变频器及plc恒压供水控制系统的设计
摘 要采用以PLC控制为基础的的变频调速控制是将现代电气技术和计算机控制相结合的的先进技术，这一技术现已被广泛有效地应用于水泵节能和恒压供水领域。运用PLC控制进行变频的调速技术的水泵控制系统，充分利用了PLC、传感器、电气控制设备、变频器以及水泵组成闭环控制系统，从而达到保持供水管网的压力恒定的目的。是一种高度自动化、便于调速、运行过程安全可靠、能实现有效节能并拥有高效率供水能力的供水方式。本文就对这一系统的设计流程及运行结果进行了详细介绍。首先针对这一课题在国内外的发展情况进行比较讨论，并探讨了对于运用这一系统的意义。接着就从探讨中确立了本课题的研究内容和任务以及对相关内容进行的理论分析和分析后所得出的相应的解决方案。最后详细展现了系统的硬件设计中各项组成部分以及它的软件调试部分。硬件部分主要介绍了系统的一个总体框架设计，还有它的控制原理图，讲解了设备选型的过程和依据，以及它的接线原理图和输入输出端口分配。编程部分根据实验要求设计系统流程图，再根据流程图进行PLC程序的编写，最终进行仿真测试。其中着重说明了PID调节参数的设计以及它的相关PLC编程。在社会实践中普遍显示恒压供水控制系统具有非常大的可行性，拥有巨大的现实意义。因此本次通过以PLC为基础进行控制，利用变频器实现电机的调速，并利用PID控制原理调节参数设计该系统，从而实现恒压供水，同时设计人机界面来实时监控，展现该系统的发展意义。
Keywords: Water Supply; PLC; converter; PID regulator; manmachine interface； 目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2恒压供水的国内外发展现状 1
1.3课题的研究方向及内容 2
第二章 系统的理论分析及控制方案确定 4
2.1系统理论分析 4
2.1.1电机调速原理 4
2.1.2系统的节能原理 4
2.2系统控制方案的确定 5
2.2.1系统的组成结构 5
2.2.2水泵的切换原理 7
第三章 系统的硬件设计 8
3.1系统组成设备选型 8
3.1.1PLC及其扩展模
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
块选型 8
3.1.2变频器的选型 9
3.1.3水泵机组的选型 9
3.1.4压力变送器的选型 10
3.1.5液位变送器的选型 11
3.2系统的主电路的分析和设计 12
3.3PLC的I/0端口分配及外围接线图 13
第四章 系统的软件设计 14
4.1系统的软件设计 14
4.2PLC程序设计 15
4.2.1控制主程序设计 15
4.2.2PLC控制子程序设计 16
4.3PID控制器参数设定 18
4.3.1PID控制及其使用的算法 18
4.3.2PID参数整定 19
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1课题研究背景
为适应社会的快步发展，迅速增长的GDP，能源的开采利用日益捉襟见肘，其中社会的生产生活用水也存在着大量的浪费现象，加剧了资源的消耗。而且，这些生产生活用水量在一年中的不同的月份起起伏伏不断变化，包括一天中的不同的时段，用水量也是不同的。如果我们不根据现下的时局对供水方法作出相应的科学的改进，并且仍然采取传统的供水方式，将会有如杀鸡取卵加快资源的消耗，也会对居民的生活造成很大的不便。所以，如果我们还按照从前的供水系统的运行方式来进行水源供给，肯定已经跟不上现今的社会现状了。资源的缺乏现在更加需要大家一起将资源利用起来，合理分配我们现有的资源，不浪费一点一滴。各种供水技术应运而生，变频恒压供水就是其中一种，跟老式的相比，这种供水方式更加稳定，效率高，也更加适应社会需要。
本文主要就着变频调速技术这一项国民双赢、具有广泛应用前景的高新技术进行了研究介绍。这项技术因为不像以前只凭借硬件（水泵或者水塔）直接给硬件施加压力给用户供水，他结合了软件进行信息反馈，供水质量得到了大大的提高，有效的实现了节能。现如今将控制和管理生产过程，以及提高设备运行可行性和效率建立在现代化技术手段的使用上，把大家急需的水资源和需要投入人力物力生产的电能大量节省下来很快就不是梦想。除了节能，电子产业的发展也在速度飞升，而且出于对调节性能的要求，对PLC和变频器也做出了相应的改进，最终不仅可控制设备所需要的软启动及停止还能达到内置的PID优化算法。实现这种优化后，设备出现问题的概率可以在一定程度上降低，也可以降低设备使用电能中出现的损耗。同时可编程控制器（PLC）可以省略已经实现优化的这一步的编程，包括自身的容量大小也可不做考虑。省去了以上步骤，节省了各种人力物力，减少了开支，同时省去了近一半的安装步骤和检修过程，优化后的系统运行也更加安全可靠。对于人民的生活及社会的发展具有重要意义。
