基于S7-200的恒压供水系统

无锡科技职业学院毕业设计（论文）设计题目S7-200PLC的恒压供水系统学生姓名薛松＿＿系别机电工程系专业电气自动化技术班级电气0702指导教师张如萍摘要恒压供水系统是以PLC控制技术为核心，变频器技术为基础，PLC 将压力的设定值和测量值比较，经PID运算后得到的信号送到变频器中，，控制变频器。

通过变频器对频率的调节来完成对抽水泵转速的调节，实现恒压供水的目的。

这样，既可满足用户的需求，又不会使点击空转，造成电能的浪费。

关键词：PLC、变频器、PID运算第一章第二章第三章第四章第五章第一章引言1.1、课题的背景和意义日常的生活用水经常随时间而变化的，因季节、昼夜相差很大，因此用水和供水的不平衡集中表现在水压上，即用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。

保持供水压力可以保持供、用水的平衡。

以往采用水箱和水塔或气罐加压方法，往往容易造成水的二次污染、造成水质不好。

由于电力电子技术的发展，变频调速技术在自动恒压供水方面获得了广泛的应用。

该系统是集传感器技术、PLC、变频器技术，自动控制原理等学科为一体的综合应用系统。

1.2、PLC的研究现状当今PLC的发展相当迅速，产品更新换代周期为3年左右，其结构不断改进、功能日益增强、性能价格比越来越高。

目前全世界PLC制造商有200多家，产品有400多个系列。

按地域影响力可以分为三大派，即欧洲产品以西门子（SIEMENS）PLC为代表；美国产品以A-B （Allen-Bradley）PLC为代表；日本产品以欧姆龙（OMRON）和三菱FX系列PLC为代表。

它们在我国均得到了广泛使用。

在我国设备技术改造和国产设备生产中大多使用上述公司的PLC。

1.3、变频器的研究现状变频器是运动控制系统中的功率变换器。

当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。

因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

1.3、传感器的研究现状传感器是将非电量信号转化成电信号以实现信息检测的器件。

传统的由分立元件构成的传感器，不仅体积大，不便于安装及维修，而且功能简单，性能指标差，远远满足不了现代科技发展的需要。

集成传感器是采用专门的设计与集成工艺，把构成传感器的敏感元件、晶体管、二极管、电阻、电容等基本元器件，制作在一个芯片上，能完成信号检测及信号处理的集成电路。

因此，集成传感器又被称作传感器集成电路。

随着电子计算机、工业自动化、信息、军事、交通、化工、能源、环保、地球资源开发、宇航及遥感等现代科学技术的发展，对集成传感器的需求量也与日俱增。

目前，集成传感器的应用领域已渗透到国民经济各个部门以及人类的日常生活中。

传感技术对国民经济的发展起着巨大的推动作用。

第二章、可编程控制器的概述2.1、PLC的定义和特点1、PLC的定义1980年，美国全国电气制造商协会(NEMA)对PLC作如下定义：“可编程控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC)是一种数字式的电子装置。

它使用可编程的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、定时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程惊醒控制。

”2、PLC的特点1)通用性强、灵活性好、接线简单继电器逻辑孔子系统是针对各种控制要求专门设计的，只要控制系统改变，其接线就要跟着改变，因而其专用性强，通用性查。

另外，接触器的触电数有限，其系统的连线多而复杂，体积大，灵活性和扩展性都很差。

PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有面向工业控制的鲜明特点。

通过选配相应的控制模块，便可适用于各种不同的工业控制系统。

同时，由于PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内部存储器中，当生产工艺改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬件，只需改变程序和逻辑控制即可，因此称为“软接线”，其连线较少、灵活性和扩展性都很好。

2)功能强、功能的扩展能力强现代PLC具有强大的功能系统，PLC利用程序可实现任意复杂的控制功能。

第一、PLC利用程序进行定时、技数、顺序、步进等控制，十分准确可靠。

而继电器逻辑控制时，需要使用大量时间继电器、计数器、步进控制开关等设备，其准确性与可靠性无法与PLC相比。

第二、PLC还具有模/数(A/D)和数/模(D/A)转换、数据运算和处理、运动控制等功能，因此，它既可以对开关量进行控制，又可以对模拟量进行控制。

第三、PLC具有连网功能，因此它不仅可以控制一台单击=机、一条生产线，还可以控制一个机群，多条生产线；它既可现场控制，也可远距离地对生产工程进行监控。

3)可靠性高、抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境中能可靠地工作，在设计上强化了PLC的抗干扰能力。

在硬件方面，采用了电磁屏蔽、滤波、光隔离等一系列抗干扰措施。

例如，输入/输出电路都采用了光隔离措施，做到电浮空，有效地隔离了PLC内部电路与输入、输出之间的电联系，从而避免了输入、输出部分窜入的干扰信号而引起的故障和误动作。

在软件上，PLC采取了故障检测、信息保护和恢复、设置警戒时钟，加强对程序的检查和校验、对程序和动态数据进行后备保护等，进一步提高了可靠性和抗干扰能力。

一般PLC允许工作环境温度为60℃，环境湿度为15%～85%，抗噪音、抗射频等能力，因此可靠性极高。

4)定时准确，定时范围宽PLC内部提供了许多定时器和计数元件，通过不同的赋值，可以实现任意范围内的时间定时，且定时准确。

而继电器逻辑控制系统中的定时器是靠硬件设备来实现的，其定时范围和定时的准确性均受到很大的限制。

2.2、S7-200 PLCS7-200 PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块共用户选用，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。

此外，整体式PLC还配备有许多专用的特殊功能模块，例如热电偶/ 热电阻模块、通信模块等，使PLC的功能得到扩展。

2.2.1 CPU模块S7-200 CPU有两代产品：第一代CPU模块为CPU21X,配有4种类型：CPU212、CPU214、CPU215、CPU216；第二代CPU模块为CPU22X,也有4种类型：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。

不同类型的CPU具有不同的技术特征。

表2.1-1所示为CPU22X系列的主要技术数据。

2.2.2、数字量输入/输出模块数字量输入/输出模块是为了解决本机集成的数字量I/O点不能满足需要而使用的扩展模块，S7-200 PLC目前总共可以提供3类，共9种数字量输入/输出模块。

表2.1-2 EM221 模块的技术性能表2.1-3 EM222 模块的技术性能2.2.3、模拟量输入/输出模块模拟量输入/输出模块提供了模拟量输入和模拟量输出的扩展功能。

S7-200 PLC的模拟量扩展模块具有较大的适应性，可以直接与传感器相连，并有很大的灵活性，且安装方便。

下面是一些模块的技术性能表：表2.1-7 EM235 模块的技术性能2.3、PLC的发展趋势目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：1)向小型化。

专用化方向发展。

当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以适用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。

2)向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络发向发展。

可编程控制器输入输出已超过32K，扫描速度小于1Ms/千步。

3)编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。

可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段。

这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。

可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。

第三章、变频器的概述近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。

如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。

下面谈谈变频器的工作原理和控制方式：1 变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n＝60 f(1－s)/p (1) 式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

2变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

其控制方式经历了以下四代。

2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

2.3矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。