1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化恒压供水控制系统的设计（三菱）一、 课题研究意义及现状众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低。主要变现在用水高峰期，水的供给量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。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
2、，由于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、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各钟保护功能。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。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。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
3、器。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、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，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团也推出恒压供水专用变频器（5.5KW-22KW） ，无需外接 PLC和 PID 调节器，可完成最多 4 台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据
4、通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。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所，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。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。二、课题研究的主要内容和预期目标目标：设计一个城镇水厂供水电气控制系统， 满足 5 万人住户生活用水和十层消防供水。利用 PLC 和 HMI 实现组态控制，以达到节能环保、控制系统可靠、操作方便、显示直观。内容：1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的
5、设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法。2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。3)论文就变频调压供水提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性一些措施。4)通过计算机和PLc的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLc通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，
6、并提出供水系统监控软件设计方法。三、课题研究的方法及措施变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上下图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率
7、使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。措施可采用：通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器。这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和IO的外部接线，当控制要求发生改变
8、时，可以方便地通过Pc机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。四、课题研究进度计划2010/2011 第一学期 10.9-10.31 学生确定课题2010/2011 第一学期 11.1-11.22 查资料准备开题写一篇 2000 字以上的文献综述完成一篇与课题相关的外文翻译完成开题报告的填写,进行预答辩准备2010/2011 第一学期 11.23-3.19 设计与写论文，准备于 3 月初进行的中期检查 完成 PLC 系统控制电路和控制程序的设计完成
9、温度控制电路的设计 完成 PLC 接线硬件接线完成 PLC 梯形图的设计2010/2011 第二学期 3.22-4.2 上传设计成果与论文初稿2010/2011 第二学期 4.6-4.17 上交设计成果与论文打印稿给指导老师与评阅老师评审2010/2011 第二学期 4.20-4.24 做好 PPT 讲稿准备答辩2010/2011 第二学期 4.24 5.8 5.15 答辩2010/2011 第二学期 5.16-5.18 提交所有相关材料五、参考文献1陈成勇. 自动化技术及应用 .北京：机械工业出版社 2007.2陈夕松. 过程控制系统.北京：科学出版社 2004.3胡寿松. 自动控制原理.北
10、京：北京大学出版社 2003.4李文波. 可编程逻辑控制器原理与应用.北京：编清华大学出版社 2006.5张燕宾. SPWM 变频调速应用技术.北京：机械工业出版社 2006.6元友德. PLC、变频器、触摸屏综合应用实训M.北京：中国电力出版社 2009，1. 7陈浩.案例解说 PLC、触摸屏及变频器综合应用M.北京：中国电力出版社. 8巫莉.电气控制与 PLC 应用M.中国电力出版社 M.北京：中国电力出版社 2006，8. 9冉翔.变频调速技术在恒压供气系统中的应用J.电气传动自动化 2009,6（36）：36-38. 10庞克旺.基于 PLC 和 GPRS 无线通信的污水厂监控系统设计
11、J.电气自动化，2010,5（32）. 11王树东.自适应模糊控制和 PCC 在污水处理控制系统中的应用J.电气自动化，2010,5（32）.12Vairavamoorthy;Gorantiwar;Pathirana. Managing urban water supplies in developing countries-Climate change and water scarcity scenarios M.2008,33(5).毕业论文文献综述电气工程及自动化恒压供水技术摘要：简单的指明了恒压供水的目的和对现代居民生活所起的作用。重点介绍了恒压供水系统大致的组成部分和现有的恒压供水技
12、术和基本原理6。关键字：恒压供水；变频器和压力传感器；PLC；PID 控制器；组成控制系统 1 引言 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量的供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势1。本设计是针对居民生活用水而设计的。由变频器和压力传感器、PLC、PID 控制器和组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。本文介绍了采用 PLC 控制的变
13、频调速供水系统，由 PLC 进行逻辑控制，由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变量供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点2。2 变频恒压供水系统恒压供水系统主要由 4 个子系统构成：变频器和压力传感器、PLC、PID 控制器、组成控制系统。随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、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
