恒压变频供水控制系统设计毕业设计说明书.docx
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恒压变频供水控制系统设计毕业设计说明书
2014届毕业设计说明书
恒压变频供水控制系统设计
摘要
近几年我国城市建设发展迅猛，同时在基础设施建设方面提出了跟高的要求。
城市高楼居民用水，一直是困扰城市发展的一个难题，供水的可靠性、稳定性和经济+性直接影响这人们的正常工作和生活。
随着人们生活方式的变化和生活水平的提高，供水系统的个项性能要求不断提高。
利用高效的自动化技术，设计低能耗、高效率、能适应复杂环境的恒压供水系统。
本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:
变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。
因此本文以采用变频器和PLC组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。
通过对本系统I/O点数的统计，得出本系统有15个输出点数，9个输入点数，依据PLC选型留有10%的裕量的原则，系统选用了三菱FX2N系列PLC。
水泵选型时，从流量、功率、扬程三方面进行综合考虑，水泵扬程应是实际扬程的1.1~1.2倍，本次设计选用了80DL2型号的水泵。
变频器选用了FR-F700，可接电机功率为15（kW），在变频控制过程中，由变频器内部的PID控制方式完成。
在程序设计时结合硬件电路，选用顺序功能控制设计方法进行程序设计。
程序由GX-Developer编写完成，通过MCGS进行该系统的组态设计，最后分析该系统的供水效益，结果显示具有明显的节能效益。
关键词：
PLC；变频调速；恒压供水；设计；MCGS
ABSTRACT
FastdevelopmentofcityconstructioninChinainrecentyears,atthesametime,intheaspectofinfrastructureconstructionisproposedwithhighrequirements.Cityhigh-riseresidentialwater,hasalwaysbeenadifficultyinurbandevelopment,watersupplyreliability,stabilityandeconomydirectlyaffectsthenormalworkandlifeofpeople.Aspeoplelifestylechangesandimprovementoflivingstandards,increasingwatersupplysystemofaperformancerequirements.Efficientautomationtechnologyisusedtodesignlowpowerconsumption,highefficiency,canadapttothecomplexenvironmentofconstantpressurewatersupplysystem.
Inthispaper,firstofall,accordingtotheoperationofthepipenetworkandpumpcharacteristiccurveillustratestheprincipleoffrequencycontrolofmotorspeedandenergysavingwatersupplysystem;Analyzesthecompositionoftheprincipleofvariablefrequencyconstantpressurewatersupplyandsystemstructure,throughresearchandcomparison,drawtheconclusion:
frequencycontrolofmotorspeedisabenefitisthehighestintheworld,andthebestperformance,themostwidelyused,themostpromisingmotorspeedcontroltechnology.Sothisarticle,intheformofcombinationofthefrequencyconverterandPLCsystem,withawaterpumpmotorcontrolsysteminresidentialareaasanobject,expoundshowtorealizetheconstantpressurewatersupplygradually.
ThissystemforPLCoutputhas15points,nineinputpoints.BasedontheprinciplesoftypeselectionofPLC,thesystemselectsthemitsubishiFX2NseriesPLC,mitsubishianddedicatedFR-F700seriesinverter,theinvertercanbeaverygooddrivepumpmotorstartup.Intheprocessoffrequencyconversioncontrol,performedbyfrequencyconverterinternalPIDcontrolmethod.Whenprogrammingcombinedwithhardwarecircuit,selectsthesequentialfunctioncontroldesignmethodforprogramdesign.ProgramsarewrittenbyGX-Developercomplete,throughtheMCGSconfigurationdesignofthesystem,inthefinalanalysisthesystemofwatersupplybenefits,resultsshowedthathasobviousenergysavingefficiency.
