基于变频器+PLC的小区恒压供水控制应用.docx
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基于变频器+PLC的小区恒压供水控制应用
机电系毕业设计任务书
（一）
一、设计题目基于变频器+PLC的小区恒压供水控制应用
二、设计目标
1）掌握变频器在恒压供水控制中的连接方式。
2）掌握PLC的基本原理和简单使用方法。
3）掌握小区恒压供水设计方法。
4）掌握器件选用的方法。
三、设计内容
利用变频器+PLC设计小区恒压供水的自动控制装置。
1）采用闭环控制装置，用压力变送器反馈信号。
2）变频器在控制中采用PID调节方式。
3）有工频和变频转换装置。
4）用PLC作为外围控制器。
5）完善的状态显示和报警信息显示。
6）合理的小区用水供水容量和压力设计，有完整的电器原理图和元件表。
7）完整的变频器参数调整方法。
8）设计梯形图，语句表。
四、毕业设计说明书（15000以上）。
以机电系毕业设计说明书格式为准。
1）设计题目
2）设计方案论证
3）控制原理说明
4）元件明细表
5）设计总结及改进意见
6）主要参考资料
五、参考文献
变频器原理及应用高等教育出版社主编王廷才
可编程序控制器的应用技术机械工业出版社主编王兆义
可编程序控制器的原理及程序设计电子工业出版社主编崔亚军
六、自查其它参考文献
目录
摘要………………………………………………….…………………4
前言………………………………………………….…………………6
第一章：
供水系统方案设计与选择…………………….………7
1.1传统的供水方式…………………………………………….7
1.2水泵调速节能原理………………………………………….7
1.3变频调速原理……………………………………………….8
1.4：
系统方案设计……………………………………………….9
1.5：
系统方案的选择…………………………………………….10
第二章：
元器件简介与选用………………………………………11
2.1：
供水水泵的选择…………………………………………….11
2.2：
变频器的应用及发展……………………………………….12
2.3：
变频器的选型………………………………………………..13
2.4：
PLC的应用及发展………………………………………….14
2.5：
PLC的选型………………………………………………….15
2.6低压电器的选择…………………………………………….16
2.7压力变送器的原理………………………………………….17
第三章：
系统原理概述及硬件电路……………………………..18
3.1：
系统的组成部分……………………………………………..18
3.2：
变频器的输入/输出及外围接线…………………………….19
3.3：
PLCI/O分配及外围接线…………………………………….20
3.4供水系统状态显示与报警设计…………………………….22
3.5恒压供水系统原理图及原理……………………………….22
第四章：
系统PLC程序及变频器参数………………………...22
4.1：
供水系统PLC流程图………………………………………25
4.2：
供水系统PLC程序…………………………………………27
4.3：
变频器的内置参数设定…………………………………….44
第五章：
总结与致谢
总结与致谢…………………………………………………..45
元件明细表…………………………………………………….46
参考文献……………………………………………………….47
附表：
附表一………………………………………………………….48
附表二………………………………………………………….49
摘要
随着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;再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
本文阐明了供水系统的变频调速节能原理，分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较。
本文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。
通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用压力变送器的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水和有效节能的目的。
关键词：
恒压供水，PLC,变频调速
Abstract
Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupply’squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.
Thispaperexplainswatersupplysystem’senergy-savingprincipleofpumpspeedcontrol,analyzesthestructureofVFspeedregulatingconstantpressurewatersupplyandgivesservealcontrolmethodswhosefeaturesareresearchedandcomparedinthispaper.OnthebasisofabovePLCandinverter’smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.SettingupinadvancedtheparameterofthePIDmodularbuilt-inthetransducer,asystemofclosedcircuitusingthefeedbackofhydraulicpressureoffarbiographypressuretablehasformedAccordingtothechangeofwaterconsumption,withPID,Inthesphereofwholerateofflow,combiningtheconstantregulationofthepumpoffrequencyconversionwiththeworkfrequencypumpgraderegulation,thesystemofclosedcircuitcircuitcanrealizetheconstantpressurewatersupplyandsaveenergyefficiently.Thedesignofthesystem’shardwareandsoftenisintroducedthoroughly,andsystem’squestionandsuppressivewaysareputforwardintheend.
