1、江西理工大學2014屆畢業設計（論文）第一章 緒論1.1 課題的的產生及其研究意義水是萬物之源，在現實生產生活中不可或缺。在我國水資源和電能短缺的客觀現狀下，節水節能就成為了當前迫切需要進行推廣的。但是，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環用水等幾個方面和供水技術一直比較落后且自動化程度低。主要表現在用水高峰期水的供給量常常低于需求量，水壓降低無法正常供水，但在用水低谷期水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供水供過于求的現象。這樣不僅造成水資源及電能的浪費，同時水壓過高有可能導致輸水管爆裂和用水設備的損壞。在這樣的歷史背景下，恒壓供水控制系統應運而生。1.2 恒壓供水控制系統的國內

2、外研究概況恒壓供水控制系統是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水控制系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生產變頻器(丹佛斯是傳動產品全球五大核心供應商之一)后，隨著變頻技術的發展和變

3、頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水控制功能的變頻器，像瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。目前國內有不少在做變頻恒壓供水工程的公司，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速。對于水管的管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現。在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能

4、達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接PLC和PID調節器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制的研究還是不夠的。因此，有待于

5、進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于居民生活、工業生產中。采用變頻調節以后，系統實現了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應延長，對電網沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調控方式以穩定水壓為目的，各種優化方案都是以水管進口壓力保持恒定為條件，實際上給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內變化。因此這種調控方式縮小了優化范圍，所得到的解為局部最優解，不能完全保證泵站始終工作在最優狀態。變頻調速優于以往的調壓調速、變極調速、串級調速等調速方法，其是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發展前途的電機調速技

6、術.它采用微機控制技術；電力電子技術和電機傳動技術實現了工業交流電動機的無級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。1.3 PLC變頻恒壓供水系統的優點及可行性分析通常變頻恒業供水存在以下6個特點特點：1、節能，可以實現節點20%-40%，能實現綠色用電；2、占地面積小，投入少，效率高；3、配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠；4、運行合理，系統的軟起和軟停，不但消除水錘效應，而且縮短電機軸上的平均扭矩和減少磨損，減少了維修量和維修費用，并且延長水泵的壽命；5、由于變頻

7、恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭；6、通過通信控制，可以實現無人值守，節約了人力物力。第二章 恒壓供水控制系統總體設計方案2.1 變頻恒壓供水系統的特點傳統的供水方式普遍存在不同程度水力、電力資源的浪費；供水系統效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業系統中用水。目前的供水方式朝向高效節能、自動可靠的方向發展，變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是城鄉工業用水的各級加壓系統，居民生活用水的恒壓供水系統中，變頻調速水泵節能效果尤為突出，其優越

8、性表現在：一是節能顯著；二是在開、停機時能減少電流對電網的沖擊以及供水對管網系統的沖擊；三是能減少水泵、電機自身的機械沖擊損耗。變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點:(1) 變頻恒壓供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 (2)變頻調速恒壓供水系統是一個線性系統。由于用戶管網中有管阻、水錘等因素的存在，同時又水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成線性變化。(3)變頻調速恒壓供

9、水系統面向各種各樣的供水系統具有廣泛的通用性，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。(4)變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時時變化的。由于系統中有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化。(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恒定。在故障發生時，執行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。

10、2.2 系統原理及電氣控制要求圖2.1 系統原理結構框圖如圖2.1，整個系統由電機泵組（3臺）、一臺變頻調速器、一臺PLC300和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節水量之用，三臺水泵協調工作以滿足供水需要；變頻供水系統中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋05V電壓信號）或壓力變送器（反饋420mA）；變頻器是恒壓供水系統的核心，通過改變電機的頻率實現電機的無極調速、波動穩壓的效果和各項功能。 圖2.2 變頻恒壓供水構成圖 從原理框圖2.2，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、以及報警裝置

11、等部分組成。（1）執行機構執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網.通常這些水泵包括:變量泵:是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定。定量泵:水泵運行只在工頻狀態，速度恒定，它們用以在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充. （2）信號檢測在系統控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號：水壓信號：它反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制系統的主要反饋信號。報警信號：它反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。（3）控制系統供水控制系統一般安裝

12、在供水系統柜中，包括供水控制器（PLC系統）、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器：它是整個變頻恒壓控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構（即水泵）進行控制。變頻器：它是對水泵進行轉速控制單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換等。(4)人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用

