基于恒压供水变频调速控制系统的设计.docx
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基于恒压供水变频调速控制系统的设计
恒压供水变频调速控制系统的设计
TheDesignofFrequencyControlConstantPressure
WaterSupplySystem
总计：
毕业设计（论文）24页
表格：
4个
插图：
10幅
恒压供水变频调速控制系统的设计
[摘要]本系统介绍了自行设计的恒压供水系统，采用PLC进行逻辑控制，变频器进行压力调节。
变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件．时刻跟踪管内压力与给定压力的偏差变化，经变频器内部PID计算，通过可编程控制器控制系统变频与工频之间的切换，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。
运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠，节能效果好，减少了水塔供水的二次污染与水泵的直接启动的冲击等特点。
[关键词]可编程序控制器；变频器；变频调速；恒压供水系统
TheDesignofFrequencyControlConstantPressure
WaterSupplySystem
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyCAIShao-teng
Abstract:
Thissystemintroducestheself-designedconstantpressurewatersupplysystemthatusesPLClogiccontrol,frequencyconverterforpressureregulation.Inverter,PLCsystemcontrolasthecorecomponent.TimetrackingtubepressureandthepressurechangeinerrorgivenbytheconverterinternalPIDcalculation,theprogrammablecontrollerandfrequencyinvertercontrolsystemtoswitchbetween,automaticwaterpumpintothestationnumberandthemotorspeed,automaticallyadjustedtoachieveclosed-loopconstantvariablesupplyvoltage,whilemaintainingconstantpressuretocontrolflowpurposes.Theresultshowsthatthesystemispressurestable,simple,reliable,energysaving,reducethesecondarypollutionofwatertowersandwaterpumpsfortheimpactofthedirectstartandsoon.
Keywords:
Programmablelogiccontroller；frequencyconverter；variablefrequencyspeedregulation；constantpressurewatersupply
1引言
1.1研究的目的和意义
恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基本恒定。
恒压供水系统的控制策略是采用可编程控制器（PLC）和变频调速装置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能达到稳定供水压力和节约电能的目的。
随着工业化进程的快速推进，节能、环保的理念得到了越来越广泛的重视，电机交流变频调速技术以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数，显著的节电效果，进而可以改善工艺流程，提高产品质量，改善工作环境，推动技术进步，以及广泛的适用范围等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统。
随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。
1.2国内外现状
近几年，我国各方面正在飞速发展。
工业、生活各方面对供水的要求也在不断提高。
工业方面，一些企业在生产过程中需要控制水的压力和水的流量，已达到产品的最优质量；而生活方面，各种小区对水的需求量都有所不同，同时，在不同的时间段对水的需求量也是不同的，这样对供水的要求就更高了。
在这种情况下，我国对恒压供水系统的研究也就在不断加快，现已逐渐趋向成熟。
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来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内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。
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，具有运转时间累积及智慧型异常履历机能，易于系统之维护管理，专门风机水泵设计，可实现一带三台水泵自由转换，简易实用。
1.3恒压供水变频调速控制系统的设计要求
本恒压供水变频调速控制系统的设计要求是：
供水系统在供水时，能够迅速准确的对压力变化做出反应，时刻跟踪管压的变化来调节电机的转速，从而达到水压24小时恒定的目的。
系统在启动过程中，用到变频器，使得本恒压供水变频调速系统电机软启动，减少水泵电机的启动冲击，从而减少启动电流对电网产生的影响，同时还可以节约电能的损耗，达到节能的效果。
2PLC、变频器及压力传感器简介
2.1S7-200PLC简介
2.1.1S7-200系列微型PLC的组成及性能
S7-200PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。
他的使用范围可以覆盖从代替继电器的简单控制到更复杂的自动控制。
