基于PLC的恒压供水监控系统设计.doc
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武汉理工大学毕业设计（论文）
基于PLC的恒压供水监控系统设计
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摘要
本论文以实际项目居民小区的恒压供水为背景，设计了一套基于PLC的恒压供水系统，该系统由可编程控制器PLC、变频器、水泵机组、接触器组和压力变送器等构成。
在本次设计中，采用闭环控制来控制出水口的水压值。
本系统有三台水泵机组，通过一台变频器控制一台水泵变频运转，水泵可以在变频运转和工频运转之间切换，以“先启先停”为原则实现变频循环运行方式。
压力变送器将压力值送入PLC,并与给定比较后进行PID运算，将模拟量输出给变频器，从而控制变频器所带水泵的转速。
该系统有白天和夜间两种运行模式，水泵机组也可以在手动和自动方式运行，在系统中有各种工作状态的指示灯以及故障报警和故障处理功能。
关键词：
PLC；恒压供水；变频调速
Abstract
Thisthesiswiththeactualprojectofconstantpressurewatersupplyinresidentialareaasthebackground,designasetofconstantpressurewatersupplysystembasedonPLC,thesystemconsistsofPLCprogrammablecontroller,inverter,pump,thecontactorgroupandpressuretransmitter,etc.
Inthisdesign,theuseofclosedloopcontroltocontroltheoutletwaterpressurevalue.Thissystemhasthreepumpunit,andbyafrequencyconvertercontrolapumprunning.Waterpumpcanswitchbetweenthevariablefrequencyoperationandpowerfrequencyisrunning,with"inceptiontostop"fortheprincipletorealizefrequencyconversioncycleoperationmode.PressuretransmitterwillpressurevalueintothePLC,andaftercomparedwiththegivenPIDarithmetic,theanalogoutputtoinverter,tocontrolthespeedoftheinverterwiththepump.Thesystemhastwokindsofdayandnightoperationmode,thepumpunitcanalsoberuninmanualandautomaticway,inthesystemhaveavarietyoflightontheworkingstateandfaultalarmandfaulthandlingfunction.
KeyWords：
PLC；constantpressurewatersupply；frequencycontrolofmotorspeed
目录
第1章绪论 1
1.1变频恒压供水的目的和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3恒压供水的基本原理 2
1.4本文设计内容及目标 2
第2章恒压供水系统总体设计 4
2.1电机的调速原理 4
2.2PID控制原理 5
2.3恒压供水系统的技术方案 5
2.4恒压供水的过程 7
第3章系统的硬件设计 9
3.1PLC的概述 9
3.1.1可编程控制器定义及原理 9
3.1.2PLC选型及PLC工作方式 10
3.2变频器的概述 11
3.2.1变频器的基本原理及构成 11
3.2.2变频器的选型及特点 12
3.2.3MM440变频器的使用 12
3.3其他设备的选型 14
3.4系统的主电路设计 15
3.5系统的控制电路设计 16
3.6PLC的I/O端口分配及外围电路 17
3.6.1PLC的I/O分配 17
3.6.2PLC及变频器的外围接线 18
第4章系统的软件设计 21
4.1系统程序流程图设计 21
4.2软件设计PLC内部元件分配 25
4.3PLC梯形图程序设计 25
4.4力控组态模拟供水过程 29
4.4.1力控组态概述 29
4.4.2模拟供水过程 30
第5章总结与展望 33
参考文献 34
致谢 35
附录A系统电路图 36
附录B主程序梯形图 39
武汉理工大学毕业设计（论文）
第1章绪论
本次设计论文题目“基于PLC的恒压供水监控系统设计”，即以PLC为基础，通过控制变频器来控制水泵的转速，最终达到恒压供水的目的。
本篇论文将从课题背景开始介绍，涉及目的和意义，重点介绍系统的硬件设计和软件设计，在论文的最后将作出总结。
1.1变频恒压供水的目的和意义
在小区供水和工厂供水中，通过水泵直接对供水，由于用户端用水量在不同时间段会有所改变，导致供水过量或不够，造成了很大的水资源浪费和电能浪费，并且水泵的寿命维护以及产生的各类噪音、污染都很难达到最优化[1]。
因此，如何解决供水与用水的不平衡，寻找提高供水效率的整体解决方案，是我们关注的焦点问题。
在供水系统中，其根本的控制对象是水的流量。
常见的方法有阀门控制法及转速控制法两种。
供水系统中对水压流量的控制，传统的采用阀门调节实现[2]。
