基于PLC的变频调速恒压供水系统-自动化等专业

1、长春工业大学人文信息学院学士学位论文 摘要 PAGE 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, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。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、工控机等构成。本系统包含三台台水泵电机，它它们组成变频频循环运行方方式。采用变变频器实现对对三相水泵电电机的软启动动和变频调速速，运行切换换采用“先启启先停”的原原则。压力传传感器检测当当前水压信号号，送入PLLC与设定值值比较后进行行PID运算算，从而控制制变频器的输输出电压和频频率，进而改改变水泵电机机的转速来改改变供水量，最最终保持管网网压力稳定在在设定

2、值附近近。通过工控控机与PLCC的连接，采采用组态软件件完成系统监监控，实现了了运行状态动动态显示及数数据、报警的的查询。关键词：变频调调速，恒压供供水，PLC，组态软件长春工业大学人文信息学院学士学位论文 ABSTRACCTAccordiing too the requiiremennt of Chinaas urrban wwater supplly, thiss papeer dessigns a sett of wwater supplly sysstem oof freequeceey conntrol of coonstannt volltage basedd on PPLC, a

3、and haave deevelopped goood opperatiion maanagemment iinterfface uusing Superrvisioon Conntrol and DData AAcquissitionn.The systeem is made up off PLC, trannsduceer,unitss of ppumps,presssure ssensorr and contrrol maachinee and so onn. This syystem is foormed by thhree ppump ggeneraators,and tthey f

4、form tthe ciirculaating run mmode oof freequenccy connversiion. WWith ggeneraal freequenccy connverteer reaalize for tthree phasee pumpp geneeratorr softt starrt witth freequenccy conntrol,operaation switcch adoopts tthe prrincipple off”starrt firrst sttop fiirst”. The detecction signaal of presssur

5、e ssensorr of hhydrauulic ppressuure,viia PLCC withh set valuee by ccarry out PPID coompariison ooperattion,sso,conntrol frequuency and tthe exxport voltaage off freqquencyy convverterr,and then the rrotatiional speedd thatt channges ppump ggeneraator ccome tto chaange wwater supplly quaantityy,even

6、ntuallly,it is neearby to maaintaiin pippe nett presssure to sttabiliize whhen seet vallue. TThrouggh worrk conntrol machiine thhe connnectiion wiith PLLC,witth grooup foorm sooftwarre connsummaately systeematicc moniitorinng,havve reaalizedd operrationn statte devvelopmment tto shoow andd dataa,rep

7、oort too the policce inqquiry.Keywordds: variiable frequuency speedd-regullatingg, constaant-presssure waterr suppply, PLC, supeervisiion coontroll and data acquiisitioon.长春工业大学人文信息学院学士学位论文目录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc233100241 1 绪论 PAGEREF _Toc233100241 h 1 HYPERLINK l _Toc233100242 1.1 课题的的提出

8、 PAGEREF _Toc233100242 h 1 HYPERLINK l _Toc233100243 1.2 变频恒恒压供水系统统的国内外研研究现状 PAGEREF _Toc233100243 h 3 HYPERLINK l _Toc233100244 1.3 PLCC概述 PAGEREF _Toc233100244 h 5 HYPERLINK l _Toc233100245 1.4 本课课题的主要研研究内容 PAGEREF _Toc233100245 h 7 HYPERLINK l _Toc233100246 2 系统的理论论分析及控制制方案确定 PAGEREF _Toc23310024

9、6 h 8 HYPERLINK l _Toc233100247 2.1 变频恒恒压供水系统统的理论分析析 PAGEREF _Toc233100247 h 8 HYPERLINK l _Toc233100248 2.2 变频恒恒压供水系统统控制方案的的确定 PAGEREF _Toc233100248 h 11 HYPERLINK l _Toc233100249 3 系统的硬件件设计 PAGEREF _Toc233100249 h 19 HYPERLINK l _Toc233100250 3.1 系统主主要设备的选选型 PAGEREF _Toc233100250 h 19 HYPERLINK l

10、_Toc233100251 3.2 系统主主电路分析及及其设计 PAGEREF _Toc233100251 h 23 HYPERLINK l _Toc233100252 3.3 系统控控制电路分析析及其设计 PAGEREF _Toc233100252 h 25 HYPERLINK l _Toc233100253 3.4 PLCC的I/O端口分分配及外围接接线图 PAGEREF _Toc233100253 h 27 HYPERLINK l _Toc233100254 4 系统的软件件设计 PAGEREF _Toc233100254 h 31 HYPERLINK l _Toc233100255 4

11、.1 系统软软件设计分析析 PAGEREF _Toc233100255 h 31 HYPERLINK l _Toc233100256 4.2 PLCC程序设计 PAGEREF _Toc233100256 h 33 HYPERLINK l _Toc233100257 4.3 PIDD控制器参数数整定 PAGEREF _Toc233100257 h 40 HYPERLINK l _Toc233100258 5 监控系统的的设计 PAGEREF _Toc233100258 h 46 HYPERLINK l _Toc233100259 5.1 组态软软件简介 PAGEREF _Toc233100259

