变频调速恒压供水论文

1、摘摘 要要 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. 我国中小城市水厂尤其是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 和水位变化及时作出恰当的反应。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而 又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。为了保证供水， 机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于 超压运行状态，曝损也十分严重。 本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于 plc 的

2、变频调速 恒压自动控制供水系统。系统工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越 性。 本设计恒压变频供水设备由 plc、变频器、传感器、电动机和水泵等组成。 通过 plc、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变 流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入 plc,经 plc 运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动 调整水泵机组高效率地运行。 文中详细介绍了所选 plc 机、变频器、传感器及 pid 算法等的特点、各高 级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图等。 关键词：可编程控制器；变频器；传感器；恒

3、压供水系统。 abstract along with the social economy rapid development, the urban construction scale unceasing expansion, population increase as well as the people living standard unceasing enhancement, to the city water supply quantity, the quality, the stability set the more and more high request. our co

4、untry small and medium- sized town and city water works in particular old water works automatic control system disposition relative backwardness, units control main dependence attendants manual operation. the controlled process is tedious, moreover the hand control is unable to the water supply pipe

5、 network pressure and the water level change makes the appropriate response promptly.therefore chooses one kind to conform to various aspects standard, the health safe and also theeconomical reasonable water supply way, gave the water supply design to us to bring the new challenge.in order to guaran

6、tee the water supply, the unit usually is at the overpressure condition movement, not only the efficiency low, the power consumption is big, moreover the city pipe network is at the overpressure running status for a long time, the insolation damages extremely is also serious. the present paper unifi

7、es our country small and medium-sized town and cities for the water works present situation, has designed a set based on the plc frequency conversion velocity modulation constant pressure automatic control water supply system.the system work is reliable, the easy to operate, the pressure is stable,

8、does not have superiority and so on impact. this design constant pressure frequencyconversion feedwater equipment by plc, the frequency changer, the sensor, the electric motor and the water pump and so on is composed.through plc, the frequency changer, the relay, the contact device control water pum

9、p unit running status, realizes the pipe network constant pressure variable current quantity water supply request.when the equipment moves, the pressure transmitter transforms the pipe network hydraulic pressure signal the electrical signal to send in unceasingly plc, after plc operation processing,

10、 obtains the optimizing control parameter, through frequency changer and black-white control part automatic control water pump unit high efficiency movement. in the article introduced in detail chooses plc machine, the frequencychanger, the sensor and the pid algorithm and so on the characteristic,

11、each high-quality unit use and the hypothesis situation, has given the system work flow chart, the programming flow chart and so on. key word: programmable controller; frequency changer; sensor; constant pressure water supply system. 目录目录 绪论.3 1、 选题背景.5 1.1、变频恒压供水代替传统恒压供水的优点.6 1.2、恒压供水系统特点.7 1.3、系统应

12、用范围.7 1.4.变频器在供水方面的发展.7 2、选题依据.8 3、plc 的发展和市场情况.9 3.1 、plc 的应用领域.10 3.2、 plc 的国内外状况.10 3.3、 plc 未来展望.12 第一章 任务分析.12 1、设计内容：.12 2、要解决的问题：.12 3、主要功能与技术指标.12 3.1、主要功能.12 3.2、技术指标.13 第二章 系统方案设计.13 1、理论依据.13 1.1 、pid 的控制原理.13 1.1.1、pid 控制器的组成及作用.13 1.1.2、pid 的特点.14 1.2、变频调速的原理.14 1.2.1、变频器的工作原理.14 1.2.2、

13、变频器控制方式.14 1.2.3 、u/f=c 的正弦脉宽调制（ spwm ）控制方式.14 1.2.4、电压空间矢量（ svpwm ）控制方式.15 1.2.5、矢量控制（ vc ）方式.15 2、方案论证.15 3、控制方案.18 3.1、变频调速恒压供水系统结构连线图.18 3.2、系统原理说明.20 4、系统方案.20 4.1、系统工作过程.20 4.2、三台电机顺序运行方框图.21 4.3 系统闭环控制结构图.22 第三章 系统硬件设计.22 1、主电路设计与器件的选型.22 1.1、主电路的设计.22 1.2、元器件的选型.23 1.2.1、断路器 qf2 的选择.23 1.2.2

