1、畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 1 頁 共 40 頁摘摘 要要隨著社會經濟的飛速發展，城市建設規模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、穩定性提出了越來越高的要求.我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作.控制過程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網的壓力和水位變化及時作出恰當的反應。于是選擇一種符合各方面規范、衛生安全而又經濟合理的供水方式，對我們給供水設計帶來了新的挑戰。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態運行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網長期處于超壓運行狀態，曝損也十分嚴重。本論文結合我國中小城市供水廠

2、的現狀，設計了一套基于 PLC 的變頻調速恒壓自動控制供水系統。系統工作可靠，使用方便，壓力穩定，無沖擊等優越性。本設計恒壓變頻供水設備由 PLC、變頻器、傳感器、電動機和水泵等組成。通過 PLC、變頻器、繼電器、接觸器控制水泵機組運行狀態,實現管網的恒壓變流量供水要求。設備運行時,壓力傳感器不斷將管網水壓信號變換成電信號送入PLC,經 PLC 運算處理后,獲得最佳控制參數,通過變頻器和繼電器控制元件自動調整水泵機組高效率地運行。文中詳細介紹了所選 PLC 機、變頻器、傳感器及 PID 算法等的特點、各高級單元的使用及設定情況，給出了系統工作流程圖、程序設計流程圖等。關鍵詞：可編程控制器；變頻

3、器；傳感器；恒壓供水系統。畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 2 頁 共 40 頁AbstractAlong with the social economy rapid development, the urban construction scale unceasing expansion, population increase as well as the people living standard unceasing enhancement, to the city water supply quantity, the quality, the stability set the mor

4、e and more high request. Our country Small and medium-sized town and city Water works in particular old water works automatic control system disposition relative backwardness, units control main dependence attendants manual operation. The controlled process is tedious, moreover the hand control is u

5、nable to the water supply pipe network pressure and the water level change makes the appropriate response promptly.Therefore chooses one kind to conform to various aspects standard, the health safe and also theeconomical reasonable water supply way, gave the water supply design to us to bring the ne

6、w challenge.In order to guarantee the water supply, the unit usually is at the overpressure condition movement, not only the efficiency low, the power consumption is big, moreover the city pipe network is at the overpressure running status for a long time, the insolation damages extremely is also se

7、rious. The present paper unifies our country small and medium-sized town and cities for the water works present situation, has designed a set based on the PLC frequency conversion velocity modulation constant pressure automatic control water supply system.The system work is reliable, the easy to ope

8、rate, the pressure is stable, does not have superiority and so on impact. This design constant pressure frequencyconversion feedwater equipment by PLC, the frequency changer, the sensor, the electric motor and the water pump and so on is composed.Through PLC, the frequency changer, the relay, the co

9、ntact device control water pump unit running status, realizes the pipe network constant pressure variable current quantity water supply request.When the equipment moves, the pressure transmitter transforms the pipe network hydraulic pressure signal the electrical signal to send in unceasingly PLC, a

10、fter PLC operation processing, obtains the optimizing control parameter, through frequency changer and black-white control part automatic control water pump unit high efficiency movement. In the article introduced in detail chooses PLC machine, the frequencychanger, the sensor and the PID algorithm

11、and so on the characteristic, each high-quality unit use and the hypothesis situation, has given the system work flow chart, the programming flow chart and so on. Key word: Programmable controller; Frequency changer; Sensor; Constant pressure water supply system.畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 3 頁 共 40 頁目錄目錄緒論.31、

12、選題背景.51.1、變頻恒壓供水代替傳統恒壓供水的優點.61.2、恒壓供水系統特點.71.3、系統應用范圍.71.4.變頻器在供水方面的發展.72、選題依據.83、PLC 的發展和市場情況.93.1 、PLC 的應用領域.103.2、 PLC 的國內外狀況.103.3、 PLC 未來展望.12第一章 任務分析.121、設計內容：.122、要解決的問題：.123、主要功能與技術指標.123.1、主要功能.123.2、技術指標.13第二章 系統方案設計.131、理論依據.131.1 、PID 的控制原理.131.1.1、PID 控制器的組成及作用.131.1.2、PID 的特點.141.2、變頻調

