S7-200 PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計
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畢業(yè)設計(論文)任務書
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學生姓名_ 指導教師_ 職稱
系別_信息與電子工程系_專業(yè) 工業(yè)電氣自動化 年級__04___班級 1
課題名稱 S7-200 PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計
任務與要求：
一、 設計（論文）要求：
隨著變頻調速技術的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水已廣泛應用于廠礦企業(yè)及生活、消防等供水系統(tǒng)。
S7-200PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，自動調節(jié)水泵電機轉速，改變以往“先啟后?！狈绞?，使水壓平穩(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進行輪休，延長設備的機械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。
㈠ 系統(tǒng)組成及原理
1、組成
變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，它主要是由S7-200PLC（包括一塊模擬量擴展模塊EM235）、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及若干臺水泵等組成。通過控制柜面板上的按鈕、轉換開關和指示燈來控制系統(tǒng)的運行。
3、運行方式
2、工作原理
通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成 4-20mA 的標準信號經西門子模擬量擴展單元EM235 送入S7-200PLC，經與給定壓力參數(shù)進行比較、運算后，發(fā)出控制信號送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC 控制增加水泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調速，實現(xiàn)恒壓供水。同時系統(tǒng)通過軟件設計具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報警及多種保護功能。
3、運行方式
系統(tǒng)應具有手動和自動兩種運行方式（通過變頻／工頻選擇開關選擇）：
⑴ 手動運行
按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1?！?＃泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。
⑵ 自動運行
合上自動開關后，1＃泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，S7-200PLC 接受壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Ｈｚ，1＃泵由變頻切換為工頻，啟動2＃泵變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)系統(tǒng)的PID算法調節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行。
4、故障處理
⑴ 故障報警
當出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統(tǒng)皆能發(fā)出聲、光報警信號；通知維修人員前來維修。此外，變頻器故障時，系統(tǒng)自動停機，此時可切換至手動方式保證系統(tǒng)不間斷供水。
⑵ 水泵檢修
為維護和檢修水泵，要求在系統(tǒng)正常供水狀態(tài)下，在一段時間間隔內使某一臺水泵停運，系統(tǒng)應設有水泵強制備用功能（硬件備用），可隨意備用某一臺水泵，同時不影響系統(tǒng)正常運行；為了使水泵進行輪休，系統(tǒng)還應設有軟件備用功能，工作泵與備用泵應具有周期定時切換功能。
㈡ PLC控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC CPU224，本機I/O點數(shù)為14入／10 出，另為獲取和發(fā)出模擬信號選用4入／2出的EM235一塊，PLC編程采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉換。
控制過程：泵組的切換開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優(yōu)先），1＃泵變頻啟動，轉速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz，而此時水壓還在下限值，延時一段時間（由PLC內部時間繼電器控制，目的是避免由于干擾而引起誤動作）后，1＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3＃、4＃泵；若開始時1＃泵備用，則直接啟2＃變頻，轉速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz，而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，3＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4＃泵；若1＃、2＃泵都備用，則直接啟3＃變頻，具體泵的切換過程與上述類同。
同樣，如水壓在上限值，若３臺泵（假設為1＃、2＃和3＃）運行時，3＃泵變頻運行降到 0Hz，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1＃泵停止，3＃泵變頻器頻率從０Hz 迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2＃泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡。以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節(jié)。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而我們這次的設計的系統(tǒng)中，要求直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高供水品質。
㈢ 注意事項
1、變頻轉工頻開關切換時間T
設置Ｔ是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網產生的沖擊，所以在允許范圍內Ｔ必須盡可能的小。
2、上下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運行的頻率隨管網用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質量。
㈣ 本畢業(yè)設計課題的主要內容：
1、 學習S7-200PLC（包括一塊模擬量擴展模塊EM235）、變頻器的有關知識；
2、 了解變頻恒壓供水原理及工藝，根據(jù)設計任務和工藝要求設計并構成系統(tǒng)硬件，同時進行設備及元器件的選型；
3、 掌握變頻調速原理及其升速、啟動、降速和制動的方法；
4、 學習并掌握PLC應用的開發(fā)步驟，PID調節(jié)原理、參數(shù)設置和設定值的調整方法，PLC程序編制及運行和模擬調試；
5、 根據(jù)設計任務書完成開題報告1份，根據(jù)指導教師要求完成外文文獻的翻譯，按系規(guī)劃格式完成設計說明書1份；
6、 按指導教師要求參加相關的實習，完成實習總結。
二、 設計（論文）條件：
自備計算機一臺，Siemens Step7 編程軟件、提供設計所需參考資料及相應的設計場所等。
三、 設計（論文）資料：
1、黃云龍.可編程控制器教程，北京:科學出版社,2003.
