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1、以下为个人毕设内容，知识有限，不一定正确，仅供参考。如有错误，请给予指正，谢谢北京XXX大学毕业设计（论文）题目：恒压供水系统演示装置设计系 名 机械工程系 专业班级 机制10-1班 姓 名 符某某 学 号 100101125 指导教师 赵老师 日 期 2014.05.09 诚信承诺 本人_声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成，论文所利用的一切资料均符合论文著作要求，且在参考文献中列出。 签名: 日期: 摘 要摘 要随着社会的发展，家庭和企业对自来水质量的要求也越来越高，恒压供水系统是一个保证水质和供水效果最常用的方式。恒压供水系统逐渐成为了现代企业生产和人们生活中不可缺少的一
2、部分，因此进行相关的关键技术研究和探索尤为重要。通过分析和比较国内外恒压供水系统，以及相关的演示教学系统的特点，结合国内的供水现状，重点进行恒压供水教学实验系统的设计。本文对恒压供水系统演示装置方案进行了详细的阐述，设计以变频器的PID变频调速技术为核心，实现水泵自动无级调速。系统由控制和监视两大部分组成，控制部分以S7-200 PLC作为控制器进行了详细的主电路、控制电路设计，元件选型以及控制程序设计。监视部分通过组态王软件设计实现，配合PLC进行显示供水参数并能针对故障报警。通过本实验系统，学生可以进行电气控制技术、自动控制技术、变频调速技术、远程监控技术以及学习接线的锻炼，对于培养学生的
3、独立思考能力、学习能力和动手能力有极大的促进作用。恒压供水系统演示装置，具有一定的实际应用价值。关键词：恒压供水；PLC控制；变频调速；PID控制技术IAbstractAbstractWith the development of society, families and businesses on the water quality requirements are also increasing, constant pressure water supply system is most common way of guaranteed water quality and water e
4、ffects. Water Supply System has gradually become a modern enterprise production and peoples lives indispensable part, and therefore the associated key technology research and exploration is particularly important.By analyzing and comparing the characteristics of domestic water supply systems, and re
5、lated demonstration teaching system, combined with the status of domestic water supply, water supply teaching focus on the design of the experimental system. This paper demonstrates the device for Water Supply System program was elaborated, designed to drive PID frequency conversion technology as th
6、e core, realize automatic stepless speed regulating for water pump. Control and monitoring two major components consists of the system, the control section to S7-200 PLC as controller in detail the main circuit and the control circuit design, component selection and design of control programs. Use t
7、he Kingview software to design monitoring section, with PLC supply parameters to displayed and can alarm direct at failure.Through this experimental system, students can take some exercise,for example electrical control technology, automatic control technology, frequency conversion technology, remot
8、e monitoring technology and learning wiring knowledge. This system for students independent thinking, learning ability and operate ability have a great role in promoting.Constant pressure water supply system show-how device has a certain practical value.Key Words:Constant pressure water supply; PLC
9、control; frequency control; PID control technologyII目 录目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题的研究背景和意义11.2PLC监控系统应用于恒压供水设计的必要性11.3恒压供水演示系统应用现状31.4关键技术发展概况41.4.1PID的发展41.4.2PLC的发展51.4.3组态软件的发展61.5论文的主要工作6第2章 系统硬件设计72.1变频恒压供水演示系统的硬件组成72.1.1加压泵的选型72.1.2抽水泵的选型82.1.3变频器的选型82.1.4 PLC选型及I/O分配112.1.5数显压力表的选型122.2恒压供水演
10、示装置的电控系统组成132.2.1 主电路设计142.2.2电气控制电路设计152.3 系统可靠性措施182.4本章小结18第3章 软件设计203.1 PLC梯形图程序设计过程203.2 系统控制过程233.3本章小结24第4章 监控系统设计254.1系统监控软件的选择254.1.1 组态王的介绍254.1.2 组态王软件的使用方法和特点264.1.3 组态王与S7-200PLC通讯264.2 组态王系统的设计274.2.1 组态王系统设计的步骤274.2.2 组态王系统设计过程274.3 变频调速恒压供水演示装置监控用户画面324.3.1恒压供水系统登录画面324.3.2系统运行流程窗口33
11、4.3.3报警窗口334.3.4历史趋势曲线窗口344.3.5恒压供水报表窗口344.4本章小结35结 论36参考文献37附 录一38附 录二39致 谢51II北京XXX大学2014届毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着人们生活水平的提高和生产力的发展，水对人们生活与生产的影响日益突出，人们对供水的要求也不断提高，既要保证供水质量，又要要求供水系统的可靠性、经济性、易用性。传统的供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等，这些传统的供水方式不同程度存在效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点，难以适应当前人们的供水需要【1】。恒压供水系统的特点正好满足了现代人
12、们对供水的需求，相比传统的恒压供水系统，恒压供水系统有可靠性强，省时经济、自动化程度高、占地面积小等优点。实际应用的变频恒压供水系统结构庞大，不形象直观，对于初学者来说结构比较复杂，不易进行学习和实践。然而，恒压供水的培训装置种类较少，进行区域性供水的恒压供水综合实践教学系统在国内则更加匮乏【2】。到目前为止有过不少国内和国外的大学生都把恒压供水作为毕业设计的研究题目，或者有些公司目前也在研究制造恒压供水设备，但他们的设计方案如果用于恒压供水的基础教学设备来进行恒压供水或PID控制的入门学习，对于绝大部分学生来说过于复杂，且成本高，不易理解和学习，或者具有针对性，例如针对小区的、工厂的恒压供水
13、设备。本文中的恒压供水演示装置只用了一个加压泵，一个抽水泵，一台PLC、一台变频器、一个压力传感器，以及若干电气元件，成本低且所涉及的知识较为基础，适用于我国三本院校的学生进行恒压供水的基础学习。此次的恒压供水系统演示装置的设计目的有两个:一是促进和继承我国供水领域的发展；二是将此系统作为教学平台可对学生进行多方面的技能训练。因此将恒压供水系统作为高校学生的一个实验系统，可对学生进行机械设计、自动化设计与工控领域的一个高效的综合锻炼平台，对社会的供水事业的发展有着重大意义。1.2 PLC监控系统应用于恒压供水设计的必要性实际的恒压供水系统和相关的教学实验台中，监控系统和自动控制的核心是PLC，
