基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计毕业设计(论文).docx

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1、基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计毕业设计(论文) 毕业论文声明 本人郑重声明： 1此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3

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3、大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或汇编本学位

4、论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到中国学位论文全文数据库进行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 论文作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 基于S7-200PLC控制的变频恒压供水控制系统设计 摘要 近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源紧缺问题日益明显，因此应用变频调速技术来提高供水质量，降低能耗，在供水领域已得到越来越广泛的重视。变频恒压供水控制系

5、统采用先进的变频调速、PLC等技术组成一闭环控制系统，用于民用建筑、生产用水，可使水泵出口压力保持恒定。恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。 关键字：水泵、变频器、恒压控制、PLC 装订线 装订线 Abstract In recent years, with the rapid develo

6、pment of Chinas national economy, the energy shortage problem is becoming increasingly apparent, so the application of VVVF technology to improve water quality, reduce energy consumption, in the field of water supply has been more and more attention. Inverter control constant pressure water supply s

7、ystem using advanced Frequency Control, PLC and other technical components of a closed-loop control system for civil construction, production water, can maintain a constant outlet pressure pumps. Constant pressure water supply is the basic control strategy: the use of programmable logic controller (

8、PLC) and constitutes a frequency converter control system, optimized control of the governor to run pumps, and automatically adjusts the number of running pumps to complete the water supply closed-loop control of pressure, that is, according to the actual settings automatically adjust water pressure

9、 pump motor speed and the number of pumps, automatic compensation for changes in water consumption to ensure that the pressure of the water supply network to maintain the set value, both the water supply to meet the production requirements, but also to save power, the system is in reliable working c

10、ondition, to achieve constant pressure water supply. Key words: water pump ; inverter ;constant pressure control ; energy saving effects 装订线 目录 摘要 (1) Abstract (4) 目录 (5) 第一章前言 (7) 1.1供水系统简介 (7) 1.2目前国内的四类供水控制方式 (7) 1.2.1 逻辑电子电路控制方式 (8) 1.2.2 单片微机电路控制方式 (8) 1.2.3 带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式 (8) 1.

11、2.4 新型变频调速供水设备 (8) 1.3变频调速技术发展历程及展望 (9) 1.4变频恒压供水的原理 (10) 1.5变频恒压供水的意义 (11) 第二章方案的确定 (13) 2.1设计内容和要求 (13) 2.2方案的选择 (13) 2.2.1调速调节流量的方法 (13) 2.2.2压力控制点设在水泵出口处 (13) 2.2.3VVVF调速的优点 (14) 2.2.4选用PLC的优点 (15) 2.2.5单闭环控制系统的优点 (16) 2.2.6采用PID调节器的优点 (16) 2.2.7水泵和变频器的选择以及切换的原则 (16) 2.2.8各种按钮以及显示 (17) 2.3方案的设计

12、(17) 2.4.工作原理 (19) 2.5系统优点 (20) 第三章系统论述 (22) 3.1系统的组成 (22) 3.2系统各部分的介绍 (22) 3.2.1水泵电机 (22) 3.2.2变频器 (23) 3.2.3 可控制编程器（PLC) (24) 3.2.4压力变送器 (25) 3.2.5 PID调节器 (25) 3.2.6控制信号 (25) 3.2.7保护部分 (26) 3.2.8显示部分和故障报警 (26) 第四章系统设计 (28) 4.1 主电路图的设计 (28) 4.2控制电路的设计 (28) 4.2.1控制电路的设计 (28) 4.3软件梯形图的设计 (30) 4.4元器件的

13、选择 (35) 4.4.1水泵的选择 (35) 装订线 4.4.2变频器的选择 (36) 4.4.3接触器的选择 (38) 4.4.4热继电器的选择 (40) 4.4.5低压断路器的选择 (40) 4.4.6 PID调节器的选择 (41) 4.4.7压力变送器的选择 (42) 4.4.8按钮开关的选择 (42) 4.4.9 其它元器件的选择 (43) 4.5布置图 (43) 4.5.1面板的布置 (44) 4.5.2控制柜的布置 (44) 4. 6接线图 (44) 第五章系统分析 (45) 5.1工况分析 (45) 5.2程序调试 (45) 5.2.1自动工作方式调试 (46) 5.2.2手动