1.2恒压供水的国内外发展现状
相较于国内，国外从很早开始就将变频器产品的改进重点放在产品自身以及控制过程中所要调节的变量上，例如像频率的设定还有对正反转、速度升降、起制动还有变压变频比的控制上，除此之外还增强了变频器对自身的自我保护。要解决生产生活用水量在一年中的不同的月份起起伏伏不断变化的问题就要用到变频器在恒压供水系统中对相应的变化执行变频命令，其中相应的变化是指管网受到的压力变化，要在变频器外面接上测量压力的压力传感器，同时接上控制压力的压力控制器，二者间相互反应作用，保持管网中的压力维持一个稳定值，形成一个闭环控制(压力的)。和变频器一起组合的恒压供水的过程中随着变频器技术的发展，其显著的节能效果逐渐被大家发现和认可。与此同时，系统的可靠性、稳定性以及自动化程度等方面也越来越受到重视，就包括很多外国公司也开始研发改进推出这一类型的变频器，让变频恒压供水的技术更加方便快捷的普及。
我国也在这一技术领域争取发展，虽然不愿相信但不得不承认国外的变频器技术更加成熟，所以很多该类型的企业仍然是采用国外的相关技术，用变频器控制水泵的循环运转，以及实现对管网压力的闭环调节。但是都用了不一样的组合方式进行实现的，部分进行单片机编程并用相应的软件予以实现，有的采用PLC及相应软件予以实现。但就如此还远远不能达到所有用户的要求，例如系统的可调性、稳定性以及抗干扰性等多方面的综合技术指标。
综上不难发现，发达国家的控水系统相对来说比较成熟，也因此得到了广泛的运用。国内在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，还在不断的更新变革中，而且不难发现目前在水压闭环控制的研究设计中，进行的相关研究还不够，简单的设计还不能适用于各种环境下的供水。为了把这项技术更好的运用到生产生活中，部分措施仍需被采取到改善系统的性能中。
1.3课题的研究方向及内容
基于变频器和PLC的变频恒压供水控制系统，顾名思义，是同时利用了PLC和变频器两种主要硬件组成的系统，除此之外，安装有报警系统，并用电脑进行仿真，实现对供水系统的适时监管，不让系统因为意外故障发生损坏。这次的实验设计一共用了4台水泵进行供水，大水泵电动机的功率是220KW，小水泵电动机的功率是160KW，两种泵都可以采用软启动控制进行变频循环。4台水泵组成的水泵机组和压力变送器、PLC、变频器一起完成了一个由变频器和PLC两种硬件共同组成的恒压供水控制系统（闭环调节）。其中的闭环控制由PID算法进行实现，系统变频以及实验设备的运行则由三菱Q系列PLC控制。为保障系统安全，系统里装有压力和液位传感器，以及报警系统，所以一旦系统自己检测到有这些方面的问题，会自行反馈调节，自我修复，同时给出警报。水泵软启动的调速方式为无级调速。同时，设计人机界面以实时监控水压与水泵的工作状态。
最终，根据实验要求，设计实验方案：
进行硬件设备选型，例如变频器、压力变送器等，同时，估算所需连接的输入输出端口数；
进行输入输出模块选型；
绘制系统硬件连接图（包括系统硬件配置图、I/O连接图）；
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第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2恒压供水的国内外发展现状 1
1.3课题的研究方向及内容 2
第二章 系统的理论分析及控制方案确定 4
2.1系统理论分析 4
2.1.1电机调速原理 4
2.1.2系统的节能原理 4
2.2系统控制方案的确定 5
2.2.1系统的组成结构 5
2.2.2水泵的切换原理 7
第三章 系统的硬件设计 8
3.1系统组成设备选型 8
3.1.1PLC及其扩展模
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
块选型 8
3.1.2变频器的选型 9
3.1.3水泵机组的选型 9
3.1.4压力变送器的选型 10
3.1.5液位变送器的选型 11
3.2系统的主电路的分析和设计 12
3.3PLC的I/0端口分配及外围接线图 13
第四章 系统的软件设计 14
4.1系统的软件设计 14
4.2PLC程序设计 15
4.2.1控制主程序设计 15
4.2.2PLC控制子程序设计 16
4.3PID控制器参数设定 18
4.3.1PID控制及其使用的算法 18
4.3.2PID参数整定 19
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1课题研究背景
