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摘要
随着经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，现今能源的紧缺，利用先进的自动化技术、可编程控制技术、通讯技术和计算机技术，设计出高性能、高效率、能适应不同领域的可靠性高的恒压供水系统成为必然的趋势。
本论文从节约能源的角度出发，提出多种不同的控制方案，最后通过方案间的比较和针对现今社会的调查确定选用变频器与PLC实现恒压供水系统控制的方案。
论文具体介绍恒压供水系统的控制原理及PLC控制系统，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
系统主要控制目标是泵站总管出水压力，在用户端的检测机构反馈数值与系统给定值进行比较，其差值经PID运算处理后发出控制指令，使变频器变频，调整运转电机数量或或改变电机运转速度，从而达到总管供水压力在给定的范围内。
关键字：
变频调速、恒压供水、PLC、MCGS
第一章绪论
1.1城市供水的需求
随着我国城市和工业化进程的加快，城市供水面临着缺水与水环境恶化双重压力，还存在着浪费、低效用水及管理落后现象。
长期以来区域供水都是有市政管网经过二次加压和水塔、高位水池等设施来实现。
由于用户用水有着季节和时间段的明显变化。
普通的供水方式就不能满足供水需求，从而造成各种资源的浪费。
1.2恒压供水系统设计的目的和意义
随着电力技术的发展，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。
智能供水有三方面的特点：
一起动平稳，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；
二由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等元件的使用寿命；
三可以消除起动和停机时的“水锤效应”。
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，将使供水实现节能和节省人力，最终达到高效率的供水的目的。
1.3设计的任务及要求
本设计的任务是在原有供水不变的基础上配备PLC和变频器等现今运用最为广泛的先进技术，在用水需求量改变时，变送器根据管网压力，把数值传送给PLC，PLC经过PID运算与设定值进行对比，来增减或调整电机投运台数和转速，从而能达到智能供水的目的。
设计中给出详细的设计方案，及方案设计的数据、PLC程序、外部线路连接图和硬件的选型。
系统控制要求：
1、对三台变频泵根据反馈值进行控制，及加减泵或改变单台泵的运转速度。
2、在用水量相对较少的时间段采用辅佐泵供水，停止其他水泵工作。
3、可手动自动两个档位相互切换，相互间互不干扰。
第二章
系统的方案选择
2.1系统控制方案选择
目前普遍而言小区供水主要采用水泵、水塔、高位水箱等，这些供水方式存在着严重的浪费现象。
比如水泵，就是直接用水泵把水源输送到用户单元，此方法操作简单，但是非常繁琐。
每次用水都必须去开启水泵。
水塔，就是先用水泵把水抽到高处，然后利用水的压力供水，和直接用水泵供水有了进一步提高。
但是这种方法把水经过两次输送。
输送过程中不可避免的造成二次污染，影响居民健康。
所以这种方法不可取。
高位水箱——采取这种方法不但达到了高层楼房用户不因城市水管压力减小而用不到水的目标，也尽量避免了水源的二次污染。
可它的投资成本价高。
居民负担加重，所以不可取。
综合上述方案，恒压供水系统就凸现而出。
结合小区用水特点和经济效益，恒压供水就是不二的选择。
下面就具体介绍一下此系统。
2.2恒压供水系统
系统的控制方式如图2-1恒压供水控制系统总图。
系统由PLC作为主站，变频器、触摸屏作从站组成。
触摸屏上可显示系统当前的工作情况和各项数值，也可进行简单的数字量操作，如手动控制时进行各泵的手动开关控制（详细信息见第七章）。
变频器只作为执行机构，它与PLC进行数据传输，以及反馈信息给PLC。
在控制系统中还有变送器，它只进行模拟量传输，反馈各管路压力当前值。
图2-1恒压供水控制系统总图
2.3变频调速节能原理
1、从水泵的工作效率
不是变频供水的水泵功率不随供水需求变化而变化。