14、、断路器 qf1 的选择.24 1.2.3、接触器的选择.24 1.2.4、熔断器的选择.24 1.2.5、热继电器的选择.24 1.2.6、刀开关的选择.25 1.2.7、水泵控制阀的选择.25 1.2.8、压力变送器的选择.26 1.3、安装与配线注意事项.27 2.控制电路的设计与选型.27 2.1、控制电路的设计.27 2.1.1、对控制电路的说明.27 2.2、器件选型.29 2.2.1、变频器.29 2.2.1.1、变频器频率范围的设定.29 2.2.1.2、变频器的型号说明.29 2.2.1.3、变频器的基本配线图及其说明.30 2.2.1.4、变频器的主电路端子及其功能.31

15、2.2.2、可编程控制器（s7-200 cpu222）.31 2.2.2.1、plc 的选型.31 2.2.3、水泵电机的选择.32 第四章 系统软件设计.32 1、plc 输入输出口的分配.33 2、变频调速恒压供水系统软件流程图.34 3、变频器主要功能端子设置.36 结论.37 参考文献.38 致 谢.39 绪论绪论 1、 选题背景选题背景 近年来随着我国城市建设的迅速发展，各住宅小区，高校以及企业等水用 户对供水品质和安全可靠性的要求不断提高，为满足用户的要求，就需要高效、 节能的自动调节供水系统。目前，国内大部分供水泵站采用的是传统供水工艺， 利用恒速水泵，手工操作，人工监控、经验管

16、理，管网供水量的变化靠大小水 泵的搭配开停加上调节阀来满足。这种传统的供水系统存在漏失多、耗能高， 技术水平低，综合效率低的缺点。随着人们生活质量的提高，在生活用水方面 的质量要求也越来越高。同时，由于工厂工艺的要求，对供水质量也得出了更 高的要求。变频恒压供水以其环保、节能和供水质量高等优点在供水行业中越 来越得到认同。在城市小区化的发展中，采用以小区或社区为统一整体的供水 方案，会使设备的利用率及节能比例大大提高，并减少初始投资和占地面积。 用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而 用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压 力低；用水少而

17、供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之 间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质 量。 恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水 因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发 生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济 损失和人员伤亡。所以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益 和社会效益。 随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智 能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电 流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对

18、电网的冲击；由于泵的平均转 速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的 水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功 能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 一般住宅建筑供水可分为三种方式： 传统方式，将水输送到水塔或水箱，依靠自流的方式供给用户，这种方 式水压波动大且水质容易受到污染；又水塔占地面积大，高位水箱一般建于楼 顶，它虽然避免了水塔占地面积大的缺点，但是又人为地增加了楼房的重量， 使建筑设计及楼房造价提高。 气压罐供水，将水输送到气压罐，依靠气压罐内气体的压力将水输送到 用户，这种方式水压波动范围是气压罐的

19、上限和下限，供水用户较多时应选用 较大的气压罐，电机频繁启动，容易损坏电机。 变频调速恒压供水，这种方式现在比较流行，系统具有节能、安全、高 品质供水质量的特点，可以很好地解决传统供水方案所存在的问题，电机起 （制）动平衡，占地少。但是从许多正在运行中的泵房来看，绝大部分都达不 到理想效果，尤其是在夜间小流量供水时，系统不能切换到副泵及气压罐供水， 部分泵房即使能够切换成功，但也因系统配置不当导致系统重新切换至主泵供 水，这样就影响了整个系统的节能性。为了使变频调速恒压供水系统正常节能 运行，本文主要利用通用变频器，plc 和 pid 调节器进行设计。通常在同一路 供水系统中，设置多台常用泵，

20、供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或 两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用 一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号， 通过 pid 运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压 的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后 种差，本设计就是采用第一种方式进行控制。 1.1、变频恒压供水代替传统恒压供水的优点、变频恒压供水代替传统恒压供水的优点 1)变频恒压供水能自动 24 小时维持恒定压力，并根据压力信号自 动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造 成管网破裂及开水笼头

