基于PLC控制的恒压供水变频调速论文.docx
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基于PLC控制的恒压供水变频调速论文
编号
毕业论文
题目
基于PLC控制的恒压供水
变频调速系统设计
学生姓名
学号
系部
电气工程系
专业
电气自动化
班级
指导教师
二〇一二年六月
摘要
在城市建筑逐步向高层化发展的今天，生活用水、消防用水等对供水配套装置提出了更高的要求。
由于公共自来水网水压不足及网路压降的原因，往往会使得用户端水压过低而达不到要求。
被变频调速恒压供水设备取代。
变频调速恒压供水设备采用国际上成熟的变频调速技术，具有水压稳定、维护方便、运行费用低、节能等优点。
介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。
通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。
运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。
关键词：
变频调速恒压供水PLC
目录
第一章恒压供水系统的述.............................................1
1.1恒压供水系统的用途..............................................1
1.2恒压供水系统的组成及原理........................................1
1.3恒压供水系统的性能及特点........................................1
1.4恒压供水的现状..................................................2
第2章可编程控制器.................................................4
2.1可编程控制器的概述..............................................4
2.2可编程控制器的特点..............................................4
2.3可编程控制器的选型..............................................5
第三章变频器的概述.................................................6
3.1变频调速的原理..................................................6
3.2变频器的参数设置................................................7
3.2.1参数复位..................................................7
3.2.2设置电机参数..............................................7
3.2.3设置电机控制参数..........................................7
3.2.4设置变频器频率参数表......................................8
3.2.5设置电机启动制动参数......................................8
3.2.6设置数字量功能参数........................................8
3.3变频器内部PID调节..............................................8
第4章系统硬件的设计..............................................10
4.1主电路.........................................................10
4.2PLC的硬件接线..................................................11
4.3PLC的I/O口分配表..............................................12
4.4压力传感器的硬件接线...........................................13
第5章系统软件的设计..............................................14
5.1PLC系统软件设计流程图..........................................14
5.2生活供水部分...................................................15
5.3消防供水部分...................................................17
第6章故障处理模块................................................18
第7章总结与展望..................................................19
致谢...............................................................20
参考文献...........................................................21
附录...............................................................22
第一章恒压供水系统概述
1.1恒压供水系统的用途
水已经成为中国世纪的热点问题，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源。
变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
要解决生产过程中能耗高的问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速技术已成为节能及提高产品质量的有效措施，其重要性日益得到了国家的重视，在国内推广变调速技术有着非常重大的现实意义和巨大的经济价值及社会价值。
变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.2恒压供水系统的组成及原理
系统采用了2台主水泵机组和1台辅助泵机组并联供水方式，选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型控制方式的西门子变频器。
变频器内置，PID控制模块;PLC选用易于操作的西门子CPU226CN，压力变送器选用普通压力表Y－100和XMT－I270数显仪实现压力的检测、显示和变送。
系统设有选择开关K，可选择系统在自动或手动状态下工作，当选择手动状态时，可分别通过按钮控制3台泵单独在工频下。
运行与停止，这主要用于定期检修和临时供水。
当选择自动状态工作时PLC首先利用变频器软启动1台加压泵，此时安装在管网上的传感器将实测的管网压，力反馈到变频器与预先通过变频器面板设定的给定，PID压力进行比较，通过变频器内部运算，调节变频器输出功率。
