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1、. . . 基于PLC的恒压供水控制系统设计摘要本论文根据某些工业生产或特殊用户的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。该系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用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。关键词：压力传感器；变频器；恒压供水ABSTRACTThe text based on certa
2、in industrial water supply or special user requirements,and design a PLC-based frequency control water supply system. The system consists of a programmable controller, inverter, water pumps, pressure sensors and industrial machines. The system includes three pump motor, they form the loop variable f
3、requency operation mode. Three-phase inverter is used to achieve the pump motor soft-start and frequency control, operation switches between Inception first stop principle. Hydraulic pressure sensor detects the current signal into the PID operation with the set value after comparing PLC to control t
4、he output voltage and frequency of the inverter, then change the water pump motor speed to change the water supply and ultimately keep the pipe network pressure stabilized at set setting nearby. Key words: Pressure sensors; inverter; Water Supply目录基于PLC的恒压供水控制系统设计1摘要2ABSTRACT3目录4一 绪论81.1恒压供水问题的提出81.
5、2 国外恒压供水控制系统的研究现状91.3 本文的主要研究容和结构11二 变频恒压供水系统控制方案的分析及确定122.1 变频恒压供水系统控制的理论分析122.1.1 水泵电机的调速原理1222 供水系统控制方案的确定132.2.1 供水系统控制方案的分析132.3 恒压供水的原理142.4供水压力传感器的原理与选型152.4.1 压力传感器简介152.4.2 压力传感器原理152.4.3 压力传感器的特性参数162.4.4 压力传感器的选型1725 供水压力信号的采集19三 变频恒压供水系统的控制流程203.1变频恒压供水系统的组成及原理图213.1.1 变频恒压供水系统的组成213.2变频
6、恒压供水系统控制流程23四 控制系统的硬件部分254.1 系统主要硬件设备的选型264.1.1 PLC及其模块的选型264.1.2 变频器的选型2741.3 水泵机组的选型274.2 硬件的PLC控制部分2842.1 PLC的接线图284.2.2 PLC控制原理图294.2.3 PLC的程序的编制294.2.4 PLC控制系统的子程序设计304.3 硬件部分的I/O分配图334.4 主回路电气原理图34五 控制系统的软件部分设计355.1 PLC的程序部分35结束语41参考文献42一 绪论1.1恒压供水问题的提出水和电是人类最宝贵的资源，是生活人类生存的基本条件又是国民经济的生命线。在节水节能
7、已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，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，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，工业水平的不断发展以及住房制度改革的不断深入，尤其是在城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水
8、系统等方式，其优、缺点如下：(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。(2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。(3) 液力耦合器和电池滑差
9、离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。(4) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设
10、备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。1.2 国外恒压供水控制系统的研究现状恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐
11、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、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
12、恒压供水功能的变频器，像日本SAMC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围将会受到限制。 目前国有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采
13、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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗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。艾默生电气公司和希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。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
14、水场所。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国产品。 目前国有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，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。目前在国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
15、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 本文的主要研究容和结构本文以城市小区恒压供水系统为研究对象，介绍了供水系统的组成及其系统模型，采用PLC和变频技术相结合技术，选用西门子 S7-200 系列的 PLC 为控制核心，利用PLC的PID功能进行恒压供水控制构成恒压供水控制系统。 具体安排如下： 第一章介绍了课题背景和恒压供水系统的国外发展状况； 第二章研究系统控制方案的确定，主要介绍了恒压供水原理、供水传感器的原理与选型、供水压力信号的采集；第三章介绍了变频恒压供水的控制流程；第四章介绍了控制系统的硬件部分；第五章介绍了控制系统的软件部分。最后是本文的结束语部分二 变频恒压供水系统控制方案的分析及确定2.1 变频恒压供水系统控制的理论分析2.1.1 水泵电机的调速原理水泵电机多采用三相异步