21、时的共振现象。 2)避免了泵的频繁启动及停止，而且启动平滑，减少了电机水泵 的启动冲击，增加了电机水泵的使用寿命，也避免了传统供水中的水锤 现象 3)传统供水中设计有水箱，不但浪费了资金，占用了较大的空间， 而且水压不稳定，水质有污染，不符合卫生标准，而采用变频恒压供水， 此类问题也就迎刃而解了。 4)采用变频恒压供水，系统可以根据用户实际用量，自动进行检 测，控制马达转速，达到节能效果。避免了水塔供水无人值班时，总要 开启一个泵运行的现象，节省了人力及物力 5)变频恒压供水可以自动实现多泵循环运动功能，延长了电机水 泵的使用寿命。 6)变频恒压供水系统保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过流、

22、 过载、过热、缺相、短路保护等功能。 一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动 机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原 则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载 时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量， 但应注意留有足够的容量。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量 变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过 电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于 这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电

23、子热保护功能是难 以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。在主要功 能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、 降速时间在采用 pid 调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定的短一些，以 免影响由 pid 调节 器决定的动态响应过程。如变频器本身具有 pid 调节功能时，只要在预置时设 定 pid 功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。 1.2、恒压供水系统特点、恒压供水系统特点 1)节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行； 2)节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量， 减少了水的跑、漏现象； 3)运行可靠：由

24、变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变 频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。 4)联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如 电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个 站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表， 以便分析统计。 5)控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。 6)自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报 警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障， 用户可以直接操作手动系统，以保护供水。 1.3、系统应用范围、系统应用范围 采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳

25、定，运行可靠，操作简单，安 装方便，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。特别适用于： 1) 自来水厂、加压泵房； 2) 居民生活区、宾馆及其它建筑； 3) 企业生产用水； 4) 锅炉循环水系统； 5) 工矿生产企业； 6) 农田灌溉系统。 变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力）， 采用一个压力传感器（反馈为 420ma）检测管网中压力，压力传感器将信号 送入变频器 pid 回路，pid 回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控 制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过 plc 作工频/ 变频切换，使实际管网压力与设定压力相一致。 另外，

26、随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。 1.4.变频器在供水方面的发展变频器在供水方面的发展 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 pid 回路调节器给出的， 所以对可编程控制器来计时，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。 由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水 设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编 程控制器的数字量输出口另接一块 pwm 调制板，将可编程控制器输出的数字量 信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设 备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控

27、制器和一个 pid 回路调 节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调 速恒压给水控制设备中，pid 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本 的一个关键环节。 2、选题依据、选题依据 一般规定城市管网的水压只保证 6 层以下楼房的用水，其余上部各层均须 “提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压 罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量， 其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。 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

28、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。恒压供水调速系统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

29、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，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为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可 靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资 更为节省，运

30、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。 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，使供 水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实 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 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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。 变频恒压供水自动控制系统工作原理如下： 系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数 据采样，并将压力信号转换为电信号，传输至 pid 调节器，然后与用户设定的 压力值进行比较和运算，并将

31、比较和运算的结果转换为频率调节信号和水泵启 动台数信号分别送至变频器和可编程控制器（plc）；变频器据以调节水泵电机 的电源频率，进而调整水泵的转速；可编程控制器械根据 pid 调节器传输过来 的水泵启动台数信号控制水泵的运转。通过对水泵的启动和停止台数及其中变 频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒移稳于用户预先设计的压力值，使供 水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒 压供水”的目的。 本文中的设计系统由可编程控制器，变频器和电动机组成，采用可编程序 控制器（plc）控制变频调速器，具有控制水泵恒压供水的功能。通过安装在管 网上的压力传感器，把水压转换成 420

32、ma 的模拟信号，通过 plc 内置的 pid 控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时， 变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时， 电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。这样通 过闭环 pid 控制就达到恒压供水的目的。 当电机出现故障（即：过压、过流、过载、电机过热保护）后，系统会自 动停止运行，当系统恢复后，再重新按操作步骤进行操作。 通过上面的论述，利用变频调速技术控制水泵站，成功地解决了能耗和污 染的两大难题，且自动化程度高，可靠性好等优点。从而引出了本设计系统的 内容和功能要求。 3、plc 的发展和

