某一时刻时管网压力。类似地，变频器控制信号电流函数关系为（2-2）2.5 变频恒压供水控制方式比较和选择众所周知，水泵消耗与转速的三次方成正比。即：（2-3）N：为水泵消耗功率；K：为比例系数水泵设计是按工频运行时设计的，但除用水高峰外，大部分时间流量较小，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%40%。目前国内各厂

31、家的供水设备电控柜，除采用落后的继电接触器控制方式外，大致有以下四类：（1） 逻辑电子电路控制方式：这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频工作状态的方式。因此控制精度比较低、水泵切换时水压波动大、调试麻烦工频泵启动时有冲击、抗干扰能力低，但成本比较低（2）单片机电路控制方式：这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网不同供水情况时调试比较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。（3）带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式：此时变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，

32、实现无极调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器内部进行运算后，输入给变频器一个调速信号。（4）新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器，形成了带有各种应用宏的变频器，由于PID运算在变频器内部，这就省去对可编程控

33、制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法。所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压信号反馈信号值的准确不失信，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单方便。从以上控制方式看，我发现新型变频调速供水设备效率高，所以在本设计中我采用了这种方式。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成420mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数，送给变频器，由变频器控制电机的转速，调节系统的供水量，

34、使供水管网上的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随着变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。图 2.2变频恒压供水系统图2.2为变频恒压供水系统。该系统由MM440变频器S7-300 PLC控制器空气开关指示灯4台异步电动机KEY-5m液位传感器和YZT耐震远传压力表等组成。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无极调速，从而使管

35、网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。供水设备控制4台水泵，在这些水泵中，只有一台变频泵。当供水设备供电开始时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入可编程控制器或PID回路调节器，可编程控制器或PID回路调节器则送出一个比用水量增大的信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能

36、使管网水压达到设定值，可编程控制器或PID回路调节器就发出控制信号，启动一台工频泵，启动一号备用泵作为变频泵，如此类推。反之，当用水量减少，变频器的频率达到最小值时，则发出减少一台工频泵的信号，其他泵依次类推。液位传感器提供蓄水池中水位超过最低限制时的停机信号，当这一信号可编程控制器时，可编程控制器发出指令断开所以工作水泵，保护水泵。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程来讲，要有模拟量输入接口。由于带模拟量输入输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带模拟量输入输出接口的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一

37、块PWM调制板，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入输出接口的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入输出接口的可编程控制器差不多。所以，在变频器调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。就针对传统的变频调速供水的不足之处，该设计采用新型变频器，这些变频器将PID调节器都综合进变频器内。2.6 变频调速恒压供水系统工作方式该系统可以使用两种控制方式：（1）手动控制将手动控制接通时，变频器处于工作状态中，灯HL1亮。接触器线圈KM1控制电动机M1，接触器线圈KM3控制电动机M2，接触器线圈KM5控制

38、电动机M3，接触器线圈KM7控制电动机M4。在变频器控制面板上，根据实际需要，手动按相对应的起停按钮，控制电动机起停。（2）变频器控制将变频控制接通时，说明变频器处于变频工作状态，灯HL1亮。变频器传统的补泵操作采用“循环软起动”控制模式,即当1号泵变频满频时（50Hz），1号泵切换为工频运行，再由变频器起动2号泵运行。如果2号泵满频时（50Hz），2号泵切换为工频运行，1号泵继续工频运行，再由变频器软起动3号泵，让变频器控制3号水泵变频运行。依次类推，变频器加泵就是以这种工作顺序进行。供水高峰时若4台泵同时运行，即4号泵变频，1号、2号、3号泵工频，随着供水量逐渐减小，变频泵频率逐渐降低，若

39、频率降至退泵频率时，系统进行退泵操作，先停1号泵。当频率继续降至退泵频率时，就停止2号泵。依次类推，最后由变频器控制的变频泵是4号泵。如果液位传感器传入一个最低水位限制信号，为了保护电机，则停止变频器工作，线圈KA得电，断开所有得电运行的电动机，故障指示灯HL3亮，工作状态显示停止的指示灯HL2亮。如果故障保护信号产生，故障指示灯HL3亮。3 供水系统硬件软件设计3.1 系统硬件设计 供水系统主电路变频恒压供水系统主电路如图3.1所示。图3.1 变频恒压供水系统主电路本系统的硬件电路，它由4台 15KW 离心水泵，一台智能型电控柜（包括西门子变频器PLC交流接触器继电器等）， 一套压力传感器

40、一套液位传感器以及供电主回路等构成。该系统的核心是S7-300（CPU313C）和MM440变频器。3.1.2 MM440变频器简介MM440变频器由微处理器控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪音，具有全面而完善的保护功能，为变频器和电动机提供了良好的保护。MM440变频器具有默认的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MM440变频器具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MM44