Keywords：
Constantpressurewater-supply，PLC，
Variablevelocityvariable-frequency
前言
通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统，在实际应用中得到了很大的发展。
在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型PLC+变频器恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有明显的优势，而且具有显著的节能效果。
另外变频恒压供水还具有如下优点：
（1）高效节能，占地面积小，投入少，效率高。
（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
（4）运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减小，水泵的寿命将大为提高。
（5）由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应。
（6）操作简便，省时省力。
总之，变频调速供水控制系统的应用，为人民群众的生活带来了极大的方便，将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。
第一章供水系统方案设计与选择
1.1传统的供水方式
传统的小区供水方式有:
恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水。
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，。
水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器。
气压罐供水具有体积小、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，对电器设备要求较高、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，致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高，使浪费加大。
1.2水泵调速节能原理、
在水泵轴功率一定的前提下，扬程H与流量Q之间的关系称为扬程特性，其曲线如图1.1的2和4.曲线2为水泵转速较高的时候，曲线4为水泵转速较低的时候。
装置的扬程Hc与管路的流量Q的关系称为管路的阻力特性，如图1.1中的曲线1和3，曲线1为开大管路管阻较小的情况，曲线3为开小管路管阻较大的情况。
如图1.1曲线1表示阀门全部打开时供水系统的阻力特性；曲线2是水泵额定转速时的扬程特性。
这是供水系统工作在A点、流量为QA、扬程为HA。
电机的轴功率与面积OQAAHA成正比，要将供水流量调节为QB有两种方法：
①转速不变，将阀门关小：
工作点移至B点、流量为QB、扬程为HB。
电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。
②阀门的开度不变，降低转速：
降低转速后的扬程特性曲线如图中的4，工作点移至C点流量为QB扬程为HC电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。
HB
O
4
3
1
2
HC
HA
H
C
QB
QA
Q
B
A
图1.1水泵的流量调节
将上述两种方法对比，知面积OQBBHB>OQBCHC即调节水泵的转速可以大大降低电机轴功率，起到节能的目的。
1.3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。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
根据电机学原理可知，三相异步电机的同步转速可表示为：
n=60f/p（1-1）
其中f味定子供电频率；p为电动机的磁极对数。
而异步电机的转速
N=n（1-s）=60f（1-s）/p（1-2）
其中s为转差率，大电机在额定状态下运行时，s比较小。
从上式可知，当极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节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、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。
1.4系统方案的设计
由上述的分析及变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换.。
根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择:
1、变频器+水泵机组+压力变送器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器上，通过设置指令代码实现PLC和PID等的控制功能。
它虽然简化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量。
2、通用变频器+单片机十压力变送器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
3、通用变频器+PLC+压力变送器器
这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和IO的外部接线,当控制要求发生改变时，可以方便地改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗千扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
1.5系统方案选择
通过对以上这几种方案的比较和分析，本设计采PLC与变频器及压力变送器等器件构成闭环控制系统。
通过压力变送器对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的启、停，实现恒压、变量的供水，以达到节能、恒压的目的。
为节省控制成本和根据小区供水需求，采用一台变频器对多台水泵进行变频控制。
由于变频器均集成有PID闭环控制功能，则PLC只需负责控制水泵的切换。
图1.2.系统方案图
第二章元器件简介与选用
2.1供水水泵的选择
某居民小区共有10栋楼，均为7层建筑，总居住560户，住宅类型为表2.1中的3型。
根据经验数据：
平房供水压力P=0.12MPa；
楼房供水压力P=（0.08+0.04Ｘ楼层数）MPa。
根据表1确定用水量标准为0.19m3/（人.日）。
根据附表1确定每小时最大用水量为105m3/h。
根据7层楼的高度可确定设置供水压力为0.36MPa。
根据附表2确定水泵型号为65LG36-20X2共3台，水泵自带电机功率为7.5kw，电源为380V，额定电流11.4A。
表2-1不同住宅类型的用水标准
住宅类型
给水卫生器具完善程度
用水标准（m3/人.日）
小时变化系数
1
仅有水龙头
0.04—0.08
2.5—2.0
