恒压供水论文.doc

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1、摘要随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采用变频器

2、和PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步说明如何实现水压恒定供水。进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU226)的PLC和CHF100泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由PLC的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的功能参数表预置了相关的参数。介绍了PLC的编程方法，选用了适合初学者的梯形图编程，并设计

3、了梯形图，利用S7-200PLC仿真软件进行了仿真，仿真的结果表明了设计程序的正确性。最后对恒压供水进行了经济效益分析，分析的结果表明具有明显的节能效益。关键词：恒压供水，变频调速，PLC，PID，仿真 第一章 绪论1.1 引言水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在

4、技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可

5、靠性。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行。变频 恒 水 压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的

6、现实意义。 图1.1 传统供水机示意图 图1.2 变频供水机示意图1.2 本课题产生的背景和意义我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投

7、资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.3 变频恒压供水的现况1.3.1 国内外变频供水系统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。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频

8、器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.3.2 变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:(1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。(2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV

9、320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3) 大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实

10、践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。第二章 变频恒压供水的理论分析2.1 水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液

11、体便会不断地被吸入和排出。 图2.1 离心泵结构示意图2.2 供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:(1) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2) 如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式

12、，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)（kW），可按式计算所需电动机的功率(kW)： 式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。2.3 PID调节方法PID是工业生产中最常用的一种控制方式，PID调节仪表也是工业控制中最常用的仪表之一，PID 适用于需要进行高精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳PID控制参数。 PID参数自整定控制仪可选择外给定（或阀位）控制功能。可 取代伺服放大器直接驱动执行机构（如阀门等）。PID外给定（或阀位）控制仪可自动跟随外部给定值（或阀位反馈值

13、）进行控制输出（模拟量控制输出或继电器正转、反转控制输出）。可实现自动/手动无扰动切换。手动切换至自动时，采用逼近法计算，以实现手动/自动的平稳切换。PID外给定（或阀位）控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈 信号。 2.4 水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适

14、的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下：2.5 恒压供水系统的能耗分析在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。阀门控制法的实质是水

15、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强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。 (2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。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，但是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（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU

16、表示）之间的平衡情况有关。如：供水能力QG用水需求QU，则压力上升（P）；如：供水能力QG2.5*Imn=2.5*15=40(A) 式中为电动机的额定电流，Imn =40A。所以QF1-4选40A。 2. 接触器的选择接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为15A，所以接触器的触点电流选25A即可。3.3 PLC的选型3.3.1 I/O点的统计恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表3.1所示。表3.1 I/O统计表输入器件输出器件编号符号名称编号符号名称1SB1自动启动1KM11#泵变频2SB2停止2KM2

17、1#泵工频3SA1手动自动切换3KM32#泵变频4SA21#手动，故障4KM42#泵工频5SA32#手动，故障5KM53#泵变频6SA43#手动，故障6KM63#泵工频3.3.2 PLC选型的基本原则这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面。 （1）规模要适当；（2）功能要相当，结构要合理； （3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确；（4）要考虑环境条件。根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU226AC/DC。3.3.3 I/O的分配根据功能要求和工艺流程，我们统一了I/O接点的分配，分配表如表3.2所示。根据PL

18、C口的分配，系统的控制要求以及合理利用I/O口的原则。表3.2 I/O分配表输入点输出点地址功能名称地址功能名称I0.0自动启动Q0.0KM11#泵变频I0.1停止Q0.1KM21#泵工频I0.2手动自动切换Q0.2KM32#泵变频I0.31#手动，故障Q0.3KM42#泵工频I0.42#手动，故障Q0.4KM53#泵变频I0.5 3#手动，故障Q0.5KM63#泵工频RA .A+ .A-压力传感器信号入Q1.0变频器启停3.4 系统硬件线路设计供水系统主电路设计如图3.2所示，采用了一台变频器同时连接三台电动机，所以必须确保开关KM1和KM2电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现

