基于PLC和变频器的 变频恒压供水系统.docx

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基于PLC和变频器的变频恒压供水系统

设计（论文）内容及要求

1.背景资料

见附件1

2.设计内容

2.1整体方案设计。

2.2水泵电机的选型及主电路设计。

属于设计的重点内容。

2.3PLC的选型。

2.4采用PLC控制电路的设计。

属于设计的重点内容。

2.5PLC程序设计。

属于设计的重点内容。

3.电路设计要求

3.1水泵系统满足供水要求。

3.2水泵电机采用变频器调速控制。

3.3水泵电机要求具有过流保护、过载保护、接地保护、限位等功能，合理选取电压电器设备的型号、规格和台套数。

3.4要求综合考虑控制器成本。

4.论文要求

4.1独立完成设计的全部内容。

4.2独立撰写毕业设计论文一篇（不少于15000字）。

4.3毕业设计论文符合学校规定的论文格式、图表规范。

4.4毕业设计的有关资料存入磁盘（或刻录光盘）。

5.进度安排

南华大学电气学院本科生毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

常宁市民心自来水有限公司供水项目

2级泵房电气控制器的设计

设计（论文）题目来源

自选课题

设计（论文）题目类型　

工程设计类

起止时间

一、设计（论文）依据及研究意义：

依据：

1.根据以下规范、标准进行本次设计

1）GB/T 50265-97.泵站设计规范

2）SZ310-2004.村镇供水工程技术规范

3）JGJ16-2008.民用建筑电气设计规范

4）GB50201-94.防洪标准

2.根据任务书所给的原始资料

研究意义：

国内县级，乡镇级的二级水泵站,普遍存在自动化程度低，运行成本高等问题。

由于压力得不到有效控制，造成管线破裂，漏水缺水现象严重。

近年来，随着小型PLC，变频器价格下降，劳动力成本上升，以及居民对供水质量要求的提高，社会对降低能耗的呼吁，对乡镇级水泵站，节能化，自动化改造，具有重要意义。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

本文介绍了，应用PLC和变频器，实现对二级水泵站全自动化控制的技术。

可以实现无级恒压调速，供水稳定，供水质量显著提高。

应用变频技术，降低电机电能损耗，并且减小启动时对电网冲击。

自动化程度高，节省劳动力成本，集成程度高，检修维护方便。

二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：

（技术方案、路线）

主要研究内容：

1.水泵站整体控制方案设计。

2.主电路设计及主要设备选型。

3.PLC，变频器的选型。

4.采用PLC控制电路的设计。

5.PLC程序设计

6.论文的撰写

三、设计（论文）的研究重点及难点：

重点：

1.主电路设计

2.采用PLC控制电路的设计

3.PLC程序设计

难点：

1.PLC与变频器应用

2.程序的编写

3.对程序可靠性分析

四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：

1.2012年12月～2013年1月：

资料收集整理，撰写文件综述和开题报告。

2.2013年2月：

方案设计。

3.2013年3月：

变频器、PLC选型设计。

4.2013年4月：

主电路设计，PLC外围控制电路。

5.2013年5月：

程序设计，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。

五、进行设计（论文）所需条件：

1.有关水泵站电气方面的资料；

2.有关电机控制方面的资料：

3.有关PLC方面的资料；

4.编程软件；

摘要

本文的研究的课题是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，整个控制系统主要包括：

信号检测模块，系统执行模块，控制中心，故障报警模块，人机界面模块组成，实现对供水系统的恒压供水。

信号检测主要是对水池液面的检测和水泵出口水压的检测，系统执行模块主要是电动机和水泵组成。

控制中心由PLC西门S7-200和变频器MicroMaster440组成，控制中心根据水压信号和预设参数的比较，控制系统执行增泵程序，减泵程序，工频模式或者变频模式运行。

报警模块式对系统发生非正常运行状态时，输入报警信号。

人机界面由工控机和组态王软件组成，是人与PLC信息交换的窗口，通过人机界面，可以对系统运行状态实时监测。

关键词：

恒压供水PLC控制中心人机界面

ABSTRACT

Thesubjectofthisstudyistheelectricalcontrollerdesignofawaterplanttwopumpingstations，Theentirecontrolsystemmainlycomprises：

Signaldetectionmodule,thesystemperformsmodule,controlcenter,faultalarmmodules,interfacemodules,Constantpressurewatersupplytothewatersupplysystem.SignaldetectionpoolliquidleveldetectionandpumpoutletpressuredetectionsystemexecutionmoduleisthecompositionofthemotorandpumpTheControlCentercomposedbyPLCSimonS7-200andinverterMicroMaster440ofcontrolwaterpressuresignalandthecomparisonofthedefaultparameters,thecontrolsystemtoperformpump-addedprogram,reducingpumpprogram,power-frequencymodeorfrequencymode.Alarmmodularsystemnon-normaloperation,enterthealarmsignal.Theman-machineinterfacebytheIPCandConfigurationsoftwareisthePLCinformationexchangewindow,throughtheman-machineinterface,real-timemonitoringofthestateofthesystemisrunning.

