1、基于PLC的恒压变频供水系统毕业设计论文摘 要本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。关键字: PLC；恒压供水；变频器AbstractThis text has introduced the basic principle that constant voltage supplies water a
2、nd foundation that the system form , have stated the role served as of the programmable controller (PLC ) in the water -supply system of constant voltage. Since the whole design plan of the system and actual demand are analyesed, the need of close life of integrating with practice, make every effort
3、 to make sure to make the system run steadily, easy and simple to handle, solve and hit the problem actually, guarantee to supply water of the security, swift , reliable. Constant voltage has supplied water and guaranteed to support the water quality amount, the control system taking PLC as host com
4、puter has enriched the systematic control function, have improved systematic dependabilityKeyword: PLC (programmable logic controller ) ； Constant voltage supplies water ； Frequency converter 第一章 绪 论近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1994年到2002年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市
5、家庭人均日生活用水量也在逐年提高。传统的自来水厂的供水模式在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患。供水厂以前虽然也进行过一些技术改造，但是生产系统大部分仍然采用人工手动控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，例如清水池水位、电机运行时间、耗电量等都是由值班人员定时记录。随着地区经济的发展，城区居民生活用水和工业用水量大幅度上升。经过改造和扩建，供水厂目前的
6、日供水能力在7.5万立方米左右，仍然不能完全满足用水需求。由于城区用水量中居民生活用水所占的比例比较大，用水量的需求具有时变性。在用水高峰期时，清水池的水位达不到要求高度,管网压力达不到规定的标准压力，造成高层建筑断水。用水低峰期时，管网压力经常超过规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力标准。此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运行和管理都直接影响到城市的安全供水。在这种供水模式下长期以来许多水厂各部门的管理人员采用传统的人工管理模式，通过
7、手工从事繁重的业务管理、各种日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。所以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平，这为现在化的恒压供水控制广泛应用提供了条件。恒压供水系统具有如下几个优点：1节电节水 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大，优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；根
8、据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象。 2恒压供水 变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。 3运行可靠 由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，避免了用水的“二次污染”，安全卫生。 4自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能
9、完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。5延长设备寿命、保护电网稳定 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。 6控制灵活、自我保护功能完善 分段供水，定时供水，手动选择工作方式。如果某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。本设计就
10、真对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。系统将PID调节、PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的
11、操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。 第二章 恒压供水系统的设计方案2.1本设计系统的方案分析本设计的内容如下：恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（PLC）与变频调速装置构成控制系统，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，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。本系统是基于变频调速恒压供水系统的设计。以PL
12、C和变频器为核心的恒压供水控制系统设计系统设计采用一控3（3台水泵）自动切换模式，方案由西门子可编程控制器一台、变频器一台、水泵机组（3台）、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。系统采用一台变频器拖动3台电机的运行，起动，调速。其中一台大机（3.0kW）和两台小机（2.2kW）采用循环使用的方式运行。通过工控机和PLC连接，实现监测控制。通过压力传感器检测管道压力信号不断反馈给变频器，有变频器自动调节所控制水泵的电机转速，当变频器所控制的水泵达到工频时还不能满足要求时由PLC自动把那台水泵切换到工频运行，把变频器自动切换到下一台水泵使其软启动运行，当供水量减少时在自动进行切换，减少水泵运行台数
13、，实现自动控制。系统设计时考虑到水泵切换时电机的自感电动势现象，各种连锁保护及报警、应急措施。还要根据工作情况实时的对水泵进行切换使大泵轮流担任主泵。其具体设计思路如下：1通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。介绍变频器和PLC等技术的原理、应用、发展及其各自的特点和在恒压供水系统中的发展前景。2变频恒压供水系统的理论原理硬件设计。主要介绍由PLC和变频器控制的变频调速恒压供水系统的工作原理；以及系统调速范围的确定。硬件设计包括了设计框图、原理图、PLC外部接线图、确定安装模拟控制板的元器件数量等内容。3系统软件设计。主要介绍变频调速恒压供水运行软件的总体结构设计，写出语句表。软件设计主要包括
14、了编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则、控制系统主程序设计、软件设计系统控制方式选择等内容。4.结合电力安全章程，把安全问题作为本套设计方案的一切设计过程的重要参照条件。2.2 变频供水系统的介绍及变频器的控制方式变频器主要是用来调速的，变频调速有很多的优点。变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送器、PLC控制单元等部分组成，控制系统原理图如图2-1所示。 图2-1恒压供水系统控制原理框图三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，所以在实际应用中异步电动机的应用最为广泛。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调压
15、调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发展到现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频
16、调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式可节电4060，节水1530。通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来，特别是近几年来随着微机技术的日新月异,现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步,通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转速、大容量调速控制方面。其多用途，高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应用各种大型自动化生产线和各类电机控制上，变频器不仅可以单台工作，也可以多台分别控制各自的被控对象，并相互串联，与计算机进行通迅，采用计算机对变频器网络的集中控制，形成连续生产线的调速控制系统。变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设
17、备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调节控制水泵的电机，且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行，这种多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水
