毕业设计（论文）恒压供水控制系统设计

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1、太原科技大学毕业设计（论文）目 录摘要IIIAbstractIV第1章 工艺描述11.1前景11.2 国内外研究概况11.3 总体策略和知识点21.4 恒压供水工艺图31.5 工艺描述总结3第2章 变频调速恒压供水系统简介42.1 水泵供水的主要参数42.1.1 流量42.1.2 扬程42.1.3 全扬程42.1.4 实际扬程42.1.5 损失扬程42.1.6 管阻42.2供水系统的基本特性42.3水泵调速运行的节能原理52.4 变频恒压供水系统特点72.5 变频恒压供水控制方式的选择72.6 变频构成恒压供水系统的构成及工作原理82.6.1系统的构成82.6.2工作原理102.7变频调速原理

2、10第3章 硬件选型及介绍113.1 PLC简介113.1.1 PLC的特点123.1.2 PLC的工作过程123.2 S7-200简介133.3 EM235简介163.4调节阀173.5 液位计183.6 电机水泵183.7变频器193.7.1 变频器的型式选择193.7.2 变频器容量选择203.7.3 变频器箱体结构的选用213.8 电磁阀233.9 逆止阀233.10 远传压力表233.11原件表243.12恒压供水配电电路图253.13 系统电气控制主电路图25第4章 数字PID及系统编程274.1 PID调节原理274.2 PID参数设置284.3 PID设定值的调整294.4 S

3、TEP7-Micro/Win32简介294.5 系统程序314.5.1 主程序314.5.2 初始化程序314.5.3 控制程序334.5.4 自动程序344.5.5 手动程序35第5章 总结38参考文献39致 谢40恒压供水控制系统设计摘要本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水，对系统的硬件设计进行了详细的介绍，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。恒压供水系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，完成供水压力的恒定控制，使管网流量变化达到稳定供水压力的目的。系统设定的给

4、水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入PLC运算处理后，发出控制指令，控制电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。关键字：变频调速；恒压供水；PLCConstant pressure water supply systemAbstractThis paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply and proposes several control methods. By careful study and comparison, PLC and

5、inverters method fits water supply system very well. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data and detailed introduction of its software and hardware. In this paper, Water Supply System of the basic control strategy is: The motor drive devi

6、ce and the programmable logic controller (PLC) control system constitute a complete water pressure constant control to achieve stable flow change pipe water pressure purposes. Water supply system set pressure, and the feedback of the mains pressure to compare the actual value, the difference between

7、 the input transducer operation processing, the issue control instructions to control the motor speed, so as to achieve stable water supply mains pressure to the pressure value on the set.Key word: Speed-frequency variable，Constant pressure water supply，PLCIV太原科技大学毕业设计（论文）第1章 工艺描述1.1前景随着社会经济的迅速发展，水对

8、人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。1.2 国内外研究概况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。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，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。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采用一台变频器只带一台水泵

9、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。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，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，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能

10、，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多

11、方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络

12、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。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件，实际上给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。变频调速是优于

13、以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。1.3 总体策略和知识点恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行对水泵电机的调速运行，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力的目的。系统设定的给水压力与反馈的总管压

14、力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的转速，从而达到压力稳定在设定的压力值上。本设计中自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器。因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警等功能，所以在一些高标准控制系统中被广泛使用。在市政供水管网中：自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。随着城

15、市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统变量供水方式已显现出极大的优越性。本设计主要用到以下硬件：调节阀、投入式液位计、浮球式液位计、电机水泵、电磁阀、逆止阀、远程压力表等。主要涉及的知识点有：S7-200PLC的模拟模块EM235， CPU226编程软件，PID数字化算法，调节阀，电磁阀，压力变送器，等。1.4 恒压供水工艺图图1.1 恒压供水工艺图上图中（1）为调节阀、（2）为投入式液位计、（3）为浮球式液位计、（4）为电

16、机水泵、（5）为电磁阀、（6）为逆止阀、（7）为远程压力表。1.5 工艺描述总结变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业

17、效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。第2章 变频调速恒压供水系统简介2.1 水泵供水的主要参数2.1.1 流量流量是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s、m3/min、m3/h等.供水系统的基本任务是满足用户的流量需求。2.1.2 扬程扬程是单位质量的水被上扬时所获得的能量，符号是H，常用单位是m。扬程主要包括三个方面：第一是提高水位所需的能量；第二是克服水在管网中流动时所需的能量；第三是使水流具有一定流速所需的能量。由于在同一管路中，上述的第二和第三是基本不变的，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此，在同一管

