小区变频恒压供水控制系统设计.docx

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1、TECHNOLOGY摘 要本设计根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含五台水泵电机，它们分别实现对生活用水、消防用水的提供和对排污水的排放。采用变频器实现生活用水泵和消防用水泵的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，经过压力变送器送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。关键词

2、: 变频调速，恒压供水，PLCAbstractAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequece control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition .The system is

3、 made up of PLC, transducerunits of pumps, pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators ,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency

4、control, operation switch adopts the principle of” start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure, via PLC with set value by carry out PID comparison operation, so, control frequency and the export voltage of frequency converter ,and then the rotational speed

5、that changes pump generator come to change water supply quantity, eventually, it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC, with group form software consummately systematic monitoring have realized operation state develo

6、pment to show and data, report to the police inquiry.Key Words: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC 目 录第1章 绪论11.1 选题背景11.2选题依据2第2章 设计内容与要求32.1 设计内容32.1.1 系统概述32.1.2 设计的主要内容42.1.3 主要技术参数与技术指标42.2系统设计的功能要求4第3章 系统方案设计63.1 方案选择63.2 系统原理与组成73.2.1 原理框图设计83.2.2 系统原理分析9第

7、4章 系统的硬件电路设计134.1 系统硬件设计分析134.2 系统主电路设计134.3 器件选型154.3.1变频器的选型154.3.2水泵机组的选型164.3.3压力变送器的选型164.3.4液位变送器选型174.3.5 低压电器选型174.4系统控制电路设计204.4.1 PLC的选择20第5章 系统的软件设计255.1 系统软件分析255.2 软件流程图设计275.3 软件编制305.3.1控制系统主程序设计325.4 仿真实验38结 论41参考文献42英文文献与翻译44致 谢59附录61第1章 绪论1.1 选题背景随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计得到

8、了发展的机遇，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战 。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。存在着以下忧缺点：(1) 恒速泵加压供水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

9、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) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需

10、冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、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着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

11、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，其优越性表现在：一是节能显著；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；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。 基于PLC和变频技术的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1.2选题依据传统的高塔供水系统受到地理位置的限制，无法满足恒压，节能，安全，可靠等功能。采用变频调速供水系统

12、，克服了传统高塔供水系统的缺点。生活用水供水系统由水池、离心泵（主泵+备用泵）、压力传感器、PID 调节器、变频器（主泵+备用泵）、可编程控制器PLC、管网组成。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)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，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力稳定在设定的压力值上。恒压供水系统能自动控制一至多台水泵和一台备用泵的运行。恒压供水系统具备过流，过压，欠压，欠相，短路保护，瞬时停电保护，过载，失速保护等功能，功能完善，完全自动化，泵

13、房不设岗位，只需派人定是检查保养。恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期水管压力太小的情况。它改变传统的采用水塔，高位水箱，气压罐等设施来实现恒压供水方式。真正做到智能，节能，卫生安全而有经济合理的供水方式。第2章 设计内容与要求2.1 设计内容本文主要完成PLC、变频器实现的生活用水供水过程的恒压。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。本系统采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传

14、感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过AD转换模送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。由PLC接受控制信号，并实现对电机的起停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。具体内容如下：(1)对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析水泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，阐述了变频器拖动电动机的恒压供水模

15、式的工作原理。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。(2)从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。(3)重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。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，根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。2.1.1 系统概述本设计的恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组，

16、它们一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有2个贮水池，分别是供水水池和排污水池，五台水泵，但是生活水泵和消防水泵中同时各只有1台水泵在变频器控制下作变速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定，以达到恒压供水的目的。恒压供水系统具有投资少自动化程度高，保护功能齐全，运行可靠，操作简便，节水节电效果显著，尤其对水质不构成二次污染，其优异的性能价格比是其他任何供水设备无法比拟的。2.1.2 设计的主要内容一个变频调速恒压供水控制装置，系统中应结合微机技术、变频技术与电机控制技术。毕

17、业设计的主要内容为：（1）掌握水利工程对控制、通信等的需求，提出综合自动化系统方案。（2）提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。（3）完成软件需求的系统分析。（4）完成软件的编制（PLC的编程与说明）。（5）绘制系统总体结构图、系统原理图、电气控制原理图、软件流程图（6）按期完成毕业论文的撰写（7）充分准备，顺利完成毕业答辩2.1.3 主要技术参数与技术指标 两台生活用水泵： 15KW交流电动机，一备一用，变频调速； 两台消防用水泵： 37KW交流电动机，一备一用，变频调速；1台排污泵：1.5KW交流电动机，工频运行。 生活用水压力设定值4-5kg/cm2,高压消防压力设定值为12 kg

