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变频恒压供水系统说明书本科论文

摘要

随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，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，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。

本论文针对住宅小区的供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。

系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。

并和计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。

基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比，论文分析了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机理。

通过对变频器内置PⅢ模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PD调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。

论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。

给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。

通过对计算机和PLC之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。

关键词：

恒压供水；PLC；变频调速

Abstract

Alongwiththedevelopmentofthesocio—economyofourcount，thehousingsystemisgoingdeepintoreforms，andpeople’slivingstandardisbeingimproved．Atthesametime，inthecity，eachkindofsub—districtconstmctionisdevelopingveryquickly，whichputsforrwardhigherrequirementfortheinfrastrucnconstructionofsub-district．Andtheconstructionofsub-districtwatersupplysystemisanimportantaspectinwhich．Thereliability，stabilityandeconomyofwatersupplydirectlyaffectssub—districtHouseholdsnomallifeandwork,andalsoembodiesthedifferenceinthelevelofsub-districtpropertymanagement．Thetraditionalmeansofwatersupplysuchasthepumppressurizationwatersupplyatconstantspeed，watertowerofuppercistem，thejaretc．arehardtosatisfytheneedsofcurrenteconomiclife，becauselowefficiency，reliabilityandautomationlevelareallcommonlyexistinginthesemeans．

Accordingtotherequirementofwatersupplyinaabidingplace，asetofautomaticsystemofconstantpressurewatersupplybyusingvariablefrequencyandremotemonitofingandcomrolling，wrhichiscomposedofPLC，transducer,pressuresensor,pumpsandelectro—motors，computeranddeviceofcommunicationisdesignedtothatend．Thissetofsystemhasthefunctionslikeautomaticconstantpressureoperationbyusingvariablefrequency，automaticworkfrequencyoperation，andthefunctionoflong-rangeconrolbyhandandtheon-the—spotcontrolbyhandetc．Thesystemhassolvedefficientlytheproblemexistinginthetraditionalwayofwatersupply,whichhasvarioussupplementaryfunctionstostrengthenthereliability．Thesystemhasanorganiccombinationwithcomputerandpromotesthesystematicoverallperformance．

Basedonthatthethreesideofthepumpwaterdeliveryrateandthepumprotationalspeedbecomedirectratio，thepaperanalysesthemechanismofenergysavingthatthewayofwatersupplybyusingthemethodofvariablevelocityvariablefrequencyissuperiortothetraditionalwayofconstantpressurewatersupplycontrolledbyvalve．SettingupinadvancetheparameterofthePHmodularbuilt-inthetransducer,asystemofclosedcircuitusingthefeedbackofhydraulicpressureoffar．biograhypressuretablehasformed．Accordingtothechangeofwaterconsumption,withPID，inthesphereofwholerateofnowcombiningtheconstantregulationofthepumpoffrequencyconversionwiththeworkfrequencypumpgraderegulation，thesystemofclosedcircuitcanrealizetheconstantpressurewatersupplyandsaveenergyefficiently．

Thispaperdiscussesthereasonabilityofwatersupplyschemewithmuchpumpparallelconnection，andanalysestheconversionconditionandthevariousstatesofwatersupplyofthemuchpumpwayofwatersupplyaswellastheswitchprocessandtheproblemofageneratorfromvariablefrequencyoperationmodetoworkfrequencyoperationmode．ThispaperhasalsogiventheelectricaldesignschemeandPLCcontrollingprogramschemethatrealizeseffectivestatecirculatingconversioncontrol．

ByresearchingthecommunicationagreementbetweenthecomputerandPLC，thispaperhasfinishedsettingupthecommunicationbetweenupperandlowercomputer,andalsohasdescribedthemethodtocompilecomputermonitoringprogramtorealizethelong—rangemonitoringandfaultreportingforwatersupplysystemthroughcommunicationmodular

Keywords：

Constantpressurewater-supply；PLC；Variablevelocityvariablefrequency；Constantpressurewater-supply

Keywords：

Constantpresrewatersupply；PLC；VariableVelocityVariablefequency；Constantpressurewater-supply

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

目录

摘要1

Abstract2

第一章绪论6

1.1课题背景及意义6

1.2国内外变频调速技术的发展与现状7

1.3可编程控制器（PLC）的特点及应用8

1.4变频恒压供水系统特点及其安全性讨论13

1.5本课题的主要研究内容14

第2章系统的理论分析及方案的确定15

2.1变频恒压供水系统理论分析15

2.2.1变频恒压供水系统节能原理15

2.1.2变频恒压控制的理论模型17

2.1.3变频恒压供水系统的近似数学模型18

2．2变频恒压供水系统控制方案的确定18

2.2.1供水系统的控制流程及其控制流程图18

2.2.2供水系统中水泵切换条件分析26

2.3本章小结29

第三章变频恒压供水系统的硬件设计30

3.1系统主要配置的选型30

3.1.1水泵机组的选型30

3.1.2变频器的选型31

3.1.3PLC及其扩展模块的选型33

3.1.4压力变送器及数显仪的选型34

3.1.5继电器，软启动器的选型35

3.2系统主电路分析及设计35

3.3系统控制电路分析及设计37

3.4可编程逻辑控制器（PLC）的I／0端子分配38

3.5变频器接线及功能的设定40

3.6本章小结41

第四章变频恒压供水系统的软件设计42

4.1系统水泵运行状态及转换过程分析42

4.2PLC程序设计方法的分析44

4.3系统控制程序设计47

4.4变频器PlD控制功能参数的设置51

4.4.1PID控制及其控制算法51

4.4.2恒压供水PID调节过程分析53

4.4.3变频器PID控制参数的设置53

4.5可靠性分析55

4.6本章小结55

第五章变频恒压供水远程监控系统的设计57

5.1S7-200系列PLC的监控方法57

5.2本系统计算机监控内容及原理图57

5.3本章小结59

第六章结论60

6.1本课题研究结论60

6.2课题存在问题与展望60

参考文献61

外文翻译62

致谢86

附录87

第一章绪论

1.1课题背景及意义

众所周知，水是人类生活、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，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

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⋯。

传统的小区供水方式有：

恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：

l、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、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。

3、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。

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，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。

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。

1.2国内外变频调速技术的发展与现状

变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。

1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制P删技术应用到交流传动中的是德国人。

20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。

此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF（VableVoltageVariableFrequency）成为变频调速技术的核心。

从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。

1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。

此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。

自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到315kw以上。

1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论（DSC）。

这种方法不需要复杂的坐标变换而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能H3。

最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。

1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。

国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：

市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。

变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。

在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手。

在我国，60％的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。

我国电气传动产业始于1954年。

当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。

现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。

随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。

总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。

国内交流变频调速技术产业状况表现如下：

1）变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。

2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。

3）相关配套产业及行业落后。

4）产品可靠性及工艺水平低。

1.3可编程控制器（PLC）的特点及应用

可编程序控制器（programlogicalcontroller），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“三机一体化一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，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阻1。

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（PfogrammableLogicController，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，以及良好的工业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。

1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。

在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I／O模块和各种特殊功能模块。

在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次