摘要本論文在分析了供水自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎上，結(jié)合我國城市供水的現(xiàn)狀，設計了一套以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎的恒壓供水系統(tǒng)。本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎，采用了PLC進行邏輯控制，采用變頻器進行壓力調(diào)節(jié)，變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)的核心部件，時刻跟蹤管網(wǎng)與給定壓力的偏差變化，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運算通過PLC控制變頻與工頻切換，自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水，在保持恒壓下達到控制流量目的。以PLC為主機的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。本文從系統(tǒng)的整體設計方案和實際需求進行分析，緊密的聯(lián)系實際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，解決實際中問題，保證供水安全、快捷、可靠。關鍵詞：恒壓供水；變頻器；PLC。目 錄第一章、緒論11.1變頻恒壓供水的目的和意義11.2恒壓供水系統(tǒng)特點11.3系統(tǒng)應用范圍21.4恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略21.5節(jié)能原理21.6投資回報及效益分析3第二章、變頻調(diào)速技術(shù)概述32.1變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應用42.2變頻器工作原理42.3ACS510-01系列變頻器概述52.3.1 特點52.3.2 綜合技術(shù)特性6第三章、PLC技術(shù)73.1 PLC技術(shù)的概述73.2 PLC基本組成73.3 西門子S7-200系列PLC概述7第四章、PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能104.1 恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及功能簡介104.2 PID控制的實現(xiàn)方法104.3 主要元器件的選型114.4控制系統(tǒng)方案設計124.4.1 控制系統(tǒng)硬件設計124.4.2 主控電路設計124.4.3 PLC硬件設計134.4.4 控制系統(tǒng)軟件設計16五、結(jié)束語23六、致謝24七、參考文獻25第一章 緒論變頻恒壓供水技術(shù)是80年代后期發(fā)展起來的，自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中也得到了很大的發(fā)展。1.1 變頻恒壓供水的目的和意義小區(qū)用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等零件的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的。圖1恒壓立式變頻供水設備 1.2 恒壓供水系統(tǒng)特點相對與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點突出的體現(xiàn)在以下幾個方面：1.高效節(jié)能：變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。2.恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力都不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3.安全衛(wèi)生：系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取代了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。4.自動運行、管理簡便：新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。5.延長設備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定：使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應。6.占地少、投資回收期短：新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng)占地就非常小可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現(xiàn)了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。1.3系統(tǒng)應用范圍1、自來水廠、加壓泵房。2、居民生活區(qū)、賓館及其它建筑。3、企業(yè)生產(chǎn)用水。4、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)。5、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。1.4恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號(420mA)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應大于實際供水高度，水泵流量總和應大于實際最大供水量。