基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 題 目 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 英文題目Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Based On PLC 專心-專注-專業(yè)作 者 聲 明本人以信譽(yù)鄭重聲明：所呈交的學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下由本人獨(dú)立撰寫完成的，沒有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，不包含他人成果及為獲得東華理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。對本設(shè)計(jì)（論文）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已

2、在文中以明確方式標(biāo)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸東華理工大學(xué)所有。特此聲明。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者（簽字） ： 年 月 日本人聲明：該學(xué)位論文是本人指導(dǎo)學(xué)生完成的研究成果，已經(jīng)審閱過論文的全部內(nèi)容，并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準(zhǔn)確性。學(xué)位論文指導(dǎo)教師簽名：年 月 日摘 要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運(yùn)行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電

3、機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。通過工控機(jī)與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。變頻恒壓技術(shù)集低成本、高度自動(dòng)化、高穩(wěn)定性、高可靠性、高效節(jié)能、方便調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)于一身。當(dāng)前變頻恒壓控制正逐步走向全數(shù)字化控制和各種體系化的發(fā)展方向。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在將來給水系統(tǒng)設(shè)備將占領(lǐng)城鎮(zhèn)各個(gè)樓層、各個(gè)用水單位的絕大部分市場。關(guān)鍵詞：變頻器； PLC； 傳感器；

4、 恒壓供水； 調(diào)速Abstract According to the requirements of the Chinese urban community water supply, this paper designed a set of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system based on PLC, and by using configuration software to develop a good operation management interface.

5、 Frequency constant pressure water supply system by programmable controller, inverter, pump, pressure sensor, etc. System consists of three water pump motor, their operation mode of frequency conversion cycle. Adopt inverter for three-phase pump motor soft start and frequency control of motor speed,

6、 running switch based on the principle of "inception to stop". The current hydraulic pressure sensor signal, into after compared with the set value of PID of PLC, frequency converter to control the output voltage and frequency, and change the water pump motor speed to change water supply,

7、eventually maintain stability of the pipe network pressure near the set point. Through the industrial computer and PLC connection, using configuration software to complete the system monitoring, the dynamic running state display and data, alarm queries.Frequency conversion constant pressure technolo

8、gy collection of low cost, high automation, high stability, high reliability, high efficiency and energy saving, convenient debugging, etc. Current frequency conversion constant pressure control is gradually towards the development direction of full digital control and a variety of systematism. Purs

9、uit of highly intelligent, seriation, standardization, and in the future water supply system equipment will be occupied towns each floor, each unit of water most of the market.Key words: transducer； PLC； sensor constant； pressure water supply； speed regulation目 錄緒論1.1課題的提出及其意義.目前，不論城市還是農(nóng)村用水量都在增長。不同的

10、時(shí)間，不同的季節(jié)，不同的地理環(huán)境和人口數(shù)量等都或多或少的會(huì)影響到用水量，老的供水方式不能滿足居民的用水需求和用水安全。供水壓力是否恒定對于工業(yè)生產(chǎn)和一些用戶來說是非常重要的，如果遇到緊急情況，由于水壓的不穩(wěn)定而導(dǎo)致發(fā)生的火災(zāi)，甚至導(dǎo)致了人員的傷亡，那將后悔莫及。而由于用水量的多少是時(shí)時(shí)刻刻都在變動(dòng)的，人多的時(shí)候自然壓力大，人少時(shí)壓力低。確保管道壓力變化很小，實(shí)現(xiàn)用水與供水基本平衡。這不僅保障了用戶用水安全，減少事故的發(fā)生，還起到了節(jié)約水資源的目的。因此老的給水設(shè)計(jì)早已不能達(dá)到人們的需求。要想滿足人們的這一需求減少水資源的浪費(fèi)，采用變頻恒壓給水設(shè)計(jì)，摒棄以前的設(shè)計(jì)，無疑是目前非常合理、可高、方便

11、、安全、節(jié)能、省心的選擇。我國是個(gè)水資源缺乏的國家，另外我國的水泵機(jī)雖然數(shù)量多、范圍廣、類型多，在技術(shù)上也有自己的一定水平，但是和發(fā)達(dá)國家相比還有不小的差距。使用變頻恒壓技術(shù)不僅具有上述意義，還能為我國水泵機(jī)的研究發(fā)展出力。因此，本論文的研究設(shè)計(jì)具有多個(gè)重要意義。1.2供水系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展快速的后幾年內(nèi)變頻恒壓也快速的發(fā)展起來，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能一般都限于速度控制，從制動(dòng)控制、頻率控制、變頻調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、控制和各種保護(hù)功能。變頻恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)施機(jī)構(gòu)，為滿足不同的供水規(guī)模的需求，以確保恒定的壓力管道，需要增加壓力控制器和外部的壓力傳感器，與外部的壓力傳感器，形