在用水量较大时，变频器输出频率接近工频而管网压力仍达不到压力设定值，PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作，并关断变频器，再将变频器切换到另一台泵，由变频器软起动该泵，这样可根据用水量大小调节投入水泵台数的方案在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持。
1.3恒压供水系统的性能及特点
（1）可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式、定压精度小于百分之一。
（2）变频器对电机进行软启软停，减少设备损耗，延长电机寿命。
（3）具有自动、手动及异地操作功能。
（4）智能化控制，可任意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等）。
（5）具有完善的电气安全措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障均能自行诊断并报警。
1.4恒压供水的现状
目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:
（1）水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点
这种方式是集中供水。
对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。
一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。
主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。
恒压变频供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。
（2）水池－水泵－高位水箱－用水点
此方式也是集中供水。
单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。
一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。
该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。
（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点
此方式已简化为单元总水表进水。
单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。
由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。
同时也存在以下不足：
（1）供水成本高。
由于大多居民的用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
（2）供水可靠性低。
由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。
会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。
另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
（3）水资源浪费。
除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。
居民因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费，增大了供水成本。
（4）系统设计有缺陷。
对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层供水不足的现象。
同时，用水量大的楼层水池设计偏小，调节能力较差。
第二章可编程控制器
2.1可编程控制器的概述
可编程序控制器（PLC）主要以计算机的微处理器为基础，综合计算机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而发展起来的一种通用控制器。
虽然PLC由较为复杂的微处理器组成，但是在实际应用过程中，完全不必了解微处理器的内部结构。
最初，PLC还仅是作为继电器接触器控制系统的替代品，而自从进入电气控制系统领域后，凸显了其独有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断功能等，提高了电气控制系统的可靠性，基本解决了普通继电器及接触器中常见的故障问题。
2.2可编程控制的特点
1.极高的可靠性
由于工业生产的环境条件远比通用计算机所处的环境差，因此要求PLC具有很强的抗干扰能力，并且应能在比较恶劣的运行环境中（如高温、过电压、强电磁干扰和高湿度等）长期可靠地运行。
2.使用方便
（1）操作方便：
对PLC的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改的操作。
更改程序的操作也可直接根据所需的地址编号继电器编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。
（2）编程方便：
PLC有梯形图、布尔助记符、功能表图多种程序控制设计语言可供使用。
（3）维修方便：
当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障信号灯的指示和故障代码的显示，或通过编程器和CRT屏幕的显示，很快地找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。
3.灵活性高
PLC的灵活性表现在下列三方面。
（1）编程的灵活性：
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块图等，只要掌握其中一种语言就可进行编程。
（2）扩展的灵活性：
PLC根据应用的规模的不断扩展，它不仅可以通过增加输入、输出卡件增加点数，通过扩展单元来扩大容量和功能，也可通过多台PLC的通信来扩大容量和功能。
（3）操作的灵活性：
操作的灵活性指设计的工作量大大减少，编程的工作量和安装施工的工作量大大减少，操作十分灵活方便，监视和控制变得容易。
2.3可编程控制器的选型
PLC产品的种类、型号很多，它们的功能、价格、使用条件各不相同。
选用时，除输入、输出点数外，一般应考虑以下几方面的问题。
（1）PLC的功能：
PLC的功能要与所完成的控制任务相适应，这是最基本的。
如果选用的PLC功能不恰当或功能太强，很多功能用不着，就会造成不必要的浪费。
如果所选用的PLC功能不强，满足不了控制任务的要求，也无法顺利的组成适合的控制系统。
（2）输入接口模块：
PLC的输入直接与被控设备的一些输出量相连。
因此，除按估算结果考虑输入点数外，还要考虑选好传感器等。
考虑输入点的参数，主要是它们的工作电压和工作电流要与传感器的输出相匹配，最好不经过转换就能直接相连。
如果PLC的安装位置距被控设备较远，现场的电磁干扰又较强，就应尽量选择工作电压较高，上、下门槛值差值较大的输入接口模块，以减小长线传输的影响，提高抗干扰能力。
（3）输出接口模块：
输出接口模块的任务是将PLC的内部输出信号变换成可以驱动执行机构的控制信号。
除了考虑输出点数外，在选择时通常还要注意下面两个问题。
①接口模块允许的工作电压、电流应大于负载的额定工作电压、电流值。
对于灯丝负载、电容性负载、电机负载等要注意启动冲击电流的影响，留有足够的余量。
②对于感性负载，则应注意在断开瞬间，可能产生很高的反向感应电动势。
