毕业设计基于PLC的变频恒压供水系统的设计.doc

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1、摘 要姚明退役后，由于身高太高，生活很不方便，四处寻医而不得解。一天偶遇一位高僧。高僧说，他有一副秘方，吃完可以将他身高降到一米8。姚明听后大喜，说:“太好了，我打算给奥尼尔带一副过去，请问高僧，这药叫什么啊？”高僧答曰：“矮油！” 随着我国社会的发展和进步，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，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，也直接体现了供水管理水平的高低。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺

2、点，难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、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。本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计，最后，对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。本论文中的变频恒压供水已在国内许多实际的控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词：恒压供水 变频调速 PLC 自动化设计Title Based on P

3、LC frequency constant pressure water supply system design AbstractWith the development of Chinas social life, the deepening of housing reform, the continuous improvement of living standards, rapid development of urban construction, but also on a higher infrastructure demands.The construction of urba

4、n water supply system is one important aspect of water supply reliability, stability, economy directly affect the users normal work and life, but also directly reflects the level of water supply management. Traditional water supply plant, in particular small and medium water plant widely used by the

5、 constant speed pump pressure there is less efficient water supply, reliability is not high, low automation shortcomings, can not meet the current needs of economic life.This paper analyzed the principle of variable frequency constant pressure water supply system and the structure of the different c

6、ontrol scheme, through the research and comparison, this paper based on frequency and PLC constant pressure water supply and data transmission, then use digital PID to system of constant pressure control design, finally, the system hardware and software design were introduced in detail. In this pape

7、r, the frequency of constant pressure water supply has set up a file in the domestic many practical control system has been applied, and stable and reliable operation effect and good effect in energy saving.Keywords: Constant pressure water supply Frequency conversion speed PLC目 次1 绪论11.1 现代城市供水的需求3

8、1.2 变频恒压供水的优点31.3 恒压供水的原理42 系统工艺简介及总体设计方案52.1 系统的控制过程及控制框图52.2 系统设计方案的比较及确定53 硬件设备选型1 绪论1.1 现代城市供水的需求水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发和利用，以满足社会经济可持续发展所需求的水量作为生产目标的特殊工业。它是随着水的商品化、产业化和生产化生产而逐步形成和完善的新兴工业，它是水的开采、加工、输送、回收及利用的综合产业。供水作为水工业中关键的一环，其品质的好坏直接影响到水工业的综合利用水品。目前在一些新建

9、建筑及改造项目中，变频恒压供水装置已经取代了原来的高位水箱，其节能性、方便性、卫生性是有目共睹的。变频恒压供水的优点是不仅可以保证足够的水压，同时又不会因为室外的空气和温度的变化影响水的质量。不仅如此，恒压供水系统对于某些工业生产或特殊用户还起着非常重要的作用。例如在某些生产过程中，若供水因压力不足或短时断水，就有可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，确保恒压供水系统的无故障和自动运行，具有重大的经济意义和社会意义。1.2 传统供水方式的缺点1.3 PLC变频恒压供水的可行性分析传统的供水方式普

10、遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，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，特别是城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击；三是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了具有明显的节能效果外，还具有操作方便、容易维

11、护量小的特点。变频器的软启动功能叶减少了对电网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。在国内外，专门针对供水的变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。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、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，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。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方便的优点以及显著地节能效果被

12、大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，但是国外变频调速恒压供水控制系统的水压闭环控制的研究还是不够的，因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。目前变频供水系统正在向集成化、维护操作简单化方向发展。变频恒压供水的优点变频恒业供水存在以下6个优点：1节能，可以实现节点20%-40%，能实现绿色用电；2占地面积小，投入少，效率高；3配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；4运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高；5

13、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头；6通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。2 系统工艺简介及总体设计方案2.1 系统工艺及设备简介恒压供水系统的基本构成如图2-1所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈05V电压信号）或压力变送器（反馈420mA）；变频器室供水系统的核心，通过改变电机的频率实现点击的无极调速、五波动稳压的

14、效果和各项功能。图2-1 恒压供水系统的基本构成图2.2 变频恒压供水原理分析变频恒压供水时在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的。20世纪80年代初，学者提出了基于刺痛轨迹控制方法。此方法一三相波形的整体生成效果为基础，一逼近电机气息的理想圆形旋转磁场为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。1992年开始德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以

15、分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论（DSC）。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其个系列通用变频器的核心技术。本设计主要针对小区供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制的硬件电路。研究恒压变频供水的控制方法，完成系统监控调试，实现对系统的高性能控制。解决如何选择变频恒压供水控制方式，如何用变频器构成恒压供水系统及其工作原理，完成可编程逻辑控制器及变频器的选型，对PID调节器进行参数整理，完成PLC的编程。采用PLC控制的变频器调速供

16、水系统，有PLC进行逻辑控制，有变频器进行压力调节，在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。PID闭环控制原理图2.2 系统电气控制要求如图2-2所示，变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。图2-2 变频调速恒压供水系统结构图系统各部分的功能如下： (1)执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速

17、泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.此外，通常一些变频系统还会增设附属小泵，它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统一般安装在供水系统柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒压控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况

18、、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。变频器：它是对水泵进行转速控制单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。(4)人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机

