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1、恒压供水变频调速控制系统的设计 The Design of Frequency Control Constant Pressure Water Supply System 总 计 ： 毕业设计（论文）24页表 格 ： 4 个插 图 ： 10 幅恒压供水变频调速控制系统的设计恒压供水变频调速控制系统的设计摘 要 本系统介绍了自行设计的恒压供水系统，采用PLC进行逻辑控制，变频器进行压力调节。变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件时刻跟踪管内压力与给定压力的偏差变化，经变频器内部PID计算，通过可编程控制器控制系统变频与工频之间的切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压变量
2、供水，在保持恒压下达到控制流量的目的。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠，节能效果好，减少了水塔供水的二次污染与水泵的直接启动的冲击等特点。关键词 可编程序控制器；变频器；变频调速；恒压供水系统The Design of Frequency Control Constant Pressure Water Supply SystemElectrical Engineering and Automation Specialty CAI Shao-teng Abstract: This system introduces the self-designed constant pre
3、ssure water supply system that uses PLC logic control, frequency converter for pressure regulation. Inverter, PLC system control as the core component. Time tracking tube pressure and the pressure change in error given by the converter internal PID calculation, the programmable controller and freque
4、ncy inverter control system to switch between, automatic water pump into the station number and the motor speed, automatically adjusted to achieve closed-loop constant variable supply voltage, while maintaining constant pressure to control flow purposes. The result shows that the system is pressure
5、stable, simple, reliable, energy saving,reduce the secondary pollution of water towers and water pumps for the impact of the direct start and so on.Key words: Programmable logic controller；frequency converter； variable frequency speed regulation；constant pressure water supply目 录1 引言11.1 研究的目的和意义11.2
6、 国内外现状11.3 恒压供水变频调速控制系统的设计要求12 PLC、变频器及压力传感器简介22.1 S7-200 PLC简介22.1.1 S7-200系列微型PLC的组成及性能22.1.2 S7-200 PLC的扫描方式42.1.3 S7-200 PLC的优点及发展趋势52.2 MM430变频器简介52.2.1变频器的组成、原理52.2.2 我国变频调速技术的发展状况52.2.3 MM430 系列变频器简介：63 恒压供水变频调速系统设计的总体方案83.1设计方案83.2 工作原理83.3 PLC、变频器对水泵电机的控制过程84 恒压供水变频调速系统的设计硬件设计94.1 PLC、电机、变频
7、器及压力传感器的选型：94.2恒压供水变频调速控制系统主电路设计114.2变频器内部PID的外部接线图：124.3 PLC外部接线图、I/O分配表125 恒压供水变频调速系统软件设计135.1 恒压供水系统的节能原理135.2 传统供水系统的弊端145.3 与传统供水相比，变频调速系统的特点145.4系统程序的设计及调试14参考文献19附录：20致谢21221 引言1.1 研究的目的和意义恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基本恒定。恒压供水系统的控制策略是采用可编程控制器(PLC)和变频调速装置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
8、环控制在管网流量变化时能达到稳定供水压力和节约电能的目的。随着工业化进程的快速推进，节能、环保的理念得到了越来越广泛的重视，电机交流变频调速技术以其优异的调速和启动、制动性能，高效率、高功率因数，显著的节电效果，进而可以改善工艺流程，提高产品质量，改善工作环境，推动技术进步，以及广泛的适用范围等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统。随着变频调速技术的发展和人们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。1.2 国内外现状近几年，我国各方面正在飞速发展。工业、生活各方面
9、对供水的要求也在不断提高。工业方面，一些企业在生产过程中需要控制水的压力和水的流量，已达到产品的最优质量；而生活方面，各种小区对水的需求量都有所不同，同时，在不同的时间段对水的需求量也是不同的，这样对供水的要求就更高了。在这种情况下，我国对恒压供水系统的研究也就在不断加快，现已逐渐趋向成熟。针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。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，形成了带有各种应用宏的新型变频器。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，具有运转时间累积及智慧型异常履历机能，易于系统之维护管理，专门风
