基于PLC的变频恒压供水系统.docx

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基于PLC的变频恒压供水系统

烟台南山学院

毕业论文

题目基于PLC的变频恒压供水系统

姓名：

___张鑫______

所在学院：

__自动化工程学院_

所学专业：

_电气工程及自动化_

班级：

___08级03班___

学号___200806709124_

指导教师：

____王选诚______

完成时间：

__2012年4月01日_

毕业论文（设计）任务书

论文题目

基于PLC的变频恒压供水系统的设计

院部

自动化工程学院

专业

自动化

班级

08级电气工程及其自动化3班

毕业论文（设计）的要求：

采用电动机调速装置与可编程序控制器（PLC）构成控制系统，基尼系那个优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水药理的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

毕业论文（设计）的内容与技术参数

PLC的变频恒压供水系统的供水方式和控制系统，由主控水回路、备用回路、一个清水池及泵房组成。

1，掌握水利工程对控制，通信等的需求，提出自动化控制的综合方案

2.，提出自动化控制系统的硬件方案和方案论证的优化

3，完成软件系统需求的系统分析

4，完成系统软件的编程

5，绘制系统的总体结构图，系统原理图，电气控制原理图，软件流程图

6，按时完成毕业设计报告

毕业论文（设计）工作计划

2011.11看关于西门子的PLC编程书籍;2011.12看关于变频器的原理和编程书籍;2012.1看关于旋转编码器的原理和编程书籍;2011.2收集各种资料、制定开题报告;2012.3开始编写论文;a编写所用到的各种元器件的原理和简单介绍b完成主题设计思路c完成电路图设计；2012.4编写PLC程序完成PLC与系统硬件连接与调试2012.4.15完成设计总结

接受任务日期年月日要求完成日期年月日

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

院长（主任）（签名）年月日

摘要

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇。

于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。

本系统采用PLC进行逻辑控制，采用带PID功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。

本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。

变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。

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。

压力变送器检测当前水压信号，送入PLC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。

并且通过PLC实现报警控制。

文中详细介绍了所选PLC机、变频器、传感器的特点、各高级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。

关键词：

变频调速，恒压供水，PLC

ABSTRACT

Incompanywiththeimprovementofpeople’slivingstandard,theapplicationofnewtechniqueandadvancedequipmentprovideanewdevelopmentforthedesignofwatersupply.Itisachallengeforustoselectawayofwatersupplywithhighstandard,secureandhealthy,economical,andreasonable.ThissystemadoptsPLClogiccontrol,andtransducerwithPIDfunctiontoadjustthepressure,whichpresentsmanyadvantages,suchashighreliability,convenienceinuse,stabilityinpressure，andwithoutimpact.

ThispaperaccordingtotherequirementsofthewatersupplyofChina'surbandistrict,designedasetofvariablefrequencyspeedregulationbasedonPLCofconstantpressurewatersupplysystem.FrequencyconversionconstantpressurewatersupplysystembyPLC,frequencyconverter,pumpunit,pressuretransmitter,etc.Thissystemincludesthreepumpmotor,theyconstitutefrequencyconversioncycleoperationmode.Thefrequencyconvertertorealizethethree-phasepumpmotorsoftstart-upandfrequencycontrol,runbyswitching"firstrev.Firststop"principle.Pressuretransmitterdetectioncurrentwaterpressuresignal,intoPLCandsettingaftercomparisonPIDoperation,soastocontroltheoutputvoltageandfrequencyconverter,andchangethewaterpumpmotorspeedtochangewatersupply,eventually,keepthepipepressurestablevalueinnearby.AndthroughthePLCalarmcontrol.

ThepapermainlyintroducesthecharactersofthePLC,transducer,andsensor,theuseofeachhigh-qualityunitaryanddesign,andprovidestheflowchartofsystemwork,programanddesign.

Keywords:

Frequencycontrol,constantpressurewatersupply,PLC

目录

摘要I

1绪论1

1.1课题简介1

1.2今天的变频恒压供水系统2

1.3课题设计内容概述3

2系统的整体构思及控制方案的选择4

2.1供水系统的整体构思方法4

2.1.1电动机的调速原理4

2.1.2变频恒压供水系统的节能原理4

2.2供水系统控制方案的选择6

2.2.1控制方案的比较和确定6

2.2.2变频恒压供水系统的组成及原理图7

2.2.3变频恒压供水系统控制流程9

2.2.4水泵切换条件分析11

3系统主电路设计思路12

3.1系统主电路结构及原理图12

3.2系统主电路工作原理14

4控制系统的硬件设计及选型15

4.1系统硬件的结构15

4.2PLC的选型16

4.3PLC的I/O端口分配及外围接线16

4.4变频器的选型18

4.5压力变送器的选型19

4.6液位变送器的选型20

4.7元器件的选型20

5控制系统的软件设计22

5.1主程序流程图22

5.2系统程序自动控制过程表24

5.3系统程序梯形图设计28

总结29

致谢30

参考文献31

附录32

1绪论

1.1课题简介

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。

以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速恒压供水设备以其节能、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。

恒压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。

随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。

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。

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。

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今天的变频恒压供水系统

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。

1.3课题设计内容概述

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、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统。

变频器通过变频循环式的工作方式控制三个水泵电机，即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50HZ时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该水泵切换为工频的同时用变频器去拖动另一台水泵电机。

PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输送给变频器控制其输出频率，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，进行可行性论证、方案论证与选择、设计文字部分、电路图，绘制系统硬件连接图并，熟练使用相关软件。

2系统的理论分析及控制方案确定

2.1供水系统的整体构思方法

恒压供水控制系统的基本控制要求是：

采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

2.1.1电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

（2.1）

式中：

f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（l）改变电源频率

（2）改变电机极对数

（3）改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。

下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。

连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。

但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。

随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。

2.1.2变频恒压供水系统的节能原理

供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。

由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f（Qu）。

而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2.1所示。

管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。

由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。

因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。

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，如图2.1中A点。

在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。

图2.1恒压供水系统的基本特征

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。

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。

阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。

其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。

由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。

转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。

因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。

变频调速供水方式属于转速控制。

其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。

由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。

由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：

（2.2）

（2.3）

（2.4）

（2.5）

式中k、k1、k2、k3为比例常数。

图2.2管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。

而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。

当用调速控制时，若采用恒压（H0），变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。

此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于（H1－H0）×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。

所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

2.2供水系统控制方案的选择

2.2.1控制方案的比较和确定

恒压变频供水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，同时还要能对运行数据进行传输和监控。

根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：

（1）有供水基板的变频器+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供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。

它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，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，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+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，具有较高的性价比，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。

该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、PID调节器控制）+压力变送器

这种控制方式灵活方便，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I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过控制PLC程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

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。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。

这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

2.2.2变频恒压供水系统的组成及原理图

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.3所示。

图2.3变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出，系统可分为：

执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

（l）执行机构：

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

（2）信号检测机构：

在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。

管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。

另外为加强系统的可靠性，还