基于S7200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计毕业设计论文.docx

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基于S7200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计毕业设计论文

基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计

摘要

近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源紧缺问题日益明显，因此应用变频调速技术来提高供水质量，降低能耗，在供水领域已得到越来越广泛的重视。

变频恒压供水控制系统采用先进的变频调速、PLC等技术组成一闭环控制系统，用于民用建筑、生产用水，可使水泵出口压力保持恒定。

恒压供水的基本控制策略是:

采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，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，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

关键字：

水泵、变频器、恒压控制、PLC

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofChina'snationaleconomy,theenergyshortageproblemisbecomingincreasinglyapparent,sotheapplicationofVVVFtechnologytoimprovewaterquality,reduceenergyconsumption,inthefieldofwatersupplyhasbeenmoreandmoreattention.InvertercontrolconstantpressurewatersupplysystemusingadvancedFrequencyControl,PLCandothertechnicalcomponentsofaclosed-loopcontrolsystemforcivilconstruction,productionwater,canmaintainaconstantoutletpressurepumps.Constantpressurewatersupplyisthebasiccontrolstrategy:

theuseofprogrammablelogiccontroller（PLC）andconstitutesafrequencyconvertercontrolsystem,optimizedcontrolofthegovernortorunpumps,andautomaticallyadjuststhenumberofrunningpumpstocompletethewatersupplyclosed-loopcontrolofpressure,thatis,accordingtotheactualsettingsautomaticallyadjustwaterpressurepumpmotorspeedandthenumberofpumps,automaticcompensationforchangesinwaterconsumptiontoensurethatthepressureofthewatersupplynetworktomaintainthesetvalue,boththewatersupplytomeettheproductionrequirements,butalsotosavepower,thesystemisinreliableworkingcondition,toachieveconstantpressurewatersupply.

Keywords:

waterpump;inverter;constantpressurecontrol;energysavingeffects

第一章前言

1.1供水系统简介

我国的传统供水方式一般有三种：

恒速泵供水，水塔及高低位水箱供水，气压罐供水。

恒速泵供水在用户的用水量变化时，供水管路上水压也会随着变化，这个变化较大，效率也变化很大，无论从管路设计还是从能耗角度讲都不合理。

这种供水方式只适用于供水量不大及供水量稳定的场合，而供水量大，变化频繁的场合是不适用的。

为了改善上述系统，人们首先采用了水塔和高低位水箱的办法解决供水的矛盾，这种方式的优点是水泵充分工作在额定点，耗能十分合理，管路上压力恒定，供水稳定，不足之处是投资大，占地大，建造周期长，在当前对供水设备的小型化，经济化，灵活化的要求下，人们想出了一种气压供水的方法。

气压供水设备利用气压罐做调节容器来调节供水量，这种方式供水能使水泵工作在最大效率附近，耗能比恒速泵更合理，管路上压力变化不大，比水塔，高低位水箱投资少，制造简单，占地少，周期短。

但气压罐供水不足之处也很明显，当供水量比较大时（50m3

以上），占地面积也较大，消耗钢材也很多，而且由气压供水本身构造决定必然是差压供水，这就多消耗了电能，比例一般占总电能的10%~30%。

，积累下来也造成了巨大的电能浪费。

随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

由于交流电动机变频调速系统具有高效节能，控制灵活，通用性强等诸多优点，因此越来越被广泛地应用到现代生产，生活中。

尤其在当前资源紧张的大环境中，对节能的要求更为紧迫。

近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源紧缺问题日益明显，因此应用变频调速技术来提高供水质量，降低能耗，在供水领域已得到越来越广泛的重视。

随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。

然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。

本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。

1.2目前国内的四类供水控制方式

1.2.1 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，其余泵均为工频状态的方式。

因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试比较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱。

但成本较低。

1.2.2单片微机电路控制方式

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。

1.2.3带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，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用户需要的水压期望值。

压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经PID调节器的控制，输出给变频器一个转速控制信号。

由PID回路调节器输入给变频器一个转速调节信号。

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，所以对可编程控制器来说，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

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。

若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟标准信号，控制器的成本没有降低，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/输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

