双恒压无塔供水系统1.docx

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双恒压无塔供水系统1

摘要：

该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。

从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。

以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。

在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。

智能水压控制系统的基本控制策略是：

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,完成供水压力的恒定控制，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，其差值输入变频器运算处理后，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。

关键词：

FX2N-PLC可编程序控制器、压力传感器、变频器PID运算、PLC控制、恒压供水。

Abstract：

Begraduationpractice'sturntohavefilleduppressuretypewatersupplyequipmentworktoenvironmentalprotection,energyconservation,automationintroducethat.Thefrequencyconversionspeedregulationtechnologyhavingsetofffromenergyconservationscienceandtechnologypractice,expoundinghitsthetargetinhighbuildingwatersupplyequipmentapplying。

IntroducedtheintelligenthydraulicpressurecontrolsystemprincipleofworkandthePLCcontrolsystem.Inintheanalysishydraulicpressurecontrolworkflowfoundation,hasproducedthePLCcontrolsystemhardwareandthesoftwaredesign.Theintelligenthydraulicpressurecontrolsystembasiccontrolstrategyis:

Usestheelectricmotorspeederandtheprogrammablecontroller（PLC）constitutesthecontrolsystem,carriesontheoptimizedcontrol,Completesthewatersupplypressuretheconstantcontrol,whenpipenetworkcurrentcapacitychangeachievedthestablewatersupplypressureandsavestheelectricalenergythegoal.Thesystemcontrolgoalisthepumpingstationmainpipewaterleakagepressure,thesystemhypothesiscarriesonthecomparisonforthehydraulicpressurevalueandthefeedbackmainpipepressureactualvalue,afteritsinterpolationinputsCPUoperationprocessing,sendsoutthecontrolcommand,thecontrolpumpstheelectricmotortothrowtransportstheTaiwannumberandthemovementvariabledisplacementpumpelectricmotorrotationalspeed,thusachievedstabilizesforthewatermainpipepressureinhypothesisPressure.

Keyword:

PLCcontroltheFX2N-PLCprogrammable、Pressuresensor、FrequencytransformerPIDarithmetic、PLCcontrolled、Theconstantvoltagesupplieswater。

目录

1前言..........................................................1

2系统设计要求及设计方案.........................................1

2.1总体方案...................................................3

2.1.1变频恒压供水系统主要特点.................................5

2.1.2传统定压方式的弊病.......................................5

2.2恒压供水技术的实现..........................................3

2.3系统的构成及工作特性.......................................5

2.3.1变频恒压供水系统组成.....................................5

2.3.2系统工作特性.............................................5

2.3.3主要研究设计.............................................41

3系统设计可行性分析............................................8

3.1总体设计分析...............................................8

3.2系统设计方案及实施.........................................11

4硬件单元电路设计............................................11

4.1主电路元器件................................................10

4.1.1主电路元器件的作用

4.1.2主要电器的选择........................................14

4.2压力传感器及其检测........................................14

4.3可编程控制器（PLC）选型....................................16

4.4变频器选型及说明.........................................17

4.5主电路设计.................................................19

5变频器模块.....................................................20

5.1变频器的PID组成部分........................................23

5.1.1系统基本组成

5.2变频器的PID功能预置......................................27

6系统接线与调试.................................................29

6.1PLC控制流程图............................................30

6.1.1PLC控制示意图..........................................41

6.1.2PLC控制流程图..........................................41

6.2可编程控制器（PLC）I/O分配与接线...........................33

6.2.1I/O分配图..............................................41

6.2.2PLC接线................................................41

6.3变频器内部端子排列..........................................39

7结论...........................................................41

参考文献.........................................................50

前言

变频调速技术（variablevelocityvaliablefrequencytechnology）是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。

变频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。

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。

可以说变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。

依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。

交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。

由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。

在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。

由于小区高楼用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

变频调速技术给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。

本控制系统PLC、带PID的变频器、相应的压力传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了小区在管理、数据统计和分析等方面的工作量。

实践证明，本系统不仅满足了生活的需要，提高了整个小区的整体管理水平。

由于小区高楼供水的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。

该恒压供水控制系统具有以下特点：

（1）有消防信号外部输入接口。

当有火警或火灾信号到来时，系统能自动切换到火灾状态；

（2）便于灵活配置常规泵、消防泵及其他功能泵，便于实现供水泵房全面自动化；（3）工作泵与备用泵不固定，可自动定时轮换，有效地防止因为备用泵长期不用时发生的锈死现象；（4）如果有需要可扩展实现联网控制，便于实现楼宇自动化管理。

变频调速技术用于民用消防给水系统可以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民用和消防用水要求。

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无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。

2系统设计要求及设计方案

2.1总体方案

2.1.1变频恒压供水系统主要特点：

1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

2.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，由于是变频启动，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

