恒压供水毕业设计论文.doc

青岛理工大学毕业设计（论文）目录摘要ABSTRACT第1章 前言11.1供水现状和恒压供水供制11.2常见的几种供水模式2第2章 控制方案选择42.1变频器控制方案讨论42.2 PID控制原理42.3 本系统PID闭环控制框图52.4 恒压供水系统功能图62.5水泵的选型62.6变频器的选型7 2.6.1 变频器的型号说明72.6.2 变频器的技术指标及规格82.6.3 变频器的基本运行配线图92.7压力传感器的选择11第3章 变频调速技术简介123.1 国内外变频调速技术的发展与现状123.2变频变恒压供水系统的特点133.3变频调速技术的基本原理14第4章 可编程序控制器简介154.1 PLC概况及发展现状154.2 PLC的主要功能154.3 PLC的组成164.4 本系统选用的S7-200系列PLC简介16第5章 利用组态王设计的上位机画面175.1组态王简介175.2组态王与S7-200的通信175.3利用组态王设计上位机17第6章 PLC电气设计216.1 PLC控制部分硬件接线图216.2 PLC软件编程框图236.3 PLC地址符号表24第7章 结论与展望25第8章 致谢26参考文献27附录28 附录128 摘 要由于交流变频技术的不断成熟及完善，恒压供水系统在当今的生活中有着举足轻重的作用，例如城市规模越来越大，楼房的高度也远远超过过去，城市供水系统是一个突出的问题。在用水高峰时期，供水系统的电动机需要超负荷运行，但是在用水低峰时，用户所需的用水量减少，但是电动机如果还处于满负荷状态下工作，这样不但对电动机损耗较大而且浪费了大量的资源，所以恒压供水系统具有较大的经济和社会意义。 本论文针对上述问题，设计了一套由PLC、变频器、传感器、水泵、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有全自动变频恒压运行、手动工频与变频运行等功能。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用传感器对实际水压进行反馈，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵调节相结合，实现恒压供水且有效节能。本系统做到不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足用户对水的需求，又不使电动机空转。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。并和计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。关键词: 恒压供水,PLC,组态王,变频器ABSTRACTAs the AC frequency conversion technology continues to mature and perfect ，water-supplying system in todays life have a significant role, such as city size increases, the height of buildings is far more than in the past, the water-supplying system is a prominent problem. Peak in the water, the water-supplying system, large motor loads, in which case the motor will overload operation, but low water peak, the user needed to reduce water consumption, but the motor if it is at full capacity to work, so not only damage the motor but also waste a lot of great loss of resources, so constant pressure water-supplying system has a greater economic and social significance.In order to solve these problems, this paper design a set of PLC, inverter, sensors, pumps, computers, communications equipment modules and other major form of automatic constant pressure water-supplying and the remote monitoring system with automatic constant frequency operation, manual operating frequency and frequency functions. Converter with PID module on the preset parameters, using the actual pressure sensor feedback, closed loop system, according to changes in water consumption, to PID regulation mode, the entire flow range of the continuous use of pump-regulation and work frequency of the pump of a combination of constant pressure water supply and efficient energy.Water regardless of the size of the system to achieve a total of nearly constant pressure in the network to maintain control, so that each part can meet the water needs, makes the motor does not idle. This system solves the problems which the traditional way of water-supplying had, and have a variety of auxiliary functions, enhance the reliability of the system. And computer integrated, improved overall system performance.KEY WORDS: Constant Pressure Water-supplying,PLC,Kingview,InverterII 第1章 前言1.1 供水现状和恒压供水控制众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物资，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到人们的正常工作和生活。