1、 2014届毕业设计说明书 恒压变频供水控制系统设计 摘 要近几年我国城市建设发展迅猛，同时在基础设施建设方面提出了跟高的要求。城市高楼居民用水，一直是困扰城市发展的一个难题，供水的可靠性、稳定性和经济+性直接影响这人们的正常工作和生活。随着人们生活方式的变化和生活水平的提高，供水系统的个项性能要求不断提高。利用高效的自动化技术，设计低能耗、高效率、能适应复杂环境的恒压供水系统。本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机
2、调速技术。因此本文以采用变频器和PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。通过对本系统I/O点数的统计，得出本系统有15个输出点数，9个输入点数，依据PLC选型留有10%的裕量的原则，系统选用了三菱FX2N系列PLC。水泵选型时，从流量、功率、扬程三方面进行综合考虑，水泵扬程应是实际扬程的1.11.2倍，本次设计选用了80DL2型号的水泵。变频器选用了FR-F700，可接电机功率为15(kW)，在变频控制过程中，由变频器内部的PID控制方式完成。在程序设计时结合硬件电路，选用顺序功能控制设计方法进行程序设计。程序由GX-Developer编
3、写完成，通过MCGS进行该系统的组态设计，最后分析该系统的供水效益，结果显示具有明显的节能效益。 关键词：PLC；变频调速；恒压供水；设计；MCGSABSTRACT Fast development of city construction in China in recent years, at the same time, in the aspect of infrastructure construction is proposed with high requirements. City high-rise residential water, has always been a di
4、fficulty in urban development, water supply reliability, stability and economy directly affects the normal work and life of people. As people lifestyle changes and improvement of living standards, increasing water supply system of a performance requirements. Efficient automation technology is used t
5、o design low power consumption, high efficiency, can adapt to the complex environment of constant pressure water supply system. In this paper, first of all, according to the operation of the pipe network and pump characteristic curve illustrates the principle of frequency control of motor speed and
6、energy saving water supply system; Analyzes the composition of the principle of variable frequency constant pressure water supply and system structure, through research and comparison, draw the conclusion: frequency control of motor speed is a benefit is the highest in the world, and the best perfor
7、mance, the most widely used, the most promising motor speed control technology. So this article, in the form of combination of the frequency converter and PLC system, with a water pump motor control system in residential area as an object, expounds how to realize the constant pressure water supply g