10、机水泵设计，可实现一带三台水泵自由转换，简易实用。1.3 恒压供水变频调速控制系统的设计要求 本恒压供水变频调速控制系统的设计要求是：供水系统在供水时，能够迅速准确的对压力变化做出反应，时刻跟踪管压的变化来调节电机的转速，从而达到水压24小时恒定的目的。系统在启动过程中，用到变频器，使得本恒压供水变频调速系统电机软启动，减少水泵电机的启动冲击，从而减少启动电流对电网产生的影响，同时还可以节约电能的损耗，达到节能的效果。2 PLC、变频器及压力传感器简介2.1 S7-200 PLC简介2.1.1 S7-200系列微型PLC的组成及性能S7-200 PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在
11、独立运动中，还是连成网络皆能完成各种控制任务。他的使用范围可以覆盖从代替继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221,CPU222,CPU224和CPU226四种基本型号。S7-200系列机具有体积小，功能较强，价格便宜，使用灵活、方便等优点，而且应用广泛。PLC代替了原来的交流接触器控制，通过PLC与交流接触器的优缺点比较可以发现PLC控制的种种优点。SIEMENS S7-200 CPU
12、单元CPU-224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或 35路模拟量I/O点，13K字节程序和数据存储空间。CPU22X系列PLC的特点：CPU22X主机的输入点为DC24V双向光耦输入电路，输出有继电器和DC（MOS型）两种类型（CPU21X系列输入点为DC24V单向光耦输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。并且，具有30kHz高速计数器，20kHz高速脉冲输出，RS-485通信/编程口，PPI、MPI通信协议和自由口通信能力。CPU222及以上CPU还具有PID控制和扩展的能力，内部
13、资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。CPU224主机共有I0.0I1.5等14个输入点和Q0.0Q1.1等10个输出点。CPU224输入电路采用了双向光电耦合器，DC24V极性可任意选择，系统设置1M为I0B输入端子的公共端，2M为I1B输入端子的公共端。在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。S7-200系列PLC的I/O接线端子排分为固定式和可拆分式两种结构。可拆分式端子排能在不变外部电路硬件接线的前提下，方便的拆装，为PLC的维护提供了便利。CPU22X系列PLC主机的基本I/O点数
14、及可扩展模块数目，如表1所示：CPU224 PLC有6个可用于高速计数脉冲的输入端（I0.0I0.5），最快的响应速度为30kHz，用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。还有2个高速脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20kHz。用于PTO(高速脉冲束)和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。中断信号允许以极快的速度对过程信号的上升沿做出响应。S7-200 CPU存储系统有RAM和EEPROM两种存储器构成，用以存储用户程序、CPU组态（配置）、程序数据等。当执行程序下载操作时，用户程序、CPU组态（配置）、程序数据等由编程器送入RAM存储器区，并自动复制到EEPROM区，永
15、久保存。系统掉电时，自动将RAM中M存储器的内容保存到EEPROM存储器。上电恢复时，用户程序及CPU组态（配置）自动存入RAM中，如果V和M存储区内容丢失时，EEPROM永久保存区的数据会复制到RAM中去。执行PLC的上载操作时，RAM区用户程序、CPU组态（配置）上装到个人计算机（PC），RAM和EEPROM中数据块合并后上装PC4。表1 基本I/O点数及扩展模块数目表型 号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I
16、/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM32、SM33）中的数值，以改变程序运行时的参数，如定时、计数器的预置值、过程量的控制参数等。 存储卡可以选择安装扩展卡。扩展卡有EEPROM存储卡、电池和时钟卡等模块。EEPROM存储模块，用以用户程序的复制。电池模块，用以长时间保存数据，使用CPU224内部存储电容数据存储时间达190h,而使用电池模块存储时间可达200天。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有极高
17、的性能/价格比，适用于小型控制系统。它采用超级电容保护内存数据，省去了锂电池，系统虽小却可以处理模拟量（12点模拟量输入/4点模拟量输出）。S7-200最多有4个中断控制的输入，输入响应时间小于0.2ms,每条二进制指令的处理时间仅为0.8s ，S7-200还有日期时间中断功能。S7-200可以提供两个独立的4kHz的脉冲输出，通过驱动单元可以实现步进电动机的位置控制。S7-200有两个高速计数器，最高计数频率可达20kHz。S7-200系列PLC还可以根据需求进行一定的扩展，其扩展单元的型号与输入输出点数，如表2所示。正因为S7-200有如此多的扩展模块，使得它在电气控制领域占得了一席之地，
18、使它被应用在很多工程中。表2 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM235312.1.2 S7-200 PLC的扫描方式 可编程控制器在进入RUN状态之后，采用循环扫描方式工作。从第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始的重复进行。可编程控制器工作时的扫描过程如图2所示，包括五个阶段；内部处理，通信处理。输入扫描，程序执行，输出处理
19、，PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫 描周期，扫描周期的长短与用户程序的长度和扫描速度有关.内部处理阶段，CPU检查内部各硬件是否正常，在RUN模式下，还要检查用户程序存储器是否正常，如果发生异常，则停机并显示报警信息。通信处理阶段，CPU自动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如与编程器交换信息，与微机通信等。在PLC中配置网络通信模块时， PLC与网络进行数据交换。当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，要完成用户程序的整个执行过程；输入扫描程序执行和输出处理10。 图 1 可编程控制器工作时的扫描过程 2.
