基于S7-200PLC的控制的变频恒压供水系统设计_毕业设计论文.doc
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第一章绪论
1.1变频调速恒压供水的目的和研究意义
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。
例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。
以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。
高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。
在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。
这里,介绍一种基于S7-200的变频控制的恒压供水控制系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源
本控制系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，并设计了配套的界面美观、操作方便的自动控制系统，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。
实践证明，本系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体管理水平，而且仅节约用电一项就为水厂创造了巨大的经济效益，并且保障了用户的用水要求。
由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。
1.2变频调速技术的特点及应用
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应用广泛。
但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。
使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，例如无极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。
但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用3。
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％。
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。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。
自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒水位供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压、恒水位供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水位的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定和水位恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
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。
目前该产品正向着高可靠性、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。
在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。
虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。
1.3可编程序控制器的特点及应用
早期的可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器。
早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。
70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。
在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。
在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。
据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。
随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：
1）可靠性高。
PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。
2）具有丰富的I/O接口模块。
PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。
3）采用模块化结构。
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4）编程简单易学。
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5）安装简单，维修方便。
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。
PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。
其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。
1.4毕业设计任务
本次毕业设计课题名称是基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计，我的主要任务是完成本系统的硬件和软件设计，大体为以下五项内容：
1．变频调速恒压供水系统现状和发展主要介绍其系统的目的和意义，变频器的发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展；介绍了SIEMENS公司的产品系列史，PLC与其它工业装置的比较：
PLC与继电器控制系统，与集散控制系统，与工业控制计算机。
以及其特点。
2．变频调速恒压供水系统的理论原理以及总体方按的设计主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：
V/F控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。
变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程系统的工作过程分为以下几个工作状态：
1#电机变频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；1#和2#电机工频运行；3#电机变频运行；然后是先停1#电机，再停2#电机，3#电机变频运行，变频工频切换技术解决方案。
3．系统硬件设计（主电路、控制电路）；S7-200PLC接线图设计，包括输出输入上元件的分配及编号，PLC模块由CPU226构成。
4．应用软件设计（PLC程序设计）主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括初始化程序、停机程序、水泵电机启动程序、小功率电机变频/工频切换程序、报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。
总之，在本次设计中，必须完成图表：
论文说明书、电气原理图、元件布置图、接线图、元件明细表、图纸目录图、软件梯形图。
第二章变频恒压供水控制系统的方案设计
2.1变频器的控制方式
变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图2—1所示的基本结构。
图2—1变频器的基本结构
变频调速的控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。
1、V/F控制
异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。
V/F控制简单，通用性优良。
2、转差频率控制
由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩M与气隙磁通Φ、转差频率f2的关系为：
（2-1）
只要保持气隙中磁通Φ一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。
3、矢量控制
矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。
矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。
2.2变频调速的节能、调速原理
2.2.1水泵工况点的确定以及变化
水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。
如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-2），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。
工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。
若把水泵的效率曲线η-Q也画在同一坐标系中，在图2-2中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率hA。
从图2-2中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。
一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。
另外确定工作点一定要保证水
图2-2水泵工作点的确定
工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。
在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图2—3所示：
图2—3水泵工况点的变化
当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P’低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1’逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。
根据2-4图水泵变速恒压工况分析：
当管网用水由Q2、Q1….向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。
2.2.2变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程
交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：
n=60f（1-s）/p（2—2）
式2—2中：
p¾极对数,s¾转差率
因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。
在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。
改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。
当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。
另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。
Q1/Q2=n1/n2（2—3）
H1/H2=（n1/n2）2（2—4）
P1/P2=（n1/n2）3（2—5）
或H=KQ2（2—6）
式2—6是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。
其工况调节过程可由图2-5来说明。
图2-5变频调速恒压供水水泵工况调节图
由图2-5可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0OQA四点所围的面积。
当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成4-20mA电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。
恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及效率hC，工作点C的轴功率即为CH0OQC四点所围的面积。
考察水泵的效率曲线h-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。
2.2.3变频调速恒压供水系统调速范围的确定
考察水泵的效率曲线h-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。
水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。
2.3系统的方案设计
3台水泵，1台变频器，1台S7-200PLC,模拟量输入／输出单元以及线性压力传感器等组成。
其中PLC,模拟量输入／输出单元和压力传感器组成闭环反馈控制系统。
PLC控制各台水泵的运行状态（如工频运行，变频运行及停止等），从而控制水泵的运行台数，在大范围上控制水的流量；PLC内部PID该系统主要由调节器控制供水的流量。
水泵的速度调节采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制，采用“一边多定”的控制方式，并根据模拟量输入／输出模块输出的电流信号驱动变频水泵。
图2-6变频调速恒压供水系统图
本套系统的功能：
1）根据用水量的大小，由PLC,变频器控制3台水泵自动进入或退出运行状态，或者由人工控制启停。
2）系统根据水泵出水口的压力变化，自动调节变频器运行频率，自动改变投入系统运行的水泵台数，以跟踪设定压力。
3）在监控室设有变频运行，故障指示和现场电机运行的频率、压力指示信号。
2.4泵与变频器的选择.
