基于S7-200的变频恒压供水系统zh,

本科生毕业设计（论文）
题目：基于S7-200的变频恒压供水系统
学生姓名：张辉
系别：信息与计算科学系
专业年级：2008级自动化一班
指导教师：张明海
2012年 6 月 20 日
摘要
由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套S7-200PLC控制的变频调速恒压供水系统。

恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。

系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、远传压力表等构成。

共三台电机，其中由一台变频器拖动2台大功率电动机的起动、运行与调速，1台小容量电机备用。

控制系统中采用德国SIMENS公司的S7-200可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由SFB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。

关键字：S7-200;PLC;恒压供水;变频器
Abstract
Because the flaw of the tradition water supply system, I designed a PLC control of the Frequency Control Water Supply System.
Constant pressure water-supply means that the water supply networks in the event of changeable water consumption, but the exports still remain the same pressure. The component of this system includes the PLC, Drives, pump motor group, and the pressure sensor. This design uses one transducer drivers 2 Motors starting, running and speed control. Another small capacity motor is used to be reserved. The control system used S7-200 programmable controller which be made in Germany SIMENS corporation. Through the PID controllers, pressure will be given the fixed value and processing error of the measurement by SFB41. Using the controllers to control the voltage and frequency of the frequency converter in real-time and then change the pump motor Speed to change the pump outlet flow, the pressure on the pipe network to achieve automatic adjustment so that the pressure pipeline network settings stability in the vicinity.
Key words:S7-200;PLC; constant pressure water-supply ; variable frequency speed-regulating
目录
前言
第一章
1.2 课题研究的目的和意义 1
1.3 国内外在该方向的研究现状及分析 1
1.3.1 变频恒压供水系统的国内外研究现状 1
1.3.2 可编程序控制器技术国内外发展现状 2
1.4 主要研究内容 3
第二章变频调速恒压供水系统简述
2.1 供水系统概述 5
2.2 供水系统的主要特性 5
2.2.1 供水系统的主要参数 5
2.2.2 供水系统的特性与工作点 6
2.3变频调速的原理及节能原理 7
2.3.1 变频调速的原理 7
2.3.2 变频调速运行的节能原理 8 2.3.3 转速控制法节能的3个方面 9 2.4 恒压供水的特点 10
2.5 本章小结 10
第三章恒压供水系统部件选择
3.1 系统概述 11
3.2 S7-300系列PLC简介 11
3.3 S7-200 的工作方式 11
3.3.1 S7-200的工作过程 11
3.3.3 S7-200 CPU 22X 的输入/输出接口 12
3.3.4 I/O点数扩展和编址 13
3.3.5 S7-200系列PLC数据存储区及元件功能 13
3.4变频器的介绍 13
3.4.1 变频器的基本结构 13
3.4.2 变频器的工作原理 13
3.4.3 选择变频器规格 15 3.5 变频器与PLC的连接 17
3.5.1 开关指令信号的输入 19
3.5.2 数字信号的输入 19
3.6 传感器 20
第四章恒压供水电控系统设计
4.1 变频恒压供水系统的构成及工作原理 21
4.1.1 变频恒压供水系统控制方案的设计与选择 21
4.1.2 恒压供水系统构成 22
4.2 系统设计 23
4.2.1 系统主电路的设计 23
4.2.2 PLC控制电路设计 25
4.2.3 控制系统主程序设计 26
4.3 PID控制在变频调速恒压供水系统中的应用 28
4.3.1 PID控制器 28
4.3.2 PID控制器的应用 29
总结 30
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。

而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。

而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。

控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。

在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低水供不应求的现象。

传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。

这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。

因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。

同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。

所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。

利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。

1.2课题研究的目的和意义
随着我国工业建设的迅速发展和人们生活水平的不断提高,城市供水的矛盾也越来越突出。

传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。

这种靠水的势能或气压供水方式有很多缺点。

变频调速供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将采集到的系统压力信号与压力设定值作比较，通过控制器调节变频器的输出，实时自动地调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持为恒定的压力设定值，有效地防止水路管网管路爆裂的现象。

相比传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统，变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益[1]。

1.3国内外在该方向的研究现状及分析
1.3.1变频恒压供水系统的国内外研究现状
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。

早期，变频器的功能主要是应用在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、及各种保护功能上。

用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足需求不同时的供水量，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器，对压力进行闭环控制。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samc。

公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。

此类设备简化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动
态性能和稳定性能不高，与其它的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，在实际的应用中受到限制[2]。

目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程，多数采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能等多方面的综合技术指标方面，还未能达到所有用户的要求。

艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的
性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.3.2可编程序控制器技术国内外发展现状
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，变成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了便于使用，可编程控制器采用梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

此时它的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。

最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。

接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。

目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。

上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。

此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。

1.4 主要研究内容
变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。

通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。

本文介绍的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。

变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序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,在保持恒压下达到控制流量的目的。

论文首先对水泵电机的调控技术进行分析和比较，在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。

对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计进行研究，通过学习德国SIMENS公司的S7-300，的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。

第二章变频调速恒压供水系统简述
2.1供水系统概述
自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。

自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。

这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。

对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。

在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。

根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。

因为在恒压供水系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。

但由于供水系统一个非线性、大惯性的时滞系统，并且无法获得其相应的精确数学模型，所以传统的经典控制理论已经不能满足要求，而采用自适应控制与模糊控制相结合的控制方法，可以很好的满足压力恒定的要求。