20、1.3 S7-200 PLC的优点及发展趋势 S7-200系列PLC首先，实现成本低。由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。其次，范围广。电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。再次，其速率高。PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5M45Mbps之间。远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。第四，它永远在线 。PLC属于即插即用，不用烦琐的拨号过程，
21、接入电源就等于接入网络。第五，便捷。 不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受。PLC正在向高速度、大容量方向发展，西门子公司陆续推出了S7-300、S7-400等大容量的PLC,同时其规模正在向超大型、超小型两个方向发展。PLC还在大力开发智能模块，加强联网通信能力，增强外部故障的检测与处理能力，实现编程语言多样化10。2.2 MM430变频器简介2.2.1变频器的组成、原理变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交
22、直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。2.2.2 我国变频调速技术的发展状况电气传动作为一个重要行业，广泛运用于社会生产、生活的各个方面，一直得到国家的重视。电气传动中如何合理地使用电动机，以节约电能和控制机械的运行状态（位置、速度、加速度等），实现电能机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的，一直是人们关注的问题。电气传动最早分成不调速和调速两类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。随着电力电子技术的发展，不调速的电动机越来越多地改用调速传动；交流调速越来越多地替代直流调速；以节约电能
23、（可节约15%-20%或更多，在我国60%的发电量是通过电动机消耗的），改善产品质量，提高产量为主要设计思想。因此，电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速启动、制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式9。我国电气传动与变频调速技术的发展应用，如表3所列。我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。随着改革开放，经济高速发展，我国引进了很多最先进的产品。国内许多合资公司已能生产当今国际上最先进的变频调速产品并进行应用软件的开发，为国
24、内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。在变频调速领域，我国虽然取得了很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性仍较严重7。表3 我国电气传动与变频调速技术的发展简史带电机扩大机的发电机-电动机组传动20世纪50年代初期-70年代中期汞弧整流器供电的直流调速传动20世纪50年代后期-60年代后期磁放大器励磁的发电机-电动机机组传动20世纪50年代初期-70年代中期晶闸管变流器励磁的发电机-电动机机组传动20世纪60年代后期-70年代后期晶闸管变流器供电的直流调速传动20世纪70年代初期-现在饱和磁放大器供电的交流调速传动20世纪60年代初期-60年代后期静止串
25、级调速交流调速传动20世纪70年代中期-现在循环变流器供电的交流变频调速传动20世纪80年代后期-现在电压或电流型六脉冲逆变器供电的交流变频调速传动20世纪80年代初期-现在BJT（IGBT)PWM逆变器供电的交流变频调速传动20世纪90年代初期-现在2.2.3 MM430 系列变频器简介：电压：380-500V功率：1.5-315KW产品优点：风机和水泵(HVAC)节能型.采用MICROMASTER Eco变频器是最节省的方式，包括在购买、安装、调试和操作过程中节省的资金。它还可以确保一切事情都合乎环保的要求，即保护资源和限制能源消耗中的排放。 MICROMASTER 430变频器可以节省高
