青岛市维修电工技师论文题目：基于欧姆龙PLC的变频器恒压供水 姓 名： 单 位： 指导老师： 日期：摘 要随着经济的飞速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺。本论文结合我国水资源与电能资源短缺和中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频恒压供水控制系统。变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。本系统采用了PLC的控制方式，完成了系统数据采集和通信、水泵机组的变频控制、系统监控管理等功能模块的设计，实现了变频恒压供水自动控制。系统采用一台变频器控制四台电动机的控制方式，四台电动机采用循环运行的方式。本文基于德国SIMENS公司的S7-200 PLC完成了恒压供水控制系统PID控制器的设计。PID控制器根据压力给定值与测量值的偏差，实时控制变频器的输出电压和频率，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。现场调试和运行结果表明，该系统能够对供水过程实现自动控制，控制效果良好，并能够有效地降低能耗，达到了节水节电的目的，同时能够保证供水系统维持在最佳状况，提高了生产管理水平，实现了节能能耗的目标。关键词：恒压供水系统，可编程序控制器，变频调速，PID目 录第一章 绪 论21.1选题的背景及意义21.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状21.3 变频恒压供水系统原理概述21.4 本文研究的内容2第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证22.1 变频恒压供水系统理论分析22.1.1 变频恒压供水系统节能原理22.1.2 变频恒压控制系统的数学模型及分析22.2 变频恒压供水系统控制流程22.2.1 水泵机组变频恒压流程22.2.2 供水系统中水泵切换条件分析22.3 变频恒压供水系统控制系统组成2第三章 硬件系统设计23.1 主机的选择及模块扩展23.1.1 主机的选择23.1.2 模块扩展的选型23.2 变频器的原理与选择23.2.1 变频器工作原理23.2.2 变频器的选择23.3 变送器及执行机构的选择23.4 主电路设计23.5 系统保护电路设计2第四章 软件系统设计24.1 模块程序设计24.2 PID控制及其控制算法24.3 恒压供水PID调节过程分析24.4 采样周期和控制周期的选择2第五章 全文总结2致 谢2参考文献2附录一 程序清单2附录二 变频恒压供水系统总电路图2第1章 第一章 绪 论1.1选题的背景及意义变频恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，变频恒压供水系统可根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内，变频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，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。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。变频调速恒压供水设备以其节能、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。恒压供水系统实现了水泵电机无级调速，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。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.3 变频恒压供水系统原理概述变频恒压供水系统原理如图1-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。图1-1 恒压供水系统原理图同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。1.4 本文研究的内容 本文设计了一个以西门子S7-200系列的可编程控制器(PLC)为控制核心，MM 430变频器为执行元件，采用PID 调节仪控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力的系统。本文共分五章，各章节具体安排如下：第一章绪论，主要了概括变频恒压供水系统的国内外研究现状，以及变频恒压供水系统原理概述。最后针对本系统的主要指标，提出本文的具体内容。第二章主要是对恒压供水系统的方案论证，选择系统的控制方案；对控制系统进行组成分析，并确定控制系统组成。第三章硬件系统设计，包括主电路设计、控制系统设计、主机型号选择和模块扩展、变频器选择、变送器及执行机构的选择和保护电路设计。第四章软件系统设计，包括模块程序设计、PID控制及其控制算法、采样周期和控制周期的选择。第五章进行全文总结，并提出系统的改进和完善措施。第2章 第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证2.1 变频恒压供水系统理论分析2.1.1 变频恒压供水系统节能原理供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程与流量之间的关系曲线，如下图所示。由图可以看出，流量越大，扬程越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程与用水流量间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程越大，流量也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如下图中A点。在这一点，用户的用水流量的和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2-1 供水系统的基本特征变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为 （2-1）异步电机的同步速度为 （2-2）异步电机的转速为 （2-3）其中：为异步电机的理想空载转速为异步电机转子转速异步电机的电机的定子电源频率为异步电机的极对数从上式可知，当极对数不变时，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，从而调节其转子的转速。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，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。图2-2 管网水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在点，流量为，扬程为，当供水量从减小到时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