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青岛市维修电工
技师论文
题目：基于欧姆龙PLC的变频
器恒压供水
姓 名： 单 位： 指导老师： 日期：
摘 要
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随着经济的飞速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺。本论文结合我国水资源与电能资源短缺和中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频恒压供水控制系统。
变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。本系统采用了PLC的控制方式，完成了系统数据采集和通信、水泵机组的变频控制、系统监控管理等功能模块的设计，实现了变频恒压供水自动控制。系统采用一台变频器控制四台电动机的控制方式，四台电动机采用循环运行的方式。
本文基于德国SIMENS公司的S7-200 PLC完成了恒压供水控制系统PID控制器的设计。PID控制器根据压力给定值与测量值的偏差，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。
现场调试和运行结果表明，该系统能够对供水过程实现自动控制，控制效果良好，并能够有效地降低能耗，达到了节水节电的目的，同时能够保证供水系统维持在最佳状况，提高了生产管理水平，实现了节能能耗的目标。
关键词：恒压供水系统，可编程序控制器，变频调速，PID
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目 录
第一章 绪 论 .................................................................................................. 1
1.1选题的背景及意义 .............................................................................. 1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ............................................. 1 1.3 变频恒压供水系统原理概述 ............................................................. 2 1.4 本文研究的内容 ................................................................................. 3 第二章 变频恒压供水系统理论分析和方案论证 ........................................ 4
2.1 变频恒压供水系统理论分析 ............................................................. 4
2.1.1 变频恒压供水系统节能原理 .................................................. 4 2.1.2 变频恒压控制系统的数学模型及分析 .................................. 6 2.2 变频恒压供水系统控制流程 ............................................................. 7
2.2.1 水泵机组变频恒压流程 .......................................................... 7 2.2.2 供水系统中水泵切换条件分析 .............................................. 11 2.3 变频恒压供水系统控制系统组成 ..................................................... 14 第三章 硬件系统设计 .................................................................................. 15
3.1 主机的选择及模块扩展 ..................................................................... 15
3.1.1 主机的选择 .............................................................................. 15 3.1.2 模块扩展的选型 ...................................................................... 17 3.2 变频器的原理与选择 ......................................................................... 18
3.2.1 变频器工作原理 ...................................................................... 18 3.2.2 变频器的选择 .......................................................................... 19 3.3 变送器及执行机构的选择 ................................................................. 20 3.4 主电路设计 ......................................................................................... 21 3.5 系统保护电路设计 ............................................................................. 22 第四章 软件系统设计 .................................................................................... 23
4.1 模块程序设计 ..................................................................................... 23 4.2 PID控制及其控制算法 ....................................................................... 24 4.3 恒压供水PID调节过程分析 ............................................................. 26 4.4 采样周期和控制周期的选择 ............................................................. 27 第五章 全文总结 ............................................................................................ 28 致 谢 .............................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 .......................................................................................................... 29 附录一 程序清单 ............................................................................................ 30 附录二 变频恒压供水系统总电路图 ............................................................ 41
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第1章 第一章 绪 论
1.1选题的背景及意义
变频恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，变频恒压供水系统可根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内，变频恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水系统实现了水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
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、起制动控制、压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。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器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”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，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7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，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。国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管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
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（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。结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。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研究得不够。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。
1.3 变频恒压供水系统原理概述
变频恒压供水系统原理如图1-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
图1-1 恒压供水系统原理图
同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控
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