基于PLC的恒压变频供水系统毕业设计论文.docx

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基于PLC的恒压变频供水系统毕业设计论文

绪论

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。

据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。

传统的自来水厂的供水模式在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。

由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。

这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患。

供水厂以前虽然也进行过一些技术改造，但是生产系统大部分仍然采用人工手动控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，例如清水池水位、电机运行时间、耗电量等都是由值班人员定时记录。

随着地区经济的发展，城区居民生活用水和工业用水量大幅度上升。

经过改造和扩建，供水厂目前的日供水能力在7.5万立方米左右，仍然不能完全满足用水需求。

由于城区用水量中居民生活用水所占的比例比较大，用水量的需求具有时变性。

在用水高峰期时，清水池的水位达不到要求高度,管网压力达不到规定的标准压力，造成高层建筑断水。

用水低峰期时，管网压力经常超过规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。

供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。

此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。

在这种供水模式下长期以来许多水厂各部门的管理人员采用传统的人工管理模式，通过手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。

由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。

所以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。

并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平，这为现在化的恒压供水控制广泛应用提供了条件。

恒压供水系统具有如下几个优点：

1．节电节水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，优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。

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．运行可靠由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，避免了用水的“二次污染”，安全卫生。

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．联网功能，采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。

并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。

6．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对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

7．控制灵活、自我保护功能完善分段供水，定时供水，手动选择工作方式。

如果某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。

万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。

本设计就真对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。

系统将PID调节、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以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；可以消除起动和停机时的水锤效应。

使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。

变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，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，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

第1章恒压供水系统的设计方案

1.1本设计系统的方案分析

本设计的内容如下：

恒压供水的基本控制策略是：

采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，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，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供

水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

本系统是基于S7-200变频调速恒压供水系统的设计。

以西门子S7-200系列PLC和西门子专用变频器为核心的恒压供水控制系统设计系统设计采用一控3（3台水泵）自动切换模式，方案由西门子可编程控制器一台、西门子变频器一台、水泵机组（3台）、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。

系统采用一台变频器拖动3台电机的运行，起动，调速。

其中一台大机（45kW）和两台小机（22kW）采用循环使用的方式运行。

通过工控机和PLC连接，实现监测控制。

通过压力传感器检测管道压力信号不断反馈给变频器，有变频器自动调节所控制水泵的电机转速，当变频器所控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由PLC自动把那台水泵切换到工频运行，把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行，当供水量减少时在自动进行切换，减少水泵运行台数，实现自动控制。

系统设计时考虑到水泵切换时电机的自感电动势现象，各种连锁保护及报警、应急措施。

还要根据工作情况实时的对水泵进行切换使大泵轮流担任主泵。

其具体设计思路如下：

1．通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。

介绍变频器和PLC等技术的原

理、应用、发展及其各自的特点和在恒压供水系统中的发展前景。

2．变频恒压供水系统的理论原理硬件设计。

主要介绍由PLC和变频器控制

的变频调速恒压供水系统的工作原理；以及系统调速范围的确定。

硬件设计包括了设计框图、原理图、PLC外部接线图、确定安装模拟控制板的元器件数量等内容。

3．系统软件设计。

主要介绍变频调速恒压供水运行软件的总体结构设计，写出语句表。

软件设计主要包括了编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则、控制系统主程序设计、软件设计、编程中应注意的细节问题、系统控制方式选择、S7-200/CPU226内置PID功能及其编程介绍等内容。

4.结合电力安全章程，把安全问题作为本套设计方案的一切设计过程的重要参照条件。

1.2变频供水系统的介绍及变频器的控制方式

变频器主要是用来调速的，变频调速有很多的优点。

变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、pic控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1-1所示。

水压

图1-1恒压供水系统控制原理框图

三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，所以在实际应用中异步电动机的应用最为广泛。

异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。

但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。

随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。

而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR莫块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。

它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。

现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电40%〜60%,节水15%〜

30%。

通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来，特别是近几年来随着微机技术的日新月异，现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步，通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面。

其多用途，高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用各种大型自动化生产线和各类电机控制上，变频器不仅可以单台工作，也可以多台分别控制各自的被控对象，并相互串联，与计算机进行通迅，采用计算机对变频器网络的集中控制，形成连续生产线的调速控制系统。

变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。

在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调节控制水泵的电机，且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行，这种多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。

在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。

反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。

在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。

如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。

水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。

因此水泵工况点的确定和工况调。

变频器有多种结构类型，但工业主流的变频器不论交一交变频器还是交一直—交变频器都有类似的结构如下：

图1-2变频器的基本结构

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，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。

压力变送器的作用是检测管网水压。

通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。

在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。

后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率,

改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本

1.3变频调速的节能、调速原理

1．V/F控制异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动