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PLC控制的变频恒压供水系统
摘要
变频恒压供水系统集变频技术、现代控制技术于一体，可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时可达到良好的节能效果（特别是泵类负载），提高了供水效率。
此外，变频器的软启动功能也减少对电网的冲击，使设备运行方式更趋于平稳；操作方便，维护量小。
总之，采用变频恒压供水系统是一种技术先进，经济实用的选择，有很广阔的应用前景。
本题所设计的PLC控制的变频恒压供水的系统是针对分散修建的场所，例如，农村、高速公路收费站等。
这些住宅，远离自来水管网，为了生活方便，自掘水井，然后用水泵将水抽至高位供水箱中，供用户使用。
此设计系统以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。
关键词：
变频调速；恒压供水；PLC
1问题的提出
1.1课题的背景及研究的目的和意义
现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术的发展为自动控制系统的发展带来了日新月异的变化。
在工业、国防、科研等诸多应用领域里，自动控制系统正发挥着越来越大的作用。
一般住宅或大楼顶楼通常设置水塔储存有一定的水量以提供充足的水压供用户使用，另外配备有地下水槽储存自来水公司提供的水源，地下水槽中的水作为顶楼水塔的供水源头。
由于自动控制技术的发展，控制理论在工业生产和生活中得到了显著的应用。
由于当前可编程控制器PLC和变频技术已日趋成熟，因而利用PLC和变频器进行水塔水位的控制，它可以避免人工操作或者机械装置进行水塔水位控制出现的各种问题。
PLC和变频器相结合的水塔水位控制方式与过去的人工或机械装置水塔水位控制方式相比，其运行方式的经济性，系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无与伦比的优势，而且还具有显著的节能高效的特点。
通过PLC和变频器结合的水塔水位控制系统具有不可替代的应用价值。
构成自动控制系统核心的可编程控制器是在继电器控制的基础上逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置，它具有功能强、可靠性高、操作灵活、编程简单适合于工业环境等一系列优点，目前可编程控制器已在工业、农业、商业、交通运输等领域得到广泛应用，成为各行业通用的控制核心产品，在工业控制领域中PLC控制技术将成为世界潮流。
变频调速是以变频器向交流电动机供电，构成电机的调速系统。
变频器是把固定电压，固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。
在感应电机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围大，静态稳定性好，效率高。
采用变频器构成变频电源进行电动机调速己得到广泛应用，所以本文采用变频器调节水泵转速。
PLC和变频器都是以计算机技术为基础的现代工业控制产品，将二者有机地结合起来，用PLC来控制变频器，是当代工业控制中经常使用的装置，本设计用PLC的模拟量输出模块来控制变频器。
它具有高效、节能和高品质等供水优点。
本设计介绍了PLC和变频器在水位控制系统中的应用。
在水塔水位控制系统中利用变频器和PLC相结合使用的方式，在节能、恒水位控制等方面均有显著的效果。
1.2毕业设计的主要工作
本题所设计的PLC控制的变频恒压供水的系统是针对分散修建的场所，例如，农村、高速公路收费站等。
这些住宅，远离自来水管网，为了生活方便，自掘水井，然后用水泵将水抽至高位供水箱中，供用户使用。
本系统以一个高位水箱液位（转换为压力）为被控对象，设计PLC控制变频器的供水系统。
主要设计内容为：
了解供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制系统的硬件电路，分配I/O点，画出PLC和变频器接线图；掌握PLC的编程及应用，画出PLC控制梯形图；掌握变频器的工作原理和使用方法，拟定变频器的各项参数，实现对系统的高性能控制；进行程序仿真或模拟调试（如果条件允许），并观察运行结果
2可编程控制器及其变频器
可编程控制器（PLC）是计算机技术与继电器逻辑控制相结合的一种新型控制器，它以微处理器为核心，是用做数字控制的专用计算机。
近几年来，在国内已得到迅速推广普及。
PLC正改变着工厂自动控制的面貌，对传统的技术改造、发展新型工业具有重大的实际意义。
美国国际电工委员会对PLC的定义如下：
可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置，一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
2.1PLC的发展历程与趋势
2.1.1PLC的发展历程
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，这一阶段PLC主要用于简单的逻辑运算及定时、计数运算，控制功能比较简单。
该阶段的产品称为可编程序逻辑控制器。
20世纪70年代中期出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送、比较以及模拟量运算等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代中期，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、功能不断完善，大中型PLC多配CRT屏幕显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变的简单，此外还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入开放阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
2.1.2PLC的发展方向
PLC未来的发展将向两个方向发展。
（1）大型化方向