19、问题或紧急情况下，可以起用备用水泵。图3.2 主电路图系统的控制线路如图3.3所示。图3.3 控制线路图3.5 变频器参数的预置由于SIEMENS S7-200PLC自带了PID向导，我们不需要进行变频器PID调节器的设计，只需进行简单的参数设置就可以了。其它参数的设置如表3.3所示。表3.3 CHF100参数预置表参数名称参数名称P0.031运行指令通道P0.08-5减速时间P0.0550HZ运行频率上限P3.01-6A频率指令选择P0.0625HZ运行频率下限P5.01-1S1端子功能选择P0.075加速时间第四章 变频恒压供水控制系统程序的设计4.1 常用编程方法4.1.1 经验设计法在

20、熟悉继电器控制电路设计方法的基础上，如能透彻地理解PLC各种指令的功能，凭着经验比较准确地使用PLC 的各种指令，而设计出相应的程序。设计步骤如下：（1） 确定输入、输出电器；（2） 确定输入、输出点数；（3） 选择PLC 并编程；（4）将各个环节编写的程序合理地联系起来。这种编程方法没有普遍的规律可循，具有很大的试探性和随意性，最后的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大关系，它一般只用于简单的梯形图设计(如手动程序) 。4.1.2 翻译设计法它是把继电器接触器控制系统的电器原理图直接翻译成PLC 梯形图。1. 翻译设计法的设计步骤如下：(1) 将检测元件、控制元件

21、(如行程开关、按钮等) 合理安排,接入PLC 的输入口；(2) 将被控对象(如电磁阀线圈、接触器线圈等) 接入PLC 的输出口；(3) 把由继电器接触器完成的控制功能由PLC 的软件(即梯形图) 来完成。2. 应用举例例如:电动机正反转控制电路,原理线路如图4.1所示。改用PLC 控制后,其I/ O 接线和梯形图分别如图4.2 ,图4.3所示。图4.1 电气原理图图4.2 I/O接线图图4.3 电机正反转梯形图其它常用的编程方法还有顺序控制设计法，功能模块设计法等，在此不再一一详细介绍。4.1.3 恒压供水系统梯形图的设计在控制系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及水池水

22、位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件，以完成相应的控制任务， PLC主要控制任务就是根据实际情况实现工频和变频的切换。根据系统的控制要求，经过化简后的各变量的逻辑表达式如下：4.2 程序的仿真与调试4.2.1 仿真软件的简介由于实验室的条件有限，本次设计采用S7-PLCSIM进行仿真。S7-PLCSIM是STEP7中的一个非常实用的软件。我们可以把它作为一台仿真的PLC，用于运行和测试用户程序。因为这中仿真完全是用STEP7软件进行，因此无需连接任何S7硬件，就可以在PG/PC上仿真一个完整的S7-CPU，包括地址和I/O。S7-PLC

23、SIM提供了一个简洁的操作界面，可以监视或者修改程序中的参数，比如直接对数字量进行操作。进行仿真的地一步，打开软件，如图4.4所示。图4.4 S7-PLCSIM软件的界面4.2.2 恒压供水系统程序的仿真调试在编程窗口中把程序下载到仿真PLC中，如图4.5所示。图4.5 程序装载界面点击开始按钮，1#泵开始变频运行，如图4.6所示。图4.6 1#泵变频运行 变频器达到上限，1#泵工频运行，2 #泵变频运行，如图4-7所示。图4.7 1#泵工频运行，2#泵变频运行当水泵出现故障，启动备用泵，图4-8为1#泵出现故障的界面。图4-8 1#泵出现故障4.3 经济效益分析从流体力学原理知道，水泵供水流

24、量与电动机转速及功率的关系为 式中为供水流量，为扬程，为电动机轴功率，为电动机转速。本设计系统共有3台7.5KW的水泵电动机，假设没天运行16h，其中4h为额定转速，其余12h为80%额定转速运行，一年365天节约电能为W=7.5*12*(1-(80100)3)*365kWh=16819kWh若每1 kWh电价为0.60 元，一年可节约电费为0.6016819元=10091.4元通过市场调查，本套恒压供水系统的成本约为2万元左右，两年即可收回投资，运行多年经济效益将十分可观。第五章 总结与期望5.1 总结本课题主要研究的是某小区的恒压供水。为此设计了一套具有高性能的变频器控制系统来代替原有的手

25、动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。根据供水的要求，此装置属于一拖三闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大，而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿命。5.2 期望现有系统实现了供水系统的工况控制、调节和设备状