33、市场情况的发展和市场情况 1968 年美国 gm（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年 美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了 gm 公司装配线的要求。 随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代 plc 产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化 将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特 别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件 进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进 行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量 的越

34、限报警等状态量为主的离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视 的要求，所以 plc 发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。 在 plc 应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入 10 万台套 plc 产 品，年销售额 30 亿人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械 加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家 plc 产品： 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有 quantum、premium、momentum 等产品； 罗克韦尔公司（包括 ab 公司）plc 产品，目前有 slc、micro logix、control

35、logix 等产品； 西门子公司的产品，目前有 simatic s7-400/300/200 系列产品； ge 公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。 plc 的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调 查表明，plc 配套的机电一体化产品的比例占 42%，采用继电器、接触器控制尚 有 24%。所以说，需要应用 plc 的场合还很多，在我国就更是如此了。 plc 具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便 的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题， 并研究其发展趋势。 3.1 、plc 的应用领域的应用领域 目前，pl

36、c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械 制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可 归纳为如下几类。 1) 开关量的逻辑控制： 这是 plc 最基本、最广泛的应用领域，它取 代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控 制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、 组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等. 2) 模拟量控制： 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温 度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模 拟量，必须实现模拟量（analog）和数字量（digital）之间的 a

37、/d 转换及 d/a 转换。plc 厂家都生产配套的 a/d 和 d/a 转换模块，使可编程控制器用 于模拟量控制。 3) 运动控制： plc 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构 配置来说，早期直接用于开关量 i/o 模块连接位置传感器和执行机构，现 在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或 多轴位置控制模块。世界上各主要 plc 厂家的产品几乎都有运动控制功能， 广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 4) 过程控制: 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。 作为工业控制计算机，plc 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控 制。pid

38、调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 plc 都 有 pid 模块，目前许多小型 plc 也具有此功能模块。pid 处理一般是运行 专用的 pid 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有 非常广泛的应用。 5) 数据处理: 现代 plc 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑 运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数 据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较， 完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它 们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系 统；也可用于过程控制系统，

39、如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制 系统。 6) 通信及联网: plc 通信含 plc 间的通信及 plc 与其它智能设备间的 通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 plc 厂商 都十分重视 plc 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 plc 都具有通信接口，通信非常方便。 3.2、 plc 的国内外状况的国内外状况 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动 作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传 统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 gm（通用汽 车）公司提出取代继电气控制装

40、置的要求，第二年，美国数字设备公司（dec） 研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于 电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 programmable ,是世界上公认的 第一台 plc. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 plc 主要由分立元件和 中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 plc 增加了运 算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为 了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继 电器电路图类似

41、的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存 储元件都以继电器命名。此时的 plc 为微机技术和继电器常规控制概念相结合 的产物。个人计算机（简称 pc）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控 制器的功能特点，可编程序控制器定名为 programmable logic controller（plc）。 20 世纪 70 年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术 已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型 体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid 功能及极高的性价比奠定 了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先

42、进工业国家 中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高 性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家 日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 plc 发展最快的时期，年增长率一直保 持为 3040%。在这时期，plc 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能 力和网络能力得到大幅度提高，plc 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取 代了在过程控制领域处于统治地位的 dcs 系统。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从 控制规模上来说，这个时期发展了

43、大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞 生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控 制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应 用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械 制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。 最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备 及产品中不断扩大了 plc 的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控 制器。上海东屋电气有限公司生产的 cf 系列、杭州机床电器厂生产的

44、 dkk 及 d 系列、大连组合机床研究所生产的 s 系列、苏州电子计算机厂生产的 yz 系列等 多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公 司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的 plc 生产厂家。可以预 期，随着我国现代化进程的深入，plc 在我国将有更广阔的应用天地。 3.3、 plc 未来展望未来展望 21 世纪，plc 会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多 地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、 智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展； 从产品的配套性上看，产品的品种会更丰