Keywords：

ConstantpressurewatersupplyPLCControlCenterMan-machineinterface

目录

1绪论1

1.1课题研究意义1

1.2变频调速技术外的发展与现状4

1.3论文设计的任务和要求4

2方案设计和系统组成5

2.1变频供水系统原理分析5

2.11供水特性5

2.12变频调速原理6

2.13水泵调速运行的节能原理6

2.2设计方案的选择9

2.3控制系统框图10

2.4控制系统原理和工作流程12

3主要设备的选型和外围电路设计13

3.1PLC的选型和电路设计13

3.1.1PLC的基本构成13

3.1.2PLC工作原理15

3.1.3PLC的选型15

3.1.4S7一200PLC简介16

3.15PLC外围电路设计19

3.2变频器的选型和外围电路设计20

3.2.1变频器工作原理20

3.2.2变频器的选型21

3.2.3SiemensMM430变频器简介22

3.3压力变送器的的选型28

3.4液位变送器的选型29

3.5水泵和电机的选型30

4人机控制界面设计32

4.1组态软件介绍32

4.2监控系统的设计33

4.2.1组态王的通信参数设置33

4.2.2新建工程与组态变量34

4.2.3组态画面35

4.2.4监控系统界面36

5系统软件部分设计37

5.1PLCI/O端口地址分配38

5.2系统主程序流程图40

5.3主程序梯形图40

参考文献46

致谢47

附录一：

主电路图48

附录二：

PLC控制电路图49

1绪论

1.1课题研究意义

课题研究的是自来水厂的二级泵房电气控制器的设计，所谓二级泵房，指的是从把水从自来水厂送到城镇居民家中的加压泵站。

相应的还有一级泵房把河流中的水抽取到自来水厂。

而二级泵房设计要求就是：

通过先进的控制系统设计从而达到最大可能的节约水资源和电能的要求。

众所周知中国是一个人均水资源和能源贫困大国，人均平排名在世界一百多名之后，所以在这样一个能源贫困大国，如何用科技的力量减少能源的损耗，用高效率的自动化控制系统代替传统的落后的控制方式，节约人力资源，降低能源损耗。

居民生活用水是淡水资源的主要消耗部分，但同时也是供水项目重点保障的部分。

如何能有效保证城镇居民有水用的同时，尽最大可能的节约水资源和降低通过先进的控制系统设计进而达到降低水能或者电力能源功耗。

泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。

我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。

目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。

这一方面是出于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。

造成不必要的能量浪费。

因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。

掘统计，全国381个城市中的344个城市自来水厂，1987年的用电量合计为47亿千瓦时。

计入其它城市和乡镇自来水以及工业给水设施用电，总计耗电约65亿千瓦时左右。

若按90％为水泵机组用电，则水泵的总用电量约计60亿千瓦时。

如果一半机组采用调速装置，则每年可节电4.5亿千瓦时。

可见水泵调速的节电潜力很大，经济效益很高。

目前全国绝大多数水泵机组都没有采用调速装置，在进行供水水量、供水压力控制调节时，多采用阀门控制（压水门）与开机台数控制，能源资源浪费严重。

对于大多数电力供水泵站来说，日常运行费用太高，抽水成本居高不下，提抽的单位水量的能耗太大，是一个长期困扰供水泵站的问题。

从泵站经济运行理论入手是解决这一难题的办法之一，也是一个比较有效的办法。

目前给水泵站的设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。

另外，电动机与水泵之间的大马拉小车问题也很严重。

水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。

传统的定（恒）速水泵供水系统是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统这种传统而简单的给水方式，无反馈信号和压力控制。

用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管路内漏增加，阀门损坏加剧。

用水量增大时，系统压力则降低，易造成系统高位供水点断流。

实际上，定（恒）速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷，而且不易实现有效的经济运行。

对于用水量变化大的给水系统，特别是用水量小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效能区之外运行，能量损失严重[。