18、泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调。变频器有多种结构类型，但工业主流的变频器不论交交变频器还是交直交变频器都有类似的结构如下：图2-2变频器的基本结构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，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时
19、开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。2.3变频调速的节能、调速原理1V/F控制 异步电动机的转速与定子电源频率f和极对数有关，改变f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率f的上升或者下降可能会引起磁路饱和转矩不足的现象，所以在改变f的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持不变，电动机的效率不下降，这就是V/F控制。V/F控制简单，通用性优良。2转差频率控制 检测出电机转速、构
20、成闭环、速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由电机学的基础知识可知只要保持气隙中磁通一定，控制转差频率f2就可以控制电动机的转矩，这就是转差频率控制。与V/F控制相比其加减特性和限制过电流的能力得到提高。3矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调速性能。由流体力学可知，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，功率P与转速N的立方成正比，
21、如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5。在对水水泵控制过程中,水泵工控点的确定对系统稳定高效有着重要的作用。 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。水泵的扬程H计算公式如下: H=PR-PV+(V2-V1)/2g+z （1.1）H水泵的扬程，单位：米；PR水
22、泵出口压力表读数，单位：米；PV水泵进口压力（真空）表读数， 单位：米；V2、V1水泵出口、入口处的流速，单位：米/秒；z 出口、入口表计的安装高差，单位：米； g 重力加速度， 单位：米/秒。一般工程计算中扬程简化计算公式如式（1.2）。 H=PR-PV （1.2）式（1.2)给出了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表示为流量Q扬程H曲线，而纵观调速水泵的控制方式，则以水泵出水压力PR作为控制参数，因而，利用水泵的流量Q出水压力PR曲线作辅助分析，为有所区别，将曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图1-3
23、），则这两条曲线的交点A,就是水泵的工作点。 工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在A点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，在图2-3中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率A。图2-3 水泵工作点的确定从图2-3中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证供水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问
24、题。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图2-4所示：图2-4水泵工况点的变化当P1、P2高于P0时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线A1、A2 向A0方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由P2、P1逐渐下降，当P1低于P0时，其工况点变化与上述相反即由A1逐渐向A0移动，使管网系统供水始终保持恒定。图2-5 水泵变速恒压工况根据1-5图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由Q2、Q1.向Q0移动时，通过改变水泵转速使P0保持恒定。变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程如下：首先，交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： n =60 f(1-s)/p （1.3）式中S
25、为转差率，P为极对数。不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相理论，改变转速n,可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。 Q1/Q2=n1/n2 （1.4） H1/H2=(n1/n2)2 （1.5） P1/P2 =(n1/n2)3 （1.6） H =KQ2 （1.7）式2-5是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物
26、线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。在变频调速恒水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图2-6来说明。图2-6 变频调速恒压供水水泵工况调节图由图2-6可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1，工作点A的轴功率即为AH0OQA四点所围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 420A电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至n2,水泵转速的下降是沿着水
27、泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及效率C ，工作点C的轴功率即为CH0OQC四点所围的面积。考察水泵的效率曲线-Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。考虑到水泵的效率, 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。
28、水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。2.4系统的方案设计恒压供水系统的设计框图如下:图2-7 系统设计框图本系统由一个变频器和一个PLC组成,由管道传回反馈信号到PLC,经PLC分析处理后输出相应的模拟信号给变频器进而控制电动机的变频,变频器的切换也由PLC通过程序控制。变频器采用一控多的形式
29、，随着用水量的增加由PLC控制变频器的频率不断上升，当要上升到50HZ而还满足不了需要时由PLC控制把此泵自动切换至工频，变频器接至下一台水泵变频工作。当水量减小时，自动减少水泵运行台数，进行工频与变频的切换。变频器工频与变频切换的电路如下图：图2-8 PID调节器和变频器接线图主电路链接图：图2-4 水泵主回路接线图图2-9主电路图电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电
30、流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。2.5变频供水系统的应用分析目前，变频供水系统在生活和生产中应用越来越广，其主要原因是： 1、变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水 压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选泵时应注意 ，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制 。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作。 2、
31、目前，越来越成熟的变频器技术为恒压供水系统提供了充份支持。大多数的变频器与变频供水控制器配合，都可实现恒压供水，并且有很多变频器设计方案已将变频供水控制器直接做在供水专用变频器中，使其具有可靠性好， 使用方便等优点。3、恒压供水系统具有很好的节能效果。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二 种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀 ，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经 常变化的场合（例如生活用水），采用调速调节流量，具有优良 的节能效果。我国国家科委和国家经贸委在中国节能技术 政策大纲中把泵和风机的调
32、速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。应当指出，变频恒压供水节能的效果主 要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频 恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水 。在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。 在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降 ，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 台工频泵使之超出并联供水。为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击（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。在超出时，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，下降由供水变频控制器控
