基于PLC的恒压供水系统控制 本文简介：
摘要随着社会经济的迅速发展，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，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本论文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。变
基于PLC的恒压供水系统控制 本文内容：
摘要随着社会经济的迅速发展，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，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本论文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。
变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置PID变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率
来改变电机的转速
，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
本控制系统中采用了德国SIMENS公司的S7-200可编程控制器，同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置PID算法的变频器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，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。关键词：PLC；恒压供水；变频调速
AbstractWith
the
rapid
socio-economic
development,
people
on
the
reliability
of
water
quality
and
water
supply
systems
have
higher
requirements;
coupled
with
the
current
energy
shortage,
the
use
of
advanced
automation
technology,
control
technology
and
communication
technology,
design
high-performance,
high
energy,
able
to
adapt
Water
Supply
System
in
different
fields
has
become
an
inevitable
trend.
This
paper
combines
the
small
and
medium
cities
in
China"s
water
status
residential
area,
designed
a
PLC-based
control
water
supply
system
frequency
control.
Frequency
Control
Constant
Pressure
Water
Supply
Control
System
consists
of
a
programmable
controller,
built-in
PID
inverter,
water
pump
turbine,
pressure
sensors,
and
control
cabinet
composition.
In
the
frequency
control
water
supply
system,
a
single
pump
operating
conditions
by
adjusting
the
frequency
converter
to
change
the
power
to
change
the
motor
speed,
thus
changing
the
pump
performance
curve
can
be
realized.
Analysis
of
the
energy
consumption
of
pump
condition
comparison
chart,
you
can
see
using
frequency
control
constant
pressure
water
supply,
when
the
speed
decreases,
the
flow
and
speed
is
proportional
to
the
cube
of
power
to
speed
down,
and
traditional
water
supply
using
the
valve
section
flow
method,
compared
to
a
certain
extent,
reduce
energy
consumption,
energy
saving
can
be
significant.
The
control
system
used
in
the
company
of
the
German
SIMENS
S7-200
programmable
controller,
and
select
the
one
for
the
water
system"s
built-in
pressure
control
PID
algorithm
converter.
The
pressure
transducer
on
a
given
value
and
the
measured
deviation
for
processing,
real-time
control
of
output
voltage
and
frequency
converter,
and
then
change
the
water
pump
motor
speed
to
change
the
water
pump
outlet
flow,
achieve
automatic
adjustment
of
the
pressure
pipe
network,
to
pipe
network
pressure
stabilized
at
set
point
in
the
vicinity.
Keywords:
PLC;
constant
pressure
water
supply;
Frequency
Control目录第一章
绪论
1
1.1城市供水系统的要求
1
1.1.1一台恒速泵直接供水系统
1
1.1.2恒速泵+水塔的供水方式
1
1.1.3射流泵十水箱的供水方式
2
1.1.4恒速泵十高位水箱的供水方式
2
1.1.5恒速泵十气压罐供水方式
2
1.1.6变频调速供水方式
3
1.2变频恒压供水产生的背景和意义
5
1.3国内外研究概况
5
第二章
恒压供水系统
8
2.1变频恒压供水系统
8
2.2课题研究的对象
9
2.3变频恒压供水控制方式的选择
10
2.3.1逻辑电子电路控制方式
10
2.3.2单片微机电路控制方式
10
2.3.3带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式
10
2.3.4新型变频调速供水设备
11
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理
12
2.4.1系统的构成
12
2.4.2工作原理
14
2.4.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
15
2.5PID控制原理
16
第三章
器件的选型及介绍
20
3.1PLC的概述
20
3.1.1PLC的简介
20
3.1.2S7-200概述
23
3.2本设计系统PLC功能
24
3.3变频器的选型
25
3.4PLC扩展模块EM235的I／O点及地址分配
29
3.4.1EM235的简介
29
3.4.2
EM235的技术规范
30
3.4.3EM235的校准及配置
32
3.4.4EM235的使用说明
33
第四章
控制系统设计及编程
34
4.1控制系统的电气系统控制
34
4.2PLC
编程及介绍
35
4.2.1多泵组泵站泵组管理规范
36
4.2.2程序的结果以及程序功能的实现
36
结论与展望
49
致谢
50
参考文献
51
附录1
52
附录2
53
附录3
54
附录4
55第一章
绪论1.1城市供水系统的要求
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。
1.1.1一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。
1.1.2恒速泵+水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
1.1.3射流泵十水箱的供水方式
这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。
1.1.4恒速泵十高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。
1.1.5恒速泵十气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。
1.1.6变频调速供水方式
这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。
（1）出口恒压控制
水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。
（2）出口变压控制
水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。
（3）最不利点恒压控制
最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处;使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。
变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作
.当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。
由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。1.2变频恒压供水产生的背景和意义
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.3国内外研究概况
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、变压变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。即
1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，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度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”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，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，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。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.
