基于PLC的自动恒压供水系统设计毕业论文
成都理工大学工程技术学院毕业论文
基于PLC的自动恒压供水系统设计
专业名称: 电子信息科学与技术
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摘要
在传统的学校供水系统中,由于用水高峰比较集中,使得供水系统工作不稳定。因此,有必要对供水系统进行改造。采用西门子S7-300 PLC和MM440变频器为主控单元,构建一个PLC自动控制的变频恒压供水系统,充分发挥PLC扫描精度高﹑运算能力强等优点,为学校供水系统提供了一套全新的方案。
本设计在学校供水系统的改造中得到了成功的应用，不仅供水压力稳定，满足学校用水需要，而且很好地显示出节能、节水的良好效果。另外该设计采用的MM440系列变频器和S7-300系列可编程控制器具有很好的性能，而且使用方便，价格适中，所以极具推广价值。
关键词: 变频器 PLC控制恒压转速调节 PID控制
Abstract
In the traditional water supply system in school, because the many users needs water during the rushing hour time, the efficiency of water supply system not stable, so it not be satisfied the demand of all students and teachers. Therefore, it is necessary to transform the water management system. I describe the way to construct the follow-up pressure water
supply system. Based on the PLC technology and frequency converter, it provides a new satisfactory pressure control solution for the water supply system by exerting the high scanning accuracy and the great operation capabilities of S7-300.
This design is applied successfully in the reform of supplying water system in the
school. The answer which satisfy the demands of water in the school; furthermore, it has effective in energy and doesn’t waste the water. Those people who want to reform their supplying water system can also use it. Moreover this design uses the MM440 series frequency changer and the S7-300 series programmable controller has the very good performance, moreover the easy to operate, the price is moderate, therefore has the promoted value extremely.
Keywords : frequency converter, PLC control, follow-up pressure, variable-speed control ，PID control
目录
摘要 (1)
Abstract ...................................................................................................... II
目录 ............................................................................................................. III
前言 (1)
1 变频控制理论概述 (2)
1.1 变频调速的概念 (2)
1.1.1 转速和频率的关系 (2)
1.1.2保持常数 11f u 的控制方式 (3)
1.2 PID 功能简介 (3)
1.3 恒压供水闭环系统的PID 调节过程 (4)
1.4 变频器的节能功能 (6)
1.4.1降压节能的原理 (6)
1.4.2从机械特性看压降节能的原理 (7)
1.4.3变频调速与二次方律负载 (7)
1.5彻底消除供水系统中的水锤效应 (8)
2 供水系统的总体方案设计 (9)
2.1供水系统的具体要求 (9)
2.2变频恒压供水系统原理 (9)
2.3变频恒压供水系统供水特点 (10)
2.4水压控制信号算法处理 (10)
