PLC变频恒压供水控制.docx
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PLC变频恒压供水控制
安徽机电职业技术学院
毕业论文
基于PLC的变频恒压供水控制
系别电气工程系
专业电机与电器
班级电机3081班
姓名宋清华
学号1306083030
2010～2011学年第一学期
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第1次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
11月25日确定论文题目
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
论文题目不够简练要从新写，可以抓住重点写，可以写PLC去控制什么，比如一些具体的东西如:
电机、电梯、自动送料小车等。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第2次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
12月4-5日搜集资料
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
资料范围还是过大要抓住重点，而且这种论文给人感觉好像PLC的说明一样没有什么意义,你可以发散一下思维，想一些与实际相关的内容来写，这样会比较好写些，且看起来不会枯燥乏味。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第3次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
12月11-12日向导师咨询
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
虽然内容具体了，但是内容过于复杂，你可以写一些简单的题材,不但容易写而且资料比较多，而且你的论文与本专业的联系不是很大，我建议你再重新换个内容来写！
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第4次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
12月18-19日完成电子档
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
选PLC控制变频器从而达到恒压供水就比之前的选材好多了，不过要抓紧时间修改，按照论文要求来写，如能结合实际就更好了，不过要注意格式的要求，且要抓紧时间写。
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第5次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
12月26日发送电子档给指导老师审阅
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
内容基本没问题了，但格式要按要求改好，章节要居中，日期要准确，要尽快按要求改好发给我看看是否还有需要改动的地方！
教师签名：
时间：
年 月 日
安徽机电职业技术学院毕业论文（设计）指导过程记录表
题 目
基于PLC的变频恒压供水控制
学生姓名
宋清华
学号
1306083030
指导教师
鲁业安
系部
电气工程系
班级
电机3081班
顺序号
第6次
学生完成
毕业论文
（设计）
内容情况
1月1日获指导老师许可
学生签名：
时间：
年月 日
教师指导
内容记录
我以仔细看过论文，不过你要尽快打印出来交给我。
教师签名：
时间：
年 月 日
指导教师评语
等级
签名
日期
安徽机电职业技术学院2011届毕业生
毕业设计（论文）成绩评定单
姓名
宋清华
专业
电机与电器
班级
电机3081
课题
基于PLC的变频恒压供水控制
评分标准
分值
得分
指导教师评语（40分）
设计方案合理、实用、经济、原理分析正确、严密，内容完整。
10
计算方法正确，计算结果准确，程序设计正确简洁，工艺合理。
5
元器件（材料）选择合理，明细表规范。
5
图面清晰完整，布局、线条粗细合理，符合国家标准。
5
文字叙述简明扼要，书写规范。
5
按时独立完成，同学相互关心，遵守制度，认真负责。
10
合计得分：
指导教师签名：
日期：
年月日
评阅教师评分（30分）
内容充实，有阶段性成果，有应用价值。
10
图纸、论文如实反映设计成果，有理论分析，又有实践过程。
10
语句通顺，思路清晰，符合逻辑。
5
图标清晰，文字工整，字符和曲线标准化。
5
合计得分：
评阅教师签名：
日期：
年月日
答辩评分（30分）
自述条理明确，重点突出。
5
基本概念清楚，回答问题正确。
15
专业知识运用灵活，解决问题技术措施合理。
10
合计得分：
答辩组长签名：
日期：
年月日
总得分：
等级
系主任签名：
日期：
年月日
摘要
随着社会经济的迅速发展，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，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
本设计是针对居民生活用水或消防用水而设计的。
由变频器及PLC组成控制系统，调节水泵的输出流量。
电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。
本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。
系统通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。
运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。
关键词：
变频调速；恒压供水；PLC
绪论1
第一章PLC概述1
1.1PLC的组成1
1.2PLC的定义及特点1
1.3PLC的性能指标2
1.4PLC的分类及工作原理2
1.5PLC与继电器控制系统的区别3
第二章变频器4
2.1变频器的定义4
2.2变频器的构成4
2.3变频器的控制方式4
第三章系统硬件设计6
3.1PLC选型原则6
3.2恒压供水系统的基本构成7
3.3恒压供水系统的主电路图9
3.4恒压供水系统的工作原理9
3.5恒压供水系统的I/O分配表10
3.6变频器参数设定10
3.7恒压供水系统的综合接线图11
第四章系统程序设计11
4.1SFC11
4.2梯形图14
第五章总结17
参考文献18
谢 词19
绪论
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。
进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了PLC的发展，使得PLC的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业，企业。
由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动化控制。
特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。
基于PLC的变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式。
它利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供水管网压力保持恒定。
由于具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等特点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了良好的控制效果和社会效益。
第一章PLC概述
1.1PLC的组成
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析，PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。
由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：
有源接入、无源接入、绝缘问题、隔离问题和互相干扰问题。
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的重要因素。
1.2PLC的定义及特点
最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。
只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。
1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：
可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。
可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。
特点如下：
（1）可靠性高。
在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。
系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。
（2）控制功能强。
PLC采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。
（3）体积小、重量轻、功耗低。
（4）性价比高。
（5）模块化结构，扩展能力强。
根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。
（6）维修方便，功能更灵活。
程序的修改就意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。
1.3PLC的性能指标
（1）存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。
大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~2MB。
（2）I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。
I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。
它是衡量PLC性能的重要指标之一。
（3）指令的多少
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。
限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。
（4）内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。
（5）扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。
（6）特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。
典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。
1.4PLC的分类及工作原理
不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。
（1）按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。
（2）按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。
工作原理：
CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。
循环扫描有如下特点：
（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映像寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器。
在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。
1.5PLC与继电器控制系统的区别
PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。
同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。
（1）逻辑控制
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。
另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8对触点。
因此，灵活性和扩展性很差。
而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。
因此灵活性和扩展性都很好。
（2）工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。
而在控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。
（3）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还配有自我监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。
但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。
第二章变频器
2.1变频器的定义
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。
主要由整流（交流变直流）、滤波、再次逆变（直流变交流）、制动单元驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
2.2变频器的构成
变频器实际上就是一个逆变器。
它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行动作变为交流电。
一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。
变频器广泛用于交流电机的调速中。
变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。
变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。
因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。
一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。
（1）整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。
整流电路一般都是单独的一块整流模块.
（2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。
（3）控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。
变频器是输出电压和频率可调的调速装置。
提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:
频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。
运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路
变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式
（4）逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。
从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。
2.3变频器的控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
其控制方式经历了以下四代。
（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式。
以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
（3）矢量控制（VC）方式。
量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
（4）直接转矩控制（DTC）方式。
985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
（5）矩阵式交—交控制方式。
VVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交—交变频应运而生。
由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
本设计采用矩阵式交—交控制方式。
第三章系统硬件设计
随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务。
但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。
其实现在的可编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。
所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器
控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。
一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC控制来完成。
3.1PLC选型原则
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。
一方面要选择多大容量的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/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器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，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有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的负载负载使用。
则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，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，就要使用无触点的晶体管输出的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是否有能力控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵
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