我们来做个计算：
以一台1KW的水泵电机工作12小时。
不变频时需用电12KWh。
变频调速供水除12小时都是需求量大则为12KWh，但12小时不可能全是用水高峰期，所以在一些用水相对较少的时候，变频调速就体现出来了。
2、从电机的使用寿命看
水泵电机如果都是在没有保护的状态下启动停机，在启动过程中由于电机加速过程十分急剧，这样很容易产生“水锤”效应。
“水锤效应”极具破坏性，压强过高，将引起管子爆裂；
反之，压强过低有会导致管子的瘪塌。
此外，“水锤效应”还可能损坏阀门或其他元部件。
这对电机的使用寿命有严重的影响。
而采用变频器调速后，可以通过对电机启动时间上控制来延长启动时间，使电机加速时间延长。
在停机过程中，同样可以对电机降速时间延长，从而彻底消除“水锤效应”。
在停机过程中，由于采用延长加速减速时间，使得水泵叶片承受压力减小；
轴承磨损减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵电机的寿命将大大延长。
第三章系统控制回路设计
3.1主电路设计
在设计主电路时，采取电机启动保护器QM来保护电机。
电机启停均有PLC控制，在电机变频调速时，同时接通变频器和变频电机，根据水压进行变频调速或增泵减泵处理。
系统详细控制见附录2《电气原理图》。
3.2控制电路设计
控制电路是控制系统的大脑，它操控着控制系统的所有动作机信号处理。
在设计上因对某些不能同时接通的电路部分进行双重互锁（即机械与电气互锁），以保证电路的正常运行。
在模拟量处理中，为此加上了AA1安全隔离栅，以保证模拟信号的准确安全传输。
具体接线图见附录2《电气原理图》。
3.3其他回路设计
在电路设计中，常常一个主电路很难完成系统的控制，所以在设计中添加了辅助回路。
辅助回路在系统中作辅助用，但又不能缺少。
辅助回路包括一个控制变压器和两个电源开关。
变压器输出的电压为220V，供控制电路使用；
两个开关电源分别供给PLC输入输出和模拟量回路。
详细的分配见附录2《电气原理图》。
第四章元器件的选型
4.1.PLC选型
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强、易学易用、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低等特点。
在本设计中，需13点输入，15点输出。
西门子PLCcpu224（14DI10DO），输入点满足要求，输出点不满足；
cpu226（24DI16DO）输入输出都能满足要求。
故此次设计选择西门子PLCcpu226（24DI16DO）。
4.2变频器的选型
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流过压过载保护等功能。
本次设计中选选用斯耐德ATV21风机泵用变频器。
此系列有可变转矩泵和风机应用锁必需的所有功能：
PI调节器，预置PI；
自动重启动，可在运行时恢复；
变频跳跃；
过载检测与欠载检测等功能（具体说明及参数设置可见ATV21用户手册）。
4.3模拟量模块的选择
设计中有压力模拟量的运算，按要求有四个模拟量输入，而对变频器要进行输出控制，所以需要一位输出。
故选择西门子EM235模拟量模块。
4.4压力变送器的选型
为了使供水系统更加准确的完成供水任务，在选择压力变送器就变的十分重要。
经过各品牌之间的对比，这里选择罗斯蒙特压力变送器。
4.5触摸屏的选型
因为各种品牌的触摸屏一般都有自己的软件，在选择上有一定的限制。
本次设计选择昆仑通态研发的人机界面TPC7062K。
本次软件为组态软件。
4.7原件表
电气元件表根据电气原理图进行选择，详细资料见表4-1硬件明细表：
序号
名称
代号
1
主断路器
QF1
2
控制变压器断路器
QF2
3
一号泵电机保护启动器
QM1
4
二号泵电机保护启动器
QM2
5
三号泵电机保护启动器
QM3
6
辅佐泵电机保护启动器
QM4
7
一号电机接触器
KM1
8
二号电机接触器
KM2
9
三号电机接触器
KM3
10
辅佐电机接触器
KM4
11
中间继电器
KA1-KA15
12
熔断器
FU1--FU7
13
FD1--FD2
14
急停按钮
SJ1
15
普通按钮
SB1~SB6
16
指示灯
HL1-HL2
