变频恒压供水系统毕业设计.docx
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变频恒压供水系统毕业设计
综合实训报告
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电气工程系
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摘要
随着社会的发展，恒压供水越来越重要。
本系统以PLC与变频器控制水泵工作，根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。
文中重点叙述了变频节能原理，恒压供水原理及PID控制方式。
并提供控制系统硬件和控制软件，经现场模拟调试成功，实现运行可靠、节能、低噪，维护简单等效果。
恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。
共三台电机，其中由一台变频器拖动2台电动机的起动、运行与调速，1台电机备用。
控制系统中采用德国SIEMENS公司的S7-300可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由FB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。
此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命
关键词：
恒压供水；PLC控制；闭环PID
摘要…………………………………………………………………………………………………….1
一：
引言……………………………………………………………………………………………..
二：
变频恒压供水控制系统简介……………………………………………………...
1.恒压供水系统的目的和意义……………………………………………………..
2.恒压供水系统的特点………………………………………………………………..
三：
变频恒压供水控制系统理论分析……………………………………………...
1.变频恒压供水控制系统构成…………………………………………………….
2.变频恒压供水控制系统理论模型…………………………………………….
四：
变频恒压供水控制系统设计与选型………………………………………...
1.变频恒压供水系统设计……………………………………………………………
2.变频恒压供水系统器件选型…………………………………………………..
1）可编程逻辑控制器（plc）简介……………………………………
2）变频器简介………………………………………………………………….
3）变频器与plc的连接…………………………………………………..
4）压力传感器的简介……………………………………………………..
3.变频恒压供水系统主电路设计…………………………………………
4.变频恒压供水系统控制电路设计…………………………………..
1）控制系统主程序设计…………………………………………………..
5.PID设计………………………………………………………………………………
1）PID控制…………………………………………………………………….
五：
变频恒压供水控制系统调试……………………………………………………
六：
总结…………………………………………………………………………………………..
七：
研究愿望………………………………………………………………………………………..
参考文献…………………………………………………………………………………………………
附件………………………………………………………………………………………………………..
致谢词………………………………………………………………………………………………..
一：
引言
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。
而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。
而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。
控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。
传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。
这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。
因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。
同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。
所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。
利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。
变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。
通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。
本文介绍的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。
变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序控制器控制变频与工频切换,自动控制水泵投入的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的。
本文首先对供水系统的特性和变频调速的原理进行介绍，在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。
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进行研究，通过学习德国SIEMENS公司的S7-300的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。
二：
变频恒压供水控制系统简介
1.恒压供水系统的目的和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对国民经济有重大意义。
我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、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。
目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。
因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术与一体。
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，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
2.恒压供水系统的特点
变频频恒压供水系统在水量增加时，变频器频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，变频器频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。
变频恒压供水系统的主要特点：
①:
均配有稳压泵或稳压罐稳压，在用水量小到一定值时，主泵可停止运转，减少水泵电机的机械磨损并且节约电能。
与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。
②:
结构紧凑，占地面积小，安装快，投资省，运行稳定，无污染，效率高。
③:
配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
④:
运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。
⑤:
由于能对水泵实现软停和软起，消除了启动电流对电网的冲击。
⑥:
采用单片机，程序灵活多变，精度高，可靠性强，反映速度块，操作简便，省时省力。
三：
变频恒压供水控制系统理论分析
1.变频恒压供水控制系统构成
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
图1-1
水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
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，使系统的调试更为简单、方便。
2.变频恒压供水控制系统理论模型
变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管 网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可 以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内， 恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上 。
图1-2
从图1-2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压 力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量 和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率 使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复， 直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
四：
变频恒压供水控制系统设计与选型
1.变频恒压供水系统设计
变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。
压力传感器将管道中的水压值变换成电信号（4~20mA），送入系统内置数字PID控制器进行比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制三台水泵电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变三台水泵的运转状态和转速，实现压力调节。
控制部分是以德国SIEMENS可编程序控制巡检综合判定，控制输出三个逻辑过程。
电气部分包括对水泵电机，变频器的启器S7-300为核心，实现信号采集，动、停止，以及故障检测，指示灯的控制，S7-300据有丰富的指令系统，并且依托STEP7-V5.3良好的编程界面，很方便程序编制和现场调试。
S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。
