基于PLC的水厂变频调速恒压供水系统的设计毕业论文定稿.docx
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基于PLC的水厂变频调速恒压供水系统的设计毕业论文定稿
毕业设计
基于PLC的水厂变频调速恒压供水系统的设计
WaterworksFrequencyControlofmotorspeedconstantpressurewatersupplysystemdesignBasedonPLC
学院计算机与电子信息专业测控技术与仪器班级测控07-1班
毕业设计任务书
院（系）：
计算机与电子信息学院专业测控技术与仪器
一、毕业设计课题基于PLC的水厂变频调速恒压供水系统设计
二、毕业设计工作自2011年3月21日起至2011年6月20日止
三、毕业设计进行地点测控专业实验室
四、毕业设计的内容要求：
（1）到茂名河东水厂进行实习调研，明确其供水状况和变频调速恒压自动控制供水监控要求;
（2）学习可编程序控制器（PLC）及组态王监控软件;
（3）设计基于“组态王”的泵站监测系统;
（4）设计以西门子S7-200为下位机的泵站控制系统；
（5）系统仿真调试;
（6）编写毕业设计说明书;
（7）查阅20篇以上参考文献，其中外文文献不少于5篇并翻译1篇。
完成1篇不少于2万字的毕业设计报告，报告要写作规范、内容正确、条理分明、语言流畅、结构严谨。
图纸、实验数据各种标准资料的运用和引用符合学校和学科（专业）国家标准规定。
接受毕业设计任务开始执行日期2011年3月21日
学生签名:
摘要
随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
本设计是针对居民生活用水而设计的。
在对茂名河东水厂进行调研，对工业控制计算机可编程序控制器及组态王监控软件基本性能特点进行充分分析和研究的基础上，本文提出西门子S7-200系列作为下位机的方案。
由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统来调节水泵的输出流量。
电动机泵组由三台水泵和一台辅助泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。
上位机本文采用“组态王”为监控软件。
调试和仿真运行表明，该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高生产管理水平。
该监控系统安装维护方便，运行稳定可靠;监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。
关键字：
PLC、变频调速、恒压供水、组态王系统、PID
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,andwaterqualityandwatersupplypeopletoimprovethereliabilityofthesystemrequirements.Thisdesignisdesignedforresidentsofwater.OnthebasisofresearchonpumpingstationinMaomiHedongWaterworksandanalysisandresearchonthebasiccapabilityofindustrycontrolcomputerPLCandstateviewsoftware,ThispaperputforwardSiemenss7-200forlowerlevelcomputersolutions.Theinverter,PLCandPIDadjustorcompositioncontrolsystem,adjustthewaterpumpoutputflow.Motorpumpgroupofthreepumpsandaauxiliarypumpparallelandbecome,byinverterorindustrialfrequencypowersupply,accordingtothewatersupplysystemtocontrolthepressureandflowexportoffrequencyswitchingbetweenmotorpumpgroup,sothesystemandspeedinthemostreasonableposition,makesureon-demandwatersupply.a"kingview"forthemonitoringsoftware.
Commissioningandoperationshowsthatthesystemcanbeautomaticcontrolofwatersupplyprocesscaneffectivelyreducetheenergyconsumptionandensurethewatersupplysystemtomaintaininthebestoperationcondition,improveproductionmanagementlevel.Monitoringsystemseasyinstallationandmaintenance,operationisstable,reliable;Monitoringsoftwarefunctioniswell-found,friendlyman-machineinterface,easytouse.
