恒压供水PLC

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

课程设计说明书（论文）

课程名称：电气传动自动控制系统

设计题目：变频给水设备的恒压给水控制系统院系：电气工程及其自动化

班级：

设计者：

学号：

指导教师：

设计时间：2016年1月11日- 2016年1月16日

哈尔滨工业大学教务处

哈尔滨工业大学课程设计任务书

一、控制系统总体设计方案

该设计题目要求利用西门子S7 200 PLC和G120变频器，以及刨台运动模拟器，设计一个变频给水设备的恒压给水系统，并通过实验调试实现该系统的各种设计功能。

1.1变频给水系统的结构和工作原理

变频给水设备由变频控制柜、稳流罐、水泵机组、仪表、阀门及管路、基座等组成，适用于一切需要增高水压，恒定流量的供水系统。其简化结构图如图1所示：从市政管网来的低压水源，经过水泵增压后，为用户提供稳定的供水。

图1变频给水系统简化结构

变频给水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好。在工业和民用中应用十分广泛。变频给水系统采用一个电位器设定压力（也可采用面板设定压力），采用一个压力传感器检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID 回路，PID 回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制水泵马达的转速。为了节约成本同时提高水泵效率，系统中一般配有多台水泵。只有一个泵由变频器供电，工作于变频调速状态，其他泵或不运行，或直接连接到电网上运行于工频状态。

当用水量较小时，只有一个泵工作于变频状态，在PID 控制下自动调节给水压力，如在一定延时时间内，压力还是不足，则对该泵进行变频/工频切换（即将该泵与变频器脱开，直接连接到电网上运行），然后利用变频器启动另一台水泵，提高供水量使实际管网压力与设定压力相一致。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除某一个工频运行的水泵，减少供水量，使实际管网压力仍然与设定压力相一致。

1.2恒压给水控制系统的组成

为了实现无人值守自动供水，可采用PLC（CPU224 XP）和变频器（G120），组成恒压给水自动控制系统，其结构如图2所示。工作时，变频器内部的PID调节器根据由电位器设定的压力给定，以及从用户管路中检测的实际压力，经运算后调节变频器输出频率，从而自动调节水泵的供水量，使实际压力与给定压力一致。PLC的作用是：根据操作面板上的发令元件（如启动按钮）启动变频器，并根据变频器计算的压力超限指示信号，结合合理的控制逻辑发出控制指令到泵站，决定哪台泵启动，是工频运行还是通过变频器变频运行。

图2 恒压给水控制系统的结构

由于在实验室不可能真的安装供水管路，在控制系统中泵站的功能是利用电子模拟器来模拟实现的。如图2所示，模拟器接收变频器发出的输出频率信号，及各个泵的启动控制信号，根据流体特性计算出用户管路的可能压力，将这个估计值作为实际压力信号，反馈给PID 调节器。模拟器上的数码管可以显示给定压力和实际压力。此外在模拟器上还可以改变用户的用水量，使压力出现波动，进而观察控制系统的动态响应。图3是模拟器与上位机PLC 程序、变频器和电动机的接线结构示意图，有了模拟器后，给水压力控制系统的结构就完整了，可以像在实际系统上一样进行逼真的调试，以检验硬件和软件设计的正确性。

CPU214

变频器启停位

数据组选择位0

T5:01(DI0)

T5:02(DI1)

T4:01(L1)T4:06(L6)

给水压力设定用户流量模拟CU240S DP

(0-停止/1-运行) 给水控制系统接线图

压力超上限压力超下限T4:04(L4)T4:05(L5)

图3 给水系统接线图

1.3恒压给水控制系统的实现功能

(1)工作方式选择

利用模拟器上的开关S5实现工作方式选择功能：自动方式和手动方式。

(2)自动方式下的控制要求

在自动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，要求能够实现压力调节、压力超限判断、水泵切换等功能。系统停止时，所有泵均不工作。系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。

压力调节功能：用模拟器上的电位器P1设定给水压力，压力设定值及从模拟器反馈的实际压力，作为变频器的模拟输入信号，经变频器内部PID功能模块的运算后，调节变频器输出频率，改变水泵的供水流量，从而调节给水压力使其跟随给定值。调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。

压力超限判断功能：当实际压力超过（给定值＋阀值）时，延时5秒后，变频器的某一开关量输出端为高电平，为PLC提供压力超上限的检测信号，同时模拟器上指示灯L4亮。当实际压力低于（给定值－阀值）时，变频器的另一开关量输出端为高电平，为PLC 提供压力超下限的检测信号，同时模拟器上指示灯L5亮。当压力超上限或超下限的时间超过20S后，L6亮，作为报警指示。当压力正常时，开关量输出为低电平，且指示灯灭。水泵切换功能：系统中共有2个水泵，但只有1个变频器，所以任何时刻只能有1个泵在变频器驱动下工作于变频状态，另1个泵或者不工作，或者直接接到电网上工作于工频状态。系统启动后，若当前没有泵在运行，则启动1号泵，并使其工作于变频状态。运行过程中，若检测到压力超下限，表明供水不足，则将当前工作泵切换到工频状态，然后用变频器驱动另1个泵。若检测到压力超上限，则表明供水量过大，则应停止当前工作于工频状态的泵，仅保留变频泵在工作。

水泵的切换控制由PLC实现，由PLC向模拟器提供泵的控制信号。若1号泵工作于变频状态，则要求向模拟器上PUM1输入端提供1Hz的方波信号；若1号泵工作于工频状态，则要求向PUM1输入端提供高电平；若1号泵停止，则要求向PUM1输入端提供低电平。2号泵的控制与1号泵相似，不同在于要向PUM1输入端提供控制信号。为了便于观察，要求用L2和L3指示灯分别显示1号泵和2号泵的控制信号。

(3)手动方式下的控制要求

在手动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，利用模拟器上的电位器P1直接设定变频器输出频率，手动调节P1达到期望的给水压力。手动方式下只有1号泵工作于变频状态。系统停止时，所有泵均不工作。系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。

二、变频器的参数设定

2.1G120变频器基本知识

1、基本特点

SINAMICS G120是SINAMICS变频器系列的新成员，能够完美地满足低压范围内的高性能应用需求。与其他SINAMICS系列产品相比，将为用户带来独一无二的驱动技术灵活性，全新SINAMICS G120变频器以其模块化的设计（功率模块、控制单元和BOP）及其安全保护功能（集成化的故障安全保护）、通讯能力和能量回馈等各种创新功能而卓尔不群。功率范围涵盖0.37~90kw,可适用于各种驱动解决方案。

2、模块种类

SINAMICS G120是一个由多种不同功能单元组成的模块化变频器，两种主要的单元是：控制单元和功率单元。控制单元可以以几种不同的方式对功率模块和所接的电机进行控