26、达60%的运行费用，无论是在泵工业，风机部门，还是在房屋建造中。它已经几乎在所有的应用中被优化。有内置PID 调节器，带RS232/485接口与PLC方便作USS通讯.产品描述:风机和泵类变转矩控制专家 -MicroMaster430是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专家。功率范围7.5kW至250kW。它按照专用要求设计，并使用内部功能互联（BiCo）技术，具有高度可靠性和灵活性。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、节能运行方式等。 MM430的一些特征与性能指标如下：主要特征： 380V-480V10%，三相，交流，7.5kW-250kW
27、； 风机和泵类变转矩负载专用； 牢固的EMC（电磁兼容性）设计； 控制信号的快速响应； 传动平稳，轻松无忧控制功能： 线性v/f控制，并带有增强电机动态响应和控制特性的磁通电流控制（FCC），多点 v/f控制； 内置PID控制器； 快速电流限制，防止运行中不应有的跳闸； 数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个； 具有15个固定频率，4个跳转频率，可编程； 采用BiCo技术，实现I/O端口自由连接； 集成RS485通讯接口，可选PROFIBUS-DP通讯模块； 灵活的斜坡函数发生器，可选平滑功能； 电机数据切换，命令数据切换； 风机和泵类专用功能： 多泵切换 手动/自动切
28、换 断带及缺水检测 保护功能： 过载能力为140额定负载电流，持续时间3秒和110额定负载电流，持续时间60秒过电压、欠电压保护； 变频器过温保护； 接地故障保护，短路保护； I2t电动机过热保护。 PTC/KTY电机保护11。 2.3压力传感器简介常用压力传感器有电容式压力传感器、变磁阻式压力传感器（变磁阻式传感器、差动变压器式压力传感器）、霍耳式压力传感器、光纤式压力传感器（见光纤传感器）、谐振式等。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件（见）或应变计（见电阻应变计、半导体应变计）转换
29、为与压力成一定关系的电信号2。3 恒压供水变频调速系统设计的总体方案3.1设计方案 本恒压供水系统，预计用三台功率22KW的电机带动水泵工作。 采用PLC、变频器配合控制的方式来控制三台电机的M1，M2，M3的启动，三台电机中，两台工作，一台备用，并能够经常切换备用机。防止水泵锈化，运行时，根据用水量的大小，来确定是一台水泵工作，还是两台水泵同时工作；工频运行还是变频运行。本设计中，将1#水泵与2#水泵设为供水工作泵，将3#水泵作为备用泵。3.2 工作原理本设计中设置有压力传感器，通过压力传感器从出水管处采集压力信号，经压力变送器转换为电信号，与给定进行比较，通过变频器自带PID调节器进行处理
30、，自动调节变频器输出的频率，控制电机的转速，从而控制出水量，达到恒压的目的。下面是恒压供水系统的自动控制结构原理图，如图2所示：图2 恒压供水系统自动控制结构原理图3.3 PLC、变频器对水泵电机的控制过程 PLC在本设计中只作为控制执行机构，当压力变送器传来的0-20mA的电流信号送入变频器自带PID调节器模块与PLC的模拟量输入模块，在PID中与给定的信号进行比较，PID调节器在其内部进行比例、积分、微分控制，将偏差量输出，由变频器来改变输出频率，从而改变电机的转速，实现压力的调节。PLC只是通过PID输出的信号来改变电机的切入与断电。4 恒压供水变频调速系统的设计硬件设计4.1 PLC、
31、电机、变频器及压力传感器的选型：PLC的选型：对于本设计中的控制部分是个很重要的环节，而其核心就是PLC，PLC在恒压供水变频调速系统中起着至关重要的作用，在本次设计中我选择了西门子的S7-200系列的PLC，由于用到的输入输出点数不是太多，我选用该型号CPU224的PLC，其输入输出点数适中，不会造成浪费，同时也可以达到本设计的要求，经济实用。电动机的选型：电动机的选择包括电动机的种类、功率、电压，形式和转速等。从种类选择上来讲。电子驱动系统主要有直流驱动控制系统和交流驱动控制系统。直流驱动控制系统以直流电动机为动力，交流驱动控制系统以交流电动机为动力。由于直流电动机具有良好的调速性能，一般
32、用于控制精度和要求比较高的设备。常用的交流电动机有异步电动机和同步电动机两类。异步交流电动机与直流电动机相比较，具有结构简单、价格便宜、运行可靠、坚固耐用、维修方便等特点。异步交流电动机与同步交流电动机相比较，结构简单、不需要选用转子固定的磁极，应用更为广泛。所以选择异步交流电动机水泵。本系统共需要3台水泵。其中两台为交换供水用泵，一台为备用。恒压供水系统中水泵电机的功率的选用，取决于供水场合及供水高度，通过水泵的扬程来选取水泵的电机的功率。一般情况下无法精确计算，但通过参考其他供水系统设计的情况，采用类比方法，本系统确定选用额定电压为380V，为了能够使水泵之间能够轮换运行供水，系统中选用3
