基于plc的变频恒压供水控制系统

于plc的变频恒压供水控制系统的控制涉及电路毕业设计

石家庄铁道学院毕业设计（论文）

基于PLC的变频恒压供水控制系统

VF constant pressure water supply PLC

2014届石家庄铁道学院成人教育分院(系)

专 业 电气自动化应用

学 号 201024111

学生姓名 傅东敏

指导教师 刘东岚

完成日期 2013年 10 月 20 日

于plc的变频恒压供水控制系统的控制涉及电路毕业设计

毕业设计（论文）任务书

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3.图纸(硬件电路和软件框图各一张，大小合适为宜) ; 4.设计说明书简介； 五、参考文献: [1]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J],兰州铁道 学院学报,2000,1:84-88 [2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2002,135-137 [3]金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J],电子技术 应用,2000,2:38-39 [4] 张 燕 宾 .SPWM 变 频 调 速 应 用 技 术 [M]. 北 京 : 机 械 工 业

出 版 社,2002,244-251 [5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，1996 [6]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002(3):33-35 [7]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学 报,2000 20(3) [8]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化 1997 [9]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频 世界,2008 [10] 李 圣 良 . 九 江 学 院 供 水 系 统 变 频 恒 压 控 制 技 术 实 现 的 研 究 [J].CNKI,2005 [11]吕国芳， 刘希涛, 基于 PLC 的 PID 控制算法在恒压供水系统中的应用 [J].自动化仪表,2005 [12]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变 频世界,2008 [13] 李 圣 良 . 九 江 学 院 供 水 系 统 变 频 恒 压 控 制 技 术 实 现 的 研 究 [J].CNKI,2005 [14]吕国芳， 刘希涛, 基于 PLC 的 PID 控制算法在恒压供水系统中的应用 [J].自动化仪表,2005 [15]李娇. 基于 MATLAB 的输送带配料模糊 PID 控制的仿真研究 [J].煤矿 机械,2008 [16]吴宏鑫 1期 [17]王延才.变频调速设计与应用-北京机械工业出版社.2012 六、任务进度: PID 控制的应用与理论依据 控制工程期刊 2003 年第

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09 月 20 日—9 月 29 日：熟悉设计内容、要求、任务；收集与设计相关的 论文、资料，方案论证与选择； 09 月 30 日—10 月 03 日：初步完成系统框图设计，完成系统配置与选型； 10 月 04 日—10 月 07 日：完善系统硬件电路设计； 10 月 08 日—10 月 11 日：绘制软件框图、编写梯形图及梯形图调试； 10 月 12 日—10 月 15 日：撰写毕业设计说明书； 10 月 16 日—10 月 19 日：绘制图纸； 10 月 20 日：完成毕业论文、答辩。

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毕业设计（论文）开题报告

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恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德 公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”,“变频泵循坏方式”两种模 式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指 令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控 制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然 说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统 的动态性能和稳定性不高， 与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信， 并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。在工程规模上也 有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些 问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平 相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风

机负载上，城乡居民用水 设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水 量大， 造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低， 控制方式不够科学合 理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制 策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。以变 频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简 单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷 避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统 的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能 性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以 及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制 水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控 制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统 的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远 远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集 团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw),无需外接PLC和PID 调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公 司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻 辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方 便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

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可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应 不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性 (EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步 研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。 采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流， 起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损 伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各

种优化方案 都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允 许在一定范围内变化。 因此这种调控方式缩小了优化范围， 所得到的解为局部最优解， 不能完全保证泵站始终工作在最优状态. 变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等), 是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术. 它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调 速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具 有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多 特点。

3、参考文献： [1]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J],兰州铁道学院学 报,2000,1:84-88 [2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2002,135-137 [3]金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J],电子技术应 用,2000,2:38-39 [4]张燕宾.SPWM 变频调速应用技术[M].北京:机械工业出版社,2002,244-251 [5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，1996 [6]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002(3):33-35 [7]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学报,2000 20(3) [8]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化 1997 [9]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世 界,2008 [10]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究 [J].CNKI,2005 [11]吕国芳，刘希涛, 基于 PLC 的 PID 控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自 动化仪表,2005