13、者可以更改設定壓力，修改一些系統設定。（5）通訊接口通訊接口是本系統的一個重要組成部分，通過該接口，系統可以和組態軟件以及其他的工業監控系統進行數據交換。（6）報警裝置作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等造成的故障，因此系統必須要對各種報警量實時反饋，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。2.3 系統設計 系統主電路圖如下： 圖2.3 主電路圖由圖2.3可以看出，合上空氣開關，供水系統投入運行。PLC

14、中程序首先接通KM6，并起動變頻器。根據壓力設定值（根據管網壓力要求設定）與壓力實際值（來自于壓力傳感器）的偏差進行PID調節，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實現恒壓控制。同時變頻器在運行頻率器的運行頻率是否到達信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵（或第3臺泵）。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下一臺泵變頻運行。此時PID會繼續通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓設定值的上、下限

15、偏差范圍之內。增泵工作過程：假定增泵順序為1、2、3泵。開始時，1泵電機在PLC控制下線投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力設定時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩定運行后，如果供水壓力仍沒達到設定值，則需進入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接，控制2泵投入調速運行。如果還沒有達到設定值，則繼續按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當供水壓力大于設定值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，

16、當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于設定值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續減泵工作過程。 2.4 控制思想 本設計的程序流程圖如下，啟動系統后首先判斷報警信號是否有效，有效則停泵和報警輸出，無效則設定水壓設定，如果設定水壓等于實際水壓則無其他操作，如果實際水壓大于設定水壓執行降壓控制，反之，執行升壓控制。圖2.4 變頻恒壓供水系統控制流程圖 第三章 系統硬件組成及選型本設計中，變頻恒壓供水系統它主要是由西門子PLC300、變頻器、觸摸屏、壓力傳感器、以及3臺水泵等組成。用戶通過觸摸屏上的控制畫面和趨勢試圖來了解和控制

17、系統的運行。3.1 PLC可編程控制器是60年代末在繼電器系統上發展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC。可編程控制器的產生和發展與繼電器控制系統有很大的關系。繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，但在復雜的控制系統中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發生變化的場合。由此，產生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應工業環境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業控制器，是當代工業自動化的主要支柱之一。可編程控制器具

18、有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅動能力，但它的產品并不針對某一具體工業應用，其靈活標準的配置能夠適應工業上的各種控制。在實際應用中，其硬件可根據實際需要選用配置，其軟件則需要根據要求進行設計。圖3.1 PLC的硬件結構框圖可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術計算機技術和通信技術的發展，以及工業自動化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯網通信上，都有很大的提高。現在的PLC已不只是開關量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協會

19、(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmable Controller)，簡稱PC，但是為了和個人計算機(Persona1 Computer)的簡稱PC相區別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC。3.1.1 PLC在恒壓供水系統中的任務(1) PLC用來調節水壓的給定值和反饋值。而且，在PLC產生之前，用調節器設定PID參數，一個傳統的調節器只能達到一路控制，用PLC作為調節器，只要在PLC里設定相應的數字參數便可實現多路PID控制。(2)控制多個水泵的運行及切換。在恒壓供水系統中，由于需要根據管網水壓的大小來改變水泵的運行狀態，PLC的輸出繼電器就是控制多個水泵之間的工頻/

20、變頻切換以及水泵的啟停控制。(3)變頻器的驅動。在系統中，管網水壓等信號量都屬于模擬量，所以在PLC主機外需要擴展一個模擬量輸入輸出模塊。利用該模塊輸入壓力傳感器發來的信號并轉化為模擬信號，將這個輸出的值與給定值和反饋值比較，并將比較結果經PLC的PID模塊FB41處理轉換后由模擬量輸出模塊輸出模擬量，進而控制變頻器的運行。3.1.2 PLC的選型本次設計任務書中要求使用西門子PLC S7-300，因此接下來是以S7-300PLC為例介紹的。S7-300PLC具有其他型號PLC的所有優點，且在本設計中由于需要實時采集管網水壓信號，因此，需要模擬量輸入輸出模塊；而PLC S7-300有此模塊FC

21、105FC106。PLC S7-300還具有內置PID模塊FB41。因此，選擇PLC S7-300可以不用另外再選擇PID模塊。3.2 變頻器3.2.1 變頻器的構成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統等。 圖3.2 變頻器的構成圖1.主電路：給異步電動機提供調壓

