基于组态王软件和变频器的自动调速恒压输水控制系统设计

基于组态王软件和变频器的自动调速恒压输水控制系统设计

摘　　要

本论文针对南水北调工程城市、市政区的给排水特点，设计了一种基于组态王软件和变频器的自动调速恒压输水控制系统，并使用组态软件开发了完善的运行管理监控工作页面。变频器恒压供水系统主要由上位机组态王、变频器、自动化泵机、水压感应器、气压变送器等设备组成。

本控制系统包括了三个水泵电动机，他们共同组成了变频循环工作方式。通过变频器进行对三相水泵发电机组的软起动和变频器自动调压，由水压感应器测量当前的孔隙水压信息，将输入组态王和设定值比较后进行了PID计算，进而调节了变频器的输出电流和频率，从而通过变化水泵发电机组的工作转速来改善输水能力，并最终保证管网信息压力保持在设置数值附近。同时通过组态软件实现全系统监控，并实现了工作状况的动态显示以及数据信息、报警。

本设计主要负责其中输水过程中管网压力控制与监控所呈现的结果即为其中输水管道的压力实现PID控制。

关键字:变频调速系统；恒压输水；组态软件；PID控制器

目　　录

第1章　绪论 1

1.1　本设计的目的和意义 1

1.2　国内外现状 1

1.2.1　国内发展现状 1

1.2.2　国外发展现状 1

1.3　本设计的主要内容 2

1.4　文章结构安排 2

第2章　系统分析以及控制方案的确定 4

2.1　变频恒压输水系统分析 4

2.1.1　电动机调速原理 4

2.2　控制方案的确定 6

2.2.1　系统性能分析 6

2.2.2　控制方案分析 7

2.3　采用变频器控制的优点 8

2.4　系统设计的基本步骤 8

第3章　硬件系统的设计 10

3.1　控制系统结构设计 10

3.2　变频器的选择 10

3.2.1　变频器简介 10

3.2.2　西门子MICROMASTER 440 变频器 11

3.3　水泵的选择 11

3.4　远传压力表的选择 12

第4章　软件设计 14

4.1　变频器系统设计 14

4.1.1　系统功能分析 14

4.1.2　变频器参数 14

4.1.3　接线图 15

4.1.4　PID系统运行设计 15

4.2　上位机组态设计 16

4.2.1　画面设计 16

4.3　组态王脚本程序 20

4.4　通讯连接 20

第5章　系统调试 22

5.1　变频器与上位机组态王线上通信监控系统调试 22

5.2　组态王离线模拟恒压输水监控动画设计调试 23

结论 25

参考文献 26

致谢 27

附录A　变频器接线图 28

附录B　上位机组态界面 29

附录C　组态王脚本程序 33

第1章　绪论

1.1　本设计的目的和意义

在南水北调工程、城市市政供排水等关系国计民生的重大基础设中，泵站在水资源的合理调节与管理中起着难以取代的重要作用。而对于水调工程、城市供水管线内水压不足的地区，尤其是在地势狭窄或高差很大的城市地区用水量不够的，又或者运输距离过长的，通常都必须设有泵站。对泵站进行了控制系统设计，以进一步提高泵站系统在操作、管理等方面的智能化程度，使监控体系更为健全。同时通过对城市给排水泵站的管理系统进行设计，还可以实现自来水高峰供水量不足情况，以重点缓解城市供电和用水的需求问题。既增强了泵站工作的安全性、可靠性和经济效益，又节省了人力，并为工程维修提供了可靠基础。

本课题研究并实现自动化输水系统控制以下功能。基于传感器技术、电气控制技术、过程控制系统和计算机系统控制等相关专业知识实现对江水置换项目中恒定压力的监控方案，当供水管道的水源发生变化时，通过压力仪表、流量计、变频器和上位机组态软件的联合监控，实现管道内的水压力保持恒定。

