plc的变频调速恒压控制自动供水系统
本论文根据小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并利用Win CC组态软件开发友好的运行管理界面。变频调速恒压供水系统由可编程控制器（PLC）、变频器、水泵机组、压力传感器、液位开关、PC机电气控制等构成。
本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。由变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警等功能。
关键词 变频调速，恒压供水，PLC，WinCC
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的提出 1
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 2
1.3 PLC概述 3
1.4 本课题的主要研究内容 4
2 系统的理论分析及控制方案确定 4
2.1系统的理论分析 4
2.2系统控制方案的确定 4
3 系统的硬件设计 7
3.1 系统主要设备的选型 7
3.2 系统主电路分析及其设计 10
3.3 系统控制电路分析及其设计 10
3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线设计 12
3.5变频器外围及控制部分电气设计 15
4 系统的软件设计 16
4.1 系统软件设计分析 16
4.2 PLC程序设计 17
4.3 PID控制器参数整定 25
4.4变频器参数设定 27
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
监控系统的设计 28
5.1 组态软件选择 28
5.2 监控系统的设计 28
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
1 绪论
1.1 课题的提出
水和电是人类生活、生产必不可少的重要组成物质和能源。新时期节水节能已成为时代的特征，各个国家都在努力寻求节水节能新方案，我国虽地大物博，但人均资源却少的可怜，更是世界上为数不多的几个缺水国家之一。由于历史和政治原因，长期以来，我过在水资源方面出现了严重的浪费，尤其工业用水，由于技术落后，生产自动化程度不高，浪费现象尤为严重。随着我国的改革开放，外国的先进技术得以引进。资源利用状况也在改善。伴随着人民生活水平的提高，对住房环境大要求也在逐步提高，新式的住宅小区也如雨后春笋般建设起来，与其配套的小区供水设施也在逐步引起人们的重视。传统的小区供水方式主要分为以下几种[1]:
(1)恒速泵供水：故名思议，此供水方式是依靠人工控制恒速的起停，在管网压力变化时对管网供水。此种方式仅仅依靠人力来控制整个管网的压力，自动化程度低，机组没有频繁的直接启动，使用寿命低，电网波动大，电力损耗随之也大。瞬间起停造成管网的压力波动大，对输水管网造成破坏。 目前已很少使用。
(2)气压罐供水：受制于气压罐的容量大小，气压罐供水的环境受到限制很大，虽然体积小、技术要求不高，但是水泵电机的频繁硬启动对电气设备要求高，加剧电气设备损耗，维护成本高。普及受到限制。
(3)水塔高位水箱供水：供水主要依赖于放置在水塔上的高位水箱，通过交流电机给水箱注水，利用水塔高度差产生的压力供水，供水受电机停电影响小，控制方式简单有效，技术要求低等优点，但是缺点也很明显，设施占地面积大，电机启动都是直接启动，启动电流大，对电网电压有影响，电机的频繁启动也会造成使用寿命的减少。供水环境主要用于高层建筑要求不高的环境供水。
(4)单片机变频调速供水：利用单片机做恒压供水的自动化程度优于以上几种供水方式，然而提高了对维护人员的技术要求。单片机的使用使系统抗干扰能力低，可靠性不强，不适合在恶劣的工业环境使用。
通过分析得出，传统供水方式由于技术的原因，总会存在各种各样的问题，包括浪费资源，效率低下；自动化自动化程度不高，系统稳定性低等各种问题。随着技术的发展，供水朝着高效、节能、可靠的方向发展。各种新的技技术被应用于现代恒压供水中，其中最为重要的就是变频调速技术。变频调速技术凭借优越的节能成效及稳定的控制方式，被广泛应用于各种环境中。例如风机、水泵、压缩机、电力高耗能设备中。变频调速在电机速度调节上可以做到：稳定、节能、减小启动电流从使电机损耗减小。
恒压供水系统利用PLC控制技术和变频技术等相关技术。对供水压力进行实时闭环自动调节，不仅提高供水质量，还可以做到节约电力和水资源，降低机械损耗。在自然资源日益紧张的现实情况下无疑具有重要的研究意义。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状