Keywords:
PLC;frequencycontrol;constantpressurewatersupply;MCGS
1绪论
1.1本课题产生的背景和意义
这些年城市建设和城乡结合发展迅速，但市政供水、工业供水，高层建筑供水，居民生活供水在我国一直落后，这种局面严重恶影响我国城市建设的发展和小康社会的发展。
电机供水和水塔二次供水时我国传统供水方式，传统供方式是靠建在高处的水塔来储存水的，然后通过水塔的高度形成一个压力差实现供水。
传统的电机供水，电网由于电机频繁启动首到很大影响，设备寿命受到影响。
水塔供水，修建水塔要占据很大面积且投资成本大，而水长期储存在水塔内，对水质有严重的影响容易受到污染。
因传统供水存在各方面的不足，人们开始寻求一种更好的供水方式。
恒压变频供水，是随着变频器的发展而兴起的，恒压变频供水的出现，弥补了传统供水个方面的缺陷，给供水方式带来一场变革。
在恒压变频供水中，电机运行稳定，占地面积小，电机也不需要电机频繁启动，不会像水塔二次供水一样带来二次污染。
这种自动化程度高的供水方式，在生产中有效的提高了劳动者的生产效率，降低了管理难度，在生活中，有效的供水方式，提高了人们的生活质量。
明显可以看出恒压变频供水有传统供水方式。
在国内恒压变频供水还有很好的发展前景，能带来更高的社会效益。
1.2变频恒压供水的现况
变频变频调速技术的发展，促使了恒压变频技术的快速发展，恒压供水在国外已经相当成熟可靠，变频技术也十分先进。
在国外有不少变频器生产商，专门针对变频供水研发变频器。
日本的Samco公司，开发了一种集成的基板具有两种变频方式，固定式和循环式。
一台变频器只驱动一台水泵，是国外的主要设计方式。
单一驱动这种设计，安全可靠，更加灵活。
变频器本身就比较昂贵，采取一对一控制，投资成本很高。
在国内做恒压变频供水有不少公司，但在各方面的性能，都很难满足用要求。
国内有用PLC实现的，也有用单片机实现的，在某些方面落后与国外，主要是因为国内变频技术没国外先进。
国内的艾默生和程度希望集团，也专门设计了应用于供水变频器，该变频器把PLC和PID集成在一起，这种变频器在安装的时候比较方便。
但由于国产变频器技术的限制，该变频器适应于供水量小，而且供水要求较低的地方。
随着变频器技术的不断创新、国内科研人员的不断完善，恒压供水一定会有更好的发展前景和更大的发展空间。
最终将广泛应用于生产生活中，从而改善人民生活质量，提高人们的生活水平。
1.3变频供水系统的应用
在很多行业中都用到了变频恒压供水，大致可分为三类依据适用范围：
（1）小型供水系统
工厂，高层建筑，小型加压站都适用该供水系统，适用的原因是，功率小成本低，操作简单。
这些场所在国内应用的最多，而用户群比较大。
（2）中小型水供水系统
中小供水厂、辅助供水厂常常用到此类型系统。
此类供水系统，供水能力比较强，一般功率有135kV～320kW。
由于该种系统对控制要求不是很高，所以一般有国产的变频器控制。
（3）大型供水系统
大中型城市的供水往往采用的就是这种系统，这种系统供水能力强，供水范围广。
供水能力强和供水范围广，使得该系统的能耗大、水泵机组多和需要采用高压供电。
这种系统控制要求高，一版采用国外的变频器控制[1]。
1.4本人的主要工作
恒压变频供水主要由PLC和变频器控制实现。
本次设计中，进行了系统主电路、控制电路设计，首先要对PLC进行选型，选型是根据PLC的输入输出点数来选择，我们的系统有15个输入点，和9个输出点，所以PLC选用了三菱的FX2N系列PLC（FX2N-32MR），变频器选用了三菱变频器系列变频器。
程序由GX-Developer编写完成，系统组态设计由MCGS设计完成。
在控制过程中，电控系统由FX2N完成，变频器完成PID控制。
2变频恒压供水的理论分析
2.1水泵的工作原理
水主要由离心泵从深水区抽出地表在送往用户，离心泵的工作示意图如图1所示：