12、成閉環(huán)控制。目前，這類項(xiàng)目的恒壓供水系統(tǒng)中存在著大量的企業(yè)在做；其中絕大部分水管的調(diào)節(jié)、管網(wǎng)壓力的檢測和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等都是用的發(fā)達(dá)國家的變頻器，還有些廠家用的是單片機(jī)；有的采用PLC來控制及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在一些其他方面還達(dá)不到特殊客戶的具體要求。如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)平衡性等。從搜查的文件資料來看，有多數(shù)國外的設(shè)計(jì)采用的是一臺(tái)變頻器控制只控制了一臺(tái)水泵機(jī)組，因此存在成本較高的情況。德國人在1964年最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制和PWM技術(shù)結(jié)合到交流傳動(dòng)中。從20世紀(jì)80年代后半期開始，從上世紀(jì)80年代的后半部分，基于變頻調(diào)速技術(shù)的通用變頻器已經(jīng)商業(yè)化并廣泛應(yīng)用于美國、日本、德國、英國等發(fā)達(dá)國家。

13、在我國，通過電動(dòng)機(jī)消耗掉的電量占了60%，因此如何通過電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)來達(dá)到節(jié)約電能的目的，一直備受到國家相關(guān) 單位和專業(yè)人士的重視。目前，我國從事變頻恒壓設(shè)計(jì)的工作單位約有200家左右，但自己研發(fā)生產(chǎn)的變頻產(chǎn)品和發(fā)達(dá)國家研發(fā)的同類產(chǎn)品相比，還存在比較大的技術(shù)水平差距的。1968年，丹弗斯公司獨(dú)創(chuàng)并第一個(gè)設(shè)計(jì)出產(chǎn)變頻器后，變頻器技術(shù)的提高表現(xiàn)在體系的穩(wěn)定性、高效性、節(jié)能性以及自動(dòng)化水準(zhǔn)等方面。另外其顯著地節(jié)能效果被廣泛發(fā)現(xiàn)認(rèn)可。此后，國外大部分研究變頻器工廠開始注重具備帶有恒壓給水功效的變頻器且大力研發(fā)生產(chǎn)；像瑞士ABB集團(tuán)推出的空調(diào)變頻技術(shù)；法國的施耐德公司首先研發(fā)出恒壓給水基板，基板上附帶著

14、PID和PLC控制器，通過相應(yīng)的程序代碼實(shí)現(xiàn)的可編程控制器和控制功能，如電子控制系統(tǒng)，配有配套恒壓供水系統(tǒng)。這將能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的直接控制，在一些內(nèi)置的電磁接觸器的工作，可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)七個(gè)電機(jī)在同一時(shí)間的供水系統(tǒng)。但美中不足的是，它的輸出端的擴(kuò)展靈敏性不夠強(qiáng)，導(dǎo)致體系的動(dòng)靜性能與穩(wěn)定性相對低些，在與其他監(jiān)控系統(tǒng)或組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙方的通信上存在一定障礙，另外限制了帶負(fù)載的容量，因此在適用范圍這塊比其他窄。顯而易見，如今變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)的研究領(lǐng)域要解決的問題有：能在各種用水環(huán)境下運(yùn)行：能完美的與當(dāng)前的控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)并且一齊統(tǒng)籌體系的電磁兼容性恒壓系統(tǒng)給水閉環(huán)監(jiān)控，在這一領(lǐng)域仍然存在技

15、術(shù)的缺乏。所以說，變頻恒壓給水體系的研發(fā)在全球范圍內(nèi)還有較大鉆研空間，使其能更好的服務(wù)于社會(huì)各個(gè)層面。1.3 PLC概述可編程控制器，簡稱PLC，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。國際電工委員會(huì)在1987年頒布了PLC標(biāo)準(zhǔn)草案，對PLC做了以下概念:“PLC是一種電子裝置，運(yùn)用于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)字運(yùn)算操作。它遠(yuǎn)用能夠編程的存儲(chǔ)器，在內(nèi)置的存儲(chǔ)器中進(jìn)行各種各樣的復(fù)雜的操作指令，能夠以控制輸入和輸出的數(shù)字量、模擬量來監(jiān)控各類生產(chǎn)制作過程。正是因?yàn)镻LC的強(qiáng)大功能，被廣泛用于各種制造生產(chǎn)和加工過程的自控系統(tǒng)中?？删幊炭刂破髟诿裼煤图彝プ詣?dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用，其功能強(qiáng)大、操作開放性強(qiáng)，不僅是應(yīng)用