8、radually. This system for PLC output has 15 points, nine input points. Based on the principles of type selection of PLC, the system selects the mitsubishi FX2N series PLC, mitsubishi and dedicated FR - F700 series inverter, the inverter can be a very good drive pump motor startup. In the process of
9、frequency conversion control, performed by frequency converter internal PID control method. When programming combined with hardware circuit, selects the sequential function control design method for program design. Programs are written by GX - Developer complete, through the MCGS configuration desig
10、n of the system, in the final analysis the system of water supply benefits, results showed that has obvious energy saving efficiency. Keywords: PLC;frequency control;constant pressure water supply;MCGSIV目 录1 绪论11.1 本课题产生的背景和意义11.2 变频恒压供水的现况11.3 变频供水系统的应用21.4 本人的主要工作22 变频恒压供水的理论分析32.1 水泵的工作原理32.2 供水电
11、机的搭配32.3 离心泵的调节方式42.4 恒压供水系统供水特性分析42.5 水锤效应52.6 供水系统的组成53 恒压变频供水控制系统硬件的设计73.1 恒压变频供水控制系统的设计方案73.2 选择供水设备的原则73.3 供水设备的选择8 3.3.1 水泵的参数计算与型号的选择8 3.3.2 变频器9 3.3.3 压力传感器的选择103.4 PLC的选型11 3.4.1 PLC选型的基本原则11 3.4.2 输入输出点的统计11 3.4.3 I/O的分配123.5 系统硬件线路设计134 变频恒压供水控制系统软件的设计164.1 PLC编程设计方法16 4.1.1 经验设计法16 4.1.2
12、 继电器电路直接转换为梯形图法16 4.1.3 逻辑代数设计方法164.2 编程软件的简单介绍164.3 恒压供水系统程序的设计17 4.3.1 程序流程图17 4.3.2 程序设计185 组态的设计235.1 MCGS软件简介235.2 恒压供水系统的MCGS界面设计23结束语29参考文献30致 谢321 绪论1.1 本课题产生的背景和意义这些年城市建设和城乡结合发展迅速，但市政供水、工业供水，高层建筑供水，居民生活供水在我国一直落后，这种局面严重恶影响我国城市建设的发展和小康社会的发展。电机供水和水塔二次供水时我国传统供水方式，传统供方式是靠建在高处的水塔来储存水的，然后通过水塔的高度形成
13、一个压力差实现供水。传统的电机供水，电网由于电机频繁启动首到很大影响，设备寿命受到影响。水塔供水，修建水塔要占据很大面积且投资成本大，而水长期储存在水塔内，对水质有严重的影响容易受到污染。因传统供水存在各方面的不足，人们开始寻求一种更好的供水方式。恒压变频供水，是随着变频器的发展而兴起的，恒压变频供水的出现，弥补了传统供水个方面的缺陷，给供水方式带来一场变革。在恒压变频供水中，电机运行稳定，占地面积小，电机也不需要电机频繁启动，不会像水塔二次供水一样带来二次污染。这种自动化程度高的供水方式，在生产中有效的提高了劳动者的生产效率，降低了管理难度，在生活中，有效的供水方式，提高了人们的生活质量。明
14、显可以看出恒压变频供水有传统供水方式。在国内恒压变频供水还有很好的发展前景，能带来更高的社会效益。1.2 变频恒压供水的现况变频变频调速技术的发展，促使了恒压变频技术的快速发展，恒压供水在国外已经相当成熟可靠，变频技术也十分先进。在国外有不少变频器生产商，专门针对变频供水研发变频器。日本的Samco公司，开发了一种集成的基板具有两种变频方式，固定式和循环式。一台变频器只驱动一台水泵，是国外的主要设计方式。单一驱动这种设计，安全可靠，更加灵活。变频器本身就比较昂贵，采取一对一控制，投资成本很高。在国内做恒压变频供水有不少公司，但在各方面的性能，都很难满足用要求。国内有用PLC实现的，也有用单片机
15、实现的，在某些方面落后与国外，主要是因为国内变频技术没国外先进。国内的艾默生和程度希望集团，也专门设计了应用于供水变频器，该变频器把PLC和PID集成在一起，这种变频器在安装的时候比较方便。但由于国产变频器技术的限制，该变频器适应于供水量小，而且供水要求较低的地方。随着变频器技术的不断创新、国内科研人员的不断完善，恒压供水一定会有更好的发展前景和更大的发展空间。最终将广泛应用于生产生活中，从而改善人民生活质量，提高人们的生活水平。1.3 变频供水系统的应用在很多行业中都用到了变频恒压供水，大致可分为三类依据适用范围：（1）小型供水系统 工厂，高层建筑，小型加压站都适用该供水系统，适用的原因是，
