变频泵加工频泵的恒压供水系统

变频泵加工频泵的恒压供水系统

摘要

介绍了用S7-200进行逻辑及PID控制，用PLC进行压力调节，自动控制小水泵投入的台数和大水泵电机转速，在保持恒压状况下，达到节约电能的目的。基于PLC和变频器技术的恒压供水系统的组成和工作原理，给出了控制系统的硬件组成和软件设计方案。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。

设计了利用PLC和变频器实现自动恒压供水的控制系统。采用PLC内置的PID调节器，选用一台变频器和一台PLC分别控制两台大泵机和五台小泵机进行恒压供水。

采用西门子PLC及变频器为主控单元，配合接触器、继电器实现恒压变频供水系统的PID控制——实时跟踪管网压力与给定压力的偏差变化，经PLC内部PID运算，通过可编程控制器控制变频与工频切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压变量供水的目的。系统性能稳定，投资小。

关键词：PI调节器；PLC；变频器；恒压供水；压力

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Abstract

This dissertation introduces a constant pressure water supply system, which used S7-200 to process logic control，PID control and employed inverter to adjust water pressure. It could automatically control the number of water pump and speed of A.C motor, save electric energy. The structure and working principle of a constant pressure water supply system based on PLC and frequency variation technique, the hardware and the software of the control system are introduced in detail. The system in practice proves to have constant water pressure, simple structure and better reliability. Designed a water supplying system with automotive constant pressure based on PID and PLC technology. The system used the PID, which was inside PLC, PLC and frequency inverter to control five small water pump and two big water pump. It adopts Siemens’ PLC and frequency converter as top management unit, cooperates with contactor and relay in order to realize the PID control water-supply system of constant pressure--- They follow up the deviation between the pipe network pressure and pressure given. Through operation of PID and switchover of frequency conversion and power frequency was controlled by PLC, it could automatically control number of water pump put into operation and speed of AC motor for veining automatic regulation of close-loop and supplying water under constant pressure and variety runoff.

Key words ：Proportional integral； programmable logic control；frequency inverter；constant pressure water supply system；pressure

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目录

摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第一章 引言.................................................................................................................. 1

1.1变频泵加工频泵的恒压供水系统设计背景................................................... 1 1.2工作原理........................................................................................................... 2 1.3变频泵加工频泵的恒压供水系统设计目标及要求....................................... 3

1.3.1泵站技术指标简介................................................................................. 3 1.3.2本设计预期达到目标............................................................................. 4 1.4技术综述........................................................................................................... 4

1.4.1恒速泵供水............................................................................................. 5 1.4.2高位水箱供水......................................................................................... 5 1.4.3气压罐供水............................................................................................. 6 1.4.4水箱管网联合型..................................................................................... 6 1.4.5变频恒压供水......................................................................................... 6 1.5本章小结........................................................................................................... 6 第二章 控制系统算法简介.......................................................................................... 8

2.1控制原理与PID数学模型 .............................................................................. 8

2.1.1控制原理介绍......................................................................................... 8 2.1.2 PID介绍 ................................................................................................. 9 2.2系统的组成..................................................................................................... 14 2.3本章小结......................................................................................................... 17 第三章 硬件设计........................................................................................................ 19

3.1变频器选用..................................................................................................... 20 3.2 PLC介绍 ........................................................................................................ 21

3.2.1PLC简介 ............................................................................................... 21 3.2.2 PLC的基本结构 .................................................................................. 21 3.2.3 PLC的特点 .......................................................................................... 23

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3.2.4 PLC的功能 .......................................................................................... 25 3.3 PLC的选型 .................................................................................................... 27

3.3.1概述....................................................................................................... 27 3.3.2 CPU226工作特点的概述 .................................................................... 28 3.3.3扩展单元介绍....................................................................................... 29 3.4 PLC控制系统的设计 .................................................................................... 31 3.5电气控制线路的绘制..................................................................................... 38

3.5.1电器原理图........................................................................................... 38 3.5.2主电路图的设计................................................................................... 39

3.6 本章小结............................................................................................................... 40 第四章 软件设计........................................................................................................ 41

4.1 SIMATIC S7-200系列PLC编程软件介绍 .................................................. 41

4.1.1 系统软件.............................................................................................. 41 4.1.2 用户程序.............................................................................................. 42 4.1.3软件界面简介....................................................................................... 44 4.2 PLC存储器分配表 ........................................................................................ 45 4.3泵站软件的设计分类..................................................................................... 46

4.3.1软件设计综述....................................................................................... 46 4.4 本章小结........................................................................................................ 48 结束语.......................................................................................................................... 49 参考文献...................................................................................................................... 50 附录.............................................................................................................................. 50 致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。

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第一章 引言

1.1变频泵加工频泵恒压供水系统的设计背景

传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，为了解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。