传动装置用了富士变频器，适用于异步电机无级调速控制。
该变频器的输出控制方式为恒压频比以及IGBT大功率晶体管模块。
其优点之一是具有高的切换频率，可输出低谐波分量的正弦波，在低速时电机有更大的输出转矩，降低电机的损耗和噪音，减少了电机运行时的温升。
变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为0.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。
由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的cosφ中，以致于可以省去为改善功率因数的电容补偿以及相应控制设备。
传感器选用了设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。
可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。
外围设备主要包括执行设备，如水泵、接触器、按钮、选择开关、电流互感器等设备，由于外围设备种类较、型号较杂，且不是本设计的技术难点，故对其选型说明简述至此。
2.器件的选型及介绍
1）：
可编程逻辑控制器（plc）简介
S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。
PLC采用循环执行用户程序的方式。
OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。
在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块（FB,SFB,FC或SFC）。
循环程序处理过程可以被某些事件中断。
在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区。
批量输入、批量输出。
S7-300PLC是模块式的PLC，本设计主要用得的有以下部分：
①中央处理单元（CPU）
各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。
CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒。
②信号模块（SM）
信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的电信号电平匹配。
信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。
模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4～20mA和DC0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。
每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程连接到前连接起的端子上。
本设计主要用到的是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。
③功能模块（FM）
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。
图4.1PLCI/O点及地址分配图
PLC的接线如图附录A所示，根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数，名称及地址编号如下表4.2所示。
名称
地址编码
名称
地址编码
输入信号
输出信号
水位上限
I0.0
1号水泵工频运行
Q0.0
水位下限
I0.1
1号水泵变频运行
Q0.1
变频器报警
I0.2
2号水泵工频运行
Q0.2
消铃按钮
I0.3
2号水泵变频运行
Q03
试验按钮
I0.4
3号水泵工频运行
Q0.4
变频器启动
I0.4
高低液位报警
Q0.5
变频器停止
I0.5
变频器报警
Q0.6
报警声
Q0.7
表4.2I/O点及地址分配
2.变频器简介
1）变频器的基本结构与分类
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
2）变频器的选型
（1）：
控制方式
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。
选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。
（2）：
变频器容量的选择
变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。
变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。
①从电流的角度：
大多数变频器容量可从三个角度表述：
额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
②从效率的角度：
系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。
从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：
变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。
在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。
当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。
经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。
3）.变频器与PLC的连接
图4.3-1变频器
变频器与PLC的连接如图4.3-2所示，其中变频器各端子功能如下：
R,S,T端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序；U,S,W端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对，则可交换其中的任意两相；G端子为接地端子；端子11为模拟输入信号的公共端子；端子12为设定电压输入端，输入PID控制的反馈信号，以此来设定频率；FWD端子为正转运行/停止命令端子，端子FWD-CM间：
闭合（ON），正转运行；断开（OFF），减速停止，此端子有PLC输出点控制；接点输入公共端CM为接点输入信号的公共端子；X1为选择输入1端子，作为报警复位命令信号端子；Y1、Y2为晶体管输出1端子与晶体管输出2端子，为水位上限与下限报警端子；晶体管输出公共端CME，为晶体管输出信号的公共端子，端子CM和11在变频器内部相互绝缘；可选信号输出继电器端子Y5A,Y5C,为变频器报警输出端子。
图4.3-2PLC与变频器的连接
4）.传感器 的简介
传感器的作用是将压力、温度等非电量的物理信号转换成电量信号，以便后续电路进行处理。
在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
并且压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗。
在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。
绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。
用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。
地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用P0表示。
用来测量大气压力的仪表叫气压表。
绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。
即PI=PA-P0
由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使用的压力仪表测量的值称为表压力。
显然当绝对压力值PA小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。
压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕（Pa），工业上常采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作为压力的单位。
设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。
可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。
3.变频恒压供水系统系统主电路的设计
①供水系统的主电路图
结合实际情况，本论文的恒压供水系统的主电路如图4. 3所示。
系统共有三台电机，分别为Ml、M2、M3。
其中Ml、 M2均可以在工频或变频两种方式下运行，而M3只能工频运行。
每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联，变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护。
空气开关的容量依据大电机的额定电流来确定。
对于有变频/工频两种工作状态的电动机Ml、M2，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，KM2、KM4控制M1、M2的变频运行。
所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。
FR1、FR2、FR3为三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2分别为变频器和水泵电机的主电路隔离开关，FU为主电路的熔断器，是作为主电路短路保护用的。
VF为通用变频器。
图4.3供水系统主电路图
变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。
特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。
在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端FWD（REV）来操作，不得以主电路的通断来进行。
4.变频恒压供水系统控制电路设计
图4.4为本系统的控制电路图。
控制电路中有独立的自动控制部分和手动控制部分，具有方便的手动和自动切换功能，由控制电路中的转换开关SA来实现。
SB1、SB3、SB5分别为1号泵电机、2号泵电机、3号泵电机的启动按钮。
SB2、SB4、SB6分别为1、2、3号泵电机的停止按钮。
HL1、HL3、HL5分别为三个泵的工频运行指示灯，HL2、HL4为1，2号泵电机的变频运行指示灯，HL6、HL7分别为水位下限和变频器故障报警指示灯，HA为故障电铃。
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