在电力电子技术的发展使变频器得以快速发展，变频器的发展，对于工业控制领域有着里程碑式的意义。1964年，德国人将脉宽调制技术应用到交流传动中。20世纪80年代，日本学者首次提出基于磁通轨迹的磁通轨迹控制法[2]。20世纪80年代后期，随着技术逐步成熟，各发达国家分别推出各自的通用变频器产品。我国正处在发展的关键时期，工业电机的电能消耗占到了我国发电总量的60%，利用先进技术对电机运行方式改造可以节约大量能源。现已有超过220家的公司、工厂及科研机构尝试研究变频调速技术。但是我国的变频技术起步晚，发展缓慢，多数技术需要依靠进口。变频调速技术还有很广阔的前景。
1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状
变频技术的迅速发展使变频恒压供水的实现成为可能。早期的变频器主要完成频率控制、升降速度控制、电机正反转控制、启动及制动控制以及各种保护功能等。变频恒压供水中只是将变频器作为执行机构使用，配合外围的压力检测传感器和压力控制器构成闭环的压力控制。变频技术的进步使变频器的功能得到了极大的丰富，提高了供水系统的运行稳定性。许多厂家推出具有恒压供水功能的变频器，日本的Samco公司，生产了一种拥有恒压调节功能的恒压供水基板，基板集成了PID控制器和控制单元，可以利用变频器的面板设置PID相关代码，实现“变频泵固定方式”及“变频泵循环方式”的控制功能[3]。其配合相应的恒压供水单元，即可构成恒压供水系统。这类设备具有高集成度、降成本的优点，但其扩展功能受到制约。而且抗干扰能力不强，造成系统稳定性差，自身的大夫在能力不高致使使用范围受到限制，系统通信功能的兼容性问题突出，如不能与别的监控系统和组态软件通信。当前的变频恒压供水工程都是利用进口变频器控制水泵电机转速，管网压力闭环控制及水泵机组的循环切换控制则选择由PLC或者单片机极其相应软件实现。虽然可以达到控制目的，但控制系统在稳定性、抗干扰性、灵活性及动态性能上还远远没有满足所有用户的要求。其中有深圳华为电气公司推出的恒压供水专用变频器，在不外接其他控制设备的前提下实现4台水泵循环起停、定时起停和定时循环的功能。具有压力控制功能的芯片被集中在变频器内部，输出容量的限制使其只适用于小容量、低要求的供水环境之中。由此可以看出，国内的恒压供水研究还有很长的路要走，对于适用与不同环境下的供水方案的系统性能的改善、如何提高系统新能还有待于进一步的研究。
1
模拟量输出模块
AO2×12Bit
西门子(Siemens)
1
1#泵工频运行接触器及指示灯
1 绪论 1
1.1 课题的提出 1
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 2
1.3 PLC概述 3
1.4 本课题的主要研究内容 4
2 系统的理论分析及控制方案确定 4
2.1系统的理论分析 4
2.2系统控制方案的确定 4
3 系统的硬件设计 7
3.1 系统主要设备的选型 7
3.2 系统主电路分析及其设计 10
3.3 系统控制电路分析及其设计 10
3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线设计 12
3.5变频器外围及控制部分电气设计 15
4 系统的软件设计 16
4.1 系统软件设计分析 16
4.2 PLC程序设计 17
4.3 PID控制器参数整定 25
4.4变频器参数设定 27
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
监控系统的设计 28
5.1 组态软件选择 28
5.2 监控系统的设计 28
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
1 绪论
1.1 课题的提出
水和电是人类生活、生产必不可少的重要组成物质和能源。新时期节水节能已成为时代的特征，各个国家都在努力寻求节水节能新方案，我国虽地大物博，但人均资源却少的可怜，更是世界上为数不多的几个缺水国家之一。由于历史和政治原因，长期以来，我过在水资源方面出现了严重的浪费，尤其工业用水，由于技术落后，生产自动化程度不高，浪费现象尤为严重。随着我国的改革开放，外国的先进技术得以引进。资源利用状况也在改善。伴随着人民生活水平的提高，对住房环境大要求也在逐步提高，新式的住宅小区也如雨后春笋般建设起来，与其配套的小区供水设施也在逐步引起人们的重视。传统的小区供水方式主要分为以下几种[1]:
(1)恒速泵供水：故名思议，此供水方式是依靠人工控制恒速的起停，在管网压力变化时对管网供水。此种方式仅仅依靠人力来控制整个管网的压力，自动化程度低，机组没有频繁的直接启动，使用寿命低，电网波动大，电力损耗随之也大。瞬间起停造成管网的压力波动大，对输水管网造成破坏。 目前已很少使用。
(2)气压罐供水：受制于气压罐的容量大小，气压罐供水的环境受到限制很大，虽然体积小、技术要求不高，但是水泵电机的频繁硬启动对电气设备要求高，加剧电气设备损耗，维护成本高。普及受到限制。
(3)水塔高位水箱供水：供水主要依赖于放置在水塔上的高位水箱，通过交流电机给水箱注水，利用水塔高度差产生的压力供水，供水受电机停电影响小，控制方式简单有效，技术要求低等优点，但是缺点也很明显，设施占地面积大，电机启动都是直接启动，启动电流大，对电网电压有影响，电机的频繁启动也会造成使用寿命的减少。供水环境主要用于高层建筑要求不高的环境供水。
(4)单片机变频调速供水：利用单片机做恒压供水的自动化程度优于以上几种供水方式，然而提高了对维护人员的技术要求。单片机的使用使系统抗干扰能力低，可靠性不强，不适合在恶劣的工业环境使用。
通过分析得出，传统供水方式由于技术的原因，总会存在各种各样的问题，包括浪费资源，效率低下；自动化自动化程度不高，系统稳定性低等各种问题。随着技术的发展，供水朝着高效、节能、可靠的方向发展。各种新的技技术被应用于现代恒压供水中，其中最为重要的就是变频调速技术。变频调速技术凭借优越的节能成效及稳定的控制方式，被广泛应用于各种环境中。例如风机、水泵、压缩机、电力高耗能设备中。变频调速在电机速度调节上可以做到：稳定、节能、减小启动电流从使电机损耗减小。
恒压供水系统利用PLC控制技术和变频技术等相关技术。对供水压力进行实时闭环自动调节，不仅提高供水质量，还可以做到节约电力和水资源，降低机械损耗。在自然资源日益紧张的现实情况下无疑具有重要的研究意义。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状
在电力电子技术的发展使变频器得以快速发展，变频器的发展，对于工业控制领域有着里程碑式的意义。1964年，德国人将脉宽调制技术应用到交流传动中。20世纪80年代，日本学者首次提出基于磁通轨迹的磁通轨迹控制法[2]。20世纪80年代后期，随着技术逐步成熟，各发达国家分别推出各自的通用变频器产品。我国正处在发展的关键时期，工业电机的电能消耗占到了我国发电总量的60%，利用先进技术对电机运行方式改造可以节约大量能源。现已有超过220家的公司、工厂及科研机构尝试研究变频调速技术。但是我国的变频技术起步晚，发展缓慢，多数技术需要依靠进口。变频调速技术还有很广阔的前景。
1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状
变频技术的迅速发展使变频恒压供水的实现成为可能。早期的变频器主要完成频率控制、升降速度控制、电机正反转控制、启动及制动控制以及各种保护功能等。变频恒压供水中只是将变频器作为执行机构使用，配合外围的压力检测传感器和压力控制器构成闭环的压力控制。变频技术的进步使变频器的功能得到了极大的丰富，提高了供水系统的运行稳定性。许多厂家推出具有恒压供水功能的变频器，日本的Samco公司，生产了一种拥有恒压调节功能的恒压供水基板，基板集成了PID控制器和控制单元，可以利用变频器的面板设置PID相关代码，实现“变频泵固定方式”及“变频泵循环方式”的控制功能[3]。其配合相应的恒压供水单元，即可构成恒压供水系统。这类设备具有高集成度、降成本的优点，但其扩展功能受到制约。而且抗干扰能力不强，造成系统稳定性差，自身的大夫在能力不高致使使用范围受到限制，系统通信功能的兼容性问题突出，如不能与别的监控系统和组态软件通信。当前的变频恒压供水工程都是利用进口变频器控制水泵电机转速，管网压力闭环控制及水泵机组的循环切换控制则选择由PLC或者单片机极其相应软件实现。虽然可以达到控制目的，但控制系统在稳定性、抗干扰性、灵活性及动态性能上还远远没有满足所有用户的要求。其中有深圳华为电气公司推出的恒压供水专用变频器，在不外接其他控制设备的前提下实现4台水泵循环起停、定时起停和定时循环的功能。具有压力控制功能的芯片被集中在变频器内部，输出容量的限制使其只适用于小容量、低要求的供水环境之中。由此可以看出，国内的恒压供水研究还有很长的路要走，对于适用与不同环境下的供水方案的系统性能的改善、如何提高系统新能还有待于进一步的研究。
1
模拟量输出模块
AO2×12Bit
西门子(Siemens)
1
1#泵工频运行接触器及指示灯
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