城市小区恒压供水系统毕业设计(论文).docx

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1、城市小区恒压供水系统毕业设计(论文) 毕业设计题目城市小区恒压供水系统 摘要 我国人口众多，每年所消耗的能量巨大。近年来，能源紧张影响到工业生产及人民生活。因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施。然而，长期以来，由于我国自动化程度低，用水行业的技术水平相对比较落后，经常导致用水高峰期用户用水的不稳定，例如水压较低，供水量低于需求量。因此针对小区居民的日常用水问题，设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。 此变频调速恒压供水系统由PLC、变频器、压力变送器等组成，由一台变频器实现对三台水泵电机的软启动和变频调速，三台泵电机采用变频和工频循环运行方式，运行切换采用“先启先停”

2、的原则。使用STEP7 Micro/WIN编程软件，设计了一个用于供水系统压力控制的控制器内置在PLC中，对压力给定值与测量值的偏差进行处理，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速和水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近，并且利用组态软件设计了系统的用户管理和监控界面。 关键词：变频调速；恒压供水；可编程控制器 Abstract For the numerous population, much energy is consumed every year in our countryIn recent years, shortage of sour

3、ce have affected the industrial production and peoples life.Therefore, energy saving and reduce the consumption is a crucial measure to guarantee industry and lifes stable development.However,since automation level is low ,for a long time,our country falls behind with the technical horizon compariso

4、n with water profession, users often appears with the instability of water in using water peak-hour,such as hydraulic pressure is low and the supply of water is measured below demand. According to the problem in using water designed a variable frequency speed-regulating constant pressure water-suppl

5、y system with PLC . The water supply system consists of PLC,frequency converter and pressure transmitter etc.A frequency converter to realize three phase pump generators soft start and frequency control, three pump generators to comprise the circulating run mode of frequency conversion, operation sw

6、itch adopts to the principle ofstart first stop first.using STEP7 Micro/WIN program software designed a control system with PLC .The control system can compare the measured pressure with the advanced pressure , to control the real-time output Voltage and frequency.the output quality of pump is chang

7、ed along with the changing of pumps speed.It makes the pressure of pipe self-regulating and steady in the scheduled value,and have designed a operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition. Key Words：variable frequency speed-regulating；constant pressure water-supply；pr

8、ogrammable logical controller 目录 第一章绪论 (1) 1.1 变频恒压供水系统研究的技术背景和设计依据 (1) 1.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状及发展趋势 (2) 1.3 可编程控制器简介 (3) 1.4 本文研究的主要内容 (6) 第二章变频恒压供水系统分析 (7) 2.1 供水系统的基本特性和方式 (7) 2.2 常用调速方式及变频调速原理 (9) 2.3 变频调速技术 (11) 2.4 水泵调速运行的节能原理 (12) 2.5 变频恒压供水的特点分析 (13) 第三章基于变频调速的恒压供水系统设计 (15) 3.1 变频调速恒压供水系统要完成的主要

9、功能 (15) 3.2 变频调速恒压供水系统的控制方案及选择 (15) 3.3 变频调速恒压供水系统的构成 (17) 3.4 变频调速恒压供水系统工作原理 (19) 3.5 变频至工频的同步切换 (20) 3.6 变频调速恒压供水系统运行分析 (21) 第四章系统硬件设计 (22) 4.1 变频器的选择 (22) 4.1.1 MM440型变频器性能特点及技术指标 (23) 4.1.2 MM440型变频器的主要作用 (24) 4.1.3 MM440型变频器的电路结构 (25) 4.1.4 MM440型变频器的参数设定和调试 (26) 4.2 水泵的选择 (27) 4.3 其他相关设备的选择 (2

10、9) 4.3.1 变送器的选择 (29) 4.3.2 接触器的选择 (30) 4.3.3 软启动器的选择 (31) 4.3.4 主令电器的选择 (32) 4.4 系统电路设计 (33) 4.4.1 主电路设计 (33) 4.4.2 控制电路设计 (34) 4.5 PLC I/O分配 (36) 4.6 PLC的选型 (38) 4.7 变频器与PLC的连接 (40) 4.8 系统硬件连接图 (41) 第五章系统软件设计 (42) 5.1 总体流程图设计 (42) 5.1.1 手动运行流程图设计 (42) 5.1.2 自动运行流程图设计 (43) 5.2 各个模块梯形图设计 (48) 5.2.1 软

11、元件设置 (48) 5.2.2 手动控制程序设计 (49) 5.2.3 自动控制程序设计 (51) 5.2.4 初始化程序设计 (57) 5.2.5 报警程序设计 (60) 5.3 系统的测试与运行分析 (61) 5.3.1 系统手动运行测试 (61) 5.3.2 系统自动运行测试 (61) 第六章基于组态王的恒压供水系统监控设计 (63) 6.1 组态王简介 (63) 6.2 组态王系统设计 (63) 6.2.1 组态王系统设计步骤 (63) 6.2.2 组态王系统设计过程 (64) 第七章总结 (68) 参考文献 (69) 外文原文 (71) 外文翻译 (83) 致谢 (92) 第一章绪论

12、 1.1 变频恒压供水系统研究的技术背景和设计依据 水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，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、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低。在通常的城市小区供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。 我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平，但在技术水平、

13、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。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，此时会造成能源的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，频繁启/停电机控制产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；水塔二次供水调节的方式则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质量的安全与可靠性。因此，保持管网的水压恒定可以使供水和用水之间保持平衡，不但提高

