毕业设计（论文）基于S7200PLC的变频调速恒压供水控制系统设计

1、毕业设计毕业设计 恒压供水系统设计恒压供水系统设计 系系 部：部： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 联系电话：联系电话： 指导老师：指导老师： 目目 录录 摘摘 要要.- 3 - 第一章第一章 绪绪 论论.- 4 - 1.1 课题设计背景 .- 4 - 1.2 课题研究的目的和意义 .- 4 - 第二章第二章 恒压供水基本原理恒压供水基本原理.- 7 - 2.1 供水系统简介 .- 7 - 2.2 恒压供水基本原理 .- 7 - 2.2.1 恒压供水原理.- 7 - 2.2.2 系统结构框图设计.- 8 - 2.2.3 恒压供水的优点.- 9 - 第三章第三章

2、恒压供水系统元件选择恒压供水系统元件选择.- 11 - 3.1 变频恒压供水系统的组成 .- 11 - 3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构.- 11 - 3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案.- 12 - 3.1.3 系统主要设备的选型.- 13 - 3.2 plc 及其扩展模块的选型.- 14 - 3.3 变频器的介绍 .- 15 - 3.3.1 选择变频器规格.- 15 - 3.3.2 开关指令信号的输入.- 17 - 3.3.3 变频器与 plc 的连接.- 17 - 3.4 传感器 .- 19 - 第四章第四章 恒压供水系统电路设计恒压供水系统电路设计.- 21 - 4.1 系统主

3、电路分析及其设计 .- 21 - 4.2 系统控制电路分析及其设计 .- 22 - 4.3 plc 的 i/o 端口分配及外围接线图.- 24 - 4.4 plc 程序设计.- 27 - 4.4.1 控制系统主程序设计.- 27 - 4.4.2 控制系统子程序设计.- 31 - 4.5 pid 设计.- 34 - 4.5.1 pid 控制.- 34 - 4.5.2 恒压供水 pid 调节过程分析.- 35 - 4.5.3 pid 控制器的应用.- 36 - 第五章第五章 总总 结结.- 38 - 5.1 全文总结 .- 38 - 5.2 研究展望 .- 38 - 致致 谢谢.- 39 - 参参

4、 考考 文文 献献.- 40 - 摘摘 要要 建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。 由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套 plc 控制的变频调速恒压供水系统。 恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水 方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。共三 台电机，其中由一台变频器拖动两台电动机的起动、运行与调速，一台电机备 用。控制系统中采用德国 siemens 公司的 s7-200 可编程控制器来控制水泵电 机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字 pid 控制器，由 fb41 将压力 给定值与测量值的偏差进行处理，实

5、时控制变频器的输出频率，进而改变水泵 电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力 稳定在设定值附近。此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大 大延长了电机的使用寿命。 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题设计背景课题设计背景 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人 们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的 要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区 供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中 的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员

6、的手工操 作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出 恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不 应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加 压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有 占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象 频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频 繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水 系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和 电能保证各行各业正常供水，己是

7、迫在眉睫。 同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术 和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用， 实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现 代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。 利用 plc 控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定, 既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。 1.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，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

8、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。小区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、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接 体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、 液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方 式，其优缺点如下： 1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时

9、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、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或 停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电 机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高 层建筑。 3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式 调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工 作量大，而且

10、为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段 工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却， 效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简 单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 几种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠 性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 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

11、中的用水。目前的供水方式朝高效节能、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1。 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

12、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。 第二章第二章 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2.1 供水系统供水系统简介简介 自 80 年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水 系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、 气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避 免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。 在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实 际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不 变

13、，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水 系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与 给定的压力值比较，从而形成闭环系统。 2.2 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2.2.1 恒压供水原理恒压供水原理 对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统 的基本控制对象。但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控 制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平 衡关系有关： 供水能力 qg用水需求 qu，则压力上升； 供水能力 qg用水需求 qu，则压力下降； 供水能力 qg=用水需求 qu，则压

14、力不变。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。因此， 压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定， 也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户 所需的用水流量。 2.2.2 系统系统结构框图设计结构框图设计 采用电动机调速装置与可编程控制器(plc)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，在管 网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总 管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其 差值输入经运算处理后，发出控制指令，

