1、 毕 业 (设 计 ) 论 文 题目 ： 恒压供水仿真系统 系 部： 电气工程与自动化 专业： 机电一体化 技术 班级 ： 机电 A1204 姓名： 我本逍遥 指导教师： chen 山西职业技术学院 目 录 1 摘 要 . .1 1.1 引言 . 2 1.2 国内外变频供水系统现状 . 2 1.3 本文所做的工作 . 2 2 变频恒压供水系统设计要求 . 3 2.1 系统的工艺要求 . 3 2.2 系统控制要求 . 5 3 变频恒压供水系统设计思路 . 6 3.1 拖动方式的选择 . 6 3.2 水泵的调节方式 . 6 3.3 调速方法选择 . 6 3.4 变频恒压供水系统的组成及原理图 .
2、8 3.5 小区变频恒压供水系统控制流程 . 9 4 系统硬件设计 . 11 4.1 系统主要设备的选型 . 11 4.1.1 PLC 选型 . 11 4.1.2 水泵的选型 . 11 4.1.3 变频器的选择 . 12 4.1.4 熔断器选择 . 12 4.1.5 压力传感器的选择 . 12 4.1.6 水位传感器的选择 . 12 4.2 系统主电气原理图设计 . 13 4.3 启动电路图 . 14 4.4 制动电路图 . 15 4.5 I/O 输入输出分配表 . 15 4.6 系统接线图 . 16 5 系统软件设计 . 18 5.1 系统软件设计思想 . 18 5.2 PLC 部分程序分析
3、 . 19 6 系统实验室仿真 . 21 6.1 实验室环境 . 21 6.2 实验要求 . 22 6.3 系统调试与实现 . 23 结论与展望 . 24 参考文献 . 25 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、 能适应供水复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。 基于 PLC 的变频恒压供水系统能够根据用户量的多少来调节供水量，
4、最大程度的解决了水资源和电资源的浪费，因此其是供水方式的发展的必然方向。 本文以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，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；具体分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，采用变频器和 PLC 构成变频调速系统，通过选择合适的硬件设备和软件编程方法及信号处理方式等阐明如何实现小区恒压供水。 关键词： 恒压供水 变频调速 PLC 节能 山西职业技术学院毕业论文 2 1 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源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业
5、生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类建设发展十分迅速，同时也对城市的基础设施建设提出了更高的要求。其中，城市供水就是一个重要方面。 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，在城市供水实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高城市供水的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行 .变频恒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
6、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，对于提高城市供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具 有重要的现实意义。 1.2 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 6。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
7、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 本文所做的工作 本文第二章提出变频恒压供水系统的设计要求，第三章讲述变频恒压供水系统的设计思路，第四章讲述系统硬件设计，第五章讲述系统软件设计，第六章讲述系统实验室仿真，随后提出系统的总结与展望。 山西职业技术学院毕业论文 3 2 变频恒压供水系统设计要求 2.1 系统的工艺要求 本系统对小区面积为 3000 平米，楼层最高为 10 层，楼高为
8、35,米的 1000 户的小区进行 供水。根据表 2-1 和表 2-2 分别确定用水量标准为 0.19/人 /日，最大用水量为 175.00 /h，根据供水压力公式 p=(0.08+0.04楼层数） MPa 得 10 层楼的供水压力应该是 0.48MPa。 表 2-1 不同住宅类型的用水标准 住宅类型 给水卫生器具完善程度 用水标准（ 3m /人日） 系数 1 仅有给水龙头 0.04 0.08 2.5 2.0 2 有给水卫生器具，但无淋浴设备 0.085 0.13 2.5 2.0 3 有给水卫生器具，并有淋浴设备 0.13 0.19 2.5 1.8 4 有 给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水
