基于s7-200plc控制的变频恒压供水控制系统设计

基于s7-200plc控制的变频恒压供水控制系统设计内容摘要：

累下来也造成了巨大的电能浪费。 随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。 由于交流电动机变频调速系统具有高效节能，控制灵活，通用性强等诸多优点，因此越来越被广泛地应用到现代生产，生活中。 尤其在当前资源紧张的大环境中，对节能的要求更为紧迫。 近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源紧缺问题日益明显，因此应用变频调速技术来提高供水质量，降低能耗，在供水领域已得到越来越广泛的重视。 随着变频调速技术的发 展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。 然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。 本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。 目前国内的四类供水控制方式 毕业设计（论文）报告纸 共 54 页 第 6 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 逻辑电子电路控制方式 这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。 往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。 因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试比较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱。 但成本较低。 单片微机电路控制方式 这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。 电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。 带 PID 回路调节器和 /或可编程序控制器（ PLC）的 控制方式 该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。 传感器的任务是检测管网水压。 压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。 压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经PID 调节器的控制 ，输出给变频器一个转速控制信号。 由 PID 回路调节器输入给变频器一个转速调节信号。 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来说，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。 由于带模拟量输入 /输出接口的可编程控制器价格很高，这无 形中就增加了供水设备的成本。 若采用带有模拟量输入 /数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟标准信号，控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。 如果采用一个开关量输入 /输出的可编程控制器和一个 PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入 /输出的可编程控制器差不多。 所以，在变频调速恒压给水控制设备中， PID 控制信号的输入和输出确定就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 新型变频调速供水设备 针对传 统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58 泵切换卡； SANKEN的 SAMCOI 系列； ABB 公司的 ACS600、 ACS400 系列产品；富士公司的 G11S/P11S系列产品；这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内， 毕业设计（论文）报告纸 共 54 页 第 7 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 形成了带有各种应用宏的新型变频器。 由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试 非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。 由于变频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。 同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。 这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。 变频调速技术发展历程及展望 作为高性能的调速传动，直流发电机 －电动机调速控制方法长期以来一直被广泛应用。 但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也昂贵。 使用异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。 异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。 但是由于各种各样的缺点均没有得到广泛的应用。 70 年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。 晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。 三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽 等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。 到 80 年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由 IGBT或 GTR 模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。 它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。 现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电 40％～ 60％，节水 15％～ 30％。 众所周知，水泵的耗功率与 转速三次方成正比，水泵是根据工频是设计的，但正常运行时多数时间是流量较少时的情况，变频能使转速根据流量的变化而变化，速度可以下降 20%，比工频运行能节省 20%40%的耗能。 由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。 尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。 毕业设计（论文）报告纸 共 54 页 第 8 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 变频恒压供水的原理 在供水中，水泵的电能消耗及设备的维护管理 费用在生产成本中占有很大的比例，水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国电量总消耗的 21%以上，具有很大而节能潜力。 由于常规供水系统是采用常规的阀门来控制水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。 因此，这种调控虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。 近年来电机调速技术的应用，为水泵的节能开辟了一个新途径。 它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经 济效益具有极其重要的意义。 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。 但实际运行中水泵每天只有很短时间的最大流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。 因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。 通常采用的方法有阀门控制和调速控制。 阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来改变水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力的恒定，从而达到节能效果。 由流体力学可知，水泵 给管网供水时，水泵的输出功率 P与管网的水压 H 及出水流量 Q 的乘积成正比：水泵的转速 n 与出水量 Q成正比；管网的水压 H与出水流量 Q的平方成正比。 由上属关系有，水泵的输出功率 P 与转速 n的三次方成正比，即： P=k1HQ （ 1— 1） n=k2Q （ 1— 2） H=k3Q2 （ 1— 3） P=kn3 （ 1— 4） 式中 k1 、 k2 、 k k 为比例常数。 当系统出水量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率也随转速的变小而减小。 变频调速节能原理图如图 所示： 毕业设计（论文）报告纸 共 54 页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 变频调速节能原理图 图中曲线 3 为管网阻力特性曲线，曲线 4 为水泵转速为 n1 时的运行特性曲线，曲线 5 为水泵转速为 n2 时的运行特性曲线。 水泵原来的工作点为曲线 3 和曲线 4 的交点 A，此时的出水量为 Q1，管网压力为 H1，水泵的转速为 Q2 时，系统管网特性曲线 1，曲线1 和曲线 4 的交点 B 为运行工作点。 此时管网压力值为 H2，水泵输出功率正比于 H2 Q2。 由于 H2＞ H1，高出的压力能量就被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成伤害。 如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至 n2，曲线 5 和曲线 2 的交点 C 为水泵的运行工作点。 调速后观望的压力仍保持为 H1，出水量为 Q2，水泵的输出功率正比于 H1 Q2。 从图中 可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。 例如，当Q2 为 Q1的 80%时，通过调速将 n2 调至 n1的 80%，则水泵的输出功率 P 为 P 的 %。 如不采取调速控制， %的能量将被浪费。 可见变频调速的经济效益十分可观。 变频恒压供水的意义 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。 恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生 产这一高新技术产品。 目前该产品正向高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。 追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 本系统所采用的恒压供水系统具有很重要的意义。 用户用水是经常变化的，因此， 毕业设计（论文）报告纸 共 54 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 供水不足和供水过剩的情况时有发生。 而用水和供水之间的不平衡集中地反应在供水的压力上：用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力高。 保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水质量。 恒压供。