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[12]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世 界,2008 [13]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究 [J].CNKI,2005 [14]吕国芳，刘希涛, 基于 PLC 的 PID 控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自 动化仪表,2005 [15]李娇. 基于 MATLAB 的输送带配料模糊 PID 控制的仿真研究 [J].煤矿机 械,2008 [16]吴宏鑫 PID控制的应用与理论依据 控制工程期刊 2003年第1期 [17]王延才.变频调速设计与应用-北京机械工业出版社.2012 二、主要设计(研究)思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案、设计(研究) 工作步骤 1.设计内容 采用电动机、 变频器与可编程控制器(PLC)构成控制系统， 进行优化控制泵组的调 速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时 达到稳定供水压力和节约电能的目的。有内置电源，有水泵电机、PLC

、PID 调节器、 交流接触器、变频器、管道、流量传感器、压力传感器、电磁阀等部件。 2、设计思想 系统利用各种传感器对供水压力的调节，可使供水和用水之间保持平衡，其控制 要求有如下 6 个方面： (1)变频调速恒压供水系统有四台泵，大泵电动机的功率均为 220KW,小泵的功率 均为 160KW。 (2)所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式 (3)采用 PID 算法实现水压的闭环控制 (4)FX2N 系列 PLC 控制变频及现场设备的运行 (5)系统具有自动/手动操作工作 (6)具有故障自诊断和自处理功能，对过流、欠压、过压等变频器故障均能自行诊 断，并发出报警信号。 3.关键问题 在系统的设计过程中，需要根据以下要求具体设计： (1) 拟定设计思路，它是整个设计过程的指导 (2) 选择合适的硬件，以便节省成本和稳定的运行 (3) 选择合适的 PLC 使其能够满足工作的需要 (4) 编制 PLC 的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图

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(5) 根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计 (6) 注重设计的可用性，以便在工作过程中工作人员对系统的交流和更好的去操 作 (7) 设计工作台、电气柜及非标准电器元部件 4.设计步骤 (1)根据设计任务书，分析设计任务； (2)查阅相关文献资料，解决关键问题； (3)完成相关硬件电路的设计，并进行器件的选型； (4)绘制软件流程框图； (5)编写程序，调试； (6)功能完善。 三、毕业设计(论文)工作进度安排 09 月 20 日—9 月 29 日：熟悉设计内容、要求、任务；收集与设计相关的论文、 资料，方案论证与选择； 09 月 30 日—10 月 03 日：初步完成系统框图设计，完成系统配置与选型； 10 月 04 日—10 月 07 日：完善系统硬件电路设计； 10 月 08 日—10 月 11 日：绘制软件框图、编写梯形图及梯形图调试； 10 月 12 日—10 月 15 日：撰写毕业设计说明书； 10 月 16 日—10 月 19 日：绘制图纸； 10 月 20 日：完成毕业论文、答辩。

指导教师签字

时间

年

月

日

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毕业设计(论文)评语及成绩学生姓名 傅东敏 专业 电气自动 化应用 班级 电气技师 学号 10

毕业设计(论文)题目 指导教师姓名 指导教师评语：

基于 PLC 的变频恒压供水控制系统 刘东岚 指导教师职称

专家评语：

签字： 年 答辩小组意见： 月 日

答辩小组组长签字： 年 成绩： 月 日

院长(主任) 签字： 年

月

日

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摘 要

随着社会主义市场经济的发展，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的趋势

本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研

究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系

统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。本论文设计与

实现通过MCGS进行数据传输的远程网络巡回监控系统。具体讲述了系统的总体设计

与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。

本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得

稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时

性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字：变频调速；恒压供水；PLC；MCGS；监控系统

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Abstract

With the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing demand

for better quality of water supply and higher reliability of supply system. In

addition ,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of

automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an

energy-savingconstant-pressure water supply system of excellent performance with the help

of advancedtechniques of automation,monitor-control system; and communication.

Meanwhile, the System can also adapt to various water Supply regions.

This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water

supply,and proposes several control methods.By careful study and comparison, PLC and

inverter's method fits water supply system and datatransmission very well. Finally the paper

shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data and

detailed introduction of its software and hardware.In this paper,the author designs and realizes

the remote monitor and control system through MCGS, and then illustrates its general design,

software implement and the measures of preventable disturbance in details.

The system, which has initially been completed with reliable performance and excellent

energy-saving effect, proves to possess high reliability and real-time quality. The system can

not only remarkably improve the quality of water supply, but also economize on labor, which

will surely bring us both economic and social benefits.