14、其有以下特点:(1) 编程简单，易学易用PLC是通用的现代化工业控制计算机，其接口简单便捷。PLC一般采用易于掌握和理解的梯形图语言及面向工业控制的简单指令进行编程，因此易于为工程技术人员接受。梯形图语言的表达方式与继电器电路图相当接近，只需PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事自动控制打开了方便之门。如果PID运算采用的是单片机监控方案，还得学习C语言等计算机编程知识，学习难度大。(2) 功能完善，适用范围广PLC经过长期的发展和完善，已经形成了小、中、大各种规模的系列化产品。可以胜任各种规模的工业控制场合
15、。PLC不仅有逻辑处理功能，而且现代的PLC大多还具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了水压控制、温度控制、数控机床等各种各样的工业控制场合中。随着PLC通信能力越来越强及人机界面技术的发展，用户可灵活组成各种规模和要求不同的监视、自动控制系统。当控制要求改变，需要调整控制系统的功能的时候，只需要修改存贮器中的控制程序即可。(3)高可靠性，抗干扰性强可靠性是电气控制设备一项非常重要的性能参数。PLC采用的是大规模集成电路技术和严格的生产工艺制造，内部电路采取了一系列先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如:日本三菱公司的FX系列PLC平
16、均无故障时间高达30万小时。有些使用冗余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，和同等规模的传统继电接触器控制系统相比，电气接线及开关接点已大大减少，故障和成本也就因此大大降低。另外，PLC还带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时自动地作出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。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。因此整个PLC控制系统具有极高的可靠性。(4) 便于维护和操作现在已经出现超小PLC，现在的超小PLC的最大尺寸均小于100mm，重量小于150g，能耗还
17、很低，如:松下的FP0R PLC，其尺寸仅为906025mm，还可以无需电池对所有数据进行备份，并配备标准编程口USB。由于体积小很容易装入机械内部，所以PLC是实现机电一体化的理想控制设备。(5)系统建设周期短用PLC建设一项控制工程时，由于其硬、软件可分开使用，因此程序的设计和硬件的安装连线等工作可同时进行。用计算机软件编程来实现控制功能，取代了真实的继电器硬接线，使得电气控制箱的尺寸得以大大减小，安装接线工作量和检查工作的时间也大大减少，极大缩短了设计、施工和调试检测周期，特别是工程越大，使用PLC的优势越明显。因为大部分的用户程序都可以在实验室或计算机上进行模拟运行测试，将控制系统调好
18、之后再将PLC在实际应用现场进行联机调试，因此PLC使得系统的搭建十分方便、快捷和安全，因此得以大大缩短设计和投运时间。PLC硬件和软件普遍采用模块化结构，使其能更方便地实现系统的局部扩展、远程扩展以及系统的联网，并支持多网络协议。PLC网络监控的发展正在以极快的速度进入企业生产和人们生活，其发展方向和趋势是高速、多层次、高可靠性、大流量、易用性，并符合国际工业标准的开放性和跨平台的开放体系结构，以适应向更多网络扩展的需求。PLC的这些特点，以及它越来越强大的系统集成功能，决定了本文所设计的系统采用PLC构建恒压供水演示装置的控制和监控模块的必要性。1.3 恒压供水演示系统应用现状随着科学技术
19、的发展，工业自动化水平同时也得到迅速提高，计算机在工业领域也得到了更加广泛的应用，人们对工业自动化的要求也更高了。种类繁多的控制设备和监控装置在供水领域的应用，使得传统的工业控制软件和硬件已无法满足人们对供水的各种需求。无论是工业供水还是生活用水，无论国内还是国外，恒压供水在目前为止已经得到了广泛的应用，甚至有些家庭已经装上了自家用的小型恒压供水系统，但系统的恒压供水技术的课程或者教学平台却是少的又少。有不少企业都在研发、出售小、中、大型不等的恒压供水系统，但恒压供水演示系统的研发似乎还是一片空白，只有寥寥无几的研究论文，做出实体进行实际应用的就更少了。经过对国内外的研究进行分析之后，发现前人
20、的研究大都大同小异，基本上都是控制部分都是采用PLC和变频器进行控制和监视，有少数人使用单片机进行监控，但估计单片机方案较为复杂所以难以推广。前人的设计方案虽然更贴进于实际应用，大部分的方案均采用了水泵组进行供水，且方案中没有蓄水箱。但作为恒压供水演示系统，主要目的在于演示和教学。如果只采用一个加压泵，也能达到恒压供水的教学，相对于水泵组的供水系统来说那就显得经济多了。而且自动化在恒压供水中也显得尤为重要，如果将蓄水池的自动抽水在恒压供水演示系统中作为一个演示环节，不仅丰富了学习知识，也能增加动手操作的机会和提高动手能力。1.4 关键技术发展概况本文所描述的恒压供水演示系统的关键技术主要有PI
21、D运算、PLC控制和组态软件。1.4.1 PID的发展PID控制技术的发展分为两个阶段【3】，20世纪30年代晚期，微分控制的加入标志着PID控制成为了一种标准结构,也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段(19001940年)。PID控制的思想渐渐明确,随后气动反馈放大器被发明,此时实际PID 控制器的结构设计成为了仪表工业的重心。1940年以后是第二个阶段，为革新阶段。在革新阶段中, PID 控制器发展成了一种鲁棒的、易于应用的、可靠的控制器。PID控制技术能跟上自动控制技术的最新发展是仪表工业的重心。因此从气动控制到电气控制，再到电子控制最后到数字控制, PID 控制器的
22、体积变得越来越小,性能也不断提高。早期的一些自动化仪表公司对PID控制器的发展做出了重要贡献,甚至可以说PID控制器是在实际的工业控制应用中被发明并逐步完善起来的。PID控制至今依然是应用最广泛的一种实用控制器。虽然各种现代控制技术越来越先进，但它们的出现并没有削弱PID控制器的应用,相反,新技术的出现对PID控制技术的发展起了很大的促进作用。一方面,很多新的控制思想不断被应用在PID控制器的设计之中，或者是使用新的控制思想设计出有PID结构的新控制器。另一方面,新控制技术的发展要求精确度更高的的PID控制,从而更加刺激了PID控制器设计与参数整定技术的发展。随着作为控制理论发展与计算机技术进
23、步相结合产生的自适应控制，它以独特的功能和控制性能得到了迅速地发展，自适应控制广泛地应用于现代的各个工程领域，并与先进控制理论集合出现了变结构自适应控制、鲁棒自适应控制、模糊自适应控制、智能自适应控制和神经网络自适应控制等【4】。自适应控制思想与常规PID控制器相结合，形成了自校正PID控制技术或自适应PID控制。1.4.2 PLC的发展微处理器是在20世纪70年代初出现的。随后人们将其引入可编程控制器，使PLC增加了数据传送、运算及处理等功能，创造出了真正具有计算机特征的工业控制装置。当个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能和特点，可编程序控制器被定名为:Programmab
24、le Logic Controller(PLC)。20世纪70年代中末期，可编程控制器开始慢慢进入了实用化发展阶段，可编程控制器全面引入计算机技术，使其功能发生了质的飞跃。更小的体积，更高的运算速度、更可靠的抗干扰设计、PID功能、模拟量运算等，加上其极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已经获得了广泛的应用。世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升，型号也越来越多，不断地有更好的可编程控制器出现，标志着可编程控制器已经步入成熟阶段。20世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持在30%40%，在这段时期，P
25、LC在数字运算能力、人机接口能力、处理模拟量能力和通讯能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在过程控制领域处于统治地位的DCS系统在某些应用上甚至被PLC取代了。20世纪末期，更适应现代工业控制的需要是可编程控制器的发展方向，因此这个时期发展了大型机和超小型机，并诞生了多种多样的特殊功能单元、通信单元和人机界面单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更容易了。PLC技术发展呈现新的动向:1:产品规模向大、小两个方向发展 ，大的是I/O点数多、微处理器强、和多CPU并行工作、大容量存储器、扫描速度更快；小的是向小型模块化结构发展，增加了硬件配置的灵活性，降低了成本。2:PLC在闭环
