基于PLC的变频恒压供水设计Word格式.docx

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四、主要参考文献：

[1]赵光.西门子S7-200系列PLC应用实例详解北京：

化学工业出版社.2010

[2]彭小红、刘国东.基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计[M].软件技术.2004

[3]卢建勤.PLC及变频器在恒压变频供水系统中的应用[M].机床电器.2005.4.

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

变频恒压供水系统的设计

一、选题的背景和意义：

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，同时存在着水、电供应不足的压力。

在传统的供水装置中，往往水泵的选取是由最大供水的容量来确定的，但是实际的供水量是时刻变化的，从而导致供水压力不稳、水泵效率低、导致氺资源的浪费。

这样就要求设计出更好的供水系统。

这些系统利用先进的自动化技术、控制技术以及通信技术，能够设计出高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统。

本系统的设计为PLC控制的变频供水系统，通过PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。

经PID运算，PLC进行控制变频与工频切换，从而使闭环自动调节恒压进行变量供水。

这种系统设计具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。

它在居民生活用水系统得到应用，在节能和供水质量方面取得了较好效果。

二、课题研究的主要内容：

利用PLC与变频调速装置构成的控制系统，来实现对泵组控制的调速运行，而且能够自动控制调整泵组的运行台数，来实现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，既可以满足供水要求，也能节约节能，使系统处于可靠工作状态。

三、主要研究（设计）方法论述：

1、该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。

压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保持管网压力恒定。

2、研究PLC与PID算法中的应用。

3、讨论PLC与变频器的连接。

4、变频调速恒压供水的硬件设计与软件设计。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2012.12.25~2012.12.31

与指导老师共同制定相关指导措施、联系方法、确定好课题

2013.1.1~2013.1.10

收集资料并按要求撰写任务书和开题报告

2013.1.11~2013.1.31

整理出论文的系统方案

2013.2.1~2013.2.10

系统硬件电路设计

2013.2.11~2013.2.22

选择设备的选型

2013.2.23~2013.3.23

整理出论文软件的框架

2013.3.24~2013.4.1

进行软件的编程

2013.4.2~2013.5.25

进行论文初稿的撰写

2013.5.26~2013.6.9

定稿，完成毕业设计

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

摘要

Abstract

参考文献

答谢辞

摘要

随着我国社会经济的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，其中人们对供水的质量和供水系统的可靠性要求比较高。

由于目前的能源紧缺，所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术来设计一个能适应不同领域的变频恒压供水系统。

本论文通过对PLC200的编程来实现恒压供水系统，从而取代了直接水泵加压和高位水塔供水方式。

由变频器、压力传感器、PLC及PID调节器组成控制系统。

采用变频器实现对水泵电机的软启动和变频调速。

压力传感器经管网压力信号通过PID处理传送给变频器，变频器通过压力大小调整电机转速来改变供水量，从而保证管网压力的恒定。

这样有益于保护环境、减少资源，而且操作简单，维护方便，同时也降低了电能的损耗和对电网的影响。

所以用PLC来设计变频恒压供水系统不仅能够满足现实需要，也能提高整个系统的效率，延长系统的寿命、节约能源，是现代化城市和生活小区供水较为理想的供水方式。

关键词：

PLC;

变频器;

PID;

压力传感器;

供水系统

Abstract

WithChina’seconomicandsocialdevelopment,people’slivingstandardhasbeen

improved,thereliabilityofwaterqualityandwatersupplysystemrequirementisrelativelyhigh.Becauseoftheshortageofenergy,sotheuseofautomationtechnology,

controltechnologyandcommunicationtechnologytodesignacanadapttovariablefrequencyconstantpressurewatersupplysystemindifferentfields.

ThispaperbasedontheprogrammingofPLC200torealizetheconstantpressurewatersupplysystem,thusreplacingthedirectwaterpumppressureandhighwatertowerwatersupplymode.Thecontrolsystemconsistsoftransducer,pressuresensor,PLCandPIDregulator.Implementationofthewaterpumpmotorsoftstartandfrequencyconverter.PressuresensormanagermentnetpressuresignaltotheinverterthroughthePIDtransmission,theconvertertochangethewatersupplypressuresizebyadjustingtherotationspeedofthemotor,thusensuringaconstantpressureofthepipenetwork.Itisbeneficialtoprotectenvironment,reduceresource,andhastheadvantagesofsimpleoperation,convenientmaintenance,butalsoreducesthepowerlossandtheimpactonthegrid.SotheuseofPLCtodesignofvariablefrequencyconstantpressurewatersupplysystemcannotonlymeettheneedsofreality,butslaocanimprovetheefficiencyofthewholesystem,extendingthesystemlifetime,energyconservation,isamoderncityandlivingintheareaofwatersupplyanidealwatersupplymode.