12、 h 46 HYPERLINK l _Toc233100260 5.2 监控系系统的设计 PAGEREF _Toc233100260 h 46 HYPERLINK l _Toc233100261 6 结束语 PAGEREF _Toc233100261 h 551 HYPERLINK l _Toc233100262 参考文献 PAGEREF _Toc233100262 h 533 HYPERLINK l _Toc233100263 致谢 PAGEREF _Toc233100263 h 55 HYPERLINK l _Toc233100264 附录 PAGEREF _Toc233100264 h

13、56 HYPERLINK l _Toc233100265 附录A 英文文文献 PAGEREF _Toc233100265 h 56 HYPERLINK l _Toc233100266 附录B 中文翻翻译 PAGEREF _Toc233100266 h 65 HYPERLINK l _Toc233100267 附录C 主程序序梯形图 PAGEREF _Toc233100267 h 71长春工业大学人文信息学院学士学位论文 PAGE 111 绪论1.1 课题的的提出水和电是人类生生活、生产中中不可缺少的的重要物质，在在节水节能已已成为时代特特征的现实条条件下，我们们这个水资源源和电能源短短缺的国家

14、，长长期以来在市市政供水、高高层建筑供水水、工业生产产循环供水等等方面技术一一直比较落后后，自动化程程度较低，而随着着我国社会经经济的发展，人人们生活水平平的不断提高高，以及住房房制度改革的的不断深入，城城市中各类小小区建设发展展十分迅速，同同时也对小区区的基础设施施建设提出了了更高的要求求。小区供水水系统的建设设是其中的一一个重要方面面，供水的可可靠性、稳定定性、经济性性直接影响到到小区住户的的正常工作和和生活，也直直接体现了小小区物业管理理水平的高低低。传统的小区供水水方式有：恒速泵加压压供水、气压压罐供水、水水塔高位水箱箱供水、液力力耦合器和电池池滑差离合器器调速的供水水方式、单片片机变

15、频调速速供水系统等等方式，其优优、缺点如下下1：(1) 恒速泵泵加压供水方方式无法对供供水管网的压压力做出及时时的反应，水水泵的增减都都依赖人工进进行手工操作作，自动化程程度低，而且且为保证供水水，机组常处处于满负荷运运行，不但效效率低、耗电电量大，而且且在用水量较较少时，管网网长期处于超超压运行状态态，爆损现象象严重，电机机硬起动易产产生水锤效应应，破坏性大大，目前较少少采用。(2) 气压罐罐供水具有体体积小、技术术简单、不受受高度限制等等特点，但此此方式调节量量小、水泵电电机为硬起动动且起动频繁繁，对电器设设备要求较高高、系统维护护工作量大，而而且为减少水水泵起动次数数，停泵压力力往往比较

16、高高，致使水泵泵在低效段工工作，而出水水压力无谓的的增高，也使使浪费加大，从从而限制了其其发展。(3) 水塔高高位水箱供水水具有控制方方式简单、运运行经济合理理、短时间维维修或停电可可不停水等优优点，但存在在基建投资大大，占地面积积大，维护不不方便，水泵泵电机为硬起起动，启动电电流大等缺点点，频繁起动动易损坏联轴轴器，目前主主要应用于高高层建筑。(4) 液力耦耦合器和电池池滑差离合器器调速的供水水方式易漏油油，发热需冷冷却，效率低低，改造麻烦烦，只能是一一对一驱动，需需经常检修；优点是价格格低廉，结构构简单明了，维维修方便。(5) 单片机机变频调速供供水系统也能能做到变频调调速，自动化化程度要

17、优于于上面4种供水方式式，但是系统统开发周期比比较长，对操操作员的素质质要求比较高高，可靠性比比较低，维修修不方便，且且不适用于恶恶劣的工业环环境。综上所述，传统统的供水方式式普遍不同程程度的存在浪浪费水力、电电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度度不高等缺点点，严重影响响了居民的用用水和工业系系统中的用水水。目前的供供水方式朝向向高效节能、自自动可靠的方方向发展，变变频调速技术术以其显着的的节能效果和和稳定可靠的的控制方式，在在风机、水泵泵、空气压缩缩机、制冷压压缩机等高能能耗设备上广广泛应用，特特别是在城乡乡工业用水的的各级加压系系统，居民生生活用水的恒恒压供水系统统中，变频调调速水泵节能

18、能效果尤为突突出，其优越越性表现在：一是节能显显著；二是在开开、停机时能能减小电流对对电网的冲击击以及供水水水压对管网系系统的冲击；三是能减小小水泵、电机机自身的机械械冲击损耗2。基于PLC和变变频技术的恒压供供水系统集变变频技术、电电气技术、现现代控制技术术于一体。采采用该系统进进行供水可以以提高供水系系统的稳定性性和可靠性，同同时系统具有有良好的节能能性，这在能能源日益紧缺缺的今天尤为为重要，所以以研究设计该该系统，对于于提高企业效效率以及人民民的生活水平平、降低能耗耗等方面具有有重要的现实实意义。1.2 变频恒恒压供水系统统的国内外研研究现状1.2.1 变变频调速技术术的国内外发发展与现

19、状变频器的快速发发展得益于电电力电子技术术、计算机技技术和自动控控制技术及电电机控制理论论的发展。11964年，最最先提出把通通信技术中的的脉宽调制PPWM技术应应用到交流传传动中的是德德国人。200世纪80年年代初，日本本学者提出了了基于磁通轨轨迹的磁通轨轨迹控制方法法。从20世世纪80年代代后半期开始始，美、日、德德、英等发达达国家的基于于VVVF技技术的通用变变频器已商品品化并广泛应应用。在我国国，60%的的发电量是通通过电动机消消耗掉的，因因此如何利用用电机调速技技术进行电机机运行方式的的改造以节约约电能，一直直受到国家和和业界人士的的重视。现在在，我国约有有200家左左右的公司、工工