26、过程控制中应用越来越广泛。3:通讯功能得到不断的加强。4:新器件和模块不断的被推出，现代高级的PLC除了采用CPU提高数据处理速度以外，还有自带处理器的EPROM或自带RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。5:编程工具更加丰富，功能更多，编程语言趋向标准化，有各种简单或复杂的编程器和编程软件，有梯形图、语句表、功能图等编程语言，也有更高级的PLC指令系统。6:发展容错技术，采用并行工作或多数表决、以及热备用等工作方式。7:软硬件的标准化。1.4.3 组态软件的发展随着计算机技术和现代工业的发展，监控组态软件也由着自动化的进步而逐渐进入人们的生产活动。到目前为止，几乎
27、全部的PLC都使用计算机做为系统的监控站。其次，因为计算机监控大大降低了时间、人力和物力的成本，使得市场空间得到扩大，从无人值守的远程监视(如防盗报警、交通管制与监控、电信线路监控、江河汛情监视、环境监控、矿井报警等)、数据的采集与计量(如居民水气电表的自动抄表、铁道信号采集与记录等)、数据分析(如机车/汽车的自动测试、虚拟仪器、机组/设备参数测试、生产线产品质量抽检、医疗化验仪器设备实时数据采集等)到过程控制，几乎无处不用。各种各样的智能仪表、调节器和PCBased设备可与组态软件组建完整的低成本自动化监控系统，因此具有广阔的市场空间。各类嵌入式系统和现场总线的发展，把组态软件推到了自动化系
28、统主力军的位置，组态软件在工业自动化系统已经逐渐成为了不可分割的一部分【5】。1.5 论文的主要工作通过对国内外恒压供水教学系统的学习和比较，利用所学的知识设计一个适用于我国的三本院校或高职专科学校作为恒压供水系统基础教学的一个实验训练平台，且要比前人的设计方案具有更大的优势。本自动化恒压供水系统主要涉及PID自动控制、PLC自动控制，以及组态监控系统。此外，论文还将通过研究实际的恒压供水系统的结构及运行流程，使得恒压供水教学演示系统更加贴近于实际应用，又不增加系统的成本和学习的难度。第2章 系统硬件设计2.1变频恒压供水演示系统的硬件组成本恒压供水系统由蓄水箱、浮子开关、用户管网、数显压力表
29、、工控机(上位机)、控制面板、电气控制柜、加压泵、水井、抽水泵组成，其结构和管路设计如图2-1。图2-1 系统组成及管路设计图2.1.1加压泵的选型根据恒压供水演示系统要求的流量和扬程大小，确定供水系统设计的输出流量和设计供水压力(水泵扬程)，因为是一个恒压供水演示装置，因此其水量类型为连续型低流量变化型，所以本方案只采用1个加压泵，设备选用型号及参数如表2-1。品牌伽利略最大流量(L/min)15型号G125WZ额定流量(L/min)10功率(KW)0.125最大扬程(m)25转速(r/min)2860额定扬程(m)12口径(mm)25表2-1 加压泵主要参数2.1.2抽水泵的选型根据所设计
30、的系统用户管网流量和加压泵的流量大小，要必须保证抽水泵的流量大于加压泵的最大流量，才不会出现造成抽水泵还没来得及抽水到蓄水池，而蓄水池的水已经被加压泵抽完空转的情况。这会对加压泵造成很大的伤害，而且也会影响到用户管网的供水效果。由于本文的恒压供水系统是一个小型的教学实验平台，因此选择的抽水泵扬程不能太大，以免冲击蓄水箱，造成水泄漏或损坏。因为恒压供水演示装置是一个整体的系统，所以抽水泵的输入电压要和系统电压相统一，再者就是考虑成本问题，既要满足系统要求又要不能浪费。所以综上因素，本方案只采用1个抽水泵，设备选用型号及参数如表2-2。品牌上海人民集团功率(KW)1.5型号WQ15-10-1.5口
31、径(mm)50电压(V)380流量(m3/h)15电流(A)3.4扬程(m)10表2-2 抽水泵主要参数2.1.3变频器的选型要对系统所用的变频器进行选型，必须得先确定变频器的容量。确定变频器容量的方法是依据其所承载的加压泵的额定功率和额定电流来确定的。由于变频器传给电动机的是脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此必须将变频器的容量留有适当的余量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量()应同时满足下列三式: (2-1) (2-2) (2-3)式中: 变频器的额定容量()；电流波形的修正系数(PWM方式取1.05-1.01)；一电动机的输出功率；电动机的效率(取0.85)；电动机
32、的功率因数(取0.75)；变频器的额定电流(A)；电动机的电流(A)；电动机的电压(V)。式中如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。这三个公式是统一的，应在同时满足三个算式的关系下选择变频器的容量，尤其变频器的电流是一个较关键的量。通用变频器在一般情况下根据控制功能的不同可分为以下三种类型:矢量控制高功能型变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和普通功能型U/f控制变频器。本文设计的供水系统的变频器负载是属于泵类负载，低速运行时的转矩较小，因此可选用价格相对便宜的U/f控制变频器【6】。综合以上对泵的选型要求，本文的设计方案选用上海紫日电气科技有限
33、公司的专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的ZVF9-P0015T4，属于紫日电气为风机、泵用的ZVF9-GZVF9-P系列，该系列有自带的操作面板。适用于一般工业用的三相交流异步电动机。可以使用延伸控制选件，可简单地实现远方操作。自带24V直流输出端子，可方便给予传感器供电。此外具有各种通信功能，丰富的实用功能和保护功能。变频器内置PID控制模块，可方便地构成闭环控制系统，适用于压力控制，流量控制等过程控制。ZVF9-P0015T4变频器的主要性能及参数如表2-3，实物图如图2-2。表2-3 变频器参数型号输入电压/频率输出电压/频率输出电流过载能力适配电机容量ZVF9-P001
34、5T4三相380V/50Hz0380V/0400Hz3.7A120% 1分钟150% 1 秒1.5KW图2-2 ZVF9-P0015T4变频器实物图ZVF9-P0015T4变频器是可选适合于风机、水泵类负载的平方转矩(即输出电压与频率成二次曲线关系)负载模式的变频器，起动转矩在0.5Hz时可达到100%的额定转矩;还可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最佳的启动;加、减速时间在0.1秒到6000秒连续可设定，具有直线加减速和S曲线加减速功能功能，让加减速过程变得缓和，减少机械系统的噪声与振动;直流制动功能，制动时间在0至30秒范围可调，保证快速可控的制动;多种频率设定方式:面板电位器设定、操作
35、面板设定、外控端子设定、模拟电压信号或外部电位器设定、模拟电流设定、模拟组合设定、485串行通讯设定；具有自动节能运行功能，可根据负载变化，自动优化V/F(电压/频率)曲线，实现节能运行；具有自动电压调整(AVR)功能，当电网电压发生变化时，能自动调节PWM输出，保持输出电压的稳定；其滑差补偿功能，可根据电机负载转矩的变化自动调整变频器的输出频率，补偿电机随负载变化而引起的转速便宜，提高电机转速的精度。在接口特征上，紫日电气ZVF9-P0015T4变频器有6个可设定的开关量输入口，给用户提供了很大的灵活性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动);两路可设定的开路集电极晶体管输出，可用于频率到
36、达、频率值检测、过载、运行等多种提示;而485串行通讯端口，可实现远程通信。所以本文所选的变频器在满足本设计的前提下又不会浪费。紫日电气ZVF9-P0015T4变频器具有输入缺相保护、过流保护、过载保护、过压保护、欠压保护、过热保护等多种保护功能。【7】2.1.4 PLC选型及I/O分配整个变频恒压供水演示系统的控制核心是PLC，系统的所有输入信号的采集、输出自动控制的输出信号以及对上位机的数据交换都是由PLC来完成的。所以在选择PLC时，必须要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素【8】。由于专用于恒压供水自动控制系
37、统设备相对较少，因此采用德国SIEMENS(西门子)公司S7-200型的PLC作为自动控制中心。西门子的S7-200 PLC优点是结构紧凑，价格低廉，具有较高的性能价格比，是模块化中小型PLC系统，对于本文的恒压供水教学实验系统作为自动控制中心已经绰绰有余；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之泛组合以用于扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；当控制任务增加时，可以自由扩展；大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大，可