KeyWords:
PLC,variablefrequencyspeed-regulating,constantpressurewater-supplyKingView,PID
第一章绪论
1.1变频调速恒压供水系统产生的背景及其意义
水是生命之源，是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源之一。
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
我国家是一个在水资源和电能方面都很短缺的国家，在大力提倡节约能源的今天，人们也更加重视有关降低供水系统能耗的问题。
据统计，风机和泵类负载约占我国总耗电量的80%，这主要是由于我国供水设备工作效率低，控制方式不合理，据统计，水泵的效率大多不足60%，存在着很大的能源浪费[1]，因此运用水泵供水节能技术，设计可靠性高，运行效率高的供水系统具有重大的经济意义。
变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。
它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。
变频恒压供水系统自80年代世界各国将其投入工业应用以来，它显示出了强劲的竞争力，采用该系统供水可以取得非常显著的节能效果，从而提高企业的经济效益和社会效益。
这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
在恒压供水技术之前出现了很多种供水方式，经过调研，发现各种传统的供水方式的优缺点如下[2]:
（l）重力供水
水塔高位水箱供水方式属于重力供水方式，缺点是基建投资大，占地面积广，维修清洗不方便，需要定期清理，消毒，容易造成水源的二次污染，水泵电机为硬启动，启动电流大，控制柜内触点多，易烧坏，优点是控制方式简单，短时维修或断电可不停水。
当用水量很小时，可以长时间不再开泵。
（2）压力供水
气压罐供水方式属于压力供水，具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，联轴器冲击大，起动电流大，触点易烧，系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
（3）恒速泵加压供水
恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
（4）调速供水
液力祸合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
单片机变频调速供水方式优点是能做到变频调速、自动化程度优于以上几种供水方式，可以定时供水等，缺点是系统开发周期较长、参数设置烦琐、可靠性比较低、维修不方便，不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力，电力资源，效率低，可靠性差，自动化程度不高等缺点，已经不能满足当前社会的发展和需求，严重影响了居民的生活用水和工业生产用水质量。
PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2变频调速恒压供水技术简介
1.2.1国内外变频恒压供水的现状
目前，国内大中城市的水厂基本上都采用变频恒压供水方式，生产过程的重要参数可以实行自动监测;加氯加矾、沉淀池、滤池及泵房、变电所也同样实现自动控制及计算机管理，构成完整的DCS系统。
现代化水厂除了中心调度室和化验室以外都可以做到无人值班。
国内的小城镇的供水状况比较落后，基本上还停留在气压罐、水塔供水方式。
这些供水方式都需要将水提升到一个满足最高层用户用水的固定高度上，这样，就有相当一部分电能被浪费。
同时，管网压力的不稳定，很容易造成管路曝损，管路和水资源浪费严重。
而在西方发达国家，以PLC为基础的集散型控制系统已成为当今水工业自动化系统的主流，其控制系统正向着智能化、分散化、网络化发展。
企业内部之间以及与外部交换信息的需求不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统，亦称为“管控一体化”。
在国外,一个10x10，m3/d的水厂只需3~5人管理。
在运行当中，还采用了自动化智能措施，运用实时指示器不断评定每一阶段程序处理效果和作出微小纠正[3]，并融合了以太网技术，提高了水厂的信息化程度。
1.2.2变频调速恒压供水系统的特点和应用范围
变频调速恒压供水系统集合了变频技术、PLC应用、工控机应用技术等多方面的现代化技术，所以有较好的性能特点：
（1）节能性
恒压供水技术通过变频调速闭环控制方式调节水泵转速改变水泵出口压力，相对于阀门调节控制水泵出口压力的方式来说，具有降低管道阻力、大大减少截流损失的效应，系统在运行过程中可节约一定的电能，并能长期受益，并且由于电动机故障率的减少，设备寿命的延长，产品质量的提高等等，都必将产生难以估计的经济效益。
（2）可延长电机和水泵寿命
由于水泵在变频下工作，其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。
（3） 运行安全可靠
水泵电机采用软启动方式，可以避免电动机启动时的电流冲击，减少对电网电，避免管网压力超限，管道破裂而造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成水泵系统的喘振。
（4） 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。
（5） 控制灵活
分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
（6）容错性
当出现意外情况时，系统能根据水泵及变频器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，系统会转而执行专门的故障子程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。
变频恒压供水系统的应用范围非常的广泛，其广泛的应用如下[4]:
（1）高层建筑、城乡供水小区、企事业生活用水;
（2）特殊种类工业需要恒压控制的用水如冷却水循环、热力网水循环、锅炉补水等;
（3）自来水厂增压系统;
（4）农田灌溉，污水处理，人造喷泉;
（5）各种液体恒压控制系统。
1.2.3变频恒压供水的发展趋势