20、厂和研究所所从事变频调调速技术的工工作，但自行行开发生产的的变频调速产产品和国际市市场上的同类类产品相比，还还有比较大的的技术差距。随随着改革开放放和经济的高高速发展，我我国采取要么么直接从发达达国家进口现现成的变频调调速设备，要要么内外结合合，即在自行行设计制造的的成套装置中中采用外国进进口或合资企企业的先进变变频调速设备备，然后自己己开发应用软软件的办法，很很好地为国内内重大工程项项目提供了电电气传动控制制系统的解决决办法，适应应了社会的需需要。总之，虽虽然国内变频频调速技术取取得了较好的的成绩，但是是总体上来说说国内自行开开发、生产相相关设备的能能力还比较弱弱，对国外公公司的依赖还还很严

21、重。1.2.2 变变频恒压供水水系统的国内内外研究与现现状变频恒压供水是是在变频调速速技术的发展展之后逐渐发发展起来的。在在早期，由于于国外生产的的变频器的功功能主要限定定在频率控制制、升降速控控制、正反转转控制、起动动控制以及制动控制制、压频比控控制以及各种保护护功能。应用用在变频恒压压供水系统中中，变频器仅仅作为执行机机构，为了满满足供水量大大小需求不同同时，保证管管网压力恒定定，需在变频频器外部提供供压力控制器器和压力传感感器，对压力力进行闭环控控制。随着变变频技术的发发展和变频恒恒压供水系统统的稳定性、可可靠性以及自自动化程度高高等方面的优优点以及显著著的节能效果果被大家发现现和认可后

22、，国国外许多生产产变频器的厂厂家开始重视视并推出具有有恒压供水功功能的变频器器，像日本SSamco公公司，就推出出了恒压供水水基板，备有有“变频泵固定定方式”、“变频泵循环环方式”两种模式它它将PID调节器器和PLC可编程程控制器等硬硬件集成在变变频器控制基基板上，通过过设置指令代代码实现PLLC和PID等电控控系统的功能能，只要搭载载配套的恒压压供水单元，便便可直接控制制多个内置的的电磁接触器器工作，可构构成最多7台电机(泵)的供水系统统。这类设备备虽微化了电电路结构，降降低了设备成成本，但其输输出接口的扩扩展功能缺乏乏灵活性，系系统的动态性性能和稳定性性不高，与别别的监控系统统(如BA系统

23、)和组态软件件难以实现数数据通信，并并且限制了带带负载的容量量，因此在实实际使用时其其范围将会受受到限制33。目前国国内有不少公公司在做变频频恒压供水的的工程，大多多采用国外的的变频器控制制水泵的转速速，水管管网网压力的闭环环调节及多台台水泵的循环环控制，有的的采用可编程程控制器(PPLC)及相相应的软件予予以实现；有的采用单单片机及相应应的软件予以以实现。但在在系统的动态态性能、稳定定性能、抗扰扰性能以及开开放性等多方方面的综合技技术指标来说说，还远远没没能达到所有有用户的要求求。原深圳华华为电气公司司和成都希望望集团也推出出了恒压供水水专用变频器器(5.5kw22kw)，无需外接接PLC和

24、PID调节器器，可完成最最多4台水泵的循循环切换、定定时起、停和和定时循环。该该变频器将压压力闭环调节节与循环逻辑辑控制功能集集成在变频器器内部实现，但但其输出接口口限制了带负负载容量，同同时操作不方方便且不具有有数据通信功功能，因此只只适用于小容容量，控制要要求不高的供供水场所。可可以看出，目目前在国内外外变频调速恒恒压供水控制制系统的研究究设计中，对对于能适应不不同的用水场场合，结合现现代控制技术术、网络和通通讯技术同时时兼顾系统的的电磁兼容性性(EMC)的变频频恒压供水系系统的水压闭闭环控制研究究得不够。因因此，有待于于进一步研究究改善变频恒恒压供水系统统的性能，使使其能被更好好的应用于

25、生生活、生产实实践4。1.3 PLCC概述1.3.1 可可编程控制器器的定义可编程控制器，简简称PLC(Progrrammabble loogic CControoller)，是指以计计算机技术为为基础的新型型工业控制装装置。在19987年国际际电工委员会会(Inteernatiional Electtricall Commmitteee)颁布的PLCC标准草案中中对PLC做了如如下定义:“PLC是一种种专门为在工工业环境下应应用而设计的的数字运算操操作的电子装装置。它采用用可以编制程程序的存储器器，用来在其其内部存储执执行逻辑运算算、顺序运算算、计时、计计数和算术运运算等操作的的指令，并能能

26、通过数字式式或模拟式的的输入和输出出控制各种类类型的机械或或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.3.2 PLC的发展展和应用世界上公认的第第一台PLCC是1969年美美国数字设备备公司(DEEC)研制的的。限于当时时的元器件条条件及计算机机发展水平，早早期的PLCC主要由分立立组件和中小小规模集成电电路组成，可可以完成简单单的逻辑控制制及定时、计计数功能。220世纪70年代初出现了了微处理器。人人们很快将其其引入可编程程控制器，使使PLC增加了了运算、数据据传送及处理理等功能，完完成了真正具具有计算机特特征的工业控控制装置