2.5变频恒压供水控制方式比较和选择 (11)
2.6变频调速恒压供水系统工作方式 (13)
3 供水系统硬件软件设计 (14)
3.1 系统硬件设计 (14)
3.1.1供水系统主电路 (14)
3.1.2 MM440变频器简介 (15)
3.1.3 S7-300 PLC简介 (16)
3.1.4供水系统控制电路 (17)
3.2系统软件设计 (19)
3.2.1 PLC梯形图设计 (19)
3.2.2变频器容量计算 (21)
3.2.3变频器端口设置 (22)
3.2.4变频器主要功能的预置 (22)
4 系统维护及注意事项 (23)
4.1 PLC注意事项 (23)
4.2变频器注意事项 (25)
4.2.1变频器和电机的距离确定电缆和布线方法 (25)
4.2.2变频器的接地 (26)
4.3变频器与控制柜 (26)
4.4变频器接线规则 (27)
4.5变频器的维护 (27)
4.5.1通电前检查 (27)
4.5.2 变频器的试运行 (27)
4.5.3变频器的维护 (27)
总结 (29)
致谢 (29)
参考文献 (30)
前言
在现代工业和经济生活中，随着电子技术﹑微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术﹑节能技术已经广泛应用于各个领域。
交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能的转换问题，同时又要处理信息的收集﹑交换和传输问题。在巨大电能转换的功率部分要解决高电压﹑大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的收集﹑变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件﹑软件问题。目前交流变频调速主要发展方向为：
1.高水平的控制。矢量控制﹑磁场控制﹑转矩控制﹑模糊控制等高水平的控制技术已应用在交流变频调速中。
2.开发清洁电能的交流器。随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影响已经是大势所趋。尽可能降低网侧和负载的谐波分量，减少对电网的公害和电动机转矩的脉动，实现清洁电能变换。
3.结构小型化。紧凑型的变频系统要求功率和控制元件具有高的集成度。主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和全数字控制技术。均促进了变频装置结构小型化。
4.高集成化。提高集成电路技术及采用表面贴片技术，使装置的容量体积比得到进一步提高。
随着变频调速技术的发展，广泛推广变频调速具有十分重要的现实意义。在工业生产中，能够大大提高生产设备的工艺水平﹑加工精度和工作效率，大大减小生产机械的体积和质量，减少金属耗用量，从而提高产品的质量。在生活生产过程中对风机和水泵一类的负载，若采用变频调速技术则可以显著的节约人力、物力和财力。变频调速技术在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位。变频技术使频率为可充分利用的资源。近年来，变频调速技术获得了飞速发展，取得了明显的社会效益和经济效益。
在看到变频技术如此优越性后，让我想到针对现实生活中用水高峰期出现高楼层供水困难这一问题，可以采用变频调速技术改进现有的供水系统。用水量增加，就提高带动水泵的电动机的转速，提高流量；用水减少时，就减小电机的转速，把流量降下来，又省电又省钱。在有这个基本想法后，通过查阅有关资料和请教老师后，可以确定这种方法是解决供水困难问题的有效途径之一。构思中，设想采用了变频器、电机﹑压力传感器﹑液面传感器以及控制线路组成了一个闭环控制系统，由变频器控制电机的转动。当工程人员人工开关驱动水泵的电机，这样又耗时又耗力。在采纳指导老师的意见后，决定接受可编程控制器代替人力，由可编程控制器自动控制电机的开/关。由此，我最终确定该毕业设计的结构：第一部分论述变频器相关内容，分析恒压供水系统的PID调节过程，并且在
供水系统主要原理分析的基础上,认识变频器最主要的功能：节能功能,详细论述
变频器工作过程,明确变频器各个使用端子的功能。
第二部分论述恒压闭环供水系统。介绍系统原理和与系统相关联的内容。
第三部分论述软件硬件部分相关内容, 介绍PLC 的相关知识。详细论述PLC
设计语言。
第四部分对整个系统实际使用过程中出现的问题提出系统维护和解决方案，
深入地了解供水系统在实际使用中出现的问题。
1 变频控制理论概述
本设计由于采用到自动化专业知识，所以在此章先对变频控制理论来一概
述。
1.1 变频调速的概念
1.1.1 转速和频率的关系
三相交流异步电动机的旋转磁场转速和转子转速分别为
p
f n 1160= （1-1） )1(601s p
f n -= （1-2） 式（1-2）中，n 表示电动机转速, 1f 表示定子交流电源的频率，p 表示磁
极对数，s 表示转差率，1n 表示旋转磁场转速。
由式（1-2）可知，旋转磁场的转速和输入电流的频率成正比，当改变电流
频率时，可以改变旋转磁场的转速，因而转子转速也随之改变，达到调速的目的。
