精选组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告.docx

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精选组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告

组态软件在恒压供水中的应用实施可行性研究报告

摘要

随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。

为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。

本论文结合现状，运用MCGS与PLC设计了一套变频调速恒压供水系统。

MCGS主画面直观，可以显示变频泵与工频泵随着测得压力的变化而变化，在画面切换按钮中可以切换至压力实时曲线、压力历史曲线等画面。

本设计可广泛应用于生活供水、高楼供水、工业用水等场合,实现节能、操作维护方便、安全可靠的目的,并为类似系统的工业设计提供了一种可行的设计方法。

第一章引言

一.1研究背景

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，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。

而用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。

例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。

把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。

在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。

所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

一.2供水现状

我国是一个发展中国家，多年来极其重视和发展能源的建设，尤其是水能、电能的发展。

但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，水能和电能的消耗更是与日俱增，在电能的供求方面仍存在一定的缺口。

据有关部门统计，在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的80%-90%，因此电力工程建设广泛推行各种节能措施。

目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。

电力拖动存在这样普遍的问题：

运行中电动机的大多数其平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。

平均负载率较低的原因很多。

例如，选用电动机时不太了解负载情况，不注意电动机和机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载等。

采用变频调速技术可改善起动性能及运行特性，提高电力系统的系统效率。

一.2.1供水方式比较

1、传统供水方式上，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这种简单的控制方法存在许多弊端，主要表现在：

（1）能源浪费较大。

当流量减少，减小阀门开度时，电机仍然在额定转速下运行，有相当一部分能量消耗在水流与挡板的阻力之上。

（2）电机在起动时，起动时间用不了1s，在这1s的时间内，管道内的水流量从零迅速增至额定流量，流量的急剧变化在管道内产生过高或过低的压力，产生所谓的“水锤效应”水锤效应不但产生噪声，在压力高的瞬间可能会造成管子或阀门破裂，而在压力低时，又会引起管道的瘪塌。

2、恒压供水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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是先进、合理的节能型供水系统。

在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。

虽然单泵系统设计简单可靠，但由于单泵深度调速方式造成水泵、电动机运行效率低，而多采用多泵控制方式。

一.2.2几类常用供水控制方式

（1）逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。

往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。

因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本较低。

（2）单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。

电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。

（3）带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式

该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。

传感器的任务是检测管网水压。

压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。

压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。

还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。

若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。

如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压供水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低供水设备成本的一个关键环节。

（4）新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。

这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。

由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。

在满足工艺要求的情况下应优先采用。

一.2.3变频恒压供水的模式

多泵并联变频恒压供水的模式通常是这样的：

当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水；当用水量增大时，变频泵的转速自动上升当变频泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由变频供水控制器（PLC）自动起动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。

该工频泵提供的流量是恒定的。

其余各并联工频泵按相同的原理投入。

反之，当用水流量下降时，变频调速泵的转速下降变频器供电频率下降，当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。

为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击（水力的或电流的冲击）在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。

在退出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。

上述频率自动上升、下降由变频供水控制器控制（PLC）控制。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状起动并先开先停的工作模式。

在这种供水模式中，当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水流量增大时，该泵的转速增高。

当该泵的转速升高到工频转速时，由变频供水控制器把该台水泵切换到工频供水。

变频器则另外起动一台并联泵投入工作。

随着用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软起动投入。

这就是循环软起动投入方式。

当用水流量减小时，各并联工频泵按次序关泵退出，并联泵退出的顺序按先投入先关泵的原则由变频供水控制器控制。

由上述可见，变频恒压供水通常有两种工作方式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软起动工作方式。

在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的。

因为变频泵固定不变，当用水流量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。

具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都可成为变频泵。

变频泵自动轮换功能可以使各并联泵定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，具有较多的优势，为此选用这种工作方式作为本课题的研究对象。

一.2.4国内变频供水调速系统发展

电气传动系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。

电气传动关系到如何合理地使用电动机，以节约电能和有效控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能到机械能的高效转换，最终达到优质、高产、低耗的目的的问题。

目前，电机调速技术己具备比较完备的技术和实践基础。

近年来，交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。

变频调速是交流调速的基础和主要内容。

上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。

但长期以来，交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。

变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。

现在，我国己有很多的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的研究开发工作。

但自行开发生产的变频调速产品和国际上的同类产品相比还有比较大的技术差距。

随着改革开放和经济的高速发展，变频调速己形成了一个巨大的市场。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）予以实现：