13、速的原理.141.2.1、變頻器的工作原理.141.2.2、變頻器控制方式.141.2.3 、U/F=C 的正弦脈寬調制（ SPWM ）控制方式.141.2.4、電壓空間矢量（ SVPWM ）控制方式.151.2.5、矢量控制（ VC ）方式.152、方案論證.153、控制方案.183.1、變頻調速恒壓供水系統結構連線圖.183.2、系統原理說明.204、系統方案.204.1、系統工作過程.204.2、三臺電機順序運行方框圖.214.3 系統閉環控制結構圖.22第三章 系統硬件設計.221、主電路設計與器件的選型.221.1、主電路的設計.221.2、元器件的選型.23畢業設計變頻調速恒壓供水

14、論文第 4 頁 共 40 頁1.2.1、斷路器 QF2 的選擇.231.2.2、斷路器 QF1 的選擇.241.2.3、接觸器的選擇.241.2.4、熔斷器的選擇.241.2.5、熱繼電器的選擇.241.2.6、刀開關的選擇.251.2.7、水泵控制閥的選擇.251.2.8、壓力變送器的選擇.261.3、安裝與配線注意事項.272.控制電路的設計與選型.272.1、控制電路的設計.272.1.1、對控制電路的說明.272.2、器件選型.292.2.1、變頻器.292.2.1.1、變頻器頻率范圍的設定.292.2.1.2、變頻器的型號說明.292.2.1.3、變頻器的基本配線圖及其說明.302.

15、2.1.4、變頻器的主電路端子及其功能.312.2.2、可編程控制器（S7-200 CPU222）.312.2.2.1、PLC 的選型.312.2.3、水泵電機的選擇.32第四章 系統軟件設計.321、PLC 輸入輸出口的分配.332、變頻調速恒壓供水系統軟件流程圖.343、變頻器主要功能端子設置.36結論.37參考文獻.38致 謝.39畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 5 頁 共 40 頁緒論緒論1、 選題背景選題背景近年來隨著我國城市建設的迅速發展，各住宅小區，高校以及企業等水用戶對供水品質和安全可靠性的要求不斷提高，為滿足用戶的要求，就需要高效、節能的自動調節供水系統。目前，國內大部分供水

16、泵站采用的是傳統供水工藝，利用恒速水泵，手工操作，人工監控、經驗管理，管網供水量的變化靠大小水泵的搭配開停加上調節閥來滿足。這種傳統的供水系統存在漏失多、耗能高，技術水平低，綜合效率低的缺點。隨著人們生活質量的提高，在生活用水方面的質量要求也越來越高。同時，由于工廠工藝的要求，對供水質量也得出了更高的要求。變頻恒壓供水以其環保、節能和供水質量高等優點在供水行業中越來越得到認同。在城市小區化的發展中，采用以小區或社區為統一整體的供水方案，會使設備的利用率及節能比例大大提高，并減少初始投資和占地面積。 用戶用水量一般是動態的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在

17、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量。恒壓供水系統對于用戶是非常重要的。在生產生活供水時，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響生活質量，嚴重時會影響生存安全，如發生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，用水區域采用恒壓供水系統，能產生較大的經濟效益和社會效益。隨著電力技術的發展，變頻調速技術的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩，起動電流可限制在額

18、定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現節水、節電、節省人力，最終達到高效率的運行目的。一般住宅建筑供水可分為三種方式：傳統方式，將水輸送到水塔或水箱，依靠自流的方式供給用戶，這種方式水壓波動大且水質容易受到污染；又水塔占地面積大，高位水箱一般建于樓頂，它雖然避免了水塔占地面積大的缺點，但是又人為地增加了樓房的重量，使建筑設計及樓房造價提高。氣壓罐供水，將水輸送到氣壓罐，依靠氣壓罐內氣體的壓力將水輸送到畢業設計變頻調速恒壓供水論

19、文第 6 頁 共 40 頁用戶，這種方式水壓波動范圍是氣壓罐的上限和下限，供水用戶較多時應選用較大的氣壓罐，電機頻繁啟動，容易損壞電機。變頻調速恒壓供水，這種方式現在比較流行，系統具有節能、安全、高品質供水質量的特點，可以很好地解決傳統供水方案所存在的問題，電機起（制）動平衡，占地少。但是從許多正在運行中的泵房來看，絕大部分都達不到理想效果，尤其是在夜間小流量供水時，系統不能切換到副泵及氣壓罐供水，部分泵房即使能夠切換成功，但也因系統配置不當導致系統重新切換至主泵供水，這樣就影響了整個系統的節能性。為了使變頻調速恒壓供水系統正常節能運行，本文主要利用通用變頻器，PLC 和 PID 調節器進行設

