1、 本科 毕业设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着我国社会经济实力的不断发展、城市化步伐的不断加快，人民的生活水平得到不断的提高，城市中小区的建设也发展的十分迅速，而市民最关心的小 区基础设施建设成为了一项十分艰巨而又现实的任务。在小区设施建设中，小区的供水系统直接影响到了小区用户的正常生活和工作。小区物业能否为用户提供一个安全可靠又经济稳定的供水环境，直接体现了小区物业的管理能力。 比较传统的小区供水系统有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速
2、的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式。传统的小区供水方式普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的用水。 针对目前小区供水系统存在 的不足与缺陷，设计了一套由 PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，并通过通信模块实现对供水系统故障报警。这种系统相比传统的供水系统，具有安全可靠、高效、节能的显著特点。在实现了简单操作的同时，节约了人力，提高了电能的有效利用，也为小区供水的卫生安全提供了可靠性。 论文分析了变频调速方式在恒压供水系统中能做到有效节能的机理
3、，分析了变频器内置PID 模块参数的设置和远传压力表实现压力反馈的理论根据，给出了远程监控系统的设计原理。 论文采用 3 台主 泵和 1 台辅助泵并联供水，结合变频器与内置 PID 模块，利用远传压力表对水压的反馈，和人机界面的结合为系统提供检测和故障报警的方式，在水泵工频和变频分级调节的情况下，完成恒压变频供水，并实现有效节能。 关键词 ： PLC；变频；报警；恒压供水 II Abstract Along with development of the social economic in our country, accelerating the pace of urbanization.
4、 Peoples standard of living has been continuously improved, Construction of city development is very quickly. People care about most community infrastructure has become a very difficult and realistic task. In infrastructure construction, the water supply system directly affected the users normal lif
5、e and work. Residential property can provide users with a safe reliable and economic stability supply of water environment, direct embodiment of the property management ability. The traditional means of water supply such as Constant speed pump pressurized water supply, Water towers high water tank w
6、ater supply, Pressure tank water supply, Hydraulic coupling device and battery sliding clutch speed water supply patterns, Single-chip microcomputer frequency control water supply and so on. The traditional water supply patterns common varying degrees of existence waste hydraulics, electric power re
7、source; Low efficiency, poor reliability, automation degree not higher shortcomings, seriously affected residents and industrial water. Aiming at the shortcomings of the water-supply system with defects, Designed a set of PLC, frequency converter, far Easton pressure gauge， many sets of pump unit，co
8、mputer, communication module and other major equipment structure of automatic frequency constant pressure water supply and remote monitoring system, And through the communication module implements for water supply system fault alarm. This system, compared with the traditional water supply system, ha
