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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 目 录
第1章 概述 ........................................................ 1 1.1 项目的意义及应用背景 ........................................... 1 1.2 课题的方案设计 ................................................. 3 1.3 本文研究的内容 ................................................. 3 第2章 恒压供水原理及工艺 ........................................... 4 2.1 系统的组成和基本工作原理 ....................................... 4 2.2 系统框图及工作模式 ............................................. 5 2.3 主要元器件选型 ................................................. 6 2.4 该系统的特点 ................................................... 7 第3章 控制系统分析与设计 ........................................... 8 3.1 低压电器设备部分 ............................................... 8 3.2 控制柜面板设计 ................................................ 10 3.3 PLC控制部分 ................................................... 11 第4章 软硬件的基本原理介绍 ........................................ 12 4.1 PLC可编程控制器(三菱 FX2N-32MR) ............................... 12 4.2 变频器(ATV38) ................................................. 16 4.3 压力传感器简介 ................................................ 18 第5章 系统开发 .................................................... 21 5.1 PLC应用的开发步骤 ............................................. 21 5.2 PID控制原理 ................................................... 21 5.3 PLC程序 ....................................................... 22 第6章 调试 ....................................................... 32 6.1 硬件功能调试 .................................................. 32 6.2系统总体调试 ................................................... 32 第7章 结论 ....................................................... 33 参考文献 .......................................................... 34 致谢 .............................................................. 35 附录 .............................................................. 36
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 第1章 概述
据报道，目前国内在用的水泵和风机约5000万台，年消耗的电量可达约1000亿度。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电40%左右，即可以节约全国发电量的1/5。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。
恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时，其出口压力保持不变的供水方式。供水系统的主要参数有：流量、扬程、管阻和压力。采用变频器后可以节能有三个方面：管阻特性曲线保持不变(阀门全开)，扬程特性曲线下降(转速下降)，使流量下降与用户需求量下降平衡，以保持水压大致恒定；转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态；不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低，它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。在本次设计中，主要设计基于PLC生活给水控制系统设计的实现，通过三菱FX2N-32MR PLC 和ATV38(施耐德) 变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。通过在三菱的PLC GX Developer7上进行编程，通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。
1.1 项目的意义及应用背景
变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
变频恒压供水控制系统主要有：
①带PID回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制系统
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 在该系统中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。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输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。
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讲，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端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程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控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
②新型变频调速供水设备
针对传统的变频调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产品，如华为的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。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，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储容量的要求和对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。在满足工艺要求的情况下应优先采用。
③供水专用变频器
供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定即可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。
系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。
供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能\浪费\，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。
1.2 课题的方案设计
根据该题目的要求：有四台水泵电机构成次基于PLC的生活给水控制系统，实现两种工作模式，即手动模式和自动模式。
①手动模式：自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机； ②自动模式： 1）自动轮换 2）备用自投 3）先启先停 4）故障检测和指示
方案1：这四台水泵电机直接启动，无变频调节作用。 按照“先启先停”、“备用自投”运行，这个方案主要没有变频调节作用，这对水资源不能合理的分配利用，浪费电力，这个方案仅对用户需求流量较为稳定的情况应用。
方案2：由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵固定，按照“先启先停”、“备用自投”运行，变频泵具有变频调节作用，相对合理的分配利用水资源，节约了电力，对整个系统是一个较为合理的解决方案。
本课题采用方案2。
1.3 本文研究的内容
本文介绍可编程控制器(PLC)为控制核心，施耐德公司的ATV38系列带内置PID功能的变频器为执行元件，采用PID算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。其中主要内容包括恒压供水原理，PLC原理，系统主要器件的选择，主电路和控制电路的设计，I/O口及中间继电器分配，最后是程序的编写，来实现PLC、变频器、压力传感器之间的通讯、控制功能。
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