水泵在电机的带动下，使泵轴随着电机一起转动，半轴带动叶轮转动，叶轮将水从深水区吸上来达到抽水的效果。
详细过程为：
液体灌满水泵后，启动时电机带动泵轴转动，泵轴带动叶轮转动，叶轮带动液体流动。
液体在离心力的作用下，获得能量往外流动，最后在压力的作用下排出管道。
排出管道后，送至用户。
图1离心泵工作示意图
2.2供水电机的搭配
电机主要是给水泵通过能量，所以电机的备置取决于供水负载。
电动机要尽量在额定负载下运行。
电机选择时应注意功率的选择：
电动机功率过大，将造成电机长期过载，损坏绝缘层，甚至烧毁电机；电动功率过小，可能出现电机堵死情况，功率过小电机的机械输出功率低，功率因素低和效率低，严重影响用户和电网，还造成较大浪费[2]。
电机功率的选择，负载一定时，负载的功率
（kW），可以通过1计算所需电机功率
（kW）:
（1）
式中，机械效率是
，电动机效率是
。
2.3离心泵的调节方式
（1）变速调节
改变水泵的转速n，使水泵的性能发生变化，从而使水泵的工况点发生变化，这种方法称为变速调节。
（2）变径调节
叶轮经过车削以后，水泵的性能将按照一定的规律发生变化，从而使水泵的工况点发生改变。
我们把车削叶轮改变水泵工况点的方法，称为变径调节。
（3）变角调节
改变叶片的安装角度可以使水泵的性能发生变化，从而达到改变水泵工况点的目的。
这种改变工况点的方式称为水泵的变角调节。
（4）节流调节
对于出水管路安装闸阀的水泵装置来说，把闸阀关小时，在管路中增加了局部阻力，则管路特性曲线变陡，其工况点就沿着水泵的Q-H曲线向左上方移动。
闸阀关得越小，增加的阻力越大，流量就变得越小。
这种通过关小闸阀来改变水泵工况点的方法，称为节流调节或变阀调节。
关小闸阀，管路局部水头损失增加，管路系统特性曲线向左上方移动，水泵工况点也向左上方移动。
闸阀关得越小，局部水头损失越大，流量也就越小。
由此可见节流调节不仅增加局部水头损失，而且减少了出水量，很不经济。
但由于其简便易行，在小型水泵装置和水泵性能试验中应用较多[3]。
2.4恒压供水系统供水特性分析
本系统的供水特性曲线如图2所示。
由图可知，水流量Q越大，扬程H月小。
在水泵电机转速和供水系统阀门开度不变的情况下，居民用水决定了流量的大小，所也扬程特性去先反应了扬程与流量的关系。
水泵转速一定，管阻特性描述的是，阀门开度在某一值，流量与扬程的关系。
管组特性反应了水泵克服管壁阻力及水泵系统压力差时，管道中流体流动的变化规律。
图2中扬程特性和管阻特性的交点，是系统稳定运行的工作点，在这点供水量与用水量基本处于平衡，这点符合扬程特性，也符合管组特性[4]。
对整个供水系统而言，最终要达到的目的是，满足用户对水量的需求。
流量越大水量也就越大，对系统而言只能对流量进行控制。
由此看来，系统的基本控制对象是水的流量。
在系统动态情况下，系统供水能力、用户用水量、管道水压大小之间的平衡关系如下：
供水量>用水量时，管道压力变大；
供水量<用水量时，管道压力变小；
供水量=用水量时，管道压力不变；
由上面的关系可知，管道的压力变化反应了供水量与用水量之间的关系。
由此可以通过压力传感器，取得管道压力变化的参数，压力的变化可以做为控制流量的参变量。
通过压力传感器反馈回来的信号，可有效地调节系统供水的压力值[5]。
图2供水特性曲线
2.5水锤效应
水锤效应是指水泵在起动和停止时，水流冲击管道，产生的一种严重的水击。
异步电动机在全压起动时，从静止状态加速到额定转速，水量从零猛增到额定流量。
流体不像气体有那么大可压缩性，水量猛增时流体具有动量和一定的可压缩性，极短时间内管道里的水量巨增，水会对管道产生过高的压强。
管壁受到巨大压力的撞击，管壁发受力发出噪声，声音就像锤子敲击管道一样，这就称为水锤效应[6]。
水锤效应对供水系统具有极大的破坏性，过高的压强容易引起管道爆裂，在空化时，压强过低可能导致管道瘪塌。
除此之外，阀门和其他固定器件也可能因水锤效应而损坏。
防止水锤效应的几种措施：
