基于PLC的变频恒压供水系统的设计毕业设计.docx

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基于PLC的变频恒压供水系统的设计毕业设计

毕业设计（论文）

题目

基于PLC的变频恒压供水

系统的设计

系（院）

电气工程系

专业

电气工程与自动化

班级

2011级2班

学生姓名

赵佳男

学号

1114090231

指导教师

孔德平

职称

助教

二〇一五年六月十四日

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

年月日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

年月日

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

摘要

本毕业设计是由PLC、变频器、水泵机组及相关设备等组成的一套变频恒压供水系统。

本系统有效的将PLC与变频器、传感器等设备结合起来，一同运作并发挥各各设备的优势，已达到最大程度的满足用户的用水需求，系统具有运行平稳、可靠性高、操作便捷以及能耗低节能等多方面特点。

系统首先提前设置变频器内置PID模块参数，然后压力传感器根据用户用水量的变化造成的水压变化反馈构成闭环控制系统；PID模块调节水泵的工作状态以及输出流量，从而达到恒压供水的设计理念。

本文首先简介采取变频调速方式达到恒压供水的原理；其次，对水压变化时水泵机组的各种工作状态、水泵在变频和工频两种运行方式间的转换条件和过程进行研究与分析，设计研究并提出了基于PLC的变频恒压供水系统的具体方案，并对器件的选型和程序编程部分进行研究设计。

关键词：

PLC，变频调速，恒压供水

FrequencyConversionConstantPressureWater-supplySystemBasedonPLC

Abstract

ThisgraduationdesigniscomposedofPLC,frequencyconverter,waterpumpunitandrelatedequipmentsuchasasetofvariablefrequencyconstantpressurewatersupplysystem.ThissystemeffectivelycombinePLCandfrequencyconverter,sensorsandotherequipment,worktogetherandplaytotheadvantagesofmineequipment,hasreachedthemaximummeettheuser'sdemand,thisgraduationdesignarecharacterizedbytheirsmoothoperation,highreliability,convenientoperationandlowenergyconsumptionandenergysavingcharacteristicsinmanyaspects.Thissystemfirstlysetupinadvanceinverterbuilt-inPIDmoduleparameters,thenthroughthechangeofpressuresensoraccordingtouser'swaterconsumptioncausedbythehydraulicpressurechangefeedbackconstituteaclosed-loopcontrolsystem;PIDmoduletoadjusttheworkingstateofthepumpandoutputflow,soastoachievethedesignconceptofconstantpressurewatersupply.Thisgraduationdesignisthefirstintroductiontoadoptthemodeoffrequencycontrolofmotorspeedtoachievetheprincipleofconstantpressurewatersupply;TheTimes,thewaterpressurechangeofwaterpumpsetworkingstate,waterpumpsinvariablefrequencyandpowerfrequencyconversionconditionsbetweenthetwokindsofoperationmodeandprocessofresearchandanalysis,designandresearchbasedonprogrammablelogiccontroller（PLC）andputforwardtheconcreteschemeofvariablefrequencyconstantpressurewatersupplysystem,andtostudythepartselectionandapplicationofthedevicedesign.

Keywords:

PLC,frequencycontrol,constantpressurewatersupply

第一章绪论

1.1变频恒压供水系统的概念

在供水方面，大多数传统供水泵存在运行费用太高，供水成本相对较高，用水量功耗相对过大等问题。

在供水和能耗间寻求最高性价比，这是一项长期挑战。

现如今，大多数供水厂供的水设计均按照最大扬程和流量这一标准，这使得水泵长期时间处在设计的效率以内运行。

电动机的功率存在浪费损耗等问题。

因此，如何使功耗和供水之间保持平衡，提高供水系统的效率,是供水厂家关注的中心。

供水质量能否满足供水需求的关键标准之一就是供水压力能否保持恒定，因为供水压力是否能保持恒定对于部分工业或特殊的用户是尤为重要的，例如，当火灾时的供水压力不足，灭火就会显得尤为困难，导致造成财产和安全上的损失。

由于用户在不同时间、不同地点用水量也是在不断变化的，导致供水和用水之间的不平衡问题无时无刻不存在。

其根本原因可归结于供水压力上：

用户的用水量过多的时候，供水压力就相对较低，导致供水量的不足，无法满足用户的需求；而用水量较少的夜晚，供水压力相对过大，导致供水过多。

为了提升供水系统的可靠性和供水质量，使供水与用水之间和谐相处，保证用户的用水需求，就必须保证水压的恒定。

1.2系统简介

本系统使用了3台水泵并联运行的方式。

将1#水泵与变频器相连接，可以实现系统的变频运行。

为了保护电机正常运行，需将2#水泵和3#水泵用软起动器来启动，起动参数可以自行设定，而且采用软起动可以使系统具有软停车功能，即逐渐关闭水泵机组处于运行状态的水泵，它可以有效的克服突然断电等情况发生时泵机停止造成的冲击电流过大的现象，减少对管道造成的冲击，杜绝“水锤效应”的等现象发生，保护设备的安全运行。