变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。第二章
恒压供水系统2.1变频恒压供水系统
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
（5）当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
（7）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.2课题研究的对象图2.1
供水流程简图此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。2.3变频恒压供水控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
2.3.1逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。
2.3.2单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。
2.3.3带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式
该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，
PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
2.3.4新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO—
I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次计采用第四种方案。如图2.2所示。
图2.2
供水系统方案图
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理
2.4.1系统的构成
图2.3
系统原理图如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
（1）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，图2.3中的3个水泵分为二种类型:
调速泵: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。
恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。
（2）信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:
1）水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
2）报警信号:它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)控制系统
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部分。
①供水控制器:它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工况、压力、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)进行控制。
②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器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。
③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
（4）通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等
（5）报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、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、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，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。
2.4.2工作原理
合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。［9］当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。
增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，
控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。
减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。
2.4.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水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，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水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，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，刁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。
尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。［10］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。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。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低到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。［11］由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。
在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。
2.5PID控制原理
将偏差的比例((Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative))通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的控制器，简称PID控制器或PID调节器，是生产过程中应用最普遍的控制方法。［8］它的结构简单，操作方便，可靠性高，特别是在控制对象的数学模型难以建立的工业控制过程中，应用更为广泛。事实上，
PID是一种负反馈控制，它以设定的控制目标值与反馈值的差值作比例、微分、积分后用来控制受控对象。［1］
图2.4常规PID控制系统原理框图
其系统原理框图如图2.4所示连续系统的PID控制算式表示为：其中e(t)为偏差，e(t)=r(t)-y(t)
r(t)…设定值，y(t)…实际值
Kp，Ti，Td分别为控制式的比例、积分、微分系数
简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：
（1）比例环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(0)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
（2）积分环节，主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti、Ti越大，积分作用越弱；反之则越强。
（3）微分环节，能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间.对于计算机采样控制系统，使用的是数字PID。数字PID又分为位置式算法和增量式算法。
将式中的积分用求和代替，微分用增量代替，则得到位置式PID算式为：式中：Kp为比例系数；Ki=KpT/Ti为积分系数，T为采样周期；
Kd=KpTd/T为微分系数
次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(kt)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(t)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，
u(t)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化．这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PD控制的控制算法。所谓增量式PD是指数字控制器的输出只是控制量的增量Au(kt)。
采用增量式PID算法，式(2-2)改写为：
由
PID
控制原理可知，比例增益（KP）可以加快响应速度，提高调节精度，但是如果过大，可能会导致系统激烈振荡甚至不稳定。积分增益可以消除静差，提高系统控制的精度，但是如果过大，可能会引起积分饱和，导致系统振荡频率较低，调节缓慢，且超调量过大。
PID
参数整定原则
根据
城市供水系统的运行特点，结合
PID
的三个系数（KP
、KI
、KD），对系统控制的作用，可以确定如下三条整定原则：
（1）E
很大时,说明实际值与参考值相差很大，此时应采取最强的控制，使误差绝对值以最大速度减小，这样在
PID
控制参数方面，要求
KP
取较大值，同时为避免积分和微分饱和，KD
可取较小值，KI
取
0。
（2）若
E·EC>0,说明误差在向绝对值增大的方向变化，即实际值与参考值的差距在变大。此时，当误差绝对值较大时，应采取较强的控制以改变误差的变化趋势，迅速减小误差绝对值，在
PID
控制参数方面，KP
可取较大值，同时可取较小的
KI和中等的
KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，可采取普通控制，取中等的
KP，同时取较大的
KI
和较小的
KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。
（3）若
E·EC<0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，即实际值与参考值的差距在变小。此时，当误差绝对值较大时，应采取普通的控制，迅速减小误差绝对值，在
PID
控制参数方面，可取中等的
KP，同时可取较小的
KI
和中等的
KD，以提高动态性能和稳态性能；当误差绝对值较小时，误差变化率绝对值也较小时，可采取强度较低的控制，取较小的
KP，同时取较大的
KI
和较小的
KD，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。同时，因为系统存在较大的滞后，当误差绝对值较小，误差变化率绝对值较大时，可以认为系统实际值与参考值的差距在变大，因为在接下来的时间里，实际值将越过参考值，背向参考值快速变化，所以此时应采取普通的控制，迅速降低误差变化率的绝对值，在
控制参数方面，可取中等的，同时可取较小的误差变化率的绝对值，在
PID
控制参数方面，可取中等的
KP，同时可取较小的
KI和中等的
KD，以提高动态性能和稳态性能。
［2］
第三章
器件的选型及介绍3.1PLC的概述
3.1.1PLC的简介
可编程控制器简称——PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展而来的一种新型工业控制装置。它具有结构简单、编程方便、可靠性高等优点，已广泛用于工业过程和位置的自动控制中。据统计，可编程控制器是工业自动化装置中应用最多的一种设备
［3］。专家认为，可编程控制器将成为今后工业控制的主要手段和重要的基础设备之一，PLC、机器人、CAD/CAM将成为工业生产的三大支柱。
PLC是在继电器控制逻辑基础上，与3C(Computer
,Control
,Communication)技术相结合，不断发展完善的。目前已从小规模单机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在控制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中，但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性，因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与dcs和工业pc形成了三足鼎立之势。同时，plc也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业pc所带来的冲击。
