完整版变频供水毕业设计正文.docx

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完整版变频供水毕业设计正文

1、绪论

目前，我们国家在水位控制中有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。

这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开停使设备故障率很高，导致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作量较大。

随着高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。

原先用人工进行水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停。

使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变，但由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。

变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能，可以解决水压控制系统存在的以上问题。

考虑选用单片机或PLC与变频器结合为核心构成的系统都能达到较好的控制效果。

但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观，从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些。

从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几。

由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。

本系统控制效果好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，则整个系统的性价比非常高。

本次设计将电力和机械相辅相成的结合起来，并以此为目标进行系统的学习研究和思考锻炼自己的综合能力。

2、电机控制系统原理及水泵加、卸载供水控制方式存在的电能浪费

2.1能耗分析

交流异步电动机的转速公式为：

　　　　　　　　　　　n=60f（1-s）p（式2-1）

　　　　　　　　　　　其中n—电机转速　　　f—运行电频率；

　　　　　　　　　　　p—电机极对数　　　　s—转差率；

加、卸载控制方式使得水的压力在Pmin～Pmax之间来回变化。

Pmin是最低压力值，即能够保证用户正常工作的最低压力。

一般情况下，Pmax、Pmin之间关系可以用下式来表示：

Pmax＝（1＋δ）Pmin

δ是一个百分数，其数值大致在15%～30%之间。

在加、卸载供水控制方式下的水泵电机，所浪费的能量主要在2个部分：

1）加载时的电能消耗

在压力达到最小值后，原控制方式决定其压力会继续上升直到最大压力值。

在加压过程中，一定要克服外界摩擦做功，从而导致电能损失。

另一方面，高于压力最大值的自来水在进入供水元件前，其压力需要经过减压阀减压，这一过程同样是一个耗能过程。

2）卸载时电能的消耗

当压力达到压力最大值时，水泵通过如下方法来降压卸载：

关闭进水阀使电机处于空转状态，同时将水箱分离罐中多余的水通过放空阀放空。

这种调节方法要造成很大的能量浪费。

据测算，水泵卸载时的能耗约占水泵满载运行时的10%～25%。

换言之，该水泵电机20%的时间处于空载状态，在作无用功。

很明显在加卸载供水控制方式下，水泵电机存在很大的节能空间。

2.2电机控制系统原理的不足之处

1）靠机械方式来调节水体流量，使供水量无法连续调节，当用水量不断变化时，供水压力不可避免地产生较大幅度的波动。

严重影响了我们生活中的使用要求。

再加上频繁调节电机转速，会加速电机的冲击磨损，增加维修量和维修成本。

 2）频繁调节电机转速，启动冲击电流和启动给水泵电机带来机械冲击，耐用性得不到保障。

因此，对电机的性能要求较高。

3、恒压供水控制方案的设计

针对原有供水控制方式存在的诸多问题，可应用变频调速技术进行恒压供水控制。

我们把管网压力作为控制对象，压力传感器YB将水池中水的压力P转变为电信号送给PID调节器，与压力设定值P0作比较，并根据差值的大小按给定的PID控制模式进行运算，产生的控制信号送到变频调速器VF，通过变频器控制电机的工作频率与转速，从而使实际压力P始终接近设定压力P0。

另外，采用该方案后，水泵电机从静止到旋转工作可由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给水泵电机带来的机械冲击。

3.1变频器恒压供水简介

变频恒压供水系统原理如图3-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路、工业控制计算机（IPC）系统以及3台水泵等组成。

用户通过控制柜面板上的指示灯、按钮和转换开关来了解和控制系统的运行。

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA的标准信号送入PID调节器，与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，传送给变频器。

由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。

当用水量超过一台水泵的供水量时，通过PLC控制器增加水泵数量。

即根据用水量的大小由PLC控制所需工作水泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（由PID控制器和时间控制器实现）。