变

频

器

用户

图1-1系统总体布局图

1.2.1系统的总体方案

系统在工作的过程中，管网的水压变化经压力传感器转换为电流信号，然后经模拟量输入模块，再输入到PLC当中，PLC会根据接受的电流信号和压力的初始设定值进行PID运算操作，再将输出信号传送至变频器，从而完成调节水泵电机的频率。

当水较少时,电脑会控制变频器让水泵处于恒压运行状态,当水增加至水泵全速运行也不能保证管网压力至规定值时,压力传感器信号传送至PLC，PLC接收信号，变频泵检测频率随频率降低到和第二泵启动前的频率或在工频运行时,实现管网压力的保持稳定状态,若两台水泵同时运行仍满足不了供水需求,则依次将压力或电脑启动下一台水泵。

同理，当水减少时,水泵也是依次减少停止的。

运用变频泵的控制和PLC的控制完成网管水压的恒定，实现变频恒压供水的设计理念。

1.2.2系统的特点

1.充分利用每一个水泵的价值，根据用水量的变化调节每一个水泵的工作状态循环使用每个水泵，杜绝出现浪费和过度使用的现象。

2.以提高系统稳定性和安全可靠性为目的。

3.系统拥有两种工作方式：

执行日常供水操作时使用自动模式运行，对系统设备检修维护是使用手动运行模式。

1.3现状及发展

国内的传统供水工程等公司，基本上采用的都是国外的变频器控制水泵转速，管网压力的闭环调节，水泵机组的循环变化控制，然后用PLC、单片机等设备来实现的供水系统的稳定运行。

但从系统的综合性能上来说还远远没能满足所有用户的需求。

某公司曾推出恒压供水专用的变频器，不需要PLC等设备，可达到最多3台水泵间的相互转换、定时等操作。

但也有其的局限性该系统的输出接口无法用于大容量的负载，且操作繁琐，不支持数据通信等功能，只能适用于容量较小，对供水系统要求不高的，无法完成集中的推广使用。

由此看出，国内外对变频恒压供水系统的研究和发展是不完美的，为能研发出能适应各各场所，结合现代科技，网络和通讯等技术的供水系统仍需努力。

因此，需要国内外进一步研究，改进并完善供水系统的各项性能，使其更适应现代生活，为人们提供更优质舒适的生活服务。

第二章器件的选型及硬件设计

2.1可编程控制器（PLC）

2.1.1简介PLC

可编程控制器简称为PLC，由以下四部分组成，CPU模块，输入输出模块，编程设备组成。

旨在将电脑和继电器的优点相结合。

控制对象

图2-1PLC结构框图

PLC也存在一定的局限性，对供水控制系统来说它无法向操控人员呈现每一刻的设备状态和参数，无法大批量的对数据进行存储和转化。

在现代高要求的供水系统在PLC需要与电脑相连接，才能更好的控制供水系统。

2.1.2PLC的特点

随着科学技术的发展，PLC被更广泛认知并应用在各个领域，归根结底是因为可编程控制器具有多种超强的功能和优越的性能，更适用工业发达的现代生活。

PLC具有以下几个特点：

1）编程方法简易，易于理解掌握。

2）功能全面，控制程序可以按用户需求自行更变，适应面广。

3）可靠性高，无故障时间较长，环境适应性强。

4）体型小重量轻，便于携带，功耗低，是机电一体化的。

扫描周期

输入映像寄存器

输出刷新阶段

程序执行阶段

输入采样阶段

①

用户输入设备

②

用户输出设备

③

⑤

④

程序

写

刷新

输出

图2-2PLC扫描工作的过程

2.1.3PLC的选型接线及I/O分配

在本系统中输入点和输出点数量总共有24个。

为达到变频恒压供水，选用了FX2N系列中FX2N-32MR型PLC。

如PLC接线图（图2-3）所示，将输出Y0与线圈KM0相连接，控制1#水泵进行变频运行。

再将输出Y1与接线圈KM1相连接，控制1#水泵进行工频运行。

再将输出Y2与线圈KM2相连接，控制2#水泵进行变频运行。

再将输出Y3与线圈KM3相连接，控制2#水泵进行工频运行。

再将输出Y4与线圈KM4相连接，控制3#谁泵进行变频运行。

再将输出Y5与线圈KM5相连接，控制3#水泵进行工频运行，并设置互锁装置。

输入X0与按钮SB8相连接，输入X1与按钮SB9相连接，输入X2接熔断器FU，输入X3接过载OL，输入X4接1#水泵过载，输入X5接2#水泵过载，输入X6接3#水泵过载。