（1）变频恒压供水目前正向集成化，维护操作简单化方向发展在国外专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用变频器集成了PLC和PID，甚至将压力变送器也融入变频组件，同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可正常运行，控制软件和其他参数在出厂时就已设定，或利用传感器自动获取完毕。
（2）高压变频系统在供水行业中的应用
在过去变频供水较少涉及高压变频系统，这也是系统发展的重要方向，高一低一高型的高压变频系统，串联多电平高压变频系统目前已在实际应用中不断完善，高压变频中的谐波问题己逐步得到解决。
（3）变频供水系统正在融入更全面的供水管理系统
面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度的提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题，目前，在美国，日本，法国等地的有些城市己基本上实现了供水系统的计算机优化。
基于PLC的变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式，它利用ＰＬＣ、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供水管网压力保持恒定。
由于具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等特点，在小区供水和工厂供液供水控制中得到广泛应用，并取得了良好的控制效果和社会效[5]。
1.3课题来源及本设计的主要内容
本课题来源于茂名市河东水厂的实习。
通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。
变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。
本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。
本设计的主要内容如下:
1）通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。
2）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。
3）研究PDI控制器的设计原理及方法。
4）设计变频恒压供水系统的硬件和软件。
5）对变频调速技术及可编程序控制器（PLC）进行简单介绍。
7）以组态软件组态王设计工控机监控程序。
第二章变频调速恒压供水系统的理论分析
2.1供水系统的基本特性
2.1.1水泵的主要参数
水泵主要工作参数有:
流量、扬程、功率、效率、转速以及压力[6]。
（1）流量Q
水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。
以耐/s（米3/秒）、m3/h（米3/小时）、七/:
（千克/秒）、t/:
（吨/秒）等表示。
供水系统的基本任务是满足用户的流量要求。
（2）扬程
水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，单位以m计。
扬程主要包括三个方面:
提高水位所需的能量;克服水在管网中流动时所需的能量;使水流具有一定流速所需的能量。
其中提高水位所需的能量是扬程的主体部分。
因此把水从一个位置“上扬”到另一位置时，用水位的变化量（即水位差）代表扬程。
即水泵扬程最终反映的是水泵供水高度。
水泵总扬程包括把水上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力损失水柱之和。
实际扬程是通过水泵实际提高的水位所需的能量。
损失扬程是全扬程与实际扬程之差,即:
总扬程=实际扬程+损失扬程
（3）功率
水泵功率有两种:
有效功率PM和轴功率PN。
有效功率PM（KW）为泵内液体实际所获得的净功率；轴功率PM（KW）是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由电动机传给水泵轴上的功率。
轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功率。
（4）效率
有效功率与轴功率的比值为效率η
（2-1）
水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。
（5）转速n
转速n是指叶轮每分钟的转数。
当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。
（6）压力p
P表示供水系统中某个位置或某个点水压的物理量，其大小在静态时取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与供水流量与用水流量之间的平衡情况有关。
2.1.2水泵的供水特性
水泵的供水特性包括扬程特性和管阻特性[7]。
（1）扬程特性
在管路中阀门完全打开的情况下，表明全扬程H随用水量Q变化曲线H=f（Q），称为扬程特性曲线，如图2-1所示。
图中A1点是流量较小（等于Q1）时的情形，这时全扬程较大，为H1；A2点是流量较大（等于Q2）时的情形，这时全扬程较小，为H2。
当流量越大时，管道中的摩擦损失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系统的全扬程就越小。
流量的大小取决于用户，是“用水流量”。
因此，扬程特性反映了用户的用水需求对全扬程的影响。
图2-1水泵的扬程特性
（2）管阻特性
管阻是管道系统（包括水管、阀门等）对水流阻力的物理量。
通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。
管阻特性也叫管路特性，是反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量，它和阀门开度有关。
实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定流量的水所需要的扬程，因此这里的流量可以理解为“供水流量”，用Q表示.所以管阻特性的函数关系是H=f（Q），如图2-2所示，供水流量较小（Q=Q1）时，所需扬程也较小（H=H1），如点B1;反之，在供水流量较大（Q=Q2）时，所需扬程也较大（H=H2），如点B2。
