基于plc的小区变频恒压供水系统设计大学毕设论文Word格式文档下载.docx
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2.4用水量计算及水泵的选型11
2.5可编程控制器的选取12
2.6PLC安装位置确定14
第三章软件设计15
3.1程序设计方法选取15
3.2顺序功能图设计15
3.3PLCI/O分配表16
3.4程序设计17
3.5MicroMaster440变频器参数设置21
总结23
致谢24
参考文献25
绪论
长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水池等设施来实现，由于小区高楼用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀的开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,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。
变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,。
变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
该技术已在供水行业普及。
我的设计采用一台变频器和PLC来控制四台水泵实现恒压供水的稳定。
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。
变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。
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第一章小区变频恒压供水系统分析
1.1供水系统方案确定
在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。
由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
随着人们对供水质量和饮用水水质要求的不断提高，变频恒压供水方式应运而生，它不仅很好地解决了老式屋顶水箱供水方式带来的水质二次污染问题，而且解决了水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，并对水泵也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。
根据负载变化自动调节水泵转速或增加/减少投入运行的台数，从而避免了电机起动过程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操作的繁杂性。
变频恒压供水系统如今正被广泛地应用到城市自来水管网系统、住宅小区生活消防水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统、工业设备冲洗系统等众多领域。
目前，国内外的供水广泛采用微机控制与变频调速技术，直接取代水塔、高位水箱，为小区住宅、高层建筑加压供水提供了新的途径，将现代科技引入供水领域。
经综合分析，为了解决大量能量因消耗在出口阀而浪费，和水池“二次污染”等问题，本设计采用变频恒压供水系统。
1.2变频供水系统构成确定
根据反馈原理：
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。
在变频供水系统中，当用水量大时，为保持水压仍恒定，采用三台水泵供水；
当用水量较小时，采用西方的在变频供水系统中加入气压罐，它能利用气压罐蓄水功能维持低需求量时的续流供水，能达到大功率水泵和变频器休息。
组成小区变频恒压供水系统由PLC、变频器、气压罐、离心泵、压力变送器等组成（如图1）。
工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PLC调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。
图1-1系统组成图
1.3恒压供水系统的原理
图1-1中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。
压力传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。
采用一台内变频器与PLC来控制水泵实现恒压供水的稳定。
压力传感器将主水管网的压力变为4-20mA的电信号，经模拟量输入模块输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。
水泵采用并联运行方式，水压大于设定值时通过闭合交流接触器停止一台水泵；
水压小于设定值时，通过断开交流接触器启动一台水泵。
1.3变频供水系统分析
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；
用水少而供水多，则压力大。
保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
随着电字技术的发展，变频调速技术的日益完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；
由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
1.4变频恒压供水系统的优点
相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：
1.高效节能
变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。
从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。
2.恒压供水
变频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热水器不能正常使用的情况。
3.安全卫生
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
4.自动运行、管理简便
新型的小区变频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、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
5.延长设备寿命、保护电网稳定
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流冲击，消除了水泵的水锤效应。
6.占地少、投资回收期短
新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
1.5变频调速恒压供水设备的主要应用场合
1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
2.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。
3.中央空调系统。
4.自来水厂增压系统。
5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
6.各种流体恒压控制系统。
第二章硬件系统设计
2.1气压罐部分设计
在许多变频恒压供水系统中，吸收了气压罐方式供水的优点:
利用气压罐蓄水功能维持低需求量时的续流供水。
其由水泵、止回阀、气压罐组成，如图2-1所示。
图2-1气压罐供水图
气压罐中橡胶隔膜把水室和气室完全隔开，水压把水送入充入隔膜式气压水罐的内胆，密封在罐内的空气被压缩，气体受到压缩后体积小，压力升高储存能量，压缩气体膨胀可以将橡胶隔膜内的水压出罐体，以达到供水的作用。
截止阀的作用是只允许介质向一个方向流动，而且阻止方向流动。
通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；