1.2　国内外现状

1.2.1　国内发展现状

水资源和电能一直是人们日常生活、工作中所不能缺乏的关键物资，在低碳环保已经成为时代特点的现实情况下，在中国这种自然资源丰富和电力能源相对匮乏的我国，长期以来的城市给排水、高层建筑给排水、工业循环给排水等领域的技术水平都比较落后，且现代化管理水平也很低，但由于中国社会经济的发展，南水北调工程的逐步开展，以及工程建设的不断深入，其规模已经日益壮大和发展十分迅速，同时也为送饮用水的基础设施修建提供了更大的需求。在南水北调中，供水系统的工程建设是当中的一项关键领域，给排水管的安全可靠、稳定性、经济效益直观关联着给排放到应用侧的安全，它也直接反映着南水北调工程管理水平的理程度。

1.2.2　国外发展现状

变频恒压供水是在变频调压技术发展之后才逐步蓬勃发展出来的。在早期，由外国制造的变频器的功用大多规定在频率限制、升速限制、正反转限制、启动限制，以及制动控制、高压频比控制限制和各项保护功能[1]。主要应用在变频恒压输水系统中，由于变频器内部仅用作运行部门，为适应对水压能力大小需求的不同步，并保持管网信息压力恒定，因此需要在变频器外围供给水压控制阀和气压感应器，对水压实行闭环控制。伴随变频技术的发展，和在变频恒压供水系统的稳定性、可靠性和智能化水平高等方面的优势，及其突出的节电作用逐渐被大家所发现并接受以后，国外不少专门制造自动化变频器的厂商也开始重视和引进了具备恒压供水能力的自动变频器，如美国日本Samco企业，便首先引进了恒压供水基板技术，有“变频泵稳定模式”、“变频泵循环模式”两个模式，它把PID等电动调控器和等可编程控制器的硬件部分工作整合到了自动变频器的基板中，并通过设定的程序完成了组态王和PID等功能控制系统的工作，如果搭载了相应的恒压供水模块，就能进行操控各种内部的电气接触器运行，可组成最多七台电器（泵）的供水系统[2]。这一类装置虽然微化了电路构成，减少了装置成本，但是对输入或输出端口之间的扩展功能却没有灵活性，控制系统的动作性能和安全也不高，与别的控制体系（如BA系统）和组态软件系统之间难以达到数字通讯，而且限定了带负荷的能力，所以在实际时其覆盖范围也会收到一定局限。

1.3　本设计的主要内容

本设计主要采用组态王6.55软件、西门子MM440变频器，通过线上通讯和离线模拟两种方式，实现对水泵电机转速和管道压力的实时监控。组态王界面设计，含有启动PID、停止PID、自动手动切换、调节参数等控制按钮，调节的参数主要包括实际压力、设定压力、比例系数、积分系数，组态软件界面开发完成后，利用西门子变频器的控制端子排的RS485接口与计算机串行口实现通讯，并在线仿真与调试，其次利用上位机组态软件实现恒压输水PID控制下与离线模拟下的动画设计，含有启动PID、停止PID等按钮、各操作硬件的图形绘制和变量数据的定义，同时完成恒压输水PID控制工作过程的脚本程序编写。

1.4　文章结构安排

1.绪论部分，粗略介绍了恒定压力江水置换的输水监控系统的研究背景，还有主要实现方式与大致的主体构思框架。

2.控制系统的理论分析与控制系统方法的选择，首先阐述了恒压输水的理论分析方法，然后介绍了恒压输水系统的节能原理，最后进行了设计方案论证，并叙述了采用变频器控制的优势和进行系统设计的具体步骤。

3.硬件系统的设计，在本章中介绍了变频器的组成和实现通讯的方式，并针对此次的设计进行了选型分析，同时也对其他硬件元器件进行了选型，并介绍了它们的硬件参数。

4.软件系统的设计，先是进行了程序需求分析，展示了系统运行流程图，接着介绍了主要程序的设计思路和方案，最后对组态王组态画面的制作和动画的实现也有一定的叙述。

5.系统调试与运行，以分步骤测试的方式对设计好的系统进行测试运行，以便于观测系统能否按照设计要求正常运行。

参考文献

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