基于S7-200和MM440的变频恒压供水系统设计.doc

1引言供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的随着人们生活水 平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠姓的要求 越来越高变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了 城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转这种系统简单、 造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差2) 恒定转速泵加水塔(或高位水箱)的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水水塔注 满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于 断续工作状态中这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基 建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差⑶恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力 来控制水泵的开与停当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐 中压力升到压力上限时，水泵停止这种方式，设备的成本比水塔要 低很多但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的 优点。

此系统采用了先进的s7 - 200plc和变频器mm440, s7-200具有 低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求， 变频器mm440具有很高的运行可靠姓、功能的多样性和全面而完善的 控制功能这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定姓和可靠姓，而 且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了 供水质量同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启 动能耗小2供水系统的基本特性供水系统的基本特姓是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系 曲线f (q),前提是供水系统管路中的阀门开度不变扬程特性所反映 的是扬程h与用水流量q之间的关系由图1的扬程特性表明，流量q 越大，扬程h越小在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q 的大小主要取决于用户的用水情况管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与 流量q之间的关系h=f (q)管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服 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1 可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大 小反映了系统的供水能力扬程特性曲线和管阻特姓曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点， 如图1中a点。

在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达 到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统 稳定运行当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系 统的压力也保持恒定扬程特性H管阻特性Qa Q(m3/s)图1供水系统的基本特性3变频恒压供水系统的构成及工作原理3.1系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的S7-200 pic作为控制器，变频器mni4 40是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作 为控制的反馈元件s7-200 pic选用内部控制模块cpu224,模拟量2 路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块cpu224有14 路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用pid模块使用方便, 在软件中只需要配置pid的每个参数三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电 接异步电动机，异步电动机带动水泵转动S7-200数字输出口输出控 制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交 流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机S7-200的模拟输 出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口 ainl+和ainl-,该 控制电压主要调节交流电的频率。

压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给S7-200的模拟输入口系统的 结构如图2所示控制信号图2变频恒压供水系统的总体框图供水管网3.2系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变 频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵 的出水流量来调节供水系统的压力因此，供水系统变频的实质是三 相异步电动机的变频调速，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速为：60/(1-其中： / 0nO为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率； P为异步电机的极对数 由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子 输入交流电频率f成正比当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效系统按照给定 的水压进行设定，pic根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟 踪给定的供水压力在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降 低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高， 以提高供水水压当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于 设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并 工作在变频状态。

在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过 大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断 调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力当系统运行在手 动模式时，自动模式无效在自动模式出现问题或系统在维护期间时, 系统才会采用手动模式用户根据需要，可以从pic的输入开关输入 信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供 水压力(稳态误差在5 %内)；可以自动进行自动模式/手动模式切换 系统的控制原理框图如图3所示压力传感器从供水管网反馈电压信 号，电压信号经过滤波放大后送到S7-200的模拟输入口，与给定的供 水压力信号比较形成压力偏差信号，经过pic ( s7-200 ) pid模块pi 调节后发出控制电压信号，送到变频器响440的模拟输入调节端口 送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流 电的频率 对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其 设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求给定压力 压力偏差 不同频率A异步电机—►供水管网压力传感器反馈压力信号图3变频恒压供水系统的控制原理框图4硬件电路设计4. 1主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。

系统的主电路由电 源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一 台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由S7 - 200的输出口控制主电路如 图4所示图4系统主电路图4. 2控制电路控制电路主要由pic ( s7 - 200 )、变频器mm440等组成，pic外围电 路接线图如图5所示总电源开关为q, sbO为pic的程序启动按钮， 与pic的iO. 0输入口相连接，当按下sbO时，iO.O为“1”，pic程 序启动kl为系统的自动模式开关，当kl接通时，iO.l为“1”，交 流接触器kml闭合，系统自动运行当变频器的频率达到上限频率时， i0.5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动 当变频器的频率达到下限频率时，i0.6为勺”，2#电机停止运行，1 #电机由工频切换到变频状态下i0.5和i0.6的状态由变频器输入k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，i0.2为“1” ,交流接触器k ml断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取 1#电机或2#电机工频运行kml为控制1#电机和2#电机在自动模式下 运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，k m3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变 频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触由变频器端口输入5程序设计5. 1 pic程序设计pic程序设计的主要流程如图6所示。

合上开关q,按下起动按钮sbO,pic程序复位当合上开关kl, io. 1为“1”，系统在自动模式下运行, 交流接触器kml接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力1工泵启动并变频运行启动1#电机在工频下运行启动2廿电机在工频下运行当用水量递增-变频器达到 大频率5()Hz,水压小于设定值1 口泵切换到工频状 态,2口泵变频启动当用水量减小,变频器达到下 线频率30Hz,水压大于设定值2#泵停止运行, I牛 泵由工频切换到变频系统压力维持在压力设定值图6主程序流程图 当用户用水量递增，变频器达到频率50hz,供水压力还没有达到设定 的供水压力时，mm440输出高电平到i0.5此时，qO. 1为“0" q0. 2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工 频定时器计时3s,变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐 下降，3s后q0.3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行设置延 迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小 电机启动电流，避免电机烧毁当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz,供水压力还是高于设 定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.6。

此时，q0.4为“0”，k m2断开，2#电机退出变频并逐渐停止同时qO. 1为 W , q0.2为 W , 交流接触器加2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频下限频率 设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬 程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象在多数情况 下，下限频率应定为30hz~35hz当合上开关k2,系统在手动模式下运行，交流接触器kml断开用户 可以根据需要，合上开关k3,交流接触器km3接通，选择1#电机在工 频下运行合上开关k4,交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下 运行5. 2变频器mm440的参数配置变频器40主要使用的是模拟输入口 ainl+和ainl-,模拟电压信 号输入后通过a/d转换器得到数字信号由pic模拟输出口输出模拟 控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一 一对应系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz,最 低频率为30hzo mm440的参数配置如附表所示附表mm440的参数配置出厂值设胃值参故说明P(MK)311设用户访何级为铢准级P(KKM07命令和数字【/OP07002 一—命令源选择•由糖子排输入・PHKKI5■频率设定值选择为.模拟输入・PIO8O030电动机运行的短低猱率PIOK25050电动机运行的最高频率(Hz)PI 120105斜坡上升时间(S)PI12I1()3斜坡下降时间(S)6结束语应用西门子pic ( s7 - 200 )内部的pid模块和变频器mni440的无极调 速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。

同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、 电机设备的使用寿命以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差 小，动态响应快，运行稳定实验效果表明，采用p。