小区变频恒压供水控制系统毕业设计综述 - 副本文档格式.doc

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3.2.1原理框图设计 8

3.2.2系统原理分析 9

第4章系统的硬件电路设计 13

4.1系统硬件设计分析 13

4.2系统主电路设计 13

4.3器件选型 15

4.3.1变频器的选型 15

4.3.2水泵机组的选型 16

4.3.3压力变送器的选型 16

4.3.4液位变送器选型 17

4.3.5低压电器选型 17

4.4系统控制电路设计 20

4.4.1PLC的选择 20

第5章系统的软件设计 25

5.1系统软件分析 25

5.2软件流程图设计 27

5.3软件编制 30

5.3.1控制系统主程序设计 32

5.4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

I

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，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A／D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，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

①两台生活用水泵：

15KW交流电动机，一备一用，变频调速；

②两台消防用水泵：

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。

③生活用水压力设定值4-5kg/cm2,高压消防压力设定值为12kg/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。

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+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