18、/cm2。 2.2系统设计的功能要求本设计系统需要实现的功能如下：（1）实现生活用水的变频调速自动恒压控制，压力值连续可调。能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵。两台生活用水泵组采用一备一用方式运行，实现两台水泵的定式自动切换和手动切换；实现两台水泵的自动并泵和切除功能。（2）实现生活用水和消防用水的自动调整。即两台生活用水泵组和两台高压消防用水泵组（一备一用）之间的切换。实现高压消防用水泵的变频调速自动控制。（3）实现各水泵的一用一备运行方式的自动控制、本地手动控制的选择和控制；各台水泵的安全启动控制，泵的出口蝶阀控制；故障报警功能。无级调整压力，供水质量好，与传统供水比

19、较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。（4）采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠。恒压供水系统具备了过流，过压，欠压， 欠相，短路保护，瞬时停电保护，过载，失速保护等功能，功能完善，完全自动化，泵房不用设岗位，只需派人定时检查保养。（5）实现污水池的水位检测和手动、自动排污。（6）实现供水装置的上位监控。第3章 系统方案设计3.1 方案选择恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起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和监控。

20、根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。(2) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+

21、压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线

22、，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、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。3.2 系统原理与组成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。流量的大小取决于扬程，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

23、间的平衡关系有关系：供水能力QG用水需求Qu，则压力上升；供水能力QGH0，所以当用阀门控制流量时，有正比于(H1H0)Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。图3.4管网及水泵的运行特性曲线变频恒压供水系统控制流程如下:(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水

24、量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2) 当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3) 如果用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。第4章 系统的硬件电路设计4.1 系统硬件设计分析 根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图4.1所示：图4.1 系统的电气

25、控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备设计应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。4.2 系统主电路设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4.2所示：图中共有五个水泵，其中1#、2#水泵为生活用水泵，3#、4#为消防用水泵，5#为排污泵，五台电机分别为M1、M2、M3，M4，M5它们分别带动水泵1#、2#、3#、4#、5#。接触器KM1、KM2、KM3、KM4分别控制M1、M2、M3、M4的变频运行；接触器KM5、KM6、KM7分别控制M5的工频运行和降压启动。由于1#泵和2#泵为一备一

26、用，所以二台水泵之间必须互锁，也就是说只有当前一台水泵出现故障后，才启用备用泵进行工作，以提供供水正常。同理二台消防用水泵也应该互锁。以保证一台消防水泵出现故障后消防用水的正常。其中生活用水泵和消防用水泵都由变频器控制它的启动，故不需要进行降压启动，而5#水泵不是由变频器控制的，所以它的启动会造成电网电压的较大波动，影响其他用电设备的正常运行，为了不影响其它电器的正常使用，5#泵启动的时候使用Y/降压启动。图4.2 变频恒压供水系统主电路图4.3 器件选型4.3.1变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功

27、率和电流进行选择。本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择E320变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-4

28、85/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。E320变频器的输出功率为0.75-90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。本设计选用E320风机水泵型变频器。该系列变频器具有如下特点：(1)由微处理器控制，并采用IGBT作为功率组件：运行可靠、功能多样；(2)脉冲调制频率可调，电动机运行噪声低；(3)牢固

29、的EMC设计；(4)具有多个继电器输出；(5)具有多个模拟量输出；(6)多个个模拟量输入：(7)BiCo(二进制互联)技术；该变频器的基本配线图如4.3所示：图4.3 E320变频器基本配线图4.3.2水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率为15KW、37KW。生活用水供水压力控制在4-5kg/，而消防用水的供水压力控制在12 kg/。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用5台上海熊猫机械有限公司生产的SFL

30、系列水泵机组。SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低(室外噪音60分贝)、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。4.3.3压力变送器的选型压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为15V或420mA的模拟量信号，作为

31、模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用420mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到，这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备(热水器、抽水马桶等)，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围01Mpa，精度1.0；数显仪输出一路420mA电流信号，送给与C

32、PU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。4.3.4液位变送器选型考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m-5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（420mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m-200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号

33、：两线制4-20mADC精度等级：0.25级。4.3.5 低压电器选型 （1）接触器选型接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交直流主回路及大容量控制电路的自动控制开关电器。接触器具有强大的执行机构、大容量的主触头及迅速熄灭电弧的能力。当系统发生故障时，能根据检测元件所给出的动作信号，迅速、可靠地切断电源，并有低压释放保护功能。与保护电器组合可构成各种电磁启动器，用于电动机的控制及保护。1）交流接触器交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作

34、为中间继电器配合主电路使用。由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。该控制系统中的接触器均选交流接触器。电机所选用的接触器的主触头在主电路中，所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压AC380V，线圈在控制回路中，线圈电压取AC220V。主触头额定电流经验公式： (4.1) 它们的型号如下：表4.1编号接触器型号主触点额定电压/V主触点类型KM1KM15CJ10-20220常开2）直流接触器主触点额定电压选择直流440V，线圈电压选择直流24V。数字量扩展模块均为直流接触器，因此它们的型号为：表4.2编号接触器型号主触点额定电压/V主触点类型YV1CZ0-40/20440常闭YV2CZ0-40/20440常闭YV3CZ0-40/20440常闭H1CZ0-40/20440常开H2CZ0-40/20440常开（2）断路器选型 低压断路器也称作自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。 低压断路器的选择要满足如下几点： 额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 热脱