恒压供水毕业设计基于PLC变频器和触摸屏模拟恒压供水系统的设计Word下载.docx
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（2）操纵系统可手动/自动运行；
（3）多台泵自动切换运行；
（4）系统睡眠与唤醒。
当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有效水需求时自动唤醒；
（5）在线调整PID参数；
（6）泵组及线路爱惜检测报警、信号显示等。
关键词:
可编程操纵器（PLC）；
变频恒压供水系统；
触摸屏界面（GT）；
FR-A500
第1章绪论
水是生产生活中不可缺少的重要组成部份，在节水节能己成为时期特点的现实条件下，咱们那个水资源和电能欠缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较掉队，自动化程度低。
要紧表此刻用水顶峰期，水的供给量常常低于需求量，显现水压降低供不该求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，显现水压升高供过于求的情形，现在将会造成能量的浪费，同时有可能致使水管爆破和用水设备的损坏。
因此，开发基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。
引言
目前,居民生活用水和工业用水增加幅度日趋加大.由于居民日常生活用水会随季节、日夜等时刻段的不同而不同,如采纳传统的供水方式那么会显现供水和用水不平稳的现象,造成资源浪费。
传统的供水系统已经不能知足人们的要求.为了节约能源,可采纳变频恒压供水方式对传统供水系统加以改造,以达到节能、操纵简单、供水稳固、减少污染等目的。
课题意义
本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因变频调速恒压供水技术其节能、平安、供水品高质等优势，在供水行业取得了普遍应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的转变（事实上为供水管网的压力转变）自动调剂系统的运行参数，在用水量发生转变时维持水压恒定以知足用水要求是现今先进、合理的节能型供水系统。
模拟在实际应用中如何充分利用变频器内置的各类功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。
国内外在该方向的研究概况
变频恒压供水是在变频调速技术的进展以后慢慢进展起来的。
在初期，由于国外生产的变频器的功能要紧限定在频率操纵、起落速操纵、正反转操纵、起制
动操纵、变压变频比操纵及各类爱惜功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了知足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力操纵器和压力传感器，对压力进行闭环操纵。
从查阅的资料的情形来看，国外的恒压供水工程在设计时都采纳一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有效一台变频器拖动多台水泵机组运行的情形，因此投资本钱高。
即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全世界五大核心供给商之一）后，随着变频技术的进展和变频恒压供水系统的稳固性、靠得住性和自动化程度高等方面的优势和显著的节能成效被大伙儿发觉和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。
它将PID调剂器和PLC可编程操纵器等硬件集成在变频器操纵基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，即可直接操纵多个内置的电磁接触器工作，可组成最多七台电机（泵）的供水系统。
这种设备尽管说是微化了电路结构，降低了设备本钱，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳固性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，而且限制了带负载的容量，因此在实际利历时其范围将会受到限制。
目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程，大多采纳国外品牌的变频器操纵水泵的转速，水管的管网压力的闭环调剂及多台水泵的循环操纵，有的采纳可编程操纵器（PLC）及相应的软件予以实现;
有的采纳单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳固性能、抗干扰性能和开放性等多方面的综合技术指标来讲，还远远没能达到所有效户的要求。
原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调剂器，可完成最多四台水泵的循坏切换、按时起动、停止和按时循环（月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。
该变频器将压力闭环调剂与循环逻辑操纵功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，操纵要求不高的供水场所。
能够看出，目前在国内外变频调速恒压供水操纵系统的研究设计中，关于能适应不同的用水场合，结合现代操纵技术、网络和通信技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频但压供水系统的水压闭环操纵的研究仍是不够的。
因此，有
待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。
采纳变频调剂以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零慢慢增至额定电流，起动时刻相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩关于电机的机械损伤，有效的延长了电机的利用寿命。
这种调控方式以稳固水压为目的，各类优化方案都是以母管入口压力维持恒定为条件。
事实上，给水泵站的出口压力许诺在必然范围内转变。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所取得的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.