有的采用单片机及相应的软件予以实现。

这两种控制方案，从可靠性方面讲，PLC优于单片机，从经济性方面看，单片机优于PLC。

在变频与工频电源的切换技术上，多数采用主电路串接软起动器的方法进行降压起动，也有采用切换时封锁变频器的控制脉冲，使变频器输出为零，切换到工频电源上。

这两种方法，前者容易实现，软起动器一般为成品部件，但设备投资较大：

后者设备投资少，但频率波动大，易引起水管管网压力不稳定。

一.2.5国外变频供水调速系统发展

国外生产的变频器多为通用型且单机控制（即一台变频器拖动一台电机），功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在中、大容量的变频恒压供水系统中，为了满足供水量大小需求不同时，保证水管管网压力恒定，需在变频器外部提供压力闭环调节：

多台水泵的循环控制需外部提供逻辑控制：

在变频与工频电源的切换技术上，大多采用主电路串接软启动器降压启动的方法。

八十年代中期进入中国市场的日本Samco公司，推出了独有的恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可自接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。

该设备简化了电路结构，提高了系统的可靠性，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。

除此之外，针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO-I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的Gl1S/P11S系列产品等等。

一.3本章小结

本章通过对供水方式的比较得出一种最优的供水方式：

变频恒压供水。

这种供水方式是现今最合理的供水方式，它根据用水的实际情况变频调速供水，达到了能源的最大利用，节约了不必要的浪费。

第二章恒压供水系统设计

二.1设计目的

水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。

变频调速恒压供水技术其节能安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

对供水系统进行的控制是为了满足对流量的需求，供水流量的大小取决于扬程，但是实际的扬程不能进行具体的测量和控制。

考虑到在动态的情况下，管道中水压的大小于供水能力和用水需求之间的平衡情况，如供水能力>用水需求，则压力上升（p↑）；如供水能力<用水需求，则压力下降（p↓）；如供水能力＝用水需求，则压力不变（p＝p）。

就是说保持供水系统中某处的压力出于平衡状态，正好满足用水流量，这就是恒压供水所需要达到的目的。

图2.1恒压供水总体框图

二.2设计思路

多泵并联变频恒压供水的是这样的：

当用水量小于变频泵1在工频恒压条件下的流量时，由变频泵1调速恒压供水；随着用水量增大，变频泵1的转速自动上升当变频泵1的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，自动起动工频泵投入，变频泵1的频率在从零增加与工频泵并联供水。

该工频泵提供的流量是恒定的。

当用水量继续增大，变频泵1的转速自动上升当变频泵1的转速上升到工频转速时，自动起动变频泵2投入，变频泵1与工频泵按工频泵流量恒定输出，这时变频泵1、变频泵2与工频泵并联供水。

反之，当用水流量下降时，变频泵2的转速下降变频器供电频率下降，当频率下降到零流量的时候，自动关闭变频泵2使之退出并联供水。

当用水量继续减少时，变频泵1的频率下降直到零流量时，自动关闭工频泵使之退出并联供水。

变频泵1的频率在从最大下降。

变频泵自动轮换功能可以使各并联泵定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡，具有较多的优势，为此选用这种工作方式作为本课题的研究对象。

设计框图如下：

图2.2当测得压力<给定值下限的框图

图2.3当测得压力>给定值上限的框图

第三章恒压供水系统部件选择

三.1PLC简介

三.1.1PLC的特点

（1）PLC的通信

联网功能使PLC与个人计算机及其它智能控制设备之间可以交换信息，形成一个统一的整体，从而构成“集中管理、分散控制”的分布控制系统。

采用微处理芯片将智能扩展到控制系统的各个环节，从传感器、变送器到I/0模块、执行器，这样产生了智能分散系统SDS。

现在几乎所有PLC产品均有通信联网功能，通过双绞线、同轴电缆或光纤，信息可以传到几十千米远的地方。

在网络中，个人计算机、图形工作站、小型机等可以作为监控站或工作站，它们能够提供屏幕显示、数据采集、分析处理、记录保留和回路面板显示等功能。

（2）I/0模块分散化、智能化

由一台大型控制设备来处理的工作越来越多地由小型控制器组成的网络来实现或分散到智能I/0设备中。

分散型I/0的特点是I/0与PLC模块不在一个机架或底板上，远程I/0就地分散安装。

用双绞线或电缆与CPU高速通信，并且具有自诊断能力。

智能型I/0模块是以微处理器和存储器为基础的功能部件，它们本身就是一个小的微型计算机系统，有很强的信息处理能力和控制功能。

它们能完成许多PLC本身无法完成的任务，使其功能大大增强，使系统的扩充和更改更为灵活，提高了PLC的适应性和可靠性。

现场总线I/0是现在的发展热点，它是开放的、独立的、全数字化的。

它集检测、数据处理、通信为一体，与工业计算机组（IPC）组合可以组成廉价的DCS系统。

它安装方便，可以大大节约费用。

三.1.2S7-200系列PLC简介

西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。

S7-200系列PLC共有5种基本型号的CPU模块，即CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM,控制点数可以从10点扩展到248点。

