基于PLC和变频器的水泵站恒压供水论文.docx
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基于PLC和变频器的水泵站恒压供水论文
毕业设计
题目常宁市民心自来水有限公司供水项目2级泵房电气控制器的设计
学院名称电气工程
2013年5月25日
南华大学
毕业设计（论文）任务书
学院：
电气工程
题目：
常宁市民心自来水
有限公司供水项目
2级泵房电气控制器的设计
起止时间：
2012年12月23日至2013年5月25日
学生姓名：
专业班级：
电气工程及其自动09级2班
指导教师：
研室主任：
院长：
2012年12月23日
设计（论文）内容及要求
1.背景资料
见附件1
2.设计内容
2.1整体方案设计。
2.2主电路设计。
属于设计的重点内容。
2.3PLC的选型。
2.4采用PLC控制电路的设计。
属于设计的重点内容。
2.5PLC程序设计。
属于设计的重点内容。
3.电路设计要求
3.1水泵系统满足供水要求。
3.2水泵电机采用变频器调速控制。
3.3水泵电机要求具有过流保护、过载保护、接地保护、限位等功能，合理选取电压电器设备的型号、规格和台套数。
3.4要求综合考虑控制器成本。
4.论文要求
4.1独立完成设计的全部内容。
4.2独立撰写毕业设计论文一篇（不少于15000字）。
4.3毕业设计论文符合学校规定的论文格式、图表规范。
4.4毕业设计的有关资料存入磁盘（或刻录光盘）。
5.进度安排
2012年12月～2013年1月：
资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。
2013年2月：
方案设计。
2013年3月：
变频器、PLC选型设计
2013年4月：
主电路设计，PLC外围控制电路。
2013年5月：
程序设计，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。
指导教师：
2012年12月23日
南华大学电气学院本科生毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
常宁市民心自来水有限公司供水项目
2级泵房电气控制器的设计
设计（论文）题目来源
自选课题
设计（论文）题目类型
工程设计类
起止时间
2012.12~2013.5
一、设计（论文）依据及研究意义：
依据：
1.根据以下规范、标准进行本次设计
1）GB/T 50265-2010.泵站设计规范
2）SZ310-2004.村镇供水工程技术规范
3）JGJ16-2008.民用建筑电气设计规范
2.根据任务书所给的原始资料
研究意义：
国内县级，乡镇级的二级水泵站,普遍存在自动化程度低，运行成本高等问题。
由于压力得不到有效控制，造成管线破裂，漏水缺水现象严重。
近年来，随着小型PLC，变频器价格下降，劳动力成本上升，以及居民对供水质量要求的提高，社会对降低能耗的呼吁，对乡镇级水泵站，节能化，自动化改造，具有重要意义。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
本文介绍了，应用PLC和变频器，实现对二级水泵站全自动化控制的技术。
可以实现无级恒压调速，供水稳定，供水质量显著提高。
应用变频技术，降低电机电能损耗，并且减小启动时对电网冲击。
自动化程度高，节省劳动力成本，集成程度高，检修维护方便。
二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标：
（技术方案、路线）
主要研究内容：
1.水泵站整体控制方案设计。
2.主电路设计及主要设备选型。
3.PLC、变频器的选型。
4.采用PLC控制电路的设计。
5.PLC程序设计
6.论文的撰写
三、设计（论文）的研究重点及难点：
重点：
1.主电路设计
2.采用PLC控制电路的设计
3.PLC程序设计
难点：
1.PLC与变频器应用
2.程序的编写
3.对程序可靠性分析
四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）：
1.2012年12月～2013年1月：
资料收集整理，撰写文件综述和开题报告。
2.2013年2月：
方案设计。
3.2013年3月：
变频器、PLC选型设计。
4.2013年4月：
主电路设计，PLC外围控制电路。
5.2013年5月：
程序设计，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。
五、进行设计（论文）所需条件：
1.有关水泵站电气方面的资料；
2.有关电机控制方面的资料：
3.有关PLC方面的资料；
4.编程软件；
六、指导教师意见：
签名：
年月日
摘要：
本文完成的是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，通过对任务要求、控制对象的分析，选择了PLC加变频器的控制方案。
根据设计思路进行了主要设备的选型，主电路设计，控制电路设计以及程序设计。
整个设计方案以PLC和变频器为控制器核心，工控机为人机交流窗口，水泵机组为执行单元，与水压等信号采集单元一起，组成了一个完整的闭环恒压供水系统。
对用户实行分区供水，每台水泵可以在工频和变频两种运行方式下切换。