变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是现今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有进展前途的电机调速技术.它采纳微机操纵技术;
电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的操纵系统具有高靠得住性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低本钱低能耗等诸多特点。
本文的要紧工作
本文采纳电动机、变频器与可编程操纵器（PLC）组成操纵系统，用触摸屏界面进行优化操纵泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环操纵，在管网流量转变时达到稳固供水压力和节约电能的目的。
系统的操纵目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处置后，发出操纵指令，操纵泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳固在设定的压力值上。
恒压供水确实是利用PLC的PID指令或PI功能实现的工业进程的闭环操纵。
即将压力操纵点测的压力信号（4－20ｍＡ）直接输入到PLC的3A模块中，再由3A模块中输出0-250的数字量在PLC的PID程序中运用起来，由PLC将其与用户设定的压力值进行比较，并通过PLC程序中PID指令运算将结果转换为频率调剂信号调整水泵电机的电源频率，从而实现操纵水泵转速。
第2章系统整体分析与设计
本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了整体分析说明。
系统概述
如下图，为该系统的供水流程。
图供水流程简图
随着变频技术的进展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，普遍应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
变频恒压供水的调速系统能够实现水泵电机无级调速，依据用水量的转变自动调剂系统的运行参数，在用水量发生转变时维持水压恒定以知足用水要求，是现今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各类功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱和气压供水方式相较，不论是设备的投资，运行的经济性，仍是系统的稳固性、靠得住性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能成效。
目前变频恒压供水系统正向着高靠得住性、全数字化微机操纵、多品种系列化的方向进展。
追求高度智能化、系列化、标准化，是以后供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、供水调度和整体计划要求的必然趋势。
恒压供水系统的节能原理
在变频恒压供水系统中,关键是对水泵的操纵.泵的转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：
（1）
泵用电动机驱动时,电动机功率P可用下式表示:
（2）
式中：
泵的流量Q和扬程H的关系曲线见图.曲线①、②别离对应转速n1、n2（n1>
n2）时的H-Q特性曲线,曲线③、④为管阻特性曲线.当调剂流量时,通常采纳调剂阀门和变频调速两种方式.
图泵的流量Q和扬程H的关系曲线
假设泵的额定工作点为N点,额定流量QN为100%,现在轴功率P1与图中QNNHN0区域面积成正比.
（1）调剂阀门法
当流量从QN减小到QA时,采纳调剂阀门法,管阻特性曲线从④切换至③,扬程H增大,工作点由N切换至A.现在轴功率P2与图中QAHAA0区域面积成正比。
（2）变频调速法
由式
（1）可知,泵的流量Q与转速n成正比,要将流量从QN减小到QA时,可将泵转速从n1降至n2,工作点从N切换至B,扬程H减小.在一样流量QA下,轴功率P3与图中QAHBB0区域面积成正比.由图可知,P3<
P2,在一样流量QA下,采纳调速法节省的轴功率与图中阴影部份（BAHAHB）区域面积成正比,节能成效超级明显
.关于电机的转速,可用下式表示:
（3）
式中:
n—电机转速,r/min;
f—电源频率,Hz;
p—电机极对数;
s—转差率.
因此,当调剂泵的流量时,通过改变频率调剂电机速度,即采纳变频调速法,比采纳调剂阀门法节能.