充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。

正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#。

图3-1供水系统原理图

图3-2水位传感器

3.2工作原理

3.2.1运行方式

本系统有手动和自动两种运行方式：

1）手动运行

按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#~3#泵的启停。

该方式主要供检修及变频器故障时用。

2）自动运行

开始时，合上自动开关，1#泵电机通电启动，变频器随电机转速输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz而此时水压还在下限值，1#泵由变频切换为工频，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，泵的切换过程同上；若用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

频率上升到50Hz而此时水压还在下限值后，为了避免由于干扰而引起误动作，需要延时一段时间，再切换为工频运行。

这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，可实现泵组的无冲击切换，使水压平稳过渡，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动功能是该系统最基本的功能系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

表3-1水泵运行的所有状态

状态1：

000

表示三个水泵都在停止状态

状态2：

B00

表示1#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态3：

0B0

表示2#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态4：

00B

表示3#水泵在变频状态，其他为停止状态

状态5：

B0G

表示1#水泵在变频状态，2#在停止，3#在工频状态

状态6：

BG0

表示1#水泵在变频状态，3#在工频，2#在停止状态

状态7：

0BG

表示1#水泵在停止状态，2#在变频，3#在工频状态

状态8：

GB0

表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在停止状态

状态9：

G0B

表示1#水泵在工频状态，2#在停止，3#在变频状态

状态10：

0GB

表示1#水泵在停止状态，2#在工频，3#在变频状态

状态11：

BGG

表示1#水泵在变频状态，2#在工频，3#在工频状态

状态12：

GBG

表示1#水泵在工频状态，2#在变频，3#在工频状态

状态13：

GGB

表示1#水泵在工频状态，2#在工频，3#在变频状态

图3-3供水网管原理图

图3-4供水系统控制电气原理图

图3-5供水网管随时间自动变化

图3-6恒压供水控制流程图

3.2.2故障处理

1）故障报警

当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。

此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

报警回路如图3-7、图3-8。

表3-2IO点与故障信息对照表

I5.5：

控制柜面板紧急停止

I5.6：

操作面板紧急停止

I0.1：

M1泵电机跳闸

I0.2：

M2泵电机跳闸

I0.3：

M3泵电机跳闸

I2.0：

变频器电源故障

I2.1：

变频器故障

I3.5：

控制电源断路器跳闸

I3.6：

故障报警解除

M23.1：

变频器故障指示灯

图3-7报警回路功能图

图3-8报警回路梯形图

2）水泵检修

为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用泵之间具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：

1小时次～96小时次连续可调。

图3-9中断程序流程图

3.3系统的设计与实践

3.3.1基本控制原理

由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLD的AD转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。

图3-10主程序流程图

3.3.2通讯网络的选择与设计

PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。

选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。

西门子根据不同自动化水平的要求（工厂级,单元级,现场和传感器执行器级），提供了网络解决方案，包括多点接口（MPI）、Profibus、工业以太网、ProfiNet（基于工业以太网）、点对点连接（PtP）、执行器传感器接口（ASI）。

目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。

本系统使用了Profibus－DP的网络，Profibus-DP通信速率达到12Mbps，能够方便将PC、PLC和变频器通过一根RS485屏蔽双绞线连接在一起实现通信控制，降低了布线和维护的费用。

SIMATICSTEP7提供强大的网络诊断工具也给调试带来很大方便。

图3-11PLC系统转换控制图

3.3.3变频参数设置

可以通过多种途径设置G150变频器参数。

使用STARTER软件能够方便而直观的进行所有的参数设置。

通过STARTER的向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-200PLC的一个从站。

配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Proverbs方式，选择速度控制方式（Speedcontrol），定义ProfibusPZD数据格式，选择使用水泵电机负载类型。

1）变频器的频率参数、PID参数设定

变频器的参数设定有一定规律可循，主要从供水系统的特性、水泵为平方律负载等方面来考虑，变频器的参数设定注意如下几点：

最高频率：

水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方律增加。

因此变频器的工作频率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。

上限频率：

一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。

下限频率：

在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成“水泵”空转的现象。

所以，下限频率不宜太低。

2）PID参数