（精品）plc和变频器wo毕业论文

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毕业设计任务书

设计题目：

（ 变频器在恒压供水中的应用 ）学校：河南工院

学号：

姓名：梁少森 班级：机电0806

指导老师：周伟PLC、变频器恒压供水的设计

摘 要

传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题，本文采用控制技术和变频调速技术相结合的方法来研究恒压供水系统，该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独立的闭环控制子系统。设计好的系统每天24小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水，保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本；而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。通过对计算机和PLC之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。

关键字：恒压供水； 控制；变频器 ；PLC

目录

PLC变频器恒压供水系统的设计 .......................................................................I 摘 要 ..................................................................................................................I ABSTRACT ..................................................................................................... II 2.变频器 ............................................................................................................. 6 3. 1 PLC的定义 .............................................................................................. 14 3. 2 PLC的特点 .............................................................................................. 14 3. 3 PLC的组成 .............................................................................................. 15 3. 4 PLC的应用领域 ...................................................................................... 17 3. 5 PLC的工作方式 ...................................................................................... 18 3. 6 PLC工作过程 .......................................................................................... 19 3. 7 PLC机型选择 .......................................................................................... 20 3. 8 SIMATIC S7-200产品介绍 .................................................................... 21 4.1 S控制原理 .............................................................................................. 26 4.1.1控制原理 ................................................................................................. 26 4.1.3系统的软件设计 ..................................................................................... 29 4.2 PID的相关知识 ........................................................................................ 31 4.2.1 PID的参数的预置与调整 .................................................................... 31 4.2.2 PID调节器在控制回路中的工作过程 ................................................ 32 4.3 压力传感器工作原理 ............................................................................... 32 4.4变频器的基本控制原理 ............................................................................ 34 5.1 系统组成 ................................................................................................... 36 5.2 系统控制工作原理 ................................................................................... 37 5.3 变频器恒压供水系统硬件设计 ............................................................... 38 5.4 变频器恒压供水系统软件设计 ............................................................... 39

5.5 系统工作过程 ........................................................................................... 40 结 论 ................................................................................................................... 41 参考文献 ............................................................................................................. 43

1 绪论

1.1 课题背景及意义

众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已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，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方 式，其优、缺点如下：

l、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。

3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。

4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，

且不适用于恶劣的工业环境。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在： 是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口1。PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。

1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状

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、起制动控制、压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。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，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式\、“变频泵循环方式一两种模式，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7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，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

在用水量减少时(假设此时泵1、2、3都工频运行)，由于供水管网积水蓄压，管网水压升高，按照“先投先停”的原则，控制系统使泵1工频切换为变频运行，通过PID的调节作用变频器使1号泵转速下降。当转速下降到下限值(本设计中为零转速)时，1号泵停止运行，若仍不能使管网水压下降到设定值，则控制系统将运行在工频态的2号泵工频切除，转换为变频运行。若管网水压仍高于设定值，则又将2号泵停止运行且将运行在工频的3号泵工频态切除，由3号泵运行在变频态，继续调节水压，逐渐使其稳定在设定值，最后一直到全部泵都停止运行。实际上，系统的大部分时间应该是工作在2工频1变频的状态，转速跟随供水管网压力的变化。在以上的控制流程中，水泵的启动和运行都需考虑延时的问题，一方面防止发生切换振荡，另一方面保证水泵的顺序投入和切除。

3 PLC系统的基本知识及选型

3.1 PLC的定义

可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编程简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用PLC控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。

3.2 PLC的特点

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路

组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程IO模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息力的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的

功能得到大大的增强，具有以下特点：

1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

2)具有丰富的IO接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的IO模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。

3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、IO等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等

3.3 PLC的组成

1.中央处理单元(CPU)

中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，CPU是PLC的核心，主要任务有控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方式通过IO部件接受现场信号的状态或数据，并存入输入印象寄存器或数据存储器中；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出印象寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。 2.存储器

存储器包括：系统存储器和用户存储器。

系统存储器用来存放有PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接改变。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分。

第一部分为系统管理程序。这样控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。 第二部分为用户指令解释程序。通过用户解释程序，将PLC的编程语言变成机械语言指令，再由CPU执行这些指令。

第三部分为标准程序模块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了PLC性能的高低。

用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ONOFF的状态和数值、数据等。 3.输入输出单元

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入输出单元从广义上包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的印象寄存器。

输入单元接受来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、

行程开关以及其它一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入印象寄存器。运行时CPU从印象寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出印象寄存器。输出印象寄存器有输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控执行元件。 4.电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、±12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。 5.扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需求。 6.通信接口

为了实现人机对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计数机相连。

当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时，可将过程图像显示出来；当与其他的PLC相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计数机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合控制。 7.编程器

编程器的作用是供用户进行编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两种。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化成机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管和其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。 8.其他部件

有些PLC还可以配有EPROM写入器、存储器卡等其他外部设备。

3.4 PLC的应用领域

1.数字量逻辑控制

PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并连，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。 2.运动控制

PLC使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机的结合在一起。PLC的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、电梯等场合。 3.闭环过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量IO模块，实现模拟量和数字量之间的转换，一般称为AD转换和DA转换并对模拟量进行闭环PID控制。现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID模块来实现。其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。 4.数据处理

现代PLC具有数字运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。 5.通信联网

PLC的通信包括主机与远程IO之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

3.5 PLC的工作方式

PLC是一种工业控制计算机，所以它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是CPU是一分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序的顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。

概括而言，PLC是按集中输入集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。PLC

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