微型化、网络化、PC化和开放性是PLC未来发展的主要方向。在基于PLC自动化的早期，PLC体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型PLC
（小于32
i/o）已经出现，价格只有几百欧元。随着软PLC（soft
plc）控制组态软件的进一步完善和发展，安装有软PLC组态软件和pc-based控制的市场份额将逐步得到增长。
当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是ethernet技术的扩展，PLC也不例外。现在越来越多的PLC供应商开始提供ethernet接口。可以相信，PLC将继续向开放式控制系统方向转移，尤其是基于工业PC的控制系统。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:
开关量的逻辑控制：这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等；模拟量控制：［7］在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制；运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合;过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。［6］过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用；数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统；通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
（1）PLC的主要功能
PLC是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，在实践中通过不断完善，已具备比较理想的功能，可以满足各种不同控制领域的需要。目前典型的LPC的功能有以下十种:
1）开关量控制;
6）步进控制;
2）模拟量控制;
7）数据处理;
3）定时控制;
8）自诊断功能;
4）计数控制;
9）定位控制;
5）通讯联网功能;
10）显示、打印功能。
（2）PLC的特点
PLC作为工业生产过程控制的专用计算机，与通常在实验室环境下使用的微机不同。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有许多明显的特点。可靠性高、编程直观简单、通用性强、适应性好、接口能力强、模块化结构、体积小、结构紧凑、安装维修方便等。
3.1.2S7-200概述
S7-200是SEIMENS公司生产的小型可编程逻辑控制器，该产品可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的可扩展性、低廉的价格以及丰富的指令，使得s7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，多个类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。
(l)S7-200CPU
S7-200CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字量1心点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。·
CPU负责执行程序和存储数据以便对工业自动控制任务或过程进行控制。
1）
输入和输出是系统的控制点:输入信号来自现场的各种传感器及检测开关(模拟量及开关量)，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。
2）
电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。
3）
通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其他一些设备连接起来。
4）
状态信号灯显示了CPU的工作模式，本机Io/的当前状态，以及检查出的系统错误。
5）
通过扩展模块可增加CPU的1/O点数。通过扩展模块可提供其通讯性能。一些CPU具有内置的实时时钟，其他CPU则需要实时时钟卡EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。
6）通过可选的插入式电池盒可延长RAM中的数据存储时间。
(2)扩展模块
S7-200CPU模块提供了一定数量的本机I/O，扩展模块提供了附加的输入输出点。3.2本设计系统PLC功能
PLC在系统中的主要实现的功能：
（1）实现数字PID调节
（2）对变频器的驱动控制。变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接收压力变送器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。
（3）因为本系统设计所需的输入输出点较多所选PLC要有充足的输入输出点。
通过PLC的功能需求，我们选用德国SIEMENS公司的S7-200(CPU
226)型PLC，实物图如图3-4-1所示，辅以输入／输出扩展模块组成。本设计考虑到两种方式下的输入点共有30个（输入端子有24个，输出端子有6个），超出PLC本身24个输入点，由于手动和自动只能以一种方式工作，故某些输入点可以分时复用，一点顶两点用，所以本系统选用40点I/O端子的PLC。输入单元：拨盘开关4个分别为小数位、个位、十位、百位；接近开关SW
1个，选择开关S1
1个；磨刀开关S2
1个；按钮SB0～SB9
10个；限位开关ST1～ST4
4个。图3.1
PLC实物图3.3变频器的选型
变频器选择中，应按电动机的额定功率及额定电流、额定电压综合考虑，合理选择变频器的参数，与用电设备配套。污水厂中有些机械配套的电动机属于大电流、低转速电机，在选择变频器时在按额定功率选择变频器时，必须校核变频器的额定电流要与设备配套。
［5］
由于变频器产生的高次谐波的影响，对补偿电容的影响较大，在选择电容器时需选择带电抗器的电容器，最好选择带消谐装置的电容器组。污水厂控制的参数较多，需综合各种信息综合确定控制模型，变频装置应充分考虑与其它控制系统数据和信息通讯地能力，以便更好监测变频器的各种工况及更合理的控制，充分发挥各种装置在同一系统中综合应用的潜力，达到动态、互补、经济运行的目的。