15、控制泵电动机的投运台数和运行变量 泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就 是利用 pid 或 pi 功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信 号(420ma)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较， 并通过变频器内置 pid 运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频 率，从而实现控制水泵转速。 恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可 靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大 电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵 与电机维修的时候，备用泵是

16、必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压 的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频 器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一 台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须 切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配 一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行， 其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。 图 2.1 为恒压供水的系统构成框图。图中压力传感器用于检测管网中的水 压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升 高。水压传感器将水压

17、的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 交流接触器组 plc(内置 pid) 管道电机泵组变频器 压力传感器 图 2.1 系统结构框图 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来 管网水压的实测值和根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统 调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20ma 变化的电流信号 或 0-10v 间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于 驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。用 plc 代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，plc 作为恒压供水系统 的主要控制器，其主要任

18、务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与 调节工作，实现数字 pid 调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供 水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频 器相连接的泵为主泵(主泵也是轮流担任的)，主泵在运行时达到最高频时，须 增加一台工频泵投入运行。plc 则是泵组管理的执行设备。plc 同时还是变频器 的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用 plc 的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号， 输出端送出经给定值与反馈值比较并经 pid 处理后得出的模拟量信号，并依此 信号的变化改变变频器的输出频率。另

19、外，泵站的其他控制逻辑也由 plc 承担， 如：手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系 统的自检等等。 2.2.3 恒压供水的恒压供水的优点优点 对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。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(供水流 量)和用水需求(用水流量)之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求 时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，当两者相等时压力不变。供 水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。从而压力就成为用来 作为控

20、制流量大小的参变量。当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于 平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，恒压供水有以下优点： 1) 节能，可以实现节电 20%-40%，能实现绿色用电。 2) 占地面积小，投入少，效率高。 3) 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。 4) 运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的 平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提 高。 5) 由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防 止了很多传染疾病的传染源头。 6) 通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。 第三章第三章 恒压供水系统

21、元件选择恒压供水系统元件选择 3.1 变频恒压供水系统的组成变频恒压供水系统的组成 3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构变频恒压供水系统硬件结构 变频恒压供水系统主要由压力传感器、差压变送器、变频器、plc 控制单 元、水泵机组等组成，如图 3.1 所示。系统主要的设计任务是利用 plc 控制单 元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电 机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。 上位 计算机 外部 控制 电接点 压力表 管 道 机 组 变 频 器 电 器 组 p l c 水池 液位 开关 a/dd/a 用用 户户 变频器输出标准信号 模

22、拟量信号 标 准 电 信 号 开 关 量 信 号 变频器故障及频率到达信号 内置 pid 图 3.1 系统硬件原理图 系统可分为:执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为: 1) 执行机构:执行机构是由三台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。 2) 信号检测机构:在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液 位信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制 的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入 plc 时，需进行 a/d 转换。另外为 加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检 测，检测结果可以送给 plc，作为数字量输入;液位信号反

23、映水泵的进水水源是 否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损 坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器;报警信号反映系统是 否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。 3) 控制机构:供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (plc 系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控 制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集， 对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行 机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制;变频 器是对水泵

24、进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速 泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案变频恒压供水系统的控制方案 变频恒压供水系统的控制方案有多种，根据水泵机组中水泵被变频器拖动 的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式 即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50hz时，其供水量仍 不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱 出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变 频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50hz时，其供水量仍不能 达到用水要

25、求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器 不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择2。本设计中采用变 频循环式，下面重点介绍其控制特点： 利用变频循环式单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系 统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制两台水泵的方 案来说明。该控制方案的控制原理如图3.2所示。 1 32 4 1号泵变频运行 2号泵停止 1号泵工频运行 2号泵变频运行 1号泵停止 2号泵变频运行 1号泵变频运行 2号泵工频运行 图3.2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制两台水泵 按12341的顺序运行，

26、以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多， 只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当 用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加 到最高输出频率时，表示只有一台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时， 通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动 2号泵电机，控制系统处于状态2。 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定 频率时，表示只有一台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系 统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于 状态3。 当用水量再次