27、。为为了方便熟悉悉继电器、接接触器系统的的工程技术人人员使用，可可编程控制器器采用和继电电器电路图类类似的梯形图图作为主要编编程语言55 ，并将参加加运算及处理理的计算机存存储组件都以以继电器命名名。此时的PPLC为微机机技术和继电电器常规控制制概念相结合合的产物。20世纪70年代中末末期，可编程程控制器进入入实用化发展展阶段，计算算机技术已全全面引入可编编程控制器中中，使其功能能发生了飞跃跃。更高的运运算速度、超超小型体积、更更可靠的工业业抗干扰设计计、模拟量运运算、PIDD功能及极高高的性价比奠奠定了它在现现代工业中的的地位。200世纪80年代初，可可编程控制器器在先进工业业国家中已获获得

28、广泛应用用。这个时期期可编程控制制器发展的特特点是大规模模、高速度、高高性能、产品品系列化。这这个阶段的另另一个特点是是世界上生产产可编程控制制器的国家日日益增多，产产量日益上升升。这标志着着可编程控制制器已步入成成熟阶段。 20世纪末末期，可编程程控制器的发发展特点是更更加适应于现现代工业的需需要。从控制制规模上来说说，这个时期期发展了大型型机和超小型型机；从控制制能力上来说说，诞生了各各种各样的特特殊功能单元元，用于压力力、温度、转转速、位移等等各式各样的的控制场合；从产品的配配套能力来说说，生产了各各种人机界面面单元、通信信单元，使应应用可编程控控制器的工业业控制设备的的配套更加容容易。

29、目前，PLCC在国内外已已广泛应用于于钢铁、石油油、化工、电电力、建材、机机械制造、轻轻纺、交通运运输、及文化化娱乐等各个个行业，被称称为现代技术术的三大支柱柱之一。 1.3.3 西门子S7-200PLCC简介西门子公司具有有品种非常丰丰富的PLCC产品。S77系列是传统统意义的PLLC，S7-200属于于小型PLCC，在19998年升级为为第二代产品品，20044年升级为第第三代产品，其其特点如下6：(1) 功能强强大。S7-2000有5种CCPU模块，最最多可扩展77个扩展模块块，扩展到2248点数字字量I/O或或38路模拟拟量I/O，最最多有30多多KB的程序序存储空间和和数据存储空空间

30、；(2) 先进的的程序结构，功功能强大、使使用方便的编编程软件；(3) 灵活方方便的寻址方方法；(4) 强大的的通信功能和和品种丰富的的配套人机界界面；(5) 有竞争争力的价格；(6) 完善的的网上技术支支持等。1.4 本课题题的主要研究究内容本设计是以小区区供水系统为为控制对象，采采用PLC和变频频技术相结合合技术，设计计一套城市小小区恒压供水水系统，并引引用计算机对对供水系统进进行远程监控控和管理保证证整个系统运运行可靠，安安全节能，获获得最佳的运运行工况。PLC控制变频频恒压供水系系统主要有变变频器、可编编程控制器、压压力变送器和和现场的水泵泵机组一起组组成一个完整整的闭环调节节系统，本

31、设设计中有3个贮水池，33台水泵，采采用部分流量量调节方法，即即3台水泵中只只有1台水泵在变变频器控制下下作变速运行行，其余水泵泵做恒速运行行。PLC根据管管网压力自动动控制各个水水泵之间切换换，并根据压压力检测值和和给定值之间间偏差进行PPID运算，输输出给变频器器控制其输出出频率，调节节流量，使供供水管网压力力恒定。各水水泵切换遵循循先起先停、先先停先起原则则。根据以上控制要要求，进行系系统总体控制制方案设计。硬硬件设备选型型、PLC选选型，估算所所需I/O点点数，进行II/O模块选选型，绘制系系统硬件连接接图：包括系系统硬件配置置图、I/OO连接图，分分配I/O点点数，列出II/O分配表

32、表，熟练使用用相关软件，设设计梯形图控控制程序，对对程序进行调调试和修改并并设计监控系系统。长春工业大学人文信息学院学士学位论文 PAGE 1102 系统的理论论分析及控制制方案确定2.1 变频恒恒压供水系统统的理论分析析2.1.1 电电动机的调速速原理水泵电机多采用用三相异步电电动机，而其其转速公式为为： (2.11) 式中：f表示电电源频率，pp表示电动机机极对数，ss表示转差率率。从上式可知，三三相异步电动动机的调速方方法有：(l) 改变电电源频率(2) 改变电电机极对数(3) 改变转转差率改变电机极对数数调速的调控控方式控制简简单，投资省省，节能效果果显著，效率率高，但需要要专门的变极

