摘 要本课题是变频调速定压供水控制系统设计，采用西门子的S7-200小型PLC为控制器，以组态王组态软件为上位机，选用一台变频器拖动四水泵电机进行恒压供水，任何时候只一台变频运行，其他的采用工频运行。检测水池水位，根据水位自动补水。检测管网压力，与设定的压力进行比较，通过PID运算，PID输出，控制变频器，控制变频器增速或者减速，通过变频器增速或者减速不能达到控制要求，则采用增加泵或者减少泵进行控制。通过分析控制工艺要求，进行了总体设计；进行了硬件设计，选择了PLC和PLC模块，设计了主电路、控制电路图、指示灯电路和PLC输入输出接线图；进行了软件设计，定义了PLC内部使用变量，设计了梯形图程序和语句表程序；最后进行了组态设计，定义了驱动，定义了变量，组态了监控画面，仿真画面，实时和历史曲线画面，报警画面，参数设定画面等，并进行了模拟仿真。关键词：变频调试、定压供水、梯形图AbstractThis subject is the design of water supply control system with variable frequency speed regulation and constant pressure. The S7-200 small PLC of SIEMENS is used as the controller, and the configuration software of Kingview is used as the upper computer. A frequency converter is used to drag four pump motor for constant pressure water supply. At any time, only one frequency conversion operation and other working frequency operation are used. The water level of the pool is detected and the water is automatically replenishing according to the water level. Test the pressure of the pipe network, compare with the set pressure, through the PID operation, PID output, control the frequency converter, control the speed up or deceleration of the frequency converter, through the speed up or deceleration of the frequency converter can not reach the control requirements, then use the pump or reduce the pump to control. Through the analysis of the requirements of the control process, the overall design is carried out, the hardware design is carried out, the PLC and PLC modules are selected, the main circuit, the control circuit diagram, the indicator light circuit and the PLC input and output wiring diagram are designed. The software is designed, the internal use variables of the PLC are defined, the ladder diagram program and the statement list program are designed. Then, the configuration design is carried out, the driver is defined, the variable is defined, the monitor screen, the simulation picture, the real time and historical curve picture, the alarm picture, the parameter setting picture and so on are simulated.Keywords:Frequency Conversion Debugging, Constant Pressure Water Supply, Ladder Diagram目 录第一章 绪论... 11.1课题的研究背景... 11.2课题研究的目的和意义：... 11.3 变频恒压供水的发展史和现状... 21.3.1 国内外研究现状... 21.3.2 变盘恒压供水的应用范围... 4第二章 总体设计... 6第三章 硬件设计... 73.1主要设备的选型... 73.1.1 PLC选择... 73.1.2 变频器选择... 73.1.3 水泵计数的选型... 83.1.4 压力变送器的选型... 83.1.5 液位变送器的选型... 93.2 主电路设计... 93.3控制电路设计... 113.4 输入和输出分配表... 133.5 PLC输入和输出接线图... 14第四章 软件设计... 174.1 系统软件设计分析... 174.2 PLC 内部使用地址... 174.3 PLC程序设计... 194.4 PID参数整定... 514.5 语句表程序... 51第五章组态设计... 