双恒压无塔供水控制系统设计.docx
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双恒压无塔供水控制系统设计
摘要
该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。
从节能科技的实践出发，阐述了双恒压无塔供水系统在给高楼供水设备中的应用。
以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。
在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
智能水压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，完成供水压力的恒定控制，当管网流量变化来达到稳定的供水压力和节约电能。
系统的控制目标是总泵的出口压力、系统设定的压力值和反馈给水压力实际值进行了比较。
处理后的差值输入逆变器，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
关键词PLC控制器，压力传感器，变频器PID运算，双恒压供水。
ABSTRACT
Thegraduationdesignofenvironmentalprotection,energysaving,automatictypepressurefeedwaterequipmentareintroduced.Startingfromthepracticeofenergysavingtechnology,andexpoundsthedoubleconstantpressurenotowerwatersupplysystemforhigh-risebuildingswatersupplyequipmentapplication.CircuitwithPLCcontrolmethod,thispaperintroducestheworkingprincipleofhydrauliccontrolsystemandPLCintelligentcontrolsystem.Onthebasisofanalyzingtheworkingprocessofthehydrauliccontrol,PLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesignaregiven.Intelligenthydraulicpressurecontrolsystemofthebasiccontrolstrategyis:
USESmotordrivedeviceandaprogrammablecontroller（PLC）controlsystem,optimizationcontrol,completewaterpressureconstantcontrol,whenthenetworktrafficvariationtoachievestablewatersupplypressureandsavepower.Controlobjectivesofthesystemisalwayspumpoutletpressure,systempressuresetvalueandfeedbackfeedpressurecomparestheactualvalues.Aftertreatmentthedifferencebetweentheinputinverter,sendsoutcontrolinstructions,controlstationsandpumpmotorwasputintooperationofvariablepumpmotorspeed,soastoachievestablewatersupplymainpipepressureonthesetpressurevalue.
KeywordsPLCcontroller，pressuresensors，inverterPIDarithmetic，thedoubleconstantpressurewatersupply.
1绪论
1.1选题的意义和背景
水和电是一个重要的和不可或缺的人类生活、生产材料,在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们的国家水资源和电力短缺，很长一段时间,在高层建筑供水、市政供水、工业生产循环的水已经相对落后的技术，自动化程度低。
随着中国社会和经济的发展，人民生活水平的不断提高，以及住房制度改革的深化，在发展所有类型的住宅建筑在城市非常迅速，但也把着更高的要求，用于基础设施建设区。
小区供水系统建设的一个重要方面，供水的可靠性，稳定性，经济直接影响小区住户的正常工作和生活，但也直接反映了小区物业管理的水平。
一般传统的供水存在不同程度的可靠性差，电资源，浪费水，自动化程度不高，效率低下的缺点，严重影响了居民用水和工业用水系统。
目前供水朝着节能，高效，自动化和可靠的方向，变频技术，以其显着的节能效果和可靠的控制模式，水泵，风机，制冷压缩机，空气压缩机，广泛使用的高能耗设备，特别是在城市和农村的工业用水压力系统各级，家用净水恒压供水系统，变频调速水泵的节能效果特别突出，其优势在于：
首先，显着的节能，其次是开，关机，以减少电流对电网的冲击和水的压力对管道系统的影响，还可以减少水泵，电机的机械冲击损失。
供水系统基于PLC和逆变技术，变频技术，现代控制技术，电气技术。
供水可以提高的稳定性和可靠性的供水系统，和该系统有一个良好的能源，这是特别重要的日益发展的今天的能源短缺，系统的研究设计，该系统中，用于提高效率的企业和人的生活水平，降低能源消耗，具有重要的现实意义。
1.2双恒压供水系统简介
恒压供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。
使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：