27、增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当 变频器增加到最高输出频率时，表示只有一台水泵工作已不能满足系统用水的 要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源， 而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。 当控制系统处于状态 4 时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定 频率时，表示只有一台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系 统的控制，可将 2 号泵电机停运，1 号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系 统又回到了状态 1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要。 3.1.3 系统主要设备的选型系统主要设备的选型 根据基于 plc

28、 的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图 3.3 所示： a/d模块可编程控制器(plc)通讯模块 压力 变送器 故障、状态 等量输入 报警、控制 等量输出 人机界面 上位机、 组态等 变频器 水泵机组 软启动、自 耦变压器 图 3.3 系统的电气控制总框图 由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部： (1) plc 及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表 3.1 所示： 表 3.1 本系统主要硬件设备清单 主要设备型号及其生产厂家 可编程控制器（plc） siemens cpu 226 模拟

29、量扩展模块 siemens em 235 变频器富士公司的 p11s 系列 水泵机组sfl 系列水泵 3 台（上海熊猫机械有 限公司） 压力变送器及显示仪表hr-ytz 电阻远传压力表 液位变送器分体式液位变送器 ds26(淄博丹佛斯 公司) 3.2 plc 及其扩展模块的选型及其扩展模块的选型 plc 是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号 的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在 选择 plc 时，要考虑 plc 的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接 口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压 供水自动控

30、制系统控制设备相对较少，因此 plc 选用德国 siemens 公司的 s7- 200 型。s7-200 型 plc 的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用 于一些小型控制系统。siemens 公司的 plc 具有可靠性高，可扩展性好，又有 较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；plc 可以上接工控计算机，对自 动控制系统进行监测控制。plc 和上位机的通信采用 pc/ppi 电缆，支持点对点 接口(ppi)协议，pc/ppi 电缆可以方便实现 plc 的通信接口 rs485 到 pc 机的通 信接口 rs232 的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护3。 根据控制

31、系统实际所需端子数目，考虑 plc 端子数目要有一定的预留量， 因此选用的 s7-200 型 plc 的主模块为 cpu226，其开关量输出为 16 点，输出形 式为 ac220v 继电器输出；开关量输入 cpu226 为 24 点，输入形式为+24v 直流 输入。由于实际中需要模拟量输入点 1 个，模拟量输出点 1 个，所以需要扩展， 扩展模块选择的是 em235，该模块有 4 个模拟输入(aiw)，1 个模拟输出(aqw)信 号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成 a/d 的转换，标准输入信号能 够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成 d/a 的转换，

32、一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。em235 模块可 以针对不同的标准输入信号，通过 dip 开关进行设置。 3.3 变频器的介绍变频器的介绍 3.3.1 选择变频器规格选择变频器规格 变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率 的是定子电流参数，因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实践中可能 会行不通。根据具体工程情况，可以有几种不同的变频器规格选择方式。 1.按照标称功率选择 一般而言，按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据，在不清楚电 动机额定电流时使用，比如电动机型号还没有最后确定的情况。作为估算依据， 在一般恒转矩负载应用时可以放大

33、一级估算，例如，90kw 电动机可以选择 110kw 变频器。在需要按照过载能力选择是，可以放大一倍来估算，例如， 90kw 电动机可以选择 185kw 变频器。 2.按照电动机额定电流选择 对于多数的恒转矩负载新设计项目，可以按照这个方式选择变频器规格： ievfk1ied (3-1) 式中，ievf 是变频器额定电流；ied是电动机额定电流；k1是电流裕量系数， 根据应用情况一般可取为 1.051.15，一般情况可取小值，在电动机持续负载 率超过 80%时，则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率 不超过 80%来确定的。另外，启动停止频繁的时候也应该考虑取大值，这是因 为启

34、动过程以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流，频繁启动停 止则相当于增加了负载率。 3.按照电动机实际运行电流选择 这个方式用于改造工程，对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况，可 以选择功率比较合适的变频器以节省投资： ievfk2id (3-2) 式中，k2 是电流裕量系数，考虑到测量误差，可取 k2=1.11.2，在频繁 启动停止时应该取大值；id 是电动机实测运行电流，指的是稳态运行电流，不 包括启动、停止和负载突变的动态电流，实测时应该针对不同工况作多次测量， 取其中最大值。 4.按照转矩过载能力选择 变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规 配备变频