715.1通信建立... 715.2变量连接... 725.3组态画面... 725.4运行... 85结 论... 87参考文献... 88致 谢... 90附 录... 91附录1 主电路图... 91附录2控制电路和指示灯电路图... 92附录3 PLC输入和输出接线图... 93第一章 绪论1.1课题的研究背景 我国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，工业自动化程度低。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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能 造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电 机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负 荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且 由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳 定可靠，没有频繁的启动现象，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，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调 速恒压供水系统具有供水安全、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。1.2课题研究的目的和意义： 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中， 基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动， 把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量， 如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗， 将具有重要经济意义。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提 高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工 业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不 能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的， 因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上: 用水多而供水少，则供水压力低;用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的 水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量， 也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性完成此次设计的目的是培养学生独立面对设计时，拥有分析和解决问题能力、专业外文资料检索阅读能力、计算机文字处理和辅助设计能力、科技文献写作能力、过程控制系统设计能力、组态软件编程及应用能力、硬件设计能力、软件编程能及程序调试能力，以及运用电子技术、自动控制原理、可编程序控制器、微机原理及接口技术、自动化仪表及过程控制、智能控制技术及计算机控制技术进行综合设计的能力。1.3 变频恒压供水的发展史和现状1.3.1 国内外研究现状 最早的城镇供水工程约在公元前2900年已在埃及出现。以后不断发展。罗马城于公元前4世纪～前3世纪先后建立了11条向城内供水的输水道。公元前 312年建成阿匹亚输水道，水源为泉水，从水源到城市配水点为长约16km的地下暗渠。16世纪后欧洲的城镇供水有较大发展。伦敦首先使用了水泵抽水。17～18世纪开始使用铸铁管。19世纪初英国首创水处理设施──沉淀池和沙滤池。19世纪末至20世纪初，城镇供水的消毒措施在欧洲陆续出现。城镇供水的主要设施相继齐备。20世纪80年代，世界上一些工业发达国家的城镇供水在全国范围内已趋普及。美国最早的公用供水系统当属1652年的马萨诸塞州的波士顿城。美国公用供水系统的发展史不仅是供水领域的历史，而且是一个不断发展的国家的历史，水及其诸多的用途一直是美国成长与发展的必不可少的重要方面。根据正史记载，美国从一个乡村化的农业国转变成一个城市化的工业强国，在很大程度上确实依赖于供水系统。 中国东周早期古蓟城(今北京)的城市供水主要依靠井水。西汉武帝元狩三年（公元前 120）在京都长安城近郊修昆明池，引水供长安城宫庭园林及居民用水，并接济与城内相通的漕渠。从此，中国出现了较大规模的城市供水工程(见古代长安城水利)。元代、清代北京城的供水系统又有较大发展，解决了城市用水、航运、灌溉、园林等部门的供水需要（见古代北京城水利）。中国的近代城市供水肇始于1879年旅顺市龙引泉引水工程。1949年全国共有60个城市有供水设施。中华人民共和国成立后，城市供水事业发展迅速，至1988年底,全国434个设市城市（不包括台湾省）都已有了供水设施，据其中424个城市的统计，日供水量总计已达12716万m3。 中国的城市供水最早始于大连。为解决北洋水师旅顺港供水，由李鸿章主持，1879年开始在旅顺北郊水师营三八里村修建自来水源，工程耗时10年，修建水池1座，管线长度达6180米，可为2万多人提供自来水。在当地居民要求下，附近立有“龙引泉”石碑，石碑于原址保存至今。