变频器根据采集的压力数值和设定参数比较自动调节电机运行频率，PLC根据变频器的反馈信号，控制每台电机的工作状态。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
关键词：
恒压供水;PLC;变频器;分区供水
Abstract:
Electricaldesignofsecondarypumpingstationinatapwatercompanyisdescribedinthepaper.AcontrolschemeofPLCandfrequencyconverterisproposedbyanalysingtaskrequirementsandcontrolobject.Theselectionofmajorequipment,maincircuitdesign,controlcircuitdesignandprogramdesignisalsoproposedaccordingtothedesignideas.PLCandfrequencyconverteraredesignedwiththecoreofcontroller;industrialcomputerisdesignedasman-machinecommunicationwindow;andthewaterpumpisdesignedastheexecutionunits.Alloftheseandthepressuresignalsampleunitetc.makeupanintegratedclosed-loopisobaricallywatersupplysystem.Eachpumpcanbechanging-overindifferentoperatingmanners,whichisusedtomanagethenetworkusersinzonewatersupply.Thefrequencyconverterautomaticallyadjuststheoperatingfrequencybasedoncollectedpressurevaluesandsettingparameters.PLCcontrolstheworkingstatusofeachmotoraccordingtothefrequencyconverterfeedbacksignals.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
KEYWORD:
Constantpressurewatersupply;PLC;Frequencyconverter;Zonewatersupply.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
1绪论
1.1课题研究意义
课题研究的是自来水厂的二级泵房电气控制器的设计，所谓二级泵房，指的是从把水从自来水厂送到城镇居民家中的加压泵站。
相应的还有一级泵房把河流中的水抽取到自来水厂。
而二级泵房设计要求就是：
通过先进的控制系统设计从而达到最大可能的节约水资源和电能的要求。
众所周知中国是一个人均水资源和能源贫困大国，人均平排名在世界一百多名之后，所以在这样一个能源贫困大国，如何用科技的力量减少能源的损耗，用高效率的自动化控制系统代替传统的落后的控制方式，节约人力资源，降低能源损耗。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
居民生活用水是淡水资源的主要消耗部分，但同时也是供水项目重点保障的部分。
如何能有效保证城镇居民有水用的同时，尽最大可能的节约水资源和降低通过先进的控制系统设计进而达到降低水能或者电力能源功耗。
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
长期以来中国很多城镇的供水方式比较落后，传统的供水方式主要存在以下问题：
水压不稳，高峰时段居民没有水用，低谷时段容易造成管线爆裂；由于供水系统不科学造成的严重的水资源浪费和电能浪费；由于自动化程度低造成的人力资源浪费；高昂的运行维护和检修费用。
供水方式有以下几种绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
（1）恒速水泵+蓄水池的方式
这种供水方式是最简单最直接的供水方式，有的甚至连蓄水池都没有安装而是直接从供水系统管网中取水连接管道。
无法根据用户需求改变水压，存在严重的水资源浪费和电能损耗，甚至造成管线破裂等。
恒速水泵的加压供水方式无法也根本不可能对城市和乡镇供水管网的压力大小做出比较有效的反应，供水水泵的数目增加和减少都必须要依赖于工人现场进行手工的操作，自动化程度比较低，而且大多数时候为了保证供水，又无法检测压力机组经常处于没必要的满负荷运行，不仅效率低、耗电量很大，而且在用水量较少的夜间时段和用水低谷期，管网难免处于超压运行状态，爆损现象比较严重，目前较少采用。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
（2）恒速水泵+水塔的方式
这种供水方式显然要比恒速水泵加蓄水池的方式好很多，首先是解决了管线破裂，水资源浪费的问题。
而且比前一种方式节约电，因为只要水塔满了，就可以关掉电机，当水位下降到一定水位，在启动电机即可但是也有明显的缺点。
主要缺点如下：