26、态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤管理能力.这部份工作有待在以后的学习与工作中来进一步开展下去。随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于GPRS 的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本次的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能

27、耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。致 谢对于这次毕业设计的顺利完成，我首先要感谢我的老师，是他细心的给我讲解了许多关于PLC、变频器、供水原理相关的知识，并在设计过程中所遇到的难题都给了非常重要的意见，本次设计能够有较好的主体框架也得益于老师的指导，老师渊博的知识、严谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向各科老师表示我最衷心的感谢。最后，我要感谢关心我们毕业设计的系领导和各位老师，感谢你们三年来为我们付出的辛勤汗水；同时还要感谢学院图书馆给我们提供的各种资料。附录 语句表Network 1 / 网络标题

28、/ m20.0手动 m21.0自动LD SM0.0LPSA I0.2= M20.0LPPAN I0.2= M21.0Network 2 / 启停LD I0.0O M21.1A I0.1A M21.0= M21.1Network 3 / 手动LD M20.0LPSA I0.3= M20.1LRDA I0.4= M20.2LPPA I0.7= M20.3Network 4 / 自动故障LD M21.0LPSA I0.3= M21.2LRDA I0.4= M21.3LPPA I0.7= M21.4Network 5 / 正常LDN M21.2AN M21.3AN M21.4A M21.1TON T1

29、20, 20A T120TOF T240, 10Network 6 LD T240CALL SBR0Network 7 / 2#3#正常LD M21.2AN M21.3AN M21.4A M21.1TON T130, 20CALL SBR1Network 8 LDN T130R M8.0, 5Network 9 / 1#3#正常LDN M21.2A M21.3AN M21.4A M21.1TON T131, 20CALL SBR2Network 10 LDN T131R M9.0, 5Network 11 / 1#2#正常LDN M21.2AN M21.3A M21.4A M21.1TON T

30、132, 20CALL SBR3Network 12 LDN T132R M7.0, 5Network 13 / 1#正常LDN M21.2A M21.3A M21.4A M21.1TON T140, 20Network 14 / 2#正常LD M21.2AN M21.3A M21.4A M21.1TON T141, 20Network 15 / 3#正常LD M21.2A M21.3AN M21.4A M21.1TON T142, 20Network 16 LD M3.4O M7.1O M9.1AN M3.0AN M3.1AN M3.2AN M3.3AN M7.3AN M9.3= M13.0

31、Network 17 LD M4.4O M7.2O M8.1AN M4.0AN M4.1AN M4.2AN M4.3AN M7.4AN M8.3= M13.1Network 18 LD M5.4O M8.2O M9.2AN M5.0AN M5.1AN M5.2AN M5.3AN M8.4AN M9.4= M13.2Network 19 / 1#变频定时LD M13.0A SM0.5LD M13.0EDO C1CTU C1, 35Network 20 / 2#变频定时LD M13.1A SM0.5LD M13.1EDO C2CTU C2, 35Network 21 / 3#变频定时LD M13.

32、2A SM0.5LD M13.2EDO C3CTU C3, 35Network 22 / 加泵时间滤波LD I0.5TON T37, 35Network 23 / 减泵时间滤波LD I0.6TON T38, 20Network 24 LD M21.1LPSA T37EU= M1.0LPPA T38EU= M2.0Network 25 / 1#变频LD M3.4O M7.1O M9.1O T140AN Q0.1AN T205= Q0.0TOF T201, 10Network 26 / 1#工频LD M4.0O M4.1O M4.3O M5.0O M5.1O M5.3O M7.4O M9.4O M

33、20.1AN Q0.0= Q0.1Network 27 / 2#变频LD M4.4O M7.2O M8.1O T141AN Q0.3AN T201= Q0.2TOF T203, 10Network 28 / 2#工频LD M3.0O M3.1O M3.3O M5.1O M5.2O M5.3O M8.4O M7.3O M20.2AN Q0.2= Q0.3Network 29 / 3#变频LD M5.4O M8.2O M9.2O T142AN Q0.5AN T203= Q0.4TOF T205, 10Network 30 / 3#工频LD M3.1O M3.2O M3.3O M4.1O M4.2O M4.3O M8.3O M