9、s the safe and reliable, efficient, energy-saving notable features. Implements a simple operation, save the human, the effective use of improved energy for village of water supply, also provides health safety reliability. This paper analyzes the frequency conversion in constant pressure water supply
10、 system way can be useful energy-saving mechanism, analyzes the inverter built-in PID module parameter setting and remote transmission gauges realize the theoretical base of pressure feedback, and gives the design principle of remote monitoring system. Using three sets primary pump and one auxiliary
11、 pump water supply, combining the inverter and parallel, using the built-in PID module of hydraulic pressure gauges far Easton of feedback, and the combination of man-machine interface for the system to provide testing and fault alarm way, in the pump power frequency and frequency conversion grading
12、 adjustment, under the situation of constant pressure water supply complete frequency, and realize effective energy saving. Keywords: PLC; Frequency conversion; alarm; Constant pressure water supply III 目录 第 1 章 概述 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2PLC 的定义及其应用 . 1 1.3 国内外变频器调速技术的发展状况 . 2 1.4 本文的主要内容 . 2 第 2
13、 章 变频恒压供水系统的理论分析及方案确定 . 4 2.1 变频恒压供水系统的节能原理分析 . 4 2.2 变频恒压供水系统的理论思路分析 . 5 2.3 变频恒压供水系统的控制方案确定 . 6 第 3 章 系统的硬件选择和设计 . 7 3.1 恒压变频供水系统硬件的选择 . 7 3.1.1 水泵机组的选择 . 7 3.1.2 PLC 及其扩展模块的选择 . 7 3.1.3 变频器的选择 . 8 3.1.4 压力传感器和压力变送器的选择 . 8 3.2 系统电气部分主电路的分析和设计 . 9 3.3 PLC 可编程逻辑控制器的 I/O 端子分配 .11 3.4 变频器的选择及接线 . 12 第
14、 4 章 变 频恒压供水系统软件的设计 . 14 4.1 水泵运行状态及过程分析 . 14 4.2 系统 PLC 程序设计方法 . 15 4.3 控制程序的设计 . 16 4.4 PID 控制及其控制算法 . 17 第 5 章 变频恒压供水系统远程监控系统的组成和设计 . 20 5.1 远程监控系统的组成 . 20 5.2 PLC 通信程序的设计 . 21 5.3 计算机通信程序设计 . 21 小 结 . 23 IV 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 24 附录 1 系统梯形图 . 25 1 第 1 章 概述 1.1 课题研究的背景和意义 水是我们生产、生活不可或缺的组成部分，在
15、提倡低碳生活、节 约环保的今天，在人均水资源相对困乏的国家，如何高效的利用水资源，成为比较突出的问题。随着我国社会经济的高度发展，人民生活水平的不断提高，各个大中小城市小区建设速度的不断加快，对小区的基础设施建设提出了更高的要求，而我国小区供水方面技术相对落后，自动化程度比较低。小区供水系统的建设是小区基础设施建设的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、高效性、经济性直接或间接的影响到小区用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。 小区日常的生活用水随季节、一天时间段的不同而有较大变化，一般夏天和早晚呈现高峰期 ，天气较冷以及深夜用水量不大，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现