这种供水方式要求水塔最低水位要高于系统所要求的最低水位，水塔必须建的很高，再加上要考虑安全，防地震等因素。
造成占地面积大，投资巨大；碍于水塔本身的限制，这种供水方式供水服务区域受到一定限制，无法大面积的供水；在自来水由低水位到水塔，再由水塔到用户的能量变化过程中，存在无法避免的能量损失；电机要经常启动和停止，而电机启动对电网冲击大，比较费电；水塔内部细菌易于繁殖，卫生状况堪忧，高位水塔要经常定时人工清洁，比较费时费力。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
（3）变频恒压供水
变频恒压供水是目前最先进的供水方式之一，采用变频技术和可编程控制器以及电动机结合组成一套机电一体化全自动供水系统。
变频供水设备以水泵机组的出水端压力作为检测依据，根据检测到的压力数值和设定的参数比较，从而调节变频器改变水泵的工作频率，对水压进行调节，组成了一套完整的闭环调节系统。
而PLC的作用是对整个供水系统的所以设备进行全自动控制，对运行状态监视设备输入信号作出恰当的处理。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
变频供水的主要优点有：
相比于水塔供水，大大的节约了投资和占地面积，消除了安全顾虑等因素，总体节约投资30%-50%；恒压供水完全满足用户需求，对机组实现软起动变频运行，是用户获得良好的用户体验，而且节约了水资源和电力；能够实现一定程度上的全自动无人值守运行，自动化程度非常高，智能运行。
工作泵备用泵可以实现定时自动切换，对故障实现直观的操作界面显示，故障自检自显自动报警灯功能；保护功能完善，过载欠压过流短路等故障保护装置完善，对系统设备实现全方位的保护，减少故障发生后对设备的破坏，节约资金。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
1.2变频调速技术的发展与现状
近代以来的变频调速技术的发展首要要得益于现代电力电子技术的大力发展以及计算机技术的飞速进步和自动控制技术的发展，还有电机控制理论的不断成熟与进步。
在相关技术不断的进步下，变频调速才有了实现的可能与条件，在1964年，德国首先提出的在通信技术中使用变频器的脉冲宽度调制（PWM）技术。
日本研究人员在20世纪80年代初，提出了一种叫磁通磁链轨迹控制的方法。
变频控制技术从1980年开始，已经开始在美国，日本，德国，英国等发达国家，在商业领域和工业控制领域被广泛的使用。
在中国电能的60％的被电动机类负载消耗，所以如何使用电机的变频控制技术，改造工业控制领域的电动机调速系统和方式，以节省电动机类负载所消耗的电能，在我国长久以来一直是一个国家和行业比较关注的问题。
目前，中国有非常多的公司，工厂，科研机构，从事的变频控制技术的研究，但是国产相关设备的设计和生产的控制产品及类似产品在国际市场上，与发达国家相关设备进行比较还是有较大的差距。
随着中国的改革开放和经济的快速发展，大多数公司和工厂开始采取从外国进口变频设备的方法，但是国内的相关设备和技术也在迅速的发展和成熟，现阶段是依靠进口设备和自我研发相结合的阶段，但总体上国内技术与国外的设备有一定差距。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
在变频调速技术逐渐成熟之后，变频恒压供水技术开始崭露头角并且展现了他强大的优势和广阔的前景。
给普通的变频调速系统增加一个压力检测单元就可以实现十供水系统的闭环控制。
随着变频恒压供水技术的成熟和得到的广泛的认可，国内为很多公司开始专注于推出变频恒压供水专用变频器。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
1.3论文原始资料
原始资料给出的供水负荷
考虑附件乡镇近期自来水普及率按百分之九十五计算，远期自来水普及率百分之百计算。
根据规划区水量计算，按照统一规划远近结合的指导思想。
确定水厂近期（2020年）供水10000m³/d，远期供水（2030年）2000m³/d。
服务面积23.5平方千米。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
原始资料给出的电机型号和水泵型号
对供水用户分区
一区用户：
150S78水泵三台两用一备配三相异步电机Y250M-2三台，功率55KW
二区用户：
150S78B水泵两台一用一备配三相异步电机Y200L-2两台，功率37KW
远期增加150S78水泵一台，150S78B水泵一台。
150S78水泵参数介绍
流量：
160（m3/h）扬程：
78（m）轴功率：
47（kW）
吸入口径：
150（mm）排出口径：
100（mm）
150S78B水泵参数介绍
流量：
144（m3/h）扬程：
78m轴功率：
22.8KW
进口口径：
150mm出口口径：
100mm
Y250M-2型三相异步电机参数介绍
电动机功率：
55KW电压：
380V电流：
103A
转速：
2970r/min额定频率：
50Hz、60Hz
Y200L-2型三相异步电机参数介绍
电动机功率：
37KW电压：
380V电流：
70A
转速2950r/min额定频率：
50Hz、60Hz
供水压力要求：