PLC的CPU从早期的1位逐渐的发展到64位，晶振频率已达到几百兆赫兹，从单向CPU到多向CPU的并行处理发展，提高了处理能力和响应速度及模块化程度，存储器的容量也成倍增加。
由于硬件性能的提高，使CPU向大型化方向发展提供了硬件保障。
（2）小型化方向
为了满足不同工业环境下的控制要求，各PLC生产厂家研制出了小型化高性能的整体式PLC。
在提高系统可靠性的基础上，产品体积越来越小，功能越来越强。
同时PLC制造厂家也开发了多种类型的高性能模块，当输入输出点数增加时，可以根据控制需要采用灵活的组合方式进行工作。
2.2PLC的特点与基本结构及类型
2.2.1PLC的特点
a.应用简便
（1）应用灵活、安装简便
标准的积木式硬件结构与模块化的软件设计，使PLC不仅适应大小不同、功能复杂的控制要求，而且适应工艺流程变化较多的场合，安装和现场接线简单。
从硬件连接方面讲PLC对现场环境要求不高，在接线和配置方面都极其方便。
（2）编程简单
PLC采用电气操作人员习惯的梯形图编程，直观明了。
在程序开发方面速度快，修改和调试都很方便。
PLC编程的重点是控制思想而非设计程序。
（3）操作方面，维修容易
已经编好的PLC程序直观清晰，有一定PLC基础知识的人员可以很好的读懂，在操作方面相当简单。
另外PLC的自诊断功能可使运行维护人员及时准确的了解故障原因以便于及时的维修。
b．可靠性高
PLC具有较高的可靠性，主要原因是在硬件和软件方面都采取了严格的措施。
在硬件方面选用优质的原材料和器件，采取严格的制造工艺。
在软件方面，为了避免程序出错导致的重大事故，在运行中的每次扫描都对程序进行检查，如果发现程序运行有错则立即中止运行并发出报警信号。
c.抗电磁干扰性能好，环境适应性强
PLC是直接应用于工业环境的控制产品，在特殊的工业环境下（如温度高，湿度大，强烈震荡中）不需要采取其他措施就可以保证正常的工作。
d.功能完善
PLC基本功能包含逻辑运算、定时、计数、数值计算、数制转换等，扩展功能具有A/D转换、D/A转换、PID控制、高速计数、通信联网、中断控制等。
完善的功能使它的控制水平大大提高。
e.成熟的工控网络体系，通信便捷，易于远程实时监控
随着计算机网络通信技术的高速发展，近年来工控网络通信使得PLC网络通信技术得到了飞速的发展，目前基本的网络形式为设备层网络、控制层网络和信息层网络的三层网络结构。
2.2.2PLC的基本结构
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成（如图2-1）。
1.主机
主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器。
CPU一般是由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路集成在一块芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器单元、输入/输出接口电路连接。
系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，由PLC制造厂家用CPU的指令系统编写固化在ROM中。
用户程序存储器用来存放编程设备输入的用户程序。
2．输入/输出接口（I/O）
I/O接口是PLC与被控设备连接的部件。
现场设备输入给PLC各种控制信号通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接受和处理的信号，输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换为现场需要的强电信号输出，以驱动被控设备执行机构。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
3．电源
电源部件将交流电源转换为提供给CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所需要的直流电源，它的好坏直接关系到PLC功能的可靠性。
目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，用锂电池作停电时的备用电源。
图2-1可编程控制器的基本结构
4．编程器
编程器是PLC的一种主要的外部设备编程器。
PLC的编程方式分为两种，一种是手持编程器，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
另一种是利用上位计算机中的专业编程软件，它主要用于编写较大型的程序。
5．输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于连接扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）。
6．外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
2.2.3PLC的类型
PLC的种类很多，其实现的功能、内存容量、控制规模、外型等方面均存在较大的差异。
因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，而是按照结构形式、I/O点数、实现的功能进行大致的分类。
1）按结构形式分类
PLC按照硬件的结构形式可以分为整体式结构和模块式结构。
整体式结构：
整体式结构的PLC把CPU、存储器、输入/输出、外部设备接口和电源等集中安装在同一机体内，这种结构的特点是：
结构简单、重量轻、体积小、价格低等优点；输入输出路数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低，适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品开发应用场合。
模块式结构：
模块式结构的PLC把CPU和I/O模块等做成各自相对独立的模块，然后组装在一个带有电源单元的母板上，或者采用无母板的相互插接方式连接。
模块式PLC的特点是I/O点数多、模块组合灵活、便于扩展，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，适用于复杂过程控制系统的应用场合。
2）按I/O点数分类
超小型PLC：