1.5節(jié)能原理水泵為平方轉(zhuǎn)矩負載，即水泵的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率和負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積成正比，因此，水泵的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可知，當要求出水量減少時，可使電機轉(zhuǎn)速降低，而電機轉(zhuǎn)速微量減少，將使功率大幅下降，節(jié)能效果十分明顯。本變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化設計，精心的設備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機始終處于最佳運行狀態(tài)，節(jié)能潛力得到了最大的發(fā)揮。1.6投資回報及效益分析1. 直接效益水泵恒壓供水避免了開關閥門造成的節(jié)流損失和關閉閥門運行時電機所做的無用功，按每年運行300天閥門平均開度80%計算，22kW電機年節(jié)電量可做如下計算:W221-(0.8)324300=7.79萬kWh電費單價按0.40元/kWh計算,全年可節(jié)約電費：M=7.790.40=3.116萬元2. 間接效益(1) 水泵進行變頻調(diào)速改造以后，由于系統(tǒng)采用軟啟動連續(xù)變速運行，減少了對水泵的磨損，大大延長了設備使用壽命和維修周期，減少了維修費用和由此帶來的直接經(jīng)濟損失。(2) 系統(tǒng)采取過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護，避免了因電機燒損而影生產(chǎn)所帶來的直接和間接經(jīng)濟損失。第二章 變頻調(diào)速技術(shù)概述2.1變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應用近幾年來電機調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，應用范圍亦非常廣泛，變頻調(diào)速器（以下簡稱“變頻器”）就是其中的一種，它不僅操作方便，故障率低，且節(jié)能效果明顯，優(yōu)于調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子調(diào)速和液力偶合調(diào)速等。變頻調(diào)速的主要特點如下：(1)體積小，重量輕，可掛墻安裝，不占地面；(2)可手控、遙控，亦可與可編程可控制器、計算機等聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)自控；(3)啟動電流約為電機額定電流的1到1.5倍（電機啟動電流為5倍6倍額定電流），對電網(wǎng)設備沖擊??；(4)具有許多種保護功能（如過壓、欠壓、過流、短路、瞬間停電等）；(5)可減振降噪，延長設備使用壽命正是由于變頻器具有上述特點，不少企業(yè)把變頻器的應用作為一種重要的節(jié)能手段，立窯水泥企業(yè)也不例外，在風機、磨機、泵、計量等諸多系統(tǒng)得到應用2.2變頻器工作原理目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交直交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，它是變頻器的核心電路，由整流回路（交直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直交變換）組成，當然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。 1)整流電路 通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為12001600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。2）濾波電路變頻器的負載屬感性負載的異步電動機，無論異步電動機處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們瞬時的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴重制約變頻器的使用壽命。3）逆變電路 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的功率開關器件的導通與關斷，就可以得到一定范圍內(nèi)任意頻率的三相交流輸出。通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護功能。模塊的典型開關頻率為20KHz，保護功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。逆變電路中都設置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當頻率下降時，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當位于同一橋臂上的兩個開關，同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設有緩沖電路等各種相應的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進行保護。2.3 ACS510-01系列變頻器概述 ACS510 傳動應用于廣泛的工業(yè)領域，適用各類型負載。 ACS510還針對風機、水泵應用做了特別的優(yōu)化，典型的應用包括恒壓供水，冷卻風機，地鐵和隧道通風機等等。 2.3.1特點 完美匹配風機水泵 高級控制盤 用于降低諧波的專利技術(shù)：變感式電抗器 循環(huán)軟起 用戶自定義U/F曲線 超越模式 內(nèi)置RFI濾波器作為標準配置，適用于第一和第二環(huán)境 圖2 ABB變頻器型號說明 型號代碼一欄清楚地表明了變頻器的功率容量和外形尺寸。