目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。传统方式会有以下这样普遍的问题：运行中电动机的大多数，其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。平均负载率较低的原因很多。采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。 传统供水方式上，对于水流量的控制是通过人工改变调节阀门的开度实现，这种供水方式有很多种缺陷，集中表现在：(1)对电能的消耗大。当用户需求水量减少时，调小阀门开度，但是电机还会在额定转速下工作，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。(2)电机突然起动时，管道内的水流量从零迅速增至额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力，产生所谓的“水锤效应。水锤效应不但产生噪声，在压力高的瞬间，可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。恒压供水控制实现水泵电机无级调速，依据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以满足用水要求，是先进、合理的节能型供水系统。【1】目前，变频调速在生活给水、建筑给水和工业给水中应用越来越广泛，其主要原因是：(1)变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负载工作，否则应加大变频器和电动机的容量，以防发生过载。(2)目前，变频技术已很成熟，任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。有些变频器设计生产厂家还把变频器供水控制器直接做在供水专用变频器中，使其可靠性更好，使用更方便。(3)变频调速恒压供水具有优良的节能效果。由水泵一管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种方法，一是节流调节，开大供水阀，流量上升，关小供水阀，流量下降；二是调速调节，水泵转速增高，供水流量增加，转速下降，流量降低。对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。变频恒压供水的优点：用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著。除节能外，变频恒压供水的优点还包括以下几点：(1)起动平衡，起动电流可限制在额定电流之内，从而避免了起动时对电网的冲击。(2)由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命。(3)可以消除起动和停机时的水锤效应。1.2 常见的几种供水模式(1)恒速泵加压供水：这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。(2)重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。(2)气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。(4)变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根据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以满足用水要求。将变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行。【2】第2章 控制方案选择2.1 变频器控制方案讨论有两种可选方案，一种是：由两台电机带动水泵供水，其中一台电机为变频控制；另一种方案是：两台电机均带变频控制。【3】第一种方案：在用水量较小时，由第一台电机单独调频恒压控制，第二台电机停运，当用水量增加，变频达到工频运行时，将第一台电机切换为工频运行，变频器带第二台电机补充供水。在这种运行状况下，当第二台电机运行频率较低，接近停止时，切除第一台电机，由第二台电机单独调频恒压控制。以后，根据运行状况，再重复以上过程。第二种方案：两台电机各用一台变频器，反馈控制信号串接在两台变频器上，进行恒压供水。两种方案比较：第一种方案，使用一台变频器，故投资少，而且，在一台电机出现故障时，另一台电机可继续供水。第二种方案，使用两台变频器，投资较大。综合考虑，本系统设计采用第一种控制方案。2.2 PID控制原理目前控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。由于PID控制理论的不断成熟及完善，在工程实际中得到了广泛的应用。PID控制改善系统的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即P、I、D作用。(1)比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。(2)积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的一或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。(3)微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。