水泵机组变频调速运行的研究和运用，目前已经成为城镇供水行业的重要课题，各地区根掘本地不同情况，也逐步开始运用。

特别是在二十世纪90年代开始，己逐渐在各地区城镇供水厂的二次加压泵站中（即二级送水泵站）使用。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。

特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。

变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵和管路组成的给水系统。

它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调速及调节水量的目的。

这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调整供水量。

尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但水泵的效率仍然维持在高效能区[3]。

水泵电机的变频调速技术应用具有其多个方面优越性能：

一是节电显著；二是在开、停机时能够减小电流对电网及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。

在众多供水行业中的许多实例表明：

对水泵电机采用调速技术对企业降低能耗，提高管网和设备的使用寿命有着重大的经济意义，也是保障管网系统供水安全运行的方法之一。

PLC是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方而有了质的飞跃

长期以来中国很多城镇的供水方式比较落后，传统的供水方式主要存在以下问题：

水压不稳，高峰时段居民没有水用，低谷时段容易造成管线爆裂；由于供水系统不科学造成的严重的水资源浪费和电能浪费；由于自动化程度低造成的人力资源浪费；高昂的运行维护和检修费用。

供水方式有以下几种

1恒速水泵+蓄水池的方式

这种供水方式是最简单最直接的供水方式，有的甚至连蓄水池都没有安装而是直接从供水系统管网中取水连接管道。

无法根据用户需求改变水压，存在严重的水资源浪费和电能损耗，甚至造成管线破裂等。

恒速水泵的加压供水方式无法也根本不可能对城市和乡镇供水管网的压力大小做出比较有效的反应，供水水泵的数目增加和减少都必须要依赖于工人现场进行手工的操作，自动化程度比较低，而且大多数时候为了保证供水，又无法检测压力机组经常处于没必要的满负荷运行，不仅效率低、耗电量很大，而且在用水量较少的夜间时段和用水低谷期，管网难免处于超压运行状态，爆损现象比较严重，目前较少采用。

2恒速水泵+水塔的方式

这种供水方式显然要比恒速水泵加蓄水池的方式好很多，首先是解决了管线破裂，水资源浪费的问题。

而且比前一种方式节约电，因为只要水塔满了，就可以关掉电机，当水位下降到一定水位，在启动电机即可但是也有明显的缺点。

主要缺点如下：

这种供水方式要求水塔最低水位要高于系统所要求的最低水位，水塔必须建的很高，再加上要考虑安全，防地震等因素。

造成占地面积大，投资巨大；碍于水塔本身的限制，这种供水方式供水服务区域受到一定限制，无法大面积的供水；在自来水由低水位到水塔，再由水塔到用户的能量变化过程中，存在无法避免的能量损失；电机要经常启动和停止，而电机启动对电网冲击大，比较费电；水塔内部细菌易于繁殖，卫生状况堪忧，高位水塔要经常定时人工清洁，比较费时费力。

3变频恒压供水

变频恒压供水是目前最先进的供水方式之一，采用变频技术和可编程控制器以及电动机结合组成一套机电一体化全自动供水系统。

变频供水设备以水泵机组的出水端压力作为检测依据，根据检测到的压力数值和设定的参数比较，从而调节变频器改变水泵的工作频率，对水压进行调节，组成了一套完整的闭环调节系统。

而PLC的作用是对整个供水系统的所以设备进行全自动控制，对运行状态监视设备输入信号作出恰当的处理。

变频供水的主要优点有：

相比于水塔供水，大大的节约了投资和占地面积，消除了安全顾虑等因素，总体节约投资30%-50%；恒压供水完全满足用户需求，对机组实现软起动变频运行，是用户获得良好的用户体验，而且节约了水资源和电力；能够实现一定程度上的全自动无人值守运行，自动化程度非常高，智能运行。

工作泵备用泵可以实现定时自动切换，对故障实现直观的操作界面显示，故障自检自显自动报警灯功能；保护功能完善，过载欠压过流短路等故障保护装置完善，对系统设备实现全方位的保护，减少故障发生后对设备的破坏，节约资金。