14、工作方式调试 (46) 5.2.3故障部分调试 (47) 结束语 (48) 致谢 (49) 参考文献 (50) 附录A:使用说明书 (51) 附录B:指令语言： (52) 附录3：元器件清单 (56) 装订线 第一章前言 1.1供水系统简介 我国的传统供水方式一般有三种：恒速泵供水，水塔及高低位水箱供水，气压罐供水。恒速泵供水在用户的用水量变化时，供水管路上水压也会随着变化，这个变化较大，效率也变化很大，无论从管路设计还是从能耗角度讲都不合理。这种供水方式只适用于供水量不大及供水量稳定的场合，而供水量大，变化频繁的场合是不适用的。为了改善上述系统，人们首先采用了水塔和高低位水箱的办法解决供水的

15、矛盾，这种方式的优点是水泵充分工作在额定点，耗能十分合理，管路上压力恒定，供水稳定，不足之处是投资大，占地大，建造周期长，在当前对供水设备的小型化，经济化，灵活化的要求下，人们想出了一种气压供水的方法。气压供水设备利用气压罐做调节容器来调节供水量，这种方式供水能使水泵工作在最大效率附近，耗能比恒速泵更合理，管路上压力变化不大，比水塔，高低位水箱投资少，制造简单，占地少，周期短。但气压罐供水不足之处也很明显，当供水量比较大时（50m3以上），占地面积也较大，消耗钢材也很多，而且由气压供水本身构造决定必然是差压供水，这就多消耗了电能，比例一般占总电能的10%30%。，积累下来也造成了巨大的电能浪费

16、。 随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。由于交流电动机变频调速系统具有高效节能，控制灵活，通用性强等诸多优点，因此越来越被广泛地应用到现代生产，生活中。尤其在当前资源紧张的大环境中，对节能的要求更为紧迫。近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源紧缺问题日益明显，因此应用变频调速技术来提高供水质量，降低能耗，在供水领域已得到越来越广泛的重视。 随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行

17、变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。 1.2目前国内的四类供水控制方式 装订线1.2.1 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、调试比较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱。但成本较低。 1.2.2 单片微机电路控制方式 这类控

18、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是很高。 1.2.3 带PID回路调节器和/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制器后，经PID调节器的控制，输出给变频器一个转速控制信号。由PID回路调节器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

19、，所以对可编程控制器来说，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标准信号，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控制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 1.

20、2.4 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G11S/P11S 系列产品；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， 装订线形成了带有各种应用宏的新型变频器。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

21、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。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。 1.3变频调速技术发展历程及展望 作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直被广泛应用。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也昂贵。使用异步电机实现性能好的调速一直是人们的

22、理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是由于各种各样的缺点均没有得到广泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT 或GTR模块等器件逆变成频率可

23、调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060，节水1530。众所周知，水泵的耗功率与转速三次方成正比，水泵是根据工频是设计的，但正常运行时多数时间是流量较少时的情况，变频能使转速根据流量的变化而变化，速度可以下降20%，比工频运行能节省20%-40%的耗能。 由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突

24、出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。 装订线1.4变频恒压供水的原理 在供水中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用在生产成本中占有很大的比例，水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国电量总消耗的21%以上，具有很大而节能潜力。由于常规供水系统是采用常规的阀门来控制水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来电机调速技术的应用，为水泵的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始

25、终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短时间的最大流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来改变水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力的恒定，从而达到节能效果。 由流体力学可知，水泵给管

26、网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比：水泵的转速n与出水量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q 的平方成正比。由上属关系有，水泵的输出功率P与转速n的三次方成正比，即：P=k 1 HQ （11） n=k 2 Q （12） H=k 3 Q2 （13） P=kn3 （14） 式中k 1 、k 2 、k 3 、k为比例常数。 当系统出水量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率也随转速的变小而减小。变频调速节能原理图如图1.1所示： 装订线 图1.1变频调速节能原理图 图中曲线1、2、3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速为n1时的运行特性曲线，曲线5为

27、水泵转速为n2时的运行特性曲线。 水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时的出水量为Q1，管网压力为H1，水泵的转速为n1.当系统的出水流量减小到Q2时，系统管网特性曲线1，曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。此时管网压力值为H2，水泵输出功率正比于H2Q2。由于H2H1，高出的压力能量就被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成伤害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。调速后观望的压力仍保持为H1，出水量为Q2，水泵的输出功率正比于H1Q2。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当Q2为Q1的80%时，通过调速将n2调至

28、n1的80%，则水泵的输出功率P为P的51.2%。如不采取调速控制，48.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。 1.5变频恒压供水的意义 新型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。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向高可靠性、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，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。