变频器安装及接线中，应严格按照产品安装使用手册进行，各种辅助措施，如装置环境条件的保证，接地安全措施均应预留到位，否则会直接影响变频器的使用寿命和效率，还会造成对其它系统干扰现象。尤其环境温度的要求，尤其重要，变频器发热量较大，安装在柜内时要考虑散热的要求，必要时需增设通风设备，对大功率变频器尤为重要。
变频器主要优点：
（1）省电：20%-50%。???
（2）压力精确度±0.1Bar。???
（3）提高马达功率因素。????
（4）降低启动电流，减少对电网冲击。????
（5）降低设备运转噪音，提供良好工作环境。????
（6）降低能源消耗和生产成本，提高产品竞争力,延长空压机使用寿命。???
（7）降低故障率，减少维修成本。???
（8）提供稳定之排气压力，有利于提高产品的合格率。???
（9）变频和工频可任意切换（不改变电动机原有操作模式）
变频器是变频凋述系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电动机转速的调节。变频器的选择必颁根据电动机的功率和电流进行选择。本系统选用的变频器为SIEMENS公司的MM440系统。
MM440是一种集多种功能于一体的变频器，该系列有多个型号供用户选择，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W~200kW，可变转矩控制方式的额定功率可达250kw，他适用于电动机调速的场合，的通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的需要。
MM440变频器的型号有8种：A-F、FX和GX。每种变频器的额定功率按字母顺序排列越来越大，另外每种型号种都有单相和三相两种输入电压。
（1）主要特点
1）内置多种运行方式；
2）快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动;
3）内置式制动斩波器，实现直流注入制动;具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；
4）具有PID功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；
5）多组参数设定且可相互切换，变频器可用于多个交换工作的生产过程；
6）多功能数字、模拟输入输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。
（2）控制方式
变频器控制运行方式，即变频器输出电压与频率的控制关系。控制方式的选择，可通过变频器相应的参数设置选择。MM440系列变频器主要有以下几种控制方式：
1）线性VF控制
变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒转矩负载。
2）带磁通电流控制（FFC）的线性控制
在这种模式下，变频器根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。此方式可提高电动机的效率和改善电动机动态相应特性。
3）平方VF控制
变频器的输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载。
4）特性曲线可编程的VF控制
变频器输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可用于在某一特定频率下为电机提供特定的转矩。
5）带“能量优化“控制的线性VF控制
此方式的特点是电动机自动增加或降低电动机电压，搜寻并使电动机运行在最小损耗的工作点上。
6）有/无传感器矢量控制
用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。采用这一控制方式时，可以得到大
的转矩，改善瞬态响应特性和具有优良的速度稳定性，而且在低频是可以提高电动机的转矩。
7）有/无传感器的矢量转矩控制
变频器可以直接控制电动机的转矩。当负载要求具有恒定的转矩是，变频器通过改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。
（3）保护功能
MM440系列的变频器所具有的保护功能有：过电压及欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、I2T电动机过热保护和PTC
/KTY电动机过载保护。
1）MM440变频器的功能方框图图3.2
MM440内部功能图图3.2为MM440变频器的内部功能方框图。其控制电路由CPU、模拟输入/输出、数字输入输出、操作面板等组成。该变频器共有20多个控制端子，分为四类：输入信号端子、频率设定输入端子、监视信号输出端子和通信端子。
2）输入信号：DIN1、DIN1为PLC的控制信号输入；
L1、L2、L3为电源输入。
3）输出信号：U，V，W为接三相异步电动机。
DIN1-DIN6为数字输入端子，一般用于变频器的外部控制，其具体功能由相应设置决定。例如出厂设置时DIN1为正向运行、DIN2为反向运行，根据需要修改参数可以改变其相应的功能。使用输入信号端子可以完成对电动机的正反转控制、复位、多级速度设定、自由停车、电动控制等操作，PTC端子为PTC传感器输入端子，用于电动机内置PTC测温保护。
AIN1、AIN2为模拟信号输入端子，分别作为频率给定信号和闭环时反馈信号输入。变频器提供了三种频率设定的方式：外接电位器设定、0-10V电压设定和4-20mA电流设定。当用电压或电流设定时，最大电压或电流应对应于变频器频率输出的最大值。变频器有两路频率设定通道，开环时只用AIN1通道，闭环时使用AIN2通道作为反馈输入端。端子1、2提供了一个高精度的10V直流电源，当使用模拟电压信号方式设定频率时，为了提高变频器的控制精度，最好使用这样的高精度的电源。
输出信号的作用就是对变频器运行状态的显示，或向上位机提供这些信息。
针对本系统的应急情况，可将变频器端子上的信号分为输入信号、输出信号。
3.4PLC扩展模块EM235的I／O点及地址分配
3.4.1EM235的简介
EM235模块是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA（通过250Ω电阻转换DC
1～5V或通过500Ω电阻
转换DC2～10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。
（1）主要特点