2.3 本系统PID闭环控制框图图2.1 系统闭环框图从闭环控制框图中可以看出，在整个系统运行中，如果供水的实际压力比设定压力小，系统将得到反馈的正的压力差，差值经过计算和转换，得出变频器输出频率的增加值，通过这种运算就是为了缩小实际供水压力和设定压力的偏差，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。该增加后的频率使得电机转速增大，从而使实际供水压力增大，在系统运行中会重复上述过程，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果系统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，电机的转速减小，实际供水压力会逐渐变小。但是最后的结果依然是使得供水压力值和设定压力相等。2.4 恒压供水系统功能框图PLC反馈信号变频器控制按钮电动机图2.2 系统功能框图2.5水泵的选型选择水泵要根据两个条件，一个是水泵抽水的流量，另一个是水泵供水的总扬程。所以水泵选型的步骤如下：（1）估计水泵的总扬程：水泵总扬程=地形扬程+管道阻力扬程+水泵管道阻力扬程(3米)+设备扬程。（2）选型：根据自己需要的流量以及扬程，结合厂家提供的信息，得出几个可能用的水泵号后，再查水泵样本，落实究竟哪一种是最合用的水泵型号。根据以上的分析，最后选定国产扬子江泵业有限公司生产的IS型离心泵，IS型单级单吸(轴向吸入)离心泵，是全国联合设计的节能泵，它是BA型、B型及其他单级清水离心泵的更新型。优点有：全系列水力性能布局合理，用户选择范围宽，检修方便；效率和吸程达到国际平均先进水平。具体型号为IS6540250A，其参数在表2.1中：表2.1水泵选型表水泵型号流 量m3h扬 程m电机功率kW水泵型号流 量m3h扬 程m电机功率kWIS80-65-160B43245.5IS125-100-4001005030IS80-50-200505015IS125-100-400A934422IS80-50-200A464411IS125-100-400B863818.5IS80-50-200B433811IS150-125-2502002018.5IS80-50-250508022IS150-125-250A18717.515IS80-50-250A467018.5IS150-125-250B1731511IS80-50-250B436015IS150-125-3152003230 续表2.1IS80-50-3155012537IS150-125-315A1872822IS80-50-315A4711437IS150-125-315B1732418.5IS80-50-315B4510330IS150-125-4002005045IS100-80-1251002011IS150-125-400A1874437IS100-80-125A89167.5IS150-125-400B1733830IS100-80-1601003215IS200-150-2504002037IS100-80-160A932811IS200-150-250A37417.5302.6变频器的选型2.6.1 变频器的型号说明本系统选用深圳市康沃电气技术有限公司生产的内置PID模块的CVF-P2系列风机、水泵专用变频器。图2.3变频器型号说明图如图2.3所示，P2系列变频器是根据风机、水泵在运行当中的各种状态及参数而专门设计的，规格覆盖了大中小各种风机水泵的功率等级。它们的使用使风机水泵的集中控制和自动调节成为现实。 其性能特点有：（1）宽调频范围0-500Hz任意可调（2）提供直流0-5V10V、10V+10V两组电源（3）6种多段速控制功能（4）脉冲输入口010KHz(上、下可选)（5）高达15KHz的载波频率，最大限度降低电机噪音（6）标准RS485通信接口(可选)（7）具有自动节能运行功能，可根据负载大小，自动调节电机的工（8）作状态，保持高效率节能运行。（9）具有内部计数器和定时器（10）内置PID控制器的参数，应根据实际需求和系统特性进行调整。2.6.2 变频器的技术指标及规格表2.2变频器技术指标及规格输入额定电压、频率三相 380V 50/60Hz电压允许变动范围320V460V; 电压失衡率3%; 频率5%输出电压0380V频率0Hz 500Hz过载能力G2系列：额定电流*150% / 1分钟，额定电流*180% / 2秒；P2系列：额定电流*120% / 1分钟，额定电流*150% / 2秒。控制特性控制特性控制特控制方式V/F控制频率设定分辨率模拟端子输入最大输出频率的 0.1% 数字设定0.01Hz面板模拟设定最大频率的 0.4 %外部脉冲最大频率的 0.1%频率精度模拟设定最大输出频率的0.2%数字设定设定输出频率的0.01%外部脉冲设定最大输出频率的0.1%V/F曲线（电压频率特性）基准频率在5500Hz任意设定，可选择恒转矩、递减转矩1、递减转矩2共三类曲线转矩提升手动设定：额定输出的020%自动提升：根据输出电流自动确定提升转矩自动节能运行根据负载情况，自动优化V/F曲线，实现节能运行。加、减速时间设定0.16000秒连续可设，S型、直线型模式可选制动能耗制动电机输出额定转矩*75%直流制动启动、停止时分别可选，动作频率015Hz，电机额定电压*（015%），动作时间020.0秒、或持续动作自动限流功能快速电流自动抑制能力，防止加速过程中及冲击性负载下频繁过流故障电压失速防止保证减速过程中不发生过电压载波调整载波频率1.5KHz 15.0KHz 连续可调，最大限度降低电机噪声频率设定信号模拟输入直流电压010V、-10V10V，直流电流020mA（上、下限可选）数字设定使用操作面板脉冲输入050.000KHz （上、下限可选）启动信号正转、反转、启动信号自保持（三线控制）可选定时器、计数器内置定时器、计数器各一个，方便系统集成多段速控制功能/摆频运行最多7段可编程多段速控制，每段速度的运行方向、运行时间分别可设。当用外部端子控制时，可达15段速，具有包括摆频运行在内的6种运行模式内置PID控制普通PID可以方便地构成简易闭环控制系统而不需附加PID控制器。