2、袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002.
3、陳宇.可編程控制器基礎及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999.
4、李景學、金廣業(yè).可編程控制器應用系統(tǒng)設計方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995.
5、黃立培、張學編.變頻器應用技術及電動機調速,人民郵電出版社,1999.
6、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應用，人民交通出版社 1993.
7、洱洪濤 .可編程序控制器（PLC）原理及應用,中國水利水電出版社 1999.
8、韓焱青.PLC控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期
9、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網站有關S7-200PLC、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢，下載Siemens Step7 編程軟件，學習相關的應用實例。
四、 設計（論文）教學要求：
要求同學們有較強的學習和自學能力，能根據(jù)需要查找資料，獨立思考和設計。在設計過程當中要求同學們相互協(xié)作。
五、 設計（論文）進度安排：（可以同一專業(yè)相同）
第01周至第03周：查閱相關網站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關S7-200PLC、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
第04周至第04周：根據(jù)設計任務書的要求，完成畢業(yè)設計（論文）開題報告。
第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機參數(shù)，進行變頻器、S7-200模擬量擴展單元、壓力傳感器等的選型，設計恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設定變頻器特性，編制PLC程序，通過軟件設計具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報警等多種保護功能，進行仿真試驗，并分析仿真結果。
第13周至第15周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
第16周：畢業(yè)設計（論文）小組答辯；
第17周：答辯。
六、 學生分組名單：
- 4 -
信息與電子工程 系畢業(yè)設計 (論文)
畢業(yè)設計(開題報告)
信息與電子工程系 工業(yè)電氣自動化專業(yè) 04級 1 班
課題名稱：S7-200 PLC控制的變頻
調速恒壓供水系統(tǒng)設計
畢業(yè)設計(論文)起止時間：
2007 年 3 月 1 日～ 6 月 10 日(共 16 周)
學生姓名： 學號：
指導教師：
報告日期： 2007-3-20
1．本課題所涉及的問題在國內(外)的現(xiàn)狀綜述
隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量，經濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產用水)由175.7升增加到241.1升，增長了37.2％，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個城市中有330個不同程度缺水，其中嚴重缺水的達108個；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經濟損失達2300億元；同時給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備的維護管理費用。在生產成本中占有很大的比例：水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經濟。近年來，電機調速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經濟效益具有極其重要的意義。
2．設計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法
本課題要解決的問題:
本課采用和變頻調速技術研制控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的應用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。
（1）由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。所以我們采用變頻調速控制水泵用來改善水泵的能量浪費問題。
（2）S7-200控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，自動調節(jié)水泵電機轉速，改變以往“先啟后?！狈绞剑顾畨浩椒€(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進行輪休，延長設備的機械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。因此要設置好各泵的啟動方式及順序。
（3）變頻轉工頻開關切換時間T
設置Ｔ是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網產生的沖擊，所以在允許范圍內Ｔ必須盡可能的小。
（4）上下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運行的頻率隨管網用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質量。所以要設置好上下限頻率持續(xù)時間。
（5）對常用的調速方式進行分析，并決定選用的調速方式
調速方式的大致分類：
1、變級對數(shù)調速，2、變頻調速。
變頻調速又可以分為：
Ⅰ、交--直--交變頻器，Ⅱ、交--交變頻器。
因為交—交變頻調速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調速。
3．本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路
3.1調速控制節(jié)能分析
水泵的設計負荷是按最不利條件下最大時流量及相應揚程設定的。但實際運行中水泵每天只有很短的最大時流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制。通常采用的方法有閥門控制和調速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量：而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與楊程適應管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達到節(jié)能效果。
由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率與管網的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速與出水流量Q成正比：管網的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率與轉速的三次方成正比，即：
； 圖1-1
；
；
；
式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。
