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基于plc的变频恒压供水控制系统论文

石家庄铁道学院毕业设计（论文）

基于PLC的变频恒压供水控制系统

VFconstantpressurewatersupplyPLC

2014届石家庄铁道学院成人教育分院（系）

专业电气自动化应用

毕业设计（论文）任务书

题目

基于PLC的变频恒压供水控制系统

专业

电气自动化应用

班级

电气技师10班

学生姓名

傅东敏

承担指导单位

兰州铁路技师学院

导师姓名

刘东岚

导师职称

一、毕业设计（论文）的技术背景和设计依据：

变频恒压供水是通过改变水泵电机的供电频率，调节水泵转速，通过仪表检测出供水压力并加以控制，保证在用水量变化时供水量也随之变化，实现供水量与用水量的匹配，保护供水的压力恒定即恒压供水。

变频恒压供水系统以其节能、节省设备、安全、高品质的供水质量等优点，在我国供水行业得到了广泛推广应用。

二、设计（论文）任务：

1．熟悉题目要求，查阅相关科技文献，写出开题报告；

2．方案设计（包括方案论证与确定、技术经济分析等内容）；

3．硬件系统设计；

4．软件系统设计；

5．撰写设计说明书，绘制图纸；

6．翻译一篇与自己所学专业或设计有关的英文资料；

三、毕业设计（论文）的主要内容、功能及技术指标：

1．根据控制要求完成系统的硬件选型与配置；

2．绘制软件框图并编程；

3．系统控制要求：

（1）变频调速恒压供水系统有四台泵，大泵电动机的功率均为220KW，小泵的功率均为160KW；

（2）所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式；

（3）采用PID算法实现水压的闭环控制；

（4）西门子S7-200型系列PLC控制变频及现场设备的运行。

（5）系统具有自动/手动操作功能；

（6）具有故障自诊断和自处理功能，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。

其它相关电路的设计（直流电源等）。

四、毕业设计（论文）提交的成果：

1．开题报告（不少于3000字）；

2．设计说明书（不少于30页，约1.2万字左右）；

3．图纸（硬件电路和软件框图各一张，大小合适为宜）；

4．设计说明书简介；

五、参考文献:

[1]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J],兰州铁道学院学报,2000,1:

84-88

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:

机械工业出版社,2002,135-137

[3]金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J],电子技术应用,2000,2:

38-39

[4]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京:

机械工业出版社,2002,244-251

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:

机械工业出版社，1996

[6]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002（3）：

33-35

[7]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学报,200020（3）

[8]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化1997

[9]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世界,2008

[10]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究[J].CNKI,2005

[11]吕国芳，刘希涛,基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自动化仪表,2005

[12]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世界,2008

[13]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究[J].CNKI,2005

[14]吕国芳，刘希涛,基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自动化仪表,2005

[15]李娇.基于MATLAB的输送带配料模糊PID控制的仿真研究[J].煤矿机械,2008

[16]吴宏鑫PID控制的应用与理论依据控制工程期刊2003年第1期

[17]王延才.变频调速设计与应用-北京机械工业出版社.2012

六、任务进度:

09月20日—9月29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；

09月30日—10月03日：

初步完成系统框图设计，完成系统配置与选型；

10月04日—10月07日：

完善系统硬件电路设计；

10月08日—10月11日：

绘制软件框图、编写梯形图及梯形图调试；

10月12日—10月15日：

撰写毕业设计说明书；

10月16日—10月19日：

绘制图纸；

10月20日：

完成毕业论文、答辩。

毕业设计（论文）开题报告

题目

基于PLC的变频恒压供水控制系统设计

专业

电气自动化应用

班级

电气技师10班

姓名

傅东敏

一、选题背景及依据（简述题目的研究背景，国内外研究现状，列出主要参考文献）

1、研究背景：

随着国家的经济建设和人们的生活水平的逐步提高，高层建筑的楼层不断增高，城区的面积不断扩大，城市供水管线不断延伸，城市供水是系统面临着越来越大的压力，由于水压不足，严重影响了上述用户的正常工作和生活。

为了保障高层建筑和供水管线终端用户能正常用水，需要针对实际情况对上述用户的供水系统增加压力，恒压供水系统可有效地解决高层建筑和供水管线终端的用户水压不足，而影响正常供水问题。

由于PLC应用向智能化和网络化方向发展。

智能化是指PLC应用除具有传统的顺序控制功能外，还增加了用于过程控制和位置控制的各种专用接口及智能控制算法；而网络化是指以触摸屏为代表的人机接口实现了PLC与用户之间的、灵活的信息交换，且逐渐成为主流趋势。

变频恒压供水是通过改变水泵电机的供电频率，调节水泵转速，通过仪表检测出供水压力并加以控制，保证在用水量变化时供水量也随之变化，实现供水量与用水量的匹配，保护供水的压力恒定即恒压供水。

变频恒压供水系统以其节能、节省设备、安全、高品质的供水质量等优点，在我国供水行业得到了广泛推广应用。

2、国内外研究现状

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。

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。

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，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”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，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽然说是微化了电路结构，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。

在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。

目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。

这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大:

另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。

造成不必要的能量浪费。

因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。

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、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。

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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，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。

目前国内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。

原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环（月麦丹佛斯公司的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。

3、参考文献：

[1]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[J],兰州铁道学院学报,2000,1:

84-88

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京:

机械工业出版社,2002,135-137

[3]金传伟,毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J],电子技术应用,2000,2:

38-39

[4]张燕宾.SPWM变频调速应用技术[M].北京:

机械工业出版社,2002,244-251

[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:

机械工业出版社，1996

[6]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002（3）：

33-35

[7]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学报,200020（3）

[8]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化1997

[9]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世界,2008

[10]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究[J].CNKI,2005

[11]吕国芳，刘希涛,基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自动化仪表,2005

[12]李建勋,欧容华.高压变频器在热电厂锅炉恒压供水上的应用[J].变频世界,2008

[13]李圣良.九江学院供水系统变频恒压控制技术实现的研究[J].CNKI,2005

[14]吕国芳，刘希涛,基于PLC的PID控制算法在恒压供水系统中的应用[J].自动化仪表,2005

[15]李娇.基于MATLAB的输送带配料模糊PID控制的仿真研究[J].煤矿机械,2008

[16]吴宏鑫PID控制的应用与理论依据控制工程期刊2003年第1期

[17]王延才.变频调速设计与应用-北京机械工业出版社.2012

二、主要设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案、设计（研究）工作步骤

1．设计内容

采用电动机、变频器与可编程控制器（PLC）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，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

有内置电源，有水泵电机、PLC、PID调节器、交流接触器、变频器、管道、流量传感器、压力传感器、电磁阀等部件。

2、设计思想

系统利用各种传感器对供水压力的调节，可使供水和用水之间保持平衡，其控制要求有如下6个方面：

（1）变频调速恒压供水系统有四台泵，大泵电动机的功率均为220KW，小泵的功率均为160KW。

（2）所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式

（3）采用PID算法实现水压的闭环控制

（4）FX2N系列PLC控制变频及现场设备的运行

（5）系统具有自动/手动操作工作

（6）具有故障自诊断和自处理功能，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。

3．关键问题

在系统的设计过程中，需要根据以下要求具体设计：

（1）拟定设计思路，它是整个设计过程的指导

（2）选择合适的硬件，以便节省成本和稳定的运行

（3）选择合适的PLC使其能够满足工作的需要

（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图

（5）根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计

（6）注重设计的可用性，以便在工作过程中工作人员对系统的交流和更好的去操作

（7）设计工作台、电气柜及非标准电器元部件

4．设计步骤

（1）根据设计任务书，分析设计任务；

（2）查阅相关文献资料，解决关键问题；

（3）完成相关硬件电路的设计，并进行器件的选型；

（4）绘制软件流程框图；

（5）编写程序，调试；

（6）功能完善。

三、毕业设计（论文）工作进度安排

09月20日—9月29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；

09月30日—10月03日：

初步完成系统框图设计，完成系统配置与选型；

10月04日—10月07日：

完善系统硬件电路设计；

10月08日—10月11日：

绘制软件框图、编写梯形图及梯形图调试；

10月12日—10月15日：

撰写毕业设计说明书；

10月16日—10月19日：

绘制图纸；

10月20日：

完成毕业论文、答辩。

指导教师签字

时间

年月日

毕业设计（论文）评语及成绩

学生姓名

傅东敏

专业

电气自动化应用

班级

电气技师10

学号

毕业设计（论文）题目

基于PLC的变频恒压供水控制系统

指导教师姓名

刘东岚

指导教师职称

指导教师评语：

专家评语：

签字：

年月日

答辩小组意见：

答辩小组组长签字：

年月日

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

摘要

随着社会主义市场经济的发展，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的趋势

本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。

最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。

本论文设计与实现通过MCGS进行数据传输的远程网络巡回监控系统。

具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。

本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字：

变频调速；恒压供水；PLC；MCGS；监控系统

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocialisticmarketingeconomy,thereisagrowingdemandforbetterqualityofwatersupplyandhigherreliabilityofsupplysystem.Inaddition,consideringthecurrentcommonenergycrisis,achievingtheschemeofautomatingthewatersupplysystem.Soitisaninevitabletendencytodesignandcreateanenergy-savingconstant-pressurewatersupplysystemofexcellentperformancewiththehelpofadvancedtechniquesofautomation,monitor-controlsystem;andcommunication.Meanwhile,theSystemcanalsoadapttovariouswaterSupplyregions.

ThispaperanalyzesthestructureofVFspeedregulatingconstant-pressurewatersupply,andproposesseveralcontrolmethods.Bycarefulstudyandcomparison,PLCandinverter'smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.FinallythepapershowsthedesignofconstantpressuresupplywatercontrolleraccordingtoPIDdataanddetailedintroductionofitssoftwareandhardware.Inthispaper,theauthordesignsandrealizestheremotemonitorandcontrolsystemthroughMCGS,andthenillustratesitsgeneraldesign,softwareimplementandthemeasuresofpreventabledisturbanceindetails.

Thesystem,whichhasinitiallybeencompletedwithreliableperformanceandexcellentenergy-savingeffect,provestopossesshighreliabilityandreal-timequality.Thesystemcannotonlyremarkablyimprovethequalityofwatersupply,butalsoeconomizeonlabor,whichwillsurelybringusbotheconomicandsocialbenefits.

KeyWords:

VFspeed;constantpressurewatersupply;PLC;MCGS;monitorandcontrol-system

附录

第一章绪论

1.1城市供水要求

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。

主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。

在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。

以下就逐一分析。

（1）一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。

这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。

这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

（2）恒速泵+水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。

水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

水泵处于断续工作状态中。

这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。

这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。

供水压力比较稳定。

但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。

而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

（3）射流泵十水箱的供水方式

这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量）的现象，无法满足高层供水的需要。

（4）恒速泵十高位水箱的供水方式

这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。

高层建筑还可分层设立水箱。

占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。

一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。

水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

（5）恒速泵十气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。

罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本