1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 恒压供水控制系统的设计（三菱） 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 - 2 - 摘 要 本论文分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
2、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）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-A740 - 3 - Abstract This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-press
3、ure water supply. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data 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 posse
4、ss high reliability and real-time quality. The system can not only remarkably improve the quality of water supply, but 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, reliabl
5、e operation, saving energy, high degree of automation in the water pumping station to be completed by the following functions:(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
6、 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 - 4 - 1 引言 . 1 2 课题
7、研究意义现状 . 2 2.1 恒压供水对生活生产的意义 . 2 2.2 几种供水系统的比较 . 3 2.3 国内外变频调速技术的发展与现状 . 4 2.4 变频恒压供水的研究现状 . 6 3 恒压供水 . 8 3.1 供水系统的要求 . 8 3.2 恒压供水原理 . 8 3.3 节能方案 . 9 3.4 恒压供水的优点 . 9 4 电气控制系统设计与实现 . 11 4.1 系统控制组成 . 11 4.2 硬件设计 . 12 4.3 软件设计 . 15 4.3.1 控制菜单 . 15 4.3.2 程序设计 . 16 4.3.3 控制总程序 . 18 4.3.4 变频器参数设置 . 22 4.4
8、系统调试 . 22 4.4.1 PLC 程序下载与调试 . 22 4.4.2 调试注意事项 . 22 5 结束语 . 23 6 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 24 - 1 - 1 引言 变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统。随着变频调速技术的发展和人们节能意识 的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的基本恒定。变频恒压供水系统利用 PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动
9、化程度高，高效节能的优点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。 由于生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或 爆管事故，同时也浪费了大量能源。为了节约电能，又能保证正常用水，供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速，将供水压力控制在一定范围之内，即满足了变化的用水需求，也起到了节能降耗的目的。 但是，变频恒压供水系统存在如下不足： 1）由于供水系统出口压力与实际用水需求存在较大的滞后性，供水系统存在较大的周期性压力波动。 2）变频范围只有在离心泵
10、的特性曲线最佳工作范围内，也就是下调频率 10%30%才能显示出其最大的节能效益，如再往下调频率，就会出现水泵运转而不出水的 工况，即超出了离心泵的极限工作范围。 3）在深夜用水量很小的时候，水泵在变频器控制下较长时间内低频（速）运转对水泵机械工况不利，同时耗能增加，约为额定功率的 25%。针对上述问题，以 PLC 为核心，采用模糊控制技术和压力补偿策略实现的变频恒压供水控制系统较好地解决了上述问题。 - 2 - 2 课题研究意义现状 2 1 恒压供水对生活生产的意义 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
11、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。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，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，同时有可能导致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。 随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 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
12、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，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 控制要求： 1) 两台水泵，一台运行，另一台备用，自动运行时泵运行累计 100h 轮换一次，手动时不切换； 2）切换后启动和停止后启动须 5S 报警，运行异常可自动切换到备用泵，并报警； 3) 程序要求采用 PLC 的 PID 调节指令； 4）用触摸屏可以显 示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、转速、报警信号等；水压在 010kg 可调，用三菱 F940 触摸屏
13、输入调节； 5)变频器（使用三菱 FR-A740） 采用 PLC 的特殊功能单元 FX0N-3A的模拟输出，调节电动机的转速；电动机额定转速为 2880r/min,由 KM1、 KM2、 KM3、 KM4- 3 - 控制； 6）变频器的其余参数自行设定。 2.2 几种供水系统的比较 1)恒速泵加压供水：这种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)重力供水：重力供水通常需
14、要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或 者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面 几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。 3)气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐 内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是
15、体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。 4)变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根据用 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。将变频调速技术用于更新改造传统供水设 备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而
16、言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提- 4 - 高劳动生产率，所以非常值得推广和应用。 综上所述，传统的供水方式普遍不同 程度的存在着浪费水电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。 目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统和居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机
17、时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；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。 2.3 国 内外变频调速技术的发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机 控制理论的发展。 1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制 PWM技术应用到交流传动中的是德国人。 20世纪 80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从
18、 20世纪 80年代后半期开始，美 、日、德、英等发达国家的基于 VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。 1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解藕控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自 1992年开始，德国西门子公司相继开发了 6SE70系列通用变频器，通过FC， VC， SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至 1994年该系列通用变 频器的容量就扩展到 3lkw以上。
19、1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论 (DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法- 5 - 的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。 1995年， ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。 国外在交流变频 调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展 迅速；控制理论和微电子技术的支持。 变频器的发
20、展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三 个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、 专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础； 16位、 32位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专用集成电路 (ASIC)技术的快 速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。 在我国， 60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调 速技 术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国 电气传动产业始于 1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传 动成套公司，即现在的天津电
21、气传动设计研究所的前身。现在，我国约有 200家 左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调 速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和 经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么 内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频 调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电 气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术 取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较 弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速
22、技术产业状况表现如下： 1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研 究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。 2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。 3)相关配套产业及行业落 后。 4)产品可靠性及工艺水平低。 - 6 - 2.4 变频恒压供水的研究现状 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，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、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。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
23、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，以前国外的恒压供水工程在设计时大都采用一台 变频器只带一台水泵机组的方 式，很少采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器，像日本 Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式，基于 PLC的变频恒压供水系统的设计它将 PID调节器和 PLC可 编程控制器等
24、硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现 PLC和 PID 等电控系统的功能，只要 搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电 磁接触器工作，可构成最多 7台电机 (泵 )的供水系统。这类设备虽微化了电路结 构，降低了设备成本，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，与别的监控系统 (如 BA系统 )和组态软件难以实现数据通信，并且 限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，但是大多都采用国外的变频 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 (PLC)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。原深圳华为 (现己更名为艾默生 ) 电气公司和成都希望集团 (森兰变频器 )也推出了厦压供水专用变频器 (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坏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通信功能， 因此只适用于小容量，控制要求 不高的供水场所。另外博世集团下的康沃变频器