38、随时使用附加模块对PLC进行扩展。同时，SIEMENS公司的PLC不仅具有可靠性高，可扩展性好，而且又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以直接与计算机进行通信，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信可以采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，通信传输速率为9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护【9】。因此，本系统就选用了SIEMENS公司S7-200 CN系列的PLC，CPU 224 XP CN，订货号为:6ES7-214
39、-2BD23-0XB8，一共24个I/O点数，其中包括14个输入和10个输出，其端子分配如表2-4所示，实物图如图2-3所示。表2-4 端子分配表地址符合地址符合Q0.0抽水泵I0.2下水位浮子Q0.1红色指示灯I0.3上水位浮子Q0.2绿色指示灯M模拟量输入Q0.3变频器A+模拟量输入I0.0启动按钮N电源输入I0.1急停按钮L1电源输入图2-3 PLC实物图2.1.5数显压力表的选型数显压力表的作用是检测水管中的压力大小，并以1-5V或4-20mA的模拟量信号输出给变频器，用于PID的数值运算，控制变频器输出的频率。但为了防止传输过程中的干扰和损耗，本文的方案采用的是输出4-20mA的模拟
40、电流。有时候操作员可能不在监控系统旁边，因此实际的应用还应该能在压力传感器处了解到压力情况，因此还需要实时的显示装置，即显示屏。综合以上的分析，本文选用YOTO牌的PG-801E数显压力表，此压力表是压力传感器与LED数码管显示屏的一体式传感器，用于实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围:负压最低-100KPa，正压最低可10KPa，最高60MPa。精度等级0.25%、0.5%。可用于测量油压、水压、胎压、气压、负压、绝压、表压和真空压力。数显压力表输出的4-20mA电流信号，传输给变频器作为PID调节的反馈电信号，可通过数显压力表的操控面板设定压力报警和变送的上、下限，低位和高位显示等功
41、能。数显压力表的实物图如图2-4，数显压力表与变频器的电路接线如图2-5。图2-4 数显压力表实物图图2-5 数显压力表接线图2.2恒压供水演示装置的电控系统组成恒压供水演示装置电气控制系统可由以下几部分组成:(1)主电路:通过接触器、断路器等电气控制设备为加压泵及抽水泵提供电源。(2)电气控制电路:对主电路的继电控制，实现系统的安全开启与关闭及信号灯的自动指示。(3)PLC控制系统:包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统顺序控制、信号指示报警及与上位机的通讯联络。【10】(4)变频自动控制电路:根据在变频器上进行设定的PID目标值，比较压力传感器检测到的信号，由变频器输出变频电源给加
42、压泵；设置变频器输出的上下限频率及软启动等控制信号。恒压供水演示系统构成及控制方案如图2-6所示。图2-6 恒压供水演示系统结构图2.2.1 主电路设计抽水泵和加压泵均只为自动供水状态，因此加压泵只具有变频一种运行方式，将最基础的知识点，加压泵的工频运行方式的电路设计作为学生的练习作业。因为抽水泵无需变频供水，所以抽水泵只具有工频运行方式。因此每台主水泵只要求通过一个接触器与电源相联。连线时一定要注意，保证水泵运转方向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。变频器的主电路输出端子(U、V、W)经接触器接至三相电源输入的加压泵上，若当加压泵的运转方向与正常运转方向相反时，只需调换输出端子(U、
43、V、W)的任意两个相序，即可变换加压泵的运转方向正常工作。变频器的起动、运行和停止操作必须用变频器控制面板上的运行和停止键的方式操作，不得以主电路的总开关QS1的通断来进行，以此正确使用变频器，降低变频器的损坏可能性。主电路的设计如图2-7。 图2-7 主电路图2.2.2电气控制电路设计由于系统中的抽水泵和加压泵均只有一种运行方式，也就是说不存在一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现，因此在控制电路中无需考虑电路之间互锁的关系。因为互锁也是学生的基础知识点，所以若在学生的工频运行和变频运行相结合的设计作业中，要考虑互锁问题也是由学生自行完成设计。提高学生对于重要知识点的掌握和记忆。另外，
44、如果变频器是按单台电机容量配置，则一定不允许同时带多台电机运行。控制电路中还考虑了系统和抽水泵的当前工作状态指示的设计，由于PLC的输出端子足已够用，因此本文在电路中直接采用PLC的输出端子来控制相应电机和指示灯的亮和熄灭，指示当前系统和抽水泵的工作状态。基于可靠性基础之上，综合系统的设计目的出发，进行系统搭建成本的考虑，因此本方案只设计了自动控制电路，节省了最基础的工频运行的控制电路设计，也降低了系统的搭建的难度。在完成了所有的控制硬件选型之后，就可以进行系统的电气控制电路的设计，其中主要包括PLC的I/O接线设计和变频器与PLC的接线设计，再加上前面的主电路设计，就构成了整个系统的控制电路
45、设计，如图2-8。图2-8系统电气控制电路图图2-5中，SB1为恒压供水系统演示装置的启动开关；SB2为恒压供水系统演示装置的启动开关；“FZ上”是蓄水箱的上水位的浮子开关；“FZ下”是蓄水箱的下水位的浮子开关；HL1和HL2是系统运行的状态指示灯，HL1是红色指示灯，HL2是绿色指示灯。当控制电路通电时，红指示灯为亮的状态；当抽水泵运行时，绿指示为亮的状态，若抽水泵停止抽水，则绿指示灯为熄灭状态，由此可以知道抽水泵的运行状态和蓄水池的水位状态。上、下浮子的开关状态决定了抽水泵的运行状态，由系统执行PLC的控制程序，自动控制KM1接触器的线圈电路的通断，由此控制KM1接触器的触点动作，控制抽水
46、泵电路的通断，实现抽水泵的自动的启停；而加压泵(即用户供水泵)的状态则通过数显压力表测得的用户网管的水压数据传给ZVF9变频器，由变频器输出变频电源控制加压泵的转速。FR1是抽水泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。为了安全和规范使用系统，在满足控制电器安装要求的前提下，将系统的控制电气元件其安装在控制柜中，其安装位置图如图2-9，控制箱的电气实物图如图2-10所示。图2-9 控制电器位置图图2-10 控制柜电气实物图2.3 系统可靠性措施本文的设计方案中采用的工控设备变频器和PLC均具有抗干抗能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统进行实际应用，可能会面对各种不同的条件，所以还需考
47、虑加强系统的抗干扰措施，保障系统的运行稳定性。以下是经过仔细分析系统可能的工作条件之后，提出的对应保障系统安全稳定运行的方法:(1)变频器和PLC应该安装在专门的控制柜里面，而且一定要保证良好的通风环境和散热，PLC四周留有50 mm以上的净空间保证散热。系统的运行环境温度尽量控制在45以下，相对湿度在590%，尽可能不装在多尘、有导电灰尘、有腐蚀性液体和气体、振动、热源或潮湿的地方。(2)控制柜与水泵间距离要尽量短，特别是数显压力表至变频器的4-20mA电流信号和PLC至抽水泵的传输电缆要尽可能短，而且要必须要远离那些会产生电磁干扰的装置。(3)和外围设备通讯的信号线、控制线和动力线等应分开
48、敷设，不能捆扎在一起，而且应该采用接地的屏蔽线。(4)均要保证变频器和PLC可靠接地。接地电阻应小于100，接地线尽量的短和粗，而且应连接于专用的接地极或者公用接地极上。变频器和PLC二者在接地时，距离应该尽量分开，一定不要使用同一接地线。(5)电动机在低速运行时，电机冷却效果下降，应保证电动机具有良好的通风条件。(6)在电气设计和软件设计中，充分考虑电气设备之间的互锁关系。(7)选用可靠性高的继电器、接触器等控制电气对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义。(8)考虑防雷设计。如果电源是架空进线，则可以在进线处安装变频器专用的避雷器，或按规范要求在离变频器20m远处预埋钢管做为专用的接地保护。
49、若电源是地下电缆引入，则应该做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入发生危险。2.4本章小结本章针对恒压供水的特性，进行了恒压供水演示装置的演讲设计。在满足系统设计要求的前提下，确定了变频调速恒压供水演示装置的控制系统设计方案。采用PLC控制的单抽水泵自动控制抽水进蓄水箱，和变频器控制的单泵自动无级变频调速结合，实现流量在一定范围内变化时的恒压供水。基于这一设计方案，本章的具体内容概括如下:变频自动调速恒压供水演示控制系统由数显压力表、PLC、变频器、一台抽水泵、一台加压泵、控制柜等组成，采用一台变频器控制一台加压泵的启停、和调速；控制系统的硬件设计包括了主电路、电气控制电路；主要设备选型以及PLC
50、的I/O端子分配、变频器接线和功能设定等，电路设计时充分考虑了系统的可靠性。第3章 软件设计3.1 PLC梯形图程序设计过程PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有以下四种形式:梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。PLC的梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对