45、富、规格更齐全，完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求. 第一章第一章 任务分析任务分析 1、设计内容、设计内容 （1）根据任务书要求，首先擦、查阅相关资料，进行方案论证； （2）根据方案论证的结果，进行硬件电路的设计； （3）故居设计要求对涉及到的硬件电路的元器件进行选型（包括电动，熔 断器，断路器，接触器，水泵和电机，变频器等的选择） ； （4）确定 plc 的 i/o 口分配，绘制系统软件流程图； （5）完成 plc 控制程序的设计，画出梯形图； （6）完善相关遗留问题。 2、要解决的问题、要解决的问题 （1）根据任务书的要求，次设计是由 plc 控制的变频调

46、速恒压供水系统， 并且由一台变频器拖动三台水泵电机变频运行，并且管网出口压力为 0.5mpa， 流量为 30m3/h,为了达到这些要求就要对涉及到的元器件进行选型，这就要我们 去查阅相关的元器件的选择原则，包括容量，额定电流，额定电压，功率等相 关参数； （2）由于要用 plc 控制变频器拖动 3 台水泵，并且用到 pid 程序，这就 要求我们必须熟悉并掌握 pid 算法程序的理论及参数的整定方法，学会它的编 程思想。 3、主要功能与技术指标、主要功能与技术指标 3.1、主要功能、主要功能 变频调速的主要任务是在不同的水管压力下，对电动机的转速进行控制， 增加或减少水泵的功率，既能保证用户的用

47、水要求，又能减少对资源的浪费。 根据对本设计任务的分析，该系统的主要功能为：低速启动时，以减少对电网 的冲击；变频运行时，对于不同的供水需求做出不同的运行指令；工频运行时， 满足大量用户的用水需求。 启动电动机后，逐渐升高频率，同时不断检测供水管内的压力值，压力值 小于设定值时，继续升频，直到达到工频，然后切掉变频器使电动机运行在工 频阶段，若检测到管内压力值大于设定值，则再次启动变频器，使之对电动机 进行变频控制，这样就完成了一次变频与工频的切换过程。 3.2、技术指标、技术指标 1）管内出口压力为 0.5mpa； 2）plc 有 3 输入 9 输出（包括一个模拟量输入和一个模拟量输出） ；

48、 3）流量为 30 m3/h。 第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 1、理论依据、理论依据 1.1 、pid 的控制原理的控制原理 1.1.1、pid 控制器的组成及作用控制器的组成及作用 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分： 测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节 控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较 后，如何才能更好地纠正系统。pid（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化 的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid 控制器 简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条

49、件，因而成为应用最为广泛的 控制器， pid 控制器由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元 （d）组成，其中： 比例（p）调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比 例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误 差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分（i）调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差， 积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用 的强弱取决与积分时间常数 ti，ti 越小，积分作用就越强。反之 ti 大则积分 作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用

50、常与另 两种调节规律结合，组成 pi 调节器或 pid 调节器。 微分（d）调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性， 能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前， 已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合 适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用， 因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而 当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外 两种调节规律相结合，组成 pd 或 pid 控制器。 使用中只需设定三个参数（kp，ki 和 kd）即可，在很多情

51、况下，并不一定 需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少 的。 1.1.2、pid 的特点的特点 首先，pid 应用范围广:虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其 简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 pid 就可控制了。 其次，pid 参数较易整定；也就是，pid 参数 kp，ki 和 kd 可以根据过程的 动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能负载的变化引起系统 动态特性变化，pid 参数就可以重新整定。 第三，pid 控制器在实践中也不断的得到改进。 1.2、变频调速的原理、变频调速的原理 1.2.1、变频器的工作原理、变频

52、器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式为： n 60 f(1 s)/p （1） 式中 n 异步电动机的转速； f 异步电动机的频率； s 电动机转差率； p 电动机极对数。 由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电 动机的转速，当频率 f 在 0 50hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围 非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的 高效率、高性能的调速手段。 1.2.2、变频器控制方式、变频器控制方式 低压通用变频输出电压为 380 650v ，输出功率为 0.75 400kw ， 工作频率为 0 400hz ，它