其中，CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器，CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。

所有型号的CPU在内部都集成了1个（CPU221，CPU222，CPLU224）或2个（CPU22h，CPU226XM）通讯口，该通讯口为标准的RS48口，可在三种方式下工作，即PP工方式、PPI方式和自由通讯口方式。

另外，S7-200可通过增加EM277模块接入Profibus-DP网络，通过CP243-1通讯模块连入工业以太网，通过CP243-2模块使其成为AS-i主站。

三.1.3S7-200PLC主要组成部分

1台S7-200PLC包括一个单独的S7-200CPU，或者带有各种各样的可选扩展模块。

S7-200CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源以及数字量I/0点，这此都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。

输入和输出是系统的控制点；输入部分从现场设备（例如传感器或开关中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其它设备。

电源向CPU及其所连接的任何模块提供电力。

通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或其它一此设备连接起来。

状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止，本机I/0的当前状态，以及检查出的系统错误。

通过扩展模块可增加CPU的I/0点数（CPU221小可扩展）。

通过扩展模块可提供其通讯性能。

一些CPU具有内置的实时时钟，其它CPU则需要实时时钟卡。

EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。

通过可选的插入式电池总可延长RAM的数据存储时间。

三.1.4I/O输入输出端口

I/O就是输入输出地址。

每个设备都会有一个专用的I/O地址，用来处理自己的输入输出信息。

CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。

存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接口只是指I/O接口。

三.1.5接口的控制方式

CPU通过接口对外设进行控制的方式有以下几种：

（1）程序查询方式

这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。

这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低

（2）中断处理方式

在这种方式下，CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交换准备就绪，可以向CPU提出服务请求，CPU如果响应该请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。

中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。

但需要为每个I/O设备分配一个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I/O接口芯片）管理I/O设备提出的中断请求，例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。

中断处理方式的缺点是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。

三.2变频器

三.2.1变频器的工作原理

我们知道，交流电动机的同步转速表达式（3-1）：

n＝60f（1－s）/p（3-1）

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式（3-1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

变频器的作用主要有以下几方面：

变频节能。

目前市场中变频器主要以对风机和水泵的调速来实现节能。

以风机和泵类为例，能够清楚地计算出变频器所具有的节能空间。

根据电流力学知识可知，P（功率）=Q（流量）×H（压力）。

流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比。

理论上功率P与转速N的立方成正比。

例如一个功率为P0=55KW的电动机，当转速下降到原转速的4/5时，由P=（4/5）3P0=64/125×55=28.16KW，节电率为48%，当转速下降到原来的1/2时，P=（1/2）3P0=1/8×55=6.875，节电率为87.5%。

软启动功能。

当电机为直接启动时，启动电流为额定电流的5-7倍，这样会对设备和电网造成严重的冲击，对电网容量提出很高的要求。

采用变频器后，电机的起动电流一般小于额定电流的1.5倍。

减轻了对电网的冲击，提高了设备的使用寿命。

调速作用。

在很多应用场合，由于工艺的要求，需要平滑地调速，此时，变频器的应用必不可少。

提高电网功率因数。

无功功率增加了线路的损耗和设备的发热，从而会导致大量的电能消耗在线路当中，设备使用率下降。

变频设备使用后，不但减少了电网线路上的损耗，同时可以提高电网的功率因数。

三.3MCGS

三.3.1MCGS概况

MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem，通用监控系统）是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft（各种32位Windows平台上）运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。

三.3.2MCGS的主要特点和基本功能

简单灵活的可视化操作界面。

MCGS采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。

用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置图形界面，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面并且带有动画效果的工具条和状态条等。

（1）实时性强、良好的并行处理性能。

MCGS是真正的32位应用系统，充分利用了32位Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。

例如MCGS在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内分时处理打印数据等类似的非关键性工作，实现系统并行处理多任务、多进程。

（2）丰富、生动的多媒体画面。

MCGS以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等有关信息；通过对图形大小的变化、颜