2.2供水系统的主要特性
2.2.1供水系统的主要参数
流量:是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s、m3/ m、m3/ h等。

供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的需求。

扬程:是单位质量的水被水泵上扬时所所获得的能量，符号是H，常用单位是m。

扬程主要包括三个方面：
(1)提高水位所需的能量；
(2)克服水在管道中的流动阻力(管阻)所需的能量；
(3)使水流具有一定流量所需的能量。

由于在同一个管路中，上述的(2)和(3)基本不变，在数值上也相对较小。

可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。

因此，在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一个位置时，水位地变化量(即对应地水位差)，用来表示扬程。

管阻：是表示管道系统(包括水管、阀门等)对水流阻力的物理量，符号是R，因为不是常数，难以简单地用公式来定量地计算，通常用扬程与流量之间的关系曲线来描述。

压力：是表示供水系统中某个位置(某一点)水压的物理量，符号是P。

其大小在静态时主要取决与管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。

转速：每分钟泵轴的旋转次数，常用n表示，单位是转/分(rpm)。

功率：泵的功率大多是指轴功率，即泵在运转时，在一定的流量和扬程下，电动机输送给泵轴上的功率，常用N表示，单位是千瓦k(W)。

有效功率是泵在单位时间内对流经泵的水做的功，可根据流量、扬程计算出来。

效率：泵在工作时，由于机械的摩擦，管路的摩擦和局部的阻力，以及泵内液体回流和密封不严的外漏造成能量的损耗，有效功率与轴功率的比值就是泵的效率，常用q表示。

2.2.2供水系统的特性与工作点
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门状态不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，如图2.1所示。

由图2.1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量之间Q u之间的关系。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Q G)管阻特性反映了水泵的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由图2.1可知，在同一阀门开度下扬程H越大，流量Q也越大。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统对用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q G之间的关系H=f(Q G)。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。

在这一点，用户的用水流量Q u和供水系统的供水流量Q G处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，最终系统稳定运行。

H A H (m)
扬程特性管阻特性
Q A Q(m 3/s)A 0
图2.1 供水系统的基本特性
2.3变频调速的原理及节能原理
2.3.1变频调速的原理
变频调速恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

异步电机的转差率定义：s n n n -=
1 异步电机的同步速度为：n 1=
p f 60 异步电机的转速为：n=
p
s f )1(60- 其中：
n —异步电机的理想空载转速；
n —异步电机转子转速；
f —是异步电机的定子电源频率；
p —为异步电机的极对数。

从上式可知，当极对数p 不变时，电机转子转速n 与定子电源频率f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。

变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因
而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。

因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。

变频调速拖动系统是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统。

描述了转速n 和转矩T 之间的关系)(T f n =称为机械特性。

拖动系统的稳定工作取决于电动机和负载的机械特性。

一般负载的机械特性有三类:恒转矩负载、恒功率负载、二次方率负载(泵类负载)。

三相异步电动机定子相电动势的有效值为公式：
m kfN E Φ=44.4 (2-1)
式中:
E —定子每相的磁感应电动势
k —与绕组结构有关的常数
f —定子频率(Hz)
N —每相绕组串联匝数
m Φ—每极磁通量(Wb)
由上式可见，m Φ的值由E 和f 共同决定的，对E 和f 进行适当的控制，就可
以使气隙磁通m Φ保持额定值不变。

即使 ：
C C f E m =Φ=1/
(2-2)
上式中常数N K C 1144.4=。

式 (2-2)表示了感应电动势有效值与频率之比为常数的控制方式。

如果采用这种控制方式，则由基频降至低频的变速控制过程中都能保持，可以活得很好的效果，因此这是一种较为理想的控制方式。

2.3.2变频调速运行的节能原理
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。

常见的方法有阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法:通过关小或打大阀门来调节流量，而转速则保持不变(通常为额定
转速)。

阀门控制法的实质是，水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来改变供水的能力(反映为供水流量)，以适应用户对流量的需求。

这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

图2.2为水泵特性曲线，设用户所需流量从QA减小为QB，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线1，故供水系统的工作点从A点移至B点。

这时流量减小了，但扬程却从H TA增大为H TB；供水功率与面积OEBF成正比[4]。

转速控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。

转速控制法实质是通过改变水泵的扬程来适应用户对流量的需求。

当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

当用户所需流量从Q A减小到Q B，转速下降时，扬程特性下降为曲线④，管阻特性仍为曲线②，故工作点移至C点。

此时扬程减小为H Tc，供水功率与面积OECH成正比。

图2.2 水泵特性曲线
2.3.3转速控制法节能的3个方面
(1)通过上文对两种调节流量的方法的比较，可以看出:在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时的小得多，所以转速控制方式所需得供水功率也比阀门控制方式小得多。

两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积HCBF成正比。

(2)同时在转速控制方式下，水泵的工作效率要比阀门控制方式的工作效率大得
多，这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。

(3)采用转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速，由于电动机在低频运行时，变频器的输出电压也将下降，从而提高了电机的工作频率。

2.4恒压供水的特点
对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。

所以，流量是供水系统的基本控制对象。

而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。

考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(供水流量)和用水需求(用水流量)之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，当两者相等时压力不变。

供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。

从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。

当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，这就是恒压供水所具有的特点。

2.5本章小结
水泵的工作点就是同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于水泵工作点是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。

本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法。

接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。

在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。

本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出了转速控制法下水泵的供水功率也比阀门控制方式大得多，工作效率要比阀门控制控制方式下大得多，提高了电机的效率。