35、器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。由于变频器能够控制在 稳定转矩下持续加速直到全速运行，因此，平均加速度并不低于直接启动的情 况，一般应用中没有什么问题。 通过上述论述和系统要求，决定选用富士公司的 p11s 系列变频器。p11s 系列是风机泵用标准系列，采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制， 能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进 的驱动控制技术4。 3.3.2 开关指令信号的输入开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行、停止，正转、反转、微动等运行状态进 行操作的开关型指令信号(数字输入信号)。变频器通常利用继电器接点或具有 继电器接点开

36、关特性的元器件(如晶体管)与 plc 连接，获取运行状态指令。使 用继电器接点时，常因接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时，则需要 考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在考虑变频器 的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时会造成变频 器的误动作。如当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时产生的 浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免，这时可以考 虑采用阻容振荡吸收，光电隔离的方式。 3.3.3 变频器与变频器与 plc 的连接的连接 vvvf r s t u v w m y2 y1 cme y5c x1 fwd 12 cm

37、频率到达50hz 频率到达5hz 11 y5a qf km ka3 ka4 24v fr 图 3.4 变频器 图 3.5 变频器与 plc 的连接 变频器与 plc 的连接如图 3.5 所示，其中变频器各端子功能如下： r,s,t 端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序； u,s,w 端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对， 则可交换其中的任意两相；g 端子为接地端子；端子 11 为模拟输入信号的公共 端子；端子 12 为设定电压输入端，输入 pid 控制的反馈信号，以此来设定频率； fwd 端子为正转运行/停止命令端子，端子 fwd-cm 间：闭合

38、（on） ，正转运行； 断开（off） ，减速停止，此端子有 plc 输出点控制；接点输入公共端 cm 为接点 输入信号的公共端子；x1 为选择输入 1 端子，作为报警复位命令信号端子； y1、y2 为晶体管输出 1 端子与晶体管输出 2 端子，为水位上限与下限报警端子； 晶体管输出公共端 cme，为晶体管输出信号的公共端子，端子 cm 和 11 在变频 器内部相互绝缘；可选信号输出继电器端子 y5a,y5c,为变频器报警输出端子5。 3.4 传感器传感器 在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。压力测 量有很多方法，有利用液体在重力作用下液位发生改变与被测压力平衡的液柱 测

39、压法，有根据弹性原件受力变形的测压法，也有将被测压力转换成各种电量 的电测法等。 在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。绝对压力 是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用 pa 表示。用来测量绝对压力的 仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用 p0 表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差称为表压 力，用 pi 表示。即 pi=pa-p0 （3- 3） 由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使 用的压力仪表测量的值称为表压力。显然当绝对压力值 pa 小于大气压力值 p0 时，表压力为负值，所测值称为负压

40、力或称真空压，它的绝对值称为真空度。 压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕(pa)，工 业上常采用千帕(kpa)或兆帕(mpa)作为压力的单位6。 设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压 力值，还可以将信号送到控制器。青岛奥斯特技术开发有限公司的 hr-ytz 电阻 远传压力表，如图 3.5 所示。hr-yz 表示压力真空表；hr-z 表示真空表；hr-y 表示一般压力表；hr-yb 表示精密压力表。 图 3.6 远传压力表 用途说明： 电阻远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气 体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线

41、电阻式发送器，故可把被测值以 电量值传至远离点的二次仪表上，以实现集中检测和远距控制。此外，本仪表 并能就地指示压力，以便于现场工艺检查。 主要技术要求： 精确度等级：1.6 发送器起始电阻值：320 发送器满度电阻值：340400 第四章第四章 恒压供水系统电路设计恒压供水系统电路设计 4.1 系统主电路分析及其设计系统主电路分析及其设计 基于 plc 的变频恒压供水系统主电路图如图 4.1 所示：三台电机分别为 m1、m2、m3，它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器 km1、km3、km5 分别控制 m1、m2、m3 的工频运行；接触器 km2、km4、km6 分别控制 m1、m2、

42、m3 的变频 运行；fr1、fr2、fr3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器； qs1、qs2、qs3、qs4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；fu 为主 电路的熔断器。 本系统采用三泵循环变频运行方式，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器 控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如 果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变 频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。 n l1 l2 l3 fu 变频器 qs1 r s t u v w qs