1）专为电力电气自动化50／60Hz交流电流测量而设计的真有效值两线制隔离变送器模块；
2）采用印制板直插安装型模块结构，将精密电流互感器和单片集成电流变送器两部分组合为一体化设计；
3）具有国内首创4种补偿措施：①零位补偿、②线性补偿、③温度漂移补偿、④频率带宽补偿；
4）具有国内首创6大全面保护功能：①输入过载保护；②输出过流限制保护；③输出电流长时间短路保护；④两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护；
⑤工作电源过压极限保护≤35V；⑥工作电源反接保护
5）原副边高度绝缘隔离；
6）高可靠性，高稳定性，高性价比；
7）特别适用于将发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等馈电电流互感器的二次侧1A、5A、10A电流隔离转换为标准两线制DC4～20mA直流信号，输入智能监控系统；
8）超低功耗，单只静态时0.096W，满量程功耗为0.48W，输出电流内部限制功耗为0.6W。
9）频率带宽：AC40～1000KHz
（2）主要功能与特性
1）将被测工频交流电流转换成按线性比例输出的两线制DC4～20mA标准直流信号；
2）优良的温度特性和长期工作稳定性；
3）第3代定型设计采用意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片(绝非LM324或LM258廉价运放搭成)；
4）第3代定型设计采用强功率线性变压原理,抗干扰能力较第2代增强10倍；（5）精确度高,线性度优良；
6）两线端口具有输出过流过压极性保护功能,具有感应雷击波和突波保护能力；
3.4.2
EM235的技术规范
S7—200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中表3.1中，输入、输出信号范围栏给出了EM235的输入、输出信号规格，以供选用。4路端子可分别接入4路输入，当信号的类型(电流或电压)不同时，接线方法不一样，输出是电流量还是电压量在接法上有区别。
表3
.1
EM235输入/输出技术规范
输入技术规范
输出技术规范
最大输入电压
30VDC
隔离（现场到逻辑）
无
最大输入电流
32Ma
信号范围输入滤波衰减
-3Db
电压输出
±10V
分辨率
12位A/D转换器
电流输出
0-20mA
隔离
否
分辨率，满量程输入类型
差分
电压
12位
输入范围电流
11位电压单极性
0-10V，0-5V电压
-32000-32000
0-1V,0-500mV
0-100mV，0-50mV
电压双极性
±10V，±5V，
±2.5V
电流
0-32000
±1V,
±500mV,
±250mV
最差情况0-25±100mV±50mV,±25mV
电压输出
±2%满量程
电流
0-20mA
电流输出
±2%满量程
A/D转换时间
<250us
经典25模拟输入阶跃应
1.5ms到95%
电压输出
100us
共模电压
信号电压加共模电压必须≤12V
电压输出
100us24DC电压范围
20.4-28.8V
电流输出
2us
数据字格式双极性，满量程
-3200-320000
最大驱动单极性，满量程
0-32000
电压输出
5000最小
共模抑制
40dB，DC到60HzDC输入阻抗
≥10M电压输出
电流输出
5000最小
250电流输入
3.4.3EM235的校准及配置
模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信号类型对模块进行的一些设定。校准可以简单地理解为仪器仪表使用前的调零及调满度。要配置调节使用的6只开关的状态组合所对应的输入范围及分辨率，分成单极性输入及双极性输入两种情况。
校准输入的步骤如下：
（1）切断模块电源。使用配置开关选择需要的输入范围。
（2）接通CPU各模块电源，并稳定15min。
（3）用一个传感器、一个电压源或电流源，将零值信号加到一个输入端。
（4）读出CPU中测量值。
（5）调节偏置电位器，使读数为零或为一个所需要的数据值。
（6）将一个满刻度信号接入某个输入端，读取CPU的值。
（7）调节增益电位器，直到CPU的读数为32000，或所需要的数据值。必要时，重复偏置及增益的校准过程。
3.4.4EM235的使用说明
（1）EM235使用的一般过程如下：
1)根据输入信号的类型及变化范围设置DIP开关，完成模块的配置工作。必要时进行校准工作。
2)完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路尽可能的短，且应使用屏蔽双绞线，要保证24VDC传感器电源无噪声、稳定可靠。
3)确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。S7．20扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块0开始编号。模块安装完毕后，将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。
4)为了在主机中进行输入模拟量转换后数字数据的处理及为了输出需要在模拟量单元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量输入AIW及模拟量输出AQW单元安排由模拟量模块送来的数字量及待送入模块转变为模拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区V区存放处理产生的中间数据。扩展模块的编址方法依S7系列PLC技术手册中有关规定。
（2）EM235的工作程序编制
1)设置初始化子程序。在该子程序中完成采样次数的预置及采样和单元清零的工作，为开始工作做好准备。
2)设置模块检测子程序。该子程序检查模块的连接正确性及模块工作的正确性。
3)设置子程序完成采样及相关的计算工作。
4)工程所需的有关该模拟量的处理程序。
5)处理后模拟量的输出工作。
第四章
控制系统设计及编程4.1控制系统的电气系统控制
电气系统控制原理图包括主电路，控制电路图以及PLC外围接线图。
（1）主电路图图4.1
控制系统的主电路电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、
KM3、
KM5
分别为电动机M1
、M2
、M3
工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、
KM2
、KM4
分别为电动机M1、M2、
M3
变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