根据《村镇供水工程技术规范》（SZ310-2004），供水区域内有楼房时，应满足大多数居民用水需求，出水头28m（约六层），既0.28MPa,考虑不利点因素和水压递减损失，出泵水压设计0.35MPa.则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
1.4论文设计的任务和要求
设计任务是常宁市民心自来水厂供水项目2级泵房电气电气控制器的设计。
二级泵房属于加压泵站，可以直接安装在上级管网末端，加压给用户。
直接设计的电气控制系统，要满足供水要求，既要满足国家相关水压，可靠性，节能指标。
设计水压稳定值在0.35MP左右。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
主要研究内容：
1水泵站整体控制方案设计。
2主要设备选型，特别是PLC，变频器的选型。
3主电路设计。
4.采用PLC控制电路的设计。
5.PLC程序设计
2电气控制器方案设计
2.1设计任务和控制对象分析
二级泵站加压方式选择：
二级水泵站又称为增压站，加压方式有两种
蓄水池法：
将上级管网的水存入蓄水池，然后水泵再从水池中取水加压。
直接增压法：
将水泵直接安装在管道上，直接加压，不设水池。
其中蓄水池法的缺点比较明显：
浪费能量，上级管网送来的水压力值不可能是零，如果建一个水池，再从水池中将水重新抽出来，等于浪费了上级管网送过来的末端水压值，是一种能量浪费；占地面积大，投资成本高。
除了一些早期的项目，目前在国内增压泵站蓄水池设计基本被淘汰。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
控制对象分析
自来水厂二级泵房电气控制器的设计，控制对象是三相交流电机，控制器核心是PLC，由于原始资料中要求对用户分区。
为了对两个区的用户都能实现变频恒压供水，我们选用两台变频器。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
一区用户：
三相异步电机Y250M-2三台，功率55KW，两用一备。
二区用户：
三相异步电机Y200L-2两台，功率37KW，一用一备。
设计目标是，使水泵变频器的控制下，根据压力传感器检测的压力信号，在变频器的控制下，每台电机既能在工频下运行，又能在变频下运行。
根据需要，自动切换。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
本设计是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，要求设计的电器控制器能实现供水的可靠性，满足供水要求，供水方案科学合理。
通过对原始资料的分析，确定了设计方案，根据设计方案内容进行了主要设备设备选择。
在此基础上，完成硬件电路设计，才能使各种设备组成一个完整的系统，完成设计任务。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
2.2设计方案的选择
根据设计任务要求，要设计一个自来水厂二级泵房的电气控制器，查阅资料根据国内主要的泵站控制系统进行比较分析，并最终确定设计方案。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
方案一：
传统继电器+变频器的控制
此种控制方案是早期国内最普遍的控制方式，也是目前国内大部分工厂仍然采用的控制方式，主要优点是价格便宜，简单实用。
但是随着单片机，PLC等一些可编程的智能控制器的发展和普及，将逐渐被淘汰。
其主要以下几个缺点懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
（1）缺乏灵活性：
继电器控制是依赖于硬件设备之间的逻辑接线来实现的，是一种依赖与物理层面的控制系统，一旦控制系统发生变化或者有新的要求，很难实现灵活多变的改变控制策略，只能不得不拆除设备，重新接线布局和设计，相当的繁琐和浪费时间精力，人力物力。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
（2）控制速度相对较慢：
继电器的动作是一种机械特性动作，动作返回大部分还依赖于弹性变形等，而且动作的时候存在无法避免的机械抖动现象，对需要处理的信号造成干扰，相对于可编程控制器的软件精确微秒级的反应速度，显然落后很多。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
（3）时间延迟难以控制：
继电器的时间延迟依赖于时间继电器的的滞后动作，精度低受环境干扰因素大，不利于定时控制。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
方案二：
PLC+变频器控制
可编程控制器是专为工业控制而设计的控制器件，具有以下优点
（1）灵活性高：
PLC具有单片机可编程的这个突出优点，而且编程的方式和方法大大简化，有梯形图，功能表图，助记符等方法。
当控制要求发生变化时只需重新编写程序再载入PLC中即可。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
（2）可靠性高：
相比于单片机等其他控制设备，PLC最突出的优势就在于它是工业控制现场专用的控制器，强大的抗干扰能力，极度简化的外围电路和硬件，大大提高了它的可靠性。