9、供应 0.17 0.25 2.0 1.6 山西职业技术学院毕业论文 4 表 2-2 不同住宅类型的供水规模 户数 用水标准（ 3m /人日） 0.10 0.15 0.20 0.25 450 39.40 59.00 78.70 98.40 500 43.80 65.60 87.50 109.40 600 52.50 78.80 105.00 131.30 700 61.30 91.90 122.50 153.10 800 70.00 105.00 140.00 175.00 1000 87.50 131.30 175.00 218.80 山西职业技术学院毕业论文 5 本系统的工艺要求还要遵循以下
10、原则 : 1）蓄水池容量应大于每小时最大供水量； 2）水泵扬程应大于实际供水高度； 3）水泵流量总和应大于实际最大供水量； 4) 水泵的调速要平滑，水泵不能反转； 5) 系统的压强误差不能超过 0.1MP; 2.2 系统控制要求 1）本系统通过压力传感器采集管网压力，送入 PLC 通过 PLC 的 PID 控制输出模拟量给变频器，通过变频器让电动机变频运行从而实现管网的压力恒定。 2）系统设有三台电动机， 1 号 3 号按时间轮流变 频运行，当 1 号或 3 号变频运行无法保持管网压力恒定时，增加 2 号机工频运行。其中， 1 号 3 号互为备用泵，同时， 1 号 3 号也为 2 号备用泵。
11、3）工频运行时电动机采用转子串频敏变阻器启动，和能耗制动的控制方式。 4）系统设有生活和消防用水选择，同时具有手动和自动切换。 5）有水位传感器，当水位过低时开启阀门向蓄水池蓄水，水位达到设定值时阀门自动关闭。 6）利用组态软件进行监控，实现系统的报警显示、及运行参数的修改等各种功能。 山西职业技术学院毕业论文 6 变频恒压供水系统设计思路 3.1 拖动方式的选择 拖动方式有直流拖动和交流拖动。 直流拖动具有优良的调速性能，但直流电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。 交流拖动技术具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。 综上所述本系统采用交流拖动
12、的方式。 3.2 水泵的调节方式 水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节 8。详细划分如下： 水泵的调节方式调压调速异步电机转子串电阻调速异步电机的变极调速异步电机的串极调速变频调速液力耦合器的变速调节油膜转差离合器的变速调节电磁转差离合器的变速调节改变传动装置改变原动机的转速节流调节混流式 ， 轴流式泵的动叶调节改变泵的运行台数调节恒速调节变速调节水泵的调节方式对节能的影响至关重要，过去是通过改变阀门的开度来改变流量，这种控制方式不仅浪费了大量的能源而且控制方式也不是非常理想，相比较而言变频调速却能 够通过改变水泵机组的转速达到节能效果，符合要求，所以本系统采用变频调速。 3.3 调速方法选
13、择 传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如山西职业技术学院毕业论文 7 下： 1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应 ，破坏性大，目前较少采用。 2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系
14、统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 4) 液 力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方 。 5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4 种供水方式，但是系统
15、开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综合来看，以上四种控制方式都会造成不同水资源的浪费以及电能的浪费，并且其效率比较低，可靠性差，维护麻烦。而基于 PLC 的变频恒压供水系统却能够将变频技术很好的与现代控制技术和 电气技术相结合，并且 PLC 的程序编写简单，易懂易学。采用该系统进行小区供水安全可靠，节水节电，这正是我们所期望的故采用基于 PLC 的变频恒压供水。 山西职业技术学院毕业论文 8 3.4 变频恒压供水系统的组成及原理图 基于 PLC 的变频恒压供水系统主要由： PLC、变频器、压力传感器、液位传感器、水泵机组等原件组成，
16、该系统的控制流程图如图 3-1。 图 3-1 变频恒压供水系统控制流程图 该系统由信号检测机构，控制机构和执行机构三大部分组成，各部分的具体功能如下 ： 1）信号检测机构：本系统的信号检测机构主要由压力传感器、液位传感器和报警 信号三部分组成，其中压力传感器主要用于采集管网压力，将管网压力转换为电信号送入PLC。液位传感器用于采集蓄水池的液位，当液位达到液位下限时，水阀打开，蓄水池蓄水，当蓄水池液位达到设定值时水阀关闭，用该传感器是为了防止蓄水池水位过低造成水泵空转从而对水泵造成损伤。信号检测机构还包括报警信号的采集，当有报警时相应传感器会将报警信号送入 PLC，让 PLC 执行相应操作，从而使系统更加安全稳定的运行。 2）控制机构：本系统的控制 机构主要由 PLC 和变频器组成，控制机构是整个系统的核心机构，它的设计成功与否是该系统的关键。 PLC 接收信号检测机构送来的信号，通过内部的相应运算将结果送入变频器或其他执行机构。变频器是水泵机组的控制单元，其接变送器液位 PLC 变频器 M 水泵机组 压力传感器 报警信号 水位信号 压力信号 用户