2.4.1泵的选择
由P=QHρG/ηb*η
式中Q为水泵的流量（m3/s）
H为水泵的扬程（m）
Ρ为水的密度（kg/m3）
G为重力加速度（m/s）
ηb为水泵的效率，η为传动效率
正常流量下的总功率=1000*9.8*25*66/3600/0.7*0.95=6.10KW
最大流量下的总功率=1000*9.8*60*66/3600/0.7*0.95=14.63KW
由于系统需3台水泵，所以每台水泵应有的功率P=最大流量下的总功率/3
所以P=14.63/3=4.88KW考虑余量选3台型号50DL12-12×6的水泵，，具体参数如下（表2-7）:
表2-7
水泵型号
流量（m3/h）
扬程（m）
功率（KW）
稳流补偿器?
×L（m）
台数（台）
生产厂家
50DL12-12×6
25.2
73.2
5.5
？
0.8*1.8
3
青岛海流给水设备有限公司
2.4.2变频器选择
1）变频器选择方法
通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。
其总的原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。
根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：
普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型U/f控制变频器（也称无跳闸变频器）和矢量控制高性能型变频器。
变频器类型的选择要根据负载的要求进行。
对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。
对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。
因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。
日本富士公司的FRENIC5000G7/P7、G9/P9、三肯公司的SAMCO-L系列属于此类。
也有采用普通功能型变频器的例子。
为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变频器容量的办法。
对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造纸机械、轧钢机等），应采用矢量控制高功能型通用变频器。
安川公司的VS-616G5系列、西门子公司的6SET系列变频器属于此类。
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，冶金工业常用的辑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，且辘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）变频器的选择型号及性能概述
根据水泵的额度功率5.5KW，选择的变频器型号为富士的FRN5.5G11S-4CX。
具体参数如下（表2-8）:
表2-8
变频器型号
FRN5.5G11S-4CX
标准适配电动机（KW）
5.5
额度电压（V）
380
额度电流（A）
13
额度过载电流（A）
150%额定输出电流1分钟，200%0.5秒150%额定输出电流1分钟，180%0.5秒
电压频率允许波动
电压:
+10V\-15%（相间不平衡率（*5）:
≤2%）,频率：
+5V\-5%
冷却方式
风扇冷却
防护结构（IEC60529）
IP40全封闭
重量（KG）
6.5
性能概述:
1.动态转矩矢量控制
动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术。
控制系统高速计算电机负载所需功率，最佳控制电压和电流矢量，最大限度发挥电机输出转矩。
按照动态转矩矢量控制方式，能配合负载实现在最短时间内平稳地加减速
使用高速CPU能快速响应急变负载和及时检知再生功率，设有控制减速时间的再生回避功能，实现无跳闸自动减速过程
采用富士独自开发的控制方式，在0.5HZ能输出200%高起动转矩（22KW以下），30KW以上为180%
2.带PG反馈更高性能的控制系统
带PG反馈卡（选件）构成带PG反馈的矢量控制系统，实现更高性能、更高精度的运行
·速度控制范围：
1：
1200
·速度控制精度：
±0.02%
·速度响应：
40HZ
电机低转速时脉动大大减小
·采用动态转矩矢量控制，结合富士专有的AVR，实现低转速（1HZ）运行时的转速脉动比以前机种减小1/2以上
3.优良的环境兼容性
采用低噪声控制电源系统，大大减小对周围传感器等设备的噪声干扰影响
标准装有连接抑制高次谐波电流的DC电抗器端子
连接选件EMC滤波器后能符合欧洲EMC指令
4.节能功能的提高
标准设有风机、泵等最佳自动节能运行方式。
采用使电机损耗降至最小的新控制方式，取得更好的节能效果
5.更方便使用的键盘面板
标准设有复写功能，能方便地将1台变频器的功能码数据复写至其他变频器
可选择三种语言（中、日、英），便于国内外配套使用
可简单地由面板或外部信号进行点动（JOG）运行操作
使用延伸电缆选件（CBIII-10R-..可简单）地实现远程操作
6.符合国际标准
标准系列符合适用于欧洲地区、北美地区和加拿大地区的CE、TUV（22KW以下）、UL、CUL规格。
各种通信功能
标准内装RS485接口，由此可由个人计算机向变频器输入运行命令和设定功能码数据等。
设有万用DI/DO功能，输入/输出端子状态能传送至上位机受其监控，简化FA系统
可连接现场总线：
Profibus-DP、Interbus-S、DeviceNet、ModbusPlus（选件）等
7.丰富的实用功能
用于风机、泵等：
PID控制功能、变频器风扇ON/OFF功能、商用电切换顺序
用于搬运、传送设备：
可选择预设16种速度运行、程序运行（7步，每步最长6000S，可连续、单循环或单循环终结速继续运行）
8.无冲击瞬停再起动运行
采用富士独自开发的变频器频率追踪（引入运行）功能，变频器可瞬时停车后跟踪再起动
保护功能的充实
能设定电子热继电器的热时间常数，因此可适用各种电机
设有输入缺相保护，防止电源断线损坏变频器
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