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1、摘要基于变频器的智能恒压供水系统以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用其扩展模拟输入输出模块EM235，利用其内部的PID控制指令，配合MM420型号的变频器和电机，同时用KBY压力变送器来检测管网压力。构成闭环调速系统。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，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。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PID调节。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整输出模拟量，进而控制变频器。变频恒压供水控制系统通过测到的管
2、网压力，经PLC内置PID调节器运算后,通过EM235模拟输出端传送到变频器，调节输出频率，实现管网的恒压供水。 关键词：恒压供水、可编程控制器、无级调速、PID控制、闭环调速系统、 目录1 绪论11.1 恒压供水系统的发展历程11.2 恒压供水系统研究的目的和意义21.3 恒压供水系统的应用32 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案42.2 恒压供水系统设计总体方案设计42.3 变频恒压供水原理63 基于变频器的智能恒压供水系统的硬件设计73.1 系统中硬件电路构成73.2 PLC型号选择和系统硬件配置203.3 外部硬件电路设计224 基于变频器的智能恒压供水系统的软件设计244.1 系
3、统流程图244.2软件设计25结术语31致谢词32参考文献331 绪论 变频恒压供水系统成为现在建筑中普遍采用的一种水处理系统。随着社会和变频调速技术发展和人们节水节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的基本恒定。同时要保证供水的可靠性和安全性。基于变频器的智能恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵组成闭环控制系统，代替传统的水塔供水控制系统，既保证了供水质量又丰富了系统的控制功能，提高系统可靠性，达到节水节能的效果。1.1 恒压供水系统的发展历程恒压供
4、水系统是指通过闭环控制，使供水的压力保持恒定。早期的恒压供水系统是通过阀门的开断来控制。随着技术的发展，自动化越来越占据主要地位。出现了基于PLC的变频恒压供水系统，即基于变频器的智能恒压供水系统。在该系统中为了满足供水量大小需求不同时，保证管内压力恒定，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。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。因此，当变频器应用在变频恒压供水系统中时仅作为执行机构。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
5、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。近年来，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国内有不少公司在做变频恒压供水的工程时，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管内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。但随着社会发展和进步，这远远满足不了所有用户的要求，逐步实现了基于PLC和变频器技术设计的生活恒
6、压供水控制系统即基于变频器的智能恒压供水系统。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中可以看出，随着社会的发展，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)的变频恒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。1.2 恒压供水系统研究的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生
7、活用水量也在逐年提高。而现阶段我国在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度较低。这种情况容易造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足；用水低峰期时供水水位超标，压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。变频恒压供水系统可以实现水泵电机的无级调速，可以根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统被看做是今最先进、合理的节能型供水系统。与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备投资，运行的经济型还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大优势。基于PLC
8、和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因而实现了恒压自动控制。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制，具有广泛的应用前景。 1.3 恒压供水系统的应用基于PLC和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统，是在原有系统的技术改造下，提高生产过程的自动化水平。使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。该系统广泛应用于（1） 生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统（2） 工企业、
9、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。（3） 各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统（4） 污水泵站、污水处理及污水提升系统。（5） 农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统（6） 宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。另外，系统采用plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。2 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案2.1 恒压供水系统总体方案设计2.1.1 总体方案简介西门子S7-200型可编程控制器（SIMATIC S7-200）是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的
10、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；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。因此，基于变频器的智能恒压供水系统以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用其扩展模拟输入输出模块EM235，利用其内部的PID控制指令，配合MM420型号的变频器和电机，同时用KBY压力变送器来检测管网压力，与设定的压力值进行比较，构成闭环调速系统。其中变频器的作用是为电机提供可变频率，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是
11、检测管网水压；智能PID调节器实现管网水压的PID调节；PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自觉调节输出模拟信号数值。改变输入变频器值，即实现其对水泵电机的无级调速。 如下图2.1整体方框图和图2.2控制部分方框图所示： 水泵电机是输出环节，转速由变频器调节，变频器接受PLC控制器的信号对转速进行控制，PLC控制器综合给定和反馈信号（由PLC扩展模拟输入输出模块接受信号）后，经过PID调节，向变频器输出运转频率指令，压力传感器检测管网出水压力，并将其转换为PLC控制器可接受的数字信号，进行调节。下图 2.2控制部分方框图所示。PLC作为可编程控
12、制器，协调各元件顺利运行。 图2.1 整体方框图 图2.2 控制部分方框图2.1.2 系统控制要求本课题来源于生产、生活供水的实际应用。本系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。该系统可以为生活和消防等供水的供水。 在恒压供水系统中，在出水的管中设有一个YBT压力传送器，检测水压的大小，并将其转化成模拟信号（电流信号）。通过PLC设定一个恒定压力值、变频器上限（最高频率）和下限（最低频率）。利用PID计算形成一个闭环控制系统。当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反
13、馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率降低但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率升高但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。2.2 变频恒压供水原理 该系统的恒压控制采用闭环控制，在水泵的输出管网中安装一个压力变送器，将管内水压转换成15V的信号输入PLC的扩展模拟量输入输出模块（EM235）的模拟量输入端并经过A/D转
14、换将其转换成数字信号。该数字信号与压力给定值相比较，并经过PID运算，由PLC输出控制信号经D/A转换通过EM235的模拟量输入端输出420mA的控制信号送往变频器，控制变频器输出频率，从而控制水泵电动机转速，使水压稳定在设定值。在恒压供水系统中，当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，发生相应的变化，保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。3 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计3.1 系统的硬件电路构成本设计论文包含的硬件主要有，PLC（可编程控制器）、变频器(MM420)、压力传感器、电动机（水泵）、和PLC模拟量扩展模块EM2353.1.1可编程控制器（
15、S7-200 ）（一） 可编程控制器（S7-200 ）原理可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。采用了典型的计算机结构，主要有CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成。用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入、输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。（二） 可编程控制器（S7-200 ）应用目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造等各个领域。PLC被称为专为工业环境下的应用而设计，故其主要的应用方面为:（1） 作为开关量控制。 是PLC的基本功能，得力于PLC具有强大的逻辑运算功能，可以实现各种简单和复杂的逻辑运算。（2） 模拟量控制 因为PLC只能处理数字量，为处理温度、压力、流量、液位、速度等模拟量，P