COM

Y10

COM

X10

X11

X12

X13

X14

X15

X16

起动

1#泵

变频

KM0

停止

1#泵

工频

KM1

FX2N-

32MR

2#泵

变频

KM2

1#泵

过载

2#泵

工频

KM3

2#泵

过载

3#泵

变频

KM4

3#泵

过载

3#泵

工频

KM5

1#泵

工频

电机

正转

KM6

1#泵

变频

2#泵

工频

接变频器STF端子

（正转起动）

2#泵

变频

报警器

3#泵

工频

3#泵

变频

自动/

手动

手动变

频器起动

图2-3PLC接线图

表2-1PLC的I/O分配

I/O地址

作用

I/O地址

作用

启动按钮

1#泵变频

停止按钮

1#泵工频

上限增泵

2#泵变频

下限减泵

2#泵工频

1#泵过载检测

3#泵变频

2#泵过载检测

3#泵工频

3#泵过载检测

电机正转

1#泵工频

接变频器

X10

1#泵变频

Y10

报警信号

X11

2#泵工频

X12

2#泵变频

X13

3#泵工频

X14

3#泵变频

X15

自动手动选择

X16

手动变频器启动

2.2简介变频器

在控制电路的作用下将市电（380V50Hz）经过整流电路产生直流电，然后控制电路会控制直流电源转换为交流电源。

2.2.1变频器组成部分

在本系统中分为主电路，控制电路两大部分。

主电路就是给水泵机组提供调压调频的电源部分，主要由以下三部分组成：

1.整流器：

连接到交流电源，使交流转化为直流电压。

2.平波回路：

使直流电压趋于稳定平滑，然后供给逆变器使用。

3.逆变器：

将直流电压转换为交流电压。

除此之外，需要制动的水泵机组可能还会需要附加一个制动回路。

图2-4变频器的结构图

控制电路指的是为水泵机组主电路提供控制信号的部分，它的作用是将信号传输至整流器、平波电路和逆变器等，同时它还会接收这几个部分的传出的信号。

控制电路由以下几部分组成：

运算电路，驱动电路，电压检测电路，电流检测电路，速度检测电路，保护电路。

2.2.2变频器型号

本系统选用FR-A540系列的变频器。

该系列变频器的主要功能有：

1.具有断电减速停止功能，变频运行与工频运行可切换功能等。

2.具有现场总线通信功能。

3.具有过电流，过载，过电压，欠电压，等多种保护功能。

4.具有累计和监视功能。

—接3台水泵

变频器

图2-5FR-A540的管脚说明

2.2.3变频器线路连接

与Y7相连接的是STF,可完成对电机正转的控制。

与熔断器FU相连接的是输入X2，与过载OL相连接的是输入X3。

FU和OL接收频率变化产生的信号，再传送至与之相连接的输入X2,输入X3端口，从而完成PLC对水泵机组的控制，完成增泵或减泵的操作，实现系统设计的恒压供水的功能。

压力传感器

STF

STR

COM

0~24V

直流电源

图2-6变频器接线图

2.3电气控制原理及接线图

主电路图如下图所示

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分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。