當系統(tǒng)出水流量減小時，通過變頻調速裝置將供水水泵轉速調小，則水泵的輸出功率將隨轉速的變化而減小。變頻調速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網阻力特性曲線，曲線4為水泵轉速為n1時的運行特性曲線，曲線5為水泵轉速為n2時的運行特性曲線。水泵原來的工作點為曲線3和曲線4的交點A，此時出水流量為Q1，管網壓力為H1，水泵轉速為n1。當系統(tǒng)的出水流量減小到Q2，系統(tǒng)管網特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點B為運行工作點。此時管網壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1，高出的壓力能量被浪費了，同時過高的壓力對管網和設備還可能造成危害。如采用變頻調速裝置，將此時水泵的轉速調至n2，曲線5和曲線2的交點C為水泵的運行工作點。調速后管網的壓力仍保持為H1，出水流量為口Q2，水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見，陰影部分正比于浪費的功率輸出。例如，當Q2為Q1的80%時，通過調速將n2調為n1的80％，則水泵的輸出功率P2為P1的51.2％。如不采用調速控制，48.8％的能量將被浪費。可見變頻調速的經濟效益十分可觀。
3.2常用的調速方式
水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式：
式中： ：異步電動機的同步轉速
：異步電動機轉子的轉速
：電動機的磁極對數(shù)
：電源頻率，電動機定子電壓頻率
：轉速差：
因此改變電動機極對數(shù)、改變轉速差及改變電源頻率都可以改變轉速。
3.21變級對數(shù)調速
在電源頻率—定的情況下，電動機的同步轉速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機一相繞組
為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步轉速，從而得到不同的轉子轉速。這種調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產機器。
3.22變頻調速
變頻調速是將電網交流電經過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率可以平滑地調節(jié)同步轉速，相應地也就改變轉子轉速，而轉差率可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉矩下降，嚴重時會使電機堵轉：頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實用上，要求調頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉矩不變。實現(xiàn)調頻調壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。
(1)交--直--交變頻器
它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。
在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。
近年來，由于電力電子器件和微機控制技術的發(fā)展，脈沖寬度調制型(簡稱)變頻器技術獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。
(2)交--交變頻器
它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網的交流電通過交頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出。
交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。
變頻技術對水泵電動機進行調速，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術。
由于交—交變頻調速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調速。
4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設備或實驗環(huán)境條件、某類市場調研、計算機輔助設計條件等等)及解決的辦法
工具書
[1]、黃云龍.可編程控制器教程，北京:科學出版社,2003.
[2]、袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[3]、陳宇.可編程控制器基礎及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999.
[4]、李景學、金廣業(yè).可編程控制器應用系統(tǒng)設計方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995.
[5]、黃立培、張學編.變頻器應用技術及電動機調速,人民郵電出版社,1999.
[6]、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應用，人民交通出版社 1993.
[7]、洱洪濤 .可編程序控制器（）原理及應用,中國水利水電出版社 1999.
[8]、韓焱青.控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期
[9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網站有關S7-200、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢，下載step—7編程軟件，學習相關的應用實例。
實驗室
浙江工業(yè)大學浙西分校信電系過控實驗室
設備與環(huán)境
1.S7-200一臺
2.三菱S500變頻器一臺
3.計算機一臺
4.西門子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境
5．設計(論文)完成進度計劃
（1）第01周至第03周：查閱相關網站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
（2）第04周至第04周：根據(jù)設計任務書的要求，完成畢業(yè)設計（論文）開題報告。
（3）第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機參數(shù)，進行變頻器、S7-200模擬量擴展單元、壓力傳感器等的選型，設計恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設定變頻器特性，編制程序，通過軟件設計具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報警等多種保護功能，進行仿真試驗，并分析仿真結果。
（4）第13周至第15周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
（5）第16周：畢業(yè)設計（論文）小組答辯；
（6）第17周：答辯。
6．指導教師審閱意見
指導教師(簽字)： 年 月 日
7．教研室主任意見
教研室主任(簽字)： 系(簽章)
年 月 日
說明：
1. 本報告必須由承擔畢業(yè)設計(論文)課題任務的學生在接到“畢業(yè)設計(論文)任務書”、正式開始做畢業(yè)設計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。
2.每個畢業(yè)設計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導教師、教研室主任審查學生能否承擔該畢業(yè)設計(論文)課題任務的依據(jù)，并接受學校的抽查。
- 8 -
浙江工業(yè)大學浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設計（文獻綜述）
畢業(yè)設計(論文)文獻綜述
信息與電子工程 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 04 級 1 班
課題名稱：S7-200 PLC控制的變頻
調速恒壓供水系統(tǒng)設計
畢業(yè)設計(論文)起止時間：
2007 年 3 月 1 日～ 6 月 10 日(共 16 周)
學生姓名： 學號：
指導教師：
報告日期： 2007-6-10
文獻綜述
（）
摘 要：傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設費用高、管理維護復雜困難、供水質量低下等缺點和不足。為了解決這些問題，本文采用控制技術和變頻調速技術相結合的方法來研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個獨立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設計好的系統(tǒng)每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。