51、于那些熟悉继电器、接触器控制系统的人来说，易被接受。梯形图编程方式多半适用于比较简单的控制功能的编程。绝大多数PLC用户都首选使用梯形图作为PLC的编程方式。指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成。由于直接编程比较抽象，所以一般是先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表。状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这是一种容易构思的方式，也是一种
52、常用的程序表达方式。而高级语言是类似于C语言、BACIC语言等编程语言，只在极少数个别厂家的PLC中应用。【11】 基于本设计的要求是要简单易学，所以本设计采用梯形图来进行PLC的程序设计。首先，设计出未使用PLC对抽水泵进行控制时的恒压供水演示系统的控制电路(如图3-1)，这一步骤完全通过电气控制线路设计来实现，PLC不参与控制。图3-1 继电器控制系统电路图然后使用计算机软件进行电路的电路仿真操作，检验设计是否存在短路或者其他问题。本次设计使用到的是V-ELEQ电器电路仿真软件，其中抽水泵的传统继电器自动控制系统电路设计仿真，如图3-2。图3-2 抽水泵继电器控制系统模拟当确认继电器自动控
53、制系统设计没有任何错误之后，才能开始PLC控制系统的设计。由于系统要求继电器控制系统和PLC控制系统一致，而且继电器的电路符号画法与PLC梯形图画法相似，因此若要将继电器控制系统的电路转化成PLC的梯形图控制程序，只需按照PLC梯形图的编程要求即可实现。将继电器控制系统转化成PLC控制系统，需要舍弃所有的中间继电器，由PLC的设计程序中的软继电器进行代替。根据本文所设计继电器控制系统的电路图，转化成PLC的梯形图程序之后，结果如图3-3。图3-3 PLC梯形图程序在进行传统的继电器控制系统到PLC控制系统转化的程序设计之后，最好先通过计算机的仿真程序来验证程序是否有错误或者干扰。本文采用的是S
54、7-200_V4.0仿真软件。其界面和本设计的仿真记录如图3-4。图3-4 PLC程序仿真验证如果PLC程序没有错误出现且符合系统的控制逻辑，方可上载至PLC进行实际运用。3.2 系统控制过程恒压供水演示系统根据需要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动抽水进水箱控制两个控制功能。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的功能，是指利用变频器的PID调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是变频器根据数显压力表的信号，进行PID运算，然后自动调节加压泵的电源频率，调节加压泵的转速，使水压恒定。而抽水泵自动抽水井水箱的核心是PLC程序的设计。PLC和程序的主要任务是接收受各种外部开关量信号的输
55、入，判断当前的蓄水池水位状态，输出信号去控制接触器和信号灯等电器的动作，进而控制水泵的运行，并给出相应指示或报警。抽水泵受PLC自动控制:系统启动时，水箱水位为零，两个浮子开关均处于通电状态，因此开始抽水泵抽水。当水位越过下浮子时，下浮子开关浮起断电，抽水泵继续抽水。当水位升高超过上浮子时，上浮子开关也浮起断电，此时抽水泵停止运行。一直到蓄水箱的水位下降，当水位低过下浮子开关的位置时，两个浮子开关又同时处于通电状态，抽水泵重新开始抽水。由PLC的程序控制抽水泵如此往复运行，使得蓄水箱的水位一直处于上下浮子之间浮动。加压泵受变频器升降压控制:系统开始工作时，用户供水管网内水压力为零，在变频器控制
56、系统作用下，抽水泵开始以软启动方式进入运行。当用户供水管网内水压力达到设定的压力目标值时，加压泵开始恒定转速运行。当用水量增加，水压降低时，水压低于设定值，变频器开始提高输出频率，加快加压泵的转速，使得水压又恢复到设定值。但用水量减少，水压过高时，变频器开始降低输出频率，减慢加压泵的转速，使得水压稳定地回到设定值。3.3本章小结本章主要简单介绍了PLC的程序设计方法以及设计过程、程序的设计思路；给出了出未使用PLC参与控制的电路图、抽水泵的传统继电器控制系统电路仿真记录、PLC梯形图程序及其仿真记录。21第4章 监控系统设计4.1系统监控软件的选择到目前为止的PC监控系统中，制作工控程序方法有
57、多种，如VB、VC等可视化编程工具制作控制界面，利用Windows API函数或者调用MOSCOMM控件进行上下位机串口通讯;或者大部分情况都会直接利用专业的工业组态软件来制作上位机监控程序。由于工业组态优势大，且本系统的设计目的在于教学和学习，考虑到成本和演示教学的难度，所以本系统选用工业组态软件来进行监控程序的开发。目前流行的组态软件很多，国内外都有，如INTOUCH、FIX、WinCC、MCGS、易控、组态王、虎翼、开物2000等，其中相对来说组态王画面制作简单，美观且易学，网络通讯功能比较完善，足已满足本系统的监控要求，故采用它作为本系统的组态软件。4.1.1 组态王的介绍组态王软件是
58、一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将各种控制系统和应用以及信息交流汇集到一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows 7/XP/NT/2000操作系统，用户可以在控制系统的上位机上获得系统的实时信息，甚至也可以发布互联网实时的监控页面。组态王开发监控系统软件，以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代了传统的封闭式系统，是一种新型的工业自动监控系统。它具有易于扩展、开发周期短、开放性好经济、适应性强等多个优点。通常可以把这样的系统划分为管理层、监控层、控制层三个层次结构。其中监控层是中间层，对下连接着控制层，对上则连接着管理层，它
59、不但可以实现对现场的控制与实时监测，而且能在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题:动画、画面、数据。组态软件也为使用者提供了可视化的监控画面，有利于使用者进行实时现场监控。组态王充分了利用Windows的图形编辑功能，十分方便地构成了监控画面，并以动画方式显示受控设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线功能等，也可便捷地生成各种报表。它还具有灵活的组态方式和丰富的设备驱动程序、以及数据链接功能。4.1.2 组态王软件的使用方法和特点(1)使用组态王实现控制系统的实验仿真基本步骤：进行图形界面的设计；构建数据库，正确组态各种变量参数；将图形对象与数据库变量建立动画连接
60、；监控程序的运行和调试。(2)使用组态王软件开发具有以下几个特点: 系统的运行过程全部通过软件来进行实验,只需用计算机就可完成自动控制系统的实验,极大减少了真实实验的危险性以及经费，人力和财力。 由于是我国自产的软件，所以该系统是中文界面,具有可视化强、人机界面友好等优点。相对于其他组态软件而言,组态王操作简单易学,参数输入与修改十分灵活。能够实时地显示数据变化前后系统的特性曲线,对于显示控制系统的实时趋势曲线也非常直观,以上这些很强大的交互能力使它能在自动控制系统的实验中可以实现理想的效果。 (3)采用组态王开发监控程序过程中必须要注意以下3个方面: 数据,就是建立一个具体的数据库,并使用数
61、据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如流量、水位、温度等。 图形,就是用简单的图形画面来模拟实际的控制现场和相应的工控设备状态。链接,就是画面上的图形以什么样的动画来模拟实际控制现场设备的运行状态,以及怎么让操作者输入控制设备的命令。4.1.3 组态王与S7-200PLC通讯(1)组态王的通讯机制每台与组态王通讯的设备都被它看作是外部设备，为了实现和外部设备通讯，组态王内置了大量的设备驱动作为外部设备的通讯接口。开发过程中，只需根据工程浏览器的“设备组态”，根据提示一步步完成连接过程，即可实现组态王与外部设备的驱动连接。在运行过程中，组态王能经过驱动接口与外部设备进行交换数据，包括数据的采集
62、以及发送指令或者数据。组态王的驱动程序采用的是ActiveX技术，因此每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使组态王与驱动构成了一个完整的系统，从而保障了系统运行的高效率。因此，组态王可以与一些常用I/O设备直接进行通讯，例如:可编程控制器(PLC)、板卡、智能仪表、智能模块等。组态王采用以下5种方式与I/0设备进行数据交换:DDE方式、网络节点方式、人机接口卡方式、串行通讯方式、板卡方式。(2)组态王与S7-200的PPI通信方式本文的设计方案中，上位机(PC)与PLC是采用PPI通信方式来进行通讯。PPI是点对点接口，即point to point interface，是西门子专为s7-2