其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等。
S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221,CPU222,CPU224和CPU226四种基本型号。
S7-200系列机具有体积小，功能较强，价格便宜，使用灵活、方便等优点，而且应用广泛。
PLC代替了原来的交流接触器控制，通过PLC与交流接触器的优缺点比较可以发现PLC控制的种种优点。
SIEMENSS7-200CPU单元CPU-224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，13K字节程序和数据存储空间。
CPU22X系列PLC的特点：
CPU22X主机的输入点为DC24V双向光耦输入电路，输出有继电器和DC（MOS型）两种类型（CPU21X系列输入点为DC24V单向光耦输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。
并且，具有30kHz高速计数器，20kHz高速脉冲输出，RS-485通信/编程口，PPI、MPI通信协议和自由口通信能力。
CPU222及以上CPU还具有PID控制和扩展的能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。
CPU224主机共有I0.0～I1.5等14个输入点和Q0.0～Q1.1等10个输出点。
CPU224输入电路采用了双向光电耦合器，DC24V极性可任意选择，系统设置1M为I0B输入端子的公共端，2M为I1B输入端子的公共端。
在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。
S7-200系列PLC的I/O接线端子排分为固定式和可拆分式两种结构。
可拆分式端子排能在不变外部电路硬件接线的前提下，方便的拆装，为PLC的维护提供了便利。
CPU22X系列PLC主机的基本I/O点数及可扩展模块数目，如表1所示：
CPU224PLC有6个可用于高速计数脉冲的输入端（I0.0～I0.5），最快的响应速度为30kHz，用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。
还有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20kHz。
用于PTO（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。
中断信号允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。
S7-200CPU存储系统有RAM和EEPROM两种存储器构成，用以存储用户程序、CPU
组态（配置）、程序数据等。
当执行程序下载操作时，用户程序、CPU组态（配置）、程序数据等由编程器送入RAM存储器区，并自动复制到EEPROM区，永久保存。
系统掉电时，自动将RAM中M存储器的内容保存到EEPROM存储器。
上电恢复时，用户程序及CPU组态（配置）自动存入RAM中，如果V和M存储区内容丢失时，EEPROM永久保存区的数据会复制到RAM中去。
执行PLC的上载操作时，RAM区用户程序、CPU组态（配置）上装到个人计算机（PC），RAM和EEPROM中数据块合并后上装PC[4]。
表1基本I/O点数及扩展模块数目表
型号
输入点
输出点
可带扩展模块数
S7-200CPU221
6
4
—
S7-200CPU222
8
6
2个扩展模块
78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226XM
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM32、SM33）中的数值，以改变程序运行时的参数，如定时、计数器的预置值、过程量的控制参数等。
存储卡可以选择安装扩展卡。
扩展卡有EEPROM存储卡、电池和时钟卡等模块。
EEPROM存储模块，用以用户程序的复制。
电池模块，用以长时间保存数据，使用CPU224内部存储电容数据存储时间达190h,而使用电池模块存储时间可达200天。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有极高的性能/价格比，适用于小型控制系统。
它采用超级电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量（12点模拟量输入/4点模拟量输出）。
S7-200最多有4个中断控制的输入，输入响应时间小于0.2ms,每条二进制指令的处理时间仅为0.8μs，S7-200还有日期时间中断功能。
S7-200可以提供两个独立的4kHz的脉冲输出，通过驱动单元可以实现步进电动机的位置控制。
S7-200有两个高速计数器，最高计数频率可达20kHz。
S7-200系列PLC还可以根据需求进行一定的扩展，其扩展单元的型号与输入输出点数，如表2所示。
正因为S7-200有如此多的扩展模块，使得它在电气控制领域占得了一席之地，使它被应用在很多工程中。
表2S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类型
型号
输入点
输出点
数字量扩展模块
EM221
8
无
EM222
无
8
EM223
4/8/16
4/8/16
模拟量扩展模块
EM231
3
无
EM232
无
2
EM235
3
1
2.1.2S7-200PLC的扫描方式
可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。
从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即顺序逐条执行程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始的重复进行。
可编程控制器工作时的扫描过程如图2所示，包括五个阶段；内部处理，通信处理。
输入扫描，程序执行，输出处理，PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期，扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关.