通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。
關鍵字：恒壓供水，控制，變頻器，
一、 引言
隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量，經濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產用水)由175.7升增加到241.1升，增長了37.2％，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個城市中有330個不同程度缺水，其中嚴重缺水的達108個；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經濟損失達2300億元；同時給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備的維護管理費用。在生產成本中占有很大的比例：水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經濟。近年來，電機調速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經濟效益具有極其重要的意義。
二、恒壓供水技術的發(fā)展現(xiàn)狀
本課采用和變頻調速技術研制控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的應用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。
1、 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀
進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
是一門綜合技術，其發(fā)展與微電子技術和計算機技術密切相關。隨著可編程序控制器應用領域的不斷擴大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝小型化和大型化兩個方向發(fā)展。
2、變頻調速技術在恒壓供水技術中的發(fā)展狀況
近年來，交流調速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。但長期以來，交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制。變頻調速技術的出現(xiàn)使頻率變成可以利用的資源。
隨著科學技術的進步，人民生活正趨向于高標準、高質量和現(xiàn)代化。在居民生活用水供水系統(tǒng)中，由于高層建筑越來越高，采用傳統(tǒng)設備不能滿足高層建筑高水壓、大流量的快速供水需求。另外，在現(xiàn)代供水需求中，供水量是隨機變化的，如果采用傳統(tǒng)供水方式，難以保證供水的實時性，且能量浪費嚴重。隨著交流電機變頻調速技術的日臻完善，變頻調速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點，成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。
3、模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應用[6、8、9、12]
在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，利用模糊控制的相關理論，把系統(tǒng)輸入的壓力、流量等傳感器信號以及系統(tǒng)的輸出變量進行了模糊化處理，然后結合根據(jù)操作經驗等制成的控制規(guī)則表，經過模糊推理，得到了系統(tǒng)控制的模糊控制表。在實時控制過程中，系統(tǒng)通過查找模糊控制表把實時采集的壓力等輸入信號轉化成輸出，然后通過模糊決策得到輸出的清晰量，最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進行電機變頻控制，完成了恒壓控制的模糊控制過程。
三、變頻調速的節(jié)能、調速原理
1、水泵工況點的確定以及變化[2、7]
水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。如圖3-1、3-2、3-3所示。
圖3-1 水泵工作點的確定 圖3-2水泵工況點的變化
圖3-3 水泵變速恒壓工況 圖3-4變頻調速恒壓供水水泵工況調節(jié)圖
2、 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調節(jié)過程
交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系：
（3-1）
式3-1中：—極對數(shù),—轉差率
因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率來改變電機的轉速改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。見圖3-4。當管網負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉速從降低到。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速,可使供水泵流量、揚程和軸功率以相應規(guī)律改變。
（3-2）
?。?-3）
（3-4）
或 （3-5）
式3-5是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。
3、變頻調速恒壓供水系統(tǒng)調速范圍的確定
考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40以上，也就是說轉速下降在20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在50%-100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。
四、系統(tǒng)的方案設計與工作過程
變頻調速恒壓供水系統(tǒng)構成：系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調速，采用循環(huán)使用的方式運行。未接工控計算機，壓力傳感器采樣水壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給控制器, 控制器根據(jù)這兩個信號經運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。
圖5-1 恒壓供水系統(tǒng)方案圖
五、設計總結及展望
S7-200控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計是比較完備的，但是并非沒有有待改進之處，例如該系統(tǒng)設計為４組泵，它的可擴充性就沒有再設計中被充分考慮到，如果遇到大型水廠，需要更多泵組，那么該設計就基本沒有用武之地，需要重新設計，又如，該系統(tǒng)的保護功能并不完整，系統(tǒng)應該設置２組變頻器，防止其中一組出錯時造成事故，這樣也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連續(xù)工作時間，減少故障損失。
展望未來，以后的恒壓供水系統(tǒng)設計應該改進我上述不足之處，以提高整體系統(tǒng)的性能。降低錯誤率。
參考文獻
[1] 宋序彤.我國城市供水發(fā)展有關問題分析[J].城鎮(zhèn)供水.2001, 2: 22～27.
[2] 崔玉川，傅濤.我國城市給水發(fā)展現(xiàn)狀與特點[J].中國給水排水.1999，(2):52～54.
[3] 劉黎成，孫偉.離心泵壓力自控調速系統(tǒng)的節(jié)能[J].中國給水排水.1993, (5):58～61.
[4] 趙相賓，劉國林.變頻調速和軟起動技術的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].自動化博覽.2000,(6): 1～6.