（1）采取恒压变频控制技术
（2）采取泄压保护技术
（3）采取控制流技术
（4）在管道中的峰点，安装可靠的排气阀。
2.6供水系统的组成
本系统的主要组成部分是变频器，压力传感器，恒压调控单元，水泵机组和低压电器[7]。
各部分功能如下：
（1）变频器，变频器用于接收传感器返回的压力信号，通过PID调节器可以调节电机转速，从而达到调节管网压力和水量的目的。
（2）压力传感器，压力传感器能将得到的压力信号，转变成电信号的形式。
（3）PLC，PLC对水泵进行切换、控制等。
（4）水泵，实现从低处往高处供水，用来提高水压。
（5）低压电器，低压电器与设计外围电路，当控制系统自动运行出现故障时，可以同过人工调节维持系统的运行，以保供水的可靠性。
3恒压变频供水控制系统硬件的设计
3.1恒压变频供水控制系统的设计方案
从系统的原理依据来看，系统由五个部分组成，变频器即恒压控制单元；PLC，即系统控制单元；敏感器件压力传感器，即信号检测单元；水泵机组，即执行机构；低压电器，即电控单元，有低压继电器，接触器等。
这五部分组成了一个完整恒压变频系统[8]。
图3系统构成框图
PLC能够很好的是模块化控制，而且通用性强，用户可以灵活的设计适合具体环境的控制系统。
由于PLC是可编程控制设备，在硬件修改和维护上也十分简便，很多时候只要重新编写程序，就可以改变功能来适应新的硬件电路。
PLC能在恶劣的环境下稳定运行，所以系统在稳定性和可靠性方面大大提高[9]。
3.2选择供水设备的原则
在供水设备的选择上主要考虑的依据是用户的水量需求，用户量大供水量也就大。
有关数据依据统计在表1中。
按照《城市居民生活用水标准》GB/T50331-2002，得到我国人均日用水量标准，如表1所示。
表1居民人均日用水量统计表
分类
拘谨型（L/d）
（%）
节约型
（L/d）
（%）
一般型
（L/d）
（%）
冲厕
30
34.8
35
32.1
40
29.1
淋浴
21.8
25.3
32.4
29.7
39.6
28.8
洗衣
7.32
8.4
8.55
7.8
9.32
6.8
厨用
21.38
24.80
25
23
29.6
21.5
饮用
1.8
2.1
2
1.8
3
2.2
浇花
2
2.3
3
2.8
8
5.8
卫用
2
2.3
3
2.8
8
5.8
合计
86.21
100
108.95
100
137.52
100
用水规模换算，不同的小区有不同的用户数量，表2是在给定用户量时的用水规模表。
表2供水规模换算表
人数
拘谨型
（
）
节约型
（
）
一般型
（
）
450
38.80
49.02
61.88
600
51.72
65.37
82.51
700
60.34
76.27
96.26
800
68.97
87.16
110.01
1000
86.21
108.95
137.52
小区供水的水泵功率计算公式：
（2）
式中Q是流量，t1时间，
=10×103Kg/m3。
（3）
式中h是供水高度，g=10m/s2
系统水泵根据以下原则设计：
（3）蓄水池的最大容量应大于每小时用户对水的需求量；
（4）水泵扬程应是实际供水高度的1.1~1.2倍[10]。
（5）水泵最大流量总和应大于实际最供水的最大流量。
3.3供水设备的选择
3.3.1水泵的参数计算与型号的选择
（1）由水泵的设计原则，人均每天的用水量，应以用水情况一般的住户为准。
（2）针对用户人600人的住宅小区设计时，由水泵的设计原则可知，该住宅区一小时内的用户最大的需求量Q为82.51（m3/h）。
（3）楼层高度一般3.5米，那么10层楼为35米，由公式
（2）和公式（3）
（Kg）
（kW）
根据功率，扬程等要求，本设计中选择80DL2，水泵参数如下表3
表3水泵参数
型号
流量（m3/h）
扬程（m）
转速（r/min）
电机功率（kW）
80DL2
32.4
42
2900
11
3.3.2变频器
