基于plc的变频恒压供水系统-毕业设计(论文).docx

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1、基于plc的变频恒压供水系统-毕业设计(论文) 毕业设计 论文 题目：基于PLC的变频调速恒压供 水系统设计 系别：电气与电子工程系 专业：电气自动化技术 河南城建学院毕业设计摘要 摘要 在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。而且随着城市用水量不断增加，对供水系统的建设提出了更高的要求。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。本系统是针对居民生活用水而设计的一套由变频器、PLC、水泵机组等设备组成的自动变频恒压供水控制系统。系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需

2、要，具有运行稳定、操作简单和高效节能等特点。该系统对变频器内置PID模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵。改变以往“先启后停”方式，自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。系统断电恢复后可自启动。采用硬件/软件备用及钟控功能，使各泵进行轮休，延长了设备的机械使用寿命。 首先介绍采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能原理；其次，对水泵机组的各种供水状态及转换的条件

3、、水泵由变频转工频运行方式的切换过程进行分析，着重研究并提出了基于PLC和变频器的恒压供水系统的方案，并给出了硬件设计和PLC控制程序设计。 关键词：PLC；变频调速；恒压供水 河南城建学院毕业设计摘要 ABSTRACT In todays rapid urbanization, urban living is mainly living quarters, then the construction of residential water supply system is particularly important. And with the growing urban water de

4、mand, water supply systems, the proposed higher requirements. Economics of water supply, reliability and stability to the district residents directly affected the normal life and work. PLC, water pump and other equipment consisting of automatic constant pressure water supply control system. System P

5、LC, frequency converter, the corresponding sensors and actuators together organically, and play their respective advantages, the control system easy to operate, not only to the greatest extent to meet the needs of stability and security of its operating performance, simple and convenient mode of ope

6、ration , and the complete and thoughtful features, will make water saving water, saving, labor saving, high efficiency high-quality final run, reliable, energy-saving purposes. This paper introduces the way to achieve frequency control constant pressure water supply valve control compared to convent

7、ional energy-saving principle of constant pressure water supply. Converter built-in PID module on the preset parameters, using hydraulic pressure sensor feedback, closed loop system. According to changes in water consumption, to PID regulation mode, by adjusting the pump output flow, constant pressu

8、re water supply and efficient energy. Then it analyzes the state of pump units and conversion of various water conditions, analysis of the pump frequency by the frequency change operating mode of the switch process. Important parts of functional analysis, focusing on research and put forward based o

9、n PLC and frequency constant pressure water supply system program, were given control of the hardware design and PLC programming. Keywords: PLC; frequency control; constant pressure water supply 目录 1 绪论 (1) 1.1 研究背景 (1) 2 系统的理论分析及方案的确定 (4) 2.1 调速方式的比较与选择 (4) 2.2 控制系统方案 (6) 2.3 供水系统的控制流程 (8) 2.4 变频恒压

10、供水系统中加减水泵的条件分析 (10) 3 变频恒压供水系统的硬件设计 (11) 3.1 PLC选型及接线 (11) 3.1.1 PLC选型 (11) 3.1.2 PLC的接线及I/O分配 (14) 3.2 水泵机组选型 (15) 3.3 变频器选型及接线 (16) 3.3.1 变频器选型 (16) 3.3.2 变频器的接线 (19) 3.4 PID调节器 (20) 3.5 压力传感器 (22) 3.6 系统主电路设计 (22) 4 系统软件设计 (24) 4.1 PLC控制 (24) 4.1.1 PLC程序流程图 (24) 4.1.2 手动运行 (25) 4.1.3 自动运行 (25) 4.

11、2 编程及介绍 (26) 4.2.1 总程序的顺序功能图 (26) 4.2.2 自动运行顺序功能图 (26) 4.2.3 手动模式顺序功能图 (27) 4.2.4 系统程序梯形图设计 (28) 5 总结与致谢 (29) 参考文献 (30) 附录A 系统硬件总图 (2) 附录B 系统梯形图 (3) 河南城建学院毕业设计绪论 1绪论 1.1研究背景 在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。 假定一栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的

12、情况，水压高时将造成能源的浪费。因此，自来水厂通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。传统的供水方式如水塔高位水箱供水，单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、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。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，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。应用变频器恒压供水，因为水箱能大幅度减小，因此能有效地减小楼房的负载，由于减小了供水水

13、箱和楼房的负荷，何以节约工程造价，相应地也扩大了楼房的面积。 由于采用了变频调速，减小了供水水泵的频繁启动，可以使水泵工作在高效状态，从而可以节约能源，减小对电网的冲击。由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比，因此可以获得较好的节能效果。二是在开、停机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。三是用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。 变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系

14、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，是当今最合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等尤其重要。PLC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，同时系统具有良好的节能性，这 在能源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。 变频恒压供水系统的国内外研究现状 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

15、调节及多台水泵的循环控制，有的采用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，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环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。 可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能

16、适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 供水系统安全性讨论 影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处： (1)产生水

17、锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。 (2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。 (3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。 (4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。 本文的设计思想 本设计针对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。系统将PLC、变频器（含

18、PID）、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水

19、的生产成本和提高生产管理水平的目的。 河南城建学院毕业设计 系统的理论分析及方案的确定 2 系统的理论分析及方案的确定 2.1 调速方式的比较与选择 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变 为前提，表明水泵在某一转速下扬程H 与流量Q 之间的关系曲线，如图2-1所示。由 图2-1可以看出，流量Q 越大，扬程H 越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情 况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H 与用水流量间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一 开度下，扬程与流量之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的

20、水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度 下，扬程越大，流量也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程 下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量间 的关系。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2-1 中交点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水 系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 Q H 管阻特性 扬程特性Q A H A 图2-1 供水系统的基本特性曲线 对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的 基本控制对象。如前所述，流量的大小取

21、决于扬程，但扬程难以进行具体测量和 控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平 衡关系有关： 供水能力用水需求，则压力上升； 供水能力用水需求，则压力下降； 供水能力用水需求，则压力不变。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此， 压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定， 也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所 需的用水流量。 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通 常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器 调节异步电机

22、的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水 系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定 子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 根据电机学理论,交流电动机的转速公式为： )1(60s p f n -= (2-1) 其中：f 为定子的电源或稳压器频率； p 为极对数；n 为转速；s 为转差率。 从上式可知，当极对数p 不变时，电机转子转速刀与定子电源频率戚正比，因 此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速， 从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率， 因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平

23、滑性较高、机械特性较硬的 优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电 机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。在 供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制 法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实 质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而 改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段 时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水 泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量

24、。 因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方 式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转 速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减 速。当用阀门控制流量时，无论用水量多大，电机都一样运行，尤其用水量少时， 效率很低，有很多功率被浪费掉。转速调节时，用多少水，抽多少水，水泵的效 率不变，总处于最佳状态。 随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发

25、展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电4060，节水1530，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。 2.2控制系统方案 该系统主要有压力传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循

26、环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。由于PLC+变频器组成的恒压控制方式灵活方便，便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本文采用PLC与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速，自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。 整个系统由一台PLC，一台变频器，水泵机组（本系统设计为3台），一个压力传感器，低压电器及一些辅助部件构成。各部分功能如下： （1）水泵用来提高水压以实现向高处供水； （2）安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成电信号； （3）变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量； （4）PLC用于水泵的逻辑切换、控制等；