20、計。通常在同一路供水系統中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據壓力反饋信號，通過 PID 運算自動調整變頻器輸出頻率，改變電動機轉速，最終達到管網恒壓的目的，就一個閉環回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，本設計就是采用第一種方式進行控制。1.1、變頻恒壓供水代替傳統恒壓供水的優點、變頻恒壓供水代替傳統恒壓供水的優點1)變頻恒壓供水能自動 24 小時維持恒定壓力，并根據壓力信號自動啟動備用泵，無級調整壓力，供水質量好，與傳統供水比較，

21、不會造成管網破裂及開水籠頭時的共振現象。2)避免了泵的頻繁啟動及停止，而且啟動平滑，減少了電機水泵的啟動沖擊，增加了電機水泵的使用壽命，也避免了傳統供水中的水錘現象3)傳統供水中設計有水箱，不但浪費了資金，占用了較大的空間，而且水壓不穩定，水質有污染，不符合衛生標準，而采用變頻恒壓供水，此類問題也就迎刃而解了。4)采用變頻恒壓供水，系統可以根據用戶實際用量，自動進行檢測，控制馬達轉速，達到節能效果。避免了水塔供水無人值班時，總要開啟一個泵運行的現象，節省了人力及物力5)變頻恒壓供水可以自動實現多泵循環運動功能，延長了電機水泵的使用壽命。6)變頻恒壓供水系統保護功能齊全，運行可靠，具有欠壓、過流

22、、過載、過熱、缺相、短路保護等功能。一般地說，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內的電子熱保護功能是難畢

23、業設計變頻調速恒壓供水論文第 7 頁 共 40 頁以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。在主要功能預置方面，最高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時間在采用 PID 調節器的情況下，升、降速時間應盡量設定的短一些，以免影響由 PID 調節器決定的動態響應過程。如變頻器本身具有 PID 調節功能時，只要在預置時設定 PID 功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效。1.2、恒壓供水系統特點、恒壓供水系統特點1)節電：優化的節能控制軟件，使水泵實現最大限度地節能運行；2)節水：根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象；3)

24、運行可靠：由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網沖擊、避免管網壓力超限，管道破裂。4)聯網功能：采用全中文工控組態軟件，實時監控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網壓力及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統計。5)控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。6)自我保護功能完善：如某臺泵出現故障，主動向上位機發出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統出現故障，用戶可以直接操作手動系統，以保護供水。1.3、系統應用范圍、系統應用范圍采用變頻恒壓供水，具有高效節能，壓力穩定，運行可

25、靠，操作簡單，安裝方便，占地少，噪音低，無污染，投資低，效益高等優點。特別適用于：1) 自來水廠、加壓泵房；2) 居民生活區、賓館及其它建筑；3) 企業生產用水；4) 鍋爐循環水系統；5) 工礦生產企業；6) 農田灌溉系統。變頻恒壓供水系統采用一電位器設定壓力（也可采用面板內部設定壓力），采用一個壓力傳感器（反饋為 420mA）檢測管網中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器 PID 回路，PID 回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制馬達轉速。如在一定延時時間內，壓力還是不足或過大，則通過 PLC 作工頻/變頻切換，使實際管網壓力與設定壓力相一致。另外，隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出

26、頻率，達到了節能的目的。畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 8 頁 共 40 頁1.4.變頻器在供水方面的發展變頻器在供水方面的發展由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調節器給出的，所以對可編程控制器來計時，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊 PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控

27、制器和一個 PID 回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。2、選題依據、選題依據一般規定城市管網的水壓只保證 6 層以下樓房的用水，其余上部各層均須 “提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統的水塔、高位水箱，或氣壓罐式增壓設備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結果增大了水泵的軸功率和能量損耗。 自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品

28、質的供水質量等優點，使我國供水行業的技術裝備水平從 90 年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。 新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度

29、等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。恒壓供水調速系統的這些優越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。 目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列化的方向發展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮建設成片開發智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。 在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。雖然單泵產品系統設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低，而多泵型產品投資更為節省，運行效率高，被實際證明是最優的系統設計，很快發展成

30、為主導產品。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，使供畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 9 頁 共 40 頁水行業的技術裝備水平從 90 年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。變頻恒壓供水自動控制系統工作原理如下：系統正常運行時，用戶用水管網上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數據采樣，并將壓力信號轉換為電信號，傳輸至 PID 調節器，然后與用戶設定的壓力值進行比較和運算，并將比較和運算的結果