14、了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。而寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰人们的一个长期问题。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案是各供水企业关心的焦点问题之一。 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，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。所以研究设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简

15、称变频恒压供水)，对于提高企业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。小区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、经济性直接影响到小区住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。为了尽可能地满足城市 生产和人们日常生活供水需要，如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了必须解决好的关键问题。 1.2 变频恒压供水系统国内外的研究现状及发展趋势 近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主要内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。但长期以来，交流电的频率却

16、一直固定而不能受人为控制，变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。 现在，我国已有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。但自行开发生产的变频调速产品和国际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，变频调速己形成了一个巨大的市场。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(PLC)实现；有的采用单片机及相应的软件实现。这两种控制方案，从可靠性方面讲，PLC优于单片机，从经济性方面看，单片机优于PLC。在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软

17、起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为零，切换到工频电源上。这两种方法中，采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动容易实现，软起动器一般为成品部件，但设备投资较大；后者采用切换时封锁变频器的控制脉冲设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。 国外生产的变频器多为通用型且单机控制即一台变频器拖动一台电机，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、压频比控制及各种保护功能。应用在中、大容量的变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节；多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制；在

18、变频与工频电源的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。 八十年代中期进入中国市场的日本Samco公司，推出了独有的恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等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，只需要搭载配套的恒压供水单元，便可以直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机泵的供水系统。该设备简化了电路结构和实际工作量，提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。除此之外，针对传统的变频调供水设备

19、的不足之处，国内外不少生产厂家也来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN公司的 SAMCO-I系列产品；富士公司的G11S/P11S系列产品；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品等等。 1.3可编程控制器简介 可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“

20、三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求,再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，并且开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。 随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发

21、展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及其良好的工作环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。具体有以下特点： 1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。 2)具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要

22、，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 由于

23、PLC 强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA 系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等可编程控制器PC 或PLC 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。 PLC 工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上，将

24、运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC 在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取自于I/O 映像区，而不直接与外部设备发生关系。 当处于停止工作模式时，PLC 只进行内部处理和通信服务等内容。当处于运行工作模式时，PLC 要进行内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，然后按上述过程循环扫描工作，如下图所示： 内部处理 通信服务 输入处理 程序处理 输出处理 运行 停止 图1-1 PLC 工作流程 在运行模式下，PLC 通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC 的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执

25、行，直至PLC 断电或切换至STOP 工作模式。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信服务等工作。当PLC运行时，一次循环可分为五个阶段：内部处理、通信服务、输入处理、程序处理和输出处理。PLC的这种周而复始地工作方式称为扫描工作方式。当然，由于PLC执行指令的速度极快，所以从输入与输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的，但严格地说，它们是具有时间差异的。 1、内部处理阶段 在内部处理阶段，PLC检查CPU内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些其他内部工作。 2、通信服务阶段 在通信服务阶段，PLC与其他的设备通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的

26、显示内容。当PLC处于停止模式时，只执行以上两个操作；当PLC处于运行模式时，还要完成另外三个阶段的操作。 3、输入处理阶段 输入处理又叫输入采样。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态。它们分别称为输入映像区和输出映像区。PLC的其他元件如M等也有对应的映像存储区，统称为元件映像寄存器。外部输入信号电路接通时，对应的输入映像区中的位为ON状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点动作，即常开触点接通，常闭触点断开。外部输入信号电路断开时，对应的输入映像区中的位为OFF状态，则梯形图中对应的输入继电器的触点保持原状态，即常开触点断开，常闭触点闭合。 在输入处理阶段，PL

27、C顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入到输入映像区中。此时，输入映像区中的状态被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序处理时，输入映像区与外界隔离，此时即使有输入信号发生变化，其映像区的各位的内容也不会发生改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。 4、程序处理阶段 根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右、先上后下的顺序，逐行逐句扫描，执行程序。但若遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当用户程序涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取上一阶段输入处理时对应输入继电器的状态，从输出映像寄存器中读取对应输出继电器的状态，根据用户程序进行逻辑

28、运算，运算的结果存入有关元件寄存器中。因此，输出映像区中所寄存的内容，会随着程序执行过程而变化。 5、输出处理阶段 在输出处理阶段，CPU将输出映像区中的每位的状态传送到输出锁存器。梯形图中某一输出继电器的线圈接通时，对应的输出映像区中的位为ON状态。信号 经输出单元隔离和功率放大后，继电器型输出单元中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器的线圈断开，对应的输出映像区中的位为OFF状态，在输出处理阶段之后，继电器输出单元中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断开。可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段

29、、程序执行阶段和输出刷新阶段。 1.4本文研究的主要内容 通过前面对供水技术现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器(PLC)、人机界面(HMI)、各种传感器和变送器等组成。本文将从供水系统的基本特性和方式入手，探讨变频恒压供水技术的性能和特点，使系统的稳定性和节能效果得到进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。主要内容如下： 1、对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析供水系统对电气调速的要求。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。 2、重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及

30、其工作原理。即系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行，由PLC控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力给定值与压力测量值的偏差进行处理，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。 3、进行变频恒压供水系统的硬件（包括系统主回路和控制回路）设计、PLC 程序（包括系统各个模块的程序）的设计、变频器功能预置等。 4、利用组态软件设计良好的恒压供水系统的用户监控和管理界面。 5、分析提恒压供水变频调速控制系统存在的变频至工频转换和三台电机在运行过程中的电气互锁和自锁问题，并提出了可能的解决方法，使变频恒压供水系统应用于实践中达到真正的节能效果。