對應你選中的類型代碼，外形尺寸可以用來確定變頻器尺寸。 電壓 ACS510 -01提供的電壓范圍： 380 - 480 V 結(jié)構(gòu) 類型代碼中“01”代表變頻器的安裝方式及功率范圍。圖3 ABB變頻器型號說明2.3.2綜合技術(shù)特性1、輸出頻率范圍：0.00600.00Hz。2、速度控制方式：V/F控制。3、指令通道方式：操作面板、端子控制、遠程通訊控制。4、頻率給定方式：數(shù)字鍵盤給定、模擬量給定（電流、電壓信號）、高速脈沖給定、遠程通訊給定、多段速給定、PLC給定、PID閉環(huán)給定等，可以多種頻率組合和切換。5、起動轉(zhuǎn)矩大：1Hz/150%。6、載波頻率范圍：1.0K15.0KHz。7、速度控制精度：5%最高速度。8、自動電壓調(diào)整（AVR）：當電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒定。9、自動限流：能限制電機電流的最大值，從而可靠地保護變頻器和電機。10、擺頻控制：多種三角波頻率曲線，滿足紡織行業(yè)的個性化需求。11、多功能鍵盤：提供三種快捷調(diào)試模式，滿足用戶的多種應用要求。12、所有的輸入、輸出端子皆為可編程的，方便用戶的使用。13、高速脈沖輸入輸出功能：可實現(xiàn)定長控制和脈沖計數(shù)。第三章 西門子PLC的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理 3.1 PLC技術(shù)的概述可編程程序控制器（programmable controller），因為早期主要應用于開關量的控制，因此也稱為PLC（programmable logic controller），即是可編程邏輯控制器。現(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計算機技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。3.2 PLC基本組成PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。 按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。整體式PLC是將中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是 PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設備的連接。組合式PLC將 CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進行配置與組合。3.3 西門子S7-200系列PLC概述德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應用也相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-200, S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。 西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。1SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡都能實現(xiàn)復雜的控制功能。 S7-200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。 圖4 西門子PLC2SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.60.1s）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復雜的算術(shù)運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復制和修改；S7-300 PLC設有操作方式選擇開關，操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。 3 SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。 S7-400 PLC采用模塊化無風扇的設計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或升級時，只要適當?shù)卦黾右恍┠０澹隳苁瓜到y(tǒng)升級和充分滿足需要。 4 工業(yè)通訊網(wǎng)絡 通訊網(wǎng)絡是自動化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動化網(wǎng)絡平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMATIC NET”是全部網(wǎng)絡系列產(chǎn)品的總稱，他們能在工廠的不同部門，在不同的自動化站以及通過不同的級交換數(shù)據(jù)，有標準的接口并且相互之間完全兼容。 5 人機界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，為用戶提供數(shù)據(jù)、圖形和事件顯示，主要有文本操作面板TD200（可顯示中文），OP3，OP7，OP17等；圖形/文本操作面板OP27，OP37等，觸摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。個人計算機（PC）也可以作為HMI硬件使用。HMI硬件需要經(jīng)過軟件（如ProTool）組態(tài)才能配合PLC使用。 6 SIMATIC S7工業(yè)軟件 西門子的工業(yè)軟件分為三個不同的種類： （1）編程和工程工具 編程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于編程、組態(tài)、模擬和維護等控制所需的工具。