基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现_熊建国.docx

《基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现_熊建国.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现_熊建国.docx（74页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外， 论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示 谢意。 作者签名 : 曰 期 ： 年 _ T 月 曰 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或

2、 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名 : 多丨重 /1$ 导师签名： 曰 期 ： 年 I 月 丨 曰 分类号 _ 密级 _ UDC 注 1 学 位 论 文 基于 PLC 的变频调速恒压供水系统设计与实现 (题名和副题名 ) 熊建国 (作者姓名） 指导教师 罗惠琼 教 授 电子科技大学 成 都 康斌 局 工 重庆无线电三厂 重 庆 (姓名、职称、 单位名称） 申请学位级别 专业学位类别 工程硕士 工程领域名称 软件工 程 提交论文日期 2013.3.25 论文答辩曰期 2013.5.12 学

3、位授予单位和日期 电子科技大学 2013 年 6 月 23 日 答辩委员会主 席 评阅人 注 1:注明国际十进分类法 UDC的类号。 BASED ON THE PLC FREQUENCY CONVERSION VELOCITY MODULATION CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEM DESIGN AND IMPLEMENTATION A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: Software Engineeri

4、ng Author: Xiong Jianguo Advisor: Luo Huiqiong School: School of Information and Software Engineering 摘 要 社会经济的不断发展，带来的结果就是城市的不断扩展。而随着城市常驻人 口的增 多和人们生活水平的不断提高，人们对城市供水系统的质量、数量和稳定 性要求也越来 越高。相比之下，我国的一些中小城市的水厂，特别是一些老旧水 厂的自动控制系统的 性能落后，相应机组的控制还主要依靠人工操作来完成。这 样就使得系统的控制过程比 较繁琐，同时，手动控制难以对供水管网的压力和水 位变化作出及时的相应。所

5、以，为 了保证对城市的供水，这些供水系统通常都是 超压状态运行，不仅效率低下，同时也使 得城市管网的曝损比较严重。在这种状 况下，本文考虑到我国中小城市供水系统的状况， 对基于 PLC 的变频调速恒压自 动控制供水系统进行设计。 在所有的变频调速恒压供水系统中，对于单台水泵工作状况的调节，主要通 过变频 器对电源频率的改变来实现对电机转速的控制，进而实现对水泵性能曲线 的改变。通过 对水平工作状况能耗图的深入分析，可以发现，要利用变频调速来 实现供水系统的恒压， 在转速降低的情况下，流量跟水泵的转速成正比，而系统 功率则以转速的 3 次方下降， 跟传统供水方式中通过阀门来实现节流的方式相比，

6、变频调速恒压系统的能量损耗更少， 从而实现能量的节约。 在本文的控制系统中，所采用的编程软件主要为德国 Simens 公司的 STEP Micro Win 平台，对供水系统中用于压力控制的 PID 控制进行了详细设计，该 PID 控制器在设计上 内置于 PLC 中。通过该控制器，能够实现对压力给定值和测量值 的偏差进行处理，对变 频器的输出电压和频率进行实时控制，通过对水泵电动机 的转速的改变来对水泵的出水 口流量进行调节，从而实现了对管网压力的自动调 节，最终将管网压力稳定在预先设定 的量值附近。此外，还根据软件工程理论中 的设计规范对 PLC 平台进行系统分析和设计， 制定了软件的具体功能

7、需求，在此 基础上，对整个系统的框架和界面进行了设计。 通过对整个系统的实际运行和调试，能够实现对供水过程的自动化控制，在 此基础 上还可以有效降低能耗，从而确保了供水系统在最佳的运行状态运行。系 统具有安装维 护方便、运行稳定、可靠、功能齐全、人机界面友好和使用方便的 特点。 关键词： PLC，变频调速，恒压供水，变频转工频 ABSTRACT Economic and social development, the results of the city is expanding. But along with the increase of urban resident populatio

8、n and the rising of our living standard, people to the urban water supply system of the quality, quantity and stability requirements more and more is also high. In contrast, some of the small and medium-sized cities in our country the waterworks, especially some old plant automatic control system of

9、 the poor performance of the unit, the corresponding control also rely mainly on the manual operation to complete. This makes the system control process is complicated, and at the same time, manual control is difficult to water supply pipe network pressure and water level changes to make timely corr

10、esponding. So, in order to ensure that the urban water supply, the water supply system is usually overpressure condition operation, not only low efficiency, but also make the urban pipeline exposure damage is more serious. In this situation, this paper consider our country small and medium-sized cit

11、y water supply system condition, based on PLC frequency control of motor speed constant pressure water supply control system design. In all of the frequency control of motor speed constant pressure water supply system, for single pump performance control, mainly through the converter to supply frequ

12、ency change to realize the control of motor speed, and then realize the pump performance curve changes. Based on energy consumption level work condition of the chart analysis, can be found, we must use frequency control of motor speed to realize the constant pressure water supply system, reduce the