16、最廣泛的控制設(shè)備。PLC的廣泛應(yīng)用程度、強(qiáng)大的功能是其他控制設(shè)備難以超越的。1.4西門子S7-200PLC簡介西門子公司具有品種多樣的PLC產(chǎn)品。S7系列是經(jīng)典的PLC，S7-200屬于小型PLC，分別在1998年和2004年進(jìn)行了2次升級，其特點(diǎn)如下：(1) 體型小，但功能多?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能；(2) 編程方法簡單易學(xué)；(3) 硬件配套齊全，用戶使用方便；(4) 抗干擾性強(qiáng)，可靠性高；(5) 能耗低，體積??；(6) 維修方便等。1.5本課題的主要研究內(nèi)容本次策劃是以小區(qū)給水為控制目標(biāo)，PLC結(jié)合變頻器，設(shè)計(jì)一套包含PLC、變頻器、傳感器、水泵機(jī)組、監(jiān)控系統(tǒng)及用戶等組成的恒壓供水系統(tǒng)，力

17、求做到可靠，安全節(jié)能。該系統(tǒng)由三個(gè)泵馬達(dá)，形成一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換周期。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的工頻調(diào)速和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先變后工”的原則。即先啟動(dòng)一臺(tái)水泵機(jī)從變頻慢慢加速，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，保持不變進(jìn)入工頻。壓力傳感器檢測到當(dāng)前的實(shí)際水壓信號，并在可編程控制器和人工設(shè)定值之間的比較后發(fā)送控制偏差操作，得到的偏差信號用來控制輸出頻率，輸出頻率的改變帶動(dòng)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速改變實(shí)現(xiàn)給水量的變化，最后確保持管道壓力值與設(shè)定值相差不大，這不僅供水量達(dá)到了用戶要求還使管道得到了保護(hù)。經(jīng)過工控機(jī)與PLC相結(jié)合，利用組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，達(dá)到了動(dòng)態(tài)顯示工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場報(bào)警的監(jiān)控目的。2系統(tǒng)的理論分析和

18、控制方案確定2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理水泵是三相異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速公式為： (2.1) 式中，f是頻率，p是電動(dòng)機(jī)極對數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率。很明顯，改變式中出現(xiàn)的字母就是調(diào)速方法，即;(l) f調(diào)速法（改變f）(2) p調(diào)速法（改變p）(3) s調(diào)速法（改變s）改變p的調(diào)控方式為有級調(diào)速，其特點(diǎn)是簡單、費(fèi)用少、節(jié)能效果好、效率高；其缺點(diǎn)是要有專門的變極電機(jī)，級差較大（變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化大）只適用于一些特定的場合的特定生產(chǎn)。改變s的調(diào)節(jié)方式一般采用串級調(diào)速方法，其優(yōu)點(diǎn)是對轉(zhuǎn)差功率的回收起較好的作用，節(jié)能效果明顯，調(diào)速性能突出。其缺點(diǎn)很明顯就是線路比較復(fù)雜，由此增加了能源的損耗。此外其成本高，難以推廣。改變f的

19、調(diào)試方法，即我們常說的變頻調(diào)速。從公式中我們可以看出，當(dāng)s基本穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)速n基本與f成正比。通過調(diào)節(jié)電源頻率，就可以改變水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速，變化的快慢程度隨電源頻率變化快慢而變化。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)研發(fā)出了各類功能良好、穩(wěn)定的變頻調(diào)速裝配，并廣泛應(yīng)用于變頻恒壓系統(tǒng)中。綜上述說，改變f的調(diào)速方法最適合本設(shè)計(jì)課題。2.2恒壓供水系統(tǒng)的基本特征在供水系統(tǒng)中，揚(yáng)程H與供水水流量Q之間的關(guān)系我們稱之為揚(yáng)程特性，它是本系統(tǒng)中重要的描述H與Q關(guān)系的特性。在閥門開度一定，水泵機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用戶的用水情況直接決定了水流量的多少，即用水頻率。因此，H=f*Q。另一管阻特性是指泵的轉(zhuǎn)速是恒定的，該閥