供水专用（需附件）通过附件可以构成最多4泵切换的恒压供水系统，包括压力上下限报警、压力上下限限制、睡眠/苏醒、定时供水等多种专用功能运行功能上、下限频率设定，频率跳跃运行，反转运行限制，转差频率补偿，自动稳压运行，RS485通讯，频率递增、递减控制，故障自恢复运行、多机连动运行续表2.2输出信号运行状态(OC输出)变频器运转中，频率到达，频率水平检测，过载报警，外部故障停机，频率上限到达，频率下限到达，欠压停止，零速运转，可编程多段速状态，内部计数器到达，内部定时器到达，压力上、下限报警指示仪表输出频率、输出电流、输出电压、电机转速、PID设定与反馈,可外接电压表、频率计显示操作面板显示运行状态输出频率，输出电流，输出电压，电机转速，设定频率，PID设定，PID反馈，模块温度，运行时间累计，模拟输入输出、端子输入状态等报警内容最近六次故障记录，最近一次故障跳闸时的输出频率、设定频率、输出电流、输出电压、直流电压、模块温度、端子状态、累计运行时间8项运行参数记录保护/报警功能过电流，过电压，欠压，电子热继电器保护，过热，短路，过载环境周围温度-10C至+50C（不冻结） （40-50时，请降额使用）周围湿度90%以下（不结霜）周围环境室内（无阳光直晒、无腐蚀、无易燃气体，无油雾、尘埃，无水蒸气、水滴等）海拔低于1000m结构防护等级IP20冷却方式强制风冷安装方式壁挂式2.6.3 变频器的基本运行配线图变频器的基本运行配线图如图2.4所示：图2.4 基本运行配线图2.7压力传感器的选择采用压力变送器可以直接把网管内的水压这个模拟信号转换为标准的电信号，从而有效的减少了系统的硬件配置，利用较少的元件实现较复杂的功能，在实际应用中，压力变送器的使用环境比较恶劣，考虑到水对人们生活的重要性，保证供水的压力满足人们生活的需要，为此选用奥脉络AM693变频恒压供水专用仪表压力变送器。AM69系列压力变送器的独特之处在于：采用全不锈钢结构的激光温补硅传感膜片；采用绝对工业级的高可靠变送模块；采用创新的奥脉络制造工艺。此三项领先技术的结合使该系列产品达到了模拟式压力变送器的最新水准。其技术指标如下：使用温度：-20-70贮藏温度：40-125相对湿度： (95RH工作电压：12一-,36VDC输出信号：4-20mADC，也可选择其它输出信号(详见选型表)量程：0170MPa详见选型表零点：在量程的30内连续可调过压：量程34KPa时为138KPa,其它为3-一10倍量程灌充液体积：约02cm3过程连接件：SS316不锈钢膜片：SS316不锈钢壳体材料：无铜铝合金压铸件颜色：银灰色、驼灰色、蓝色安装型式：螺纹或法兰安装重量：约08kg法兰结构除外综合精度：02FS；05FS介质温度影响：0015FS长期稳定性：每年优于02电源影响：00015FSV防爆等级：ExibIICT4防护等级：IP65第3章变频调速技术简介3.1 国内外变频调速技术的发展与现状变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解藕控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC，VC，SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到3lkw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；6位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下：(1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。(2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。(3)相关配套产业及行业落后。(4)产品可靠性及工艺水平低。【4】3.2 变频变恒压供水系统的特点(1)节能性：恒压供水技术因为采用变频器改变电动机的供电频率，从而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，相对于阀门调节控制水泵出口压力的方式来说，具有降低管道阻力、大大减少截流损失的效应。同时，由于变量泵工作在变频电源下，其运行过程中的转速是由外界供水量决定的，故系统在运行过程中可节约大量的电能，经济效益十分明显。由于其节能效果明显，所以系统投资成本可在短期内收回，并能长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大的。(2)可延长电机和水泵寿命：由于变频泵在变频下工作，其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。(3)便于实现自动化：采用闭环恒压控制之后，管网用水流量变化时，系统会自动调节供水压力使其与实时用水流量处于平衡状态，整个过程不需要人员操作，可完全实现自动化。(4)减少电网冲击：水泵电机采用软启动方式，可以避免电动机启动时的电流冲击，减少对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成水泵系统的喘振。(5)时滞性和非线性：变频恒压供水系统具有时滞性和非线性的特点。时滞性是由于控制量(管网水压)在闭环反馈中有一个时间上的响应过程，而非线性则是由于管阻、水锤等因素的影响导致水泵转速的变化与管网水压的变化不成正比。因此，变频调速恒压供水系统是一个非线性的时滞系统。(6)容错性：当出现意外情况时，系统能根据水泵及变频器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动切换，保证管网内压力恒定。【5】3.3 变频调速技术的基本原理交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类型，其转速表达式分别为： N。=60fP (3.1) N=60f(1一S)P (3.2) S=F(U，RI，X1，R2，X2) (3.3)式中：N。一同步电动机转数N一异步电动机转数f一电源频率P一定子绕组级对数S一异步电动机转差率U一电源电压Rl一定子绕组电阻X1一定子绕组电抗I足2-转子绕组电阻X2一转子绕组电抗从上式可知，当极对数P不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛应用于水泵电机的调速。【6】第4章 可编程序控制器简介4.1 PLC概况及发展现状可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，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，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求；再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。