1.1.2保持常数=11f u 的控制方式
电动机绕组中的感应电动势的大小是无法从外部加以控制的。
定子绕组的阻抗电压为
11Z I U =? （1-3）
当电动势g E 值较高时，定子绕组阻抗压降可以忽略不计，使定子相电压1U 与
电动势g E 相平衡则有
常数==1
11f U f E g
（1-4） 在频率1f 较高时，只要保持电压1U 与频率1f 同步变化，就可以近似代替反
电动势g E 与频率1f 同步变化，从而确保在调速过程中，主磁通m Φ和电磁力矩不
变。所以，变频的同时必须变压，这种控制方式称为恒压频比的控制方式。低频
时，由于1U 和g E 都比较小，定子阻抗压降与1U 和g E 相比，不能再忽略了，为
了保证g E 与1f 的比恒定，可以人为地稍微把1U 抬高一些，来近似补偿定子压降。 1.2 PID 功能简介
PID 调节属于闭环控制，是过程控制中应用得十分普遍的一种控制方式。它
是使控制系统的被控物理量能够迅速而准确地无限接近于控制目标的一种手段。
在实行PID 调节时必须至少有两种控制信号：
（1）目标信号 通常也称给定信号，是与被控物理量的控制目标对应的信
号，用T X 表示。
（2）反馈信号 是通过传感器测得的与被控物理量的实际 值对应的信号，用F X 表示。
PID 调节功能将随时对T X 与F X 进行比较，以判断是否已经达到预定的控制
目的。具体地说，它将根据两者的差值，利用比例（P ）﹑积分（I ）﹑微分（D ）
的手段对被控物理量进行调整，直至反馈信号与目标信号基本相等，达到预定的
控制目标为止。
为了满足用户的需求，保证供水质量，要求通过变频器及其PID 调节功能使
供水管网的水压保持恒定。具体地说：
当用户的用水量增大时，使供水管网的水压力下降，变频器应立即提高输出
频率，使电动机加速，以增大水泵产生水压的能力，保持供水管网水压的恒定。
反之，当用户的用水量减少时，使供水管网的水压力上升，变频器应立即降
低输出频率，使电动机减速，以减少水泵产生水压的能力，保持供水管网水压的
恒定。
供水管网内压力的大小由压力传感器P S 进行测量。所以，在恒定控制系统
中，P S 的输出信号XF 应该始终无限接近于目标信号T X 。
为了是供水管网保持一定的压力，将变频器的输出频率及其频率给定信号保持在一定范围内是必要的。
令 ()F T P G X X K X -= （1-5）
式（1-5）中，T X 称为频率给定信号；P K 称为放大倍数，也叫比例增益。 就是说，将()F T X X -放大了P K 倍后再作为频率给定信号，P K 越大，()F T X X -则越小，F X 越接近于T X 。显然，因为G X 能等于0，所以，F X 能是无限接近于T X 却不能等于T X 。这说明，F X 和T X 之间总会有一个差值，这个差值称为静差，静差值应该越小越好。为了减少静差，应尽量增大比例增益，但由于系统有惯性，因此，P K 太大了，当XF 随着用户用水量的变化而变化时，()F T P G X X K X -=有可能一下子增大（或减少）了许多，使变频器的输出频率很容易超调，于是又反过来调整，引起被控量忽大忽小，形成振荡。为了消除系统的振荡，引入了积分环节，其目的是：使给定信号T X 的变化与乘积()F T P X X K -对时间的积分成正比，只要偏差不消除，积分就不停止，从而能有效地消除静差。但积分时间太长，又会发生当用水量急剧变化时，被控量难以迅速恢复的情况。解决这个问题就采取微分控制，微分控制是根据偏差变化率的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服了因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。
1.3 恒压供水闭环系统的PID 调节过程
图1.1所示是变频器调速恒压供水系统在正常工况下的PID 调节过程。 图1.1.a 所示是用水量Q 的变化情况；图1.1.b 所示是供水压力P 的变化情形，由于PID 调节的结果，它的变化是很小的；图1.1.c 所示是PID 的调节量PID ?, PID ?只是在压力反馈量F X 与目标值T X 之间有偏差时才出现。在无偏差的情况下，0=?PID ；图1.1.d 所示是变频器输出频率X f 的变化情况。
系统的工作情形如下：
0～1t 段： 流量Q 无变化，压力P 也无变化，PID 的调节量PID ?为0，变频器的输出频率X f 也无变化；
1t ～2t 段：
流量Q 增加，压力P 有所下降，PID 产生正的调节量（PID ?为“+”）,变频器的输出频率X f 上升；
2t ～3t 段： 流量Q 不再增加，压力P 已经恢复到目标值，PID 的调节量为0（PID ?=0）,变频器的输出频率X f 不再上升；
3t ～4t 段：
流量Q 减少，压力P 有所增加，PID 产生负的调节量（PID ?为“-”）,变频器的输出频率X f 下降；
4t 以后：
流量Q 不再减少，压力P 又恢复到目标值，PID 的调节量为0（PID ?=0）,变频器的输出频率X f 不再下降。
图1.1 恒压供水的正常工况
a)流量 b)压力 c)调节量 d)频率