31、轉換為頻率調節信號和水泵啟動臺數信號分別送至變頻器和可編程控制器（PLC）；變頻器據以調節水泵電機的電源頻率，進而調整水泵的轉速；可編程控制器械根據 PID 調節器傳輸過來的水泵啟動臺數信號控制水泵的運轉。通過對水泵的啟動和停止臺數及其中變頻泵轉速的調節，將用戶管網中的水壓恒移穩于用戶預先設計的壓力值，使供水泵組“提升”的水量與用戶管網不斷變化的用水量保持一致，達到“變量恒壓供水”的目的。 本文中的設計系統由可編程控制器，變頻器和電動機組成，采用可編程序控制器（PLC）控制變頻調速器，具有控制水泵恒壓供水的功能。通過安裝在管網上的壓力傳感器，把水壓轉換成 420mA 的模擬信號，通過 PLC

32、內置的 PID控制器，來改變電動水泵轉速。當用戶用水量增大，管網壓力低于設定壓力時，變頻調速的輸出頻率將增大，水泵轉速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動水泵的轉速不在變化，使管網壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。這樣通過閉環 PID 控制就達到恒壓供水的目的。 當電機出現故障（即：過壓、過流、過載、電機過熱保護）后，系統會自動停止運行，當系統恢復后，再重新按操作步驟進行操作。通過上面的論述，利用變頻調速技術控制水泵站，成功地解決了能耗和污染的兩大難題，且自動化程度高，可靠性好等優點。從而引出了本設計系統的內容和功能要求。3、PLC 的發展和市場情況的發展和市場情況 1968 年美國 GM（

33、通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了 GM 公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發展，現在已有第五代 PLC 產品了。 在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業和以物理變化和化學變化將原料轉化成產品為特征的過程工業中，除了以連續量為主的反饋控制外，特別在制造工業中存在了大量的開關量為主的開環的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作；另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制；以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數器、模擬量的越限報警等狀態量為主的離散量的數據采集監視。由于這些控制和監視的要

34、求，所以 PLC 發展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產品。在 PLC 應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入 10 萬臺套 PLC 產品，年銷售額 30 億人民幣，應用的行業也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產線方面的應用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC 產品： 畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 10 頁 共 40 頁施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產品，目前有Quantum、Premium、Momentum 等產品； 羅克韋爾公司（包括 AB 公司）PLC 產品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix 等產品；西門

35、子公司的產品，目前有 SIMATIC S7-400/300/200 系列產品；GE 公司的產品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產品。 PLC 的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業發達的日本也有調查表明，PLC 配套的機電一體化產品的比例占 42%，采用繼電器、接觸器控制尚有 24%。所以說，需要應用 PLC 的場合還很多，在我國就更是如此了。PLC 具有穩定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發展趨勢。 3.1 、PLC 的應用領域的應用領域 目前，PLC 在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化

36、工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。 1) 開關量的邏輯控制： 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等.2) 模擬量控制： 在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的 A/D 轉換及D/A 轉換。PLC 廠家都生產配套的 A

37、/D 和 D/A 轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 3) 運動控制： PLC 可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。 4) 過程控制: 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID 調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型 PLC 都有 PI

38、D 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5) 數據處理: 現代 PLC 具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 11 頁 共 40 頁統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大

39、型控制系統。 6) 通信及聯網: PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 3.2、 PLC 的國內外狀況的國內外狀況 在工業生產過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數據采集。傳統上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字設備公司（DEC）研

40、制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱 Programmable ,是世界上公認的第一臺 PLC. 限于當時的元器件條件及計算機發展水平，早期的 PLC 主要由分立元件和中小規模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20 世紀70 年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都

41、以繼電器命名。此時的 PLC 為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。個人計算機（簡稱 PC）發展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為 Programmable Logic Controller（PLC）。 20 世紀 70 年代中末期，可編程控制器進入實用化發展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID 功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20 世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發展的特點是大規模、高速度

42、、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世紀 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 發展最快的時期，年增長率一直保持為 3040%。在這時期，PLC 在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC 逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統治地位的 DCS 系統。 20 世紀末期，可編程控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。從控制規模上來說，這個時期發展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、

43、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 12 頁 共 40 頁制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。 我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了 PLC 的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產的 CF 系列、杭州機床電器廠生產的 DKK 及 D系列、大連組合機床研究所生產的