这一供水工程之后经过不断改扩建而一直使用，但因周边机井数量增加，其投入使用100年后终于枯竭。 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。目前国外的恒 压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主 要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式 更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言也高于国内品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水， 在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的 优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.3.2 变盘恒压供水的应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: (1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kV沐320kw之间，电网电压通常为ZooV或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于 犯okw)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较 高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展 在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集 成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简单省时省力。第二章 总体设计 针对高层生活二次供水的要求，利用变频器、软起动器及PLC完成对四台水泵的软起软停定压控制，并实现各泵之间的无扰切换，具体设计内容及技术指标要求如下： 1）系统具有软起软停机恒压供水功能； 2）系统具有一定的抗干扰能力； 3）控制电源：电源，AC220V，功率40W； 4）显示方式，3位数码显示供水压力； 5）定压范围：0-0.5Mpa； 6）控制精度：+/-0.01Mpa； 7）单台水泵：流量：Q=50m3/h，扬程：P=50m，功率：P=15kW。 8）水池水位：0-6m，测量精度：+/-1cm； 9）压力传感器选型及接口电路设计 10）PLC与变频器接口电路设计； 11）组合泵手、自动及软启软停主电路及控制电路设计； 12）控制算法设计。第三章 硬件设计3.1主要设备的选型3.1.1 PLC选择进行分析系统共使用了14路数字量输入，19路数字量输出，2路模拟量输入，1路模拟量输出，系统为小型自动化应用。西门子的S7-200 PLC是高性能的小型PLC，性价比极高，使用方便，特别是模拟量输入和输出处理和方便，特殊命令，例如PID可以使用向导进行建立，接线简单，有多种规格可以模块可以选择，因此选择西门子的S7-200小型PLC。其中的CPU226，含24路数字里输入，16路数字量输出，外加一块EM222，含8路数字量输出，可以满足数字量输入和输出使用需要。 模拟量有EM231，含4路模拟量输入，EM232含2路模拟量输出，EM235含4路模拟量输入，1路模拟量输出，因此综合设计要求，可以选择一个EM235模拟量输入和输出混合模块。3.1.2 变频器选择MICROMASTER 430 是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从 7.5kW 到 250kW，可供用户选用。根据水泵电机15kW，可以选择MM430，三相AC380V，15kW变频器。在采用变频器的出厂设定功能和缺省设定值时， MICROMASTER 430 变频器特别适合用于水泵和风机的驱动。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。主要特性:1）易于安装，参数设置和调试2）易于调试3）牢固的 EMC 设计4）可由 IT（中性点不接地）电源供电5）对控制信号的响应是快速和可重复的6）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置7）电缆连接简便8） 具有多个继电器输出9）具有多个模拟量输出（0 – 20 mA）10）6 个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线11）2 个模拟输入：AIN1： 0 – 10 V， 0 – 20 mA 和 –10 至 +10 VAIN2： 0 – 10 V， 0 – 20 mA12） 2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入13）BiCo（二进制互联连接）技术14） 模块化设计，配置非常灵活15） 脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低16）详细的变频器状态信息和全面的信息功能¾17）有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP-2）和用于进行18）现场总线通讯的 PROFIBUS 模块19）用于水泵和风机控制时的特点：♦ 电动机的分级控制♦ 节能控制方式♦ 手动/自动控制（手动操作/ 自动操作）♦ 传动皮带故障的检测（对水泵无水空转的检测）♦ 旁路概况3.1.3 水泵计数的选型水泵选择流量Q=50m3/h，扬程P=50m，功率，P=15kW。电机选择三相异步电机，AC380V，功率15kW。