20、在一個(gè)特定的開啟度與曲線之間的關(guān)系。如下圖所示，由于水管不論大小、水位不論高低等都存在一定的阻力因素，當(dāng)上述情況一定時(shí)，水泵的一小部分水的動(dòng)能必定要用以平衡液位差和網(wǎng)道存在的一定阻力，而管阻特性正是用來反應(yīng)這一現(xiàn)象的。如圖2.1 的A點(diǎn)中，用戶的用水流量Qu和系統(tǒng)供水量Qc處于平衡狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性。又滿足了管阻特性，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 圖2.1系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的基本特性曲線 本系統(tǒng)的節(jié)能原理在于：在實(shí)際用水中，客戶在不同時(shí)間不同地點(diǎn)的用水量是不斷變化的，如果說閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)不變的話，必然回出現(xiàn)超壓或者低壓的情況，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。而變頻恒壓調(diào)速是通過改變水的動(dòng)能來控制流量的。換

21、言之，當(dāng)用水量增大時(shí)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速加快；反之，轉(zhuǎn)速減小，從而使官網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的目的。2.3控制方案的對比和確定當(dāng)前我國變頻恒壓給水設(shè)備的控制方式主要有：邏輯控制模式；單片機(jī)控制模式以及可編程控制模式。1.邏輯電子控制這種類型的控制基本上是用在一個(gè)單泵是固定在變頻狀態(tài)下，而且很難做到所有的水泵機(jī)組的軟啟動(dòng)和全流量變頻，所以控制精度低。2.單片機(jī)控制方式這類方式優(yōu)于前著，但其缺點(diǎn)是：處理不同的水管以及用水波動(dòng)較大時(shí)，調(diào)試依然麻煩。想要對系統(tǒng)增加其他附加功能時(shí)要對電路重新設(shè)計(jì)，不方便，功能性不強(qiáng)，穩(wěn)定性偏弱。3.PLC控制方式該方式中可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，能夠較好的解決前兩者方式的不足之處，

22、調(diào)試簡單，抗干擾性強(qiáng)，控制精確，高效節(jié)能，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。 綜上所述，本設(shè)計(jì)適合采用第三種控制方式。如下圖所示： 圖2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)組成方案圖從圖中可以看出，該系統(tǒng)由一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器（帶比例控制），一個(gè)可編程控制器，一個(gè)壓力傳感器，泵裝置（3個(gè)單位的設(shè)計(jì)），報(bào)警裝置和一些輔助設(shè)備組成。其中壓力傳感器有電阻式和壓力式兩種選擇。前者用來反饋05V電壓信號，后者用來反饋420mA電流信號，本設(shè)計(jì)選用前者電阻方式。變頻器是本次設(shè)計(jì)的核心，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速頻率來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速、無波動(dòng)穩(wěn)壓的效果。2.4 本系統(tǒng)的工作原理當(dāng)合上空氣開關(guān)，將系統(tǒng)調(diào)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)已啟動(dòng)了變頻器，壓力傳感器的實(shí)際值和偏

23、差信號的壓力值設(shè)置傳送給可編程控制器（經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后），得出給定信號的頻率（通過數(shù)模轉(zhuǎn)換），然后發(fā)送到變頻器。此時(shí)變頻器會(huì)依據(jù)所給信號和預(yù)先設(shè)定的信號來監(jiān)制水泵的轉(zhuǎn)速來確保管道壓力在壓力允許偏差范圍內(nèi)，達(dá)到恒壓控制的目的。在變頻器的頻率增加到50HZ時(shí)，會(huì)把這一信號送給可編程器，此時(shí)可編程控制器根據(jù)該信號和管道允許的壓力范圍信號來判斷是否需要啟動(dòng)下一臺(tái)水泵機(jī)。當(dāng)頻率在50HZ并運(yùn)行一小段時(shí)間（可以是1-2分鐘）上述條件仍然滿足時(shí)，PLC會(huì)立即把當(dāng)前的變頻水泵切換到工頻保持其轉(zhuǎn)速，同時(shí)用變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，再按照上述條件控制直到滿足用水需求和允許的壓差。2.5 水泵的實(shí)際增減條件分析在上述的系統(tǒng)