[5] 蔣藝，楊俊生.變頻調速器在供水系統(tǒng)中的應用閉.山東冶金.1999, 21(5):49～50.
[6] 邱文淵，童國道.國內外變頻器技術的現(xiàn)狀及我國發(fā)展策略初探[J].電子與自動化，1995, (5): 3～5.
[7] 黃金波，郭麗春.可編程控制器在自動給水系統(tǒng)中的應用[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2002, (3): 338～339.
[8] 賀玲芳等.基于控制的全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].西安科技學院學報，2000，(3): 243～245.
[9] 羅鎖玉.“南化”自備水廠變頻改造實現(xiàn)恒壓自動供水[J].電力需求與管理，2002,（2）: 43～44.
[10] 丁學又，金大海.交流電機變頻軟起動時的問題及解決方法[J].電力電子技術，2001，(5): 1～5.
[11] 胡綱衡，唐瑞球.高(中)壓變頻器應用基礎許座，第三講高壓交頻器的切換[J].變頻器世界，2001(10): 43～45 .
[12] 楊凌云.調節(jié)器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用閉.微機算計信息， 1996, 12(5):49～51.
[13] 郁漢琪.基于專家調節(jié)的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動自動化，1998, 1(20): 65～68.
[14] 田家山.水泵及水泵站[M].上海:上海交通大學出版社，1989: 92～105.
[15] 王維新，流體力學，北京:煤炭工業(yè)出版社，1986, 10: 72～78.
[16] 周漠仁.流體力學、泵與風機[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1994: 310～324.
[17] 崔金貴，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)在建筑給水應用的理論探討[J].蘭州鐵道學院學報，2000, 19(1): 84～88.
[18] 丁云飛.變頻調速水泵的能耗分析[J].流體機械，2001. 12 ，29(3): 25～27.
[19] 呂樹清.恒壓供水系統(tǒng)在高層建筑中的應用探討[J].南昌水專學報，2001, 9,20(3): 39～34.
[20] 廖常初.可編程程序控制器應用技術[M].重慶:重慶大學出版社，1998, 10:59～65.
[21] 耿紅旗，呂冬艷.可編程序控制器應用教程[M].北京:中國水利水電出版社，2001，12:45～60.
[22] 常斗南.可編程序控制器原理、應用及通信[M].北京:機械工業(yè)出版社，1997:68～96.
[23] 張桂香，王輝編著.計算機控制技術[M].成都:電子科技大學出版社，1999
[24] SIEMENS Company. S7-200 manual, 2001，3.
[25] 黃一大.微型計算機控制技術.北京[M]:機械工業(yè)出版社，1998.
[26] 王占奎.變頻調速應用百例[M].北京:科學出版社，1999.
[27] 高新陵，宋曉平.變頻調速恒壓供水系統(tǒng)研制[J].河海大學學報， 2001, 1,
[28] 寧耀斌，明正峰.變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)[J].西安理工大學學報，2001，5，17(3): 305～308.
[29] 張戟.單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵軟起動空調恒壓供水方法[J].計算技術與自動化，1999. 4: 18～20.
[30] 湯蘊#l.電機學.北京:機械工業(yè)出版社[M] , 1999, 5: 140～142.
[31] 鄧巍.及變頻器在多臺泵自動恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].石油學院學報，2001，6. 13(2): 67～69.
[32] 武雅莉，王鵲.利用8031單片微機在線檢測相位差[J].西安:現(xiàn)代電子技術，1995，2:25～27.
[33] 任冠眾等.相位測量技術[LJ].電測與儀表，1990， 27(9): 41～60.
[34] 史健芳.用單片機測量相位差的新方法[J].電腦開發(fā)與應用，2000， 13(7): 30～31.
[35] Paul.C.l. Phase measuring with increased accuracy. Electron .Eng, 1991，4: 52～55.
[36] 田會山，楊愛華.水泵及水泵站[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986.
[37] 陳國華，風機水泵調速節(jié)能手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社社，1987, 12:92～105.
[38] 張海藩編著.軟件工程導論[M].北京:清華大學出版社，1992, 6.
[39] 金以慧主編.過程控制[J].清華大學出版社，2001, 7.
[40] (美)Steve Teixeira Xavier Pacheco(徐新華譯).Delphi4開發(fā)大全(上、下)[M].北京:人民郵電出版社，1999, 8.
[41] 蔣方帥，瀟湘工作室編著.Delphi5程序員指南[M].北京:人民郵電出版社，2001，8.
[42] 李睿，方坤等編著。Delphi開發(fā)高級界面實例[M].北京:人民郵電出版社，2000,10.
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