1.2.4 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近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；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内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。

由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对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，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，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。

这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。

1.3变频调速技术发展历程及展望

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被广泛应用。

但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也昂贵。

使用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。

但是由于各种各样的缺点均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40％～60％，节水15％～30％。

众所周知，水泵的耗功率与转速三次方成正比，水泵是根据工频是设计的，但正常运行时多数时间是流量较少时的情况，变频能使转速根据流量的变化而变化，速度可以下降20%，比工频运行能节省20%-40%的耗能。

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，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。

1.4变频恒压供水的原理

在供水中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用在生产成本中占有很大的比例，水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国电量总消耗的21%以上，具有很大而节能潜力。

由于常规供水系统是采用常规的阀门来控制水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。

因此，这种调控虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。

近年来电机调速技术的应用，为水泵的节能开辟了一个新途径。

它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。

水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。

但实际运行中水泵每天只有很短时间的最大流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。

因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。

通常采用的方法有阀门控制和调速控制。

阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来改变水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力的恒定，从而达到节能效果。

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。

由上属关系有，水泵的输出功率P与转速n的三次方成正比，即：

P=k1HQ（1—1）

n=k2Q（1—2）

H=k3Q2（1—3）

P=kn3（1—4）

式中k1、k2、k3、k为比例常数。

当系统出水量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率也随转速的变小而减小。

变频调速节能原理图如图1.1所示：

图1.1变频调速节能原理图

图中曲线1、2、3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速为n1时的运行特性曲线，曲线5为水泵转速为n2时的运行特性曲线。

水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时的出水量为Q1，管网压力为H1，水泵的转速为n1.当系统的出水流量减小到Q2时，系统管网特性曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。

此时管网压力值为H2，水泵输出功率正比于H2×Q2。

由于H2＞H1，高出的压力能量就被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成伤害。

如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。

调速后观望的压力仍保持为H1，出水量为Q2，水泵的输出功率正比于H1×Q2。

从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。

例如，当Q2为Q1的80%时，通过调速将n2调至n1的80%，则水泵的输出功率P为P的51.2%。

如不采取调速控制，48.8%的能量将被浪费。

可见变频调速的经济效益十分可观。

1.5变频恒压供水的意义

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。

本系统所采用的恒压供水系统具有很重要的意义。

用户用水是经常变化的，因此，供水不足和供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中地反应在供水的压力上：

用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力高。

保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量。

恒压供水对于某些工业和特殊用户是非常重要的。

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缺水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

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，可能引起重大的经济损失和人员伤亡。

所以，某些用水区采用恒压供水系统具有较大的经济和社会意义。

第二章方案的确定

2.1设计内容和要求

为一建筑物设计其供水系统。

此供水系统所要满足的要求：

1）用水量：

正常供水量25立方米/小时，最大供水量65立方米/小时，扬程70米；

2）控制压力为0.3MPa，控制范围0.3+0.03MPa，同时设定压力可调；

3）设定自动、手动两种工作方式；

4）设置各种所需保护；

5）面板上有压力、频率、电压等显示功能；

6）面板上有工作显示和故障显示，具有故障报警。

2.2方案的选择

2.2.1调速调节流量的方法

由水泵－管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。

另一种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常波动变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量。

众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。

即P=Kn3，P：

为水泵消耗功率；n：

为水泵运行时的转速；K为比例系数，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。

本系统节能效果显著。

2.2.2压力控制点设在水泵出口处

一般来说，压力控制点可设在两个典型位置。

一是设在供水水泵出口处，在给水设备间内，管理维护都较方便，另一办法是设在用户最不利点处，远离给水设备，虽然管理不便，但是供水能耗少。

在本系统中，将压力控制点设置在水泵出口处，因为其本身就是一个节能系统，主要是考虑到管理维护方便。

将压力控制点设置在水泵出口处，可以很敏感地检测到压力的变化，压力变送器检测到压力信号，转化为4~20mA的电流信号，并把信号传送给PID调节器。

PID调节器把压力变送器输送来的电信号进行处理，并输出电信号，控制变频器，从而控制水泵转速。

这部分的信号都是模拟信号。

2.2.3VVVF调速的优点

由转速n＝60f（1－s）/p可知，异步电动机调速有以下几方法：

1．改变磁极对数p（变极调速）

定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。

所以，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。

通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。

变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的场合。

2．改变转差率s（变转差率调速）

以改变转差率为目的调速方法有：

定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速、串极调速等。

3．改变频率f（变频调速）

当极对数p不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。

异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。

因此本系统选用变频调速，用变频器的频率变化来控制电动机的转速。

变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。

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，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。