使用调速装置和一个可编程序控制器（PLC）控制系统，优化运行速度控制泵组，并自动调整泵组运行数据和完整的供应压力闭环控制，网络流量的变化来达到目的的稳定供水压力和节约电能。
系统的控制目标是总泵出口压力，系主供水压力和反馈系统设置实际价值，其差额输入CPU处理，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到压力稳定在设定的压力值上。
电机在自动恒压供水系统采用交流变频技术、调速装置和系统控制装置与PLC控制器或特殊的供水控制系统。
由PLC不仅可以实现逻辑的泵、阀门、控制，并能完成系统的数字PID调节功能，但在各种运行参数，控制系统中的点的实时监控,并完成系统操作条件的CRT屏幕显示、故障报警、打印报表等功能，所以在一些高标准控制系统中被广泛使用。
在市政供水管网中：
自动恒压供水系统具有一个标准的通信接口，可与电脑连接到互联网的城市供水系统，实现最优控制的城市供水系统，为城市供水系统提供了现代化手段的调度，管理、监控、经济运行。
随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上住宅区实施某种形式的供水，市政管网供水的可靠性（压力，流量）越来越高，各种分散或集中的压缩设施的需求也逐渐增多。
加压设施，空调箱和变频调速恒压供水系统变量供水已经显示出很大的优势。
1.3本文的主要内容
本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。
（1）构筑城镇小区的双恒压供水系统（设计、论证）。
（2）系统详细的组件（变频器、PLC、水泵、电动机和电气辅助驱动装置等），这些构件的理论基础选择。
（3）整个系统调速过程和节能的理论分析。
（4）通信系统的实现，包括逆变器，硬件实现和软件实现PLC通信。
（5）PLC、变频器、外围接口的连接及PLC的编程。
（6）整个系统的调试（关键设备参数设置、调试问题和解决方案和措施）。
本论文在理论分析和解决实际工程问题的设计来实现一个完整的控制系统，并证明是可行的，它是设计和实施城市供水系统提供了一个很好的例子。
2恒压供水的基本构成
2.1总体概述
PLC控制的恒压无塔供水是一种新的控制方式，主要是针对城市高层建筑的供水问题。
他一方面能通过变频调速的恒压控制实现供水的水压稳定，提高供水质量，另一方面能保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠地供水。
双恒压即指的是生活用水的恒压和消防用水的恒压控制。
2.2设计内容
图2-1为双恒压无塔供水系统的工艺流程。
市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动向水箱注水。
水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为水位报警。
生活用水和消防用水共用三个泵、电磁阀YV2平时的状态损失的电力，关闭消防管网，三个泵根据多少水，按照一定的逻辑控制操作，保持低恒压供水。
当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，打开消防用水管网，三台泵供生活/消防用水使用，和维护消防水高恒压值。
火灾结束后，三台泵改为生活供水使用。
图2-1系统工艺流程图
2.3控制要求
对三泵消防、生活双恒压供水系统的基本要求是：
（1）生活供水，系统应该是一个低恒压值，消防供水系统应该运行高恒压值；
（2）三台泵根据恒压的需要，采取的接入和退出原则是“先开先停”；
（3）当用水量小时，如一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”；
（4）三台泵启动时要有软启动功能。
（5）要求报警功能完善；
（6）操作泵手动控制功能，只有在紧急或俭修时临时使用。
2.4变频恒压控制理论模型
变频恒压控制系统，目的是控制出口的供水管网水压，在实际控制在总出口管道的供水压力设置供应压力。
设置供水压力可以是常数，也可以是一个分段函数,在每一段时间是一个常数。
因此，在某一段时间，恒压控制的目标是使实际压力的水供应的总出口管道维护一组供水压力。
从图2-2中可以看出，在系统运行过程中，如果实际的水压力低于设定压力的压力差，控制系统将是之间的差异，计算和转换，计算变频器输出频率的附加价值，价值是为了减少实际压力的水供应和集合之间的差异值，递增和逆变器的输出电流的附加价值，得出的值是逆变器电流应该输出的频率。
泵转速的增加，因此，实际的水压力增加，在运行过程这个过程会重复，直到实际供水压力等于设定压力。
如果运行过程中的实际供水压力高于设定压力，恰恰相反逆变器的输出频率会降低，泵的速度降低，实际的水压力将相应减少。
同时，最后的调整是由于实际供水压力等于设定压力。
图2-2变频恒压控制原理图
3变频器与压力传感器的选型
3.1变频器的介绍
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
包括控制电路来完成控制主电路，整流电路将交流电转化为直流电（DC），直流中间电路的滤波输出的整流电路、逆变电路，直流到交流逆变器。
对于如矢量控制变频器，需要大量的计算频率转换器，有时也需要一个转矩计算的CPU，以及一些相应的电路。
3.2变频器的基本结构
从频率变换的形式来说。
变频器分为交-交和交-直-交两种形式。
交-流逆变器频率的交流电直接转换成交流电的频率，电压可控制，称为直接式变频器。
交-直-交逆变器是第一频率的交流电通过整流成直流电。
然后返回到直流电到交流电的频率，电压可以被控制，又称间接式变频器。
市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图3-1所示。
图3-1交-直-交变频器的基本结构
变频器由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：
（1）整流器。