33、极电机，是有有级调速，而而且级差比较较大，即变速速时转速变化化较大，转矩矩也变化大，因因此只适用于于特定转速的的生产机器。改改变转差率调调速为了保证证其较大的调调速范围一般般采用串级调调速的方式，其其最大优点是是它可以回收收转差功率，节节能效果好，且且调速性能也也好，但由于于线路过于复复杂，增加了了中间环节的的电能损耗7，且成成本高而影响响它的推广价价值。下面重重点分析改变变电源频率调调速的方法及及特点。根据公式可知，当当转差率变化化不大时，异异步电动机的的转速n基本本上与电源频频率f成正比比。连续调节节电源频率，就就可以平滑地地改变电动机机的转速。但但是，单一地地调节电源频频率，将导致致电机

34、运行性性能恶化。随随着电力电子子技术的发展展，已出现了了各种性能良良好、工作可可靠的变频调调速电源装置置，它们促进了变频调速的的广泛应用。2.1.2 变变频恒压供水系统的节节能原理供水系统的扬程程特性是以供供水系统管路路中的阀门开开度不变为前前提，表明水水泵在某一转转速下扬程HH与流量Q之之间的关系曲曲线，如图22.1所示。由由于在阀门开开度和水泵转转速都不变的的情况下，流流量的大小主主要取决于用用户的用水情情况，因此，扬扬程特性所反反映的是扬程程H与用水流流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特特性是以水泵泵的转速不变变为前提，表表明阀门在某某一开度下扬扬程H与流量量Q之间的关关系曲线，如图

35、22.1所示。管阻特性反反映了水泵的的能量用来克克服泵系统的的水位及压力力差、液体在在管道中流动动阻力的变化化规律。由于于阀门开度的的改变，实际际上是改变了了在某一扬程程下，供水系系统向用户的的供水能力。因因此，管阻特特性所反映的的是扬程与供供水流量Qcc之间的关系系H=f(QQc)。扬程程特性曲线和和管阻特性曲曲线的交点，称称为供水系统统的工作点，如如图2.1中中A点。在这这一点，用户户的用水流量量Qu和供水水系统的供水水流量Qc处处于平衡状态态，供水系统统既满足了扬扬程特性，也也符合了管阻阻特性，系统统稳定运行。图2.1 恒压压供水系统的的基本特征变频恒压供水系系统的供水部部分主要由水水泵

36、、电动机机、管道和阀阀门等构成。通通常由异步电电动机驱动水水泵旋转来供供水，并且把把电机和水泵泵做成一体，通通过变频器调调节异步电机机的转速，从从而改变水泵泵的出水流量量而实现恒压压供水的。因因此，供水系系统变频的实实质是异步电电动机的变频频调速。异步步电动机的变变频调速是通通过改变定子子供电频率来来改变同步转转速而实现调调速的。在供水系统中，通通常以流量为为控制目的，常常用的控制方方法为阀门控控制法和转速速控制法。阀阀门控制法是是通过调节阀阀门开度来调调节流量，水水泵电机转速速保持不变。其其实质是通过过改变水路中中的阻力大小小来改变流量量，因此，管管阻将随阀门门开度的改变变而改变，但但扬程特

37、性不不变。由于实实际用水中，需需水量是变化化的，若阀门门开度在一段段时间内保持持不变，必然然要造成超压压或欠压现象象的出现。转转速控制法是是通过改变水水泵电机的转转速来调节流流量，而阀门门开度保持不不变，是通过过改变水的动动能改变流量量。因此，扬扬程特性将随随水泵转速的的改变而改变变，但管阻特特性不变。变变频调速供水水方式属于转转速控制。其其工作原理是是根据用户用用水量的变化化自动地调整整水泵电机的的转速，使管管网压力始终终保持恒定，当当用水量增大大时电机加速速，用水量减减小时电机减减速。由流体力学可知知，水泵给管管网供水时，水水泵的输出功功率P与管网网的水压H及及出水流量QQ的乘积成正正比；

38、水泵的转速速n与出水流流量Q成正比比；管网的水压压H与出水流流量Q的平方方成正比。由由上述关系有有，水泵的输输出功率P与与转速n三次次方成正比，即： （22.2） （2.3） (2.4) (2.5)式中k、k1、k2、k3为比例常常数。图2.2 管网网及水泵的运运行特性曲线线当用阀门控制时时，若供水量量高峰水泵工工作在E点，流流量为Q1，扬程为HH0，当供水量从从Q1减小到Q2时，必须关关小阀门，这这时阀门的摩摩擦阻力变大大，阻力曲线线从b3移到b1，扬程特性性曲线不变。而而扬程则从HH0上升到H1，运行工况况点从E点移移到F点，此此时水泵的输输出功率正比比于H1Q2。当用调速控控制时，若采采

39、用恒压(HH0)，变速泵(n2)供水，管管阻特性曲线线为b2，扬程特性性变为曲线nn2，工作点从从E点移到DD点。此时水水泵输出功率率正比于H0Q2，由于H1H0，所以当用阀阀门控制流量量时，有正比比于(H1H0)Q2的功率被浪浪费掉，并且且随着阀门的的不断关小，阀阀门的摩擦阻阻力不断变大大，管阻特性性曲线上移，运运行工况点也也随之上移，于于是H1增大，而被被浪费的功率率要随之增加加。所以调速速控制方式要要比阀门控制制方式供水功功率要小得多多，节能效果果显著。2.2 变频恒恒压供水系统统控制方案的的确定2.2.1控制制方案的比较较和确定恒压变频供水系系统主要有压压力变送器、变频器、恒压控制单元