为适应社会的快步发展，迅速增长的GDP，能源的开采利用日益捉襟见肘，其中社会的生产生活用水也存在着大量的浪费现象，加剧了资源的消耗。而且，这些生产生活用水量在一年中的不同的月份起起伏伏不断变化，包括一天中的不同的时段，用水量也是不同的。如果我们不根据现下的时局对供水方法作出相应的科学的改进，并且仍然采取传统的供水方式，将会有如杀鸡取卵加快资源的消耗，也会对居民的生活造成很大的不便。所以，如果我们还按照从前的供水系统的运行方式来进行水源供给，肯定已经跟不上现今的社会现状了。资源的缺乏现在更加需要大家一起将资源利用起来，合理分配我们现有的资源，不浪费一点一滴。各种供水技术应运而生，变频恒压供水就是其中一种，跟老式的相比，这种供水方式更加稳定，效率高，也更加适应社会需要。
本文主要就着变频调速技术这一项国民双赢、具有广泛应用前景的高新技术进行了研究介绍。这项技术因为不像以前只凭借硬件（水泵或者水塔）直接给硬件施加压力给用户供水，他结合了软件进行信息反馈，供水质量得到了大大的提高，有效的实现了节能。现如今将控制和管理生产过程，以及提高设备运行可行性和效率建立在现代化技术手段的使用上，把大家急需的水资源和需要投入人力物力生产的电能大量节省下来很快就不是梦想。除了节能，电子产业的发展也在速度飞升，而且出于对调节性能的要求，对PLC和变频器也做出了相应的改进，最终不仅可控制设备所需要的软启动及停止还能达到内置的PID优化算法。实现这种优化后，设备出现问题的概率可以在一定程度上降低，也可以降低设备使用电能中出现的损耗。同时可编程控制器（PLC）可以省略已经实现优化的这一步的编程，包括自身的容量大小也可不做考虑。省去了以上步骤，节省了各种人力物力，减少了开支，同时省去了近一半的安装步骤和检修过程，优化后的系统运行也更加安全可靠。对于人民的生活及社会的发展具有重要意义。
1.2恒压供水的国内外发展现状
相较于国内，国外从很早开始就将变频器产品的改进重点放在产品自身以及控制过程中所要调节的变量上，例如像频率的设定还有对正反转、速度升降、起制动还有变压变频比的控制上，除此之外还增强了变频器对自身的自我保护。要解决生产生活用水量在一年中的不同的月份起起伏伏不断变化的问题就要用到变频器在恒压供水系统中对相应的变化执行变频命令，其中相应的变化是指管网受到的压力变化，要在变频器外面接上测量压力的压力传感器，同时接上控制压力的压力控制器，二者间相互反应作用，保持管网中的压力维持一个稳定值，形成一个闭环控制(压力的)。和变频器一起组合的恒压供水的过程中随着变频器技术的发展，其显著的节能效果逐渐被大家发现和认可。与此同时，系统的可靠性、稳定性以及自动化程度等方面也越来越受到重视，就包括很多外国公司也开始研发改进推出这一类型的变频器，让变频恒压供水的技术更加方便快捷的普及。
我国也在这一技术领域争取发展，虽然不愿相信但不得不承认国外的变频器技术更加成熟，所以很多该类型的企业仍然是采用国外的相关技术，用变频器控制水泵的循环运转，以及实现对管网压力的闭环调节。但是都用了不一样的组合方式进行实现的，部分进行单片机编程并用相应的软件予以实现，有的采用PLC及相应软件予以实现。但就如此还远远不能达到所有用户的要求，例如系统的可调性、稳定性以及抗干扰性等多方面的综合技术指标。
综上不难发现，发达国家的控水系统相对来说比较成熟，也因此得到了广泛的运用。国内在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，还在不断的更新变革中，而且不难发现目前在水压闭环控制的研究设计中，进行的相关研究还不够，简单的设计还不能适用于各种环境下的供水。为了把这项技术更好的运用到生产生活中，部分措施仍需被采取到改善系统的性能中。
1.3课题的研究方向及内容
基于变频器和PLC的变频恒压供水控制系统，顾名思义，是同时利用了PLC和变频器两种主要硬件组成的系统，除此之外，安装有报警系统，并用电脑进行仿真，实现对供水系统的适时监管，不让系统因为意外故障发生损坏。这次的实验设计一共用了4台水泵进行供水，大水泵电动机的功率是220KW，小水泵电动机的功率是160KW，两种泵都可以采用软启动控制进行变频循环。4台水泵组成的水泵机组和压力变送器、PLC、变频器一起完成了一个由变频器和PLC两种硬件共同组成的恒压供水控制系统（闭环调节）。其中的闭环控制由PID算法进行实现，系统变频以及实验设备的运行则由三菱Q系列PLC控制。为保障系统安全，系统里装有压力和液位传感器，以及报警系统，所以一旦系统自己检测到有这些方面的问题，会自行反馈调节，自我修复，同时给出警报。水泵软启动的调速方式为无级调速。同时，设计人机界面以实时监控水压与水泵的工作状态。
最终，根据实验要求，设计实验方案：
进行硬件设备选型，例如变频器、压力变送器等，同时，估算所需连接的输入输出端口数；
进行输入输出模块选型；
绘制系统硬件连接图（包括系统硬件配置图、I/O连接图）；
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