工厂恒压供水控制系统设计.docx

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工厂恒压供水控制系统设计

工厂恒压供水控制系统设计

摘要

随着工厂用水设备不断增多，以及工厂对试验质量的要求进一步增加，目前工业供水的压力以及稳定性已经无法满足工厂日益增长的需求。

为了解决这一需求，可以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、能适应工厂的恒压供水系统成为必然趋势。

本论文结合工厂的用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。

变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置PID变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。

系统采用一台变频器拖动2台电动机（30kw）的起动、运行与调速，2台分别采用循环使用的方式运行。

在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率来改变电机的转速，从而改变水泵性能曲线得以实现的。

分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。

本控制系统中采用了日本三菱公司的FX-2n系列可编程控制器，同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置PID算法的变频器。

该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。

关键词:

PLC变频调速恒压供水

目录

第1章绪论

1．1概述及意义

1．2变频恒压供水系统的国内外研究现状

1．3PLC技术概况

1．4变频恒压供水系统特点及其安全性讨论

1．5本课题的主要研究内容

第2章系统的理论分析及方案的确定

2．1变频恒压供水系统节能原理

2．2变频恒压控制的理论模型

3.3通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器

2.4本章小结

第3章供水系统恒压控制与硬件设计

3．1变频调速

3．2变频器的接线

3．3供水系统总体要求

3．4可编程逻辑控制器（PLC）的I／0端子分配

3．5本章小结

第4章变频恒压供水系统的软件设计

4．1PLC程序设计方法

4．2供水系统控制程序

4．3变频器PID控制功能参数的设置

4．4可靠性分析

4．5本章小结

第5章结论

5．1本课题研究结论

5．2课题存在问题与展望

第1章绪论

1．1概述

随着工厂用水设备的不断增多，及用水设备使用周期的不确定性，往往导致在日常试验中工厂水压有时能满足要求，有时压力过低不得不停止试验。

极大的影响了工厂的正常运作及试验精度。

无法满足工厂的正常运作。

为了解决这一现状，工厂尝试了一些改进的方法，如在工厂楼顶建立水塔、恒速泵加压供水等，虽然解决了一些问题，但也带来了一些其它的弊端，具体分析如下：

l、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，在周末无法确保工厂正常供水的情况下为了确保实验的正常进行往往会开启供水系统，使得水泵常处于满负荷运行，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，之前每年都会更换几次水泵，给工厂带来了很多不便，同时还要投入很多人力去维护，没有起到工厂精益的目的。

2、而在楼顶建立大的水箱利用机械式浮球给水箱补水再用泵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，但存在基建投资大，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，而且机械式浮球不断动作容易损坏，在周末无人看守的情况下，给工厂带来了其它严重的安全隐患，是我们所不能接受的。

3、工厂也调研了其它的供水方法，如气压罐供水，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。

综上所述，以前工厂供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。

当前，随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，由于其高可靠性、高性价

比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，PLC在工业自动控制过程中

得到了越来越广泛的应用。

同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与

以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动

化程度高等许多优点。

因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足工厂供水

系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。

1．2变频恒压供水系统的国内外研究现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期，由于

国外生产的变频器的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、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，

变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，

需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的

资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵

机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成

本高。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程

度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频

器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推

出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式"、“变频泵循环方式一两种模式，

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

可直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。

这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵

活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件

难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受

到限制。

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）及相应的软件予以实现：

有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但

在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来

说，还远远没能达到所有用户的要求。

原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司

和成都希望集团（森兰变频器）也推出了厦压供水专用变频器（5．5kw．22kw），无需

外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出

接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于

小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水

控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络

和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC），的变频恒压供水系统的水压闭

环控制研究得不够。

因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使

其能被更好的应用于生活、生产实践。

1．3PLC技术概况

可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。

它将传统的继

电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、

使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得

到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来

控制，使设备自动化程度越来越高。

1、PLC技术特点

可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就

受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，

最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点：

（1）可靠性高

可编程控制器的平均无故障时间长达30万小时，也就是说一台可编程控制

器可连续运行30多年不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠

性能达到和超过PLC。

在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及

模块结构等措施来增加PLC的可靠性；在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟

WDT、信息保护和恢复等措施；此外，PLC采用周期扫描、集中采样、集中输

出的工作方式也极有效地提高了自身的抗干扰能力。

因此，它具有了极高的可靠

性和很强的抗干扰能力，被誉为“不会损坏的仪表”。

（2）控制程序可变，具有很好的柔性

在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时，往往不必改变硬设

备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。

PLC具有很突出的柔性控制能力，

此能力正是目前企业“小批量、多品种”产品所强烈要求的。

正因为此，PLC在柔

性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以至于工厂自动化（FA）中也被

大量采用。

（3）编程方法简单易学

目前，大多数PLC编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形

象直观，易学易懂，因此受到了普遍欢迎。

PLC还针对具体问题，开发了顺序功

能图语言，简化了复杂控制系统的编程。

与目前微机控制中常用的汇编语言相比，

更容易被操作人员接受。

（4）功能强，性能价格比高

现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄

存器、定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑

运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出

处理功能、通信联网功能等。

此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功

能的智能模块。

与相同功能的继电器控制系统相比，它具有很高的性能价格比。

（5）体积小，重量轻，能耗低

由于半导体集成电路的应用，PLC的体积相对很小。

一台收音机大小的PLC

具有相当于三个1．8m高的继电器柜的功能，节电能达50％以上。

例如，

FX2N_-40MR内部有1540个继电器，1000个状态器，256个定时器，235个计数

器，还有大量的数据寄存器，而其外形尺寸仅为350mmx90mmx87mm，重仅为

1．5kg。

由此可见，PLC是机电一体化的理想装置。

2、PLC的应用

由于可编程控制器鳆上述特点，使其在国民经济的各个领域都得到了广泛

应用，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面。

（1）开关量逻辑控制

这是PLC最早也是最基本的应用。

PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，

可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控

制。

既可实现单机控制，也可用于多机控制及自动化生产流水线的控制，如组含

机床、电梯、电镀流水线、冶金高炉的上下料以及港口码头货物的存放与提取控

制等等。

（2）运动控制

由于模拟量输入输出功能的实现以及PLC对数据处理功能的提高，制造商

相应提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。

PLC把描述

目标位置的数据送给模块，当每个轴移动时，运动控制模块能使之保持适当的速

度和加速度，确保运动的平滑性。

可编程控制器的运动控制功能可广泛用于各种

运动机械，如金属切削机床、机器人以及电梯等。

（3）过程控制

它是指对溢度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。

PLC通过模拟量输

入、输出模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的转换（（A／D或

D／A转换），并利用PID（P