变频器与PLC技术在恒压供水系统中的应用要点.docx
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变频器与PLC技术在恒压供水系统中的应用要点
毕业设计（论文）任务书
系部：
电气工程系
专业：
自动化技术
姓名:
学号:
题目：
变频器与PLC技术在恒压供水系统中的应用
起迄日期:
设计（论文）地点:
指导教师:
专业负责人：
发任务书日期:
年10月10日
毕业设计（论文）任务书
1．本毕业设计（论文）课题应达到的目的：
市网来水用高低水位控制器来控制注水阀它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
日常用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有水灾发生时，电磁阀得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
2．本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
内容：
水泵电机是输出环节，转速由变频器控制实现边流量恒压控制。
变频器接受控制器的信号对水泵进行速度控制，控制器综合给定信号与反馈信号后，向变频器输出运转频率指令。
压力传感检测管网出水压力，并将其转为控制器可接受的模拟信号进行调节。
要求：
（1）生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；
（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h,则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；
（4）三台泵在启动时要有软启动功能；
（5）要有完善的报警功能；
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
毕业设计（论文）任务书
3．对本毕业设计（论文）课题成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：
用变频技术及PLC技术来实现恒压供水。
图表清晰易懂、事物连接端口可以从图表上看清。
硬件需要实现兼容。
4．主要参考文献：
1、《工厂电器控制技术》李振安华中科技大学出版社1999年4月
2、《三菱变频器用户指南》赵明重庆大学出版社2004年6月
3、《可编程控制器实用技术》张万忠北京航空航天大学出版社1992年4月
4、《PLC在供求系统中的应用》李俊秀西安电子科技大学出版社2004年9月
毕业设计（论文）任务书
5．本毕业设计（论文）课题工作进度计划：
起迄日期
工作内容
查阅资料、理论设计、设计结构框架
软硬件设计
程序调试、完善
设计报告撰写、修改、成文
毕业答辩
所在专业教研室审查意见：
负责人：
年月日
系部意见：
系部领导：
年月日
摘要
该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。
以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。
在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
智能水压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，进行优化控制,完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
关键词:
PLC、压力传感器、变频器PID运算、PLC控制、恒压供水、软启动。
Abstract
Begraduationpractice'sturntohavefilleduppressuretypewatersupplyequipmentworktoenvironmentalprotection,energyconservation,automationintroducethat.IntroducedtheintelligenthydraulicpressurecontrolsystemprincipleofworkandthePLCcontrolsystem.Inintheanalysishydraulicpressurecontrolworkflowfoundation,hasproducedthePLCcontrolsystemhardwareandthesoftwaredesign.Theintelligenthydraulicpressurecontrolsystembasiccontrolstrategyis:
Usestheelectricmotorspeederandtheprogrammablecontroller（PLC）constitutesthecontrolsystem,carriesontheoptimizedcontrol,Completesthewatersupplypressuretheconstantcontrol,whenpipenetworkcurrentcapacitychangeachievedthestablewatersupplypressureandsavestheelectricalenergythegoal.Thesystemcontrolgoalisthepumpingstationmainpipewaterleakagepressure,thesystemhypothesiscarriesonthecomparisonforthehydraulicpressurevalueandthefeedbackmainpipepressureactualvalue,afteritsinterpolationinputsCPUoperationprocessing,sendsoutthecontrolcommand,thecontrolpumpstheelectricmotortothrowtransportstheTaiwannumberandthemovementvariabledisplacementpumpelectricmotorrotationalspeed,thusachievedstabilizesforthe
watermainpipepressureinhypothesisPressure.