41、0变频器有以下特性：（1）易于安装，易于参数设置和调试；（2）具有牢固的EMC设计；（3）可由IT电源供电；（4）对控制信号的响应是快速和可重复的；（5）参数设置的范围很广，确保变频器可对广泛的应用对象进行配置；（6）电缆连接简便；（7）具有多个继电器输出；（8）具有多个模拟量输出（020mA）；（9）有六个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线；（10）有两个模拟量输入：AIN1010V,020mA和-10V至+10V,AIN2010V,020mA,两个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入；（11）BiCo 技术；（12）采用模块化设计，配置非常灵活；（13）脉宽调制的频率高，因而电

42、动机运行的噪声低；（14）具有详细的变频器状态信息和全面的信息功能；（15）有多种可选件供用户选用，有用于与PC通信的通信模块，基本操作面板，高级操作面板，用于进行现场总线通信的ProfiBUS 通信模块；（16）具有矢量控制性能；（17）具有U-f特性；（18）具有快速电流限制功能，避免运行中不应有的跳闸；（19）具有内置的直流注入制动；（20）具有复合制动功能，改善了制动特性；（21）具有内置的制动单元；（22）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能；（23）具有PID控制功能的闭环控制；（24）各组参数的设定值可以相互切换；（25）自由功能模块；（26）具有动力制动的缓冲功能；（27）具

43、有定位控制的斜坡下降曲线；（28）具有过电压/欠电压保护特性，具有变频器过热保护，具有接地故障保护，具有短路保护，具有电机过热保护和PTC/KTY电动机保护。3.1.3 S7-300 PLC简介PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要是由中央处理器（CPU）存储器（RAM，ROM）输入/输出单元（I/O接口）电源及编程器几大部分组成。S7-300是一种通用型的中型PLC，其具有模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，这使得它能适应自动化工程中的各种应用场合，执行各种控制任务，因此其在实践中成为一种既经济又可靠的控制装置。S7-300PLC采用模块化结构，各

44、种模块能以不同的方式组合在一起，模块式PLC由机架和模块组成。品种繁多的CPU模块，信号模块和功能模块能完成各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择，更换合适的模块。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信连网能力，使其应用十分灵活。S7-300有各种不同性能档次的CPU模块可供使用。标准CPU提供范围广泛的基本功能，如指令执行和CP模块的通信，紧凑型CPU本机集成I/O，并带有高速计数等技术功能。S7-300的CPU模块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，有的还带有集成的现场总线P

45、ROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件软件和编程，就可以建立一个MPI网络；如果有PROFIBUS-DP接口，就可以建立一个DP网络。S7-300有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力。其标准型的环境温度为0到60摄氏度。通过系统功能和系统功能块的调用，用户可以使用集成在操作系统内的程序，从而显著地减少所需要的用户存储器容量，它们可以用于中断处理等。3.1.4 供水系统控制电路Q0.0Q0.7为PLC输出软继电器触点，Q0.0Q0.2Q0.4Q0.6控制变频运行电路；Q0.1Q0.3Q0.5Q0.7控制工频运行电路。按钮SB1为自动控制切换，按钮SB2为手动

46、控制切换。当切换在自动模式时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的起动切换停止运行；当切换在手动模式时，通过按钮SB3SB4SB5SB6分别起动4台水泵工频运行。KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。本系统PLC模块内由一片CPU313C组成。CPU313C有24输入/16输出共40个数字量I/O点，具有9针MPI接口，拥有SIMATIC微型存储卡。它拥有记数通道3条，最高可测频率30kHz，有闭环控制功能，它的存储器卡扩展存储器的容量最大可达到4MB。PLC的I/O接线图，如图3.2所示。S7-300 PLC的I/

47、O分配图如表3.1所示。表3.1 PLC的I/0分配图输入地址输入设备输出地址输出设备I0.0自动控制按钮SB1Q0.0变频启动电动机M1的接触器KM0I0.1手动控制按钮SB2Q0.1工频启动电动机M1的接触器KM1I0.2电动机M1过载保护热继电器FR1Q0.2变频启动电动机M2的接触器KM2I0.3电动机M2过载保护热继电器FR2Q0.3工频启动电动机M2的接触器KM3I0.4电动机M3过载保护热继电器FR3Q0.4变频启动电动机M3的接触器KM4I0.5电动机M4过载保护热继电器FR4Q0.5工频启动电动机M3的接触器KM5I0.6急停按钮SB3Q0.6变频启动电动机M4的接触器KM6

48、I1.0来自变频器的上限频率信号输入Q0.7工频启动电动机M4的接触器KM7I1.1来自变频器的下限频率信号输入Q1.0工作状态运行指示灯HL1I1.2来自变频器的缺水信号输入Q1.1工作状态停止指示灯HL2I1.3来自变频器的故障保护输入Q1.2故障指示灯HL3I2.0电动机M1启动按钮SB3Q1.3急停断闸继电器KAI2.1电动机M2启动按钮SB4I2.2电动机M3启动按钮SB5I2.3电动机M4启动按钮SB6I2.4电动机M1停止按钮SB7I2.5电动机M2停止按钮SB8I2.6电动机M3停止按钮SB9I2.7电动机M4停止按钮SB10图3.2 PLC的I/O接线图3.2 系统软件设计