1.2变频调速技术外的发展与现状

近代以来的变频调速技术的发展首要要得益于现代电力电子技术的大力发展以及计算机技术的飞速进步和自动控制技术的发展，还有电机控制理论的不断成熟与进步。

在相关技术不断的进步下，变频调速才有了实现的可能与条件，在1964年，德国首先提出的在通信技术中使用变频器的脉冲宽度调制（PWM）技术。

日本研究人员在20世纪80年代初，提出了一种叫磁通磁链轨迹控制的方法。

变频控制技术从1980年开始，已经开始在美国，日本，德国，英国等发达国家，在商业领域和工业控制领域被广泛的使用。

在中国电能的60％的被电动机类负载消耗，所以如何使用电机的变频控制技术，改造工业控制领域的电动机调速系统和方式，以节省电动机类负载所消耗的电能，在我国长久以来一直是一个国家和行业比较关注的问题。

目前，中国有非常多的公司，工厂，科研机构，从事的变频控制技术的研究，但是国产相关设备的设计和生产的控制产品及类似产品在国际市场上，与发达国家相关设备进行比较还是有较大的差距。

随着中国的改革开放和经济的快速发展，大多数公司和工厂开始采取从外国进口变频设备的方法，但是国内的相关设备和技术也在迅速的发展和成熟，现阶段是依靠进口设备和自我研发相结合的阶段，但总体上国内技术与国外的设备有一定差距。

在变频调速技术逐渐成熟之后，变频恒压供水技术开始崭露头角并且展现了他强大的优势和广阔的前景。

给普通的变频调速系统增加一个压力检测单元就可以实现十供水系统的闭环控制。

随着变频恒压供水技术的成熟和得到的广泛的认可，国内为很多公司开始专注于推出变频恒压供水专用变频器。

1.3论文设计的任务和要求

主要研究内容：

1.水泵站整体控制方案设计。

2.水泵电机的选型及主电路设计。

3.PLC，变频器的选型。

4.采用PLC控制电路的设计。

5.PLC程序设计

技术方案、路线：

1.熟悉二级水泵站的设计要求

2.基于PLC的供水泵驱动电机主电路的设计

3.控制电路的设计

4.元器件的选型

5.编写程序

2方案设计和系统组成

2.1变频供水系统原理分析

2.11供水特性

供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开启度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量之间的关系曲线

，如图2-1所示。

由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。

出于在阀门开启度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系

。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

出图可知，在同一阀门开启度下，扬程H越大，流量Q也越大。

由于阀门开启度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特住所反映的是扬程与供水流量

之间的关系

。

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。

在这一点，用户的用水流量

和供水系统的供水流量

处于平衡状念，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行[6]。

图2-1供水系统的主要特性

2.12变频调速原理

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的（具体原理将在下一章阐述）。

因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的[7]。

异步电机的转差率定义为：

（2-1）

异步电机的同步速度为：

（2-2）

异步电机的转速为：

（2-3）

其中：

为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速；

f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。

从上式可知，当电机电极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调书异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。

变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高，机械恃性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。

因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的。

调速方法，它被广泛地应用于对水泵（风机）电机的调速。

2.13水泵调速运行的节能原理

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀f门开启度来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻的特性将随着阀门开启度的改变而改变，但其扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开启度存一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开启度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制[8]。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q，扬程为

，当供水量从

减小到

时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从

，移到

，扬程特性曲线（图2-2）不变。

而扬程则从

上升到

，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0，

，F，

）围成矩形部分，其值为：

（2-4）

当用调速控制时，若采用恒压（

）、变速泵（

）供水，管阻特性曲线为

，扬程特性变为曲线，

，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率用图形表示为（0，

，D，

）围成的矩形面积，其值为：

（2-5）

可见，改变调速控制，节能量为（

，D，F，

）围成的矩形面积，其值为：

图2-2管网及水泵的运行特征曲线

（2-6）

所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。

并且随着阀门不断的关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻的特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是

增大，而被浪费的功率要随之增加。

根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间的关系为：

（2-7）

式中，

、

、

为变速前的流量、扬程、功率，

、

、

为变速后的流量、扬程、功率。

由公式（2-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成艰比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。

2.2设计方案的选择

根据设计任务要求，要设计一个自来水厂二级泵房的电气控制器，查阅资料根据国内主要的泵站控制系统进行比较分析，并最终确定设计方案。

方案一：

传统继电器+变频器的控制

此种控制方案是早期国内最普遍的控制方式，但是随着单片机，PLC等一些可编程的智能控制器的发展和普及，将逐渐被淘汰。

其主要以下几个缺点

1缺乏灵活性：

继电器控制是依赖于硬件设备之间的逻辑接线来实现的，是一种依赖与