22、調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖3.2所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。（1）整流器最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.2所示，它把工頻電源變換為直流電源。可用兩組晶體管交流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。（2）平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。

23、裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。（3）逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據PWM控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。（4）制動回路異步電動機在再生制動區域使用時（轉差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。2.控制電路：給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱為

24、控制電路。如圖3.2所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。在圖3.2點劃線內，僅以控制電路A部分構成控制電路時，無速度檢測電路，為開環控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環控制。控制電路主要包括：（1）運算電路將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。（2）電壓/電流檢測電路與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。 （3）驅動電路為驅

25、動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。（4）速度檢測電路 以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。（5）保護電路檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：（1）逆變器保護1）瞬時過電壓保護。由于逆變器負載側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉。2）過載保護。逆變器輸出電流超過額定值，且持續流通達規定的時間以上，為了

26、防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉。恰當的保護需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉而產生的。3）再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值。可以采取停止逆變器運轉或停止快速減速的辦法，防止過電壓。4）瞬時停電保護。對于數毫秒以內的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉。5）接地過電流保護。逆變器負載側接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，

27、需要轉設漏電斷路器。6）冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動機的保護1）過載保護。過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度傳感器，或者利用轉在逆變器內的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規定值時，停止逆變器運轉。（3）其他保護1）防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續進行（失速）。所以，在負載電流減

28、小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過電流，也進行同樣的控制。2）防止失速再生過電壓。減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。3.2.2 變頻器型號選擇變頻器產品說明書都提供了標稱功率數據，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數，因此，直接按照變頻器標稱功率進行選擇，在實踐中可能會行不通。根據具體工程情況，可以有幾種不同的變頻器規格選擇方式。1.按照標稱功率選擇一般而言，按照標稱功率選擇只適合作為初步投資估算依據，在不清楚電動機額定電流時使用，比如電動機型號還沒有最后確

29、定的情況。作為估算依據，在一般恒轉矩負載應用時可以放大一級估算，例如，90KW電動機可以選擇110KW變頻器。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如，90KW電動機可以選擇185KW變頻器。2.按照電動機額定電流選擇對于多數的恒轉矩負載新設計項目，可以按照這個方式選擇變頻器規格： IevfK1Ied (3-1)式中，Ievf 是變頻器額定電流；Ied是電動機額定電流；K1是電流裕量系數，根據應用情況一般可取為1.051.15，一般情況可取小值，在電動機持續負載率超過80%時，則應該取大值，因為多數變頻器的額定電流都是以持續負載率不超過80%來確定的。另外，啟動停止頻繁的時候也應該考

30、慮取大值，這是因為啟動過程以及有制動電路的停止過程電流會短時超過額定電流，頻繁啟動停止則相當于增加了負載率。3.按照電動機實際運行電流選擇這個方式用于改造工程，對于原來電動機已經處于大馬拉小車的情況，可以選擇功率比較合適的變頻器以節省投資： IevfK2Id (3-2)式中，K2是電流裕量系數，考慮到測量誤差，可取K2=1.11.2，在頻繁啟動停止時應該取大值；Id是電動機實測運行電流，指的是穩態運行電流，不包括啟動、停止和負載突變的動態電流，實測時應該針對不同工況作多次測量，取其中最大值。 4.按照轉矩過載能力選擇變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉矩過載能力低，因此，按照常規配備變頻器時電

31、動機轉矩過載能力不能充分發揮作用。由于變頻器能夠控制在穩定轉矩下持續加速直到全速運行，因此，平均加速度并不低于直接啟動的情況，一般應用中沒有什么問題。通過上述論述和系統要求，決定選用富士公司的P11S系列變頻器P11S。系列是風機泵用標準系列，采用高性能和多功能的理想結合動態轉矩矢量控制，能在各種運行條件下實現對電動機的最佳控制。動態轉矩矢量控制是一種先進的驅動控制技術10。3.2.3 開關指令信號的輸入變頻器的輸入信號中包括對運行、停止，正轉、反轉、微動等運行狀態進行操作的開關型指令信號(數字輸入信號)。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關特性的元器件(如晶體管)與PLC連接，獲取運