13、speed, flow rate and water pump speed is proportional to the power system, and the speed of the three power down, with the traditional water supply way through the valve to realize throttle way, compared with frequency control of motor speed constant pressure system of energy loss less, so as to rea

14、lize the energy saving. In the control system, the main programming software for the German Simens company STEP Micro Win platform, the water supply system is used in the pressure control PID control on the detailed design, the PID controller design on the placed inside the PLC. Through the controll

15、er, can realize the pressure set value and measured n value deviation for processing, the inverter output voltage and frequency real-time control, through to the water pump motor speed change to the outlet of the water pump flow control, so as to realize the automatic adjustment of the pipe network

16、pressure, will eventually pipe network pressure stable in the preset value nearby. In addition, according to the theory of software engineering design code for PLC platform for system analysis and design, make the software of the specific functional requirements, and based on this, the whole system

17、framework and the interface design. Based on the actual operation of the whole system and debugging, can realize the automatic control process of water supply, and based on this, also can effectively reduce the energy consumption and to ensure the water supply system in the optimum operation state o

18、peration. System has the easy installation and maintenance, operation is stable, reliable, complete functions, friendly man-machine interface and easy to use characteristics. Keywords: PLC, Frequency control of motor speed, Constant pressure water supply, Frequency conversion transfer frequency m 目

19、录 #会者 i 仑 . 1 1.1 论文研究意义 . 1 1.2 水泵调控技术 . 2 1.2.1 调速控制的节能性研究 . 2 1.2.2 常用调速方式 . 4 1.3 研究现状简介 . 5 1.4 研究内容 . 6 1.5 论文结构安排 . 7 第二章变频调速恒压供水系统的能耗分析及硬件设计 . 8 2.1 水泵理论与工况点确定 . 8 2 丄 1 水泵的工作参数简要介绍 . 8 2 丄 2 水泵理论工况点的确定 . 9 2.2 水泵工况的有效调节 . 10 2.3 变频调速恒压供水系统的能耗分析 . 11 2.3.1 调节水泵工况的主要步骤 . 11 2.3.2 确定调速范围 . 11

20、2.4 控制系统的硬件设计 . 12 2.4.1 供水系统控制方案 . 12 2.4.2 主电路 . 14 2.4.3 控制电路 . 16 2.4.4 PLC 配置研究 . 17 2.5 本章小结 . 19 第三章变频调速恒压供水系统的需求分析与设计 . 20 3.1 系统的方案分析和设计 . 20 3.2 供水控制系统的 PLC 程序设计 . 21 3.3 恒压供水系统的监测软件设计 . 23 3.3.1 系统软件的架构设计 . 23 3.3.2 数据采集与通信模块 . 24 3.3.3 设备的状态控制模块 . 24 3.3.4 数据管理模块 . 25 3.4 本章小结 . 25 第四章恒压

21、供水软件系统的实现 . 26 4.1PLC 程序设计 . 26 4 丄 1 系统初始化程序 . 26 4 丄 2 水泵电机起动程序 . 27 4 丄 3 小功率水泵电机变频 /工频切换程序 . 28 4.1.4 水泵电机换机程序 . 30 4 丄 5 阀门开启关闭程序 . 31 4 丄 6 停机程序 . 32 4.1.7 报警程序 . 34 4.2 监测系统软件设计 . 35 4.2.1 数据采集与通信模块 . 36 4.2.2 设备状态控制模块 . 41 4.2.3 数据管理模块 . 44 4.2.4 用户界面模块 . 49 4.3 本章小结 . 53 第五章控制系统调试 . 54 5.1

22、控制系统的安装 . 54 5.2 控制系统硬件调试 . 54 5.3 控制系统软件调试 . 55 5.4 调试结果 . 57 第六章结论与展望 . 58 6.1 结论 . 58 6.2 展望 . 60 至夂 i 射 . 61 参考文献 . 62 攻硕期间取得的研究成果 . 65 第一章绪论 1.1 论文研究意义 近年来，随着经济社会的持续发展，使得城市规模的逐渐扩展。而随着城市 常驻人 口数量的日益增加以及居民经济状况的逐渐提高，居民对城市供水系统的 要求愈发提高 23。按照相关单位调查结果显示，自 2003 年一直至 2008 年这五 年时间内，中国平均 每人每天生活用水量显著增加，从 18

23、0 余升增加到 240 余升，增加比例约为 4 成，同时， 我国的城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。跟 人们用水量增加形成对比的，是在 我国的 666 个城市里面，大概三百三十个城市 或多或少具有缺水的现实状况，其中严重 缺水的超过一百一以上；尤其需要注意 的是，在三十二个特大城市里面，存在三十个城 市长时间受扰于供水不足，尤其 是那些水资源相对不足地方，供水短缺更是影响人们日 常生活的主要矛盾。现在， 由于供水问题和供水系统的不合理，已经成为我国城市社会 的一种潜在隐患 45。 发展至今，我国众多水厂的生产系统相对落后，更多的是利用交流接触器与 外电进 行连接开展工作，而关于控制全部机组