63、00系列开发的一种通讯协议。PPI是一种主从协议，主站发送指令到从站，从站才作出响应。从站不主动发信息，只是等待主站的要求并作出响应。在该方式下，使用PPI电缆将PC的串口与S7200PLC的通讯口相接来进行通讯。4.2 组态王系统的设计4.2.1 组态王系统设计的步骤一般情况下，在组态王软件上建立一个工程大致可分为以下几个步骤:第1步:为新工程创建一个目录用来存放和工程相关的文档。第2步:定义硬件设备并添加工程变量，添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括I/O变量和内存变量。第3步:制作图形画面，并定义动画连接，按照实际工程的设计要求绘制恒压供水演示装置的监控画面，并使静态画面随控
64、制过程中相应的对象产生动态效果。第4步:编写命令语言，通过脚本程序的编写来实现较复杂的操作上位控制。第5步:进行运行系统的配置，对运行系统、报警以及历史数据记录表等进行设置是系统正式使用前的必备工作。第6步:保存工程并运行。完成以上步骤后，工程就可以进行实际运行了。4.2.2 组态王系统设计过程(1)建立一个工程从组态王工程管理器中新建工程，根据新建工程向导，创建名称为“恒压供水演示装置”的新工程.并确认将新建工程设为组态王当前工程，如图4-1所示。图4-1 创建新工程(2)定义硬件设备创建好新工程以后，鼠标左键双击新工程(恒压供水演示装置)进入工程浏览器，在工程浏览器中的左侧树形目录中点击设
65、备，在设备的右边工作区窗口中双击新建设备，然后依据向导定义西门子PLC S7-200系列 PPI通讯方式设备，如图4-2所示。接下来一直点击“下一步”，设置通讯串口和地址等，最后单击“完成”。图4-2 新建设备向导(3)定义数据变量数据库是“组态王软件”最核心的部分。在运行时，实际现场的生产状况要以动画的形式反映在上位机的屏幕上，操作者在上位机发布的指令也要迅速送达现场，这一切的实现都是以实时数据库为核心，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合被形象地称为“数据词典”，数据词典记录了该上位机所有用户使用的数据变量详细信息。数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。
66、变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I/O变量两种。“I/O变量”指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入外部设备或远程应用程序;每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动改变。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如反应罐液位、电源开关等变量，都需要设置成“I/O变量”。那些不需要和外部设备或其它应用程序交换，只在组态王内使用的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。基本类型的变量也可以按照数据
67、类型分为离散型、实型、整型和字符串型。要新建数据变量，就在工程浏览器左侧的树状目录中点击数据库中的数据词典，在右侧的工作区双击最下方的新建来定义一个新的数据变量，如图4-3所示。图4-3 数据变量的定义(4)设计组态画面在工程浏览器左侧的树状目录中选择“画面”选项，在右侧工作视图中双击 “新建”图标，弹出新建画面对话框，在对话框设置好新建画面的属性后，就进入了组态画面的开发系统。里面有各种各样的画图工具，例如管道工具、直线工具、文本工具等，在顶上的菜单里有个图库，点开图库里面有各种各样的现成图形，例如水泵、仪表、阀门、指示灯等等，可以直接应用，如图4-4。图4-4 组态王的图库利用图库里面的图
68、形和自己创建的图形构建成自己需要的系统，本文的设计构建最终的恒压供水演示装置组态画面如图4-5。图4-5 恒压供水系统的组态设计建立好了组态画面，下一步就是进行动画的连接。双击画面中需要连接动画图形，就会弹出相应的动画设置对话框，通过设置就能定义好相应的图形的动画。4.3 变频调速恒压供水演示装置监控用户画面4.3.1恒压供水系统登录画面设置用户名登陆可以设定登陆者的权限，因此可以记录登陆者的信息。管理员交接功能的目的是为了保证系统正常工作，以防因无关人员的误操作可能使相关数据丢失，需要进行管理员用户管理、登陆和退出等操作。图4-6为用户登录画面。图4-6 用户登录界面4.3.2系统运行流程窗
69、口系统流程窗口的设计包括了系统状态流程图和运行状态表。由于本设计的对象是恒压供水演示装置,所以系统状态流程图表达的是整个恒压供水演示装置的流程,同时, 在画面中设有数显压力表、阀门的开闭等等参数的显示功能。点击画面上相应的图形可以进入历史趋势曲线、报警窗口、报表窗口，此外还有实时趋势曲线可以添加。图4-7为恒压供水演示流程图。图4-7 恒压供水演示系统运行界面4.3.3报警窗口报警是指变量数值超出正常范围时的特殊状态或是供电系统、设备发生了故障。在实时报警窗口内，显示实时的各超出正常情况的参数的具体情况与及各参数的界限值，所反映的是已经发生了的报警事件,为方便使用人员观察和提醒，在窗口中以红色
70、字体来显示,而经过调整后参数数值变为正常的,则可以用绿色字体来显示。而如果工作人员点击相应的事件,则用蓝色来显示,表明工作人员已经知道情况了。同时，系统中任何设备的动作在这里都有记录，如图4-8所示。图4-8 恒压供水报警窗口4.3.4历史趋势曲线窗口趋势显示曲线用于反映过程变量在一段时间范围内数值变化趋势。在本监控系统中，历史趋势曲线窗口设置了绘制用户供水管网水的过去压力记录和当前压力等关键控制参数，使工作人员能即时掌握整个供水过程的管网压力的变化情况，以便操作人员能对水压有一个即时的了解。历史趋势曲线窗口如图 4-9。图4-9 恒压供水历史趋势图4.3.5恒压供水报表窗口报表窗口就是实时记
71、录浮子开关的状态以及抽水泵的启停数据，并保存在相应的位置，便于以后查询，报表窗口如图4-10所示。图4-10报表窗口4.4本章小结本章主要讲述了泵运行的监测与监控管理系统的选择，变频调速恒压供水演示装置的监测软件设计，以及介绍组态王的特点和详细的使用步骤。具体地讲述了在组态王中各个窗口的作用及使用方法。结 论本论文研究的是变频恒压供水演示装置。变频恒压供水演示装置的原型就是现实生活中的恒压供水系统，以PLC、变频器PID运算以及组态软件为核心技术进行设计。利用PLC强大的逻辑控制功能实现了抽水泵自动启停，严格地自动调节着蓄水箱的水位；利用内置PID的变频器，通过和压力传感器的配合，利用PID运
72、算自动调频输出实现了无极调速软启动的恒压供水控制。通过对国内外的恒压供水教学设备的分析，本设计方案仅用了一个加压供水泵，简化了系统，使得系统的搭建更简单，学习得更容易，系统的制造成本也更低了。利用一个抽水泵，配合PLC、浮子开关，以最简单的方式完成了同样的效果，不仅让学者学习到了电气控制电路设计，同时也学到了PLC的梯形图编程方法和STEP7软件的使用。无论是工业生产，还是日常生活，恒压供水在我们生活和发展中的角色越来越重要。基于PLC、PID运算技术和变频技术设计的恒压供水控制系统效率高、可靠性高、响应速度快、节能效果显著。因在系统中应用了许多自动控制技术，所以基本不需要操作人员亲自操作，而
73、且使用了组态监控技术，实现了远程监控，不仅节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，还大大节省了时间。作为一个恒压供水演示装置来说，系统简单的设计给学者留了很大的空间进行扩展，不论应用到用水多的地方，还是用水不多的小区或个人的家庭，只需要计算出目标水压值，然后选定合适的水泵数量，模仿本文所述的设计方案去设计，把水压调到适合的目标值即可。本文的设计方案不但易学，而且适用范围广，不仅节约了水，还节约电能，实现了更优的节能方式，实现了供水的控制和稳定性的最优化。目前在国内外的恒压变频调速供水演示系统的设计中，对于能适应不同的用水场合，在能教好恒压供水关键技术前提下又不浪费资源的实验装置的研究还是不
74、够的。因此，有待于进一步简化恒压供水演示系统的结构，使其更为简单和经济，能被更好的推广于全国的各高等院校甚至中学作为恒压供水的基础学习平台。 附 录参考文献1 王立忠，王广德，刘洪波，韩强，孟昭晖，丛琳.变频器恒压供水教学演示系统设计,通化师范学院学报 ，2010,31(2)2 阮友德，邓松.基于网络控制的恒压供水群实践教学系统的研制，深圳职业技术学院学报，2006,5(4)3 杨智，朱海峰，黄以华.PID控制器设计与参数整定方法综述，化工自动化及仪表，2005,32(5)4 赵望达，鲁五一.PID控制器及其智能化方法探究，化工自动化及仪表，1991,26(6)5 何强，龙腾锐.国内外城市节水
75、技术概述.21世纪中国城市水管理国际研讨会论文集.北京:2010.15-176 中国工控网.7 上海紫日电气科技有限公司.变频器用户使用手册(ZVF9-G系列ZVF9-P系列)8 吴作明.工控组态软件与PLC应用技术. 北京航空航天大学出版社.2009：1-1199 袁任光可编程序控制器选用手册机械业出版社，2002:381-40210 朱建平.变频恒压供水系统的原理与应用。 重庆大学，2010杨福才.21世纪中期的给水技术.中国建设报.2003(10):23-2611 陈勇，张学民，杨后川SIMATIC S7-200可编程控制器原理与应用北京航空航天大学出版社，2011，1(2)：5-11.