Key Words: VF speed; constant pressure water supply; PLC; MCGS; monitor and

control- system

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目录

第一章 绪论 .............................................. 错误！未定义书签。

1.1城市供水要求 .......................................................... 1

1.2变频恒压产生的背景及意义 .............................................. 3

1.3 国内外研究现状概况 ................................................... 4

第二章 PLC的概述 ......................................................... 6

2.1 可编程控制器定义 ..................................................... 6

2.1.1 PLC的定义 ...................................................... 6

2.1.2 PLC的发展和应用 ................................................ 6 2.1.3 PLC的工作过程 ................................................... 7

2.2 可编程控制器的基本组成 ............................................... 7

2.1.1 控制组件 ........................................................ 7

2.1.2西门子S7-200PLC简介 ............................................. 9

第三章 恒压供水系统 ..................................................... 10

3.1 变频恒压供水系统分析 ................................................ 10

3.1.2 变频器的特点 .................................................. 10

3.1.3 PID调节器 ..................................................... 11

3.2变频恒压供水系统 ..................................................... 13

3.3 课题研究的对象 ....................................................... 14

3.4 变频恒压供水控制方式的选择 ........................................... 14

3.5 变频构成恒压供水系统的及工作原理 ..................................... 16

3.5.1 系统的构成 ..................................................... 16

3.5.2 工作原理 ....................................................... 18

3.5.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析 ........................... 18

3.5.4电气控制系统原理图 .............................................. 19

第4章 PLC控制及编程 ................................................... 24

4.1 PLC控制 ............................................................. 24

4.1.1 手动运行 ....................................................... 25

4.1.2 自动运行 ....................................................... 25

4.2 系统软件设计 ......................................................... 26

4.2.1系统软件设计分析 ................................................ 26

4.2.2程序中使用的PLC内部器件及功能 .................................. 26

4.2.3控制系统及I/O点地址分配 ........................................ 27

结束语 ................................................................... 31

致 谢 ................................................................... 33

附 录

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第一章 绪论

1.1城市供水要求

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征

的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供

水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰

期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水

的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，

同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供

水方式。以下就逐一分析。

(1) 一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，

直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵

整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，

但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

(2) 恒速泵+水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔

最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时

再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程

的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵

额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较

稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近

期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故

还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控

装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这

时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

(3)射流泵十水箱的供水方式

这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细

的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量

(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。

(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式

这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设

立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时

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水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入

水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操

作，使系统的供水质量下降能耗增加。

(5)恒速泵十气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的

开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本

比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可

能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二

者作一比较。

(6)变频调速供水方式

这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值

作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如

何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控

制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。

①出口恒压控制

水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出

口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系

统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用

时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口

恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。

②出口变压控制

水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一

个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，

进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。

他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水

泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天

分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。

③ 最不利点恒压控制

最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处;使系统在运行过程中保

持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵

较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。

变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压

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缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作.当系

统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵

是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降

时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，

同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。另外气压罐要消

耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微

机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一

般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供

水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相

比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压

罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启

动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启

动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁

的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在

小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，

保证了饮用水水质可靠。

由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、

调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质

量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技

术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管

网的实时监测提出了更高的要求。

1.2变频恒压产生的背景及意义

泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:

降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展

速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类

型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等

方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载

上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我

国居民多，用水量大，造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制

方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能

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够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的

工作。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵

活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技

术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供

水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好

节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率

以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.3 国内外研究现状概况

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生

产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压

变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为

了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和

压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在

设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水

泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变

频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压

供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家

发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频

器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供

水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和

PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等

电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器

工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低

了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与

别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因

此在实际使用时其范围将会受到限制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水

泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器

(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态

性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达

到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌

变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完

成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变

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频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成

在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通

信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不

同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)

的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善

变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起

动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，

有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以

母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定

范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全

保证泵站始终工作在最优状态.

变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是

当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采

用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具

有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可

靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

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第二章 PLC的概述

2.1 可编程控制器定义

2.1.1 PLC的定义

可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为

基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical

Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境

下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内

部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字

式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都

应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

2.1.2 PLC的发展和应用

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元

器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可

以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很

快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具

有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，

可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言[5] ，并将参加运算及

处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念

相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技

术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、

更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业

中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个

时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另

一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程

控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工

业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，

诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；

从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的

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工业控制设备的配套更加容易。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、

电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的

三大支柱之一。

2.1.3 PLC的工作过程

图2.1 PLC的扫描工作过程

PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就

是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图2.1所示。

PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：

①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；

②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存

放的所需软元件的状态；

③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决

定。

④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；

⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。 2.2 可编程控制器的基本组成

2.1.1 控制组件

可编程控制器主要由CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电

源等组成。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为

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