32、行狀態指令。使用繼電器接點時，常因接觸不良而帶來誤動作;使用晶體管進行連接時，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統的可靠性。在考慮變頻器的輸入信號電路時還應該注意到，當輸入信號電路連接不當時有時會造成變頻器的誤動作。如當輸入信號電路采用繼電器等感性負載，繼電器開閉時產生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作，應該盡量避免，這時可以考慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。3.2.4 變頻器與PLC的連接 圖3.3 變頻器與PLC連接圖變頻器與PLC的連接如主電路圖所示，其中變頻器各端子功能如下：R,S,T端子為主電路的電源輸入端子，連接三相電源，不需考慮連接相序；U,S,W端

33、子為變頻器輸出連接端子，連接三相電機水泵，如電機轉動方向不對，則可交換其中的任意兩相；G端子為接地端子；端子11為模擬輸入信號的公共端子；端子12為設定電壓輸入端，輸入PID控制的反饋信號，以此來設定頻率；FWD端子為正轉運行/停止命令 端子，端子FWD-CM間：閉合（ON），正轉運行；斷開（OFF），減速停止，此端子有PLC輸出點控制；接點輸入公共端CM為接點輸入信號的公共端子；X1為選擇輸入1端子，作為報警復位命令信號端子；Y1、Y2為晶體管輸出1端子與晶體管輸出2端子，為水位上限與下限報警端子；晶體管輸出公共端CME，為晶體管輸出信號的公共端子，端子CM和11在變頻器內部相互絕緣；可選信

34、號輸出繼電器端子Y5A,Y5C,為變頻器報警輸出端子。3.3 外圍設備選型表3.1外圍設備參數表序號名稱型號1電磁閥VF5-50/702接觸器CJ25-10/CJ25-153熱繼電器JR16B-60/3D4液位傳感器LSF-35壓力傳感器CY-YZ-10013.3.1 電磁閥的選型(1)入罐液體選用VF5-50型電磁閥。其中“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，5表示設計序號，50表示口徑（mm）寬度。相關元件主要技術參數及原理如下：材質：聚四氟乙烯。使用介質：硫酸、鹽酸、有機溶劑、化學試劑等酸堿性的液體；使用電壓：AC:220V 50Hz/60Hz DC:24V；功率：AC: 2.5KW；介質

35、溫度150/環境溫度-2060；操作方式：常閉：通電打開、斷電關閉，動作響應迅速，高頻率。（2）出罐液體選用AVF-70型電磁閥。其中“A”表示可調節流量，“V”表示電磁閥，“F”表示防腐蝕，70表示口徑（mm）寬度。相關元件主要技術參數及原理如下：其最大特點就是能通過設備上的按鍵設置來控制流量，達到定時排空的效果；使用電壓：AC: 220V 50Hz/60Hz DC:24V；其閥體材料為：聚四氟乙烯，有較強的抗腐蝕能力；功率：AC: 5KW。3.3.2 接觸器的選型選用CJ25-10/CJ25-15型接觸器其中“C”表示接觸器，“J”表示交流，25表示設計編號，10/15為主觸頭額定電流。相

36、關元件主要技術參數及原理如下：操作頻率為1200/h；機電壽命為1000萬次；主觸頭額定電流為10/15(A)；額定電壓為380/220(V)；功率為2.5KW。3.3.3 熱繼電器的選型選用JR16B-60/3D型熱繼電器其中“J”表示繼電器，“D”帶斷相保護。相關元件主要技術參數及原理如下：額定電流為20(A)；熱元件額定電流為32/45(A)。3.3.4 液位傳感器的選型選用LSF-3型液位傳感器其中“L”表示是光電的，“S”表示傳感器，“F”表示是防腐蝕的，3為最大工作壓力。LSF系列液位開關可提供非常準確、可靠的液位檢測。其原理是依據光電反射折射原理，當沒有液體時，光被前端的凌鏡面或

37、球面反射回來；有液體覆蓋光電探頭球面時，光被折射出去，這使得輸出發生變化，相應的晶體管或繼電器動作并輸出一個開關量。應用此原理可制作成單點或多點液位開關。LSF光電液位開關具有較高的適應環境的能力，在耐腐蝕方面有較好的抵抗能力。相關元件主要技術參數及原理如下：（1）工作溫度上限為125；（2）工作壓力3Mpa；（3）觸點容量為70W；（4）觸點壽命為100萬次；（5）切換電流為0.5A；（6）開關電壓為DC24V。3.3.5壓力傳感器壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應原理實現壓力測量的力電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏

38、感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標的要求。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為283V（DC）。3.4 電機的選型 選用EJ15-3型電動機 其中“E”表示電動機，“J”表示交流的，15為設計序號，3為最大工作電流。 相關元件主要技術參數及原理如下：EJ15系列電動機是一般用途的全封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動機。額定電壓為220V，額定頻率為50HZ，功率為2.5KW，采用三角形接法。電動機運行地點的海拔不超過1000M。工作溫度-1540/濕度90%。EJ

39、15系列電動機效率高、節能、堵轉轉矩高、噪音低、振動小、運行安全可靠。其硬件接線如圖3.4： 圖3.4電機硬件接線圖第四章 系統PLC程序設計及SETP7編程 4.1 S7-300系列PLC簡介S7-300PLC是西門子公司于20世紀90年代中期推出的新一代PLC，采用模塊化結構設計，用搭積木的方式來組成系統。S7-300屬于中小型PLC，很強的模擬量處理能力和數字運算處理，有許多過去大型PLC才有的功能，其掃描速度甚至超過了許多大型PLC。S7-300PLC功能強、速速快、擴展靈活，它具有緊湊的、五槽位限制的模塊化結構S7-300PLC采用U型背板總線將各模塊連接起來，可利用MPI、PROF

40、IBUS和工業以太網組成網絡。使用STEP7組態軟件可以對硬件進行組態和設置，CPU的智能化診斷系統可連續監控系統功能并記錄錯誤和特定的系統事件，多級口令保護殼使用戶有效保護其專用技術，防止未允許的拷貝和修改。4.1.1 S7-300PLC的組成1.導軌導軌（BACK）是安裝S7-300各類模塊的機架，S7-300采用背板的方式將各模塊從物理上和電氣上連接起來。2.中央處理器（CPU）與通用計算機的CPU一樣，PLC中的CPU也是整個系統的核心部件。主要有運算器、控制器、寄存器及實現他們之間聯系的地址總線、數據總線和控制總線構成，此處還有外圍芯片、總線接口以及有關電路。CPU在很大程度上決定了

41、PLC的整體性能，如整個系統的控制規模、工作速度和內存容量等。3.電源模塊電源模塊（PS）用于將220V電源轉換為DC24V電源，供CPU和I/O模塊使用。額定輸出電流有2A、5A、10A三種，過載時模塊上的LED閃爍。4.信號模塊信號模塊（SM）是數字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內部的信號電平匹配，信號模塊主要有數字量輸入模塊SM321和數字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。模擬量輸入模塊可輸入熱電阻、熱電偶、DC-（4-20）ma和DC-（0-10）V等多種不同類型和不同量程的模擬信號。5.功能

42、模塊功能模塊（FM）主要用于對實時性和存儲容量要求的控制任務，例如，FM-350-1、FM350-2計數器模塊等。6.通信處理器通信處理器（CP）用于PLC之間、PLC與計算機和其它智能設備之間的通信，可將PLC接入PROFIBUS-DP、AS-I和工業以太網，或用于實現點對點通信等。7.接口模塊接口模塊（IM）用于多機架配置是連接主機架（CR）和擴展機架（ER）。4.1.2 S7-300的系統結構S7-300系列PLC是模塊化結構設計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統結構如圖3-1-3所示。圖4.1 S7-300系統結構圖各個模塊功能如下介紹：SM321:數字量輸入模塊；將現場過

43、程送來的數字信號電平轉換成S7-300內部信號電平。SM322:數字量輸出模塊；將內部信號電平轉換成過程所要求的外部信號電平，可直接驅動電磁閥、接觸器、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。 SM331:模擬量輸入模塊；主要由A/D轉換部件、模擬切換開關、補償電路、恒流源、光電隔離和邏輯電路等組成。 SM332:模擬量輸出模塊；SM332與負載/執行裝置的連接：SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。 PS307:電源模塊；PS307是西門子公司為S7-300專配的DC24V電源。安裝時，插槽1為電源模塊，中央機架（0號機架）的插槽2為CPU模塊，CPU必須緊靠電源模塊，對電源和CPU兩塊模塊不分