24、工作原理流程中，已經(jīng)闡明增泵條件，減泵條件大同小異，即當(dāng)變頻水泵和工頻水泵都工作在下限頻率時(shí)，管道的實(shí)際壓力仍然高于設(shè)定壓力，為了達(dá)到恒壓的目的，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少工頻水泵。這些理論分析其實(shí)和實(shí)際是存在一定差距的，接下來進(jìn)行實(shí)際分析。 我們知道50HZ是上限頻率，那下限頻率是0嗎？答案是否定的，實(shí)際控制中，由于管道中的水會(huì)給水泵機(jī)一個(gè)反向的水壓阻力，同時(shí)在一定程度上會(huì)阻礙管道進(jìn)水，所以當(dāng)頻率降低到一定數(shù)值時(shí)，已經(jīng)抽不上水了。這個(gè)值跟水泵的特性和系統(tǒng)有關(guān)，從查詢的資料中了解到在1020HZ左右。 實(shí)際的機(jī)組增減判別條件如下：當(dāng) (2.1)且延時(shí)判別成立時(shí)，增泵； 當(dāng) (2.2)且延時(shí)判別成立時(shí)，

25、減泵。式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設(shè)定壓力 ：反饋壓力 Pd ：偏差壓3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)上述PLC設(shè)計(jì)原理以及增減泵分析思想，現(xiàn)將系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下： 圖3.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖圖中包含的系統(tǒng)組成主要有：變頻器；水泵機(jī)組；可編程控制器；通訊模塊；壓力變送器及顯示儀表；液位變送器等。現(xiàn)將它們的選型制作如下表。表3.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其生產(chǎn)廠家變頻器MM440可編程控制器（PLC）西門子S7-200系列的CPU222AC/DC。水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀

26、液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)這里提一下變頻器的選擇：由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進(jìn)行功能自定義。快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.7590KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW

27、的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.2系統(tǒng)的主電路分析以及設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用3臺(tái)水泵循環(huán)變頻的工作模式。為避免有某一臺(tái)水泵長期運(yùn)行，而存在其余水泵長期休停的情況，在PLC編程中設(shè)定當(dāng)有水泵連續(xù)工作超過3小時(shí)，則切換另一臺(tái)休停的水泵來代替運(yùn)行，即系統(tǒng)具備人性化的“輪休功能”。承接上文的設(shè)計(jì)思路，現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路圖如下： 圖3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 圖中M1、M2、M3為三臺(tái)電機(jī)，它們分別帶動(dòng)水泵1、水泵2、水泵3（圖中未畫出）轉(zhuǎn)動(dòng)抽水。M1、M2、M3由接觸器KM1、KM3、KM5控制其在工頻狀態(tài)

28、下運(yùn)行；M1、M2、M3由接觸器KM2、KM4、KM6控制其在變頻狀態(tài)下運(yùn)行。M1、M2、M3這3臺(tái)水泵電的過載保護(hù)由FR1、FR2、FR3來實(shí)現(xiàn)；變頻器和2臺(tái)水泵電機(jī)的電路隔離開關(guān)依次是QF1、QF2，F(xiàn)U為主電路的熔斷器。 當(dāng)電機(jī)處于工頻狀態(tài)時(shí)，接到變頻器的隔離開關(guān)斷開，輸出端的接觸器斷開，接通工頻接觸器和工頻可離開關(guān)。熔斷器FU實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)；熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。在運(yùn)行中，禁止變頻和工頻同時(shí)進(jìn)行，并且不允許輸出的轉(zhuǎn)換器被直接連接到電源。在變頻與工頻轉(zhuǎn)換時(shí)，必須現(xiàn)將所連接的接觸器斷開。即每兩臺(tái)接觸器不能同時(shí)動(dòng)作，兩兩只間要有互鎖設(shè)計(jì)。在電機(jī)剛開始啟動(dòng)時(shí)需注意其轉(zhuǎn)向，若反向，可通過改變電

29、源的相序來調(diào)整。另外值得注意的是，當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)為了保護(hù)人體安全，須采用軟啟動(dòng)或者自耦變壓器降壓啟動(dòng)來減小電流，在此次設(shè)計(jì)中采用軟啟動(dòng)。3.3系統(tǒng)內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)及分析S7-200系列PLC性能優(yōu)越是本次設(shè)計(jì)的控制中心，要實(shí)現(xiàn)控制的功能有：（1）能夠自動(dòng)有序的控制3臺(tái)水泵的運(yùn)行；（2）能夠在3者之間將完成工、變頻的相互轉(zhuǎn)換；（3）在每臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)要能達(dá)到軟啟動(dòng)；（4）水泵機(jī)組要有手動(dòng)擋和自動(dòng)擋（自動(dòng)擋便于應(yīng)急和調(diào)試或者修檢）；（5）系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖本設(shè)計(jì)需要考慮的因素綜合如下:1.考慮到用戶在白天和晚上的用水量有明顯的不同，故設(shè)計(jì)了白天和黑夜2

