1、变频恒压供水系统根据用水量的变化，自动调节运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。变频调速是现在优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等）的技术，是当今国际上一项效益最高、性能最佳、应用广泛、最有发展前途的电机调速技术。它采用了微机控制技术，电力电子技术和电机传动调速技术实现了工业交流电动机的无极调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，组成简单，维修方便和低成本低能耗等诸多特点。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，方便实现供水系统的集中管理
2、和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计系统，对于调高企业效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。二、国内外的发展状况变频恒压供水是在变频调速技术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、变压变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的不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部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
3、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。即1968年，丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后，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，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承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，可构成最多七台电机的供水系统。但是也有其缺点，就是输
4、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，与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制。目前国内有不少公司都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，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用PLC及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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（现已改名艾默生）和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5.5Kw-22kW），无需外接PLC盒PID调节器，可
5、完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。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的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的，因此，有待于进一步研究改善，使其能更好的应用于生活、生产实践。三、主要研究内容、设计思想及待解决的问题本设计是以供水系统为设计
6、对象，采用PLC和变频技术相结合技术，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，保证供水系统安全可靠的运行。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、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有4台泵，大泵电动机功率均为220KW，小泵功率均为160KW；所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式；采用PID算法实现水压的闭环控制；西门子S7-200型系列PLC控制变频及现场设备的运行；系统具有自动/手动操作功能；具有故障自诊和自处理能力，对过流，欠压，过压等变频器故障均能自行诊断，并发出报警信号。根据以上控制要求，进行系统的总控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型
7、、估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，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，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速，本次设计的关键应该是调速，其中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，而且极差比较大，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方式，其最大优点是可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能好，但由于线路复杂，增加了中间环节的电能消耗，且成本高；下面重点分析改变电源率调速的
8、方法。根据公式（n=60f/p（1-s）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的恶化。随着电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，他们促进了变频调速的广泛应用。四、设计的工作步骤、进度与时间安排（1）系统主要设备选型；（2）PLC及其模块的选型；（3）变频器的选型；（4）系统主电路设计；（5）系统控制电路设计；（6）PLC的I/O端口分配及外围接线；（7）系统软件设计；（8）PLC程序设计；（9）PID参数整定；毕业设计进度安排2014年11月3
9、日2014年11月20日：熟悉设计内容、要求、任务；收集与设计相关的论文、资料，方案论证与选择；2014年11月21日2014年12月20日：初步完成系统框图设计，完成系统配置与选型；2014年12月21日2015年1月20日：完善系统硬件电路设计；2015年1月20日2015年2月10日：绘制软件框图、编写梯形图及梯形图调试；2015年2月10日2015年3月15日：撰写毕业设计说明书；2015年3月16日2015年4月15日：绘制图纸；2015年4月16日2015年6月20日：论文修改与答辩。5、参考文献1 艳萍.电气控制与PLC技术.北京：北京师范大学出版社，2007.22田淑珍. 可编
10、程控制器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2008.3孙延永.刘美侠 基于PLC与变频器的水泵自动稳压供水控制系统的开发 期刊论文 -中国制造业信息化2012（23）4罗锋华.房驰.程豪 PLC与变频器在恒压供水控制系统中的应用 期刊论文 -机床电器2011（4）5朱宁南 供水系统中的应用技术探讨 期刊论文 -中国电子商务2013（12）6王廷才,胡雪梅. 变频器原理及应用M.北京:机械工业出版社,2010.7李二恩.贾敏智 模糊控制在恒压供水系统改造中的应用 期刊论文 -煤矿机械2013（3）8张燕平,张征,刘峥.我院基于积液透析水处理系统的节水改造J.中国医疗设备,2012,（10）:1
11、49-150.9简立明. 内置PID变频调速及PLC控制构建的智能恒压供水系统J.纺织机械,2004,（04）:34-36.10孙立书. 基于PLC的软启动变频双恒压无塔供水系统J.机电工程,201111于红花. 模糊PID控制在变频恒压供水系统的应用J.科技与企业,2013,（20）.12张德田. 基于模糊控制的变频调速在恒压供水系统中的应用研究D.保定:华北电力大学,2012.13李先辉. 变频调速恒压供水技术在建筑给水系统中的应用D.西安:西安建筑科技大学,2013.14蒋兴加. 基于FCS变频恒压供水系统的应用设计J.大众科技,2011,（05）.15胡雪梅,徐荣政. 变频恒压供水系统
12、的设计与应用J.电机与控制应用,2011,（08）.16赵小国,孙伟,阎晓妹. 基于时间优先级的变频恒压供水系统的泵组控制方式研究J.电机与控制应用,2011,（10）.17康会峰,黄新春,王元. 基于DSP的变频恒压供水模糊控制系统应用J.电机与控制应用,2010,（05）.18吴学娟,郎朗. 模糊自适应控制在变频恒压供水系统中的应用J.工业控制计算机,2010,（11）.六、指导教师意见 7、系主任意见毕业论文（设计）审阅与评审成绩学生姓名班级（专业）系 部答辩时间论文（设计）题目指导教师评语及成绩（建议：从学生的学习态度、工作量、论文（设计）的实用性、规范性与综合运用知识能力等方面给出评
13、价）成绩： 指导教师签名： 年 月 日系评审（答辩）小组意见及成绩 评审小组老师签名：系答辩委员会审核意见综合成绩： 主任（签名）：毕业论文（设计）答辩记录及成绩评定专业班级毕业论文（设计）题目 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_ 分答辩小组组长（签名） ： 秘书（签名）：4、系答辩委员会主任（签名）： 系 （部）（盖章） 年 月 日摘 要摘 要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术
14、以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。依据供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。关键词 可编程序控制器（PLC） 变压变频调速 恒压供水第1章 绪论随着各住宅小区