本系统采用三菱FR-F700系列变频器，适应电机容量15（kW），
图4变频器
端子功能介绍
各端子的功能如表4所示。
表4FR-F700端子功能表
端子
端子功能
STF
正转起动
STR
反转起动
STOP
起动
RH，RM，RL
多段速度选择
JOG
电动模式选择
RT
第二/减速时间选择
MRS
输出停止
RES
复位
AU
电流输入选择
CS
瞬停再启动选择
SD
公共输入端（漏型）
PC
直流24V电源和外部晶体管公共端接入点
10E
频率设定电源
10
频率设定电源
2
频率设定（电压）
4
频率设定（电流）
1
辅助频率设定
5
频率设定公共端
A,B,C
异常输出
RUN
变频器正在运行
SU
频率到达
OL
过负荷报警
IPF
瞬时停电
FU
频率检测
SE
集电极开路输出公共端
FM
指示仪表用
AM
模拟信号输出
PU
PU接口
3.3.3压力传感器的选择
CYYB-120的参数如表5所示
应用范围广，在航空航天、石油化工、科学试验、制冷设备、工程机械、污水处理等液压系统产品中都能选用CYYB-12进行压力检测。
CYYB-120几乎所有压力测控领域都可以适应[11]。
主要特点：
（1）精度高、稳定性高、工作温度范围大。
（2）耐震动、防水、抗冲击、体积小。
（3）良好的互换性、抗干扰能力强、标准信号输出。
（4）价格低矩有价格优势。
表5CYYB-120的参数
参数类型
参数值
电源电压
24V
零点输出（20℃）
4.000
满量程输出（20℃）
20.000
静态精度（20℃）
0.2
%F.S
灵敏度温度系数
0.02
%F.S
零点温度系数
0.02
%F.S
工作温度
-25~+85
响应时间
1ms
3.4PLC的选型
3.4.1PLC选型的基本原则
PLC是系统主要的控制元件，PLC系统应用设计中，PLC选型很重要的一步。
目前，国内外生产的PLC种类很多，大多都能实现恒压变频供水系统的设计。
在PLC选型时，应考虑以到下几个方面[12]。
（1）输入输出点的规模要适当，。
（2）功能，结构要合理。
（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确。
（4）要考虑运行环境条件。
（5）在设计I/O时应留有10%裕量，确保其有良好的可扩展性。
（6）考虑可投入的成本支出
3.4.2输入输出点的统计
本系统设计有15个输入点，9个输出点。
输入输出点的统计结果如表6所示。
由I/O统计表，表5和PLC的选型原则，这次设计选择三菱PLC，FX2N-32MR
FX2N系列是三菱PLC中最先进的系列。
有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块，灵活性和控制能力强，可扩展到256点。
输入点：
启动按钮（SB1），停止按钮（SB2），M1工频（SB3），M1变频（SB4），M2工频（SB5），M2变频（SB6），M1工频（SB7），M1变频（SB9），自动手动选择（SB10），手动变频启动（SB16），上限增泵（FU），下限减泵（OL），M1过载检测（S2），M2过载检测（S3），M3过载检测（S4）。
输出点数：
M1变频（KM0），M2工频（KM1），M3变频（KM2），M4工频（KM3），M5变频（KM4），M6工频（KM5），电机正转（KM6），接变频器（KM7），报警信号（KM8）。
表6I/O统计表
输入器件
输出器件
编号
符号
作用
编号
符号
作用
1
SB1
启动按钮
1
KM0
M1变频
2
SB2
停止按钮
2
KM1
M1工频
3
FU
上限增泵
3
KM2
M2变频
4
OL
下限减泵
4
KM3
M2工频
5
S2
M1过载检测
5
KM4
M3变频
6
S3
M2过载检测
6
KM5
M3工频
7
S4
M3过载检测
7
KM6
电机正转
8
SB3
M1工频
8
KM7
接变频器
9
SB4
M1变频
9
升级会员 