44、配地址。插槽3為接口模塊，用于連接擴展機架，即使不使用接口模塊，CPU中也給接口模塊分配邏輯地址。插槽4-11可自由分配給信號模塊、功能模塊和通信模塊。4.2 PLC I/O點及地址分配圖4.2 PLC I/O點及地址分配圖PLC的接線所示，根據控制系統的要求，控制系統應具備的輸入/輸出點數，名稱及地址編號如下表3.1所示。表4.1 I/O點及地址分配名稱地址編碼名稱地址編碼輸入信號輸出信號水位上限I0.01號水泵工頻運行Q0.0水位下限I0.11號水泵變頻運行Q0.1變頻器報警I0.22號水泵工頻運行Q0.2消鈴按鈕I0.32號水泵變頻運行Q03試驗按鈕I0.43號水泵工頻運行Q0.4變頻器

45、啟動I0.4高低液位報警Q0.5變頻器停止I0.5變頻器報警Q0.6報警聲Q0.74.3 系統硬件組態 本系統硬件包括電源模塊、控制模塊、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊。現對所有硬件設置如下組態。圖4.3系統硬件組態圖（一） S7-300電源模塊選用型號為PS305 5A；訂貨號：6ES7 307-1EA00-0AA0。PS307是西門子公司為S7-300專配的DC24V電源。PS307系列模塊除輸出額定電流不同外（有2A、5A、10A三種），其工作原理和各種參數都一樣。此模塊通過下列方式分擔CPU的任務:直接連接增量編碼器、通過集成數字輸入端直接連接門控信號、比較功能和通過集成數字輸

46、出端輸出響應、模塊給編碼器供電。（二） S7-300 CPU模塊選用型號：CPU315-2 DP訂貨號：6ES7 315-2AH14-0AB0。它的功能塊數量：192個FC，192個FB，255個DB，計數器64個，定時器128個等。它有四種工作方式，通過可卸的專用鑰匙來控制選擇。（1）RUP-P：可編程控制。（2）RUN：運行方式。（3）STOP：停止方式。（4）MRES：清除存儲器。（5）SF：系統出錯（6）BATF：電池故障指示燈。（7）DC5V：+5V電源指示燈。（8）FRCE（黃色）：強制有效指示燈。（9）RUN（綠色）：運行狀態指示燈。（10）STOP（黃色）：停止狀態指示燈。（三

47、） S7-300CPU 數字量輸入/輸出模塊數字量輸入模塊將現場過程送來的數字信號電平轉換成S7-300內部信號電平。對現場輸入元件，僅要求提供開關觸點即可。輸入信號進入模塊后，一般都經過光電隔離后輸入緩沖器等待采樣。數字量輸出模塊是將內部信號電平轉換成過程所要求的外部信號電平，可直接驅動電磁閥、接觸器、交流輸出模塊和交直流兩用輸出模塊。（四） S7-300 的模擬量輸入/輸出模塊 型號：AI8x12Bit/AO4x12Bit；訂貨號：6ES7 331-7KF02-0AB0/6ES7 332-5HD01-0AB0。輸入/輸出模塊統稱為信號模塊(SM)。包括數字量（或稱開關量）輸入模塊、數字量輸

48、出模塊、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。S7-300 的輸入/輸出模塊的外部接線接在插入式的前連接器的段子上，前連接器插在前蓋后面的凹槽內。不需要斷開前連接器上的外部接線，就可以迅速地更換模塊。第一次插入連接器時，有一個編碼元件與之嚙合，這樣該連接器就只能插入同樣類型的模塊中。本設計所用到的S7-300 的模擬量I/O模塊是模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。本設計用到的SM331模塊為4通道組8點輸入，與傳感器接線方式為四線制，輸入為420mA電流信號。SM332模塊為4通道組4點輸出，分辨率為16位，支持同步模式，輸出為420mA

49、電流信號。4.4 S7-300 的量程轉換模塊 在PID控制中，PLC采集到的實際值要與設定值進行比較，然而設定值為實際的工程量，而采集值為電流信號，無法進行比較，所以這里涉及到量程轉換的問題，需要用到模塊FC105與模塊FC106，具體過程如下：壓力變送器輸出420mA電流信號到SM331模擬量輸入模塊，SM331模塊將該信號轉換成027648的整形數，然后在程序中要調用FC105將該值轉換成010.0（MPa）的工程量（實數），經PID運算后得到的結果仍為實數，要用FC106轉換為整形數027648后，經SM332模擬量輸出模塊輸出420mA電流信號到變頻器。FC105是處理模擬量（15V