40、、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压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起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和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择8：(1) 有供水水基板的变频频器+水泵机机组+压力传传感器这种控制系统结结构简单，它它将PID调调节器和PLLC可编程控控制器等硬件件集成在变频频器供水基板板上，通过设设置指令代码码实现PLCC和PID等等电控系统的的功能。它虽虽然微化了电电路结构，降降低了设备成成本，但在压压力设定和压压力反馈值的的显示方面比比较麻烦，无无法自动实现现不同时段的的

41、不同恒压要要求，在调试试时，PIDD调节参数寻寻优困难，调调节范围小，系系统的稳态、动动态性能不易易保证。其输输出接口的扩扩展功能缺乏乏灵活性，数数据通信困难难，并且限制制了带负载的的容量，因此此仅适用于要要求不高的小小容量场合。(2) 通用变变频器+单片片机(包括变变频控制、调调节器控制)+人机界面面+压力传感感器这种方式控制精精度高、控制制算法灵活、参参数调整方便便，具有较高高的性价比，但但开发周期长长，程序一旦旦固化，修改改较为麻烦，因因此现场调试试的灵活性差差，同时变频频器在运行时时，将产生干干扰，变频器器的功率越大大，产生的干干扰越大，所所以必须采取取相应的抗干干扰措施来保保证系统的

42、可可靠性。该系系统适用于某某一特定领域域的小容量的的变频恒压供供水中。(3) 通用变变频器+PLLC(包括变变频控制、调调节器控制)+人机界面面+压力传感感器这种控制方式灵灵活方便。具具有良好的通通信接口，可可以方便地与与其他的系统统进行数据交交换，通用性性强；由于PPLC产品的的系列化和模模块化，用户户可灵活组成成各种规模和和要求不同控控制系统。在在硬件设计上上，只需确定定PLC的硬硬件配置和II/O的外部部接线，当控控制要求发生生改变时，可可以方便地通通过PC机来来改变存贮器器中的控制程程序，所以现现场调试方便便。同时由于于PLC的抗抗干扰能力强、可可靠性高，因因此系统的可可靠性大大提提高

43、。该系统统能适用于各各类不同要求求的恒压供水水场合，并且且与供水机组组的容量大小小无关。通过对以上这几几种方案的比比较和分析，可可以看出第三三种控制方案更适合于本本系统。这种种控制方案既既有扩展功能能灵活方便、便便于数据传输输的优点，又又能达到系统统稳定性及控控制精度的要要求。2.2.2 变变频恒压供水系统的组成及原理图图PLC控制变频频恒压供水系系统主要有变变频器、可编编程控制器、压压力变送器和和现场的水泵泵机组一起组组成一个完整整的闭环调节节系统，该系系统的控制流流程图如图22.3所示：图2.3变频恒恒压供水系统统控制流程图图从图中可看出，系系统可分为：执行机构、信信号检测机构构、控制机构

44、构三大部分，具具体为：(l) 执行机机构：执行机构是是由一组水泵泵组成，它们们用于将水供供入用户管网网，其中由一一台变频泵和和两台工频泵构构成，变频泵泵是由变频调调速器控制、可可以进行变频频调整的水泵泵，用以根据据用水量的变变化改变电机机的转速，以以维持管网的的水压恒定；工频泵只运运行于启、停停两种工作状状态，用以在在用水量很大大（变频泵达达到工频运行行状态都无法法满足用水要要求时）的情情况下投入工工作。(2) 信号检检测机构：在系统控制制过程中，需需要检测的信信号包括管网网水压信号、水水池水位信号号和报警信号号。管网水压信号号反映的是用用户管网的水水压值，它是是恒压供水控控制的主要反反馈信号

45、。此此信号是模拟拟信号，读入入PLC时，需需进行A/DD转换。另外外为加强系统统的可靠性，还还需对供水的的上限压力和和下限压力用用电接点压力力表进行检测测，检测结果果可以送给PPLC，作为为数字量输入入；水池水位信信号反映水泵泵的进水水源源是否充足。信信号有效时，控控制系统要对对系统实施保保护控制，以以防止水泵空空抽而损坏电电机和水泵。此此信号来自安安装于水池中中的液位传感感器；报警信号反反映系统是否否正常运行，水水泵电机是否否过载、变频频器是否有异异常，该信号号为开关量信信号。(3) 控制机机构：供水控制系系统一般安装装在供水控制制柜中，包括括供水控制器器(PLC系系统)、变频频器和电控设设

46、备三个部分分。供水控制制器是整个变变频恒压供水水控制系统的的核心。供水水控制器直接接对系统中的的压力、液位位、报警信号号进行采集，对对来自人机接接口和通讯接接口的数据信信息进行分析析、实施控制制算法，得出出对执行机构构的控制方案案，通过变频频调速器和接接触器对执行行机构(即水水泵机组)进行控控制；变频器是对对水泵进行转转速控制的单单元，其跟踪踪供水控制器器送来的控制制信号改变调调速泵的运行行频率，完成成对调速泵的的转速控制。根据水泵机组中中水泵被变频频器拖动的情情况不同，变变频器有两种种工作方式即即变频循环式式和变频固定定式，变频循循环式即变频频器拖动某一一台水泵作为为调速泵，当当这台水泵运运

