1、 *学院 毕业设计（论文） 题 目 变频恒压供水控制系统设计 姓 名 学 号 院（系） 专 业 指导教师 职 称 评阅教师 职 称 年 月 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文（设计）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期 年 月 日 贴校徽处 *
2、学院本科生毕业设计（论文） 变频 恒压供水系统设计 学生姓名： 指导老师 专 业： 院 （系）： 年 月 日 *学院本科生毕业设计 摘要 I 摘 要 本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水自动控制系统。 变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、传感器、以及控制柜等构成。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵的调节是通过变频器来改变电源的频率 f来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方
3、式相比，在一定程度上可以减 少能量损耗，能够明显节能。 通过编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的 PID 控制器 ， PID 控制器内置在 PLC 中，该控制器对于压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现整个供水的压力的自动调节，使压力稳定在设定值附近。 关键词： PLC 控制 变频调速 恒压供水 水泵 节能 *学院本科生毕业设计 Abstract II Abstract The present paper unifies in our country the small city for the water wo
4、rks present situation, has designed a set based on the PLC frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply automatic control system. In order to pledge water supply, the unit is in the super pressure state usually moving, not only the efficiency is low and power consumption i
5、s big, but also Guan Wang in city over a long period of time is in the super pressure running state, and it is also very serious to wear and tear. This thesis combines the middle and small city water supply present situation of factory of our country, and has designed basseting on the fast constant
6、voltage water supply automatic control system of frequency conversion accent of PLC. The fast constant voltage water supply automatic control system of frequency conversion accent forms by programmable controller and frequency converter and water pump electrical machinery group, sensor as well as co
7、ntrol cupboard etc. This system uses frequency converter to pull to move many electromotor to start, moves and accent speed, uses respectively to circulate the method operating of use, by way of super ordinate machine. Key word: PLC control, frequency conversion velocity modulation, constant pressur
8、e water supply, water pump, energy conservation*学院本科生毕业设计 目录 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT.II 前 言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 项目的意义及应用背景 . 2 1.2 课题的方案设计 . 3 1.3 本文研究的内容 . 4 2 恒压供水原理及工艺 . 5 2.1 系统的组成和基本工作原理 . 5 2.2 系统框图及工作模式 . 6 2.3 主要元器件选型 . 7 2.4 该系统的特点 . 8 3 控制系统分析与设计 . 10 3.1 低压电器设备部分 . 10 3.2 控制柜面板设计 . 12 3.3 P
9、LC 控制部分 . 13 4 软硬件的基本原理介绍 . 14 4.1 PLC 可编程控制器 (三菱 FX2N-32MR) . 14 4.1.1 可编程控制器的特点 . 14 4.1.2 可编程控制器的工作原理 . 15 4.2 变频器的原理与特性 (ATV38). 20 4.2.1 变频器简介 . 20 4.2.2 变频与变压 (VVVF)原理 . 20 4.2.3 变频调速的基本原理 . 21 4.2.4 变频调速的升速和启动 . 21 4.2.5 变频调速的降速和制动 . 22 *学院本科生毕业设计 目录 IV 4.2.6 变频后的电动机的机械特性 . 22 4.2.7 水泵类平方律负载的
10、机械特性 . 23 4.2.8 V/F 控制的概念 . 23 4.2.9 矢量控制的概述 . 24 4.2.10 ATV38 的特性 . 25 4.3 压力传感器简介 . 27 5 系统开发 . 29 5.1 PLC 应用的开发步骤 . 29 5.2 PID 调节 . 30 5.2.1 PID 调节原理 . 30 5.2.2 PID 参数设置 . 31 5.2.3 PID 设定值的调整及控制算法 . 31 5.3 PLC 程序 . 33 5.3.1 基本步骤 . 33 5.3.2 程序中使用的继电器 . 34 5.3.3 PLC I/O 表 . 37 5.3.4 程序流程 . 37 5.3.5
11、 PLC 程序的运行和模拟调试 . 43 6 调试 . 44 6.1 硬件功能调试 . 44 6.2 系统总体调试 . 44 结 论 . 45 致 谢 . 46 参考文献 . 47 附录 PLC 梯形图 . 48 *学院本科 生毕业设计 前言 1 前 言 据报道，目前国内在用的水泵和风机约 5000 万台，年消耗的电量可达约 1000亿度。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的 4 倍左右，消耗的水是他们的 2 倍左右。我国的大量用电设备中，风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量 50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电 40%左右，即可以节约全国发电
12、量的 1/5。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。 恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时，其出口压力保持不变的供水方式。供水系统的主要参数有：流 量、扬程、管阻和压力。采用变频器后可以节能有三个方面：管阻特性曲线保持不变 (阀门全开 )，扬程特性曲线下降 (转速下降 )，使流量下降与用户需求量下降平衡，以保持水压大致恒定；转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态；不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低，它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。在本次设计中，主要设计基于 P
13、LC生活给水控制系统设计的实现，通过三菱 FX2N-32MR PLC 和 ATV38(施耐德 ) 变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。通过在三菱的 PLC GX Developer7 上进行编程，通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。 由于本人设计水平有限，所以设计中多少有些错误，请予批评指正。谢谢！*学院本科生毕业设计 1 绪论 2 1 绪论 1.1 项目的意义及应用背景 变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频
14、器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。 变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品 质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义 1。 变频恒压供水控制
15、 系统主要有 2： 带 PID 回路调节器和 /或可编程序控 制器 (PLC)的控制 系统 在该 系统 中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。 由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲 ，既
16、要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入 /输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入 /数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入 /输出的可编程控制器和一个PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入 /输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中， PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。 *学院本科
17、生毕业设计 1 绪论 3 新型变频调速供水设备 针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的 TD2100，施耐德公司的 Altivar58 泵切换卡， SANKEN的 SAMCO-I 系列， ABB 公司的 ACS600、 ACS400 系列，富士公司的 G11S/P11S系列等。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要 求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大
18、大提高了生产效率。由于变频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。 供水专用变频器 供水专用变频器是将普通变频器和 PLC 控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用 PID 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成
19、供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的 PID 调节器输入口，而压力设定 即 可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值 (MPa)。 系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制 7 台 泵，可选择 “先开先关 ”和 “先开后关 ”(适用泵容量不同场合 )两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制 4 台泵，系统以 “先开先关 ”的顺序关泵。 供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能 “浪费 “，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。 1.2 课题的方案设计 根据该题目的要求：有四台水泵电机构成次基于 PLC 的生活给水控制系统，实现两种工作模式，即手动 模式和自动模式。 手动模式：自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机；