3.1.4 压力变送器的选型选择MEACON，选择0-0.6Mpa，型号MIK-P300，水，气，油通用压力变送器，供电电源24VDC，输出信号4-20mA，因为我们设计压力范围0到0.5Mpa，因此选择量程范围0-0.6MPa，外壳防护IP65，压力传感器选择带显示仪表的型号。3.1.5 液位变送器的选型液位传感器选择MIK-P260投入式液位传感器，适用于多种场合，支持多种输出，电源24VDC，输出4-20mA，因为我们设计水池水位范围是0到6米，因此量程0到7米。3.2 主电路设计主电路如图3-1所示。电源采用3相5线，380V交流电经A，B，C，N，PE供设备使用。A，B，C是三相火线，N是零线，PE是接地线。QF1是总断路器，PA1是电流表，经互感器LH1检测总的设备电流，PV1是电压表。QF11是变频器断路器，起到通断变频器电源作用。KM1是变频器电源接触器，VF1是变频器，驱动水泵1，2，3，4变频供水，变频器输出经A13，B13，C13接各泵的变频器控制端，用于驱动泵电机变频运行。PLC输出的变频器控制信号KA1，接变频器的端子5，用于启动变频器，PLC控制KA1线圈得电，KA1常开触点闭合，接通变频器的端子5,9，启动变频器。PLC模拟量EM235输出模拟量信号AQW0接变频器的端子3,4，用于控制变频器的频率。M11是水泵1电机，驱动水泵1供水。KM11是水泵1电机变频启动接触器，接变频器VF1的A13，B13，C13，用于泵1变频运行。QF12是水泵1电机工频断路器，KM12是水泵1电机工频接触器，FR12是水泵1电机过载保护热继电器，起到保护电机作用，防止长时间过载运行烧毁电机作用。同样的，M12是泵2电机，KM21是水泵2电机变频接触器，QF13是水泵2电机工频断路器，KM22是水泵2电机工频接触器，FR22是水泵2电机过载热保护。同样的，M13是泵3电机，KM31是水泵3电机变频接触器，QF14是水泵3电机工频断路器，KM32是水泵3电机工频接触器，FR32是水泵3电机过载热保护。同样的，M14是泵4电机，KM41是水泵4电机变频接触器，QF15是水泵4电机工频断路器，KM42是水泵4电机工频接触器，FR42是水泵4电机过载热保护。QF16是控制电路断路器，FU1是控制电路熔断器，G1是直流开关电源，将220V交流电变成24V直流点，为PLC输入和输出提供电源，为EM235模拟量输入和输出模块提供24V直流电源，压力变送器输出4-20mA电流信号接PLC的EM235模拟量输入端1。图3-1 主电路图3.3控制电路设计 控制电路如图3-2所示。SB1是急停开关，有紧急情况发生，按下SB1，控制电路断电，系统紧急停止，直到故障消除，旋转SB1，进行手动恢复。SA1是自动手动选择开关，旋转到3端，1和3接通，选择自动模式，通过自动方式进行控制。旋转到5端，1和5接通，选择手动模式，通过外部的手动启动和停止按钮，单独启动和停止各个泵。 HL1是电源指示灯，为红色指示灯，灯亮表示有控制电源。 KM1是自动启动接触器，选择自动模式，选择开关选择到5端，KM1线圈得电，KM1常开主触点闭合，启动变频器，执行自动控制。HL2是自动控制指示灯，HL2点亮表明是自动控制。选择手动模拟，SA1选择开关旋转到3端，HL3点亮，HL3是手动运行指示灯，HL3点亮表明是手动控制。 PLC输出的泵1变频运行信号从23经接触器KM12的辅助常闭触点，接KM11的线圈，控制KM11线圈得电，KM11常开主触点闭合，启动泵1变频运行。PLC输出的泵1工频运行信号从15接KM11辅助常闭触点，接KM12的线圈，控制KM12常开触点闭合，启动泵1工频运行。选择手动模式，通过SB3，SB2手动启动和停止泵1。 同样的，KM21是泵2变频运行接触器，KM22是泵2工频运行接触器，SB5，SB4是泵2手动启动和停止按钮。 同样的，KM31是泵3变频运行接触器，KM32是泵3工频运行接触器，SB7，SB6是泵3手动启动和停止按钮。 同样的，KM41是泵4变频运行接触器，KM42是泵4工频运行接触器，SB9，SB8是泵4手动启动和停止按钮。 PLC输出的变频启动信号经91接继电器KA1线圈，控制KA1线圈得电，KA1常开触点闭合，启动变频器。 KA2是泵1故障继电器，泵1电机过载，FR12辅助常开触点闭合，KA2线圈得电，KA2常开触点闭合，给PLC提供信号，通知PLC泵1发生过载过载，同样的KA3是泵2故障继电器，KA4是泵3故障继电器，KA5是泵4故障继电器。图3-2 控制电路 指示灯电路如图3-3所示。HL4是泵1电机变频运行指示灯，HL5是泵1电机工频运行指示灯；HL6是泵2电机变频运行指示灯，HL7是泵2电机工频运行指示灯；HL8是泵3电机变频运行指示灯，HL9是泵3电机工频运行指示灯；HL10是泵4电机变频运行指示灯，HL11是泵4电机工频运行指示灯；HL12是泵1电机过载故障指示灯；HL13是泵2电机过载故障指示灯；HL14是泵3电机过载故障指示灯；HL15是泵4电机过载故障指示灯图3-3指示灯电路3.4 输入和输出分配表 PLC输入和输出分配表见表3-1，3-2，3-3，3-4所示表3-1 PLC数字量输入分配表序号名称PLC地址外部编号1泵1运行反馈I0.0KM11KM122泵2运行反馈I0.1KM21KM223泵3运行反馈I0.2KM31KM324泵4运行反馈I0.3KM41KM425泵1故障反馈I0.4KA26泵2故障反馈I0.5KA37泵3故障反馈I0.6KA48泵4故障反馈I0.7KA59VF1高频R01I1.0R0110VF1低频RO2I1.1R0211断水I1.2SL112启动按钮I1.3SB10013停止按钮I1.4SB10114急停I1.5SB1表3-2 PLC数字量输出分配表序号名称PLC地址外部编号1泵1变频运行接触器及指示Q0.02泵1工频运行接触器及指示Q0.13泵2变频运行接触器及指示Q0.24泵2工频运行接触器及指示Q0.35泵3变频运行接触器及指示Q0.4