电气工程与自动化毕业论文：基于PLC控制的变频恒压供水系统.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于 PLC 控制的变频恒压供水系统所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响住户的正常生活和工作。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足目前经济生活的需要。通过对采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式节能原理的分析

2、，本设计提出了适用于住宅小区的由 PLC、变频器、水泵等主要设备构成的变频恒压供水系统。系统采用 PLC 进行逻辑控制，变频器调节输出频率，具有自动变频恒压运行、自动工频运行、手动控制等功能。该系统对变频器内置 PID 模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID 模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。设计中对水泵机组的各种供水状态及转换的条件、水泵由变频转工频运行方式的切换过程进行了分析，并给出了硬件设计图和 PLC 控制程序。关键词：PLC；变频器；恒压供水；PIDIIAbstractAlong with the develop

3、ment of the socio-economy of our country,the peoples living standard is being improved.At the same time,in the city,each kind of sub-district construction is developing very quickly,which puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district.And the construction of sub-

4、district water supply system is an important aspect in which.The reliability,stability and economy of water supply directly affects in the level of sub-district property management.The traditional means of water supply such as the pump pressurization water spply at constant speed,water tower of uppe

5、r cistern,the jar etc. are hard to satisfy the needs of current economic life,because low efficiency,reliability and automation level are all commonly existing in these means.Through to take frequency control means to realize constant pressure water supply compared with traditional valve control con

6、stant pressure water supply energy theory analysis, way forward applies to the design of residential area by PLC, frequency converter, water pumps and other main components of constant pressure water supply system of frequency conversion. System adopts PLC, frequency converter logic control, which c

7、an automatically adjust output frequency variable frequency constant pressure operation, since started running, manual frequency control etc. Function. The system of the inverter built-in PID module parameters for pressure sensor, through preset hydraulic feedback constitute a closed-loop control sy

8、stem; According to the change of PID module water pump output flow adjusting, realize the constant pressure water supply, and the purpose of energy-saving effectively. Design of various water supply pump unit status and convert conditions, water pump main-motor conversion turn power frequency switch

9、ing process operation mode are analyzed, and also presents the hardware design and PLC control procedures. Key words：PLC ；inverter；constant pressure water supply；PIDIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 变频恒压调速供水系统的国内外研究现状 .11.3 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 .21.4 本课题的主要研究内容 .3第 2 章 供水系统的控制方案 .42.1 变频恒压供水系统节能原理 .42.2

10、变频恒压控制的调节过程 .42.3 变频恒压供水系统的控制方案 .52.4 供水系统中水泵切换条件分析 .6第 3 章 变频恒压供水系统的硬件设计 .73.1 系统的主要配置 .73.1.1 水泵机组的选型 .73.1.2 变频器的选型及接线 .83.1.3 PID 调节器 .103.1.4 PLC 的选型 .113.1.5 压力传感变送器 .133.2 系统主电路分析及设计 .143.3 系统控制电路分析 .14第 4 章 变频恒压供水系统的软件设计 .154.1 系统水泵运行状态分析 .154.2 PLC 程序设计方法 .154.3 PLC 软 件设计 .164.4 PID 控制运行 .2

11、14.4.1 PID 参数预置 .214.4.2 PID 运行参数设定 .22结论 .24致 谢 .25IV参考文献 .26附录 .271第 1 章 绪论1.1 研究背景众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质。我国水资源的主要特点：一是总量并不丰富，人均占有量更低。中国水资源总量居世界第六位，人均占有量为 2240 立方米，约为世界人均水量的 1/4，被联合国列为 13 个贫水国之一；二是地区分布不均，水土资源不相匹配。长江流域及其以南地区国土面积占全国的 36.5%，其水资源量占全国的 81%，淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的 63.5%，其水资源量仅占全国水资源总量的 19

12、%。在当前节水节能行动的倡导下，我们这个水资源和电能短缺的国家，对城市供水的数量、质量和稳定性提出了越来越高的要求，城市供水系统包含着生产供水、生活供水与消防供水等子系统。长久以来，我国大部分城市在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度不高，而随着我国社会经济的发展，生活、生产用水需求的不断提高，人们对城市供水设施的基础建设提出了更高的需求。据资料统计，中国城市缺水现象始于 70 年代，以后逐年扩大，特别是改革开放一来，城市缺水愈来愈严重。在全国 633 个建制市中，有 400 个城市供水不足，其中 110 个严重缺水，年缺水约 100 亿立方米，每年影响工业产

13、值约 2000 亿元，随着缺水形势变得越来越严峻，政府和群众都提高了对城市供水系统的要求。传统的供水方式如水塔高位水箱供水，单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响居民的用水和工业系统中的用水。因此有必要对现有供水系统进行升级改造甚至重新设计，提高其节能能力与自动化水平。所以设计开发出节能性能高、可靠性强、控制性能好的恒压供水系统具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。本设计采用了可编程控制器和变频调速技术相结合的供水控制系统。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，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的

14、今天尤为重要，并且在开、停机是能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击，所以研究设计该系统，对于提高人们的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。小区供水系统的建设是城市基础建设中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低，具有很重要的现实意义。1.2 变频恒压调速供水系统的国内外研究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。在早期，应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。目前

15、国内有很多公司在开发变频恒压供水设备，大多采用变频器控制水泵的转速，有的采用 PLC 及相应软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但是在系统的2动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没有达到所有用户的要求。早期国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。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面的优点以及显著的节能效果被发现和认可后，国外很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。他们将 PID调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器控

16、制板上，通过设置指令代码实现 PLC和 PID 等电控系统的功能。但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，因此在实际使用时其范围将会受到限制。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾的变频恒压供水系统研究得不够。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。1.3 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论变频恒压供水系统能适用于住宅小区、写字楼、高级宾馆饭店等生活用水，工矿企业等生产用水以及消防用水，文中设计的供水系统主要应用于住宅小区生活用水，该系统具