（2）控制电路图
图4.2所示电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB2控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中的HL10为自动运行状态的电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触电信号，由于PLC为4个输出点位一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端口，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5为PLC输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线号，可结合PLC外围接线图一起读图。4.2
电控系统控制电路4.2PLC
编程及介绍
系统条件确定后，系统得控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：
前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台不能满足要求时，需要启动第二台或第三台泵。判断需启动新泵的标准时变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以通过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。
4.2.1多泵组泵站泵组管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组站泵组的投运要有一个管理规范。控制要求中规定任意一台泵连续运行时间不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵时合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，这里我们使用泵好加1的方法来实现变频泵的循环控制，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。
4.2.2程序的结果以及程序功能的实现
由于PLC在恒压供水系统中的功能比较多，泵程序可分为三个部分：主程序、子程序和中断程序。系统的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合以及报警处理都在主程序中。［4］
逻辑运算及报警处理等放在主程序中。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样机输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定为满量程的90%。在本系统中，知识用比例P和积分I控制，其回路增益和时间常数可以通过工程计算的方法初步确定，但还要进一步调整达到最优控制效果。
表4.1
程序中使用的元器件及功能
器件地址
功能
器件地址
功能
VD100
过程变量标准化值
T38
工频泵减泵滤波时间控制
VD104
压力给定值
T39
工频/变频转换逻辑控制
VD108
PI计算值
M0.0
故障结束脉冲信号
VD112
比例系数
M0.1
泵变频启动脉冲
VD116
积分时间
M0.3
复位当前变频运行泵脉冲
VD120
积分时间
M0.4
复位当前变频运行泵脉冲
VD124
积分时间
M0.5
当前泵工频运动启动脉冲
VD204
变频起运动频率下限值
M0.6
新泵变频启动脉冲
VD208
生活供水变频器运动频率上限值
M2.0
泵工频/变频转换逻辑控制
VD212
消防供水变频器运动频率上限值
M2.1
泵工频/变频转换逻辑控制
VD250
PI调节结果存储单元
M2.2
泵工频/变频转换逻辑控制
VD300
变频工作泵的泵号
M3.0
故障信号总汇
VD301
工频运行的泵的总台数
M3.1
水池水位下限故障逻辑
VD310
倒泵时间存储器
M3.2
水池水位下限故障消铃逻辑
T33
工频/变频转换逻辑控制
M3.3
变频器故障消铃逻辑
T34
工频/变频转换逻辑控制
M3.4
火灾消铃逻辑T37
工频泵增泵滤波时间控制双恒压供水系统的梯形图程序以及程序注释如下图所示。对程序有几点说明：
（1）因为程序较长，所以读图时请按照网络标号的顺序进行；
（2）本程序的控制逻辑设计针对的是较少的泵数供水系统。结论与展望本文阐明了恒压供水系统基于PLC的变频调速节能原理，接着分析了系统原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案。系统由PLC及扩展模块；变频器、电机组；PLC用隔离变压器、低压电器以及控制柜等构成。主要介绍了PLC控制系统的系统配置方案、软件设计思想和程序结构PLC实现变频器的启动制动和故障处理和各种电器控制，电控单元由低压电器具体实现过载等保护和通断电源控制，变频器则完成风机的驱动。该系统由变频器拖动电机变频运行，根据供系统的变化配合其他工频电机使用。同时经PLC内的PID处理的信号传送给变频器，
变频器输出电机频率信号，变频器根据压力大小调整电机转速，实现电机的工频与变频运行的调节。
基于PLC的恒压供水系统的应用将具有良好的节能效果，强化自动管理。实践证明采用变频调速技术，不仅节约能源，并改善了操作人员的工作环境，而且对于提高整个系统的自动化水平，减轻工人的劳动强度调试简单、操作方便、使用安全、运行可靠、效率高、故障率低，恒压供水效果好的特点，延长设备使用寿命、检修周期、节约能源等都有显著的效果。
随着具有的优异调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果的电机交流变频调速技术在诸多行业的广泛而成熟的应用。由于本设计基于数量较少的泵组运行，因此具有一定的局限性。不得不承认分析设计与测试中仍存在一些问题，还需进一步优化完善控制系统的功能设计。
致谢本论文是在刘惠娟指导老师的悉心指导和帮助下完成的，她对本论文的构想、框架和理论运用给予了许多深入的指导，才使得论文得以顺利完成。
感谢刘惠娟老师在论文的撰写过程中给予的关心和帮助，她在论文撰写初期从整个系统介绍、系统模型到设计方案给予了我莫大的帮助，而且在论文撰写过程中，从设计方案确立初期到系统设计进入正轨，她提供了大量相关资料，老师对问题的独到见解和敏锐的洞察力拓宽了学生的思路，使学生受益匪浅。在课题研究过程中还得到了电气工程学院其他老师和同学的帮助，正是在各位老师和同学的大力支持和帮助下，本人才得以顺利完成学位论文，在此一并表示深深的谢意!