30、種運(yùn)行模式，一般情況下，白天用水量大，故水壓設(shè)定值相對高；夜晚用水量相對少，故水壓設(shè)定值低些；2.為避免在用水量小而存在某臺(tái)水泵機(jī)長期工作，其余長期休停情況，如上文提到須設(shè)計(jì)切換另外1臺(tái)，即“輪休功能”。超過3小時(shí)進(jìn)行切換。結(jié)合3.1所提到的功能要求，統(tǒng)計(jì)輸入輸出信號、地址和代碼匯總?cè)缦拢好?稱代 碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0液位變送器下限信號SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵

31、工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0表3.4-1輸入點(diǎn)代碼及地址編號匯總 綜合上述表格，設(shè)計(jì)可編程控制器接線圖如下所示：圖3.4-2主電路接線圖(截圖不太清楚已單獨(dú)打印) 由表3.4-1可見本次設(shè)計(jì)有5個(gè)輸入量，其中4個(gè)數(shù)字量1個(gè)模擬量。圖中SA1是

32、用來控制白天與夜間之間的轉(zhuǎn)換的開關(guān)，輸入I0.0；模擬量的壓力輸入信號來源于壓力變送器對管壓的測量；圖中作為模擬量的水位信號來自于液位變送器對液位的監(jiān)測；做A/D轉(zhuǎn)換后送入窗口比較器。當(dāng)檢測到水位不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，I0.1得到輸出為1的高電平；故障輸出端與可編程控制器的I0.2連接，組成故障報(bào)警裝置。由表3.4-2可知，本系統(tǒng)有12個(gè)輸出信號，其中11個(gè)數(shù)字量，1個(gè)模擬量。Q0.0Q0.5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號；Q1.1輸出水位超限報(bào)警信號；Q1.2輸出變頻器故障報(bào)警信號；Q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號；Q1.4輸出報(bào)警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號；AQW0輸出的

33、模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)分析 上述硬件連接好后，接下來就是軟件的設(shè)計(jì)編寫了。結(jié)合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)對軟件設(shè)計(jì)分析：1.恒壓的實(shí)現(xiàn)為了達(dá)到恒壓這一目的，在水壓過高或過低時(shí)須改變變頻器的輸出頻率，當(dāng)達(dá)到增減水泵的條件時(shí)還必須通過增減水泵來達(dá)到恒壓?？赏ㄟ^比較指令來實(shí)現(xiàn)這一功能，另外在程序中應(yīng)采用 時(shí)間濾波，忽略偶然的頻率波動(dòng)引發(fā)的到達(dá)上限的假象。2.水泵機(jī)組的合理運(yùn)行機(jī)制為了保護(hù)水泵機(jī)組長期穩(wěn)定的運(yùn)行下去，每次的啟動(dòng)都應(yīng)該是軟啟動(dòng)，加上上文提到的“輪休功能”，即某臺(tái)水泵不能連續(xù)3小時(shí)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。處理方法是：將正在運(yùn)行的變頻器移除，接工頻電源，再將其復(fù)位并用來

34、啟動(dòng)新的水泵.3.程序的結(jié)構(gòu)其功能實(shí)現(xiàn)程序分為3部分：主程序，中斷程序和子程序。為節(jié)省掃描時(shí)間，子程序中放置初始化程序；用定時(shí)器中斷來完成PID的定時(shí)采樣和輸出監(jiān)控。主程序功能有：白天、夜間模式到達(dá)設(shè)定值的控制切換；各個(gè)水泵切換信號處理；報(bào)警裝置控制等。其中白天模式設(shè)定在滿量程的80%左右，夜間設(shè)置在60%左右比較合理。4.2 PLC的程序設(shè)計(jì)S7-200的3中編程語言分別是;STL(語句表)、LAD(梯形圖)、FWD（功能塊圖）。其中梯形圖是簡單易學(xué)的，是最常用的語言，此次設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。4.2.1控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，檢測在各個(gè)地方的