16、功率小成本低，操作简单。这些场所在国内应用的最多，而用户群比较大。（2）中小型水供水系统中小供水厂、辅助供水厂常常用到此类型系统。此类供水系统，供水能力比较强，一般功率有135kV320kW。由于该种系统对控制要求不是很高，所以一般有国产的变频器控制。（3）大型供水系统大中型城市的供水往往采用的就是这种系统，这种系统供水能力强，供水范围广。供水能力强和供水范围广，使得该系统的能耗大、水泵机组多和需要采用高压供电。这种系统控制要求高，一版采用国外的变频器控制1。1.4 本人的主要工作恒压变频供水主要由PLC和变频器控制实现。本次设计中，进行了系统主电路、控制电路设计，首先要对PLC进行选型，选型
17、是根据PLC的输入输出点数来选择，我们的系统有15个输入点，和9个输出点，所以PLC选用了三菱的FX2N系列PLC(FX2N-32MR)，变频器选用了三菱变频器系列变频器。程序由GX-Developer编写完成，系统组态设计由MCGS设计完成。在控制过程中，电控系统由FX2N完成，变频器完成PID控制。2 变频恒压供水的理论分析2.1 水泵的工作原理水主要由离心泵从深水区抽出地表在送往用户，离心泵的工作示意图如图1所示：水泵在电机的带动下，使泵轴随着电机一起转动，半轴带动叶轮转动，叶轮将水从深水区吸上来达到抽水的效果。详细过程为：液体灌满水泵后，启动时电机带动泵轴转动，泵轴带动叶轮转动，叶轮带
18、动液体流动。液体在离心力的作用下，获得能量往外流动，最后在压力的作用下排出管道。排出管道后，送至用户。图1 离心泵工作示意图2.2 供水电机的搭配电机主要是给水泵通过能量，所以电机的备置取决于供水负载。电动机要尽量在额定负载下运行。电机选择时应注意功率的选择：电动机功率过大，将造成电机长期过载，损坏绝缘层，甚至烧毁电机；电动功率过小，可能出现电机堵死情况，功率过小电机的机械输出功率低，功率因素低和效率低，严重影响用户和电网，还造成较大浪费2。电机功率的选择，负载一定时，负载的功率(kW)，可以通过1计算所需电机功率(kW): （1） 式中，机械效率是，电动机效率是。2.3 离心泵的调节方式（1
19、）变速调节改变水泵的转速n，使水泵的性能发生变化，从而使水泵的工况点发生变化，这种方法称为变速调节。 （2）变径调节叶轮经过车削以后，水泵的性能将按照一定的规律发生变化，从而使水泵的工况点发生改变。我们把车削叶轮改变水泵工况点的方法，称为变径调节。（3）变角调节改变叶片的安装角度可以使水泵的性能发生变化，从而达到改变水泵工况点的目的。这种改变工况点的方式称为水泵的变角调节。（4）节流调节对于出水管路安装闸阀的水泵装置来说，把闸阀关小时，在管路中增加了局部阻力，则管路特性曲线变陡，其工况点就沿着水泵的Q-H曲线向左上方移动。闸阀关得越小，增加的阻力越大，流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵
20、工况点的方法，称为节流调节或变阀调节。关小闸阀，管路局部水头损失增加，管路系统特性曲线向左上方移动，水泵工况点也向左上方移动。闸阀关得越小，局部水头损失越大，流量也就越小。由此可见节流调节不仅增加局部水头损失，而且减少了出水量，很不经济。但由于其简便易行，在小型水泵装置和水泵性能试验中应用较多3。2.4 恒压供水系统供水特性分析 本系统的供水特性曲线如图2所示。由图可知，水流量Q越大，扬程H月小。在水泵电机转速和供水系统阀门开度不变的情况下，居民用水决定了流量的大小，所也扬程特性去先反应了扬程与流量的关系。水泵转速一定，管阻特性描述的是，阀门开度在某一值，流量与扬程的关系。管组特性反应了水泵克
21、服管壁阻力及水泵系统压力差时，管道中流体流动的变化规律。图2中扬程特性和管阻特性的交点，是系统稳定运行的工作点，在这点供水量与用水量基本处于平衡，这点符合扬程特性，也符合管组特性4。 对整个供水系统而言，最终要达到的目的是，满足用户对水量的需求。流量越大水量也就越大，对系统而言只能对流量进行控制。由此看来，系统的基本控制对象是水的流量。在系统动态情况下，系统供水能力、用户用水量、管道水压大小之间的平衡关系如下： 供水量 用水量时，管道压力变大； 供水量 用水量时，管道压力变小； 供水量 = 用水量时，管道压力不变； 由上面的关系可知，管道的压力变化反应了供水量与用水量之间的关系。由此可以通过压
22、力传感器，取得管道压力变化的参数，压力的变化可以做为控制流量的参变量。通过压力传感器反馈回来的信号，可有效地调节系统供水的压力值5。 图2 供水特性曲线2.5 水锤效应水锤效应是指水泵在起动和停止时，水流冲击管道，产生的一种严重的水击。异步电动机在全压起动时，从静止状态加速到额定转速，水量从零猛增到额定流量。流体不像气体有那么大可压缩性，水量猛增时流体具有动量和一定的可压缩性，极短时间内管道里的水量巨增，水会对管道产生过高的压强。管壁受到巨大压力的撞击，管壁发受力发出噪声，声音就像锤子敲击管道一样，这就称为水锤效应6。水锤效应对供水系统具有极大的破坏性，过高的压强容易引起管道爆裂，在空化时，压
