毕业设计（论文）-基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究

山东城市建设职业学院学生毕业设计基于PLC的智能楼宇变频调速恒压供水控制系统设计研究姓名学号专业班级楼宇智能化工程技术系部市政与环境工程系指导教师目录一设计任务书2.1设计内容…………22.2设计要求…………2二设计理论分析及控制方案3.1准备知识……………33.2设计理论分析〔电动机调速—变频〕……43.3设计控制方案〔系统组成及原理图〕……5三系统的硬件设计4.1设备选型…………74.2主电路分析及设计……………124.3控制电路分析及设计…………144.4PLC的I/O端口分配及外圈接线…………16四系统的软件设计5.1PLC的初始化程序…………………195.2PLC的中断子程序…………………205.3PLC的主程序………………………215.4PLC附加程序………………………26五、心得体会…………35一、任务设计书1.1设计内容本设计是以智能楼宇供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区智能楼宇恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，平安节能，获得最正确的运行工况。1.2设计要求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，采用局部流量调节方法，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，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原那么。进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。二、设计理论分析及控制方案2.1准备资料变频器产品较早进入有日本的东芝、三菱、富士、日立、安川、德国的西门子、伦茨(Lenze)、法国的施耐德，芬兰的ABB，丹麦的丹佛斯。近几年又有英国的欧陆、CT；德国的科比(KEB);芬兰的威肯(Vacon);日本的松下、欧姆龙;美国的A-B、通用(GE)和摩托托尼;韩国的三星、LG;意大利的安塞尔多(ANSALDO)和西威(SIEI)。国外品牌厂家也在千方百计地寻求本地化生产，扩大其销售，先后西门子在天津、富士在江苏的无锡、三肯在江苏的江阴设厂、ABB在北京、东芝在辽宁的辽阳、安川在上海、艾默生在广东的深圳、施耐德在苏州、三菱在大连等公司独资或合资已在中国建厂生产局部系列品牌变频器。

假设要改变异步电动机的转速，有三种方法：〔1〕改变电动机的磁极对数p〔2〕改变电动机的电源频率f1〔3〕改变电动机的转差率s变极调速特点:1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；

2、

无转差损耗，效率高；

3、

接线简单、控制方便、价格低；

4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。

适用：不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备等。变频调速：改变电源频率从而使电动机的同步转速变化到达调速的目的。在一般情况下，所以可以近似地认为：n∝n1∝f1〔实验〕转速与电源频率成正比,通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速,实现平滑的无级调速。变频调速特点1、调速平滑；2、调速范围宽；3、效率高，特性好；4、需要一套专用的变频电源，投资设备高。变频调速的应用理想的调速方式，应用实践证明，交流电机变频调速一般能节电30%，目前工业兴旺国家已广泛采用变频调速技术，在我国也是国家重点推广的节电新技术。是交流电动机调速开展的主要方向。2.2电动机的调速——变频通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。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，其供水量仍不能到达用水要求，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，其供水量仍不能到达用水要求，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，本设计中采用变频循环式。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成局部。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统平安、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如下列图所示：变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比拟，将比拟后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水2.3系统组成及原理图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，该系统的控制流程图如下列图所示：从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大局部，具体为：(l)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大〔变频泵到达工频运行状态都无法满足用水要求时〕的情况下投入工作。变频恒压供水系统控制流程图(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网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应信号。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压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反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。此信号来自安装于水池中的液位传感器；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局部。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(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵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。三、系统的硬件设计3.1设备选型变频器的选择1〕本设计中选用西门子MM4402〕计算机与变频器连接图3〕MM440BOP〔根本操作面板〕及功能描述MM440BOP上的按钮功能表显示/按钮功能功能的说明

状态显示LED显示变频器当前的设定值。

起动变频器按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效应设定P0700=1。

停止变频器OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车.缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2：按此键两次〔或一次，但时间较长〕电动机将在惯性作用下自由停车此功能总是“使能〞的。

改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号〔－〕表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。

电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。显示/按钮功能功能的说明

功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值〔在变频器运行中，从任何一个参数开始〕：1.直流回路电压〔用d表示–单位：V〕2.输出电流〔A〕3.输出频率〔Hz〕4.输出电压〔用o表示–单位：V〕。5.在参数P0005中所选的值(如果已配置了P0005，那么，显示上面数据的1~4项，然后相应的值不再显示)。连续屡次按下此键，将轮流显示以上参数。跳转功能在显示任何一个参数〔rXXXX或PXXXX〕时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。

访问参数按此键即可访问参数。

增加数值按此键即可增加面板上显示的参数数值。

减少数值按此键即可减少面板上显示的参数数值.MM440功能1.使用BOP对变频器的参数进行工厂复位P0010=30P0970=12.使用BOP对变频器进行快速参数化〔提示：严格按照电机的名牌进行相关参数的设置。〕P0010＝1〔开始快速调试〕PO100＝…(选择工作地区)P0304＝…〔电动机额定电压V〕P0305＝…〔电动机额定电流A〕P0307＝…〔电动机额定功率W〕P0310＝…〔电动机额定频率HZ〕P0311＝…〔电动机额定转速r/min〕P0700＝…〔命令源选择〕P1000＝…〔选择频率设定值〕P1080＝…〔电动机运行的最低频率HZ〕P1082＝…〔最大电动机频率〕P1120＝…〔斜坡上升时间S〕P1121＝…〔斜坡下降时间S〕P3900＝…1〔结束快速调速〕3.1.2PLC的选择本设计中选择的PLC是德国西门子公司的S7—200系列。 给S7-200供电类型给S7-200CPU供电有直流供电和交流供电两种方式，-注：在安装和撤除S7-200之前，要确保电源被断开，以免造成人身损害和设备事故。 24VDC供电/14点24VDC输入/10点24VDC输出230VAC供电/14点24VDC输入/10点继电器输出CPU的选择本设计中选择CPU2263.2主电路分析及设计变频恒压供水系统控制流程如下:(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力到达设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反应的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速到达另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率到达上限频率50Hz时，假设此时用户管网的实际压力还未到达设定压力，并且满足增加水泵的条件(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压到达设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台水泵M3投入运行〔变速运行〕，M2工频运行。变频器输出频率到达上限频率50Hz时，压力仍未到达设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新到达设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M1关掉。水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，到达恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，到达恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢?由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。主电路3.3控制电路分析及设计3.4PLC的I/O端口分配及外围接线名称代码地址编号输入信号供水模式信号(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压力变送器输出模拟量电压值UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号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变频器输入电压信号UfAQW0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；2、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；3、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拟器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比拟其输出高电平1，送入I0.1；4、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；5、开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用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。1、Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；2、Q1.1输出水位超限报警信号；3、Q1.2输出变频器故障报警信号；4、Q1.3输出白天模式运行信号；5、Q1.4输出报警电铃信号；6、Q1.5输出变频器复位控制信号；7、AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。四、系统的软件设计流程图地址分配表器件地址功能器件地址功能VD100过程变量标准化值T37工频泵增泵滤波时间控制VD104