本设计题目是根据包钢三八站恒压供水系统改造得来的，过去在此工作站中采用的供水方式是通过人工控制调节阀来完成的，误差较大而且调节的速度也很慢，随着生产工艺要求的不断提高供水性能也有了新的要求，因此我们利用变频器以及PLC对该站进行技术改造。

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是：起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应；在锅炉和其它燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减少了对环境的污染。

变频技术的迅猛发展使变频调速在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点，为人民生产、生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。交流变频器的诞生和PLC及PID控制的综合运用为水泵转速的平滑性连续恒定调节提供了方便。PID控制恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据设定量与用水量的变化自动调节系统的

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运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当前先进、合理的节能型供水系统。在我们日常工作实践中，采用PID调节变频调速恒压供水系统主要选用两种方式：

1、利用PLC自身的PID调节指令完成变频调速恒压供水控制。 2、利用变频器内置的PID功能配合PLC完成变频调速恒压供水控制。 下面的章节会对这两种PID控制方式分别做以下介绍。

1.2工作原理

采用变频器调速装置与可编程控制器(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。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制小泵电动机的投运台数和运行变量大泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PLC的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20MA)直接输入到PLC中，由PLC将其与事先设定的压力值进行比较，并通过PLC内置的PID运算器将结果转换为电信号送给变频器生成调节信号调整水泵电机的电源频率，从而达到控制水泵转速目的。通过下面的系统框图来说明

工作过程。

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图1.1泵站恒压供水系统框图

1.3变频泵加工频泵恒压供水系统的设计目标及要求

1.3.1泵站技术指标简介

该泵站变频器额定功率为315kw，水路压力波动设定值加减?10%，控制水泵台数7台；控制方式为工频加变频运行，保持压力恒定。设计条件为： 电压：380v.；

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环境温度：+5°C ～+40°C；

海拔高度：1200米一下空气中不含有过量的尘埃以及易燃、易爆、腐蚀性气体。

系统构成：泵站恒压自动控制系统由智能PLC控制器、变频器、电器设备、压力传感设备以及水泵构成。智能型PLC控制器控制水泵的起停，并根据给水压 力设定值和反馈值的变化计算出调速泵的运行速度，通过一台315KW变频器对变频进行调速。当水量发生变化想加开水泵时，经PLC运算判断，控制一台水泵进行启动运行，当用水减少时，切除先运行的水泵。 1.3.2本设计预期达到目标

在完成本设计后，能够实现当用水量大时压力传感器将管网内的压力信号送给PLC，PLC经过PID运算后发出控制信号送给变频器，从而控制电机增大转速提高管网内的压力，经过一段延时后传感器再次将压力信号送给PLC，经过PLC的分析后做出新的控制要求，当大电机达到额定转速时还不能满足压力要求PLC自动将小电机逐个投入使用直到压力达到设定值时停止。

此外，此方案的实现为该供水泵站实现无人看守、少人看管、优化调度，为提高运行效率和管理水平提供了可靠的工具。若能加深研究必能实现对泵站主机的程序自动开、停机及对励磁实现自动调节；对泵站辅助设备（油、气、水）自动开停机；自动统计主、辅助开停机时间和电量、流量值；事故报警和事故自动记录，具有多媒体自动显示功能；自动生成实时数据库与历史数据库；动态图像显示泵站空机、输机及各类设备运行参数与状态；打印各类图表、各类参考趋势图；并与下级网络通信发送现场实时运行参数，接收上级网络调度命令，实现全面自动化运行。

1.4技术综述

对于目前给水系统的设计，传统的设计方案一般采用：1、恒速泵供水；2、高位水箱供水；3、气压罐供水；4、水箱，管网联合型供水；5、变频恒压供水。

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1.4.1恒速泵供水

此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。当工艺需要小流量时，调小调节阀的开度，反之，调大开度。机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上（一般阻力降为0.02-0.5MPa），浪费了许多能量。而往复式机泵通常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压。改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例的下降，而功耗的下降是大于该比例的。但是转速调节受驱动机的限制。采用直流电动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点。恒速泵由于耗能不合理，控制方法不足，适应性差将逐渐被淘汰。 1.4.2高位水箱供水

采用在用水场合上方建筑设高位水箱供水的方式，虽然较为安全可靠，设备、技术等方面也较为成熟。然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。例如，由于建筑顶部水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染；目前对水箱内防腐的处理还存在一些困难，水箱内还经常发现有死老鼠的情况，加之建筑顶端高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般只考虑用水量不大的场合。在工业生产中很少用这样的供水方式。

高位水箱的供水系统，虽然实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。而管道的主力特性却是变化的，当用水的用户多时（也即打开阀门，放水的支路多时），管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了供水的质量。

虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大而且水质二次污染比较严重。

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