23、强过低可能导致管道瘪塌。除此之外，阀门和其他固定器件也可能因水锤效应而损坏。防止水锤效应的几种措施：（1）采取恒压变频控制技术（2）采取泄压保护技术 （3）采取控制流技术（4）在管道中的峰点，安装可靠的排气阀。2.6 供水系统的组成本系统的主要组成部分是变频器，压力传感器，恒压调控单元，水泵机组和低压电器7。各部分功能如下： （1）变频器，变频器用于接收传感器返回的压力信号，通过PID调节器可以调节电机转速，从而达到调节管网压力和水量的目的。 （2）压力传感器，压力传感器能将得到的压力信号，转变成电信号的形式。 （3）PLC，PLC对水泵进行切换、控制等。 （4）水泵，实现从低处往高处供水，用
24、来提高水压。（5）低压电器，低压电器与设计外围电路，当控制系统自动运行出现故障时，可以同过人工调节维持系统的运行，以保供水的可靠性。3 恒压变频供水控制系统硬件的设计3.1 恒压变频供水控制系统的设计方案从系统的原理依据来看，系统由五个部分组成，变频器即恒压控制单元；PLC，即系统控制单元；敏感器件压力传感器，即信号检测单元；水泵机组，即执行机构；低压电器，即电控单元，有低压继电器，接触器等。这五部分组成了一个完整恒压变频系统8。图3 系统构成框图PLC能够很好的是模块化控制，而且通用性强，用户可以灵活的设计适合具体环境的控制系统。由于PLC是可编程控制设备，在硬件修改和维护上也十分简便，很多
25、时候只要重新编写程序，就可以改变功能来适应新的硬件电路。PLC能在恶劣的环境下稳定运行，所以系统在稳定性和可靠性方面大大提高9。3.2 选择供水设备的原则在供水设备的选择上主要考虑的依据是用户的水量需求，用户量大供水量也就大。有关数据依据统计在表1中。 按照城市居民生活用水标准GB/T 50331-2002，得到我国人均日用水量标准，如表1所示。表1 居民人均日用水量统计表分类拘谨型(L/d)(%)节约型(L/d)(%)一般型(L/d)(%)冲厕3034.83532.14029.1淋浴21.825.332.429.739.628.8洗衣7.328.48.557.89.326.8厨用21.382
26、4.80252329.621.5饮用1.82.121.832.2浇花22.332.885.8卫用22.332.885.8合计86.21100108.95100137.52100 用水规模换算，不同的小区有不同的用户数量，表2是在给定用户量时的用水规模表。表2 供水规模换算表人数拘谨型 ()节约型()一般型 ()45038.8049.0261.8860051.7265.3782.5170060.3476.2796.2680068.9787.16110.01100086.21108.95137.52小区供水的水泵功率计算公式： （2） 式中Q是流量，t1时间，=10103Kg/m3 。 （3） 式
27、中h是供水高度，g=10m/s2 系统水泵根据以下原则设计： （3）蓄水池的最大容量应大于每小时用户对水的需求量； （4）水泵扬程应是实际供水高度的1.11.2倍10。 （5）水泵最大流量总和应大于实际最供水的最大流量。3.3 供水设备的选择3.3.1 水泵的参数计算与型号的选择 （1）由水泵的设计原则，人均每天的用水量，应以用水情况一般的住户为准。 （2）针对用户人600人的住宅小区设计时，由水泵的设计原则可知，该住宅区一小时内的用户最大的需求量Q为82.51(m3/h)。 （3）楼层 高度一般3.5米，那么10层楼为35米，由公式（2）和公式（3） （Kg）（kW）根据功率，扬程等要求，本
28、设计中选择80DL2，水泵参数如下表3表3 水泵参数型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kW)80DL232.4422900113.3.2 变频器 本系统采用三菱FR-F700系列变频器，适应电机容量15(kW)，图4 变频器端子功能介绍各端子的功能如表4所示。表4 FR-F700端子功能表端子端子功能STF正转起动STR反转起动STOP起动RH，RM，RL多段速度选择JOG电动模式选择RT第二/减速时间选择MRS输出停止RES复位AU电流输入选择CS瞬停再启动选择SD公共输入端(漏型)PC直流24V电源和外部晶体管公共端接入点10E频率设定电源10频率设定电源2频率设定
29、(电压)4频率设定(电流)1辅助频率设定5频率设定公共端A,B,C异常输出RUN变频器正在运行SU频率到达OL过负荷报警IPF瞬时停电FU频率检测SE集电极开路输出公共端FM指示仪表用AM模拟信号输出PUPU接口3.3.3 压力传感器的选择CYYB-120的参数如表5所示应用范围广，在航空航天、石油化工、科学试验、制冷设备、工程机械、污水处理等液压系统产品中都能选用CYYB-12进行压力检测。CYYB-120几乎所有压力测控领域都可以适应11。主要特点：（1）精度高、稳定性高、工作温度范围大。（2）耐震动、防水、抗冲击、体积小。（3）良好的互换性、抗干扰能力强、标准信号输出。（4）价格低矩有价格优势。表5 CYYB-120的参数参数类型参数值电源电压24V零点输出（20）4.00
