1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于 PLC的恒压供水系统 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 PLC 全称为 可编程控制器 (Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的 ，具有结构灵活稳定性高的特点，在工业领域有着很高的利用率。 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。 现今，采用最多的供水方式便是 PLC 与变频器控制的恒压供水系统，因为使用 PLC 和变频调速技术能更有效的实现 变频调速 。 本论文主要设计基于 PLC 的恒压供水系统，系统采
2、用三菱 PLC 电路系统，利用 PLC 自带的 PLD 程序控制变频器，去改变水泵电机的供电频率，调节水泵转速。该供水系统通过控制实际供水压力与设定压力一致，来保证在用水量变化时供水量也随之变化，从而实现供水量与用水量的匹配。系统的实物在实验室制作完成。实物 系统能完成自动变频启动、具有缺相、欠压、过压等电气保护功能，并考虑了三种报警状态。达到了预期的目标。 关键词： PLC；供水系统；变频调速；恒压供水 - 1 - Abstract The full name of PLC is Programmable Logic Controller. It is a member of the fam
3、ily computer. It is industrial control applications for the design and manufacture , with a flexible structure and high stability. It has a high utilization in the industrial field. Water supply system is important and indispensable in the national production and life. Nowadays, most of the water wa
4、y is to use PLC and inverter control constant pressure water supply system. PLC and variable frequency speed control can use more effectively to achieve frequency control. This paper is focus on the design of constant pressure water supply system based on PLC. This system uses Mitsubishi PLC circuit
5、 system, and takes the advantage of PLD in the PLC to change the water pump motor power supply frequency, adjust pump speed. This water supply system adjusts the pump speed to control the actual supply line pressure and the set pressure, then, to achieve the matching of water supply and water consum
6、ption. The physical system is made in the laboratory. It can complete the conversion starts automatically, and has the protection functions such as a phase, under voltage, over voltage, and so on. The system even considers three alarm statuses. It has achieve the desired objectives. Key Words: PLC;
7、water supply system; variable frequency speed control; constant pressure water supplying - 1 - 目 录 1 绪论 . 1 2 变频恒压供水系统简介 . 3 2.1 供水系统的基本特性 . 3 2.2 水泵与节能理论 . 3 3 恒压供水的控制方法 . 6 3.1 PID 控制 . 6 3.1.1 PID 控制基础 . 6 3.1.2 PID 控制算法 . 7 3.2 模糊控制的简单介绍 . 8 4 系统设计 . 10 4.1 控制系统 . 10 4.1.1 系统控制组成 . 10 4.2 硬件设计 .
8、 11 4.2.1 电器布置图与电气接线图 . 11 4.2.2 PLC 选择 . 12 4.2.3 硬件接线图 . 13 4.2.4 实验元件明细表 . 14 4.3 软件设计 . 15 4.3.1 人机界面设计 . 15 4.3.2 PLC 软件设计 . 16 4.3.3 编程分析 . 18 4.4 变频器设置 . 19 4.4.1 变频器基础知识 . 19 4.4.2 FR-A750 变频器的接线简介 . 20 4.4.3 变频器参数设置 . 21 5 下载和调试 . 23 5.1 PLC 程序下载与调试 . 23 5.2 触摸屏菜单下载与调试 . 23 5.3 调试注意事项 . 24
9、6 结论 . 25 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 26 附录 1 系统实物图 . 27 附录 2 PLC 编程源程序 . 28 附录 3 硬件接线图 . 31 附录 4 毕业设计作品说明书 . 32 - 1 - 1 绪论 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。 在我国，传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。 供水方式的优劣直接影响了人们 的生产生活 ,目前我国许多城市和生活小区的供水系统仍然采用传统的高位水塔或直接水泵加压供水方式。由于用水量具有很大的随机性 ,在用水高峰期水压不够 ,这种供水方式不能提