43、2 km2 fr1 km1 m1 3 km3 m2 3 km5 m3 3 km4 fr2 qs3qs4 km6 fr3 图 4.1 变频恒压供水系统主电路图 三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 r、s、t 端，变频器的输 出端 u、v、w 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器 的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。 主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载 保护由相应的热继电器 fr 实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变 频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接 通工频

44、回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时， 也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以 km1 和 km2、km3 和 km4、km5 和 km6 绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互 锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送 器将 420ma 电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表 显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初 始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改 变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开 主电路(如

45、直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软 停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用 自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。 4.2 系统控制电路分析及其设计系统控制电路分析及其设计 系统实现恒压供水的主体控制设备是 plc，控制电路的合理性，程序的可 靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司 s7-200 系列 plc，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。 plc 主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自 动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵 在

46、启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应 急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。 如图 4.2 为电控系统控制电路图。图中 sa 为手动/自动转换开关，sa 打在 1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用 按钮 sb1sb6 控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在 plc 程序控制下运行。 图中的 hl10 为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供 一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器 ka 的触点对变频器进行复频控 制。图中的 q0.0q0.5 及 q1.1q1.5 为 plc 的输出继

47、电器触点，他们旁边的 4、6、8 等数字为接线编号，可结合下节中图 4.3 一起读图。 sb1 km1 sb2 q0.0 q0.1 km2 km1 km1 km2 hl1 hl2 fr1 sb5 km5 sb6 q0.4 q0.5 km6 km5 km5 km6 hl5 hl6 fr3 sb3 km3 sb4 q0.2 q0.3 km4 km3 km3 km4 hl3 hl4 fr2 plc n l1 fu2 sa 1 2 q1.1 hl7 q1.3 hl9 q1.2 hl8 hl10 q1.4 q1.5 ka ha n1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 图 4.2

48、 变频恒压供水系统控制电路图 注：plc 各 i/o 端口、各指示灯所代表含义在下一节 i/o 端口分配中将详细介绍。 本系统在手动/自动控制下的运行过程如下： (1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的 检测与维修。单刀双掷开关 sa 打至 1 端时开启手动控制模式，此时可以通过开 关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。sb1 按下时由于 km2 常闭触 点接通电路使得 km1 的线圈得电，km1 的常开触点闭合从而实现自锁功能，电 机 m1 可以稳定的运行在工频下。只有当 sb2 按下时才会切断电路，km1 线圈失 电，电机 m1 停止运行。同理，可以通过按

49、下 sb3、sb5 启动电机 m2、m3，通过 按下 sb4、sb6 来使电机 m2、m3 停机。 （2）自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀 双掷开关 sa 打至 2 端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由 plc 程序控 制。q0.0 输出 1#水泵工频运行信号，q0.1 输出 1#水泵变频运行信号，当 q0.0 输出 1 时，km1 线圈得电，1#水泵工频运行指示灯 hl1 点亮，同时 km1 的常闭 触点断开，实现 km1、km2 的电气互锁。当 q0.1 输出 1 时，km2 线圈得电，1# 水泵变频运行指示灯 hl2 点亮，同时 km2 的常闭触点断开，

50、实现 km2、km1 的电 气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当 q1.1 输出 1 时，水池水位 上下限报警指示灯 hl7 点亮；当 q1.2 输出 1 时，变频器故障报警指示灯 hl8 点 亮；当 q1.3 输出 1 时，白天供水模式指示灯 hl9 点亮；当 q1.4 输出 1 时，报 警电铃 ha 响起；当 q1.5 输出 1 时，中间继电器 ka 的线圈得电，常开触点 ka 闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯 hl10 一直点亮7。 4.3 plc 的的 i/o 端口分配及外围接线图端口分配及外围接线图 基于 plc 的变频恒压供水系统设

51、计的基本要求如下： (1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供 水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天小区的用水量大，系统 高恒压值运行；夜间小区用水量小，系统低恒压值运行。 (2) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过 3h，则要切换 下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只 用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。 (3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原 则。 (4) 三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制 功能，手动只在应急或检修时临时使用。 (5) 系