17
声光蜂鸣器
HA
18
电流互器
TB1-TB3
19
开关电源
AD1-AD2
20
进线电抗器
TC
21
控制变压器
TK
22
变频器
VF
23
可编程控制器（CPU）
PLC-CPU
24
模拟量输入模块
PLC-2
25
解摸屏
TPC7062K
26
信号隔离安全栅
AA1-AA4
27
通讯电缆
MPI
表4-1硬件明细表
第五章元气件的接线图
5.1PLC接线图
在PLC的输出端，本设计采用了中间继电器，为防止回路因回流电压而损坏PLC。
PLC供电采用220V交流点，电源输入均采用熔断器保护。
5.2变频器接线图
因变频器不能对电机进行过载保护，所以每台电机都接入热继电器。
见附录2《电气原理图》。
5.3模拟量模块接线图
模拟量的准确输入是这个系统的重要数据组成部分，所以在模拟量这块加了安全隔离栅AA1。
起模拟量保护及PLC保护作用。
实际接线见附录2《电气原理图》。
第六章PLC控制及编程
6.1PLC控制流程图
控制顺序流程图如图6-1所示，
图6-1顺序控制流程图
6.2IO地址分配表
在编写程序之前，先规定程序中需要的软件地址表，在以下表格中罗列出本次设计的IO地址分配表如表6-1。
功能
外部原件
内部地址
急停
I0.0
储水罐液位上限
VD500
系统开机
SB1
I0.1
储水罐液位下限
VD510
系统停机
SB2
I0.2
总管压力上限
VD520
报警消音
BJ
I0.3
总管压力下限
VD530
变频器故障信号
I0.4
总管压力高报
VD540
变频器过流信号
I0.5
总管压力过高报警停机
VD550
辅助回路报警
I0.6
总管压力低报
VD560
_1手动_0自动
I0.7
总管压力过低报警停机
VD570
手动控制辅佐泵
I1.0
变频器故障报警停机
VD580
手动减泵
I1.1
总管压力
VD300
手动增泵
I1.2
一号变送器压力
VD310
液位上限
I1.3
二号变送器压力
VD320
液位下限
I1.4
三号变送器压力
VD330
手动给定功率功率
VD1600
变频器运行停止
Q0.0
总管
AIW0
变频器故障复位
Q0.1
一号变送器
AIW2
1#变频
Q0.2
三号变送器
AIW4
2#变频
Q0.3
PID开始
VB100
3#变频
Q0.4
变频频率
VW114
1#工频
Q0.5
输出控制值
AQW0
2#工频
Q0.6
手动增减泵
VB10
3#工频
Q0.7
顺序控制
VB11
辅佐泵
Q1.0
功率给定
VD1000
总管电磁阀
Q1.1
输出速度
VD1100
总管流量开关
Q1.2
输出频率
VD1200
报警输出
Q1.3
输出力矩
VD1300
备用
Q1.4
输出电流
VD1400
报警指示灯（红）
Q1.5
输出功率
VD1500
工作指示灯
Q1.6
PID手动自动
M0.3
开机条件
M0.5
增泵延时
60s
T37
自动运行标志
M10.0
减泵延时
T38
开机脉冲
SM0.1
表6-1软件地址分配表
6.3编程及程序介绍
恒压供水程序分为：
主程序、档位控制子程序（DWKZ_K）、手动档子程序（SD_KZ）、自动档子程序（ZD_KZ）、自动档运行泵增减控制子程序（VB11_K）、报警子程序、变频器数据转换子程序以及模拟量处理子程序。
其中还有库和向导。
详细程序见附录1。
以下就针对本次程序作简单的说明（以下程序说明时均用程序缩写）。
1、主程序中有
指令为PID运算指令。
还有网络2、3、4、5为MODBUS指令，此指令主要作用就是于变频器通讯用的。
2、以下为报警程序，在储水罐液位不足、总管压力超标等信号发生时，触发报警程序。
3、网络13为泵变频运行程序，当泵变频运行时自动接通变频器。
4、当系统切换到手动档时，复位自动运行标志，意为切断所有自动运行的程序。
并复位顺序控制。
此程序为手动挡开机初始化，复位手动挡各单元。
当然自动档时，只要置位自动运行标志可以了。
5、手动档时，可以手动控制辅助泵的开关。
此时，有两个按钮进行增泵和减泵。
增减泵都是字节增减指令，根据字节增减改变VB10（手动增减泵）的数值，然后根据步进阶梯指令进行顺序控制。
6、当系统自动运行时，主程序调用SD_KZ和VB11_K。
自动运行时，根据变送器读取数值进行系统控制。
当单台泵变频运行在最大频率超过3分钟时，进行增泵程序