10、供良好的供水质量 ,而且因扬程高电动机一直高速运转需要消耗大量的能量 ,电费占水费成本的近 60%。如果能将变频技术结合于恒压供水系统之中，利用水泵节能原理。 节电节水的潜力 是非常大的 1。 近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。变频调速恒压供水以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水技术装备水平从 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。 可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变
11、频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅 6%左右，而工业发达国家已达 60% 到 70%。 日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达 10%，而我国还不足 0.01%；在日本，空调器的 70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。 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。 在 PLC发明并得到广泛的应用之后，将 PLC和 变频器有效的结合起来能更有效的实现 变频调速 。 现今 ， 采用最多的供水方式便是 PLC 与变频器控
12、制的恒压供水系统 。 变频恒压供水是通过改变水泵电机的供电频率 ， 调节水泵转速 ， 控制实际供水压力与设定压力一致 ， 保证在用水量变化时供水量也随之变化 ， 实现供水量与用水量的匹配 ， 降低能源消耗和资源浪费 ， 延长系统寿命 、 节约能源。 所以研究设计基于 PLC的变频调速恒压供水系统具有重要的意义。 - 2 - 本文所作的主要工作：第二章对恒压供水系统的原理和构造进行了介绍。第三章介绍了现代恒压供水的主要控制方法，即 PID 控制方法。第四章详细本次恒压供水系统的设计，包括系统的硬件设计和软件设计。第五章阐述了这次设计的程序下载和调试的过程。最后对本文的所有工作做了总结。 - 3
13、- 2 变频恒压供水系统简介 2.1 供水系统的基本特性 恒压供水系统的基本特性就是保持管道内水压恒定，并能根据用户用水量对水泵的工作状态进行调整。 对水厂而言，每天各时段用水量变化较大，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。因此必须采取合适的控制系统，确保当终端用水量较小时，这是相应的管道和泵出口压力均较大，此时需要减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。这样的系统也就是恒压供水系统 2。 2.2 水泵与节能理论 水泵的节能理论简单来说主要有 3 条： 1) 变频调速 通过改变电机的用电频率改变电
14、机转速，进而改变泵转速，以最低压力、近最高效率店满足使用，从而降低节流损失 2) 泵参数变换幅度、频率较高时，节能较显著。 3) 一千千瓦以下，已经有比较多的应用，一千五百千瓦以上，目前有观点认为可靠性待确定，可能不如液力偶合器高，损坏后的恢复周期可能较长。 从原理方面分析： 供水泵站的基本任务是满足管网中对流量、扬程的要求。传统调节流量的方法采用阀门控制法：即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变。这样运行的结果是水泵的工作效率低，浪费了大量的动力能，而转速控制法的原理如下 比例定律 ,1 ,2 1 2/vvq q n n （ 2-1） 21 2 1 2/ ( / )H H n n
15、（ 2-2） 式中： 1n 、 2n 为水泵转速，单位为 /minr ； ,1vq 、 ,2vq 分别为转速为 1n 、 2n 时- 4 - 所对应的泵流量，单位 3/ms； 1H 、 2H 分别为转速为 1n 、 2n 时所对应的泵扬程，单位为 m。 由式（ 1） ,（ 2）可见 通过调节泵转速能很方便地实现改变泵的流量、扬程，从而达到满足供水的要求。 水泵变频调速是指通过改变异步 电动机定子端，输入电源的频率来改变电动机的转速，从而达到改变水泵转速的目的 异步电动机的转速为 60 (1 ) /n f s p （ 2-3） 从式（ 3）可以看出，要改变转速，采取的措施有： 1.改变转差率；
16、2.改变电机的极对数； 3.改变定子供电频率。然而，一旦泵的配套电动机选定，如不进行特殊的处理，其 p 和 s 为定值。这时电动机的转速将与供电频率成正 比。即电源的频率越高，转速就越高。反之，转速越低，泵的变频调速就是通过改变供电频率来改变电动机的转速。从而改变泵的转速，以实现泵流量，扬程满足供水要求。 图 2-1 转速调节泵工作特性基本原理示意图 变频恒压供水的基本原理如图 2-1所示，对于不调速运行的泵，其工作点只能在 0nn 对应的一条曲线上移动 当用户所需流量从 ,0vq 减小为 ,2vq 时，阀门控制法只能通过关小阀门 来实现。由于阀门摩擦阻力变大，管阻特性曲线从曲线 1变到曲线
17、2 而扬程特性仍为 0nn 时的曲线。因此供水系统的工作点由 1A 点移到2A 点，这时流量减小，扬程却增加了 2A 2B 段的扬程。 - 5 - 图 2-2 水泵的流量 -效率曲线 由图 2 -2泵的效率曲线中的曲线，可以看出当流量 ,2vvqq 时，其效率将降至 B 点，可见，随着流量的减小，水泵运行效率的显著降低。而在转速控制方式下，其效率曲线因转速而变化。在 2n 时的效率曲线为图 2的曲线 2，当流量 ,2vvqq时，效率为 C 点之值，和 ,1vvqq ， 时的效率（ A 点）基本相等，即采用转速控制可使水泵的效率总处于最佳状态 3。 - 6 - 3 恒压供水的控制方法 现代恒压供
18、水系统比较常见的有两种控制方法： PID 控制和模糊控制。 被 控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 3.1 PID 控制 在工业 实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已近 70 年的历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 PID控制原理图如图 3-1 所示。 图 3-1 PID 控制原理图 3.1.1 PID 控制基础 PID 控制器 （比例 -积分 -微分 控制器 ），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过 Kp， Ki 和 Kd 三个参数的设定。 PID 控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。根据不同系统的需要来组合下，就构成