50、、420MA等常規信號）輸入的功能塊，在step7中，給各個管腳輸入地址；如下：圖4.4.1 FC105模塊圖 其中，管腳的定義如下：IN-模擬量模塊的輸入通道地址，在硬件組態時分配；HI_LIM-現場信號的最大量程值；LO_LIM-現場信號的最小量程值；BIPOLAR極性設置，如果現場信號為+10V-10V（有極性信號），則設置為1，如果現場信號為4MA20MA（無極性信號）；則設置為0；OUT-現場信號值（帶工程量單位）；信號類型是實數，所以要用MD200來存放；RET_VAL-FC105功能塊的故障字，可存放在一個字里面。如：MW50；FC106是處理模擬量（15V、420MA等常規信號

51、）輸出的功能塊，在step7中，給各個管腳輸入地址；如下： 圖4.4.2 FC106模塊圖 其中，管腳的定義如下：IN-模擬量模塊的輸入通道地址，在硬件組態時分配；HI_LIM-現場信號的最大量程值；LO_LIM-現場信號的最小量程值；BIPOLAR極性設置，如果現場信號為+10V-10V（有極性信號），則設置為1，如果現場信號為4MA20MA（無極性信號）；則設置為0；OUT-現場信號值（帶工程量單位）；信號類型是實數，所以要用MD200來存放；RET_VAL-FC105功能塊的故障字，可存放在一個字里面。如：MW50；4.5 S7-300 的PID模塊FB41PID模塊是進行模擬量控制的模

52、塊，在工程中可以完成恒壓控制功能，首先分配背景數據塊FB41，再給各個管腳輸入地址；如下： 圖4.5 FB41模塊圖4.6 PID模塊4.6.1 PID控制PID控制方式是現代工業控制中應用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖4.6所示。圖4.6 PID控制原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值r(t)與實際輸出值y(t)構成的控制偏差12 e(t)=y(t)一r(t) （4-1）將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。PID控制器各個部分的作用及其在控制中的調節規律如下：1、比例增益部分(P)用于保證控制量的輸出含有與系統偏

53、差成線性關系的分量，能夠快速反應系統輸出偏差的變化情況。由經典控制理論可知，比例環節不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數的增大而減少，但比例系數過大將導致系統不穩定。2、積分部分(I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統偏差的大小有關，還與偏差持續的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發生改變，實現對被控對象的調節，直到系統偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統的靜態偏差，提高精度，改善系統的靜態特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統的偏差變化做出快速反應。3、微分部分(D)可以對輸入的變化趨勢做出反應，即它的輸入

54、與輸出的大小無關，但與輸入量的導數成線性關系。它是用來控制被調量的振蕩，減小超調量，使系統趨向穩定，減小調節時間，用來改善系統的動態特特性。由于微分環節在系統傳遞函數中引入了一個零點，如果使用不當會使系統不穩定。PID的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調節參數，只影響一種調節作用，不會影響其他的調節作用。顯然，對于大多數系統來說，單獨使用上面任意一種控制規律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當的配合，可以使調節器快速、平穩、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統是使用它們的組合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。4.6.2 恒壓供水PID調節過程

55、分析恒壓供水的目的就使要保證供水能力QG適應用水需求QU變化。當供水能力和用水需求之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據壓力的變化，來實現對供水流量的調節，維持供水能力和用水需求之間的平衡。在供水系統中，變頻器、PID控制器、壓力變送器、水泵等構成了一個閉環控制系統，可以對供水能力實現有效的自動調節，從而實現恒壓供水。其實現方法是，首先根據用戶對水壓的要求，給PID控制器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成420mA的模擬電流信號反饋給PLC內置的PID控制器，PID控制器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節量，自動調節變頻器輸出頻率，調節電機轉速，使供水量適應用水量的變化，取得動態平衡，維持水壓不變。其具體調節過程如下：1）穩態運行：當供水能力等于用水需求，目標壓力信號r和壓力反饋信號y相當，偏差e=y-r=0，PID輸出的控制增量u=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉速不變，處于穩態運行。2）用水量增加時：當用水量增加時，用水需求大于供水能力，水壓下降，壓力反饋信號y減小，偏差e=y-r0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。3）當用水量減小時：當用水量減小時，用水需求小于供水能力，水壓上升，壓力反饋信號