76、附 录一系统调试步骤：(1)打开控制系统空气开关（总开关）；(2)慢慢将控制系统的电路电压调至380V；(3)按下启动按钮，抽水泵启动，进入自动控制状态；(4)当蓄水池水位完全超过加压泵的抽水管的安装高度后，按下变频器的运行（RUN）按钮，供水部分进入变频恒压供水状态；(5)若要停止系统运行，先按下变频器的停止（STOP）按钮，停止恒压供水；(6)然后按下急停按钮，停止自动抽水；(7)最后拉下空气开关，系统断电。附 录二中文翻译：基于ABB变频器恒压供水系统的设计摘要和传统方式相比，变频器恒压供水系统是一个更有效，节能的解决方法，它至少能够节能50。通过管口和管道阻力与马达速度和频率的关系的速
77、度特性，VVVF（Variable Velocity Variable Frequency变压变频）可以实现恒压供水。这篇论文介绍了以ABB的ACS510作为驱动器和控制器的恒压供水系统。实际运行表明，设计的这个系统实现了在允许的误差之内跟踪所设定的压力值。关键词：恒压供水；变频调速；PID1.介绍在生产和生活中，恒压供水被广泛地使用。和传统的水塔供水和高位水箱供水方式，新的变频恒压供水系统在设备投资、系统的能力、以及自动化程度上有更多的优势。该水泵是典型的平方转矩负载，这意味着它的转矩和速度的成平方比例，流量和速度成比例，所以功率损耗和速度成比例。当使用节流阀方式时，无论阀门在怎样的开度状态
78、，马达始终以额定转速工作。试想当阀门开度为80%时供水系统为满足状态，在这一点上速度是，功率是。在同样的状态下，但在变频方式下，只有降低马达功率到额定转速的80%，然后保持阀门全开就能满足同样的供水要求。在这点上功率损失和有以下的关系， (1)在公式(1)中，阀门开度是80，和传统的供水方式比较变频方式损耗功率只有传统的0.512倍。通常，电动机的容量留有一定的余裕而比实际需求更大，也就是说即使在用水高峰电机也不能正常工作在额定状态和速度下小于最高。在节能方面，变频恒压供水系统有很大的潜力。这篇论文所设计的供水系统已经运行超过6个月，而且它和传统的方式相比节能54.4%。当前，大部分的变频恒压
79、供水系统是由PLC，SCM，以及其他专用的控制器加上逆变器组成3。这些另外的控制器的增加不仅仅是费用，还有系统的故障率。在本篇论文中，我们即将设计一个恒压供水系统，而且通过实际运行的结果证明抛弃专用控制器仅仅使用变频器也可以实现稳定的恒压供水，实现相同的节能。2.恒压原理2.1.供水系统的特性供水系统的特性如图1.所示，扬程的性能的意思是保持阀门打开不变，扬程H和流量Q之间在某一速度下的关系，它反映了扬程和耗水量之间的关系。水管阻力特性的意思是，保持马达转速不变，扬程H和流量Q在某一开度下两者之间的关系，它反映了扬程和供水之间的关系。在扬程和管道阻力的交叉点显示，系统同时满足于两者，耗水量和供
80、水达到平衡因此能够稳定运行。因此在交集点叫做供水系统的工作点。通过用户的需求，耗水量是随时间变化的。所以供水系统的任务就是达到精确的控制流量供水，让水消耗流量达到动态平衡，确保系统的稳定运行。图1.供水系统的工作点H是供水系统的扬程，Q是系统的流量。2.2.变频供水系统的原理从上一部分，精确的控制供水流量可以实现供水系统能够稳定的持续供水。当阀门开度不变，改变马达速度可以改变流量。马达速度与频率之间的关系，这里的是极对数，是滑差系数。公式(2) (2)通过改变马达的电源频率的变化速度，然后改变供水流量，这就是变频恒压供水系统的原理。3.变频恒压供水系统的设计3.1.耗水量的计算和分析住宅区的水
81、消耗主要由生活用水、消防用水、绿化用水、和其他不确定水组成，生活用水消耗是最主要的用水要求分析基础，因为生活用水的消耗占全部用水消耗的百分比最高。公式3在建筑学的排水标准中作为通过供水流量的计算方法，最高时的水流量可以被计算出。 (3)这里的是水流量在一个小时内的水消耗最大值，它的单位是/(立方米/小时)。是一天的水流量，一个住宅区有600户居民，根据平均每户有3.5个人，所以总的用水人口数量是2100人。根据城市的住宅标准:每个人的日常生活供水量不应该少于230升。在这个系统里，我们假设300升给每个人，在公式(3)中， 是630。是小时变化系数，这意味着在一整天的最大水消耗的比例大于平均每
82、小时，在我们的城市T是在一天中的用水时间，选择T为20。然后就可以算出值是78.75立方米/小时。居住最高的12层，根据3.5米每层，算出水泵的扬程为48米就足够了。综合考虑水泵和马达的效率，以及系统的允许，选择三个45KW的泵可以安全地达到供水要求。3.2.系统构成变频调速恒压供水系统的原理如图2所示。系统由控制器，执行机构和检测环节组成，构成一个闭环控制系统。变频器作为整个系统的控制核心，根据一个给定的压力和实际压力的偏差之间，改变泵的运行数量和转速，实现精确的压力控制。变频恒压供水系统的主要电路如图3所示。图2.变频调速恒压供水系统原理图。它是由变频器，水泵马达和压力表组成的一个闭环控制
83、系统。图3.恒压供水系统的主电路。ACS510是系统的控制核心，它的输出是直接个给三个电机，通过实际的压力反馈决定是启动直接马达还是以变频的方式启动马达。通过变频器输出的频率，第一个泵开始运行，当水压不足的时候就以工频运行，切断变频方式使用泵，如果水压还是不足，就打开第二个泵，从工频中切断第二个泵，变频启动第三个泵，当泵即将停止替换顺序的时候。通过调整数量和校准泵的转速，实现恒压供水。这个系统不使用独立的控制器，但采用变频器的内置PID调节功能，所以在硬件配置上，根据住宅区的实际用水要求，只需要一个变频器，三个45KW的水泵，一个远程压力传感器，六个交流接触器，空气开关和中间继电器与压力表，以
84、及其他的辅助设备组成。变频器选择的是ABB的ACS510系列标准的ACS510-01-088A-4，系统I / O板如图4所示。图4.变频器的I/O接线图。本系统可以以手动和自动的方式运行，当它以手动方式运行，AI1是电机的给定速度，AI2是从压力表反馈的实际压力值，它是变频器输出频率的主要根据。4.系统运行测试4.1.出口压力系统已投入运行已经超过了半年，而且现在现在还在稳定运行，该恒压供水系统可以满足要求。图5是站点观察到一天不同的时间的记录曲线。在图5中，系统实现了依据实际要求不断地改变工作状态，成功地跟踪所设定的压力值。为了保护马达，当电机加速和减速的时候减少瞬时电流的冲击。上升和下降
85、时间在变频器的参数中被设定长达60秒。在水流改变的瞬间，压力值有波动。由于上面所述的两个原因，压力设定和实际的还有一些偏差，但这些偏差在可接受的范围之内。图5.实时的压力曲线，X横坐标是一天的运行时间，Y纵坐标是实际反馈和设定的压力值，它们都满足恒压供水。4.2.节能效果因为半年多，大约50的时间系统运行在80的额定转速下，和30的时间在70的额定转速下工作，20的时间在60的额定转速下工作。根据系统每年的工作8000寿命，用阀门控制这样的方式消耗电力359兆瓦小时，当频率控制时能源损耗是164兆瓦小时，节约能源54.4。根据每产生1兆瓦小时，就产生0.5吨的二氧化碳排放，每年可以减少排放总共
86、97吨。5.结论系统投入应用已经超过了六个月，还能稳定运行，且还能满足在一个住宅区的恒压供水要求。通过比较使用变频控制之前和之后功能损耗的结果，本设计系统的节能效果非常显著，这是一种有效且可行的恒压供水方案。这个设计节省了普遍广泛使用的PLC和其他专用控制器，但使用变频器内置的PID频率调整功能，控制系统的控制器和制动器双倍任务，由于不使用PLC或其他专用控制器，使得系统花费大大减少，运行更加简单和更加容易维护，以及减少了系统的故障。外文原文：The Design of Constant Pressure Water Supply System Based on ABB InverterAbs
87、tractThe inverter constant pressure water supply system is a more efficient,energy saving solution than traditional way, it is able to saving energy more than 50%.According to performance of head and pipe resistance in specific speed, and the relationship between motor speed and motor frequency,VVVF
88、 can realize constant pressure water supply.This paper introduces a constant pressure water supply system in which uses ABBs ACS510both as drive and controller.Practical operation shows, the designed system realized tracking to set pressure value, error within permitted.Keywords: Constant Pressure W
89、ater Supply; VF speed; PID;1. IntroductionConstant pressure water supply is widely used both in production and living. Compared with traditional water tower and high tank way, the new frequency conversion constant water supply system is more advantage in equipment investment, stability of the system
90、, and the degree of automation 1. The pump is a typical square torque class load. That means its torque is proportional to the square of the speed,the flow is proportional to the speed, and so power loss is proportional to the cubic of the speed. When using a throttle valve way, no matter valve work
91、ing at any opening, the motor is always working as rated speed. Thinking water supply system is satisfied when valve opening is 80%, at this point the speed is ,and power is . At the same situation, when it comes to frequency conversion way, only lower motor speed to 80% of rated speed while hold va
92、lve fully open could meet the same demand of water supply.And this points power loss has the following relation with , (1)From formula (1), compare with traditional water supply way that valve opening is 80% ,the frequency conversion way loss power is only 0.512.Usually,the motor capacity is greater
93、 than actual demand to left a certain margin, that is to say motor is not working at rated status and speed is less than rated even at water peak 2 . Frequency conversion constant water supply system has great potential in energy saving.The designed water supply system in this paper had running more
94、 than six months, and compared with traditional way it can saving energy 54.4%.Currently, widespread frequency conversion constant water supply system is formed by PLC, SCM,other special controller plus inverter 3.These additional controller increased not only the cost but also the failure rate of s
95、ystem. In this paper, we are going to design a constant pressure water supply system,and according to practical running result prove that abandoned special controller only use inverter canalso realize stable constant water supply, achieve same energy saving.2. Principle of Constant Pressure2.1. Char
96、acteristic of water supply systemThe characteristic of water supply system as shown in Fig1.the performance of head means, hold the valve opening unchanged, the relationship between head H and flow Q at a certain speed, it reflects the relationship between head and water consumption；the performance
97、of pipe resistance means, hold motor speed unchanged, the relationship between head H and Q at a certain opening, it reflects the relationship between head and water supply. At the intersection of head and pipe resistance performance , system while meeting both of them, water consumption and supply
98、reach a balance so that can stable running. The intersection is called working point of water supply system. Water consumption is time-varying according to the need of user. So the task of water supply system is achieves accurate control to water supply flow, make it dynamic balanced with water cons