恒压供水系统硬件设计
2.3.1供水系统的组成
图供水系统方案图
如以下图所示，整个系统由三台水泵，一台PLC和一个压力传感器及假设干辅助部件组成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调剂水量之用，三台水泵和谐工作以知足供水需要；
变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一样采纳电阻式传感器（反馈0——5V电压信号）或压力变送器（反馈4——20mA电流）；
变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的成效和各项功能。
从原理框图，能够看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、操纵系统、人机界面、和报警装置等部份组成。
图系统原理图
（1）执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的3个水泵分为2种类型：
调速泵：
是由变频调速操纵、能够进行变频调整的水泵，用以依照用水量的转变改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
恒速泵：
水泵运行只在工频状态，速度恒定。
它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。
（2）信号检测
在系统操纵进程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：
①水压信号：
它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水操纵的要紧反馈信号。
②报警信号：
它反映系统是不是正常运行，水泵电机是不是过载、变频器是不是有异样。
该信号为开关量信号。
（3）操纵系统
供水操纵系统一样安装在供水操纵柜中，包括供水操纵器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部份。
①供水操纵器：
它是整个变频恒压供水操纵系统的核心。
供水操纵器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行搜集，对来自人机接口和通信接口的数据信息进行分析、实施操纵算法，得出对执行机构的操纵方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行操纵。
②变频器：
它是对水泵进行转速操纵的单元。
变频器跟踪供水操纵器送来的操纵信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速操纵。
③电控设备：
它是由一组接触器、爱惜继电器、转换开关等电器元件组成。
用于在供水操纵器的操纵下完成对水泵的切换、手/自动切换。
（4）人机界面（GT）
人机界面是人与机械进行信息交流的场所。
通过人机界面，利用者能够更改设定值，修改一些系统设定以知足不同工艺的需求，同时利用者也能够从人机界面上得知系统的一些运行情形及设备的工作状态。
人机界面还能够对系统的运行进程进行监视，对报警进行显示。
（5）通信接口
通信接口是本系统的一个重要组成部份，通过该接口，系统能够和组态软件和其他的工业监控系统进行数据互换，同时通过通信接口，还能够将现代先进的网络技术用到本系统中来，例如能够对系统进行远程的诊断和保护等
（6）报警装置
作为一个操纵系统，报警是必不可少的重要组成部份。
由于本系统能适用于不同的供水领域，因此为了保证系统平安、靠得住、平稳的运行，避免因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此必需要对各类报警量进行监测，由PLC判定报警类别，进行显示和爱惜动作操纵，以避免造成没必要要的损失
2.3.2供水系统的主电路接线及其工作原理
图系统主接线图
图实物连线图
由图可知，电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5别离为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的操纵接触器，KM0、KM2、KM4别离为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的操纵接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的爱惜电路，它在电路中的用作电动机的过载爱惜。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路爱惜装置。
利用中，由于电流超过许诺值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，避免电气设备短路和严峻过载。
交流接触器操纵回路部份连接图如以下图所示（虚线框里为挂箱内部已经连接）即Y21~~Y26别离操纵继电器KM0~~KM5,KM0与KM1,KM2与KM3,KM4与KM5之间别离互锁，避免它们同时闭合使变频器输出端接入电源输入端。
图交流接触器操纵回路
第3章器件的选型及介绍
本论文设计要紧用到PLC（即可编程逻辑操纵器），变频器，PID调剂器，压力传感器及其他辅助元器件，本章要紧介绍这些器件的选型及相关介绍。
可编程操纵器PLC
可编程操纵器是60年代末在继电器系统上进展起来的，那时称作可编程逻辑操纵器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
3.1.1简介PLC的产生
20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争猛烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公布招标，对汽车流水线操纵系统提出具体要求，归纳起来是：
（1）编程方便，可现场修改程序；
（2）维修方便，采纳插件式结构；
（3）靠得住性高于继电器操纵装置；
（4）体积小于继电器操纵盘；
（5）数据可直接送入治理运算机；
（6）本钱可与继电器操纵盘竞争；
（7）输入能够是交流市电（115V）（美国电压标准）
（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；
（9）扩展时原系统改变小；
（10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。
这确实是闻名的“GM十条”。
1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造避世界上第一台可编程序操纵器。
（ProgrammableLogicController,简称PLC）。
16位和32位微处置器的应用，使PLC取得了惊人的进展，此刻已经成为自动化技术的三大支柱之一。
3.1.2简介PLC的进展状况及其进展趋势
此刻的PLC产品已经利用了16位、32位高性能微处置器，而且实现了多处置器的多通道处置，通信技术使PLC的应用取得进一步进展。
PLC的技术已经超级成熟。
目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品。
比较闻名的有美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSUBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国的西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SAMSUNG）、LG等。
PLC总的进展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易利用、高性能方向进展。
具体表此刻以下几方面：
（1）.向小型化、专用化、低本钱方向进展
（2）.向大容量、高速度方向进展
（3）.智能型I/O模块的进展
（4）.基于PC的编程软件取代编程器
（5）.PLC编程语言的标准化
（6）.PLC通信的易用化.
