基于S7-200的楼宇恒压供水控制系统设计

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。本论文结合我国中小城市多层住宅小区的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。
    变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置PID变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动2台电动机(30kw)的起动、运行与调速，2台分别采用循环使用的方式运行。
    在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 来改变电机的转速 ，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
    本控制系统中采用了德国SIMENS公司的S7-200可编程控制器，同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置PID算法的变频器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，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。   

关键词:  PLC  变频调速  恒压供水    

Abstract

With the rapid development of social economy, it demands the better of water supply’s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields. On the basis of analyzing in quo of the waterworks in our country, this designs a suit of constant pressure water supply automatic system paper by using variable frequency speed-regulating technology based on PLC.
The system is made up of PLC, transducer, units of pumps and electromotors, pressure sensor, industrial control computer and console. The system is used a transducer to make four electromotors starting, running and timing. The two electromotors (30Kw) is partly circulated. To connect control computer with PLC and realize supervise, a real time supervise control software of water supply system is developed. 
To tune up the frequency of power supply by the transducer in the system, this adjusting make the speed of electromotor and performance curve of pump change. At last, it makes the status of a pump alter. Through analyzing the figure of energy wasting of pump, the quality in pipes is direct proportion of the speed of pump if the speed of pump is reduced. The power of electromotor fells the cube of the speed of pump. So the energy wasting of constant pressure water supply based on variable frequency speed regulating technology is evidently less than the traditional mode is used throttle to supply water.
Through using S7-200 program software of SIMENS Company in German in the control system. The controller can compare the measure value and the value in advance of pressure.  Through real-time controlling the output voltage and frequency of transducer, the output quality of pump is changed along with the changing of pump's speed. It makes the pressure of pipe self-regulating and steady in the scheduled value.
 
Key Words:  PLC, variable frequency speed-regulating, constant pressure water-supply,

水泵电机的调控技术
   
在小区的供水系统中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占很大的比例;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上[ 3]，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 (优秀毕业设计 www.2bysj.cn)

调速控制节能分析
    水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。
   

多泵恒压供水系统中的关键问题
交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。
多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。
变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区:一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者像软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换;另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。

本文的主要研究内容
    经过系统的调研和分析，并结合楼宇供水情况，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器（内置PID）拖动多台电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。具体而言，论文包括以下内容:
    1.对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。
    2.从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。
3.PID算法在变频横压供水系统中的应用及如何选择变频器。
4. 通过对可编程控制器PLC的端口介绍及软件分析为本论文的PLC选择提供依据，并保证系统能有效的进行工作。
    5.介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。

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目录

第1章  绪论 1
    1.1  课题来源及研究意义 1
1.2  水泵调控技术 1
1.2.1  调速节能分析 1
1.2.2  常用的调速方式 2
1.3  主要研究内容 4
1.3.1  多泵恒压供水的关键问题 4
1.3.2  本文的主要研究内容 4
1.4  本章小结 5
第2章  变频调速恒压供水系统能耗机理分析 6
    2.1  水泵理论及水泵工况点确定的研究 6
      2.1.1  水泵的工作参数 6
      2.1.2  水泵基本性能曲线 8
      2.1.3  水泵理论工况点的确定 9
    2.2  水泵工况的调节 10
    2.3  变频调速恒压供水系统能耗机理分析 12
      2.3.1  水泵工况的调节过程 12
      2.3.2  水泵工况调节与传统节流调节能耗之比较 12
      2.3.3  调速范围的确定 13
    2.4  本章小结 14
第3章  内置PID变频频器 15
    3.1  PID控制及其调节规律 15
      3.1.1  经典PID控制及调节 15
      3.1.2  数字PID控制 16
    3.2  数字PID控制器的设计 17
    3.3  本系统内置PID变频器选择 17
      3.3.1  变频器输入输出接口 17
      3.3.2  变频器的外围设备选择 17
    3.4  变频调速恒压系统的基本特点 20
    3.5  本章小结 21
第4章  可编程控制器PLC 22
    4.1  PLC的定义 22
    4.2  PLC的发展阶段及发展方向 22
    4.3  PLC的特点与应用领域 23
      4.3.1  可编程序控制器的特点 23
      4.3.2  可编程序控制器与继电器控制系统的比较 24
      4.3.3  可编程序控制器的应用领域 24
      4.3.4  PLC在现代自动控制系统应用中所面临的问题 25
    4.4  我国常用PLC的性能比较研究 25
      4.4.1  PLC的一般结构 25
      4.4.2  PLC基本工作原理 26
    4.5  我国常用PLC的性能特点 27
      4.5.1  SIMATIC S7系列PLC 27
      4.5.2  S7-200系列可编程序控制器 27
      4.5.3  PLC控制系统设计内容 28
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      4.5.4  PLC控制系统设计步骤 29
      4.5.5  PLC控制系统的硬件设计 29
    4.6  PLC控制系统的软件设计 31
      4.6.1  PLC软件设计概述 31
      4.6.2  软件设计 31
      4.6.3  PLC程序设计的常用方法 32
      4.6.4  PLC程序设计步骤 33
    4.7  本章小节 35
第5章  变频调速恒压供水系统设计 36
    5.1  系统的方案设计及工作过程 36
      5.1.1  系统的方案设计 36
      5.1.2  系统控制方案研究 36
    5.2  控制系统硬件设计 37
      5.2.1  主电路设计 37
      5.2.2  控制电路设计 38
      5.2.3  PLC配置 38
      5.2.4  基于S7-200楼宇恒压供水系统的控制电路 39
    5.3  本系统程序设计 40
      5.3.1  PLC程序设计 40
      5.3.2  设置切换延时时间 41
      5.3.3  确保触点互锁 41
      5.4  本章小节 41
参考文献 42
致谢 44
附录 45