STEP 7標準軟件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)編程和維護的項目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的S7-200系列PLC的編程、在線仿真軟件。 （2）基于PC的控制軟件 基于PC的控制系統(tǒng)WinAC允許使用個人計算機作為可編程序控制器（PLC）運行用戶的程序，運行在安裝了Windows NT4.0操作系統(tǒng)的SIMATIC工控機或其它任何商用機。WinAC提供兩種PLC，一種是軟件PLC，在用戶計算機上作為視窗任務運行。另一種是插槽PLC（在用戶計算機上安裝一個PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC與SIMATIC S7系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具（如STEP 7），編制的程序既可運行在WinAC上，也可運行在S7系列處理器上。 （3）人機界面軟件 人機界面軟件為用戶自動化項目提供人機界面（HMI）或SCADA系統(tǒng)，支持大范圍的平臺。人機界面軟件有兩種，一種是應用于機器級的ProTool，另一種是應用于監(jiān)控級的WinCC。 ProTool適用于大部分HMI硬件的組態(tài)，從操作員面板到標準PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成組態(tài)。ProTool/lite用于文本顯示的組態(tài)，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于組態(tài)標準PC和所有西門子HMI產(chǎn)品，ProTool/Pro不只是組態(tài)軟件，其運行版也用于Windows平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。 WinCC是一個真正開放的，面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）軟件，可在任何標準PC上運行。WinCC操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與STEP 7功能集成，可直接進入PLC的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項目開發(fā)時間。它的設計適合于廣泛的應用，可以連接到已存在的自動化環(huán)境中，有大量的通信接口和全面的過程信息和數(shù)據(jù)處理能力，其最新的WinCC5.0支持在辦公室通過IE瀏覽器動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程。S7-200作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務于國內(nèi)的各行各業(yè)。SIMATIC S7-200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。圖5 S7-200 CPU第四章 PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能4.1 恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及功能簡介小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一臺ABB變頻器拖動兩臺7.5KW功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行工作。(1)啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸的上升的頻率和電壓。(2)變頻調(diào)速:根據(jù)供水管網(wǎng)中流量、壓力的變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電動機和水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發(fā)出指令讓1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號水泵退出變頻運行，2號泵自動投入變頻運行。 (3)水泵切換:根據(jù)恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數(shù)，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。(4)故障處理:能對源水位過低，變頻器故障等報警。本系統(tǒng)采用兩套電機水泵對水網(wǎng)進行恒壓供水 ,每臺電機均可工作在變頻方式或工頻方式 ,但變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動一臺電機。變頻調(diào)速器根據(jù)實際水壓的變化 ,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速 ,通過調(diào)節(jié)流量達到恒定水壓的目的。另外 ,可編程序控制器根據(jù)當前水泵的供水情況對其進行合理切換 ,實現(xiàn)最佳匹配。本 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要可以完成的功能有:手動和自動切換功能 ,對電機水泵實現(xiàn)軟啟動，故障報警，報警消鈴功能 。4.2 PID控制的實現(xiàn)方法窗體頂端在供水過程中 ,水泵轉(zhuǎn)速的變化可以調(diào)節(jié)水量 ,但是轉(zhuǎn)速降低 ,流量減小 ,壓力也相應降低 ,為了保證流量并維持一定的供水壓力 ,最大限度地節(jié)約電能 ,我們必須建立閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在水泵的出口側(cè) ,檢測壓力變化 ,一旦偏離設定壓力 ,系統(tǒng)就自動響應 ,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,維持相應壓力下的供水量。該閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng) ,主要由變頻器、可編程序控制器及壓力傳感器組成 。為了使系統(tǒng)更加簡明，本文采用變頻器內(nèi)置PID。其調(diào)節(jié)原理圖如下:窗體底端圖6 PLD調(diào)節(jié)原理圖在供水系統(tǒng)中使用水泵的目的，是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供給適當水壓的水。因此，不論供水量多少，必須控制水泵的壓力恒定。使用變頻調(diào)速的水泵，其壓力控制常采用出口水壓一定控制。壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管內(nèi)，將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號作為反饋信號。變頻器內(nèi)置 PID調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算，其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使出口壓力保持一定。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化，通過變頻器實現(xiàn)自動跟蹤來控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力，以達到高效供水及高效節(jié)能目的。4.3主要器件的選型（1）供水泵的選擇生活供水的水泵電動機選LG系列型號為65LG36的高層建筑多級給水泵，每臺自帶交流電動機7.5KW，380V供電。LG系列泵為立式安裝，電機軸與泵軸通過爪型連軸器聯(lián)接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、占地面積小等優(yōu)點。65LG36型產(chǎn)品特點為：1）水力模型先進：效率高，性能范圍廣；2）更少的運行、維修費用：采用優(yōu)質(zhì)機械密封，耐磨損、無泄漏、使用壽命長，故障率低，具有更少的運行維修費用；3）獨特的部件、降低噪音：獨特的水力部件設計，良好的過流性能，最大地減少流動噪音；4）立式結(jié)構(gòu)，占地面積小。其技術(shù)參數(shù)為：流量：3.0-150m3/h；揚程：20-200m；功率：0.75-132kw；轉(zhuǎn)速：2900r/min；口徑：25-150；溫度范圍：0-180；（2）傳感器選型恒壓供水壓力傳感器，通用壓力變送器，恒壓供水壓力變送器，PTP501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。其技術(shù)參數(shù)如下：量程：0.1150（Mpa）綜合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS輸出信號：420mA（二線制）、05V、15V、010V（三線制）供電電壓：24DCV（936DCV）介質(zhì)溫度：2085環(huán)境溫度：常溫（2085）（3）交流接觸器的選擇該控制系統(tǒng)中的接觸器均選交流接觸器。電機所選用的接觸器主觸頭在主電路中，所以主觸頭通斷負載額定電壓為被控制線路額定電壓AC380V，線圈在控制回路中圈電壓取AC220V。主觸頭額定電流經(jīng)驗公式ICNPN103/KUN；通常KUN取11.4；ICN為主觸頭額定電流（A）；PN為被控制器件額定功率（KW）；通過計算選擇均選為CJ1040型接觸器。（4）中間繼電器的選擇中間繼電器在繼電接觸器系列電控系統(tǒng)中主要具有控制電路傳遞與轉(zhuǎn)換信號，擴大控制路數(shù)，將小功率控制信號轉(zhuǎn)換為大容量的觸頭控制，擴充交流接觸器及其它電器控制作用的功能。變頻器故障輸出電路中KA選用JZ780，其參數(shù)為吸引線圈額定電壓DC24V，額定電流1.6A。（5）熱繼電器的選擇本系統(tǒng)中熱繼電器14FR1，F(xiàn)R2是保護水泵電機過載和斷相保護的元件。一般情況下，可按電動機額定電流選取若繼電器，熱繼電器的整定值為電動機額定電流的0.951.05倍，則生活水泵電機額定電流為2 0A，消防泵電機額定電流為21A。取系數(shù)為1，則熱繼電器的整定值分別為20A，21A。經(jīng)查閱資料，選JR163/20。4.4控制系統(tǒng)方案設計4.4.1 控制系統(tǒng)硬件設計該系統(tǒng)主要由西門子S7-200系列PLC控制器、ABB ACS510-01變頻器、壓力變送器、浮球水位計（開關）、低壓電氣設備及水泵組成。、PLC作為控制單元 ,根據(jù)現(xiàn)場信號和系統(tǒng)工作狀態(tài)控制兩臺水泵的起動和停止 ,控制變頻器的起動和停止 ,變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率 ,改變水泵轉(zhuǎn)速 ,控制管網(wǎng)壓力 ,并將變頻器工作狀態(tài)輸出到PLC。其基本控制框圖如下：圖7 系統(tǒng)基本控制框圖4.4.2 主控電路設計電控系統(tǒng)的主電路2臺電機分別為M1、M2。接觸器KM1、KM3、分別控制電機M1、M2工頻運行，接觸器KM2、KM4、控制電機M1、M2變頻運行。FH1、FH2分別為2臺水泵電機過載保護的熱繼電器，QF10、QF11、QF12分別為變頻器和2臺水泵電機主電路的斷路器，ABB ACS510-01通用變頻器。 圖8 電控系統(tǒng)主電路圖4.4.3 PLC硬件設計該系統(tǒng)采用S7-200 CPU224,12輸入6繼電器輸出一臺，即可滿足用戶供水控制要求。1、輸入輸出點數(shù)的確定在該控制系統(tǒng)中 ,水泵 M1 和M2 可變頻工作也可工頻工作。