16、在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。如果水压低，则无法将水供到高层用户，要用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。这种将水通过二次方式供给用户，对水资源会形成不同程度的污染，影响到居民的身体健康，而且对供水设备也会造成不同程度的损害，减短设备的使用寿命，再者电机频繁地处于启动和停止的变换状态会对电机产生较大的冲击，因而导致供水设备的故障率升高，极大的影响了小区用户的用水。 针对以上存在的一些问题，设计了基于 PLC 的变频恒压供水系统。该系统由 PLC、远传压力表、变频器及多台水泵机组等组成闭环控制系统，使管网产生的压力保持恒定， 实现水泵电机的无级调速，根据用户
17、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， 在用水多时供水也多，用水少时供水也少，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，同时具有良好的节能性。在能源日益紧缺的今天研究设计该系统，所带来的节能效益，对于提高供水企业效率以及人民的生活质量、降低能耗、节能减排等方面具有十分重要的现实意义。 1.2 PLC 的定义及其 应用 可编程控制器，简称 PLC，是一种数字运算操作的电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各
18、种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成的一个整体、易于扩充功能的原则设计。 可编程控制器在国民经济的各个领域都得到了广泛的应用，而且应用的范围在不断的扩大，其主要有以下几个方面的应用： （ 1） PLC 具有“与”“或”“非”等逻辑指令，可以实现触点 和电路的串联、并联，代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控制，既可以实现单台机器控制，也可用于多机控制及自动化流水线的控制； （ 2） PLC 可以把描述目标位置的数据送给模块，当每个轴动移动时，运动控制模块能使之保持适当的速度和加速度，确保运动的平滑性。可编程控制器的运动控制功能可广泛的用2 于各种机械
19、运动中。 （ 3）通过 PLC 模拟量输入、输出模块，实现模拟量和数字量之间的转换，并利用 PID 子程序或专用的智能 PID 模块对模拟量进行闭环控制，完成对温度、压力、流量和速度等模拟量的过程控制。 （ 4）现代的 PLC 能进行 数学运算、数据传输，也能进行数据的比较、数据的转换和数据的通信等。 （ 5） PLC 能完成基本单元与远程 I/O 之间的通信、 PLC 之间的通信、 PLC 和智能设备之间的通信。 1.3 国内外变频器调速技术的发展状况 把电压和频率不变的交流电变化为电压和频率都可变的交流电的装置叫做变频器。 从上世纪 30年代开始 ，人们就致力于交流调速技术的研究。 20
20、世纪 60 年代以后，特别是 70 年代以来，随着 电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平的不断提高 ，新的控制策略不断涌现，使得交流调速技术得到迅猛发展，并已在机械、冶金、电气 等行业得到普遍应用，交流调速以其 比较明显的节点效果 ，优良的调速性能以及广泛的 普适 性逐步取代直流调速的地位，已经成为电气传动领域发展的主流方向。 目前国外在变频器调速技术方面有以下特点： （ 1）在全球能源短缺和自动化程度不断提高的情况下， 变频器在冶金、机械、石油、化工、纺织等各个行业以及风机、水泵等节能场合 越来越被广泛的应用 ，并取得了显著的经济效益。 （ 2） 功率器件发展 十分 迅速 。 变频调
21、速技术 的产生和发展 是建立在电力电子技术 、电机控制方式以及自动化控制 基础之上的。近年来，高电压、大电流以及智能模块 IPM (Intelligent Power Module)等器件的生产 运用 以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （ 3） 高性能变频调速理论基础 是建立在 控制理论和微电子技术支持现代自动化控制领域 和 以现代控制论为基础， 并 融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论 。在此基础上高性能的变频调速才得以发展。 我国电气传动产业始于 1954 年。 由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。 1.
22、4 本文的主要内容 本文在通过对 PLC 变频恒压供水技术和原理分析的基础上，依 据用户对供水的需求，制定一套具有自动化程度高、高效节能、安全洁净、维护方便等特点的供水系统。 该套系统由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，通过通信模块实现对供水系统故障报警，以便保证供水系统的稳定和可靠性。具体而言，本文主要包括了一下几方面： （ 1）本文在对供水系统进行分析和研究的基础上提出了相对可行的方案和确定提出该方案的方法。 3 （ 2）分析恒压供水系统的节能原理，确定恒压供水系统的设计方案，给出恒压供水系统的原理和控制流程。 （