49、PLC梯形图设计梯形图设计如图3.3所示，梯形图分为三部分：变频控制电机部分、断水保护部分、手动控制部分。图3.3 梯形图设计 变频器容量计算对于连续运转的变频器必须同时满足下列三项要求：1）满足负载输出要求，即(3-1)2) 满足电动机容量要求，即(3-2)3）满足电动机电流要求，即(3-3) 变频器端口设置端口设置如表3.2所示：表3.2 变频器端口设置表端口功能说明端口功能说明9、28端24V直流电源端14、15端电动机过热保护输入端5端压力传感器输入信号端24端上限频率输出端19端变频器故障保护输出端25端下限频率输出端22端缺水信号输出端5、6、7、8端来自PLC控制信号输入端 变频

50、器主要功能的预置虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要使供水系统运行性能稳定，工作可靠，就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频器操作面板上的相关按键确认。（1）频率功能的预置最高频率 水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即max=N = 50HZ。上限频率 一般来说，上限频率以等于额定频率为宜。但有时也可以预置得略低一些，原因有二：一是变频器内部有转差补偿功能，同在50HZ的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电动

51、机的负载；二是变频调速系统在50HZ下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。因此，将上限频率预置为49 HZ或49.5 HZ是适宜的。下限频率 在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。所以，下限频率应定为2530 HZ。起动频率 水泵在起动时，如果从0 HZ开始起动，水泵基本没有压力输出，为减少调节时间，应预置起动频率值为1520 HZ，即设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%40%。升速降速时间 由于水泵电动机不需频繁的起停，对于起停时间无严格要求。整定变频器的升降速时间时主要考虑升降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；

52、升降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供水要求。因此，升降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。4 系统维护及注意事项4.1 PLC注意事项1. PLC系统正常工作的保证是要有一个良好的工作环境。通常应满足以下条件：（1）环境温度约在055摄氏度，环境温度过高或过低，使PLC长期处于极限温度下工作，会影响PLC工作的稳定性和可靠性。应而PLC安装时应远离热源。PLC安装在控制柜时，柜的上下有通风散热的百叶窗，必要时应安装电风扇降温；注意不要把发热量大的元器件如变压器，稳压电源等放在PLC下方。PLC四周应留有一定的空间供通风散热用。（2）P

53、LC允许的相对湿度一般在35%-80%，温度太高不仅使漏电流增大影响绝缘性能，而且直接影响模拟量输入输出装置的精度，必要时可设置小加热器或夜间不切断电源。（3）周围不应有导电尘埃，油性物或有机溶剂，腐蚀性气体。以防锈蚀元器件，造成绝缘减低，严重漏电，局部短路等故障，甚至损坏设备。（4）PLC能承受的振动和冲击有一定的规定，振动过大会引起插接件松动。为了减少振动和冲击，可将PLC控制柜与振动和冲击源分开，或用抗震垫来固定PLC控制柜。2. 电源输入输出接线是外部干扰入侵PLC的重要途径，应采取相应的抗干扰措施。（1）抑制电源系统引入的干扰电源是PLC引入干扰的主要途径之一。PLC应尽可能取用电压

54、波动较小，波形畸变较小的电源，这对提高PLC的可靠性有很大的帮助。PLC的供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备分开。在干扰较强或可靠性要求很高的场合，对PLC交流电源系统可采用的抗干扰措施有以下几种方法：在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。隔离变压器的电压可取1：1，在一次和二次绕组之间采用双屏蔽技术，一次屏蔽层用漆包线或铜线等非导磁材料绕一层，注意电气上不能短路，并接到中性线；二次则采用双绞线，双绞线能减少电源线间的干扰。 在PLC电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。在干扰严重场合，可同时使用

55、隔离变压器和低通滤波器的方法，通常低通滤波器先与电源相接，低通滤波器输出再接隔离变压器；也可同时使用带屏蔽层的电压扼流圈和低通滤波器的方法。PLC的电源和PLC输入/输出模块用电源应与被控系统的动力部分，控制部分分开配线，电源供电线的截面应有足够的余量，并采用双绞线。条件许可时，PLC可采用单独的供电回路，以避免大容量设备的起停对PLC的干扰。系统的动力线应足够粗，以降低大容量异步电动机起动时的线路电压降，且动力线要远离PLC装置20CM以上。外部的输入电路用的外接输入电路用的外接直流电源最好采用稳压电源。（2）抑制输入输出电路引入的干扰为了抑制输入输出信号传输线引入的干扰，一般应注意以下几点

56、：开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会迭加在模拟信号上而造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。如果模拟量I/O信号距离PLC较远，应采用420mA或010mA的电流传输方式，而不用易受干扰的电压信号传输。对于功率较大的开关量输入输出线最好与模拟量输入输出线分开敷设。PLC的输入输出线要与动力线分开，距离应在20cm以上，如果不能保证上述最小距离，可将这部分动力线穿套管，并将管接地。绝对不允许把PLC的输入输出线与动力线高压线捆扎在一起。应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减少噪音干扰。一般两线间的距离为20cm。当两线平行敷设的长度在100200m时，