5.由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。

6.通过自动控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

这种变频器只要配套恒压供水系统单元，便可直接控制多个电泵工作，不需外配价格昂贵的PID调节器、PLC控制器，功能强大且成本较低。

这种专用的变频调速恒压供水控制电路，是通过设置指令代码，方便灵活的实现PLC、PID等控制系统的功能。

简化了电路结构，提高了系统的可靠性，设备的成本大幅度下降。

该系统 控制方便、安全可靠，系统无需改线，便可实现选择的水泵切入退出，保养检修十分方便，变频器的功能十分完善，设有电流、电压等各种保护及报警措施，一旦变频出现故障，系统可以切换到工频运行，避免断水，安全可靠。

2.1.2传统定压方式的弊病：

1.管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

2.2恒压供水技术实现

通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流恒压无塔供水技术是一项业已广泛应用的节能技术。

由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。

在高楼供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。

由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。

2.3系统的构成及工作特性

2.3.1变频恒压供水系统组成：

变频恒压供水系统采用一电位器设定压力，采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制电动机转速。

如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过PLC作工频/变频切换、供水泵数量增加／减小，使实际管网压力与设定压力相一致.另外，随着用水量的减少，供水泵投入运行数量减小，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。

两台水泵根据用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，使供水在恒压状态下进行。

工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

2.3.2工作特性：

采用PLC工业自动化技术控制装置。

通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境进行调试进行恒压用水控制。

使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。

变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

新型的高楼变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。

另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。

所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。

对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

2.3.3主要研究设计：

变频调速恒水位供水系统现状和发展，主要介绍其系统的目的和意义，变频器供水的发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展；介绍了LG公司的产品IG5，FX-2NPLC选型，PLC与继电器控制系统以及其特点。

变频调速恒水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计,主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：

V/F控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。

变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程系统的工作过程分为以下三个工作状态：

1#电机变频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；2#电机单独变频运行；变频工频切换技术解决方案。

1．系统硬件设计（主电路、控制电路）；PLC接线图设计，包括输出输入上元件的分配及编号，PLC模拟量输入，两块数字扩展模块，一块扩展模块所构成。

2．应用软件设计（PLC程序设计）主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、停机程序、阀门开关程序、水泵电机启动程序、电机变频/工频切换程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。

3系统设计可行性分析实现

3.1总体设计分析

目前，住宅小区高楼变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”（即“一拖一”）的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”（即“一拖N”）的多泵控制系统。

随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。

“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。

“一拖N”多泵系统的一般控制要求

多泵循环运行程序控制以“一拖二”为例:

先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;反之，若变频器工作频率已下降至下限值（一般设定为25~35Hz）而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又回复到1台水泵变频运行状态。

如此循环不已。

其他的“一拖N”程序控制，依此类推。

循环顺序为：

其中1#B为1号泵变频运行；2#B为2号泵变频运行；1#G为1号泵工频运行；2#G为2号泵工频运行。

当系统开始工作时，水压传感器把实测水压值变成控制标准电流（4mA～20mA）输入模拟块，经A/D模数转换后，进入PLC与设定的压力值比较。

对比较得出的电压差进行PID（比例、积分、微分）运算，并以此结果控制变频器的输出频率，以调整变频泵机的转速，使1#B变频运行，确保在不同供水流量变化下，水厂出水口的压力保持恒定。

当流量继续增加，变频器输出频率继续增大，输出频率增加至工频50Hz时，延时确认，PLC发出指令，1#B转为工频运行而变为1#G，同时2#泵接入变频器启动运行。

此时运行状态为1#G+2#B，系统处于现阶段供水高峰期运行状态。

如果系统用水量下降，水压则升高，通过自动调节，变频器输出频率减少，水压即可回落。

当变频器输出频率减少到启动频率时，延时确认后，PLC发出指令，切断1#G泵，系统只由2#B运行。

此后流量再增加，则于前所述，系统运行状态为2#G+1#B。

如此反复循环，使两台泵自动交替切换，先开先停，互为备用，既有助于延长泵机使用寿命，又保持供水系统压力恒定，满足用户要求。

图1所示为PLC程序流程图。

（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。

延时时间根据水泵电机的功率而定:

功率越大，时间越长，一般取值5s。

（3）确保触点相互联连锁在电路设计和PLC（可编程控制器）程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。

为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如三菱公司的FX2N型联锁接触器等。

（4）水泵轮换启动控制可以自由设置水泵启动顺序:

可设置成1#水泵先启动，也可设置2#水泵先启动。

所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。

遵循“先启先停”原则。

（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时5S切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。

（6）变频器或PLC带有PID调节器PID（比例-积分-微分）调节器的积分环节I（即积分时间）调整应合理:

时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。

3.2系统设计方案及实施

系统控制工艺流程设计

智能小区恒压供水网由恒压居民供水系统和消防用水系统组成。

恒压供水缓冲罐连接在总水管网上，它下面带有2个供水泵，实现一拖二供水工作，通过供水压力的变化完成小区供水。

生活用水和消防用水共用两台泵，平时