成人高等学历教育毕业设计（论文）变频恒压供水系统设计学生姓名：XX学号：2015XXX指导教师：XX年级专业：2015级电气工程及其自动化重庆大学继续教育学院二〇一七年五月摘要本文详细的介绍了系统的控制原理及硬件电路，系统实现了变频输出与工频市电之间的切换，使每台泵的电机均可通过同一变频器实现软启动，解决了电机冲击，水锤作用，避免了临界点造成的电机的频繁启动，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数量和转速使整个系统始终保持在高效节能的最佳状态。
系统安装维护方便，运行稳定、可靠。
关键词：变频器、S7-200、触摸屏、变频恒压、一拖四、供水目录摘要 (I)目录..................................................................................................... I I 1绪论 (1)1.1课题的背景及意义 (1)1.2国内研究现状、 (1)1.3论文主要研究内容 (1)2变频恒压供水系统 (2)2.1引言 (2)2.2恒压供水系统工作简述 (2)2.2.1实现恒压的工作过程 (2)2.2.2PID控制原理简介 (3)2.2.3水泵的投入和切除 (4)2.2.4恒压供水系统特点 (5)2.3控制系统硬件配置及方案 (6)2.3.1控制方案 (6)2.3.1可编程控制器特点及选择 (6)2.3.2变频器特点及选择 (8)2.3.3HMI的特点及选择 (9)2.3.4控制系统硬件配置 (9)2.3.5控制系统主电路 (10)2.3.6变频器电路 (10)2.3.7PLC输入输出端口配置 (12)2.3.8硬件总电路图 (12)2.4触摸屏程序 (13)2.4.1触摸屏变量 (13)2.4.2触摸屏画面 (14)2.5PLC程序 (15)2.5.1手动、自动工作过程的选择 (15)2.5.2自动工作过程泵的选择 (15)2.5.3PLC主程序 (15)2.6变频器参数设定 (53)3结论 (54)参考文献 (55)1绪论1.1课题的背景及意义近年来，随着自动控制技术和变频技术的不断发展，由于水泵是采用最大供水量设计的，由于用水高峰时间短，很容易造成能源的浪费以及由于管网压力过大而引起的管网损坏。
住宅区集中用水量急剧增加，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，在上班时间用水量很小供水压力过高，在下班后用水高峰期时供水压力足，仅仅靠供水值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患，追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
1.2国内研究现状、目前,住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。
随着经济的发展,现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。
“一拖N”方案虽然节能效果略差,但独有投资节省,运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳,对电网冲击小,降低水泵平均转速,消除“水锤效应”,延长水泵阀门、管道寿命,节约能源等优点,因此目前仍被普遍采用。
1.3论文主要研究内容针对国内供水系统耗时、耗力、不节能的缺点，本文通过采用以PLC为核心的自控方式，从而解决该问题，本文主要开展了以下几个方面的工作：1、触摸屏作为人机交互界面方便用户查看及操作。
2、PLC作为自动控制核心实现“一拖四”运行。
2变频恒压供水系统2.1引言根据该供水系统的设备情况及供水特点，本自动供水系统的核心采用PLC，操作采用触摸屏。
主电路采用一台变频器分别控制4台水泵，是4台水泵均为主回路的驱动方式。
由于变频器的价格比常规电气设备要求高，从就节约成本的角度考虑，采用“一拖四”的驱动方案。
在工频下运行时，变频器不可能对电机进行过负载保护，因此必须接入热继电器用于在工频在运行时的过载保护。
控制系统由压力传感器、PLC与触摸屏组成。
压力传感器用于检测供水管网压力，作为水泵投入、切除的控制信号之一，分别送给PLC和变频器。
PLC与触摸屏完成整个系统逻辑控制和人机交互。
2.2恒压供水系统工作简述2.2.1实现恒压的工作过程【1】现在的变频器内部一般都有一个PI或PID控制器。
对于恒压供水这一类闭环控制系统，可以将反馈信号（如压力信号）接到变频器的反馈信号输入端，用变频器内部的控制器实现闭环控制，以减少压力偏差，保持水压恒定。
PLC的主要功能是根据供水管道的出口压力，控制工频电源供电的水泵台数，通过开关量输出信号给变频器提供启动/停止命令，对泵站总的供水量进行粗调。
在控制系统中，压力变送器将泵站管道出口水压转换成标准量程的电压或电流信号，这些反馈直接送给变频器的模拟量输入端口。
变频器时刻跟踪管网压力与压力给定值之间的偏差变化情况，经变频器内部的PID运算，调节变频器的输出频率，改变变频器驱动的水泵转速。
变频启的输出频率越高，泵站的出口压力就越高。
选择最佳的输出频率，既能保证供水压力，又能防止压力过高，可以节约大量的能源。
为了实现工频泵的自动投入和切换，需要给PLC提供管网压力信号或变频器的频率信号。
管网压力信号可以用压力变送器传送模拟信号给PLC，也送给变频器。
现在的变频器都有可编程的输出触点，对输出触点进行编程，使其在变频器的频率大于设定值（50Hz）时闭合，可以将其送给PLC，用来控制自动投入一台工频运行的泵。
当用水量减少，变频泵的转速下降到水泵不出水的临界值时，变频器的另一个可编程输出闭合，可以将信号送给PLC，控制一台工频运行的泵自动退出。
2.2.2PID控制原理简介在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。
PID控制包含比例、积分、微分三部分，实际中也有PI和PD控制器。
PID 控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量。
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。
所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例+微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。
但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。
这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。
实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
2.2.3水泵的投入和切除图2-1是多泵并联供水的水泵电动机主接线示意图。
PLC可以选择任意一台电动机作为变频运行，其余各电动机有工频驱动。
根据当前的供水量和泵站出口处的水压，控制工频运行的水泵台数，对供水量和水压进行粗调，用变频电动机进行细调。
假设各泵的电机容量相同，当用水流量小于一台泵的流量时，由一台变频泵自动调速供水。
随着用水量的增大，由于闭环控制的作用，变频泵的转速自动升高，以维持恒压，如果变频泵的转速升高到工频转速时，管道出口水压仍未达到设定值，则启动一台工频泵，依次类推，直到出口压力达到设定值。
图：2-1多台水泵并联运行的主电路图当用水量减少时，变频泵的频率将自动减小，降到某一设定值时，如果管道压力仍高于设定值，则切除一台工频泵，切除后如果管道压力仍然过高，在切除一台工频泵。
以此类推，知道管道压力等于设定值。
供水设备控制1～3台水泵，在这些水泵中，只有一台变频泵。
当供水设备供电开始时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率稳定在某一数值上。
而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送给PLC或PID回路调节器，PLC或PID回路调节器送出一个用水量增大的信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。
如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能死管网水压达到设定值，则PLC或PID回路调节器就发出控制信号，再启动一台工频泵，其他泵以此类推。
反之，当水量减少，变频器的频率达到最小值时，PLC或PID回路调节器发出减少一台工频泵的信号，其他泵以此类推。
图2-2变频供水系统装置示意图图2-2变频供水系统装置示意图2.2.4恒压供水系统特点用变频调速来实现恒压供水，与采用手动调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著，具体特点如下：1、结构紧凑，体积小，占地少，毋须建造高位水箱或水塔，投资省，安装快，便于集中管理。