15、的宿舍楼等一座座高楼拔地而起，相应的生活用水量也大幅度增加。人们对提高供水质量的要求越来越高，另外人们的节能意识及对运行的可靠性的要求越来越强。采用变频器及PLC技术实现的无塔恒压供水系统，不仅能提高供水质量，而且在节约能源和运行可靠性具有较好的改善。其中，采用变频调速的主要目的是通过调速来恒定用水管道的压力以达到节能的目的，恒压供水则是为了满足用户对流量的要求。变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变
16、频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。应用PLC技术是为了实现系统的软启动，减少手动操作或抚慰操作，同时替代部分继电器减少机械触点的故障，增强可靠性。1.1 本课题设计的背景随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统，然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些理论
17、上意想不到的问题。本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 PLC是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。有如下特点：1可靠性高、抗干扰能力强2设计、安装容易、维护工作量少3通用性好，组合灵活4功能完善，适应面广5体积小、功耗低6开发周期短、成功率高等已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品，与继电器、接触器系统相比系统更加可靠；占位空间小
18、；价格上能于继电器、接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护和维修；能直接推动电磁阀、接触器于之相当的执行机构；能向中央执行机构、重要数据处理系统直接传输数据等。因此，进行变频恒压供水系统的PLC控制系统的设计，可以推动变频恒压供水系统行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。1.2 本课题设计的内容本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。1.2.1 恒压供水系统的选型 该系统是由储水系统、动力系统、回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成，对象系统由三台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水
19、动力系统，回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性。1.2.2 系统的硬件设计 PLC变频恒压供水控制系统由3台水泵，一台智能型电控柜（包括变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器，断相保护装置以及供电主回路等构成。1.2.3 系统的软件设计系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数设定，这里主要讨论PLC的程序设计，PLC的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。当选择开关打到“自动”时，系统能够进入自动工作状态，由PLC和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变
20、频运行方式。供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元PLC实现。1.3 系统控制的原理通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供
21、水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。第2章 系统的硬件设计学习PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对于设计一个较大的PLC控制系统时，要全面考虑多种因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要用以下设计步骤来进行系统设计。随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务。但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。其实现在的可
22、编程不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下也可以取代工业控制计算机（IPC）作为主控器。控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC控制来完成。当某一个控制任务决定由PLC来完成后。选择PLC就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC以及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点是性质主要是指他们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压
23、。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑： 1. 功能方面 所有PLC一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表以及上位机之间灵活方便的通讯要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量有特殊要求的；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，
24、以便做出正确的选择。 2. 价格方面 不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价必须是需要考虑的。输入/输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。2.1 恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时
25、开一台大电机肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。而且水泵和电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速套跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。这也有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不需要切换，但是购买变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机见可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。恒压供水泵站的示意图，如图2-1所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传
26、感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2-1 变频恒压供水站的基本组成调节器是一种电子装备,在系统中完成以下几种功能: 1. 设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值，另外有些供水系统可能有多种供水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不只一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值设定功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。 2. 接受传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置称为反馈，调节器实反馈的接受点。 3. 根据给定
27、值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的，PID调节过程视调节器的内部构成由数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节器。调节器的输出信号一般式模拟信号，420mA
28、变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图2-2所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为低水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀
29、YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。图2-2生活消防双恒压供水系统构成图2.2 可编程控制器（PLC）的选型2.2.1 PLC概述可编程控制器，英文称Programmable Controller,简称PLC，本文中用PLC作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器，它源于继电器控制技术，但基于电子计算机，它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制。PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行入出信息变换时，大多只考虑信息