2
有给水卫生器具无淋浴
0.085—0.13
2.5—2.0
3
有给水卫生器具有淋浴
0.13—0.19
2.5—1.8
4
有给水卫生器具无淋浴和集中热水供应
0.17—0.25
2.0—1.6
2.2变频器的应用及发展
变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。
变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。
据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1．8亿千瓦。
因此国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。
应用变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。
以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。
当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。
因此，精确调速的节电效果非常可观。
与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。
而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高，如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率，因此，变动负载的节能潜力巨大。
另外在进入21世纪的今天，电力电子的基片已从Si变换为Sic，使电力电子器件进入到高电压大容量化、高频化、组件模块化、微小型化、智能化和低成本化的时代，多种适宜变频调速的新型电气设备正在开发之中。
IT技术的迅猛发展，以及控制理论的不断创新，这些与变频器有关的技术将使变频器朝着智能化、专门化、一体化、环保化发展。
2.3变频器的选型
（1）.容量确定方法
依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。
在一台变频器驱
动一台电机连续运转时，变频器容量（kVA）应同时满足下列三式
PCN≥KPM/ηCOSΦ（kVA）（2-1）
PCN≥K×√3UMIM×10-3（kVA）（2-2）
ICN≥KIM（A）（2-3）
式中，PM一负载所要求的电动机的输出功率;
η一电动机的效率（通常在0.85以上）;
cosφ一电动机的功率因数（通常在0.8以上）;
UM一电动机电压（V）;
IM一电动机工频电源时的电流（A）;
k一电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.05
PCN一变频器的额定容量（（KVA）;
ICN一变频器的额定电流（A）.
这三个式子是统一的，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。
（2）.型号选择
根据控制功能不同，通用变频器为分为三种类型。
普通功能型U/f控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器，矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的森兰SB60P12，变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。
其主要参数如下。
额定输出容量:
12（kVA）;
额定输出电流:
18A;
过载容量:
150%额定输出电流、1分钟;
输出电压：
0-380V对应频率0-400HZ
2.4PLC的应用及发展
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”作为通用工业控制计算机，30年来PLC从无到有，实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制、及集散控制等各种任务的跨越。
今天的可编程控制器正在成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
主要应用于开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、通信及联网、数据处理及过程控制等。
2.5PLC的选型
由于本次设计应用的PLC只是对水泵进行切换，只需要进行顺序逻辑控制，所以其应用功能比较简单，只需要选用一般的PLC就可以了。
在满足设计功能的前提下，对现在市场上各家PLC价格进行比较之后，选用三菱公司生产的FX系列FX1S型号的可编程控制器。
根据本次论文的要求，进行分析后可知设计的I/O点数为15，考虑到所选PLC其I/O点数要有一定的余量，所以选用的PLC型号为FX1S-20MR/MT。
FX1S系列PLC把优良的特点都融合进一个很小的控制器中，它适用于最小的封装，并且能通过串行通信传输数据，所以它能用在紧凑型PLC不能应用的地方。
内置式24V直流电源，24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件，其工作电源为交流电源。
2.6低压电器的选择
2.6.1低压断路器的选择
由于抵押断路器具有过电流欠电压等保护功能，当变频器的输入侧及电路中发生短路或电源电压过低等故障时，可迅速进行保护。
但是为了不必要的误动作，应充分考虑电路中的正常过电流。
如变频器接通瞬间，对电容器的充电电流可高达额定电流的2-3倍。
变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流。
一般变频器允许过载能力为150%，1min。
为了避免误动作低压断路器QF1的额定电流IQN应为：
IQN1≥（1.3-1.4）IN=（1.3-1.4）×18≈26A（2-4）
QF1选30A
其中IN为变频器的额定电流,查阅变频器手册知，IN=18A。
在电动机要求变频和工频的切换的驱动电路中，低压断路器应按电动机在工频下的启动电流来考虑，QF2、QF3、QF4低压断路器应选择为：
IQN2≥2.5IMN=2.5×11.4≈30A（2-5）
所以QF2、QF3、QF4选30A
其中IM.N为电机额定电流，等于11.4A。
由于QF5是为PLC及散热风机供应电源，由于风机功率较小再次不在考虑，所以QF5流过电流较小，与前者相比可以忽略不计。
由此可知低压断路器QF0额定电流应选为：
IQN≥IQN1+2IQN2≈90A（2-6）
所以QF0选100A
2.6.2接触器的选择
接触器的选择应考虑到电动机在工频下的启动情况，其触点电流通常可以按电动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流IMN=11.4A，所以接触器的触电电流选为20A即可。
2.7压力变送器的原理与选择
压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送
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