Keyword:
PLC、Pressuresensor、FrequencytransformerPIDarithmetic、PLCcontrolled、Theconstantvoltagesupplieswater、Softstart．
目录
1引言…………………………………………………………………………4
2可编程控制器（PLC）
2.1可编程控制器的基础知识………………………………………………5
2.2选用PLC系统的依据……………………………………………………7
2.3本系统PLC的选型………………………………………………………8
2.4节省PLC输入输出点数的方法…………………………………………9
2.5可编程控制器的调试步骤……………………………………………12
3系统总方案设计
3.1双恒压供水系统的主体结构……………………………………………13
3.2系统工作原理……………………………………………………………13
3.3系统硬件设计及控制系统软件设计方法………………………………13
3.4系统要实现的功能及其控制要求………………………………………14
4系统设计
4.1分析评估………………………………………………………………16
4.2电气控制系统原理图……………………………………………………16
5双恒压供水系统PLC控制
5.1控制系统的I／O点及地址分配………………………………………20
5.2系统调试…………………………………………………………………21
5.3系统程序设计……………………………………………………………21
结束语…………………………………………………………………………27
致谢……………………………………………………………………………28
参考文献书目…………………………………………………………………29
1引言
随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。
于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。
双恒压供水系统在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
供水网网系出口压力值是根据用户需求确定的。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水池、气压罐等设施来实现。
随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
该技术已在供水行业普及。
我们的设计采用一台变频器和PLC来控制两台水泵的“单双、双单”切换运行，实现双恒压供水的稳定。
2可编程控制器（PLC）
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）,简称PLC。
它是20世纪70年代以来以微机处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。
由于它具有功能强、可靠性高、配制灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，被广泛应用于自动化控制的各个领域。
2．1可编程控制器的基础知识
1.PLC的起源
PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。
自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。
上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。
随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。
目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。
但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。
PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：
高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。
它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。
PLC的下端（输入端）为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。
人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。
2． 特点
可编程控制器之所以能够得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点：
（1）可靠性高、抗干扰能力强
（2）编程简单、易于掌握
（3）功能完善、灵活方便
（4）体积小、质量轻、功耗低
3． 分类
通常，PLC产品可按结构形式、控制规模等进行分类。
（1）按结构形式分类按结构形式不同，可以分为整体式和模块式两类.整体式的PLC是将电源、CPU、存储器、输入/输出单元等各个功能部件集成在一个机壳里，从而具有结构紧凑、体积小、价格低等优点，许多小型PLC多采用这种结构。
（2）按控制规模分类按控制规模大小，可以分为小型、中型和大型PLC三种类型。
1） 小型PLC。
小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量在2k步以内，其中输入输出点数小于64点的PLC又称超小型，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能。
2） 中型PLC。
中型PLC的开关量I/O点数通常在256—2048点之间，用户程序存储器的容量为2—8k步，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节等功能。
3）大型PLC。
又称高档PLC，I/O点数在2048点以上，用户程序存储器的容量为8k步以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，除具有中型机的功能外，和具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、纪录、打印等功能。
4. PLC的功能
1）数据采集与输出。
2）控制功能。
包括顺序控制、逻辑控制、定时、计数等。
3）数据处理功能。
包括基本数学运算、比较、对字节的运算、PID运算、滤波等。
4）输入/输出接口调理功能。
具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成
对模拟量的控制和调节，具有温度、运动等测量接口。
5）通信、联网功能。
现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成"集中管理、分散控制"的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
6）支持人机界面功能。
提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。
允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整，实现工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
7）编程、调试等，并且大部分支持在线编程。
5． 组成
PLC是以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其硬件结构与微型计算机控制系统相似，也有硬件和软件两大部分组成，在此不作详细说明。
2．2选用PLC控制系统的依据
随着PLC技术的不断发展，PLC的应用范围日益广泛，使得当今的电器工程技术人员在设计电气控制系统时，会有更多的机会考虑选用PLC控制。
在传统的计算器——接触器控制系统和PLC控制系统、微机控制系统这三种控制方式中究竟选取哪一种更合适，这需要从技术上的适用性、经济上的合理性进行各方面的比较论证。
这里提供以下几点依据，以供在考虑是否选用PLC控制时参考：
1） 输入、输出量以开关量为主，也可有少量模拟量。
2） I/O点数较多，这是一个相对的概念。