I/O点数一般小于64点，开关量I/O信号为主，功能以逻辑运算为主，并有定时和计数功能。
结构紧凑，为整体式结构。
用户程序容量在256～1K字。
小型PLC：
I/O点数一般为65～128点，开关量I/O信号为主，控制功能简单，用户程序储存器容量一般为1K～4K，结构形式为整体式。
中型PLC：
I/O点数一般为129～512点，兼有开关量和模拟量的I/O信号，控制功能较丰富，用户程序储存器容量为3.6K～13K，多数采用模块式结构。
大型PLC：
I/O点数一般为1000点以上，控制功能完善，用户程序储存器容量一般为13K以上，采用模块式结构。
超大型PLC：
I/O点数一般为896点以上，用户程序储存器容量一般为13K以上，采用模块式结构，支持CPU单元。
3）按实现的功能分类
低档机：
具有逻辑运算、计时、计数、移位自诊断监控等功能，还具有一定的算术、数据传送和比较、通讯、远程和模拟量处理功能。
中档机：
除具有低档机的功能外，还具有较强的算术运算、数据传送和比较、数据转换、远程、通讯、子程序、中断处理和回路控制功能。
高档机：
除具有中档机的功能外，还具有带符号数的算术运算、矩阵运算。
函数、表格、CRT显示、打印机打印等功能。
2.3PLC的基本工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC工作时将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。
PLC在执行用户程序时所需输入继电器和输出继电器的数据取自I/O映像区，而不是直接与外部设备发生关系。
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
当处于运行工作模式时，PLC要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作，PLC工作流程如图2-2所示。
图2-2可编程控制器的工作流程
PLC在工作中不仅执行用户程序，而且在每次的循环过程中，PLC还要完成内部的处理、通信服务等工作。
PLC运行时，一次循环可分为5个阶段：
内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理。
PLC的这种周期性的循环工作方式称为扫描工作方式。
1）内部处理阶段
在内部处理阶段，PLC检测CPU内部的硬件是否正常，将检测定时器复位，以及其他内部工作。
2）通信服务阶段
PLC同其他设备间通信，响应编程器输入的命令。
更新编程器显示的内容。
如果此时的PLC处于工作状态则还要完成以下的三个阶段的操作内容。
3）输入处理阶段
输入处理又被称作为采样，在PLC的存储器中，专门设置了一片区间用来存放输入信号和输出信号的状态。
在此阶段，PLC顺序读入所有端子的通断状态，并且把读入的信息存在输入映像区，输入映像区的状态被刷新。
然后进入是程序处理阶段，处理程序时输入映像区隔离，在下一个扫描周期的输入处理阶段输入信号才能被读入。
4）程序处理阶段
根据PLC梯形图程序扫描先左后右、先上后下的原则，逐句扫描和执行。
如果遇到跳转指令则根据跳转条件在执行程序跳转位置。
当程序涉及到输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应的输入继电器状态，从输出映像寄存器读取对应输出继电器状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果存入有关元件寄存器中。
5）输出处理阶段
CPU将输出映像区中的每位状态传送到输出锁存器，梯形图中输出继电器线圈接通时，对应的输出映像区中位的状态为ON。
信号经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器线圈通电，其常开触点闭合，外部负载开始工作。
如果梯形图中输出继电器线圈断开，对的输出映像区中的位为OFF状态，在输出处理阶段之后，继电器输出单元中对应的硬件继电器线圈断电，常开触点断开，外部负载断开。
可编程序控制器对用户程序进行串行循环扫描的工作分为三个阶段：
输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图2-3所示。
图2-3循环扫描工作原理
2.4PLC的应用系统设计
2.4.1PLC的应用系统设计原则
随着PLC的控制功能不断提高和完善，它在工业控制领域中的控制作用越来越大。
PLC对工业环境的要求不高，特别是在较差和复杂的工业环境下还可以高效可靠的运行，PLC几乎可以完成所有的工业控制。
在设计PLC系统时一般要遵循一定的原则。
1）满足控制要求。
最大限度地满足被控对象的工艺要求是设计控制系统首要前提。
2）安全可靠。
控制系统长期运行中是否安全、可靠、稳定的运行是设计控制系统的重要原则。
3）经济实用。
在满足控制要求的前提下，要注意降低系统成本，使得PLC控制系统达到简单、经济、合理。
4）适应发展。
要考虑到功能的扩充，适当留有冗余量。
2.4.2PLC的应用系统设计步骤
PLC系统设计与调试流程图如图2-4所示。
图2-4PLC系统的设计与调试流程图
1）熟悉被控对象的工艺过程，分析控制要求。
2）确定I/O设备。
3）PLC的硬件系统配置。
4）分配I/O点。
5）设计应用系统梯形图程序。
6）初步调试程序。
7）联机调试。
8）编写技术文件。
2.5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电能控制装置。
能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。
2.5.1异步电动机旋转原理
异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流互相作用产生的力矩。
如果磁场以
转速顺时针旋转，转子绕组产生切割磁力线，产生了转子电流，通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力。
电磁力使转子绕组以转速
旋转，方向与磁场旋转方向相同。
产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。
因此，转子的转速
低于定子磁场的转速