17、有以下特点：1）节能性：变频调速的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时控制系统损耗约为零。泵类负载实际消耗功率基本与转速的3次方成正比，节电率可达20%60%。另外由变频器控制电机起动，避免起动电流给水泵电机带来的危害，延长了电机使用寿命。2）可靠性：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。系统具有过载、过热、过压、缺相等保护功能。另外FR2n是采用微电子技术，在软硬件方面都采取了措施来增加PLC的可靠性。PLC控制技术令系统故障率大大降低。3）高

18、度自动化：系统能实现全自动控制，具有手动/自动切换、恒压、过载保护、过热保护、缺水保护、压力调整等功能。另外可以根据用户需求配置人机界面，可视化远程调整、监测和维护。4）时变性：在变频调速供水系统中，由于不同时段用户的用水量不同，造成用户管网的压力值处于不停的变化中，直接影响供水系统设定参数与检测参数的比较值，使其不确定性地发生变化，因此可以认为：变频调速恒压供水系统的控制对象是事变的。5）可扩充性：水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控等。影响供水系统安全性的一大因素是水锤效应，由于停电或阀门关闭太

19、快，在极短时间内流量变化过大而引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。电动水泵全电压起动时，在不到1s 的时间内，即可从静止状态加速到额定转速，管道内的流量则从零增加到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，所以，水锤效应的危害很大：压强过高，3将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。在切断电源而停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止，这样也同样会引起压力冲击和水锤效应。采用变频调速，可以消除水锤效应带来的危害。1.4 本课题的主要研究内容本课题是对住宅小区的

20、变频恒压供水控制系统包括软硬件方面进行研究与设计。系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势。这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。PLC和变频器为主要控制设备的变频调速恒压供水系统依据用户对供水系统的要求，不仅有稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式，还有维护方便、编程灵活的特点，将使供水实现节水、节电、节省人力，系统可以引入计算机进行远程控制与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和方便用户正常生活用水。4第 2 章 供水系统的控制方案2.1 变频恒压

21、供水系统节能原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常以流量为控制目的，常用的控制方法为转速控制法和阀门控制法。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。其实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。因此，供水能力随水泵转速的变化而改变，但管阻特性不变。阀门控制法是通过调节阀门开度来控制流量，水泵电机转速保持不变。其实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水网中的阻力大小来改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，水网阻力将随阀门开度的变化而改变，但供水能力是不变的。在实际生活中，用户需水量是随时变化的，如果阀门开度在一段时间内保持

22、不变，将会造成超压或欠压现象的出现。变频恒压供水属于转速控制。其工作原理是根据用户管网水压自动地调整水泵电机的转速，使管网压力保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。三相交流电动机的转速与频率、极数及转差率之间的关系如下:（2-psfn/)1(601）式中: n 为每分钟的转速； f 为交流电的频率；s 为转差率；p 为极对数。由式（2-1）知,当极对数P不变时，转速 n 与频率f 成正比, 因而只要变频器连续改变频率f , 即可连续平滑地改变电动机的转速, 所以当频率f变化范围在050Hz时, 变频器对电机

23、的调速范围是非常大的。由于水泵类负载属二次方转矩负载, 也就是转矩T与转速n 的二次方成正比，即 T , 而电动机轴上的输出功率P , 所以P , 也就是说如果电动机的转速稍有下降, 2 nT3电动机的功率损耗就会大幅下降, 耗电量也就大为减少。节电率的计算如下:（2-nrnP/）（节 电 率 2）式中: 为电动机的额定功率； 为电动机的实际功率。nPrP由式（2-2）可知, 若水泵的电动机运行在 40Hz 时,理论上, 电动机实际消耗的功率只有额定功率的一半左右, 节电率为48.8%, 节电的效果十分显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。2.2 变频恒压控制的调节过程变频恒压供水控

24、制系统以用户管网压力为控制对象，实现用户管网实际供水压力与设定的供水压力维持一致。从下图2.1中可以看出，在系统运行过程中，如果e(k)0，则实测压力大于设定值，说明用水量减小， 经PID 运算，变频器的输出频率将会下降，水泵机组的转速下降，使供水压力减小，达到与设定值一致。当用水量过大时，变频器调速全速运行也不能满足管网压力恒定，PLC将自动多投入一台水泵，切换第一台工频运行，变频器再进行变频调速。若用水量减小时，变频器输出频率达到下限，管网压力仍高于设定值，PLC将切除工频运行的机组，变频器进行调速。2.3 变频恒压供水系统的控制方案从变频恒压供水的原理图可知，该系统主要传感器、变频器、水

25、泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是变频器控制三台水泵，实现管网水压的恒定和水泵变频与工频切换。由 PLC 和变频器组成的控制方式，可以灵活调节泵组转速，自动调整水泵投入台数，形成供水压力的闭环控制，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态。本文针对的是住宅小区的恒压供水系统，该系统由一台变频器，一台 PLC，三台水泵机组，压力传感器以及低压电器等构成。系统主要的设计任务是利用 PLC 控制系统使变频器循环控制三台水泵，实现管网水压的恒定和电机变频与工频的切换，以及有消防信号时，实行消防供水。 PLC 图 2.2 变频恒压调速系统流程图如图 2.2 系统控制流程图，说明如下：（1）系统通电，接收到有效的启动信号后，首先启动变频器，使 1#水泵机组开始运行，根据用户管网实际压力和设定压力值的误差调节变频器的输出功率，控制 1#水泵的转速。当输出压力达到设定值时，其供水量与用水量平衡，这期间 1#电机处于调速运行状态。