18、路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量(即水位差)代表扬程。2.1.3 全扬程全扬程也称为总扬程或水泵扬程，全扬程是说明水泵的泵水能力的物理量。包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，符号是HT。2.1.4 实际扬程实际扬程即通过水泵提高的水位所需的能量，符号是HA 。2.1.5 损失扬程全扬程与实际扬程之差，即损失扬程，符号是HL，HT 、HA和HL之间的关系是: HT = HA + HL （2-1）2.1.6 管阻管阻是管道系统包括水管、阀门等对水流阻力的物理量，符号是R。通常用扬程与流量间的关系曲线来描

19、述。2.2供水系统的基本特性供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f (Q)，如图2.1所示。由图2.1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系。而管阻特性是以水泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开

20、度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qg之间的关系H=f(Qg)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qg处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图2.1 供水系统的基本特性曲线2.3水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制对象，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度的大小来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻特性将随阀门

21、开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。图2.2为管网及水泵的特性曲线。图2.2水泵的H-Q特性曲线当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须

22、关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从3移到1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为(0，Q2，F，H1)围成矩形部分，其值为：PF =H1* *Q2/102 （2-2）当用调速控制时，若采用恒压(H0)、变速泵(n2)供水，管阻特性曲线为2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为(0, Q2，D，H0)围成的矩形面积，其值为:PD =H0* *Q2/102 （2-3）可见改用调速控制，节能量为(H0,D，F，H1)围成的矩形面积，其值为:P = PF - PD = (H1- H0)Q2/10

23、2 （2-4）所以，当用阀门控制流量时，有功率P功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H，功率P与转速N之间关系为: Q2/Q1=N2/N1；H2/H1=（N2/N1）2；P2/P1=（N2/N1）3 （2-5）式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。由公式(2-5)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节

24、能效果显著。2.4 变频恒压供水系统特点变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存

25、在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯

26、接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.5 变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：1、逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵软启动、全流量变频调节。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。2、单片微机电路控制方式这类控制

27、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太好。3、带PID回路调节器或可编程序控制器(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，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给

28、变频器一个转速调节信号。考虑以上三种方案后，此次设计采用第三种方案。2.6 变频构成恒压供水系统的构成及工作原理2.6.1系统的构成图2.3 系统原理图如图2.3所示，整个系统由一台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力变送器及若干辅助部件构成。水泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用；变频供水系统中检测管路压力采用压力变送器(反馈420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、以及报警装置等部分组成。(1)执行机构执行机构是由水泵组成，它用于将水

29、供入用户管网，水泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信

30、息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成手/自动切换。 (4)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。(5)报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组

31、成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。2.6.2工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通QS1，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号控制水泵的转速以保证水压保持在压力设

32、定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。2.7变频调速原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为:S=1-(n/n1) （2-6）异步电机的同步速度为:n1=60f/p （2-7）异步电机的转速为:n= 60f(1-S)/p （2-8）其中：n1为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；f是异步电

33、机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当电机电极对数p不变时，电机转子转速、与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速，都可以保持有限的转差率，因而变频调速只有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。变频调速可用普通的异步电机，异步电机结构简单、维护方便、坚固耐用、经济可靠，适应各种恶劣的环境。特别是近年来出现的高性能、高精度的变频器，变频调速完全可以达到直流调速一样的性能。从设备投资来看，变频调速系统与同容量的直流调速系统

34、可节省投入的20%左右。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用十对水泵(风机)电机的调速。第3章 硬件选型及介绍3.1 PLC简介可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、

35、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。图3.1 PLC的硬件结构框图可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在

36、的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC，但是为了和个人计算机(Persona1 Computer)的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合

37、使用，实现完整的控制功能。3.1.1 PLC的特点现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：1）编程方法简单易学2）功能强，性能价格比高3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强5）系统的设计、安装、调试工作量少6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低3.1.2 PLC的工作过程图3.2 PLC的扫描

38、工作过程PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。3.2 S7-200简介S7-200 是一种小型的可编程序控

39、制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作;实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械

40、，中央空调，电梯控制，运动系统。 CPU单元选择：CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 本设计中使用了CPU226，下面简单介绍一下CPU226： CPU 226有24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连

41、接7个扩展模块，最大扩展至248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。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出， 2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。下图为CPU226的I/O图：图3.3 CPU226接线图表3.1 本设计中的PLC I/O 分配表地址编码名称I0.0自动启动I0.1自动停止I0.2复位I0.