图1.2所示是流量过大或过小时的系统工况。当用户的用水流量过大或过小时，由于变频器的输出频率要受到上限频率和下限频率的限制，使PID 的调节功能受到制约，供水系统的压力将无法保持恒定。
1. 流量过大
供水系统流量过大的工作情形如下：
0～1t 段：用水流量Q 增加，但变频器的输出频率X f 尚未到达上限频率H f ，系统在正常状态下运行，由于变频器内PID 功能的调节作用，变频器的供水流量能够随时满足用水流量的需求，供水系统始终处于平衡状态，供水压力也一直保持恒定；
1t ～2t 段：当用水流量Q 继续增加到一定程度以后，系统将具有如下的工作特点：
（1） 变频器的输出频率X f 已经到达上限频率H f ，水泵的转速不可能再升高；
（2） 变频器的供水流量满足不了用水流量的需求，管网压力P （从而F X ）将降低到下限压力L P 之下；
（3） 变频器的PID 功能力图增加变频泵的供水流量，调节量PID ?不断增加，超过了上限值H ?；
2t ～3t 段：用水流量Q 不再增加，压力P （从而F X ）也不再下降，但由于F X 和目标值T X 之间始终存在偏差，PID 中的积分环节将不断地积分，从而调节量PID ?将继续上升。
图1.2 流量过大或过小时的工况
a) 流量b) 压力c) 调节量d) 频率
2. 流量减小
用水流量减小后，系统又进入正常运行状态，工作过程是：
3t ～4t 段：流量Q 开始减少，压力P 也开始增加。在压力（F X ）上升至目标压力（T X ）之前，PID 的调节量PID ?仍为“+”，变频器的输出频率X f 仍为上限频率。而当压力继续上升时，PID 的调节量PID ?开始变为负值，变频器的输出频率X f 开始下降；
3. 流量过小
当夜深人静，用水量很小时的工作特点如4t 以后所示：
（1） 变频器的输出频率X f 下降到下限频率L f 后将不再继续下降，水泵的转速不可能再降低；
（2） 供水流量超过了用户的需求，管网压力P 将增大到超过上限值H P ；
（3） 变频器的PID 功能力图减少变频泵的供水流量，调节量PID ?不断减小，超过了下限值L ?。
1.4 变频器的节能功能
1.4.1 降压节能的原理
异步电动机在轻载运行时，功率因数φcos 与效率η都较低。两者之间又有一定的关联，如图1.3所示，功率因数越低（φ越大），则在有功电流a I 1相等的情况下，定子电流1I 越大。结果是电动机的铜损增加，效率降低。
图1.3 电流大小与功率因素
1.4.2 从机械特性看压降节能的原理
如图1.4所示：
图1.4 降压节能的原理
a)额定电压下运行 b)降压运行
（1）额定电压下运行的特点 是电动机在额定电压下运行时的情形：
曲线①是额定电压下的机械特性曲线，同步转速为0n ，临界转矩为K T ，临界转差为nk ?，启动转矩为S T 。
当负载转矩等于电动机的额定转矩LN T 时，额定工作点为N 点，转速为N n 。 当负载转矩减轻为LQ T 时，工作点转移至Q 点，转速升高为Q n 。如上述，这时的功率因数和效率都较低。
（1） 降低电压后的运行特点 异步电动机在降低电压后，其机械特性的特点是：临界转差nk ?不变，但临界转矩减小为'k T ，起动转矩减小为's T ，如图4.b 中之曲线②所示，负载转矩为LQ T 时的工作点转移至'Q 点。这时：一方面，电动机的有效转矩为ME T ，有效转矩点为E 点。如果负载转矩LG T 与有效转矩LE T 十分接近，则功率因数和效率趋于最佳状态，减小了电流；另一方面，电压也下降了。
所以，输入的电功率减小了，实现了节能的目的。
1.4.3 变频调速与二次方律负载
如图1.5所示：
图1.5 变频调速与二次方律负载
a)低频时的情形 b)低频降压时的情形
（1）在额定转速时，负载转矩LN T 等于电动机的额定转矩MN T ，拖动系统在额定工作点N 运行；
（2）当电压与频率成正比地下降时，电动机的机械特性曲线如曲线③所示。这时：同步转速为X n 0；临界转矩为KX T ；有效转矩点为X E 点；有效转矩为MEX T ；比额定转矩N T 有所减小；另一方面，二次方律负载的机械特性如曲线⑤所示，拖动系统的工作点移至D 点，负载转矩大幅下降为LD T 。由图知LD T < （3）如通过减小f U 比而减小与X f 对应的电压X U ，使电动机的机械特性 如图5.b 中的曲线④所示，则电动机的有效转矩点为'X E 点。与D 点十分接近， 从而提高了功率因数和效率，减小了运行电流，同时，电压也下降了许多，可以较好地实现节能的目的。 这时候，由于工作点下移至'D 点，拖动系统的实际转速将略下降为'LD n ，负 载转矩也略减小为'LN T 。 1.5彻底消除供水系统中的水锤效应 在供水管路中，水锤效应具有很大的破坏作用，说明如下： （1）起动时的水锤效应：异步电动机在全压起动时从静止状态加速到额定转速，所需时间只有0.25s 。这意味着在0.25s 的时间里，水的流量从零猛增到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生“空化现象”。 