35、狀態(tài)，如果有一個(gè)錯(cuò)誤則立即報(bào)警，對頻率轉(zhuǎn)換器的上限和下限頻率，控制參數(shù)實(shí)行初始化處理，并給出相應(yīng)的初始值。初始化是主程序調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)的。2.增減泵的判斷程序當(dāng)系統(tǒng)檢測到滿足2.5中式子（2.1）時(shí)，PLC的控制程序進(jìn)行增泵控制，當(dāng)滿足式（2.2）時(shí)，減泵。3.水泵的軟啟動(dòng)程序復(fù)位變頻器為增加或減少泵或倒泵的軟啟動(dòng)做好準(zhǔn)備條件，同時(shí)下一臺(tái)泵的變頻啟動(dòng)指令信號和目前水泵的工頻啟動(dòng)指令都由變頻器產(chǎn)生。啟動(dòng)前做延時(shí)準(zhǔn)備工作，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。4.各水泵工頻和變頻運(yùn)行控制邏輯程序上文已做描述。5. 報(bào)警及故障處理程序此次設(shè)計(jì)中包含水位出限預(yù)警、變頻器非正常工作報(bào)警和各個(gè)報(bào)警指示燈設(shè)備。一旦出現(xiàn)故障事件，與

36、其所對應(yīng)的報(bào)警裝置會(huì)立即閃爍，另外警鈴不停響起。當(dāng)調(diào)試燈按鈕置1時(shí)，則所有指示燈一直閃亮。故障出現(xiàn)后，需要再次設(shè)定工頻機(jī)的工作臺(tái)數(shù)和變頻水泵機(jī)號。故障停止信號在結(jié)束時(shí)發(fā)出。綜上所述主程序設(shè)計(jì)主要包括一下幾個(gè)部分：(1) 子程序的調(diào)用，用來賦予初始值；(2) 根據(jù)增、減泵條件確定；(3) 變頻泵號的確定；(4) 對工、變頻泵的控制；(5) 報(bào)警及故障的處理。由于其主程序圖較復(fù)雜，在這里不變?nèi)慨嫵?，只畫出控制流程圖。N設(shè)置兩種模式下的水壓給定值YNY 返回N開始調(diào)用初始化子程序設(shè)定變頻泵號頻率達(dá)到上限且壓力不超過預(yù)設(shè)值工頻泵加1，并產(chǎn)生變頻啟動(dòng)脈沖Y水壓與預(yù)設(shè)值基本一致頻率達(dá)到下限工頻泵減1，并

37、產(chǎn)生變頻啟動(dòng)脈沖圖4.2.1-1 系統(tǒng)主程序流程圖1圖4.2.1-2系統(tǒng)主程序流程圖開始當(dāng)產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行，下臺(tái)泵變頻運(yùn)行信號時(shí)變頻泵獨(dú)自運(yùn)行達(dá)到3小時(shí)YN產(chǎn)生換泵信號1、2、3輪流號泵做變頻控制1、2、3號泵做工頻控制水池水位越線YN水位越線報(bào)警變頻器故障報(bào)警變頻器故障YN是否有報(bào)警結(jié)束NY變頻泵號置1，工頻泵號置0產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖4.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)（1）初始化子程序SBR_0上文提到下限頻率在1020HZ之間，上限為50HZ，為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，我們下限選20HZ。設(shè)定輸出頻率范圍為0 100Hz，給定值分別為16000和6400的上限和下限。首先初始化變頻運(yùn)行的上下限頻率，之

38、后設(shè)定上下限頻率，定時(shí)中斷以及中斷連接在后續(xù)給出，子程序梯形圖如下圖所示：圖4.2.2-1 初始化子程序SBR_0梯形圖（2）PID控制中斷子程序 AQW0輸出的模擬信號由自身的數(shù)據(jù)采集先通過標(biāo)化轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)PID運(yùn)算才得到的。其程序梯形圖如下: 圖4.2.2-2 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖4.3 PID控制及其算法在此次設(shè)計(jì)中，我們選用的是帶有PID調(diào)節(jié)的可編程控制器來達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)制的。PID分別指的是P比例、I積分、D微分。PID發(fā)展到今天有著理論與技術(shù)成熟，控制操作簡單效果好，應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)。4.3.1 PID控制原理簡介其控制為線性控制，原理框圖如下：圖4.3 PID控制原

39、理框圖u(t)是調(diào)節(jié)量由PID調(diào)節(jié)得到，控制規(guī)律表示如下： （4.3-1）式中：Kp是系數(shù)；Ti是積分時(shí)間常數(shù)；Td是微分時(shí)間常數(shù)。所對應(yīng)的傳函是： （4.3-2）4.3.2 PID參數(shù)整定及波形圖仿真參數(shù)整定方法大致有兩大類：理論推理法和工程法。后者整定方法有：現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)法、阻尼振蕩法、動(dòng)態(tài)特性法和穩(wěn)定邊界法。此次選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，它是指：依據(jù)體系的廣義開環(huán)過程（包含調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控目標(biāo)WO(s)和測量變送Wm(s)）所產(chǎn)生的階躍響應(yīng)特點(diǎn)來估摸運(yùn)算的辦法。結(jié)構(gòu)框圖如圖4.3.2所示。圖4.3.2-1 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖選擇PI控制器可以更好的做到更精確控壓，傳函為： （4.3.2