44、S 系列、蘇州電子計算機廠生產的 YZ 系列等多種產品已具備了一定的規模并在工業產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉島公司等中外合資企業也是我國比較著名的 PLC 生產廠家。可以預期，隨著我國現代化進程的深入，PLC 在我國將有更廣闊的應用天地。 3.3、 PLC 未來展望未來展望 21 世紀，PLC 會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種

45、工業控制場合的需求.第一章第一章 任務分析任務分析1、設計內容、設計內容（1）根據任務書要求，首先擦、查閱相關資料，進行方案論證；（2）根據方案論證的結果，進行硬件電路的設計；（3）故居設計要求對涉及到的硬件電路的元器件進行選型（包括電動，熔斷器，斷路器，接觸器，水泵和電機，變頻器等的選擇） ；（4）確定 PLC 的 I/O 口分配，繪制系統軟件流程圖；（5）完成 PLC 控制程序的設計，畫出梯形圖；（6）完善相關遺留問題。2、要解決的問題、要解決的問題（1）根據任務書的要求，次設計是由 PLC 控制的變頻調速恒壓供水系統，并且由一臺變頻器拖動三臺水泵電機變頻運行，并且管網出口壓力為 0.5M

46、pa，流量為 30m3/h,為了達到這些要求就要對涉及到的元器件進行選型，這就要我們去查閱相關的元器件的選擇原則，包括容量，額定電流，額定電壓，功率等相關參數；（2）由于要用 PLC 控制變頻器拖動 3 臺水泵，并且用到 PID 程序，這就畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 13 頁 共 40 頁要求我們必須熟悉并掌握 PID 算法程序的理論及參數的整定方法，學會它的編程思想。3、主要功能與技術指標、主要功能與技術指標3.1、主要功能、主要功能變頻調速的主要任務是在不同的水管壓力下，對電動機的轉速進行控制，增加或減少水泵的功率，既能保證用戶的用水要求，又能減少對資源的浪費。根據對本設計任務的分析，

47、該系統的主要功能為：低速啟動時，以減少對電網的沖擊；變頻運行時，對于不同的供水需求做出不同的運行指令；工頻運行時，滿足大量用戶的用水需求。啟動電動機后，逐漸升高頻率，同時不斷檢測供水管內的壓力值，壓力值小于設定值時，繼續升頻，直到達到工頻，然后切掉變頻器使電動機運行在工頻階段，若檢測到管內壓力值大于設定值，則再次啟動變頻器，使之對電動機進行變頻控制，這樣就完成了一次變頻與工頻的切換過程。3.2、技術指標、技術指標1）管內出口壓力為 0.5Mpa；2）PLC 有 3 輸入 9 輸出（包括一個模擬量輸入和一個模擬量輸出） ；3）流量為 30 m3/h。第二章第二章 系統方案設計系統方案設計1、理論

48、依據、理論依據1.1 、PID 的控制原理的控制原理1.1.1、PID 控制器的組成及作用控制器的組成及作用當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有 50 多年歷史，現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 14 頁 共 40 頁控制器， PID

49、 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，其中：比例（P）調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。積分（I）調節作用：是使系統消除穩態誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調節就進行，直至無差，積分調節停止，積分調節輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數 Ti，Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 大則積分作用弱，加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，組成 PI 調節器或 PID 調節器

50、。微分（D）調節作用：微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調節作用消除。因此，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調，減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，對系統抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成 PD 或 PID 控制器。使用中只需設定三個參數（Kp，Ki 和 Kd）即可，在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不

51、可少的。 1.1.2、PID 的特點的特點首先，PID 應用范圍廣:雖然很多工業過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣 PID 就可控制了。其次，PID 參數較易整定；也就是，PID 參數 Kp，Ki 和 Kd 可以根據過程的動態特性及時整定。如果過程的動態特性變化，例如可能負載的變化引起系統動態特性變化，PID 參數就可以重新整定。第三，PID 控制器在實踐中也不斷的得到改進。1.2、變頻調速的原理、變頻調速的原理1.2.1、變頻器的工作原理、變頻器的工作原理我們知道，交流電動機的同步轉速表達式為： n 60 f(1 s)/p （1）式中 n

