生活给水系统的PLC变频调速控制.docx

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生活给水系统的PLC变频调速控制

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）

作者:

**

学号：

教学点:

专业:

题目:

生活给水系统的PLC变频调速控制

指导者：

评阅者：

2011年5月

南京理工大学

毕业设计（论文）评语

学生姓名：

学号：

题目：

生活给水系统的PLC变频调速控制

综合成绩：

良好

指导者评语：

该生能按期较圆满的完成任务书中规定的任务，能较好的运用所学理论和专业知识；立论正确，计算、分析正确，结论合理，具有一定的独立工作能力和较好的科学作风；较好地完成了任务，毕业设计论文有一定的水平。

论文论述条理清楚，论述准确，文字通顺，书写工整。

设计图纸完备、整洁、正确。

可以提交答辩，建议成绩为良好。

指导者（签字）：

年月日

毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

该生按设计任务书的要求，完成了小区生活恒压给水系统设计。

论文选题贴合工程实践，具有较大的应用价值及一定的理论意义，所得成果对生产实际有一定的参考价值，工作量适中，论文结构较合理，但监控系统设计毕竟与现实应用有差距。

论文达到本科毕业设计（论文）的要求。

可以提交答辩，建议成绩评定为良好。

评阅者（签字）：

年月日

答辩委员会（小组）评语：

该生能较好地完成课题任务；设计说明书（论文）完整、计算及论述基本正确；说明书（论文）写书较规范，图纸符合要求且质量较高,答辩思路清晰，知识掌握较全面，口头表达能力较好，回答问题正确率高，经答辩委员会评议，一致通过，该生成绩为良。

答辩委员会（小组）负责人（签字）：

年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

本论文根据中国城市小区的给水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统,并利用组态软件开发良好的运行管理界面。

变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。

本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。

采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。

压力传感器检测当前水压信号，送入变频器与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。

通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。

关键词变频调速恒压供水PLC组态软件

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleThedrinkingwatersystemsofPLCfrequencyconversioncontrol

Abstract

ThispaperaccordingtotherequirementsofthewatersupplyofChineseurbandistricts,designasystembasedonPLCandspeed-adjustingconstantpressurewatersupplysystem,andbyusingconfigurationsoftwaredevelopmentgoodoperationmanagementinterface.FrequencyconversionconstantpressurewatersupplysystembyPLC,frequencyconverter,pumpunit,pressuresensor,industrialPC,etc.

Thissystemincludesthreepumpmotor,theyconstitutefrequencyconversioncycleoperationmode.Adoptinvertertoachievethethree-phasepumpmotorsoftstart-upandfrequencycontrol,runby"firstrev.Firstswitchstop"principle.Pressuresensordetectioncurrentwaterpressuresignal,intoPLCandsettingPIDoperationaftercomparingthecomputation,thuscontrolfrequencyconverteroutputvoltageandfrequency,andchangethewaterpumpmotorspeedtochangewatersupplypipepressurestability,ultimatelykeepnearinsetting.ThroughtheindustrialPCandPLCconnections,whichemploysconfigurationsoftwaresystemmonitoring,realizedtheoperationstateanddata,alarmdynamicdisplayoftheinquiry

KeywordsVariable-frequencyregulatingspeedconstantpressurewatersupplyPLCConfigurationsoftware

目次

1绪论

1.1课题的提出

水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有：

恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：

（1）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。

（2）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。

（3）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，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，目前主要应用于高层建筑。

（4）液力耦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。

（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。

目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：

一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。

基于PLC和变频技术的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变频恒压供水系统的国内外研究现状

1.2.1变频调速技术的国内外发展与现状

变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。

1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。

20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。

从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。

在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。

现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。

随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。

总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。

1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状

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、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。

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。

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”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。

原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（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概述

1.3.1可编程控制器的定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:

“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。

”

1.3.2PLC的发展和应用

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器。

人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。

此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

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、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。

1.4本课题的主要研究内容

本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。

PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，在变频其中根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，从而控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。

各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。

硬件设备选型、PLC选型，估算所需I/O点数，绘制系统硬件连接图：

包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，并设计监控系统。

供水系统在现场的应用：

2系统的理论分析及控制方案确定

2.1供水系统的基本模型和主要参数

供水系统的基本模型如图2.1所示。

图中：

L0一一水泵中心位置；

h0一一吸水口水位；

h1一一水平面水位；

h2一一管道最高处水位：

h3一一在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。

表明水泵的泵水能力。

在真实的管道系统中，这个位置并不存在。

只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。

主要参数有：

（1）流量Q：

单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3／min。

（2）扬程H也称水头：

是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。

常用单位是m。

（3）实际扬程Hb：

供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1，之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。

即：

Hb=h2一h1。

（4）全扬程HT：

水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位ho之间的水位差。

全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。

即：

HT=h3—h0.

（5）损失扬程HL：

全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。

Hb，HT，HL之间的关系是：

HT=HL+Hb。

供水系统为了保证供水，其全扬程必须大子实际扬程，这多余的扬程一方面

用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；

（6）管阻R：

阀门和管道系统对水流的阻力。

和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。

（7）压力p：

表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。

其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。

2.2供水系统的特性曲线和工作点

供水系统的参数表明了供水的性能。

但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。

这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管阻特性曲线，如图2.2通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。

图2.2中：

曲线1一一额定转速nN时的扬程特性曲线

曲线2一一转速n1时的扬程特性曲线

曲线3一一阀门开度100％时的管阻特性曲线

曲线4一一阀门开度不足100％时的管阻特性曲线

（1）扬程特性

以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q），称为扬程特性曲线。

不同转速下，扬程特性曲线不同，图2.2中的曲线1、2分别对应于转速nN、n1，，且nN>n1，。

曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响。

在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用Qu，表示。

用水量一定时，即Qu不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。

（2）管阻特性

以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f（Q），称为管阻特性曲线。

不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2.2中的曲线3对应阀门开度大于曲线4对应的阀门开度。

管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。

此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用QG表示。

在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。

这里的QG和QU是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。

当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（HT=HB）。

表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。

因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。

（3）供水系统的工作点

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。

在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。

供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。

图2.2中的Ⅳ点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100％时的供水状态，为系统的额定工作点。

（4）供水功率

供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（kw）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：

PG=CPHTQ（2-1）

式中：

CP——比例常数。

2.3供水系统中恒压实现方式

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，流量是供水系统的基本控制对象。

而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。

考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力（由流量QG表示）和用水需求（由用水流量QU表示）之间的平衡情况有关。

若：

供水能力QG>用水需求QU，则压力P上升；

若：

供水能力QG<用水需求QU，则压力P下降；

若：

供水能力QG=用水需求QU，则压力P不变。

可见，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求Qu之间的矛盾。

从而，选择压力控制来调节管道流量大小。

这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。

这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。

常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。

（1）阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。

这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

（2）转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。

实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。

当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

2.4调速方式的比较与选择

通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。

水泵通过三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。

由三相异步电动机的转速公式：

n=n1（1—s）=60f（1—s）∕p（2—2）

式中，n1一一异步电动机的同步转速，r／min；

n一一异步电动机的转子转速，r／min；

P一一异步电动机磁极对数；

f一一异步电动机定子电压频率，即电源频率；

s一一转速差，s=1—n∕n1；

可知调速方法有：

变极调速、变转差率调速和变频调速。

（1）变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。

磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。

这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。

（2）变转差调速

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。

三相异步电动机的转子铜损耗与电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。

电动机工作在额定状态时，转差率J很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。

但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率s增大，转差功率增大，电机运行效率降低。

虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间