40、-1）本系統(tǒng)可大概的看作是一階慣性環(huán)節(jié)，帶純滯后。設(shè)其過程傳函為；變頻器此時(shí)作為比例環(huán)節(jié)，即；則反饋回路傳函是：。本系統(tǒng)具有自動(dòng)平衡能力。當(dāng)時(shí)，解出：，那么PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，輸入程序后得到的仿真波形圖如圖4.3.2-2所示，圖4.3.2-2 恒壓供水系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真波形圖加入滯后環(huán)節(jié)如圖4.3.2-3所示。圖4.3.2-3 加入純滯后環(huán)節(jié)后的仿真波形圖從圖中可以看出，系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)用時(shí)較短，而且輸出壓力信號穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。5監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1組態(tài)軟件及其通信參數(shù)設(shè)置組態(tài)軟件是收集數(shù)據(jù)和監(jiān)制運(yùn)行過程的專業(yè)應(yīng)用軟件。能以多種靈活方式為使用者給出優(yōu)良的開發(fā)界面及簡

41、易方便的操作。組態(tài)軟件主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、圖形界面系統(tǒng)、第三方程序接口模塊和控制功能模塊組成。本設(shè)計(jì)中選擇“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)和CPU的通信由PPI來完成。使用串口1，雙擊工程瀏覽器的設(shè)備文件夾中的“COM1”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對話框中設(shè)置波特率為19200bit/s，如圖5.1-1所示：圖5.1-1 串口1的參數(shù)設(shè)置此后，點(diǎn)擊右側(cè)工作區(qū)的“新建”圖標(biāo)，在對話框的PLC文件夾中找到S7-200型號，選擇PPI協(xié)議，再連續(xù)多次點(diǎn)擊下一步直到完成為止。將會(huì)出現(xiàn)有“新的IO設(shè)備”圖標(biāo)，設(shè)置完畢。如下圖所示：圖5.1-2 通信協(xié)議的設(shè)置5.2新建工程和組態(tài)變量雙擊“組態(tài)王”軟件并啟動(dòng)

42、項(xiàng)目管理器，創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目“基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)“。雙擊新建過程，點(diǎn)工程瀏覽器，再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)字典”，將會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)設(shè)定好的內(nèi)存變量。雙擊右下角的“新建”圖標(biāo)，在彈出的對話框中（見下圖5.2-1）設(shè)定輸入輸出的各個(gè)變量點(diǎn)。其他變量的定義也是如此設(shè)定。（見下圖5.2-2）。圖5.2-1 定義變量對話框圖5.2-2 數(shù)據(jù)詞典中的變量列表5.3組態(tài)畫面 建立組態(tài)畫面有一下幾個(gè)步驟：1.建立一個(gè)新畫面：點(diǎn)擊“畫面”在瀏覽器的左邊，雙擊工作區(qū)的新圖標(biāo)，在彈出的對話框中輸入名稱單擊確認(rèn)進(jìn)入系統(tǒng)軟件的開發(fā)界面。2.動(dòng)態(tài)畫面的創(chuàng)造：點(diǎn)擊工具箱會(huì)出現(xiàn)各種繪圖工具以繪制監(jiān)控畫面，之后點(diǎn)擊動(dòng)畫鏈接。3.控制過程的流程編寫：點(diǎn)擊窗口-文件-命令語言-應(yīng)用程序命令語言”進(jìn)行編程。4. 按鈕，指示燈配置：按鈕可用來執(zhí)行一些操作指令；指示燈多用于指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。5.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面 繼承前面的敘述本系統(tǒng)建立了5個(gè)界面，包括啟動(dòng)界面、主界面、歷史和實(shí)時(shí)趨勢曲線界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面和報(bào)警界面?？紤]到用戶的安全性問題，為不同用戶提供了不同的使用權(quán)限。另外主菜單能夠調(diào)出每一個(gè)控制面，在運(yùn)行的主界面中也能改變壓力給定值等。主界面實(shí)時(shí)顯示了3個(gè)變頻調(diào)速泵的速度、工作頻率、