内部处理阶段，CPU检查内部各硬件是否正常，在RUN模式下，还要检查用户程序存储器是否正常，如果发生异常，则停机并显示报警信息。
通信处理阶段，CPU自动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如与编程器交换信息，与微机通信等。
在PLC中配置网络通信模块时，PLC与网络进行数据交换。
当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于RUN状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，要完成用户程序的整个执行过程；输入扫描程序执行和输出处理[10]。
图1可编程控制器工作时的扫描过程
2.1.3S7-200PLC的优点及发展趋势
S7-200系列PLC首先，实现成本低。
由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。
其次，范围广。
电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。
PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。
再次，其速率高。
PLC能够提供高速的传输。
目前，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5M~45Mbps之间。
远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！
足以支持现有网络上的各种应用。
更高速率的PLC产品正在研制之中。
第四，它永远在线。
PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络。
第五，便捷。
不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受。
PLC正在向高速度、大容量方向，西门子公司陆续推出了S7-300、S7-400等大容量的PLC,同时其规模正在向超大型、超小型两个方向。
还在大力开发智能，加强联网能力，增强外部的检测与处理能力，实现编程语言多样化[10]。
2.2MM430变频器简介
2.2.1变频器的组成、原理
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
2.2.2我国变频调速技术的发展状况
电气传动作为一个重要行业，广泛运用于社会生产、生活的各个方面，一直得到国家的重视。
电气传动中如何合理地使用电动机，以节约电能和控制机械的运行状态（位置、速度、加速度等），实现电能——机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的，一直是人们关注的问题。
电气传动最早分成不调速和调速两类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。
随着电力电子技术的发展，不调速的电动机越来越多地改用调速传动；交流调速越来越多地替代直流调速；以节约电能（可节约15%-20%或更多，在我国60%的发电量是通过电动机消耗的），改善产品质量，提高产量为主要设计思想。
因此，电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。
变频调速以其优异的调速启动、制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[9]。
我国电气传动与变频调速技术的发展应用，如表3所列。
我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。
随着改革开放，经济高速发展，我国引进了很多最先进的产品。
国内许多合资公司已能生产当今国际上最先进的变频调速产品并进行应用软件的开发，为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。
在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重[7]。
表3我国电气传动与变频调速技术的发展简史
带电机扩大机的发电机-电动机组传动
20世纪50年代初期-70年代中期
汞弧整流器供电的直流调速传动
20世纪50年代后期-60年代后期
磁放大器励磁的发电机-电动机机组传动
20世纪50年代初期-70年代中期
晶闸管变流器励磁的发电机-电动机机组传动
20世纪60年代后期-70年代后期
晶闸管变流器供电的直流调速传动
20世纪70年代初期-现在
饱和磁放大器供电的交流调速传动
20世纪60年代初期-60年代后期
静止串级调速交流调速传动
20世纪70年代中期-现在
循环变流器供电的交流变频调速传动
20世纪80年代后期-现在
电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动
20世纪80年代初期-现在
BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动
20世纪90年代初期-现在
2.2.3MM430系列变频器简介：
电压：
380-500V
功率：
1.5-315KW
产品优点：
风机和水泵（HVAC）节能型.采用MICROMASTEREco变频器是最节省的方式，包括在购买、安装、调试和操作过程中节省的资金。
它还可以确保一切事情都合乎环保的要求，即保护资源和限制能源消耗中的排放。
MICROMASTER430变频器可以节省高达60%的运行费用，无论是在泵工业，风机部门，还是在房屋建造中。
它已经几乎在所有的应用中被优化。
有内置PID调节器，带RS232/485接口与PLC方便作USS通讯.