53、的主电路都采用交 直 交电路。其控制方 式经历了以下三代。 1.2.3 、u/f=c 的正弦脉宽调制（的正弦脉宽调制（ spwm ）控制方式）控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足 一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控 制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著， 使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能 力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变 化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死 区效应的存在而性能下降，稳定性变

54、差等。因此人们又研究出矢量控制变频调 速。 1.2.4、电压空间矢量（、电压空间矢量（ svpwm ）控制方式）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨 迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反 馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提 高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以 系统性能没有得到根本改善。 1.2.5、矢量控制（、矢量控制（ vc ）方式）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐

55、标系下的定子电流 ia 、 ib 、 ic 、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 ia1、ib1 ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流 电流 im1 、 it1 （ im1 相当于直流电动机的励磁电流； it1 相当于与转矩 成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控 制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电 动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制 转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现 正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然

56、而在实际应用中， 由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直 流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到 理想分析的结果。 2、方案论证、方案论证 系统的控制方案的确定是整个供水控制系统的关键，设计控制系统，首先 必须确定系统的控制方案，所要控制的对象和目标是什么。在此前提下进行后 面的设计，设计出一个满足性能指标和功能的系统。其实针对一个控制系统来 说，有很多种控制方案，但是在确定系统方案时，必须从节能、环保、经济、 可靠性等方面来考虑，综合各方面的因素才确定出系统方案。本系统中设计了 四种控制方案，并进行了比较分析，最后确定出系统方案。

57、方案 1： 供水系统采用水塔供水。传统的水塔供水完全依赖值班人员的手动操作， 值班人员定期的把水抽到高位蓄水池里，用浮子判断蓄水池的水位高低，当蓄 水池的水位达到高位时，值班人员才停止抽水，这是利用水的势能供用户供水， 这种控制过程无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当地反映，而且也 很难保证供水的质量。优点是控制方式简单，短时维修和断电可不停水，当用 水量小时，可以长时间不在开泵。 方案 2： 采用气压罐供水，为了减少水泵启动次数，停泵压力往往比较高，致使水 泵工作在低效段，因此出水压力无谓的增加，也使浪费加大，所以这种供水方 式比水塔费电，因水泵为硬起动，联轴器冲击大，起动电流大，触电

58、易烧，当 用水量比较大时，将造成电机启停频繁，电机已烧坏。 优点是：控制方式简单，便于维修，当罐内水满时，容许段时间不断水维 修和断电可不停水，当用水量小时，可以长时间不在开泵，这种方式适合与用 水量少的场所，如办公大楼以及加油站。 方案 3： 单片机变频调速供水系统，该系统也能做到变频调速，自动化程度要优于 上面两种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求也比较高， 可靠性比较低，维修不方便，且不适与恶劣的工业环境中。 方案 4： 采用变频调速恒压供水系统，凡是在可变转速的拖动电机，采用变频调速 技术节能效果显著，这种调速技术调速性能好，运行工艺安全等优点，节能型 可靠性好、取代

59、水塔，气压罐、高位水箱等恒压供水的自动控制系统。 对以上所列举的四种方案相比较，方案 1 与方案 2 在供水的方式上有所不 同，这两种供水方式的可靠性不是很高，都适合与用水量不高的场合。自动化 程度也差，不适合与现代工业的控制系统。但是方案 1 和方案 2 都有相同的优 点，就是便于维修，控制方式简单，经济性高，但是不能满足现代的供水系统。 方案 4 与传统的交流拖动系统相比，变频器对交流电动机进行调速控制的交流 拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现 大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频 度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动

60、机进行高速驱动，可以适应各 种工作环境，可以用以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因 数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中 大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以替代 传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明 显 对于方案 1、方案 2 来说，远远不能满足现代工业的控制，也不能满足供 水的要求，变频调速恒压供水系统，供水系统管道压力恒定而流量可在大范围 内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期 水管道压力太小的情况。 采用可编程控制器来实现本次变频恒压供水系统的控制，这