感谢几年来与我一同工作、学习的同学、朋友，感谢他们对我的帮助和支持!也感谢各位老师在百忙之中评阅我的论文！
最后，由于本人知识水平有限，文中难免有错误和不完善之处，谨请读者提出批评和指正。参考文献[1]
周波.胡修玉.可编程序控制器原理与应用[M].国防工业出社,2008
[2]可编程序控制器的系统设计与应用实例[M].
中国电力出版社,2014
[3]
刘洪涛.PLC应用开发从基础到实践[M]电子工业出版社,2007
[4]
于海生.计算机控制技术[M].机械工业出版社,2011
[5]
张选正，张金远.变频器应用经验[M].中国电力出版社,
2006
[6]
孙洪程,李大字.过程控制工程[M].高等教育出版社,
2006
[7]
阮毅.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,
2010
[8]
张春霞.变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用[J].矿业快报,2004
[9]
常斗南.可编程序控制器[M].
机械工业出版社,2007
[10]
李文森.工业变频器原理及应用[M].电子工业出版社,
2011
[11]
Russell
P
Fleming.
Introducing
the
variable
speed
pump.NFPA
Journal,
2004,
Vol.
98,Vol.
98
(Iss.5)
:p
26.
、
附录1控制系统主电路
附录2
电控系统控制电路附录3
EM235输入/输出技术规范
输入技术规范
输出技术规范
最大输入电压
30VDC
隔离（现场到逻辑）
无
最大输入电流
32Ma
信号范围输入滤波衰减
-3Db
电压输出
±10V
分辨率
12位A/D转换器
电流输出
0-20mA
隔离
否
分辨率，满量程输入类型
差分
电压
12位
输入范围电流
11位电压单极性
0-10V，0-5V电压
-32000-32000
0-1V,0-500mV
0-100mV，0-50mV
电压双极性
±10V，±5V，
±2.5V
电流
0-32000
±1V,
±500mV,
±250mV
最差情况0-25±100mV±50mV,±25mV
电压输出
±2%满量程
电流
0-20mA
电流输出
±2%满量程
A/D转换时间
<250us
经典25模拟输入阶跃应
1.5ms到95%
电压输出
100us
共模电压
信号电压加共模电压必须≤12V
电压输出
100us
24DC电压范围
20.4-28.8V
电流输出
2us
数据字格式双极性，满量程
-3200-320000
最大驱动单极性，满量程
0-32000
电压输出
5000最小
共模抑制
40dB，DC到60HzDC输入阻抗
≥10M电压输出
电流输出
5000最小
250电流输入附录4
南通大学继续教育本科生毕业设计（论文）成绩评定表
姓
名
刘洁
性别
女
学号
142571
学院名称
电气工程学院
年级专业
电气工程及自动化
学习形式
函授
论文题目
基于PLC的恒压供水系统控制
指导老师
刘惠娟
设
计
（论
文）
内
容
提
要
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。本论文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。
变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置PID变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率
来改变电机的转速
，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
本控制系统中采用了德国SIMENS公司的S7-200可编程控制器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，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。指
导
教
师
意
见答
辩小组意见
成绩
。
答辩组长：
（签名）
年
月
日本文档由论文格式(http://www.csmayi.cn/)用户上传
基于PLC的恒压供水系统控制 本文关键词：供水系统，控制，PLC
基于PLC的恒压供水系统控制 来源：网络整理
免责声明：本文仅限学习分享，如产生版权问题，请联系我们及时删除。
《
基于PLC的恒压供水系统控制》由：
76范文网互联网用户整理提供；
链接地址：http://www.yuan0.cn/a/58139.html
转载请保留,谢谢!