19、界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。(5)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以喝组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。(6)报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量及你想那个检测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的

20、损失。2.3 系统主电路设计 图2-3 恒压供水系统主电路图如图2-3所示，合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率器的运行频率是否到达信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运

21、行泵切换为工频运行，并迅速起动下一台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为1、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下线投入调速运行，其运行运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没有达到设定

22、值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当组后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅助泵投入调速运行，从而达到节能效果。2.4 系统系统控制工艺方案设计电机有两种工作模式即：再工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、

23、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。系统控制工艺如图2-4所示。图2-4 系统控制工艺图热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第三章 硬件设备选择变频恒压供水系统它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转

24、换开关来了解和控制系统的运行。3.1 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编辑软件的方便与否等多方便因素，以日本三菱PLC为例，该PLC有FX；A；Q三大系列，在FX系列中又有FX-1S；FX1N和FX-2N三种型号。依据控制任务，从PLC的输入/输出点数、存储器容器、输入/输出接口模块类型等方便来选PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-

25、32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR。三菱FX2N-32MR的主要参数见表3-1：表3-1 三菱FX2N-32MR的主要参数名称主要参数I/O点数16/16基本指令27条功能指令298条基本指令执行时间0.08微秒用户程序步骤4K通信功能强输出形式继电型输出能力2A/点扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点。FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以在实际自动化工程应用中提供最大的灵活性和控制能力。FX2N系列还具体适用于

26、大量实际应用的特殊功能，例如开发了各个范围的特殊功能模块已满足不同的需要模拟I/O，高速计数器。定位控制达到16轴，脉冲串输出为J和K型热继电偶或Pt传感器开发了温度模块。对每一个FX2N主单元可配置总计达8个特殊功能模块。3.2 变频器的选型3.2.1 变频器容量的确定变频器容量是变频器的最重要的参数，如何选择变频器容量是变频器选型的关键。变频器的容量有三种表示方法:额定电流;适配电动机的额定功率;额定视在功率。不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过载能力有两种:不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频

27、器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定.通常变频器的过载能力有两种:12倍的额定电流，可持续1分钟:1.5倍的额定电流，可持续1分钟:而且变频器的允许电流与过程时间呈反时限的关系。如12(1.5)倍的额定电流可持续lmin;而LS(2.0)倍的额定电流，可持续众sn血。这就意味着:不论任何时候向电动机提供在lmin(或0.snun )以上的电流都必须在某些范围内。过载能力这个指标，对电动机来说，只有在启动 (加速)过程中才有意义，在运行过程中，实际上等同于不允许过载.下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器带一台电机时的容量选择。首先计算出负载电流，然

28、后应考虑三个方面的因素:用变频器供电时，电动机电流的脉动相对工频供电时要大些;电动机的启动要求。即是由低频低压启动，还是额定电压、额定频率直接启动.变频器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测试出来的。要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异.故计算变频器的容量时要留适当余量。3.2.2 变频控制器的选型目前国内不少变频器均自带PID控制器或采用Pl刀控制器整合方式，两者均可以很好的实现压力反馈控制。由于考虑到一是供水厂参数较多，除了常见压力反馈信号，还需要对清水池液位信号、阀门开启信号等进行处理，因此设计采用PLC控制系统，主要利用PID控制压力恒定，并能控制电机的启动停止和泵

29、口阀门的启闭。在控制量上，经过供水厂信号分析，目前至少有8个模拟量 (包括压力量、液位量、流量、水质信号)，8个开关量需要处理 (包括电机、阀门状态、报警信号)，考虑到以后的扩展需要，设计要求P比 系统的模拟输入/输出在 12点以上，开关量输入/输出在10点以上。3.2.3 第一水厂变频器其它参数的确定经过计算，最终第一水厂变频器的选型需要参考以下要求:(1)频率要求:由第一水厂电机采用50Hz，380v 电网，因此对变频器采用380V电源，变频范围卜50Hz:(2)扩展要求:要求能按设计实现一拖二运行，并能扩展为一拖多运行;(3)环境要求:由于第一水厂泵房温度范围在 1040，湿度常年保持在

30、在 50%以上，因此，对变频器及控制电路要求较高的温湿度要求，在温度.10一50，湿度在30%卯%温度环境中要求变频器能正常工作;(4)保护功能要求:要求具有过电流、短路、过压、欠压、过载、过热、电流保护、主器件自保护功能;(5)可靠性要求:要求变压器平均无故障时间担TBF)大于2万小时;(6)谐波抑制:对电网谐波污染必须满足IEEE519一1992的谐波抑制标准;(7)尺寸要求:变频器及控制电路的尺寸不宜过大，以方便安装在空间较小的第一水厂送水泵房内。第四章 PLC硬件组态程序流程图设计变频恒压供水系统控制流程图如2-5所示。开始压力设定NONONONOYESYESYES启动运行报警信号有效实际压力=设定压力执行升压控制实际压力=设定压力停泵和报警输出执行降压控制图2-5 变频恒压供水系统控制流程图（统一图中字体大小）第五章 变频器设计变频器与PLC的通信设计变频器参数设计第六章 系统上的安装、调试结束语