基于PLC的恒压供水控制系统设计论文.docx
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毕业设计（论文）
题 目 基于PLC变频恒压供水控制系统设计系 别 电力工程系 专 业 电气工程及其自动化 班 级
姓 名 学 号
下达日期2012年2 月26日
设计时间自2012年2月26日至2012年5月26日
毕业设计（论文）任务书
一、设计题目：
1、题目名称 基于PLC的变频恒压供水控制系统设计
2、题目来源 现场项目 二、项目简介：
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。
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。
采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。
广泛应用于：
1、居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水系统。
2、各种类型中央空调的循环泵、冷却水供应系统。
3、高层建筑、宾馆、饭店等生活供水系统。
4、综合市场、写字楼、商务楼生活供水系统。
5、高层建筑热水供给和热水采暖系统与消防给水系统。
6、工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等。
7、各类自来水厂与现代农业灌溉。
8、各类恒压供油，恒压供气，恒压供风等恒压流量的控制系统
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。
三、设计说明书应包括的内容
设计以PLC可编程控制器和变频器为核心控制系统，通过控制投入工作水泵的台数和自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定。
四、设计应完成的图纸
1.控制系统原理图。
2.PLC控制器程序、流程图。
五、主要参考资料
[1]吴英倩.《PLC在变频恒压供水系统的应用》。
[2]张爱玲，李岚，梅丽凤.《电力拖动与控制》.机械工业出版社。
[3]中国自动化网，《变频器与PLC在恒压供水中的成功应用》。
六、进度要求
1、第1～2周：
资料搜集、相关应用软件学习：
S7-200PLC的资料学习；
MM440变频器资料学习；参考文献学习。
2、第3～4周：
应用CAD画原理图。
3、第5周：
画程序框图。
4、第6周：
编写程序。
5、第7～9周：
硬件组装、程序调试。
6、第10～12周：
论文完成。
7、第13～14周：
答辩准备、PPT制作。
七、其它要求
1、设计期间，周六、日连续进行。
2、做实验时注意人身、设备安全及公共财物完好。
3、注意论文格式规范，要求用A4纸打印。
摘要
本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统,变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。
本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对三
相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。
压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
关键词：
恒压供水、PLC、变频调速。
ABSTRACT
designasetof
PLCbased
frequencycontrolconstantpressurewatersupply
system,
programmable
by
system
variablefrequencyconstantpressurewatersupply
watersupply
community
city
Chinese
Accordingtothethesisof
requirements,
controller,
Thesystemincludes
threesetsof
waterpumpmotors,
theyarecomposedof
frequencyconverter,
waterpump,
pressure
sensor.
variablefrequencycirculating
operation.
Usingfrequencyconverter
torealize
three-
phase
pumpmotor
softstartwithfrequencycontrol,
operationswitchadoptsthe"
start
firststopfirst
"principle.
Thepressuresensordetects
thep
ressure
signal,
intothePLC
andcomparedwithapredeterminedvalue
after
PIDoperation,
therebycontrolling
the
inverteroutputvoltageandfrequency,a
changethe
pressure,
speedto
pumpmotor
ndthenchangethe
quantityofwatersupplypipenetworkinasetvalue near.
ultimatelytokeepstable
Keywords:
constantpressurewatersupply,PLC,variablefrequencyspeedregulation
目 录
引 言 1
1课题概述 1
1.1变频恒压供水概论 1
1.2本课题产生的背景和意义 1
1.3变频恒压供水现况 2
1.4本次设计的主要工作 3
2变频恒压供水的理论分析 4
2.1水泵的工作原理 4
2.2电动机的调速原理 4
2.3变频恒压供水的能耗分析 5
2.4变频恒压供水系统组成及原理图 6
3系统的硬件设计 11
3.1PLC的概述 11
3.2变频器的概述 13
3.3设备的选型 18
3.4系统主电路设计 18
3.5系统控制电路设计 19
3.6PLC的I／O端口分配及外围接线图 21
4系统的软件设计 23
4.1软件设计分析 23
4.2PLC程序设计 24
5 结论 31
参考文献 32
致 谢 33
附录 34
附录A英文文献 34
附录B中文翻译 38
附录C主程序梯形图 41
山西大学工程学院
引 言
众所周知,水是我们日常生活中不可缺少的能源之一,我们生活范围的高度
集中使得水的供给需求增大,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化,为了保障对水的供给需求,也是时代的发展要求就必须有一些辅助装置来确保,在
我们居住的环境有稳定的水源供应,根据需要的多少来自行调节水源的供给,从而,既充分利用了水源,又节约了相应的能源,本文是针对某生活小区实际供水需求情况，结合用户生活用水和消防用水的需要,拟定为社区恒压供水。
随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
现将其中的改造情况介绍如下。
恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。
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，可能引起重大损失和人员伤亡。
所以，生活小区采用生活/消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。
某住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。
传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。
蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响居民的身体健康。
基于上述情况，对某生活小区供水系统进行改造，采用西门子PLC作为主控单元。
并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的。
改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果
山西大学工程学院
1课题概述
1.1变频恒压供水概论
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。
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。
采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。
对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。
目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。
导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题。
因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。
变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。
利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。
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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。
所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统（简称变频恒压供水，如图1.2），对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
阀门
水泵
阀门
蓄水
池
供水
供 主
水泵
蓄水
池
电机
水 管
电机
变频器
PLC
主 网
管
网
图1.1传统供水机示意图 图1.2变频供水机示意图
1.2本课题产生的背景和意义
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。
传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网
-1-
中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。
而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、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。
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、远程监控技术于一体。
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，方便地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。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。
1.3变频恒压供水现况
1.3.1变频恒压供水的现况
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过
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设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩
展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其
范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
因此恒压供水控制系统还需要一个成熟可靠的技术。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。
实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。
1.3.2变频恒压控制系统的应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为二类:
（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。
由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。
（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。
这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。
受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
1.4本次设计的主要工作
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了
PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。
进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU226），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM440。
进行了控制程序（梯形图）的设计。
在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。
最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了
总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，
3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。
PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原
-3-
则。
2变频恒压供水的理论分析
2.1水泵的工作原理
供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.1所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。
在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:
启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。
在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。
在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。
液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。
可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。
10
9
4
5
8
1
2
3
7
6
1-叶轮2-泵壳3-泵轴
4-吸入口5-吸入管
6-单顶底阀7-滤网
8-排出口9-输出管
10-调节阀
2.2电动机的调速原理
水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：
n=60f
p
（1-s）
（2.1）
式中：
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
（l）改变电源频率
（2）改变电机极对数
（3）改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变
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化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。
改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。
但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。
2.3变频恒压供水的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。
因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。
常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。
供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。
由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。
闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
（1）阀门控制法：
通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻
力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。
这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图2.2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%（即QX=60%QN）。
当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E点，这时，流量减小为QE（=Qx）；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。
阀门关小 阀门全开
H ③ ②
E
J
N
G
K ①稳定转速
C
④
-5-
D A
O QE QN
转速下降
Q
图2.2调节流量的方法与比较
（2）恒压控制法：
即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。
当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C点。
这时流量减小为QE（=Qx），扬程减小为Hc，供水功率PC与面积0DCK成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量
（Qx<100%QN）的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。
两者之差△P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ成正比。
这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。
所以，流量是供水系统的基本控制对象。
而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之间的平衡情况有关。
如：
供水能力QG>用水需求QU，则压力上升（P↑）；如：
供水能力QG<用水需求QU，则压力下降（P↓）；如：
供水能力QG=用水需求QU，则压力不变（P不变）。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力
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