由接觸器進行切換 ,需占用PLC的四個輸出信號控制。變頻器的運行與關斷 ,由可編程序控制器的一個輸出信號控制。故障報警電鈴占用一個輸出信號，該控制系統(tǒng)共占用 PLC的六個輸出信號 。水管壓力檢測信號占用 PLC的兩個輸入點,以控制整個系統(tǒng)的全線停車;系統(tǒng)分自動和手動兩種工作方式 ,由一個選擇開關控制 ,選擇開關連接 PLC的一個輸入點 ,水池水位檢測信號占用PLC的兩個輸入點，一故障消鈴占一輸入，變頻器故障占一輸入。因此 ,該控制系統(tǒng)中共占用 PLC的12個開關量輸入信號。整個控制系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為17個點。2、輸入輸出點表1輸入輸出點手動SAI0.0SA自動SAI0.1SA變頻輸出I0.2頻率上限I0.3一號手動啟動I0.4SB2一號手動停止I0.5SB1二號手動啟動I0.6SB4二號手動停止I0.7SB3報警復位I1.0SB0一號過載I1.1KA3二號過載I1.2KA4源水位過低I1.3KA1一號變頻運行Q0.0KA12一號工頻運行Q0.1KA11二號變頻運行Q0.2KA13二號工頻運行Q0.3KA14報警電鈴Q0.4HL8自動運行Q0.5KA23. 系統(tǒng)接線圖：圖9 S7-200外圍接線圖圖10 順序流程圖4.4.4控制系統(tǒng)軟件設計該控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動狀態(tài)和自動狀態(tài)兩種工作方式。選擇手動工作狀態(tài)時 ,可以分別通過按鈕控制兩臺泵在工頻下運行與停止 ,主要用于水泵定期檢修臨時供水。選擇自動工作狀態(tài)時 ,完全由 PLC軟件控制運行。根據(jù)水管網(wǎng)中用水量和壓力變化適時調(diào)整工頻運行的水泵和變頻運行的水泵頻率。圖11 控制電路自動工作時 ,1) PLC 首先利用變頻器軟啟動一臺水泵 ,實現(xiàn)單泵變頻供水,此時 ,安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反饋進變頻器 ,與預先通過變頻器面板設定的給定壓力進行比較 ,通過變頻器內(nèi)部 PID 運算 ,調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。2)在用水高峰期 ,水流量較大 ,變頻器輸出頻率接近工頻 ,而管網(wǎng)壓力仍達不到壓力設定 ,則 PLC將當前工作的水泵由變頻切換到工頻 ,PLC將變頻器切換到另一臺泵 ,由變頻器軟啟動該泵 ,實現(xiàn)一臺工頻、一臺變頻雙泵供水。3）當變頻器故障則系統(tǒng)報警并停止運行，故障復位后系統(tǒng)自動投入運行。4）當水池水位低于水位設定下限時，為防止無水電機空轉(zhuǎn)系統(tǒng)報警停止輸出，當水位達到設定上限時系統(tǒng)自動投入運行。五 結(jié)束語自行設計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,成本低廉，投入運行以來，工作可靠，具有較好的控制效果。主要體現(xiàn)在:（1）系統(tǒng)供水壓力平穩(wěn)，壓力變化在 0.01mpa 以內(nèi);（2）高效節(jié)能，系統(tǒng)有plc和變頻器管理，可有效解決不同用水量時電機輕載或空載時節(jié)能問題;（3）整個系統(tǒng)自動化程度高，不需人員職守，故障時可以自動保護并發(fā)出報警信號。（4）自動水循環(huán)，實現(xiàn)了有效的節(jié)水。另外，系統(tǒng)采用plc控制，容易隨時修改程序，以改變工作狀況，滿足不同控制要求，有較大的靈活性和通用性，有一定的推廣應用價值。六、致謝本研究及畢業(yè)論文是在我的指導老師胡恒錚老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，胡老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在此謹向胡老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學生活的我的舍友們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 七、參考文獻1變頻器世界。2006年4月2廖常出.PLC編程及應用，機械工業(yè)出版社，20023一拖二恒壓供水系統(tǒng)中的PLC與變頻器，變頻器網(wǎng)，20084基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)控制的研究，20085秦鑫,申杰奮,PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),新鄉(xiāng)師范高等?？茖W校學報,2006.36王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術(shù)，北京航空航天大學出版社,20037王兆義.邏輯與可編程控制系統(tǒng)，上海大學出版社，2003年3月8鄒金慧.可編程控制器及其系統(tǒng)，重慶大學出版社，2002年11月9張凱.可編程控制器教程，東南大學出版社，200510高欽和.可編程控制器應用技術(shù)和設計實例，人民郵電出版社，200411周萬珍.PLC分析與設計應用,電子工業(yè)出版社，200412于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設計,清華大學出版社,200113金傳偉,毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用,電子技術(shù)應用,2000 14申桂英,孫斌,馬光.恒壓供水系統(tǒng)的模糊,控制工業(yè)儀表與自動化裝置,2002 15徐德,張明軍,雙泵恒壓供水調(diào)速PLC 控制系統(tǒng).山東工業(yè)大學學報,1998第 25 頁 共 29 頁