99、umption flow, to ensure system stable running.Fig.1. Work point of water supply system H means the water supply systems head, Q is the flow of system.2.2. Principle of frequency conversion water supply systemFrom previous section, accurate control water supply flow can realize water supply system co
100、nstant pressure stable running. When valve opening constant, change motor speed can change the flow. Motor speed has following relationship with frequency , where is pole pairs, is slip ratio. (2)According change motor power supply frequency change speed then change water supply flow, it is the prin
101、ciple of frequency conversion water supply system.3. Design of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System3.1. Water consumption calculation and analysisResidential area water consumption is consist of mainly by the water for living, water for fire control,green water and other uncertai
102、n water to wait for a few parts. Life water consumption is the most important water demand analysis basis because of the highest percentage of total water consumption.According to the water supply flow calculation method which is shown as formula (3) in architectural water drainage standard, the hig
103、hest time water flow could be calculated./ (3)Where is water flow in an hour when water consumption is maximum, it units is/. is a days water flow, a residential area have residents 600, according to each have an average of 3.5 individuals. The total numbers of water population is 2100.According to
104、city residential standards; the maximum water supply in daily life should not be less than 230 L for each person, in this system we thinking 300 L for each one, from formula (3), is 630 . is hours vary coefficient, it means the ratio of the maximum water consumption in the maximum days hour and that
105、 of average hour, in our city can selected as 2.5. T is hours of use water in a day, select T as 20. Then can calculate the value is /. Resident highest for 12 layers, according to 3.5 meters per layer, thinking pump head of 48 m is enough. Comprehensive consideration of the pump and motor efficienc
106、y, and system allowance, choosing three 45KW pumps can satisfy the water supply demand.3.2. System structurePrinciple of variable frequency speed constant pressure water supply system as shown in Fig.2. System is consists of controller, actuators and detection link, form a closed loop control system
107、. The inverter as a control core of whole system, according to the deviation between a given pressure and that of assessment change rev pump sets and pump rotation speed, realize the accurate control of pressure. Main circuit of the variable frequency speed constant pressure water supply system as s
108、hown in Fig.3.Fig.2. Schematic diagram of the variable frequency speed constant pressure water supply system. It is consist of inverter, pump motor and pressure gauge as a loop control system.Fig.3 Main circuit of constant water supply system.ACS510 is the control core of the system, its output is d
109、irectly to three motor,according to the actual pressure feedback decide which motor or motors should be start as variable frequency.According to the inverter output frequency the first pump start-up, when hydraulic is insufficient for industrial frequency, and cut frequency pump, if hydraulic still
110、insufficient start the second insufficient,cut the second pump for industrial frequency, frequency conversion startup third pump, when the pump is going to stop order instead. Through adjusting the quantity and adjust into pumps water pump motorspeed, realize the constant pressure water supply.The s
111、ystem doesnt use a separate controller, but adoption inverters built-in PID adjustment function,So in hardware configuration, according to the actual water demands of a residential area, only by a inverter, three 45KW pump motors, 1 remote transmission gauges, 6 ac contactors, air circuit breaker an
112、d intermediate relays and indicator other auxiliary equipment composition.The inverter choosing ABBs acs510 series standard of acs510-01-088A-4, system I/O board of wiring as shown in Fig.4.Fig.4.Wiring diagram of inverters I/O. The system can works as manual and auto ways. When it works as manual w
113、ay, AI1 is the given speed of motors.AI2 is the actual pressure feedback from pressure gauge, it is the important basis of inverter output frequency.Fig.5.Real-time pressure curve, the X axis is running time of one day, and Y axis is the actual feedback and setting pressure value,they are satisfied
114、constant pressure water supply.4. System Running Test4.1. Outlet pressureSystem has been put into running more than half a year and still stable operation. That the constant pressure water supply system can satisfy the requirement. Fig.5 for the site observed one day different time record curve.From
115、 Fig.5, the system realized to successfully tracking setting pressure that constantly change according actual demand. In order to protect the motor, reduce instantaneous current shock when motor speed up and slow. The rise and decline time of inverter parameters are set long as 60s. And at water flo
116、w changes moment, the pressure value fluctuates. Due to above two reasons, pressure of setting and actualhas some deviation, but the deviation within the acceptable range.4.2. Energy-saving effectFor more than half a year, about 50% of the time system working at 80% under the rated speed, and 30% in
117、 70 percent rated speed time work, 20% in 60% of the rated speed time for work. According to the system 8,000HRS annual work, use the way valve control consumes electricity 359 MWH while using frequency control energy consumption as 164MWH, saving energy 54.4%. According to each production 1MWH 0.5t
118、 to emissions of carbon dioxide, 97t total could reducing emission per year.5. ConclusionSystem put into use, has been more than six months, still stable operation. And can meet the constant pressure water supply demand of one Residential area. Through the compared result of power consumption that b
119、efore and after use frequency speed control, the designed system has obvious effect in energy-saving, is a kind of effective and feasible scheme of constant pressure water supply. And this design saves currently in widespread use PLC, and other special controller, but using inverter built-in PID fre
120、quency adjustment function, for control system controller and actuators double tasks, due to not use PLC or other special controller, making the system cost reduced significantly, operating more simple and more easier to maintain and to reduce the systems failure.51致 谢致 谢经过三四个月的努力，从文章框架至论文初稿，然后是修改后的
121、终稿，始终都离不开我的导师赵XX，以及程亚学长的帮助。在此对他们表示真挚的感谢，在课题研究的这段时间中，赵老师自始至终给予了悉心的指导和关心，在毕业设计期间又提出了许多宝贵的意见。赵老师严谨的治学态度、求实的科研作风、给我留下了深刻的印象，激励我不断努力学习，追求更高的奋斗目标！此外，在讨论问题和指导论文撰写期间，使我受益的不仅是赵老师的知识和经验，更为重要的是赵老师在为人、为师，以及在学术中的态度。同时也谢谢XX老师对于我的毕业设计学习过程中对于我的帮助。感谢同学XXX、XXX、XXX，以及上一届的学长XX、XXX等的帮助和建议，大家一起创造了良好的科研和学习环境，在共同学习进步中结下了最真挚的友谊！感谢家人的理解与支持，感谢他们无私地为我提供良好的学习条件。由于学术水平有限，我所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和同学指正！最后，对评审论文的各位老师表示衷心的感谢!再次真诚地感谢所有帮助过我的老师、朋友和同学!符某某 2014年5月于北京XXX大学