管阻特性的起始扬程等于静扬程HA，如果全扬程小于静扬程的话，将不足以克服管路的管阻，从而不能供水，因此，静扬程也是能够供水的“基本扬
程”。
图2-2水泵的管阻特性
2.1.3水泵的工作点确定
水泵工作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[8]。
水泵在实际运行时的工况点取决于水泵性能管路性能以及所需实际扬程。
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。
如果把某一水泵扬程特性曲线和管阻特性曲线画在同一坐标系中（图2-3），则这两条曲线的交点A就是水泵的工作点。
图2-3水泵的工作点的确定
工作点A是水泵运行的理想工作点，若把水泵的效率曲线也画在同一坐标系中，在图2-3中可以找出A点的扬程H、流量Q以及效率η。
从图中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的扬程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到流量和能量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。
实际运行时水泵并非总是固定在A点。
一旦当水泵和管阻特性中的一个参数或所有参数同时发生变化时，平衡就会被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。
另外确定工况点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。
工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中的一个重要问题[9]。
供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率P（KW）称为供水功率，供水功率与流量Q和扬程H的乘积（如图2-3中0QAAHA的面积）成正比。
2.1.4水泵的工作点调节
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。
所以在供水系统中，最根本的控制对象是流量。
而流量的大小又取决于扬程，实际运行中水泵的流量是随着用水量的变化而变化的，扬程也因水位和流量的变化而变化，因此水泵不能总工作在一个工况点，需要根据实际情况进行控制，因此要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手，即工况点的调节方法，常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种[9][10]：
（1）
阀门控制法
图2-4管网和泵运行曲线
阀门控制法属于节流调节，即通过关小或开大阀门来调节流量，而泵的转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。
这时管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节，如图2-4所示。
泵的初始工作点在A点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需得扬程、流量相等。
当用户所需流量减少时，设从Qa降至Qb，必须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出口水流量，使之与管网所需流量相等，否则会因管网过载而造成爆管的危险。
此时，管阻特性由曲线2变为曲线4，水泵的工况点则沿着水泵特性曲线由A点移至B点，此时流量减小了，但扬程却由HA增大到HB。
供水功率与面积OEBF成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。
并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H增大，而被浪费的功率要随之增加。
（2）转速控制法
转速控制法属于变速调节，是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度），转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求，当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变而管阻特性不变。
如图2-4，当用户所需用水流量由QA减小至QB，当转速下降时，扬程特性变为曲线3，管阻特性仍为特性曲线2，故工作点从A点移动到C点，在C点流量减小为QB，而扬程减小为HC，供水功率与面积0ECHC成正比。
两种方法比较:
由于阀门控制是通过增加管道的阻力而达到控制流量的目的，因而浪费了能量;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，从而达到节能的效果。
但由于开环转速控制中，扬程随着流量的减小而减小，往往不能满足实际工程需要。
图2.5变频恒压控制工况点调节
因此采用闭环恒压控制，对于变频调速恒压控制，工况点如图2.5所示，理想运行特性曲线为直线H*ABC。
2.3三相异步电动机的调速
2.3.1异步电动机调速原理
变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。
因此，供水系统变频调速的实质是异步电动机的变频调速。
三相异步电动机的调速是指在电动机负载不变的条件下，通过控制改变电机转速，达到用户要求。
这种调速方式，可以大大简化系统中的变速机构，提高系统的性能价格比。
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。
异步电动机的同步转速为:
（2-2）
其中n0是异步电动机的同步转速，f1是异步电动机的电源频率，p为异步电动机的极对数。
异步电动机的转差率为：
（2-3）
其中n为异步电动机的转子转速。
根据公式（2.3）和公式（2.2），得三相异步电动机的转速为:
（2-4）
2.3.2调速方法
由公式（2.4）可知，异步电动机可以通过改变电源频
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