33、台电机功率为22kW的水泵进行供水。额定功率相同的电动机，转速高、体积小、造价低，但如果输出转速要求较低，则减速机构将越复杂，成本也会上升。综合考虑供水系统的实际情况，选定电动机的额定转速为3000rmin。变频器的选型：变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速控制目的的技术。这种技术的出现使交流异步电动机的调速性能达到直流电动机的水平，逐步取代了其他交流电动机调速方式，乃至直流电动机调速系统，从而成为电气传动的中枢。变频器的选择包括变频器的容量、额定输出电流、负载的运行特性及其附件等。(1) 变频器容量的选择所需的变频器容量（kVA）需要同时满足下列三个计算式 （1）
34、 （2） （3）式中：为负载所要求的电动机的轴输出功率；为电动机的效率（通常约0.85）；cos为电动机的功率因数（通常约0.75）；为电动机的电压（V）；为电动机按工频电源时的电流（A）；k为电流波形的修正系数（PWM方式时取1.051.10）；为变频器的额定容量（kVA）；为变频器的额定电流（A）。(2) 变频器额定输出电流的选择通常，三相异步电动机直接用工频启动，启动电流为额定电流的57倍。直接启动时选取变频器的额定输出电流为 （4） 式中：为在额定电压、额定频率下电动机启动时的堵转电流（A）；为变频器的允许过载倍数；=1.31.5。由于水泵电机为泵类负载交流异步电动机，所以选用V/f比
35、控制方式的变频器。我选用的是西门子型号为MM430的变频器7。压力传感器的选型： 我选用的是PTP503压力传感器/变送器,它采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。其性能指标如下： 量 程: 01150(MPa) 综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV) 介质温度: -2085150 环境温度: 常温(-2085) 负载电阻: 电流输出型
36、：最大800；电压输出型：大于50K 绝缘电阻: 大于2000M (100VDC 密封等级: IP65 长期稳定性能: 0.1%FS/年 振动影响: 在机械振动频率20Hz1000Hz内，输出变化小于0.1%FS 电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母 机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5等，其它螺纹可依据客户要求设计2。4.2恒压供水变频调速控制系统主电路设计图3所示为恒压供水变频调速控制系统主电路图。三台电机分别为1#、2#、3#。接触KM2、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的变频运行；接触器KM1、KM4、KM6
37、分别控制1#、2#、3#的工频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。图3 恒压供水变频调速控制系统主电路接线图 系统操作：合上自动开关后，KM2得电，接触器闭合，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，KM2断开，KM1闭合，l#泵由变频切换为工频，同时，KM3得电，接触器闭合，2#泵变频运行，变频器逐渐上
38、升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行5。4.2变频器内部PID的外部接线图：图 4变频器内部PID的外部接线图 该PID模块为西门子变频器内置PID,它通过接收来自压力传感器的电信号，与给定量进行比较，来调节压力的增大与减小，从而实现压力的恒定。4.3 PLC外部接线图、I/O分配表图5 PLC外部接线图表4 I/O分配表I/O分配表编号输入地址编号输出地址I0.0启动按钮Q0.01#泵变频启动，YV1打开，1#变频指示灯亮I0.1变频器满频Q0.11#泵工频启动，YV1打开，1#工频指示灯亮I0.2压力低Q0.22#泵变
39、频启动，YV2打开，2#变频指示灯亮I0.3压力高Q0.32#泵工频启动，YV2打开，2#工频指示灯亮I0.4停止按钮Q0.41#泵故障指示灯I0.51#泵过热报警Q0.52#泵故障指示灯I0.62#泵过热报警5 恒压供水变频调速系统软件设计5.1 恒压供水系统的节能原理变频调速对水泵电机的节能原理水泵额定运行状态下的输出功率计算： N=7HQ=PQ （5）式中，Q为输出流量:m3s；P为泵的水压:MPa；H为泵的扬程:m；y为重要系数:Nm3。根据泵的相似律，当驱动转速改变时，输出流量(Q)、泵的水压(P)、扬程(H)分别与驱动转速的一次方、二次方和三次方成比例。QP运行特性及管阻特性曲线图