Keywords:

PLC;

frequencychanger;

PID;

preaaurepickup;

watersupplysys

第1章前言

众所周知，水是生命之源，是人类生活和生产过程中不可缺少的重要资源之一。

我国是一个水资源短缺的国家，所以我国长期以来在供水方面的技术比较落后，自动化程度也比较低。

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力资源和电力资源、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。

变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。

它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。

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。

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。

第2章系统的发展及其意义

2.1　课题的背景和研究的意义

水是我们赖以生存的资源，而我国是个水资源短缺的国家。

随着社会的飞速发展，人口的不断增长，用水量也在急剧增加，从而出现供水不足的现象，同时造成管网水压浮动较大。

而变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。

供水厂希望通过对原有系统的技术改造，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。

由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

在相当比较大规模的工业生产供水系统，以PLC控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：

（1）供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。

（2）对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。

（3）一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。

从上即可结论：

以PLC为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。

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。

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不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。

但在大功率大容量变频器上，还有待完善。

也有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌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，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现;

有的采用单片机及相应的软件予以实现。

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。

同时在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，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（EMC）的变频但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变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。

这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。

实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。

因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.

变频调速是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），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调速技术.它采用微机控制技术;

电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，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高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，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，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成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7台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输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（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

第3章系统的理论分析及控制方案确定

3.1变频恒压供水系统控制方案的选择

传统的供水方式（包括水箱、水塔供水和气压供水）。

1）水箱/水塔供水：

供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。

供水压力比例恒定，且有贮水。

但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。

即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。

同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。

此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。

2）气压供水：

气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。

其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。

缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。

因此，电能消耗大，运行费用高。

给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。

随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。

利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。

其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。

3）变频调速恒压供水：

变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。

电动机泵组多由同型号的水泵2～4台并联而成（以四台为例）。

由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。

主要优点：

对电网冲击小，保护功能完善。

消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。

当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。

突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。

因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。

由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。

水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。

无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。

建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。

变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合：

高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。

1）各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。

2）中央空调系统。

3）自来水场增压系统。

4）农田灌溉，污水处理，人造喷泉。

5）各种流体恒压控制系统。

变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。

并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。

将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。

所以在此我们选用变频调速恒压供水系统。

3.2　PLC概述

1、可编程控制器（PLC）的产生

1968年美国通用汽车公司（GeneralMotorsCorporationGM）公开招标，要求用新的控制装置取代生产线上的继电器——接触器控制系统，其具体要求如下：

1、编程简单，可在现场修改和调试程序2、维护方便，采用插入式模块结构

3、可靠性高于继电器4、与继电器——接触器控制系统相比体积小，能耗低

5、能与管理中心计算机系统进行通信6、购买安装成本可与继电器控制柜竞争

7、采用市电输入，可接受现场的开关信号8、采用市电输出，具有驱动接触器线圈、电磁阀和小功率电动机的能力9、系统扩展时，原系统只需做很少的改动

10、用户程序存储器容量至少4KB

1969年美国数字设备公司根据上述要求，首先研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动生产线上试用获得成功。

从此以后，这项研究技术迅速发展，从美国、日本、欧洲普及到全世界。

因为这种新型工业控制装置可以通过编程改变控制方案，且专门用于逻辑控制，所以人们称这种新型工业控制装置为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）。

2、PLC的基本工作原理

PLC是按照集中采样、集中扫描的工作方式工作的。

整个工作过程可分为5个阶段：

自诊断，通信处理，读取输入，执行程序，改写输出。

这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

3、西门子S7-200PLC简介

西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。

S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品。

它是整体式PLC，它将输入/输出模块、CPU模块、电源模块均装在一个机壳内，当系统需要扩展时，可选用需要的扩展模块与基本单元（主机）连接。

其特点如下：

（1）编程方法简单易学；

（2）功能强，性能价格比高：

S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；

（3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；

（4）强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；

（5）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强；

（6）系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量小，维修方便；

（7）体积小，能耗低；

3.3变频恒压供水系统的理论分析

3.3.1电动机的调速原理

变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。

水泵电机多采用三相异步电动机，其交流电动机的同步转速公式为：

n=60f（1-s）/p（3.1）

式中：

f表示异步电动机频率，s表示电动机转差率，p表示电动机极对数。

从（3.1）公式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（1）改变电源频率

（2）改变转差率

（3）改变电机极对数

改变转差率调速即转子电路串接电阻调速、改变定子电压调速、滑差电机等。

其最大优点是可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。

但由于线路过于复杂在调速过程中均产生大量的转差功率，消耗在转子电路，使转子发热，调速的经济性较差，会使效率降低，而且调速范围也受到限制。

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。

从（3.1）公式可知，当极对数p不变时，电机转速n与电源频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0-50HZ的范围内变化时，电动机的转速调节范围非常宽。

所以，通过连续调节异步电动机供电源频率，就可以平滑的调节电动机的转速。

单相电机调速器就是通过改变电动机电源频率实现调速调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

3.3.2变频恒压供水系统的节能原理

在变频恒压供水系统中，主要控制对象是流量。

所以，在研究节能问题上就可以从调节流量的方法入手。

常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法（也称恒压控制法）两种。