压力冲击将使管壁受力而产生噪音，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂；反之，压强过低，又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应也可能损坏阀门和固定件。 （2）停机时的水锤效应：如果让水泵切断电源，使之自由停机，供水系统的水头将克服电机的惯性而使水泵急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。 （3）产生水锤效应的原因：产生水锤效应的根本原因，是在起动和制动过程中的动态转矩太大。因为在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩。水泵在直接起动过程中，拖动系统动态转矩是很大的，所以，加速过程很快。 （4）水锤效应的消除：采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来 延长起动过程，使动态转矩大为减小。在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小。从而彻底消除了水锤效应。水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。 2 供水系统的总体方案设计 现在，国家日益强盛，人们生活生产过程中不免要大量消耗能源，经济的快速增长也加剧了能源的消耗量，随着时光流逝，能源问题越来越突出。为此政府强调节能环保，要求尽量节约能源，为可持续发展奠定坚实的物质基础。本人就为突出节能功效，设计了一种变频调速恒压供水系统。这一系统可以用于学校宿舍楼供水网络。由于学校宿舍楼比较集中，学生用水量最大，常常在用水高峰期时宿舍楼高层出现断水现象。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定，实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能节水的目的，满足学校用水需要。 2.1供水系统的具体要求 （1）水泵能自动变频软起动 4台水泵自动变频软起动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。 （2）电控自动状态时，4台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开﹑停机。 （3）设备具有缺相﹑欠压﹑过压﹑短路﹑过载等多种电气保护功能，具有缺水保护功能。 （4）有设备工作﹑停机﹑报警指示。 2.2变频恒压供水系统原理 变频恒压供水系统采用一个电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4～20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如果在一定的时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器做工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致，由此构成一个闭环控制系统。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除水泵，达到了节能的目的。 变频恒压供水系统功能框图如图2.1所示。 图2.1 供水系统的功能框图 2.3 变频恒压供水系统供水特点 1、恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。 2、动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。 3、采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。 4、系统配置可实现全自动定时供水,彻底实现无人值守自动供水.控制系统具有故障报警和显示功能,并可进行工变频转换,应急供水。 5、系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时,机组进入休眠状态,水泵停止，流量增加后才进行工作,节电效果明显，比恒速水泵可节电23%-55%。 6、变频恒压供水设备不设楼顶水池，既减少建筑物的造价，又克服了水源二次污染，气压波动大，水泵启动频繁和建造水塔一次性投资大，施工周期长，费用高等缺点。 7、整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。 8、本设备采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况，操作简单。 2.4水压控制信号算法处理 在该控制系统中，压力信号的检测采用压力变送器，变送器输出信号为4～20mA 电流或0～10V 电压，对应水压为0～max P ；通常情况下供水管网允许最低压力为某一值P 1，即管网最小设定值，不为0压力，而正常工作条件下管网最大允许工作压力为P 2，假定两者对应的模拟电流为I 1﹑I 2，则有如下函数关系： ()16max P I P p = （2-1）