，转子转速和磁场转速之差称为转差：
转差与定子磁场转速之比称为转差率：
同步转速
由
决定，式中
为输入电流的频率；
为旋转磁场的极对数。
因此可以得到转子的转速为
2.5.2异步电动机调速
由于异步电动机转速为
，所以它的调速方法有以下三种：
1）改变磁极对数
，称为变极调速
变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速又适用于恒功率调速。
缺点是次调速方法为有极调速，并且极数有限，只用于不需要平滑调速的场合。
2）改变转差率
称为变转差率调速
以改变转差率为目的的调速方法有：
定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速。
调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时机械特性较硬，调速范围较宽，缺点是低速时，转差功率损耗较大，功率因数低，电流大，效率低。
调压调速既非恒功率调速也非恒转矩调速，比较适合用于风机、泵类特性负载。
转子变电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制，低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。
电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后可扩大调速范围，常常用在通风类或恒转矩类负载，其缺点是低速时损耗大效率低。
3）改变频率
，称为变频调速
当极对数
和转差率
不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续的改变供电频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。
异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或者是恒功率调速。
2.5.3变频器的分类
变频调速是以变频器向交流电动机供电，并且构成开环或闭环系统。
变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换成为可以调节的电压和可调频率的交流电的变换器。
是异步电动机变频调速的控制装置。
1）按变频器主电路结构形式分类
按变频器主电路的结构形式可分为交—直—交变频器和交—交变频器。
交—直—交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电。
再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。
交—交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节。
2）按变频电源的性质分类
按变频电源的性质可分为电压型变频器和电流型变频器。
对于交—直—交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别在于中间直流环节采用什么样的滤波器。
电压型变频器在电路中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，故而施加在负载上的电压值基本不受负载的影响而保持恒定，类似电压源，因而称之为电压型变频器。
电流型变频器与电压型变频器的不同之处在于电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。
3）按VVVF调制技术分类
变压：
VariableVoltage，简称为VV。
变频：
VariableFrequency，简称为VF。
交—直—交变频器按VVVF调制技术可分为PAW和PWM两种方式。
PAW是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制方式，简称为PAW方式。
PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制方式，简称为PWM方式。
2.5.4变压变频协调控制
进行电动机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电动机的电压和频率进行协调控制。
异步电动机变压变频调速时，通常在基频以下采用恒转矩调速，基频以上采用恒功率调速。
1）基频以下调速
在一定调速范围内维持磁通恒定，在相同的转矩相位角的条件下，如果能够控制电机的电流恒定，就可以控制电机的转矩为恒定，这就是恒转矩控制，电机在速度变化的动态过程中，具有输出恒定转矩的能力。
由于恒定
控制能在一定调速范围内近似维持磁通恒定，因此恒定
控制属于恒转矩控制。
恒定
控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时控制变频器输出电压，并使之二者之比为
恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。
恒定
控制最容易实现，它的变频机械特性基本是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。
2）基频以上调速
当电动机的电压随着频率的增加而升高时，若电动机的电压已经达到电动机的额定电压时，继续增加电压有可能破坏电动机的绝缘。
为此，在电动机达到额定电压后，即使频率增加扔维持电动机电压不变。
这样，电动机所能输出的功率由电动机的额定电压和额定电流的乘积所决定，不随频率的变化而变化，具有恒功率特性。
在基频以上调速时，频率可以从基频往上增加，但电压却不能超过额定电压，此时的电动机调速属于恒功率调速。
2.5.5变频器的作用
变频调速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的提升、下降和变速运动。
变频应用还可以大大地提高工艺的高效性，同时可以比原来的定速运行电动机更加地节能。
变频器主要有以下作用：
1）控制电动机的启动电流。
2）降低电力线路的电压波动。
3）启动时需要的功率更低。
4）
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