40、见图6：图6 QP运行特性及管阻特性曲线图6中所示为QP运行特性，其中曲线分别为额定转速和转速下降，曲线为流量为Q1条件下的等效管阻特性，而曲线则为Q2条件下的等效管阻特性。假设水泵电机由电网直接供电驱动，水泵运行于A(Q1，P1)点，此时泵的功率按式(4)为N1=Q1P1，对应于图中矩形面积AP1OQ1，若将水量减为Q2，工作点将由A滑向B，水压增为P2，功率1则可由面积BP2OQ2描述。如果水泵改为变频调速驱动，在小水量时降为低速，水泵可稳定运行于C点，功率2如面积CP10Q2所示，而水压则维持为P1，节约的能耗如阴影面积BP2P1C所示。5.2 传统供水系统的弊端传统供水系统中，水泵电机
41、都采用直接起动，对电机冲击大，能耗大，管道压力不能保持恒定，属于分级调压，水压太高，浪费能源，且易造成供水管网的爆管事故；水压太低不能满足生产和生活要求。水塔供水降低了供水的质量，同时增大了供水系统的建筑成本，使供水系统的经济实用性降低。5.3 与传统供水相比，变频调速系统的特点1）节电，这是变频恒压供水系统最显著的优点，节能量通常在10。40。2）卫生节水，根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水系统实行闭环供水后，取消了水塔、水池、气压罐等设施。避免了用水的“二次污染”。3）运行可靠，变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力
42、由变频器来实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管道破裂。4）控制灵活，可分段、定时供水。5）自我保护功能完善。6) 延长设备寿命，保护电网稳定。7) 占地少，投资回收期短，一般约为两年。5.4系统程序的设计及调试图7为本设计的程序设计流程图。由于本设计PLC的控制系统软件是采用梯形图这种编程语言来编制的，因此，必须采用专门的编程工具将用户程序写入PLC的用户程序存储器中，SETP 7-Micro/WIN就是专门为S7-200系列PLC配备的这种专用编程工具，它主要用于用户程序的编制和监控。 图7 程序流程图图8 SETP 7-Micro/WIN软件操作界面示意图对于S7-2
43、00模拟仿真软件的仿真步骤简单介绍如下：首先连接S7-200与编程设备的RS-232/PPI多主站电缆连接RS- 232/PPI多主站电缆的RS-232端口到通讯设备上，并且设置RS-232/PPI多主站电缆的DIP开关。然后点击桌面SETP 7-Micro/WIN图标，打开（如图8）的SETP 7-Micro/WIN设备，点击操作栏中的通讯对话图标，设置通讯参数并与S7-200PLC建立通讯连接13。再然后就开始编写程序，打开程序编辑器，通过工具栏中一些命令的快捷操作方式编辑输入恒压供水变频调速控制系统的操作程序并修改输入输出的点位选择。最后存储恒压供水变频调速控制系统的操作程序，并且将S7
44、-200的模式开关打到STOP的位置，将程序通过download下载入PLC中，再将S7-200的模式开关打到RUN的位置即模拟仿真。图9 S7-200仿真模拟软件界面由于条件有限本程序只采用了仿真软件（如图9）进行模拟仿真12。在本设计中,我设置了三台水泵作为供水用泵，其中任何一台都可以作为备用泵，程序设计中，我只人任选了两台进行轮换工作。下面是我本次设计的程序1：本恒压供水变频调速控制系统设置有手动与自动两种供水方式。图10所示为恒压供水变频调速控制系统的控制电路图。调试系统时需分别调试。首先，将图中转换开关SA，转换到图中1的位置，开始手动调试。按下按钮SB3，KM2线圈得电自锁，观察1
45、#水泵是否正常运行，正常运行后，按下常闭按钮SB4,观察水泵是否正常停止。同样按照上述步骤调试2#泵与3#泵是否可以正常运行与停止了，如果都没有问题，则手动调试成功。手动调试通过后，将PLC接入系统，将编好的程序载入PLC，对PLC自动控制系统进行调试。闭合启动按钮SB1,接触器KM2得电，水泵1投入运行，当水泵1不足以提供供水压力时，KM1得电吸合，同时KM2互锁断电，泵1转为工频运行，泵2投入运行，当压力过大时，泵1自动切除，泵2变频运行。泵1与泵2之间轮换运行。通过对系统的模拟调试达到了本设计的要求，实现了无人值守自动控制的效果3。图10 恒压供水变频调速控制系统控制电路图结束语 随着现代生产生活水平的不断提高，自动化的发展也达到了
