基于plc的变频恒压供水系统的设计

中国地质大学（北京）现代远程教育专科实习报告题目学生姓名批次专业学号学习中心年月PAGEPAGEXXXIIINUMPAGES40PAGE基于Plc的变频恒压供水系统的设计摘要本论文研究的是PLC在恒压变频供水系统中的应用。系统主要由主供水回路、备用回路、1个清水池及泵房组成，其中泵房装有3台水泵，还有多个电动阀控制各供水回路和水流量。通过PID调节器对压力变送器检测信号进行整定，然后将模拟信号输出给变频器，变频器再根据给定压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。该系统采用西门子S7-200，它是一种可编程序逻辑控制器，能够控制各种设备以满足自动化控制需要。S7-200的程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集，使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。关键词PLC；PID；变频器；变频调速

AbstractThepaperresearchesontheapplicationofPLCtothesystemofConstantpressureandfrequencyconversionforwatersupply.Thesystemismadebyamainwatersupplyroute,aspareroute,acleanpoolandpumpsstation.Therearethreepumps,manymotorizedvalvesthatcontrolthewatersupplyinthepumpsstation.Afterthecomputationofthechangedpressuresignal,PIDputthesimulationquantityintotheinverter.Theinverteradjuststhespeedofelectricmotorbythepressuresignal,thusitcanreachthegoalofkeepingtheconstantoftheHydraulicpressureinthepipe.ThesystemusesS7-200,theS7-200seriesofmicro-programmablelogiccontrollerscancontrolawidevarietyofdevicestosupportyourautomationneeds.TheS7-200monitorsinputsandchangesofoutputsforcontrollingbytheuserprogram,whichcanincludeBooleanlogic,counting,timing,complexmathoperations,andcommunicationswithotherintelligentdevices.Thecompactdesign,flexibleconfiguration,andpowerfulinstructionsetcombinetomaketheS7-200aperfectsolutionforcontrollingawidevarietyofapplications.Keywords:PLC,PID,Inverter,VariableVelocityVariableFrequency

目录摘要 IIAbstract III目录 IV第1章前言 1第2章变频调速恒压供水系统 22.1恒压控制 22.2供水设计概述 22.2.1用户供水要求 22.2.2主要设备选型 22.2.3技术性能 22.2.4设计特点 32.3变频器的技术参数 32.4控制系统设计 3结论 5致谢 6参考文献 7附录B原理图及程序 8PAGEPAGEXXXIIINUMPAGES40PAGE第1章前言变频恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，它取代传统的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，不仅节能效果显著，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，具有良好的技术、经济效益。恒压供水系统对于某些工业用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废或设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些特殊用户采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义[1]。随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。现在，电力电子器件正向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点进行实时监控，并完成系统运行工况的画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵的投运台数和运行变量泵的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