阀门控制阀是通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变，实质是水泵本身的供水能力不变，而改变水路中的阻力大小强行改变流量，以适应用户对水量的要求；恒压控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。
随着变频技术的发展，变频器调速技术已经在各大行业成熟运用，特别是风机、水泵、制冷压缩机、空气压缩机等高耗能设备上，而且运用变频器调速在恒压供水中可以起到节能高品质的供水，所以这次设计运用到了变频器控制[3]。
变频恒压供水系统集电气传动技术、变频技术、现代控制技术于一体。
采用变频器调节以后系统实现了软启动，电机启动时电流从零逐渐增至额定电流，启动时间相应延长，而且对电网没有较大的冲击，减轻起动机械转矩对于电机的机械损伤，从而有效的延长了电机的使用寿命[4]。
这样的调节方式以稳定水压为目的，以母管进口压力保持恒定为条件。
恒压供水的基本控制策略是：
采取运用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，通过优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，达到供水压力的闭环控制，也就是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，从而保证供水管网的压力保持在设定值，既满足生产供水要求，同时可节约电能，使得系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。
1.2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、变压变频比控制及各种保护功能。
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。
目前国内有许多公司在做变频恒压供水系统的工程，大多数采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，部分采用PLC及相应的软件予以实现；部分采用单片机及相应的软件予以实现。
不过在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰等多方面的综合技术指标来说，还远不及所有用户的要求，所以恒压供水控制系统还需要一个成熟的技术[5]。
1.3恒压供水的基本原理
图1.1供水流程简图
此次设计研究的对象是一栋居民楼的供水系统。
这栋楼有16层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
如图1.1所示，是这栋小楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
1.4本文设计内容及目标
基于PLC的恒压供水系统主要有可编程控制器（PLC）、变频器、水泵机组、压力变送器组成的一个闭环控制系统，这个系统的控制流程图如下图1.2所示：
图1.2控制流程图
如图所示，在本次系统设计中，电机M由三台水泵机组组成，用一台变频器分布式控制三台水泵，再由一台PLC和一个压力变送器组成。
三台水泵都可以在手动和自动环境下运行，手动主要在故障及维护时采用，本系统的核心是PLC和变频器，通过PID控制改变电机的频率实现无极调速以及相应的辅助功能。
第2章恒压供水系统总体设计
2.1电机的调速原理
目前市场上的水泵一般为三相异步电机，我们学习的异步电机用作电动机，来拖动各种机械组合。
异步电动机的优点很明显，有结构简单、价格适宜、可靠性高、坚固耐磨、适用性强，而缺点是功率因数较差。
大家都知道，异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，所以它的功率因素总是小于1，不过电网的功率因数可以用别的办法进行补偿。
异步电机运行的时候，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，又由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，因此产生电磁转矩，异步电机又有感应电机一说[6]。
三相异步电机有启动、运行、制动等状态，在本次毕业设计中，我们是控制水泵的转速，所以我们对三相交流电机的调速进行分析。
交流电机包括同步电动机和异步电动机。
同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变同步转速。
在电机学中，由同步电动机、变频器和检测磁极位置的检测器组成的电机系统，普遍称之自控式同步电机，改变定子电压就可以调节速度，并具有类似直流电机的调速特性。
我们水泵采用的三相异步电动机的转速为：
（2.1）
f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
三相异步电动机的调速方法很多，主要方法分为以下几种：
（1）改变电源频率
（2）改变电机极对数
（3）改变转差率。
改变电机极对数的调速方式控制简单，节能效果明显，效率高，不过需要专门的变极电机,而且是有极调速，由于极差导致的转速变化大，运用范围有限，只能用于特定转速的生产机器。
改变转差率在鼠笼式电机中采用降压在绕线式电机中采用回路串电阻都可以达到调速的目的。
为了保证有较大的调速范围一般采用的是串极调速，这种方式可以回收转差功率，节能效果非常好，不过这种调速方法线路过于复杂，中间环节的电能损耗成本太高会影响它的推广价值。
改变电源频率。
改变三相异步电动机电源频率f可以改变旋转磁通势达到改变转速的目的。
随着电力电子技术的发展，变频调速得到广泛运用，变频调速在本次毕业设计中得到充分运用。