52、異步電動機的轉速； f 異步電動機的頻率； s 電動機轉差率； p 電動機極對數。 由式 (1) 可知，轉速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 15 頁 共 40 頁動機的轉速，當頻率 f 在 0 50Hz 的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。 1.2.2、變頻器控制方式、變頻器控制方式 低壓通用變頻輸出電壓為 380 650V ，輸出功率為 0.75 400kW ，工作頻率為 0 400Hz ，它的主電路都采用交 直 交電路。其控制方式經歷了以下三代。

53、 1.2.3 、U/f=C 的正弦脈寬調制（的正弦脈寬調制（ SPWM ）控制方式）控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 1.2.4、電壓空間矢量（、電

54、壓空間矢量（ SVPWM ）控制方式）控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。 1.2.5、矢量控制（、矢量控制（ VC ）方式）方式 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流 Ia 、 Ib 、 Ic 、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系

55、下的交流電流 Ia1、Ib1 ，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流 Im1 、 It1 （ Im1 相當于直流電動機的勵磁電流； It1 相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 16 頁 共 40 頁由于轉子磁鏈難以準確觀測，

56、系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 2、方案論證、方案論證系統的控制方案的確定是整個供水控制系統的關鍵，設計控制系統，首先必須確定系統的控制方案，所要控制的對象和目標是什么。在此前提下進行后面的設計，設計出一個滿足性能指標和功能的系統。其實針對一個控制系統來說，有很多種控制方案，但是在確定系統方案時，必須從節能、環保、經濟、可靠性等方面來考慮，綜合各方面的因素才確定出系統方案。本系統中設計了四種控制方案，并進行了比較分析，最后確定出系統方案。方案 1： 供水系統采用水塔供水。傳統的水塔供水完全依賴值班人

57、員的手動操作，值班人員定期的把水抽到高位蓄水池里，用浮子判斷蓄水池的水位高低，當蓄水池的水位達到高位時，值班人員才停止抽水，這是利用水的勢能供用戶供水，這種控制過程無法對供水管網的壓力和水位變化及時做出恰當地反映，而且也很難保證供水的質量。優點是控制方式簡單，短時維修和斷電可不停水，當用水量小時，可以長時間不在開泵。方案 2： 采用氣壓罐供水，為了減少水泵啟動次數，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效段，因此出水壓力無謂的增加，也使浪費加大，所以這種供水方式比水塔費電，因水泵為硬起動，聯軸器沖擊大，起動電流大，觸電易燒，當用水量比較大時，將造成電機啟停頻繁，電機已燒壞。優點是：控制方式簡單，

58、便于維修，當罐內水滿時，容許段時間不斷水維修和斷電可不停水，當用水量小時，可以長時間不在開泵，這種方式適合與用水量少的場所，如辦公大樓以及加油站。 方案 3：單片機變頻調速供水系統，該系統也能做到變頻調速，自動化程度要優于上面兩種供水方式，但是系統開發周期比較長，對操作員的素質要求也比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適與惡劣的工業環境中。方案 4：采用變頻調速恒壓供水系統，凡是在可變轉速的拖動電機，采用變頻調速技術節能效果顯著，這種調速技術調速性能好，運行工藝安全等優點，節能型可靠性好、取代水塔，氣壓罐、高位水箱等恒壓供水的自動控制系統。對以上所列舉的四種方案相比較，方案 1 與方案 2

59、在供水的方式上有所不畢業設計變頻調速恒壓供水論文第 17 頁 共 40 頁同，這兩種供水方式的可靠性不是很高，都適合與用水量不高的場合。自動化程度也差，不適合與現代工業的控制系統。但是方案 1 和方案 2 都有相同的優點，就是便于維修，控制方式簡單，經濟性高，但是不能滿足現代的供水系統。方案 4 與傳統的交流拖動系統相比，變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點，如節能，容易實現對現有電動機的調速控制，可以實現大范圍內的高效連續調速控制，容易實現電動機的正反轉切換，可以進行高頻度的起停運轉，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動，可以適應各種工作環境，可以用以用一臺變頻器對多

60、臺電動機進行調速控制，電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統等等。特別是對于工業中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進行調速控制可以替代傳統上利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的控制，所以節能效果非常明顯對于方案 1、方案 2 來說，遠遠不能滿足現代工業的控制，也不能滿足供水的要求，變頻調速恒壓供水系統，供水系統管道壓力恒定而流量可在大范圍內連續變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現在用水高峰期水管道壓力太小的情況。采用可編程控制器來實現本次變頻恒壓供水系統的控制，這種控制與單片機相比較,可編程控制器的優點要比單片機要好的多。首先，可編程控制器適應