为避免这种感应电动势击穿元器件或干扰PLC主机的正常工作，应采取必要的抑制措施。
综上所述，本次设计的基于PLC控制的恒压供水变频调速系统设计选择型号为S7-200CPU226CN。
第三章变频器的概述
3.1变频调速的原理
具有节能，供水压力可调等突出优点，在国内外获得了愈来愈广泛的应用。
在消防给水中对稳压泵以及在消防泵巡检时最好采用变频控制，但在消防泵灭火控制中应采用直接启动或降压启动控制方式。
三相交流电动机的转速与频率、极数及转差率之间的关系如下：
n=60f（1—s）／p其中：
n——每分钟的转速；
f——交流电的频率；
s——转差率。
p——磁极对数；
在三相电动机中对转速的调节有多种方法，如通过调整交流电的频率、电动机的极数以及转差率来实现。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
整流器，最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。
也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
平波回路，在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。
为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。
以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路，是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：
与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：
驱动主电路器件的电路。
它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:
以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:
检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
3.2变频器的参数设置
3.2.1参数复位
表3.1变频器参数复位
序号
参数及设定
参数功能
1
P0003=1
设置用户参数访问等级
2
P0010=30
工厂设定值
3
P0970=1
开始参数复位
3.2.2设置电机参数
表3.2设置电机参数
序号
参数及设定
参数功能
1
P0010=1
开始快速调试
2
P0304=220
电动机额定电压
3
P0305=1.93
设定电机额定电流
4
P0307=0.37
设定电机额定功率
5
P0310=50
设定电机额定频率
6
P0311=1400
设定电机额定转速
7
P3900=1
结束快速调试
3.2.3设置电机控制参数
表3.3设置电机控制参数
序号
参数及设定
参数功能
1
P0003=3
设置参数访问等级3级
2
P0700=1
用面板控制启停
3
P1000=1
用面板控制频率
3.2.4设置变频器频率参数表
表3.4设置变频器参数
序号
参数及设定
参数功能
1
P1080=10
下限频率设定值
2
P1082=60
上限频率设定值
3
P1091=30
跳跃频率设定值
4
P1101=2
跳跃频率宽度设定值
3.2.5设置电机启动制动参数
表3.5设置电机启动制动参数
序号
参数及设定
参数功能
1
P1120=3.0
加速时间设定
2
P1121=3.0
减速时间设定
3
P1130=3.0
斜坡上升曲线起始段
4
P1133=3.0
斜坡下降曲线起始段
3.2.6设置数字量功能参数
表3.6设置数字量功能参数
数字输入端子
端子编号
参数编号
出厂设置
出厂功能
DIN1
5
P0701
1
正转控制
DIN2
6
P0702
12
反转控制
DIN3
7
P0703
9
故障复位
DIN4
8
P0704
15
固定频率直接选择
DIN5
16
P0705
15
固定频率直接选择
DIN6
17
P0706
15
固定频率直接选择
3.3变频器内部PID调节
西门子变频器的内置PID控制功能可用图3-1来说明:
通过对水压设定值与压力传感器的反馈信号进行比较，产生差值，其偏差值由变频器内部PID调节器按预先规定的调节规律进行运算，得出调节信号，用来控制变频器的输出电压和频率，从而改变。
水泵的转速以保持管网恒定的水压。
M
~
图3-1为变频器内置PID控制功能图
第四章系统硬件的设计
4.1主电路
采用一拖多的方式，每台电机水泵既可工频运行又可变频运行。
主回路如图4-1。
变频器用水高峰期3台水泵一台工频运行一台变频运行另一台处于待机状态，并每十天循环一次，既便于维护和检修作业，又不至于停止供水。
图4-1变频主电路
4.2PLC的硬件接线
K1
KM2
KM1
PLC硬件接线图如图4-2
I0.3
图4-2PLC硬件接线图
4.3PLC的I/O口分配表
表4.1PLC的I/O口分配表
输入
输出
输入继电器
输入元件
作用
输出继电器
输出元件
作用
I0.0
SB1
生活供水
Q1.1
KM1
第一台变频
I0.1
SB2
消防供水
Q1.2
KM2
第一台工频
I0.2
SB6
中午供水
Q1.3
KM3
第二台变频
I0.3
SB7
晚上供水
Q1.4
KM4
第二台工频
I0.4
SB8
停止
Q1.5
KM5
备用变频
I0.5
SB9
故障
Q1.6
KM6
备用工频
Q0.0
L1
电源指示
Q0.1
L2
生活指示
Q0.2
L3
消防指示
Q0.3
L4
报警指示
Q0.4
端子5
外部控制启停
4.4压力传感器的硬件接线图
5
压力传感器硬件接线图如图4-3
图4-3压力传感器硬件接线图
第五章系统软件的设计
5.1PLC系统软件设计流程图
开始
N
Y
自动工作
手动工频加压
Y
蓄水池水位过低
N
Y
供电故障
急停
Y
N
Y
N
已有一台变频
N
变频启动一台泵
N
压力不到设定值，频率到达上限
Y
N
Y
P1泵正在变频工作
关断变频器将P1泵转为工频
关断变频器将P2泵转为工频
变频启动P2泵
变频启动P1泵
N
压力到达设定值，频率到达上限
N
Y
Y
P1泵正在工频工作
切除P1工频泵
切除P2工频泵
Y
加压泵是否过载
N
是否停止
Y
停止
图5-1系统软件流程图
5.2生活供水部分
本程序整体采用顺序控制方法的思想编程的，以生活供水为例，我们采用三台水泵，在生活供水低峰期时，利用变频器软启动第一台水泵，根据压力传感器的反馈的值来判断是否达到高峰期，第一台变频改工频运行，紧接着启动第二台水泵。
图5-2启动部分程序图
如图5-2，I0.0是正常启动信号，当其闭合时，中间继电器M0.3闭合，形成自锁，电机Q0.1变频启动。
I0.1是消防供水信号，当其有信号输入时，中间继电器M0.1,M0.2,M0.3得电，水泵转到工频运行。
I0.2，I0.3为中午供水和晚上供水，原理一样，这里不再赘述。
如图5-3，通过模拟量输出VW0，来判断是否自动切换水泵。
图5-3模拟量输出部分程序图
如图5-4，是三台电机运行条件程序图的设计，由于防止出现双线圈，影响程序的正常运行，采用中间继电器，来避免这种情况的发生，Q1.1，Q1.3，Q1.5是变频运行输出继电器，Q1.2，Q1.4，Q1.6是工频运行输出继电器，这样通过控制它们前面的中间继电器的闭合，就可以直接控制电机的运行，并且采用中间继电器，可以实现一步一步控制，让程序运
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