2.2PID控制原理
恒压供水系统采用了闭环控制的方法，PID控制即为偏差量经比例、积分、微分通过现行组合构成控制量。
完成这个过程的控制就是PID控制器。
PID控制结构简单、稳定可靠，被广泛应用于工业控制中。
PID控制是一种负反馈，将检测到量与给定值进行比较之后的量比例、积分、微分后用来控制被控对象[7]。
图2.1PID控制原理图
PID控制算术表达式
Kp，Ti，Td分别为控制式的比例、积分、微分系数
e（t）为偏差，e（t）=r（t）-y（t）r（t）…设定值，y（t）…实际值
PID控制器的比例环节、积分环节、微分环节作用如下：
（1）比例环节，成比例地反映控制系统的偏差信号e（0），误差产生时立即减小误差。
（2）积分环节，即为滞后校正，可以利用滞后校正的这一低通滤波所造成的高频衰减特性，降低系统的截止频率，提高系统的相位裕度，改善系统的暂态性能。
（3）微分环节，即为超前校正，超前校正的基本原理就是利用超前相角补偿系统的滞后相角，改善系统的动态性能，增加相位裕度，提高系统的稳定性。
2.3恒压供水系统的技术方案
本设计主要通过研究PLC来控制变频器达到恒压供水，通过学习并熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。
进行硬件选型，软件编程，控制系统的主电路设计、控制电路设计，本次系统的控制设备选用S7-200系列的PLC，变频器选用西门子泵类专用的变频器型号MM440。
在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器和PLC完成。
本设计需要重点解决的主要问题有以下几个：
第一，压力的监测与处理。
需用到压力变送器，首先是出水口管网的压力监测，经闭环控制电路和A/D转换后，得到PLC或变频器能够识别的信号[13]。
第二，系统主电路的设计。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，变频和工频良好转换，实现短路保护、过载保护。
本系统采用软启动器。
第三，控制电路的设计。
系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能，系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。
第四，PLC的I/O端口分配及外围接线。
本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，具有“倒泵功能”，启动要有软启动。
压力变送器将测得的管网压力输出PLC扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入[14]。
第五，PLC的梯形图编程。
PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机启动程序、水泵电机变频/工频切换程序、模拟量比较计算程序和报警程序[15]。
系统总体设计方案如图2.2所示。
图2.2变频恒压供水系统框图
从上图2.1可以看出，系统可以分为：
控制机构、执行机构、和信号检测机构大哥部分组成。
（1）控制机构。
控制系统由可编程控制器、变频器和电控设备组成。
可编程控制器（PLC）是该系统的核心，对系统中的压力、液位、故障等信号进行采集、对检测到的信号进行分析和计算，并得到相应的输出结果。
而变频器是在PLC的控制下再对水泵机组进行直接控制，由于水泵机组在变频和工频运转之间转换，而变频器则控制的是水泵在变频运转时转速。
本次设计有三台水泵机组，只有一台变频器。
变频器控制有两种工作方式即变频循环式和变频固定式。
变频固定式就是有一台水泵始终在一台变频器控制下运转，当该水泵运行在50Hz时还不能满足供水要求时直接启动另一台水泵工频运转，变频器不需要切换。
变频循环式就是一台变频器分布式控制三台水泵，首先一台水泵在变频器控制下变频运转，当该水泵运行在50Hz时，其供水量仍然不能满足供水要求时，系统先将变频器从该水泵电机上脱去，将该变频器切换为工频运转同时用变频器去拖动另外一台水泵。
为了保证寿命均匀，本次毕业设计采用变频循环式控制。
（2）执行机构。
执行机构是本次设计中的水泵，水泵负责将水供入用户管网，其中有一台变频泵和两台工频泵组成。
变频泵是在变频器控制下可以变频调速的水泵，工频泵只运行在启、停两种工作状态。
当然，变频泵号处于变动状态。
（3）信号检测机构。
在恒压供水系统中需要检测的信号有用户管网水压值、水池水位信号及故障报警信号。
用户管网信号通过压力变送器来检测，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
由于水压是模拟信号，需要进行A/D转换。
为了加强可靠性，我在这次设计中加入了水位信号，这个水位可以检测进水水源是否足够。
故障报警主要是当系统出现故障时可以进行报警且能够及时转入合适的工作状态。
变频恒压供水实际就是控制用户管网出水口的压力值，实现出水可用水达到平衡。
由于用户用水量的不稳定性，我设置了白天模式和夜晚模式两种模式。
将白天运行时设置为白天模式，给定水压值也相应大一些，当到夜晚时切换到夜晚模式，适当降低给定水压值。
变频恒压供水系统通过安装在用户管网端的压力变送器实时检测水压值，由于水压值是模拟信号，需要进行A/D转换，再与给定值进行比较，将偏差值进行PID运算，将运算后的信号进行D/A转换输出给变频器，变频器接收输入信号并控制水泵的转速，进而控制水的流量，最终达到控制水压的目的。
2.4恒压供水的过程
恒压供水的过程分为以下几步：
（1）系统通电。