14、，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。变频恒压供水的调速系统可以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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义3。2.1 恒压供水系统的构成恒压供水系统主要由 4 个子系统构成：变频器和压力传感器、PLC、PID 控制器、组成控制系统42
15、.2 恒压供水的基本原理恒压供水指的是主管出口压力恒定的供水方式。变频调速恒压供水系统通过实时检测供水主管出口压力，然后与设定值进行比较,经压力调节器运算处理后,在线自动调节变频器,控制泵的转速随压力变化而变化,最终达到主管出口压力稳定在设定值上的目的5。原理图见图 1图 1 恒压供水原理图首先我们要清楚变频调速的原理，由交流感应电动机转速公式6=60f 1/p *(1-s) （式中 n电机转速;f定子供电频率;s转差率;p电机极对数）可知：如均匀地改变电机定子的供电频率1,就可平滑改变电机转速.对于异步电动机的变频传动,为了避免电机过磁饱和,同时抑制启动电流,产生必需的转矩进行安全运转,在改
16、变频率的同时,对定子电压也应作相应调节.逆变器主回路把三相 50交流电整流滤波为直流,再通过脉宽调制器触发大功率晶体管,把直流变为电压和频率可调的三相交流电，由此可实现变频调速。那么下面我们就关心的问题就是水流量与转速及轴功率的关系。由流体力学的原理可得下列表达式:Q 1/Q2=n1/n2; H1/ H2= (n1/n2) 2; P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q 代表流量；H 代表扬程（水压）；P 代表轴功率； n 代表转速），当流量减小，水泵转速下降，其电机输出功率则大幅度下降。例如：当流量下降到 80，转速也下降到 80时，其轴功率则下降到额定功率的 51；当流量降到 50，轴
17、功率将下降到额定功率的 13，即使考虑到由于转速降低引起效率下降等附加控制装置的效率等因素，其节能效果也是很明显的7。3 结语变频恒压供水系统以其环保、节能、和高品质的供水质量等特点，广泛应用于居民生活和工业生产中。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。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，同时系统具有良好的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性
18、、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势9。四 参考文献1 常斗南、可变程序控制器、机械工业出版社，2007.2 李健，高沛峻、供水技术，2005.3 汪志锋、可编程序控制器原理与应用、西安电子科技大学出版社，2004.4 皮壮行、可编程序控制器的系统设计与应用实例、机械工业出版社，2000.5 巫莉、电气控制与 PLC 应用、中国电力出版社，2006.6 周律，李涛、环境技术基础、清华大学出版社，2007.7冉翔.变频调速技术在恒压供气系统中的应用J.电气传动自动化 200
19、9，6（36）：36-38.8庞克旺.基于 PLC 和 GPRS 无线通信的污水厂监控系统设计J.电气自动化，2010，5（32）.9王树东.自适应模糊控制和 PCC 在污水处理控制系统中的应用J.电气自动化，2010，5（32）.10Vairavamoorthy;Gorantiwar;Pathirana. Managing urban water supplies in developing countries-Climate change and water scarcity scenarios M.2008,33(5).毕业设计（20_ _届）恒压供水控制系统的设计（三菱）摘 要本论文分
20、析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，采用三菱 FR-A740 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。最后对系统的硬件设计进行了详细的介绍。本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好额节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高、在泵站供水中可完成以下功能：（1）维持水压恒定；（2）控制系统可手动/自动运行；（3）多台泵自动切换运行；（4）
21、系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；（5）在线调整 PID 参数；（6）泵组及线路保护检测报警、信号显示等。关键字：PLC；恒压供水；变频调速；三菱 FR-A740AbstractThis paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID dat
22、a and detailed introduction of its software and hardware. The system, which has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect, proves to possess high reliability and real-time quality. The system can not only remarkably improve the quality of water supply, but
23、 also economize on labor, which will surely bring us both economic and social benefits.Advanced technology and constant pressure water supply, water pressure constant, easy, reliable operation, saving energy, high degree of automation in the water pumping station to be completed by the following fun
24、ctions:(1)maintaining the pressure constant;(2)control system manual/Automatic operation;(3)multiple pump automatic switching operation;(4)system sleep and wake up. When the outside to stop water, the system is in sleep mode until a wake-up automatically when water demand; (5)On-line adjustment of PID parameters;(6)pump and line protection detection alarm, signal display.Key words: PLC； Constant Pressure Water Supply; Variable Frequency；MissubishiFR-A740