（7）.组态软件与PLC的软件化
（8）.PLC与现场总线相结合
3.1.4简介PLC的应用领域
目前PLC在国内外普遍应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。
（1）顺序操纵
例如：
注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯操纵等等。
（2）运动操纵（3）进程操纵PLC能操纵大量的进程参数，例如：
温度、流量、压力、液位和速度。
（4）数据处置（5）通信联网
3.1.5PLC的工作进程
PLC是在系统软件的操纵和指挥下，采纳循环顺序扫描的工作方式，其工作进程确实是程序的执行进程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个时期，如下图。
图PLC的扫描工作进程
PLC在I/O处置方面必需遵守的规那么如下：
①输入映像寄放器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时刻的状态；
②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄放器、元件映像寄放器中寄存的所需软元件的状态；
③输出映像寄放器（包括在元件映像寄放器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。
④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时刻输出映像寄放器的状态决定；
⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。
3.1.6PLC的操纵
PLC在那个实验中的作用是操纵交流接触器组进行工频----变频的切换和水泵工作数量的调整。
由实验步骤中主回路接线图能够看出，交流接触器组中的KM0与KM1别离操纵1#水泵的变频运行和工频运行，而KM2和KM3那么操纵2#水泵的变频与工频，KM4与KM5操纵3#水泵的变频与工频起动。
它们的运行要求如下所述。
系统启动时，KM0闭合，1#水泵以变频方式运行。
当变频器的运行超出设定值时输出一个上限信号，PLC通过那个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM0断开，KM1吸合，同时KM2吸合变频起动第2#水泵。
若是再次收到变频器上限输出信号，那么KM2断开KM3吸合，2#水泵由变频转为工频，同时KM4闭合3#水泵变频运行。
若是变频器频率偏低，即压力太高，输出的下限信号使PLC关闭KM4、KM3，开启KM2，2#水泵变频启动。
再次收到下限信号就关闭KM二、KM1，吸合KM0，只剩下1#水泵变频工作。
注意：
KM0、KM二、KM4三台电机变频运行均要互锁，KM0与KM1，KM2与KM3，KM4与KM5均要互锁，目的是为了爱惜变频器。
同时，模拟用户电磁阀还能够通过X10~~X14的输入端开启。
变频器的运转输出由Y10操纵（正转）。
程序开始时，进行A/D转换程序，将供水的压力值存入PLC内部数据存储器D48，而液面高度存入D1里。
PLC参考程序流程如图：
图PLC参考程序流程图
3.1.7PLC的选型
水泵M一、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，操纵变频器使电机正转需1个输出信号操纵，报警器的操纵需要1个输出点，用户的操纵需要5个输出点，输出点数量一共14个。
操纵起动和停止需要2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动操纵电机的工频/变频运行需6个输入点，操纵系统停止运行需1个输入点，检测电机是不是过载需3个输入点，用户的操纵需要个输5入点，共需18个输入点。
系统所需的输入／输出点数量共为32个点。
本系统选用FX2n-48MR型PLC。
变频器
3.2.1变频器的组成
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。
此电源输出的电压或电流及频率，由操纵回路的操纵指令进行操纵。
而操纵指令那么依照外部的运转指令进行运算取得。
关于需要更周密速度或快速响应的场合，运算还应包括由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和爱惜电路信号，即避免因变频器主电路的过电压、过电流引发的损失外，还应爱惜异步电动机及传动系统等。
图变频器的组成
1.主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部份，称为主电路。
图所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部份组成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”和将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
1整流器
最近大量利用的是二极管的交流器，图所示，它把工频电源变换为直流电源。
可用两组晶体管交流器组成可逆变流器，其功率方向可逆，能够再生运转。
2平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，另外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变更。
为了抑制电压波动，采纳电感和电压吸收脉动电压（电流）。
装置容量小时，若是电源和主电路的组成器件有余量，能够省去电感采纳简单的平波回路。
3逆变器
同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，依照PWM操纵信号使6个开关器件导通、关断，就能够够取得三相频率可变的交流输出。
图以电压型PWM逆变器为例示出开关时刻和电压波形。
图电压型逆变器的输出电压
④制动回路
异步电动机在再生制动区域利历时（转差率为负），再生能量贮存于平波回路电容器中，使直流电压升高。
一样说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能贮存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以避免直流电路电压上升。
图典型的电压型逆变器一例
2.操纵电路
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供操纵信号的回路，称为操纵电路。
如下图，操纵电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的操纵信号进行放大的“驱动电路”，和逆变器和电动机的“爱惜电路”。
在图点划线内，仅以操纵电路A部份组成操纵
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