24、这一个工作大体上利用人工的方式 实现。因接触 器的控制步骤非常繁琐，因此，通过手动控制很难高效的响应供水 管网的水位以及压力 状况，要是通过机组的自耦合方式完成降压，那么就会造成 电流对机组产生非常大的冲 击力；另一方面，为使有效供水得到保证，那么，对 于供水系统来说，其机组往往一直 需要满负荷运行，该工作方式具有非常小的效 率，同时能够消耗相对较大的电，这就在 很大程度上造成城市管网长时间保持超 压运行 78。 因此，为了能够实现对中小城市供水系统性能的增强，科学合理的减少供水 系统的 制水能耗，并最终能够高效的满足城市供水需求，为实现这一个目 的，应 该着手对从前 的供水系统实施优化处理，

25、利用把从前供水以及取水系统优化成变 频调速系统，这样就 能够完成对供水系统的自动化控制以及监管 1(311。 本文研究方向来自于国内某中小城市自来水公司的技术攻关项目，即：中小 水厂供 水系统的自适应调控研究，这一个研究主要通过 PLC 以及变频调速技术来 设计开发 PLC 控制变频调速自动恒压与恒位供水系统，优化升级市属供水厂的取、供水泵房相关系统， 在充分保留从前手动控制系统的前提下，利用增加 PLC、辅 助控制段元、变频器，压力传感器与现场液位传感器等相关组件将一个闭环控制 系统组 合起来。接着，利用与上位机进行数据通信的方式，就能够把数据传输至 上位机，这样 使数据的处理以及状态监控得

26、以顺利实现，最终能够动态的按照提 前设定的水压以及水 位稳定将水提供给居民，使水厂的持续生产得以保证 121314。 利用这一个项目的开发以及这一个系统的应用，在降低电力资源以及水资源 消耗的 基础上，同样可以显著减小生产成本，降低相关设备的维修消费；不仅如 此，还可以提 高城市供水系统的管理调度水平，减轻工作者的 劳动强度，改善生 产效率。因此，鉴于 对中小型水厂的优化升级在我国存在着很大的市场潜力，鉴 于这个原因，笔者所设计开 发的系统存在着非常广阔的前景和推广价值 1516。 1.2 水泵调控技术 对于供水公司来说，设备维护费与水泵电耗两个部分在生产成本里面具有非 常高的 比重 ;对于水

27、泵电机来说，其属于一种高耗能的设备，有关学者研究表明，它的耗电量超 过全国耗电量百分之二十一 1718，因此，存在非常高的节能空间。 因常规恒速供水系统 均为通过常规阀门实现对供水量进行控制，同时轴功率和转 速的三次方之间存在正比例 关系，这就使得一定的电能在阀门与额定转速状态中 的电机中消耗掉。所以，该调控手 段尽管非常简单，然而自节能减排的视角下进 行分析，其经济性非常差。现阶段，随着 电机调速技术在实践中的不断应用，在 很大程度上为水泵电机的节能奠定了坚实的基础。 其能够利用对电动机转速进行 调节的方式满足水压以及水量的改变，保持水泵处于高效 区运行，显著减少水泵 能耗，科学高效的对设备

28、开展管护，对节能以及增加供水公司收 益存在着非常关 键的作用 192。 1.2.1 调速控制的节能性研究 对于水泵来说，其研制负荷主要是根据最不利环境中最大时流量与扬程进行 的。然 而，具体工作过程中水泵一天仅仅存在非常小的最大时流量，它的流量与 外部用水的改 变而改变，其扬程同样随着水位以及流量而不断改变。所以水泵无 法始终处于不变的工 况点，应该按照具体状况对其实施控制。一般情况下，主要 通过调速控制以及阀门控制 两个方式进行。其中，阀门控制主要是利用提高管道 阻抗的方法实现流量的控制，所以 无形中消耗掉一些能量 ;另一方面，对于电动机 调速控制来说，其能够利用对水泵电动机 转速进行改变的方式将水泵的工况点改 变，使其扬程以及流量与管用水量的变化相适应，使其爪力维持恒定，最终实现 节能的 目的 2122。 通过流体力学看出，对于水泵来说，其向管网进行供水的时候，其输出功 率 P 和 管网水压 if 与出水流量 2 的两者的乘积之间具有正比例关系（ 1-1);其转速 和出水流量 2 两者之间具有正比例关系（ 1-2):管网水压 if 和出水流量 2 的平方 两者之间具有正比例关 系（ 1-3)。通过以上的各种关系则可以看出，水泵的