产品描述:
风机和泵类变转矩控制专家----MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。
功率范围7.5kW至250kW。
它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。
控制软件可以实现专用功能：
多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。
MM430的一些特征与性能指标如下：
主要特征：
●380V-480V±10%，三相，交流，7.5kW-250kW；
●风机和泵类变转矩负载专用；
●牢固的EMC（电磁兼容性）设计；
●控制信号的快速响应；
●传动平稳，轻松无忧
控制功能：
●线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点v/f控制；
●内置PID控制器；
●快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸；
●数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个；
●具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程；
●采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接；
●集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块；
●灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能；
●电机数据切换，命令数据切换；
风机和泵类专用功能：
●多泵切换
●手动/自动切换
●断带及缺水检测
保护功能：
●过载能力为140％额定负载电流，持续时间3秒和110％额定负载电流，持续时间60秒过电压、欠电压保护；
●变频器过温保护；
●接地故障保护，短路保护；
●I2t电动机过热保护。
●PTC/KTY电机保护[11]。
2.3压力传感器简介
常用压力传感器有电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器（变磁阻式传感器、差动变压器式压力传感器）、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器（见光纤传感器）、谐振式等。
压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。
弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件（见）或应变计（见电阻应变计、半导体应变计）转换为与压力成一定关系的电信号[2]。
3恒压供水变频调速系统设计的总体方案
3.1设计方案
本恒压供水系统，预计用三台功率22KW的电机带动水泵工作。
采用PLC、变频器配合控制的方式来控制三台电机的M1，M2，M3的启动，三台电机中，两台工作，一台备用，并能够经常切换备用机。
防止水泵锈化，
运行时，根据用水量的大小，来确定是一台水泵工作，还是两台水泵同时工作；工频运行还是变频运行。
本设计中，将1#水泵与2#水泵设为供水工作泵，将3#水泵作为备用泵。
3.2工作原理
本设计中设置有压力传感器，通过压力传感器从出水管处采集压力信号，经压力变送器转换为电信号，与给定进行比较，通过变频器自带PID调节器进行处理，自动调节变频器输出的频率，控制电机的转速，从而控制出水量，达到恒压的目的。
下面是恒压供水系统的自动控制结构原理图，如图2所示：
图2恒压供水系统自动控制结构原理图
3.3PLC、变频器对水泵电机的控制过程
PLC在本设计中只作为控制执行机构，当压力变送器传来的0-20mA的电流信号送入变频器自带PID调节器模块与PLC的模拟量输入模块，在PID中与给定的信号进行比较，PID调节器在其内部进行比例、积分、微分控制，将偏差量输出，由变频器来改变输出频率，从而改变电机的转速，实现压力的调节。
PLC只是通过PID输出的信号来改变电机的切入与断电。
4恒压供水变频调速系统的设计硬件设计
4.1PLC、电机、变频器及压力传感器的选型：
PLC的选型：
对于本设计中的控制部分是个很重要的环节，而其核心就是PLC，PLC在恒压供水变频调速系统中起着至关重要的作用，在本次设计中我选择了西门子的S7-200系列的PLC，由于用到的输入输出点数不是太多，我选用该型号CPU224的PLC，其输入输出点数适中，不会造成浪费，同时也可以达到本设计的要求，经济实用。
电动机的选型：
电动机的选择包括电动机的种类、功率、电压，形式和转速等。
从种类选择上来讲。
电子驱动系统主要有直流驱动控制系统和交流驱动控制系统。
直流驱动控制系统以直流电动机为动力，交流驱动控制系统以交流电动机为动力。
由于直流电动机具有良好的调速性能，一般用于控制精度和要求比较高的设备。
常用的交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。
异步交流电动机与直流电动机相比较，具有结构简单、价格便宜、运行可靠、坚固耐用、维修方便等特点。
异步交流电动机与同步交流电动机相比较，结构简单、不需要选用转子固定的磁极，应用更为广泛。
所以选择异步交流电动机水泵。
本系统共需要3台水泵。
其中两台为交换供水用泵，一台为备用。
恒压供水系统中水泵电机的功率的选用，取决于供水场合及供水高度，通过水泵的扬程来选取水泵的电机的功率。
一般情况下无法精确计算，但通过参考其他供水系统设计的情况，采用类比方法，本系统确定选用额定电压为380V，为了能够使水泵之间能够轮换运行供水，系统中选用3台电机功率为22kW的水泵进行供水。
额定功率相同的电动机，转速高、体积小、造价低，但如果输出转速要求较低，则减速机构将越复杂，成本也会上升。
综合考虑供水系统的实际情况，选定电动机的额定转速为3000r／min。
变频器的选型：
变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速控制目的的技术。
这种技术的出现使交流异步电动机的调速性能达到直流电动机的水平，逐步取代了其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，从而成为电气传动的中枢。
变频器的选择包括变频器的容量、额定输出电流、负载的运行特性及其附件等。
（1）变频器容量的选择
所需的变频器容量（kV·A）需要同时满足下列三个计算式
（1）
（2）
（3）
式中：
为负载所要求的电动机的轴输出功率；
η为电动机的效率（通常约0.85）；
cosφ为电动机的功率因数（通
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