23、 3） 讨论 PLC 的程序设计方案以及程序执行的特点，在此基础上提出供水系统的程序设计方案。 （ 4）介绍 PID 的调节原理，利用 PID 的调节原理实现对供水系统的恒压供水的调节。 （ 5）通过计算机、通信模块实现远程监控，并通过通信模块实现对供水系统的故障报警，提出能实现该监控和报警的软件设计方案。 4 第 2 章 变频恒压供水系统的理论分析及方案确定 2.1 变频恒压供水系统的节能原理分析 供水系统的主要参数有以下几点：（ 1）流量 Q 是单位时间内流过管道内某一界面的水流量。在管道界面不变的情况下，它的大小决定于水流的速度；（ 2）扬 程 H 是供水系统中把水从一个位置上扬到另一位
24、置时水位的变化量，数值上等于对应水位的水位差，通常用单位米来表述；（ 3）管阻 R 是阀门和管道系统对水流的阻力。它不是常数，很难用公式定量的计算，通常用扬程和流量的关系曲线来描述；（ 4）压力 P 是体现供水系统中某一位置水压的物理参数，它的大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，在动态时，则还应与流量与扬程之间的平衡关系有关。 供水系统主要由水泵、电动机、阀门和管道构成的。而扬程特性以管路中的阀门开度不改变为前提条件的。它主要反应了在某一转速下，全扬程与流量之间的关系 。图中标注曲线，称为扬程变化曲线。管阻特性以水泵的转速不变为前提，它主要反应阀门在某一开度下，来控制供水能力的特性曲
25、线。管阻特性反映了水泵所提供的能量用来克服管网的水位带来的压力差、液体在管网中流动时产生阻力变化的规律。由下图 2.1 可知，在同一阀门开度下，扬程 H 越大，流量 Q 也是越大。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中的 A 点，在 A 点上，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，供水系统处于平衡状态，在这个状态上系统运行相对十分稳定。 图 2.1 扬程与管阻的关系图 用户在不同的 时间段对水的需求量是不同的。因此在供水系统中，最根本的需要被控制对象就是水流量的变化。常见控制水流量的方法主要有阀门控制法和转速控制法两种。 阀门控制法主要控制对象是阀门，通过关小或开
26、大阀门开度来调节流量，而电机的转速则保持不变，一般为额定转速。它的调节本质就是水泵本身的电机功率保持不变，即供水能力不变，通过改变供水中的阻力大小来改变流量的大小，以此来适应用户的供水需求。这种调节方法管阻特性随着阀门的开度的改变而改变，但是扬程特性不变。 转速控制法是通过改变电动机的转速来调节流量的，而阀门的开度则保持不变。 它的本质是通过改变水泵的转速来调节流量，以此来适应用户对供水量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性也随之改变，而管阻特性则保持不变。 5 根据相关资料介绍，水泵工作效率的相对值 的近似计算公式如下： =C1（ Q /n ） -C2(Q /n )*2 (2-1) 式中 、
27、 Q 、 n 分别表示效率、流量和转速的相对值； C1C2 是常数，有水泵的制造厂家提供。 根据公式可知，当用阀门控制法来减小流量时，由于转速不变， n =1， Q /n = Q ，由此得出随着流量的减小，水泵工作的效率明显变得十分低下。而用转速控制法是，由于在阀门开度不改变的情况下执行的，流量和转速成正比， Q /n 不变。由此可知用转速控制法时，水泵的工作效率一直处于最佳的工作状态。 传统的供水系统在实际的运行过程当中，即使在用水量的高峰期，电动机也常常是处于轻载状态的，其效率和功率因素都相对较低。而采用变频调速控制法以后，可在将阀门完全打开的情况下，适当降低电动机的转速。电动机 在低频运
28、行是，变频器具有能够根据负荷轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率。 2.2 变频恒压供水系统的理论思路分析 变频恒压供水控制系统是把供水的管网水压作为一个主要的控制目标，主要是把系统设定供水压力和供水系统中的管网的实际水压相协调。设定的供水压力是一个经过计算过的常数，也可以是一个按照小区需水情况而设定的一个以时间为分段的函数，在设定的每一个时间段是一个常数。因此，在某一个特定的时间段和时间点，系统控制的目标就是使管网的实际供水压力维持在一个系统设定和要求的供水压力点上。 根据图 2.2 可以 得出，在系统运行的进程中，如果管网实际的供水压力高于设定的压力值，系统就会得到一个负的压
29、力值，这个压力值经过计算和转换，计算机变频器输出一个频率应该的减少值，这个计算出来的值是为了增大实际供水压力和设定了的压力值的差值，如果将这个减少量和变频器的当前的输出量相加，所得到的数值就是变频器应该输出的频率。这个频率就可以改变电机水泵的转速，使之减小，来实现管网实际压力的降低，这个过程在运行中会不断的重复的把实际压力值和设定压力值进行对比，计算和转换直到两个值相等为止。如果管网的供水压力低于系统设定的压力，那么所获 得的情况则与上诉陈述刚好相反，变频器的输出频率会得到应有的提高，电机的转速会加快，实际管网的供水压力会得到相应的增大，这样做最后的目的也是把实际供水压力和设定的压力达到相等。 变 频 器P L C电 机 水 泵压 力 传 感 器P I D 调 节设 定 压 力水 压反 馈 参 数图 2.2 恒压供水系统原理框图