电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。
（2）直流中间电路。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。
由于逆变器负载更多的异步电动机，属于感性负载。
不管是电动机处于发电或电动制动状态其功率因数总不会为1。
因此，在中间直流环节，没有无功功率交换电机之间。
这没有函数取决于中间直流环节能源存储组件（电容器和电抗器）来缓冲。
所以他们通常被称为中间直流环节中间直流储能环节。
（3）逆变器。
负载侧变频器是逆变器。
逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。
（4）控制电路。
变频器的控制电路包括外部接口电路及保护电路、门极驱动电路、信号检测电路、主控制电路等几个部分。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
控制电路是驱动器的核心部分。
性能的优劣决定高性能变频器性能。
一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。
为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。
逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。
有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。
图3-2和图3-3为变频器主电路基本结构示意图。
图3-2电压型变频器
电动机
图3-3电流型变频器
3.3变频器的分类和工作原理
非智能控制方式在交流变频器中使用的有直接转矩控制、V/f协调控制、矢量控制、转差频率控制等。
（1）V/f控制
V/f控制是为了获得所需的转矩-速度特性，基于电源的变化频率控制电机转速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。
V/f控制逆变器结构很简单，但逆变器采用开环控制方法，不能达到更高的控制性能。
而且，在低频时，转矩补偿将进行改变低频转矩特性。
（2）转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩控制模式，它是根据V/f控制，据了解实际速度与电源频率感应电动机，基于转矩调节输出频率的想的变频器，可使电动机与相应的输出转矩。
安装速度传感器是控制系统的控制方式，有时与电流反馈和控制频率和电流，因此，这是一个闭环控制方式，可以使逆变器有很好的稳定性和快速减速和响应特性的负载变化。
（3）矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。
通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。
例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗。
目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
（4）直接转矩控制
直接转矩控制采用空间矢量坐标的概念，分析定子坐标系下的数学模型，控制交流电机磁链和转矩的电机，通过检测定子电阻实现的目的，因此观测定子磁链定向消除复杂的转换，如矢量控制计算，直观、简单的系统，计算速度和精度都比矢量控制方式。
即使条件下的开环，可以输出额定转矩的100%，阻力更有负载平衡功能。
（5）最优控制
最优控制在实际应用需求的不同而异，可以根据最优控制理论在一定的控制要求个别参数优化。
在高压变频器控制应用程序，例如，是一个成功的时间采用分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。
3.4变频器的操作方法和使用
和PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。
在前面的逆变器连接到电路的工作，根据实际应用的通用变频器的逆变器函数代码修改。
函数的代码通常有数十甚至数百个，涉及接口指定的操作，频率变化范围的速度和转矩控制、系统保护等各方面。
函数代码根据默认值存储在工厂。
修订是为了使换能器的性能和实际的工作任务更加匹配。
变频器接口与外界交换信息很多，除了主电路的输入和输出终端，控制电路也有许多输入和输出终端、通信接口和一个操作面板，否则函数代码修正是通常的解决操作面板。
变频器的输出频率控制有以下几种方式：
（1）操作面板控制模式。
这是在操作面板按钮手动设置输出频率的一种操作模式。
具体操作有两种方法：
一个由面板在频率向上或向下的按钮来调节输出频率，另一个方法是通过直接数字控制设置频率输出频率。
（2）外输入端子数字量频率选择操作方式。
常设有多级变频器选择函数。
段落频率值通过设置函数代码，选择频率通过外部端子。
变频器通常有一些控制在控制终端。
这些终端连接组合通过转换设备，如PLC控制的实现。
（3）外输入端子模拟量频率选择操作方式。
方便模拟电流或电压调节器和输出链接，控制器，逆变器也有模拟输入到最后，当在输入电流和电压输入端口的电流或电压变化在一定范围内是平稳，变频器输出频率在一定范围内的连续变化。
（4）通信数字量操作方式。
为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收频率控制指令，不少变频器生产厂家还为自己的变频器与PLC通信设计了专用的协议。
3.5变频器的选型
3.5.1变频器的控制方式
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧洲、美国、日本和国内共计大约50种。
当选择逆变器不认为等级越高越好，事实上只要根据负载特性，满足使用要求，可以做量使用经济实惠。
下表中参数供选用时参考。