42、3自动/手动I0.4电磁阀打开I0.5电磁阀关闭I0.6手动启动I0.7手动停止I1.0电磁阀开到位I1.1电磁阀关到位I1.2液位低信号I1.3液位高信号I1.5回路接触器KM1I1.6回路接触器KM2I2.1变频器运行信号I2.2变频器故障信号I2.3变频器频率信号Q0.0水泵运行Q0.1电磁阀打开Q0.2电磁阀关闭Q0.4液位低故障报警Q0.5液位高故障报警Q0.6变频器故障报警Q0.7压力低故障报警Q1.0压力高故障报警Q1.1变频器启动Q1.2工频/变频切换3.3 EM235简介 工业控制中，有些由传感器送来的输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，一些执行机构（如晶闸管调速装

43、置、电动调节阀和变频器等）要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量，这就需要有AD及DA转换单元。S7-200有三种模拟量扩展模块，及EM231、EM232、EM235，我们使用的是EM235。EM235模块有四路输入一路输出，是组合强功率精密线性电流互感器、意法半导体（ST）单片集成变送器ASIC芯片于一体的新一代交流电流隔离变送器模块，它可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC420mA（通过250电阻转换DC 15V或通过500电阻 转换DC210V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。EM235模块采用印制板直插安装型结构

44、,便于空间紧奏的机箱布局与安装，原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源24V与输出信号线DC420mA共用，具有精度高，体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。为了方便的将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传输给PLC,经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了EM235模拟量扩展模块。该模块有4个模拟输入（AIW），1个模拟输出（AQW）信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，

45、一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。图3.4 EM235接线系统中PLC的选型包括一个CPU226主模块，一个EM235模拟量扩展模块。如此PLC总共有24个数字信号输入，16个数字信号输出,以及4个模拟输入信号，1个模拟输出信号。输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求。图3.5 系统CPU模块3.4调节阀调节阀是用来调节水流量的。调节阀有电动、液动、气动三种，在这里使用电动调节阀。电动调节阀用于调节介质的流量。通过接收工业自动化控制系统的信号（如：420mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小

46、控制管道介质的流量,实现自动化调节功能。工作电源为AC22V 380V等电压等级。流通能力Cv是选择调节阀的主要参数之一，调节阀的流通能力的定义为：当调节阀全开时，阀两端压差为0.1MPa，流体密度为1g/cm3时，每小时流径调节阀的流量数，称为流通能力，也称流量系数，以Cv表示，单位为t/h，液体的Cv值按下式计算。根据流通能力Cv值大小查表，就可以确定调节阀的公称通径DN。调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间关系。调节阀的流量特性有线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。三种注量特性的意义如下：（1）等百分比特性（对数）等百分比特性的相对

47、行程和相对流量不成直线关系，在行程的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的。所以它的优点是流量小时，流量变化小，流量大时，则流量变化大，也就是在不同开度上，具有相同的调节精度。(2) 线性特性（线性）线性特性的相对行程和相对流量成直线关系。单位行程的变化所引起的流量变化是不变的。流量大时，流量相对值变化小，流量小时，则流量相对值变化大。（3）抛物线特性流量按行程的二方成比例变化，大体具有线性和等百分比特性的中间特性。从上述三种特性的分析可以看出，就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳定，调节性能好。而抛物线特性又比线性特性的调节性能好，可根

48、据使用场合的要求不同，挑选其中任何一种流量特性。在设计中采用等百分比特性，通过用户对水的需求量来控制电动调节阀打开大程度，打开的百分比越大自来水流量的越多。3.5 液位计液位计是测量地下蓄水池液位的，为了安全、可靠,设计要采用投入式和浮球式两个液位计。投入式液位计是一种测量液位的压力传感器。是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA05VDC）。浮球式液位指示计是利用浮力来测量液位的。浮球内磁铁随液位变化，来改变连杆内的电阻与磁簧开关所组成的分压电路，