针对性的减少了需要连接的外围电子元件，而只要确定一些I/O端口连接即可。
在信号输入输出的地方还加入光电隔离，杜绝信号干扰。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
（3）操作维护简单方便：
PLC对操作和维护人员要求低，操作简单快捷，维护方便。
通过对以上二种常见方案的比较分析，我们针对二级泵站的设计任务要求，因为是针对城镇居民的生活用水，对供水可靠性要求较高，所以选择方案二：
PLC+变频器的控制方式。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
2.3系统框图
根据所选择的设计方案和控制对象分析，系统组成部分如图2.1
图2.1系统框图
从系统框图中我们可以看到，设计的水泵房控制系统主要有以下几个部分
（1）电机及负载
电机及负载是整个控制系统的执行部分，系统执行模块其实就是用来带动水泵机组抽水的电动机组。
它分为调速泵和恒速泵，根据压力传感器输入的信号与设定值比较，调速泵在变频器的控制下变速运行，调节水泵出口处压力值，达到变频恒压供水的目的。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
恒速泵工作在工频50HZ，它是在变频器调到最大频率无法满足供水要求的情况下启动的，启动后维持在工频运行，当用水量下降，另一台变频运行的水泵铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
被停机以后，恒速泵在PLC的控制下，将转入变频运行。
（2）主电路
主电路是将整个系统设备有机的组合在一起所必须的电力电子器件，主要有开关电路，控制接触器，熔断器，热继电器，隔离开关等。
将电力电子器件安装设计要求组成整个硬件电路。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
（3）控制器
控制器是整个系统的核心，包括PLC，变频器和工控机。
PLC控制系统是整个系统的核心，它负责信号的采集检测，信号处理，控制电机和变频器的自动切换运行。
变频器根据控制方式的不同的，分为循环变频控制和固定变频控制两种控制方式。
循环变频控制是指：
当变频器频率增加到工频时依然无法满足供水要求时候，将变频器连接的这台电机切换到工频运行，而变频器本身切换到下一台电机，带动下一台电机软启动逐渐增加频率，依次类推。
固定变频控制是指：
当需要增加电机运行时，变频器不切换，而是由PLC控制直接启动另一台电机。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
工控机的作用有两个：
一个是对整个系统的实时运行状态监测和显示，便于对设备运行状态常规检查和故障维修，特别是发生不正常运行状态时，如过载短路过流等故障，能迅速反应，启动报警装置。
另一个作用是，工控机是人和控制系统信息交换参数设定的通道窗口，可以直接通过组态软件对需要设定的参数进行二次设定。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
（4）信号检测与处理
信号检测包括：
液位检测信号，压力检测信号，故障检测信号，过载检测信号。
液位检测信号是将水池中水位信息进行采集，反馈给PLC的装置。
压力检测信号是将水泵出口处的压力进行检测，并将信号反馈给变频器，由变频器和设定值进行比较，控制电机工作频率。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
过载信号和故障信号检测室将系统部正常工作状态信号反馈给PLC，PLC控制声光报警装置作出反应。
3主要设备选型
3.1PLC的选型
3.1.1PLC的基本构成
PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本相同。
它主要由中央处理器
（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口，电源等组成，如下图3.1所示。
（1）中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是PLC的核心部分。
它的主要任务有:
控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据;诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的错误;扫描I/O接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
（2）存储器
存储器是PLC存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。
系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。
用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。
用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器
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