热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。

熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。

使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。

工

频

电

FU3

FU2

FU1

KM6

KM5

KM3

KM1

变频器

RST

KM4

KM2

KM0

FR3

FR1

FR2

UVW

变频电

图2-7主电路图

2.4PID调节器

在变频恒压供水系统中，选用的是PID调节方式。

将P（比例），I（积分），D（微分）各部分的优点相结合，以达到最完美的控制效果。

变频器

电动机

执行量

驱动电路

偏差

PID运算Kp（1+1/Tis+Tds）

设定点

反馈值

图2-8PID控制框图

在变频恒压供水系统中PID的控制形式主以硬件型为主，控制PID完成对各个参数的设定在。

并内置于变频器中。

图2-9PID控制接线图

2.5压力传感器接线图

本系统使用压力传感器CY-YZ-1001型压力传感器，完成压力与电信号之间的相互转换，实现变频恒压供水。

2.6原件表

1#水泵，2#谁泵选用40-160（I）A型，3#水泵选用40-160（I）型。

表2-2水泵参数

水泵

符号

型号

流量（m3/h）

扬程

（m）

转速

（r/min）

电机功率

（kw）

1#泵

2#泵

40-160（I）A

2900

2.2

3#泵

40-160（I）

12.5

2900

3.0

表2-3元件表总图

元件

符号

型号

个数

可编程控制器

PLC

FX2N-32MR

变频器

FR-A540系列

5.5型

接触器

SC-E03-C

水泵

1#泵，2#泵

40-160（I）A

3#泵

40-160（I）

闸刀开关

HD11-100/18

熔断器

FU1，FU2

RT186A

FU3

RT188A

热继电器

FR1

FR2

TK-E02T-C

FR3

TK-E02U-C

按钮

LAY3—11

变频器型号

电机容量（KW）

额定输出容量（KVA）

额定输出电流（A）

过载

电源交流电压/频率

冷却

FR-A540系列5.5型（三菱）

5.5

9.1

150%60s,200%0.5s（反时限特性）

3相，380V至480V50Hz/60Hz

强制风冷

表2-4变频器参数

第三章PLC控制及编程

3.1PLC控制

在变频恒压供水系统中，PLC的作用是控制工频运行模式与变频运行模式间的切换，以恒压为根本，根据频率压力等信号的变化来调整水泵机组的工作状态。

进行增泵减泵等操作。

为系统升压降压以保持系统压力保持恒定。

流程如下图所示。

是否收到频率上限

手动运行模式

根据输入按钮，执行

相应的操作

起动/保持

起动变频器保持现有

的运行状态

减少水泵数量增加水泵数量

供水压力过高，需要减少供水压力过低，需要增加

水泵的数量水泵的数量

图3-1可编程控制器PLC流程图

启动系统，当系统处于手动运行模式工作时，需要操作者自己动手，根据各自系统的设计要求完成相应的操作。

让系统按照原计划的设计理念进行运行，达成设计任务。

当系统处于自动运行模式工作时，便不需要操作者的具体操作，只需根据输入信号和原程序的设定进行自动操作。

本系统通常长时间处于自动运行模式，接收变化的输入信号，根据信号自动运行程序。

手动运行模式主要是应用在系统出错时或设备维护时。

在本系统中，若系统处于自动运行模式工作状态时，当PLC接收的输入信号为机组频率达到设定的最大值时，那么系统执行会增泵程序操作，即增加水泵机组工作水泵数量。

当增加的水泵仍不能满足需求时系统重复上述操作。

当PLC接收的输入信号为机组频率达到设定的最大值时，那么系统执行会减泵程序操作，即减少水泵机组工作水泵数量。

当减少的水泵仍不能满足需求时系统重复上述操作。

当PLC没接收输入信号时，系统仍保持现有的运行状态。

3.1.1手动运行部分

如图2-3所示，当按下SB7按钮，用手动方式。

按下SB10，完成手动启动变频器操作。

根据不同时刻的不同要求，手动的启动或停止每一个水泵，手动运行方式适用于自动运行出现故障或设备维修时使用。

3.1.2自动运行部分

PLC接收到输入信号后，会自动控制水泵的工频运行或变频运行，根据输入信号额不同，进行增泵或减泵等控制操作。

实现供水系统的恒压状态，保持系统的稳定运行和安全可靠性。

系统进行升压控制操作：

当用户的用水量增加时，管网水压会逐渐减少，检测到这个信号后将这个信号传送至PLC，为了实现恒压供水的设计理念，保持供水压力恒定，PLC接收信号后会执行增泵操作，为供水系统提升供水压力。

若供水压力仍无法达到需求，系统将会执行依次循环操作，继续为系统增压，当水泵机组的所有水泵都全部运行时仍无法满足需求，则系统会自动报警。

系统进行降压控制操作：

当用户的用水量减少时，管网水压会逐渐升高，检测到这个信号后将这个信号传送至PLC，为了实现恒压供水的设计理念，保持供水压力恒定，PLC接收信号后会执行减泵操作，为供水系统降低供水压力。

若供水压力仍无法达到需求，系统将会执行依次循环操作，继续为系统降压，系统执行依次循环最后只有一台水泵处于工作状态为止。

3.2编程及其介绍

3.2.1总程序的顺序功能图

系统总程序的顺序功能图如下图，左边为手动运行部分，右边为自动运行部分。

图3-2总程序的顺序功能图

3.2.2自动运行模式的顺序功能图

自动运行模式时的顺序功能图：

如PLC接线图（图2-3）所示，将输出Y0与线圈KM0相连接，控制1#水泵进行变频运行。

再将输出Y1与接线圈KM1相连接，控制1#水泵进行工频运行。

再将输出Y2与线圈KM2相连接，控制2#水泵进行变频运行。

再将输出Y3与线圈KM3相连接，控制2#水泵进行工频运行。

再将输出Y4与线圈KM4相连接，控制3#谁泵进行变频运行。

再将输出Y5与线圈KM5相连接，控制3#水泵进行工频运行，并设置互锁装置。

输入X0与按钮SB8相连接，输入X1与按钮SB9相连接，输入X2接熔断器FU，输入X3接过载OL，输入X4接1#水泵过载，输入X5接2#水泵过载，输入X6接3#水泵过载。

M8002

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