在20世纪70年代，人们普遍认为I/O点数在70点以上选用PLC才合算；到了80年代，降为40点左右；现在，随着PLC性能价格比的不断提高，当总点数达10点以上就可以考虑选用PLC了。
3） 控制对象工艺流程比较复杂，逻辑设计部分用继电器控制难度较大。
4） 有较大的工艺变化或控制系统扩大的可能性。
5） 现场处于工业环境，而又要求控制系统具有较高的可靠性。
6） 系统的调试比较方便，能在现场进行。
7）现场人员有条件掌握PLC技术。
2.3本系统PLC的选型
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。
一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。
对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I／0点找出来，包括开关量I／O和模拟量I／O以及这些I／O点的性质。
I／O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24v的负载只能使用其他组的输出端了。
这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
知道这些以后，就可以定下选用多少点和I／O是什么类型的PLC了。
对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
①功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
②价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I／O点数相当的PLC的价格能相差40％以上。
在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因素。
PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。
如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。
从上节分析可以知道，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点一个、模拟量输出点1个。
如果选用CP[J224PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大。
参照西门子S7—200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入／6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI／1AO）。
这样的配置是最经济的。
整个PLC系统的配置如图1所示。
图1PLC系统组成
2．4节省PLC输入输出点数的方法
PLC在实际应用中经常会碰到两个问题：
一是PLC的输入输出点数不够，需要扩展，然而PLC的每个输入输出点平均价格在数十元以上，增加扩展单元将提高成本；二是选定的PLC可扩展的输入或输出点数有限，无法再增加。
因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的问题。
1、减少输入点数的方法
从表面上看，PLC的输入点数是按系统的输入设备或输入信号的数量来确定。
但实际应用中，经常通过以下方法，可达到减少PLC输入点数的目的。
①.分时分组输入一般控制系统都存在多种工作方式，但各种工作方式又不可能同时运行。
所以可将这几种工作方式分别使用的输入信号分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号。
因此，各组输入可共用PLC的输入点，这样就使所需的PLC输入点数减少。
如图2所示，系统有“自动”和“手动”两种工作方式。
将这两种工作方式分别使用的输入信号分成两组：
“自动输入信号Sl一S8”、“手动”输入信号Ql一Q8。
两组输人信号共用PLC输入点X000一X007（如Sl与Ql共用PLC输入点X000）。
用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号输入电路，并通过X000让PLC识别是“自动”信号，还是“手动”信号，从而执行自动程序或手动程序。
图中的二极管是为了防止出现寄生电路，产生错误输入信号而设置的。
假设图中没有这些二极管，当系统处于“自动”状态，若Ql、Q2、Sl闭合，S2断开，这时电流从L＋端子流出，经Sl、Ql、Q2形成寄生回路流入X001端子，使输入继电器X001错误地接通。
因此，必须串入二极管切断寄生回路，避免错误输入信号的产生。
②．输入触点的合并将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。
图2分时分组输入图图3输入触点合并
如果是常闭触点则串联输入；如果是常开触点则并联输入。
这样就只占用PLC的一个输入点。
一些保护电路和报警电路就常常采用这种输入方法。
例如某负载可在多处起动和停止，可以将三个起动信号并联，将三个停止信号串联，分别送给PLC的两个输入点，如图3所示。
与每一个起动信号和停止信号占用一个输入点的方法相比，不仅节省了输入点，还简化了梯形图电路。
③．将信号设置在PLC之外系统中的某些输入信号功能简单、涉及面很窄下如手动操作按钮、电动机过载保护的热继电器触点等，有时就没有必要作为PLC输入，将它们放在外部电路中同样可以满足要求。
如果外部硬件连锁电路过于复杂，则应考虑仍将有关信号送入PLC中，用梯形图实现连锁。
如图4石所示。
2、减少输出点数的方法
①矩阵输出图5中采用8个输出组成4*4矩阵，可接16个输出设备。
要使某个负载接通工作，只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可。
要使负载KM1得电，必须控制Y000和Y004输出接通。
因此，在程序中要使某一负载工作均要使其对应的行与列输出继电器都要接通。
这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的负载。
应该特别注意：
当只有某一行对应的输出继电器接通，各列对应的输出继电器才可任意接通；或者当只有某一列对应的输出继电器接通，各行对应的输出继电器才可任意接通的。
否则将会出现错误接通负载。
因此，采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。
图4输入信号设在PLC外部图5矩阵输出
②分组输出当两组负载不会同时工作，可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，这样PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载。
当两组负载不会同时工可通过作，外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，这样PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载。
如图6所示。
KM1、KM3、KMS,KMZ、KM4、KM6这两个组不会同时接通，可用外部转换开关SA进行切换。
③并联输出
当两个通断状态完全相同的负载，可并联后共用PLC的一个输出点。
但要注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑Pl尤点的驱动能力是否足够。
④负载多功能化图6分组输出
一个负载实图多种用途。
例如在传统的继电器电路中，一个指示灯只指示一种状态。
而在PLC系统中，利用PLC编程功能，很容易实现用一个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样一个指示灯就可表示两种不同的信息，从而节省了输出点数。
⑤某些输出设备可不进PLC系统中某些相对独立、比较简单的部分可考虑直接用继电器电路控制。
以上只是一些常用的减少PLC输入输出点数的方法，可供读者参考。
2．5可编程控制器的调试步骤
1.按照PLC的接线原理图连接好线路，进行线路检查并作好通电的准备。
2. 接通PLC的电源，置于运行状态并观察其是否正常，发现异常应立即切断电源。
3.PC与PLC实现连接并保障通讯
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