47、行在50HHz时，其供供水量仍不能能达到用水要要求，需要增增加水泵机组组时，系统先先将变频器从从该水泵电机机中脱出，将将该泵切换为为工频的同时时用变频去拖拖动另一台水水泵电机；变频固定式式是变频器拖拖动某一台水水泵作为调速速泵，当这台台水泵运行在在50Hz时时，其供水量量仍不能达到到用水要求，需需要增加水泵泵机组时，系系统直接启动动另一台恒速速水泵，变频频器不做切换换，变频器固固定拖动的水水泵在系统运运行前可以选选择9，本设计中采用用前者。作为一个控制系系统，报警是是必不可少的的重要组成部部分。由于本本系统能适用用于不同的供供水领域，所所以为了保证证系统安全、可可靠、平稳的的运行，防止止因电机

48、过载载、变频器报报警、电网过过大波动、供供水水源中断断造成故障，因因此系统必须须要对各种报报警量进行监监测，由PLLC判断报警警类别，进行行显示和保护护动作控制，以以免造成不必必要的损失。变频恒压供水系系统以供水出出口管网水压压为控制目标标，在控制上上实现出口总总管网的实际际供水压力跟跟随设定的供供水压力。设设定的供水压压力可以是一一个常数，也也可以是一个个时间分段函函数，在每一一个时段内是是一个常数。所所以，在某个个特定时段内内，恒压控制制的目标就是是使出口总管管网的实际供供水压力维持持在设定的供供水压力上10。变频恒压供供水系统的结结构框图如图图2.4所示示：图2.4变频恒恒压供水系统统框

49、图恒压供水系统通通过安装在用用户供水管道道上的压力变变送器实时地地测量参考点点的水压，检检测管网出水水压力，并将将其转换为4420mAA的电信号，此此检测信号是是实现恒压供供水的关键参参数。由于电电信号为模拟拟量，故必须须通过PLCC的A/D转换换模块才能读读入并与设定定值进行比较较，将比较后后的偏差值进进行PID运算，再再将运算后的的数字信号通通过D/A转转换模块转换成模模拟信号作为为变频器的输输入信号，控控制变频器的的输出频率，从从而控制电动动机的转速，进进而控制水泵泵的供水流量量，最终使用用户供水管道道上的压力恒恒定，实现变变频恒压供水水。2.2.3 变变频恒压供水水系统控制流流程变频恒

50、压供水系系统控制流程程如下:(l) 系统通通电，按照接接收到有效的的自控系统启启动信号后，首首先启动变频频器拖动变频频泵M1工作，根根据压力变送送器测得的用用户管网实际际压力和设定定压力的偏差差调节变频器器的输出频率率，控制Mll的转速，当当输出压力达达到设定值，其其供水量与用用水量相平衡衡时，转速才才稳定到某一一定值，这期期间Ml工作作在调速运行行状态。(2) 当用水水量增加水压压减小时，压压力变送器反反馈的水压信信号减小，偏偏差变大，PPLC的输出出信号变大，变变频器的输出出频率变大，所所以水泵的转转速增大，供供水量增大，最最终水泵的转转速达到另一个新新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加

51、时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3) 当用水水量继续增加加，变频器的的输出频率达达到上限频率率50Hz时，若若此时用户管管网的实际压压力还未达到到设定压力，并并且满足增加加水泵的条件件(在下节有详细阐述述)时，在变变频循环式的控制制方式下，系系统将在PLLC的控制下下自动投入水水泵M2(变速速运行)，同时时变频泵M11做工频运行行，系统恢复复对水压的闭闭环调节，直直到水压达到到设定值为止止。如果用水水量继续增加加，满足增加加水泵的条件件，将继续发发生如上转换换，将另一台台工频泵M33投入运行，变变频器输出频频率达到上限限频率50HHz时，压力力仍未达到设设定值时，控控制系

52、统就会会发出水压超超限报警。(4) 当用水水量下降水压压升高，变频频器的输出频频率降至下限限频率，用户户管网的实际际水压仍高于于设定压力值值，并且满足足减少水泵的的条件时，系系统将工频泵M2关掉，恢恢复对水压的的闭环调节，使使压力重新达达到设定值。当当用水量继续续下降，并且且满足减少水水泵的条件时时，将继续发发生如上转换换，将另一台工频泵M3关掉。2.2.4 水水泵切换条件件分析在上述的系统工工作流程中，我我们提到当变变频泵己运行行在上限频率率，此时管网网的实际压力力仍低于设定定压力，此时时需要增加水水泵来满足供供水要求，达达到恒压的目目的；当变频泵和工频频泵都在运行行且变频泵己运行行在下限频

53、率率，此时管网网的实际压力力仍高于设定定压力，此时时需要减少工工频泵来减少少供水流量，达达到恒压的目目的。那么何何时进行切换换，才能使系系统提供稳定定可靠的供水水压力，同时时使机组不过过于频繁的切切换呢?由于电网的限制制以及变频器器和电机工作作频率的限制制，50HZZ成为频率调调节的上限频频率。另外，变变频器的输出出频率不能够够为负值，最最低只能是00HZ。其实实，在实际应应用中，变频频器的输出频频率是不可能能降到0HZ。因为为当水泵机组组运行，电机机带动水泵向向管网供水时时，由于管网网中的水压会会反推水泵，给给带动水泵运运行的电机一一个反向的力力矩，同时这这个水压也在在一定程度上上阻止源水池