反之，当单台泵变频运行在最小频率超过3分钟时，进行减泵程序
增减泵都有相对的延时，这在程序中都有定时器进行延时控制。
7、在自动档时，泵的增减主要靠VB11（顺序控制）执行，当每次增泵或减泵时，VB11（顺序控制）均加“1”或减“1”。
然后在SD_KZ程序中根据比较指令读取VB11（顺序控制）的值进行相应的泵切换。
。
如：
为变频运行三号泵，工频工频）。
8、变频器数据转换程序只为触摸屏服务，在触摸屏上显示相应的数值，可以更直观的看到变频器数值。
如下图为输出速度：
9、模拟量处理程序只是将变送器出送回来的值转换成PLC能读取的信号。
10、程序中还有其他子程序为向导和库的使用而自动生成。
这里就不做介绍。
第七章组态
7.1MCGS组态
1、人机界面选用昆仑通泰研发的人机界面TPC7062K，组态画面的生成这里就不做具体介绍。
以下就介绍生成之后的总画面。
如图7-1供水系统总图所示。
图7-1供水系统总图
画面主要显示各级压力，系统是处于手动还是自动状态。
泵变频还是工频运行或是否在运行。
2、手动档控制画面，可手动控制泵的开与停。
如图7-2手动档操作图所示。
图7-2手动档操作图
3、变频器数据显示画面主要显示变频器数据，如图7-3变频器数据监控图所示。
图7-3变频器数据监控图
4、报警画面如图7-4所示。
图7-4报警画面
第八章总结
此设计恒压供水为设计主题，包括：
恒压供水系统原理、电气原理图、系统硬件选型、电路设计和软件设计等，本次设计主要包括三部分：
主控制单元、显示单元、执行单元。
首先，普通的二次加压方式只是单纯的泵启动和切换，这样电机启动时会产生很大的启动电流，长久如此对电机的寿命有很大的损害，而且在供水时一直采用工频供水效率低、能耗大。
而本设计可根据供水压力多水泵进行调速或增减泵，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。
其次，普通的恒压供水在用量变化相对比较频繁时，有高效、节能的优点。
如在白天用水量打时采用多台泵工频供水；
而晚上用水量少时，采用单台泵或只开启辅助泵进行供水。
采用此设计在这方面尤其凸显节能效果。
还有本设计运行维护方便，对于操作人员不要求具备专业人员，从而也减少了人员的浪费，还可提供一些相对文化水平较低的人一个工作的机会。
人员在操作时，只要根据说明一步步操作就可。
因此，此时设计的推广性非常强，在现阶段很受客户的欢迎。
致谢
经过两个月的奋战，终于完成了毕业设计。
在设计过程中我要感谢我的指导老师叶宏伟老师。
叶老师有丰富的教学经验和渊博的知识。
也是我大一一学期《机械加工》的老师，大一我就对老师有深刻的影响。
本论文是在叶老师的亲自指导下完成的，从论文的框架，到论文的具体内容，再到论文的修改，都得到了叶老师的教导。
其次，要感谢XXXXXXXX。
薛主任在自动化这方面有过硬的技术，他敏锐的思维方式。
积极乐观的工作态度都让我深有感触，也是我的学习楷模，此设计也在他的帮助下完成PLC编程和变频器方面的设计，其中与变频器的通讯这块也是薛主任教我的。
再次，感谢我的父母，感谢他们生育我、把我养大成人，并教育我。
正是他们的关心、理解、鼓励和支持让我能全身心的学习、工作。
最后，感谢所有教育过我、关心过我的老师、朋友、同学和亲人，感谢你们为我所做的一切！
参考文献：
［1］斯耐德公司．《ATV21异步电机变频器用户手册》，2009．03．01
［2］斯耐德公司．《ATV21modbususermanual-EN》，2009．07．29
［3］西门子公司．《SIMATICS7-200可编程控制器系统手册》，2008．8
［5］赵小惠，赵小娥．基于可编程控制器的恒压供水系统设计，2007
（2）：
18-20
［6］张斌．PLC和变频调速技术在恒压供水系统中的应用．电力学报，200621-（4）
［7］丁芳等．智能PID算法在也为控制系统中的应用．微计算机信息，2006
（1）：
103—105
［8］张国强．全自动变频调速恒压供水系统设计与探讨．学术论坛，2006
［9］王仁详．《常用低压电器原理及控制技术》，北京：
机械工业出版社，2006
附录1恒压供水系统程序
恒压供水主程序
档位控制子程序
手动档子程序
自动控制子程序
自动档----泵的增减控制
附录2电气原理图
升级会员 