与用调节阀门来实现的恒压供水系统相比，用变频器调速来实现恒压供水具有更好的节能效果。

但变频器也有它固有的缺点：

给电网造成谐波污染，给交流电动机造成不利的影响，给电子装置带来干扰。

启动方法：

自动工作方式下，所有的水泵电动机都是变频启动；手动工作方式下，所有的水泵都是直接启动。

按照控制方式可分为四类：

恒压频比控制方式、转差频率控制方式、矢量控制方式、直接转矩控制方式。

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。

如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由

T＝

cos

（2-1）

（式中T：

电磁转矩，

：

主磁通，

：

转子电流，cos

：

转子回路功率因素），可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。

由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。

因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。

在交流异步电动机中，外加电源电压U1要和定子绕组的反电动势E1基本保持平衡。

由U1=E1=4.44f1N1

可知：

磁通量大小与电压和频率的比值有关。

当f1下降时，磁通增加，引起电动机铁心饱和，严重时将烧毁电动机，这是不允许的。

为了保持气隙磁通

不变，就要求降低供电频率的同时降低输出电压，保持U/f为常数。

为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（VariableVoltage，简称VV）变频（VariableFrequency，简称VF）器，即VVVF。

所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。

2.2.4选用PLC的优点

继电器是具有惯性的器件，动作有延迟，而系统的动作顺序要充分考虑这种延迟。

继电器控制电路实习的控制功能比较简单，只限于逻辑、定时、计数等一些简单的控制。

由于这种控制关系往往是针对某一固定的生产工艺设计的，当生产过程发生变更时，须重新设计，改变继电器及接线。

同时，继电器的机械动作还会造成控制速度低，安装施工工程量大，系统不易扩展，维护工作量大，故障不易查找等缺点。

可控制编程器（PLC）是一种新型的工业自动化控制装置。

它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点，在国内外得到了广泛地应用。

多年来，PLC从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

PLC的可靠性高，控制功能强，与外部设备连接方便，体积小，重量轻，维护方便，克服了继电器控制电路的缺点。

基于PLC的控制方式与其他控制方式相比，性价比高。

因此，本系统采用基于PLC的控制电路。

2.2.5单闭环控制系统的优点

变频恒压供水控制系统采用先进的变频调速、PLC等技术组成一闭环控制系统，用于民用建筑、生产用水，可使水泵出口压力保持恒定。

当用水量增大或减小时，水泵转速随之进行调节，达到调节水压恒定的目的。

开环系统结构简单，很容易实现，但是容易受干扰信号的影响，也不容易使水压保持恒定。

调节系统结构简单仅一单闭环系统，便于使用和维护。

一般来说，结构简单，使用维护较简单方便，同时可靠性也较高。

由于本系统的控制要求比较简单，单闭环的结构就可以实现控制要求，也避免了复杂闭环系统的冗繁。

单闭环系统能够时刻感受到水压信号的变化，将其反馈与给定信号进行比较，及时调整变频器的功率，通过其调节水泵的转速，达到水压的恒定的目的，经济实用，设计合理。

2.2.6采用PID调节器的优点

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。

若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟标准信号，控制器的成本没有降低，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/输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

对控制系统的基本要求有：

稳定性、准确性、快速性等。

比例环节（P）具有快速性，积分环节（I）具有无偏差和稳定性，微分环节（D）具有快速性和超前性。

因此系统采用PID调节器。

2.2.7水泵和变频器的选择以及切换的原则

供水需可靠保证，首先给水设备要可靠，由合适选择运行可靠性能优良的泵保证，其次采取某些措施保证供水不间断高质量供水（例如有手动控制保证自动控制失灵时的供水，各种