54、池中的水进入入管网，因此此，当电机运运行频率下降降到一个值时时，水泵就己己经抽不出水水了，实际的的供水压力也也不会随着电电机频率的下下降而下降。这这个频率在实实际应用中就就是电机运行行的下限频率率。这个频率率远大于0HZ，具体体数值与水泵泵特性及系统统所使用的场场所有关，一一般在20HHZ左右。所所以选择500HZ和200HZ作为水水泵机组切换换的上下限频频率。当输出频率达到到上限频率时时，实际供水水压力在设定定压力上下波波动。若出现现时就进行机组组切换，很可可能由于新增增加了一台机机组运行，供供水压力一下下就超过了设设定压力。在在极端的情况况下，运行机机组增加后，实实际供水压力力超过设定供供

55、水压力，而而新增加的机机组在变频器器的下限频率率运行，此时时又满足了机机组切换的停停机条件，需需要将一个在在工频状态下下运行的机组组停掉。如果用水状状况不变，供供水泵站中的的所有能够自自动投切的机机组将一直这这样投入切出再投入再切出地循循环下去，这这增加了机组组切换的次数数，使系统一一直处于不稳稳定的状态之之中，实际供供水压力也会会在很大的压压力范围内震震荡。这样的的工作状态既既无法提供稳稳定可靠的供供水压力，也也使得机组由由于相互切换换频繁而增大大磨损，减少少运行寿命。另另外，实际供供水压力超调调的影响以及及现场的干扰扰使实际压力力的测量值有有尖峰，这两两种情况都可可能使机组切切换的判别条条

56、件在一个比比较短的时间间内满足。所所以，在实际际应用中，相相应的判别条条件是通过对对上面两个判判别条件的修修改得到的，其其实质就是增增加了回滞环环的应用和判判别条件的延延时成立。实际的机组切换换判别条件如如下11：加泵条件： 且延时时判别成立 (2.6)减泵条件： 且延时判别别成立 (2.7)式中： ：上限限频率 ：下限频率：设定压力 ：反馈压力长春工业大学人文信息学院学士学位论文 3 系统的硬件件设计3.1 系统主主要设备的选选型根据基于PLCC的变频恒压压供水系统的的原理，系统统的电气控制制总框图如图图3.1所示：图3.1 系统统的电气控制制总框图由以上系统电气气总框图可以以看出,该系系统

57、的主要硬硬件设备应包包括以下几部部分：(1) PLLC及其扩展展模块、(2) 变频器、(3) 水泵泵机组、(4) 压力变送器器、(5) 液液位变送器。主要设备选型型如表3.1所示：表3.1 本系系统主要硬件件设备清单主要设备型号及其生产厂厂家可编程控制器（PPLC）Siemenss CPU 226模拟量扩展模块块Siemenss EM 2235变频器Siemenss MM4440水泵机组SFL系列水泵泵3台（上海海熊猫机械有有限公司）压力变送器及显显示仪表普通压力表Y-100、XMT-11270数显显仪液位变送器分体式液位变送送器DS266(淄博丹佛佛斯公司)3.1.1 PPLC及其扩扩展模块

58、的选选型PLC是整个变变频恒压供水水控制系统的的核心，它要要完成对系统统中所有输入入号的采集、所所有输出单元元的控制、恒恒压的实现以以及对外的数数据交换。因因此我们在选选择PLC时时，要考虑PPLC的指令令执行速度、指指令丰富程度度、内存空间间、通讯接口口及协议、带带扩展模块的的能力和编程程软件的方便便与否等多方方面因素。由由于恒压供水水自动控制系系统控制设备备相对较少，因因此PLC选选用德国SIIEMENSS公司的S77-200型型。S7-2200型PLLC的结构紧紧凑，价格低低廉，具有较较高的性价比比，广泛适用用于一些小型型控制系统。SSIEMENNS公司的PPLC具有可可靠性高，可可扩展

59、性好，又又有较丰富的的通信指令，且且通信协议简简单等优点；PLC可以以上接工控计计算机，对自自动控制系统统进行监测控控制。PLCC和上位机的的通信采用PPC/PPII电缆，支持持点对点接口口(PPI)协议，PCC/PPI电电缆可以方便便实现PLCC的通信接口口RS4855到PC机的的通信接口RRS232的的转换，用户户程序有三级级口令保护，可可以对程序实实施安全保护护12。根据控制系统实实际所需端子子数目，考虑虑PLC端子子数目要有一一定的预留量量，因此选用用的S7-2200型PLLC的主模块块为CPU2226，其开开关量输出为为16点，输输出形式为AAC220V继电电器输出；开关量输入入CP

60、U2226为24点点，输入形式为为+24V直直流输入。由由于实际中需需要模拟量输输入点1个，模模拟量输出点点1个，所以以需要扩展，扩扩展模块选择择的是EM2235，该模模块有4个模模拟输入(AAIW)，1个个模拟输出(AQW)信号通道道。输入输出出信号接入端端口时能够自自动完成A/D的转换，标标准输入信号号能够转换成成一个字长(16bitt)的数字信信号；输出信号接接出端口时能能够自动完成成D/A的转转换，一个字字长(16bbit)的数数字信号能够够转换成标准准输出信号。EEM235模模块可以针对对不同的标准准输入信号，通通过DIP开开关进行设置置。3.1.2 变变频器的选型型变频器是本系统统