现代PLC发展呈现出以下特点：(1) 小型PLC产品功能增强、结构优化(2) 强化联网通信能力(3) PLC的通信(4) IO模块分散化、智能化(5) 编程语言和编程工具向标准化和高级化发展(6) 迅速与其它工业产品整合4.2 PLC的主要功能(1)数据采集与输出可实现在线的数据(包括模拟量和数字量)采集和输出；(2)控制功能包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数；(3)数据处理功能能进行基本数学运算、逻辑运算、PID运算、比较、滤波等，还可用高级语言编程实现复杂的控制算法；(4)输入输出信号调制功能具有AD、DA转换功能，通过IO模块(可远程进行)完成对模拟量的控制和调节，具有温度、位置等测量接口；(5)通信、联网功能(6)支持人机界面功能通过友好的人机界面向操作者提供监视机器和过程工作必需的信息。允许操作者通过人机界面与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业的分散控制和集中监视管理。(7) 编程、调试等大部分PLC支持在线编程和调试，便于发现错误，优化程序。4.3 PLC的组成可编程控制器PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。4.4 本系统选用的S7-200系列PLC简介西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。$7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU22 1、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制点数可以从1 0点扩展到248点。其中，CPU22 1无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226 XM适用于复杂的中小型控制系统。所有型号的CPU在内部都集成了1个(CPU22 1、CPU222、CPU224)或2个(CPU226， CPU226XM)通讯口，该通讯口为标准的RS485口，可在三种方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通讯口方式。另外，S7-200可通过增加EM277模块接入Profibus-DP网络，通过CP243-I通讯模块连入工业以太网.。【7】第五章 利用组态王设计的上位机画面5.1组态王简介组态王(KingView)是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等；支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能。其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。组态王主要用来组成监控和数据采集系统。使现场的信息实时地传送到控制室。保证现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据。优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。组态王拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，在工业控制中应用广泛。5.2组态王与S7-200的通信本系统工控机与PLC进行通讯采用PPI(Point-to-Point)通信方式。PPI(Point-to-Point)是西门子专为S7-200系列开发的一个通讯协议，为主从协议，PC机为主站，S7-200为从站。在该方式下，使用PPI电缆将PC机串口和S7-200的通讯口相连，采用串行通讯方式。在该方式下，使用PLC编程软件STEP 7一MicroWIN32安装通讯硬件，在“SET PGPC Interface”对话框中配置PCPPI cable，Interface Parameter Assignment为PPI，并设置PPI参数默认值，双击通讯框中得刷新图标后建立与S7200的通信连接。上位机组态王的设置基本相同，首先使用“设备配置向导”定义外部设备，选择西门子S7200系列PPI通信，并设定如下通信参数：波特率9600bps，数据位8位，停止位1位，偶校验。将PLC地址设为默认地址2。5.3利用组态王设计上位机设计步骤：第一步：创建新工程为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。第二步：定义硬件设备并添加工程变量，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和IO变量。第三步：制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。第五步：进行运行系统的配置，对运行系统、报警、历史数据记录等进行设置，是系统完成用于现场前的必各工作。第六步：保存工程并运行。本设计中利用组态王设计了以下五个画面：恒压供水系统主画面、报警画面，实时与历史趋势曲线画面、数据报表画面。【8】如以下图5.1-图5.5所示。图5.1 恒压供水系统主画面图5.2 报警画面图5.3 报表画面图5.4 实时趋势曲线画面图5.5 历史趋势曲线画面第6章PLC电气设计6.1 PLC控制部分硬件接线图KMl、KM3及KM2、KM4实现电动机A和B在工频及变频状态下的切换，切换由可编程序控制器（PLC）完成。在输出电路部分中，对KMl、KM3及KM2、KM4之间联锁设计，这样避免了接触器同时吸合，减小了发生故障的概率。在上位机中对系统设置了两种运行状态：手动和自动。在手动状态下，有四种模式：A变频运行、B变频运行、A工频运行、B工频运行。在自动运行方式下，按起动按纽，实现恒压供水的自动运行。恒压供水系统硬件接线见图6.1图6.1 硬件接线图6.2 PLC软件编程框图自动程序见图6.2图6.2 自动程序流程图手动程序见图6.3图6.3 手动程序流程图6.3 PLC地址符号表表6.1 PLC地址符1自动程序框图中的第二步M2.0BOOL2A泵变频接触器KMl吸合I 1.0BOOL3A变频运行输出Q 1.1BOOL4自动程序框图中的第三步M2.1BOOL5A泵工频接触器KM2吸合I 1.1BOOL6A工频运行输出Q 1.2BOOL7自动程序框图中的第四步M2.2BOOL8B泵变频接触器KM3吸合I 1.2BOOL9B变频运行输出Q 1.3BOOL10自动程序框图中的第五步M2.3BOOL11B泵工频接触器K