第2章变频调速恒压供水系统2.1恒压控制控制管道底部某点水压力，使之能充分保证最不利点（最高点）的供水压力。满足流体流动要求，保证用水点出水的基础上，叠加适当的水压裕量（）以增大各用水点出水水压,故底部某点水压取值为(2.1)为供水高度,为水压裕量，检测管道流量以补偿压力设定的部分，这样压力控制系统的压力设定是变化的，流量计比较昂贵，留有充分裕量计算设定恒定压力值，可以保证用户的水压，采用恒压控制这个比较简单的控制方案，能保证供水质量。在本设计中，压力采样点选在水泵和用水点之间，位于管网上升主管道，高度与调节水池基本一致。恒压供水系统是水压单闭环定值控制系统。调节器为PLC及A/D和D/A模块，PLC是整个系统的控制和运算中心，A/D接输入检测信号，D/A给出运算后的变频器信号，通过变频器改变电机转速，从而改变泵的工作点，改变供水量。广义对象为变频器电机水泵组和管网，可以认为执行阀为变频电机水泵组，调节对象为管道，检测仪表为远传式电阻压力表，外部干扰为电网波动和用户用水量变化，分别作用在电机和管网上。给变频器1个频率信号，经过变频器、电机水泵和部分管网，在压力检测仪表处用记录仪记录压力响应曲线。控制比较复杂：电机泵类负载至今没有数学模型，水泵厂只能根据水泵模型依据相似定理做水泵。在本设计中，泵的台数是变化的，故在台数变化处，压力对信号的响应是非线性的。测定受到随机用水量和出水阀门开度的影响。不同的阀门开度影响管道性能和工作点，故使对象特性有所改变。给水量对采样点压力不产生影响，压力只受用水量影响。2.2供水设计概述2.2.1用户供水要求供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。2.2.2主要设备选型三台水泵，一台ABBACS-400变频器，压力变送器，常规PID。2.2.3技术性能为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间，当时间到时，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死。2.2.4设计特点（1）压力控制精度高，流量连续可调，供水压力可以任意设定，在起动泵时压力波动小。（2）使用寿命长，水泵可能软起动，即变频起动，电机起动时对电网无冲击，主泵先起先停，先停先起，循环运行。（3）保护功能完善，变频器故障自动报警，具有如过流、过压、欠压、过载、短路等自我保护功能，另有进水池低水位报警并自动停泵及溢水报警、过电流报警。（4）手动自动切换功能。（5）设备紧凑，占地面积小，节省建设投资[7]。2.3变频器的技术参数ABBACS400是具有多种功能的变频器，在本设计中由于已选PID调节器，因此就不用变频器的内部PID调节器。压力传感器将压力信号传给PID调节器，PID调节器根据压力设定，输出4～20mA给变频器以调节电机的速度，变频器的运行要根据可编程序控制器输出Q1.0（DCOM1-DI2）是否闭合来确定，变频器的停止要根据可编程序控制器输出Q0.7（DCOM1-DI1）是否闭合来确定。将变频器的内部可编程继电器RO1，RO2设定成频率到达。相关设定见参数设定表2.1。表2.1参数设定代码功能设定值代码功能设定值9902APPLICMACRO02102STOPFUNCTION11001EX1COMMANDS33201SUPERV1PARAM01031003DIRECTION13202SUPERV1LIMLO15HZ1102EXT1/EXT263203SUPERV1LIMHI50HZ1103EXTREF1SEL03204SUPERV2PARAM01032.4控制系统设计供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则。为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间，当时间到时，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死。要有完善的保护和报警功能。为了检修和应急要设有手动功能。还需具有水池防抽空功能。泵机部分原理图见图C1所示。电气控制系统主回路见图C2所示。图中，M1，M2，M3为三台电机，交流接触器KM1～KM6控制三台电机的运行，KH1，KH2，KH3为电机M1，M2，M3过载保护用的热继电器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分别为主电路、变频器和三台泵的工频运行空气开关。本设计的电气控制线路见图C3所示，图中，SA为手动/自动转换，KA为手动/自动中间继电器，打在1位置为手动状态，打在2位置为自动状态，同时KA吸合。在手动状态，可以按动SB1～SB6控制三台泵的起停。在自然状态时，系统根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停，HL1～HL8为各种运行指示灯。中间继电器KA的常开触电接I0.3控制自动状态时的起动。中间继电器KA的三个常闭触电接在三台泵的手动控制电路上，控制三台泵的手动运行。在自然状态时，三台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。KH1，KH2，KH3为三台泵的热继电器的常闭触电，可对电机进行过流保护。

(a)主程序结论(a)主程序通过将近半年的研究设计，最终使本系统能够正常的运行起来，并且基本上达到了预期的设计目的。在这过程中学到了不少知识和积累了不少的经验，锻炼了自己的独立科研能力和实际动手能力，学会了如何综合调控工程项目的研究与设计。本设计完成以后，发现本设计需要改进的地方：水泵的负载转矩与转速的平方成正比，输入功率与转速的三次方成正比。所以，系统的节能效果很大程度上取决于变频器的性能，如果我们能够采用水泵类专用变频器的话，那么在多泵切换对系统的节能方面还能更好一些。由于时间和条件的限制，在PLC程序的通用性上做的还有不足，如果能把一些功能做成参数型，像水压参数一样，能适应不同的管道压力。只要改变一些参数就可以适应不同的工程，这样系统的利用前景可以更广泛。

致谢本论文是在XXX老师的谆谆教诲和指导下完成的，论文从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；教授渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。我还要感谢含辛茹苦、任劳任怨、望子成龙、不图回报的父母的养育之恩，他们给予我的爱和支持让我顺利地完成了自己的学业。最后，因本人水平有限，在文中难免有不足之处，恳请各位老