52、统要有完善的报警功能。 根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号 如表 4.1 所示。 表 4.1 输入输出点代码及地址编号 名 称代 码地址编号 供水模式信号(1-白天，0-夜间) sa1i0.0 水池水位上下限信号 slhli0.1 变频器报警信号 sui0.2 试灯按钮 sb7i0.3 输 入 信 号 压力变送器输出模拟量电压值 upaiw0 1#泵工频运行接触器及指示灯km1、hl1 q0.0 1#泵变频运行接触器及指示灯km2、hl2 q0.1 2#泵工频运行接触器及指示灯km3、hl3 q0.2 2#泵变频运行接触器及指示灯km4、hl4 q0.3 3#泵工

53、频运行接触器及指示灯km5、hl5 q0.4 输 出 信 号 3#泵变频运行接触器及指示灯km6、hl6 q0.5 水池水位上下限报警指示灯 hl7q1.1 变频器故障报警指示灯 hl8q1.2 白天模式运行指示灯 hl9q1.3 报警电铃 haq1.4 变频器频率复位控制 kaq1.5 输 出 信 号 变频器输入电压信号 ufaqw0 结合系统控制电路图 4.2 和 plc 的 i/o 端口分配表 4.1，画出 plc 及扩展 模块外围接线图，如图 4.3 所示： 1m 0.0 0.1 1.0 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2

54、.1 2.0 1.7 1.6 2m 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1l 0.0 l+ m 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 3l 1.0 0.7 0.6 0.5 2l 0.4 0.3 0.2 0.1 地 1.7 1.6 l1 n 。 ac 。 cpu 226 cn 2rs485 m v0 m0 地 l+ ra a+ i0b- b+ rb a- d- d+ rd c- c+ rc 偏移 配置 增益 em235 i0i1i2 q0q1 sa1 窗口 比较器 液位 变送器 水位上下 限信号 su slhl sb7 4 6 8 1012 1424222018162n1 压力变送器输 出

55、压力信号 输入变频器 图 4.3 plc 及扩展模块外围接线图 本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括 4 个数字量和 1 个模拟量。 压力变送器将测得的管网压力输入 plc 的扩展模块 em235 的模拟量输入端口作 为模拟量输入；开关 sa1 用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关 量输入 i0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较 器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输 出高电平 1，送入 i0.1；变频器的故障输出端与 plc 的 i0.2 相连，作为变频器 故障报警信号；开关 sb7 与 i0.3 相连作为试灯信号，用

56、于手动检测各指示灯是 否正常工作。 本变频恒压供水系统有 11 个数字量输出信号和 1 个模拟量输出信号。 q0.0q0.5 分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；q1.1 输出水位超限报 警信号；q1.2 输出变频器故障报警信号；q1.3 输出白天模式运行信号；q1.4 输出报警电铃信号；q1.5 输出变频器复位控制信号；aqw0 输出的模拟信号用于 控制变频器的输出频率。 图 4.3 只是简单的表明 plc 及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义 上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面 的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护

57、措施等。 4.4 plc 程序设计程序设计 plc 控制程序采用 siemens 公司提供的 step 7-microwin-v40 编程软件开 发。该软件的 simatic 指令集包含三种语言，即语句表(stl)语言、梯形图(lad)语 言、功能块图(fwd)语言8。语句表(stl)语言类似于计算机的汇编语言，特别 适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面 向机器硬件的语言。梯形图(lad)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气 控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看 作是 plc 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件

58、逻辑，因此， 它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程 工具。功能块图(fwd)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个 模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运 算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 plc 控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完 成，编译后通过 pc/ppi 电缆把程序下载到 plc，控制任务的完成，是通过在 run 模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 4.4.1 控制系统主程序设计控制系统主程序设计 plc 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机

59、变频/工 频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程 序等构成。 (1)系统初始化程序 在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时 候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变 频器变频运行的上下限频率、pid 控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的 初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通 过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下 的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。 (2)增、减泵判断和相应操作程序 当 pid 调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于

60、等于变频运行下限频 率）且水泵稳定运行时，定时器计时 5min（以便消除水压波动的干扰）后执行 工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。 (3) 水泵的软启动程序 增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生 当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。 当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过 3h 则自 动倒泵变频运行。 (4) 各水泵变频运行控制逻辑程序 各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以 1#水泵为例进行说明。 当第一次上电、故障消除或者产生 1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、 未产