如下表3-1所示。
3.5.2变频器容量的选择
变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。
变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。
故选择U/f=C控制。
从电流的角度：
大多数的变频器容量从3个角度额定电流、额定功率的电机和可用容量。
在这两个,逆变器制造商从家里或公司标准马达是给定的,或逆变器输出电压和减少,很难准确地表达了逆变器容量。
表3-1变频器的控制方式
控制方式
U/f=C控制
电压空间矢量控制
矢量控制
直接转矩控制
反馈装置
不带PG
带PG或PID调节器
不要
不带PG
带PG或编码器
速比I
<1:
40
1:
60
1:
100
1:
100
1:
1000
1:
100
起动转矩（在3Hz）
150%
150%
150%
150%
零转速时为150%
零转速时为>150%~200%
静态速度精度/%
±（0.2~0.3）
±（0.2~0.3）
±0.2
±0.2
±0.02
±0.2
适用场合
一般泵类、风机等
较高精度控制,调速
一般工业上的调速或控制
所有调速或控制
转矩控制、高精传动、伺服拖动
起重负载、负荷起动转矩控制系统，恒转矩波动大负载
选择变频器，只有额定电流的逆变器是一种反映半导体设备负载能力的关键。
负载电流不得超过额定电流的逆变器是选择的基本原则，变频器容量。
需要确认你的逆变器容量在着重指出，应该仔细了解工艺状态设备和电机参数，如额定电流的电动潜油泵、绕线转子电动机比普通鼠笼式异步电动机额定电流，传送带电机不仅是额定电流的冶金工业常用的更多，它允许短时间工作在同一时间堵转状态，电机驱动和辊传动是主要状态。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
2、从效率的角度：
产品的变频器和电动机效率是系统效率的两个方面，只有两个是在一个更高的效率在工作，那么系统效率更高。
当选择逆变器功率，要注意以下几点：
（1）最适合的是电动机功率值与变频器功率值相当时，有利于变频器在高效率值下运转。
（2）变频器的额定功率和电机功率等级不同时，转换器有权尽可能接近电机的功率,但应略大于电机的功率。
（3）当电动机是一个制动工作、频繁起动或重载起动的工作和更频繁的，可以选择大级别的频率转换器，使用变频器，安全运行很长一段时间。
（4）经测试，有实权盈余，可以考虑选择功率小于电动机电源转换器，但必须注意瞬态峰值电流将引起过电流保护动作吗。
（5）当逆变器和电动机功率是不一样的，他们必须调整节能项目设置，并达到较高的节能效果。
3、从功率计算的角度：
为连续运转的变频器还必须满足以下三个计算公式：
（1）负载输出满足：
Pcn≥Pm／η（3.1）
（2）电动机的容量满足：
Pcn≥3KUeIecosφ×10-3（3.2）
（3）电动机的负载电流满足：
I≥KIe（3.3）
式中Pcn为变频器的容量（单位kW），PM--负载要求的电动机轴的输出功率（单位kW），Ue为电动机的额定电压（单位V），Ie为电动机的额定电流（单位A），η为电动机的效率（通常约为0．85），cosφ为电动机的功率因数（通常约为0．75），k是电流的波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1.05～1.1）。
将本系统参数带入求得所取变频器的容量最低为88KW故取100KW，额定电流139.26A，故取150A。
根据计算所得的所需参数可以选取西门子MicroMaster430（风机水泵专业）变频器，具体的可以选择MM430-110K型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为205A满足使用需求，可以选择。
3.6压力传感器
在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，压力传感器采用CY-YZ-1001型绝对传感器。
该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器、敏感核心硅片在身体的惠斯通电桥的输出电压变化，信号处理电路输出的电压信号放大处理、温度补偿和非线性补偿的同时，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为本系统的反馈信号供给PLC。
4PID控制
4.1PID控制原理
PID控制方式是最广泛应用于现代工业控制一种类型的反馈控制。
它通过控制量的传感器等检测控制对象（反馈），与目标价值（如温度、流量、压力设置点）。
如果有偏差，通过这个函数的控制作用偏差为零。
也就是使反馈量是符合目标的一般控制方法。
适用于温度控制、压力控制、流量控制等过程量的控制。
图4-1PID控制原理
简单来说，PID控制器各校正环节的作用是这样的：
（1）比例环节：
即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。
（2）积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：
可以反应方向的偏差信号（变化率）之前，在偏差信号的值变得太大，在介绍系统的一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
PID调节器的传递函数是：
当该公式只包含第一项，被称为比例（P）。
只包含一个第二称为积分（I）；但只包含第三个纯微分（D）函数没有使用，因为它不可能，接近设定值，控制变量的影响只包含第一和第二项是PI；只包含第一、三是PD作用；同时包含所有三个是PID功能。
只使用P电动机控制,不能完全消除偏差。
为了消除残余偏差，常用来增加我的PI控制。
当使用PI控制，它可以消除通过改变目标
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