当系统收到有效的启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1工作，根据PID控制变频器输出频率进而控制M1的转速，当输出值达到给定压力值时，转速就稳定下来。
（2）用水量增加或减少。
压力变送器反馈的水压信号减少，计算后的偏差偏大，PLC输出信号变大，变频器输出频率增大，转速随之增大，供水量增大，于是水泵转速达到新的稳定值。
反之，用水量减少时减小水泵转速从而达到合适的转速。
（3）用水量持续增加到一台水泵无法满足。
变频器输出信号到达50Hz时，此时用户管网水压值还未达到给定值，在变频循环控制模式下，系统在PLC控制下将变频器切换至M2水泵使得M2处于变频运转，而M1直接从变频运转直接接入工频电而工作于工频运转。
如果用水量继续增加，以此类推，开启M3进入变频运转，M1、M2处于工频运转。
（4）用水量下降。
变频器的输出频率下降至下限频率，此时用户管网水压值大于给定水压值的时候，系统将工频运转的M1水泵关掉，回复水压的闭环控制，当水压值仍然过高时继续关闭工频运转的水泵M2，继续闭环控制。
整个过程中以先启先停为原则，并且变频泵不连读变频工作3h以上。
水泵的切换条件分析：
前面我们提到了变频器分布式控制水泵达到循环控制水泵的方法来实现恒压供水，下面我们具体对水泵的切换进行分析。
当变频泵和工频泵都出去工作状态且变频泵已经运行在下限频率，此时管网的压力值高于给定值，需要进行减少工频泵来减少供水流量，达到恒压供水。
那么什么时候进行切换才能使得系统稳定可靠，不会出现减少工频泵水压不够不减少工频泵水压过大的情况呢？
由于电网供电频率为50Hz，我将50Hz设为变频器调节频率的上限。
另外，变频器的输出频率不能为负值，最低为0Hz，然而实际情况是0Hz也不可能达到。
因为在水泵供水过程中，管网的水压会反推水泵，给水泵一个反向的力矩，因此，当点击运行频率下降到一个值得时候，水泵已经抽不出水来了，所以本次设计将20Hz作为电机运行的下限频率。
那么50Hz和20Hz作为水泵机组切换的上下限频率。
前面我们提到的一个情况是由于用水量不稳定，出现停止一台水泵后水压值不够，投入一台水泵又出现水压过大的情况。
当机组频繁处于切换状态时必将增大磨损而影响寿命。
另外由于超调出现或者现场干扰等情况，压力测量值或者出现短时间的尖峰，这种情况不需要加泵或者减泵会因为干扰出现误动作。
所以，在本次设计中引入了回滞环的概念及延时的方法[8]。
加泵条件：
且延时判别成立（2.2）
减泵条件：
且延时判别成立（2.3）
式中：
：
上限频率：
下限频率
：
设定压力：
反馈压力。
第3章系统的硬件设计
3.1PLC的概述
3.1.1可编程控制器定义及原理
1980年，美国电气制造协会把可编程控制器定义为：
可编程控制器是一种数字式的电子仪器，可以逻辑、定序、定时、计数和四则运算等特殊功能指令，用以控制机械和生产过程。
1987年2月，国际电工委员会（IEC）颁发的可编程控制器标准草案第三稿中对可编程控制器的定义为：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境下的应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术学等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型机械的生产过程[9]。
为适应工业环境，与一般的控制装置比较，PLC具有以下特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强。
（2）通用性强，使用方便。
（3）采用模块化结构，接口种类多，便于现场连接，扩充。
（4）编程、程序修改方便，易掌握。
（5）维护调试方便。
可编程控制器的应用范围如下。
（1）顺序控制。
（2）运动控制。
（3）过程控制。
（4）数据处理。
（5）通信和联网。
PLC在组成上与一般的微机控制系统基本相同，由中央处理器CPU、存储器、输入输出接口、电源、各种接口和其他部件组成。
其结构如下。
图3.1PLC结构示意图
3.1.2PLC选型及PLC工作方式
目前比较主流的可编程控制器品牌有西门子、三菱、AB、GE等，西门子S7-200学习容易、功能完善、性能稳定，是最为常用的PLC型号之一。
在武汉理工大学本科培养计划中，我们学习了台达PLC，对常用低压电器及PLC梯形图编程有了一定的了解，在本次毕业设计中选取s7-200作为核心控制器。
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间叫做扫描周期或者工作周期。
从PLC第一条指令开始，按顺序逐条执行用户程序直至结束，然后返回第一条指令开始第二轮扫描。
PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。
在PLC的扫描过程中，除了包括上电和掉电处理、通信服务、更新时钟和特殊寄存器、自诊断和出错处理、中断处理等外，主要的循环扫描过程就是输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。
PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：
（1）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。
（2）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元件的状态。
（3）输出映像寄存器的状态，由输出指令的执行结果决定。
（4）输出锁存
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