49、分压信号可经过转换器变成420mA或其它不同之标准信号。磁簧开关的间隙愈小，精度愈高。指示计可配合其它表头作远距离指示，是一种原理简单，可靠性极佳的液位指示计。 3.6 电机水泵电机水泵调速方式有调压调速、变级调速、串级调速、变频调速等等，在设计中选用变频调速。在供水中用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量，因此通过变频调节电机转速来实现恒压供水时非常必要的。电机根

50、据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到恒压供水的目的。工作水泵型号的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:1、水泵扬程应大于实际供水高度；2、水泵流量总和应大于实际最大供水量；3、水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；4、水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价；5、水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；6、安

51、装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。在此水泵选用山东淄博博山大通水泵有限公司生产的型号为500LX5的离心式清水泵，扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW；电机型号为Y132S-4，容量为5.5KW,额定电压为380V,额定电流为11.6A，转速为1450r/min。3.7变频器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

52、电能控制装置，其电路由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式。先通过整流将工频50Hz的交流电变为直流电，然后再将直流电逆变成为所需要频率的交流电。在工业控制领域，变频调速普遍适用于各种调速系统中，为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和控制的特性，系统中由PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。3.7.1 变频器的型式选择根据控制功能可将通用变频器分为

53、三种类:普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数:（1）电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；（2）转矩特性。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；（3）电磁兼容性。为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防

54、护电缆。变频器的选型应满足以下条件:（1）电压等级与驱动电动机相符；（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍；（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式；3.7.2 变频器容量选择变频器的容量可从三个角度表述:额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同

55、，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对

56、于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。3.7.3 变频器箱体结构的选用变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用:（1）敞开型IP00。本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但

57、环境条件要求较高；（2）封闭IP20。适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合；（3）密闭型IP65。适用环境条件差，有水，尘及一定腐蚀气体的场合。根据以上理论，选用三菱FR-A540系列变频器。该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.560Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。应用三菱FR-A540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力

58、强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代了水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：图3.6 FR-A540的管脚说明3.8 电磁阀电磁阀的作用是控制水的回流。当电磁阀通电时电磁阀阀门开启，在一般情况下电机停转时电磁阀才会打开，断电时电磁阀阀门关闭，在正常工作时电磁阀是关闭的。3.9 逆止阀逆止阀的作用是防止水在管道中倒流。水泵的出口要安装逆止阀，这样在停泵时，管路中的水才不会倒流。3.10 远传压力表压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成15V或420mA的模拟量信号，作为模拟输入模

59、块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。在运行过程中，为了防止压力传感器和压力变送器出现故障，使水管中的水压上升，出现爆管和超高水压损坏家中的用水设备(热水器、抽水马桶等)现象，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。 本系统采用杭州市富阳仪川仪表有限公司生产的YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一个滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实

60、现集中检测和远距离控制。此外，YTT-150型差动远传压力表既可对所测压力作现场指示又能转换为010mADC或420mADC的标准电流信号输出，便于现场检测。本仪表由一个弹簧压力表和一个电位器式发送器组成。仪表机械部分的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电位器设置在齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮产生偏转时，固定在扇形齿轮轴上的电刷也相应地在滑线电阻上滑行，从而使被测压力的变化转换为电阻值的变化，传至二次仪表上，指示出相应的压力值，同时现场仪表也指示相应的压力值。电位器的技术数据：1、精确度等级：1.5 2、发送器起始电阻值：320 3、发送器满度电阻值：340400 4、发送

61、器接线端外加电压不大于6V 5、使用环境条件：-4060，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉 6、温度影响：使用温度偏离205时，其温度附加误差不大于0.4%/107、重量：1.2kg3.11原件表热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流58A。熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C，功率3Kw。按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY311型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。表3.2元件表总图元件型号个数可编程控制器CPU226+EM2351变频器FR-A540系列5.5型1接触器SC-E03-C2水泵40-160(I)A1调节阀ZDLP-16CKGB1投入式液位计YH8711浮球式液位计CFY系列1电磁阀ZBSF-Y系列1逆止阀H11H1刀闸开关HD11-100/181熔断器RT18 6A1热继电器TK-E02T-C1按钮LAY3118表3.3水泵的参数水泵符号型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)MY132S-412.66114505