流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。
压力变送器将水管的压力信号传给PLC，当水管压强低于设定值时，PLC启动水泵的启动，利用气压罐对小区小流量进行供水；
当水管压强大于设定值时，PLC停止水泵工作。
就这样反复运行，能够提供小区小流量用水。
其能够达到大水泵和变频器休息作用，启动小功率水泵还能够节约电能。
2.2变频供水部分设计
本设计为一个有7栋楼，每栋有6层，每层4户人的小区而设计的，共158户人。
选取3台流量为5L/S、功率为11KW的水泵，其同时工作时，有15L/S的流量，经过调查大多数小区每户人用水量为0.4L/S，同时使用系数为0.2，就能够至少满足180户人的小区供水。
压力传感器将信号传给PLC，在PLC中做PID运算。
水压大于设定值时通过闭合交流接触器停止一台水泵；
第一种方案：
如图2-2
图2-2
当气压罐不能满足供水需求时，采用两台工频，一台变频，即M1变频，M2、M3工频。
工作流程为变频供水时，首先Q0.2闭合，变频启动M1，当水压不能满足时工频运行M2，水压还不够时，工频运行M3，水压。
第二中方案：
如图（5）
参照以上图格式
图（5）系统原理图
当气压罐不能满足供水需求时，三台水泵都会变频工作，其原理如下：
首先将水泵M1投入到变频运行；
若不能保证管网的压力稳定时把原来变频状态下的水泵M1投入到工频，M2变频运行，以保证管网的供水量稳定；
两台水泵还不能满足管网的压力稳定，备用泵M3投入变频工作M1、M2工频运行。
当水量减小时，变频器的频率下限信号出现，停止现在的变频泵，同时将上一台变为变频运行。
若上述两个信号仍然存在时，PLC再重复以上工作。
如果采用第一种方案，水泵都是直接启动和停止，没有平滑的曲线对电机有很大的伤害；
而第二中方案，电机的启动都是由变频器来控制，这样达到了软启动的作用，对电机的寿命有了延长作用，而且使水压更稳定。
所以，选择第二中方案。
2.3硬件总设计
图（6）系统原理图
当用水量较小时，Q0.7得电闭合，小功率水泵M4运行，Q0.0得电，阀门打开，利用气压罐供水；
当用水量增大到气压罐不能保证管网的压力稳定时，Q0.0和Q0.7断电PLC自动将其停止，同时Q0.1得电闭合，启动变频器，Q0.2得电闭合，把大功率水泵M1投入到变频运行；
若还不能保证管网的压力稳定时，Q0.3得电闭合，Q0.2断电断开，把原来变频状态下的水泵M1投入到工频，同时Q0.4得电闭合将下一台水泵M2变频运行，以保证管网的供水量稳定。
两台水泵还不能满足管网的压力稳定，Q0.6得电闭合，备用泵M3投入变频工作，同时Q0.3、Q0.5得电闭合，M1、M2工频运行。
当水量减小时，变频器的频率下限信号和管网的压力上限信号时，停止现在的变频泵，同时将上一台变为变频运行。
当到达变频器的频率下限信号和管网上限信号时，停止正在运行的变频器和大功率水泵，把小功率的水泵M4投入运行，利用气压罐供水，以节约用电和休息变频器。
2.4用水量计算及水泵的选型
1.用水量计算
设计流量的大小直接关系到水泵的选型、管网的口径及给水的安全保证性。
目前，一般住宅小区的设计流量主要包括以：
居民生活用水、公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水、未预见水量及管网漏失水量。
其中，公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水量为7（m3/h），未预见水量及管网漏失水量为3（m3/h）。
小区居民生活用水,本小区600户居民，按每户3.5人计算，则总用水人数2100，按照城市住宅标准规定“住宅每人最高日生活用水定额不应小于230L”，可取300L/（人·
d）。
又根据《建筑给水排水设计规范》（GBJ15-88）第1.6.1中的方法，有以下的公式：
Qh=KhQd/T
式中Qh-最大小时生活用水量（m3/h）；
Qd-最高日用水量（m3/d）；
T-每日（或最大班）使用时间（h/d）；
Kh-小时变化系数，可取2。
则：
Qh=KhQd/T=KhmQd/100T=2*2100*300/（1000*24）=52.5（m3/h）
最后总用水量为：
52.5+7+3=62.5（m3/h）
2.水泵选取
考虑节约电能方面和系统运行，选取3台流量为18（m3/h）的水泵，总流量为64（m3/h），多余的流量可满足其他未预见流量。
此外还有有台小流量水泵用于气压罐供水。
经过调查有以下三种水泵
表
（1）
品牌
型号
流量
适用范围
吸入口径
排出口径
价格
FUKSI
PM16A
10（m3/h）
清水
25（mm）
1980
表
（2）
产品别名
耐酸污水泵
100WGF
25-1.8（m3/h）
输送含有酸性
150（mm）
100（mm）
6950
表（3）
山楠牌
50LG18-20
（LG-B）
18（m3/h）
高楼给水
50（mm）
60（mm）
1800
表
（1）中的水泵吸入口径、排出口径流量太小，不不能达到供水系统的要求；
表
（2）中适用于输送含有酸性价格也太贵，用在供水中太浪费，造成成本增加；
表（3）中的水泵各个型号都能够满足系统需求，而且是专用于供水的水泵。
它的具体型号如表（4）。
表（4）水泵型号
个数
级数
扬程
（m）
效率
（%）
功率
（kw）
转速
（r/min）
价格（元/台）
（m3/h）
（L/S）
3
50LG18-20*5
5
18
100
69
11
2950
1
50LG18-20*3
60
5.5
1500
2.5可编程控制器的选取
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。
并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其设备，都应易于使工业控制系统形成统一整体，易于扩充其功能的原则设计。
目前有西门子、三菱、欧姆龙、实施奈德等系列的PLC，由于我比较会使用是西门子的编程软件进行编程，所以选用西门子。
本设计选取西门子的S7-200PLC，它可提供4个不同的基本型号的8种CPU。
1.CPU单元选择：
CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
在本系统中有2个输入点和8个输出点，所以选择CPU224最好，其输出为280mA。
2.I/O选择：
由于本系统中水压的输入是模拟量，所以选择模拟量输入输出模块。
3.编程器选择：
选取STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件，通过CP5611卡对PLC编程。
综上所述，本系统选择品牌为SIEMENS/西门子、型号S7-200、模拟量输入输出的PLC，总价格为3312元。
本设计中选取主要硬件和预计金额如表（7）。
表（7）硬件选型总表
名称
数量
单价
PLC
S7-200
1台
3312（元/台）
变频器
MicroMaster440
3668（元/台）
压力变送器
WP系列
1个
620（元/个）
水泵
3台
1800（元/台）
1500（元/台）
气压罐
HS
1300（元/个）
止回阀
H42Y
4个
300（元/个）
水管
外径130mm壁厚5mm
200
68（元/m）
截止阀
J61W-800
120（元/个）
总价
18580元
2.6PLC安装位置确定
PLC具有编程方法简单易学；
功能强，性能价格比高；
配套齐全，功能完善，适用性强；
可靠性高，抗干扰能力强；
系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；
维修工作量小，维修方便；
体积小，能耗底的特点。
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。
然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。
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