毕业设计恒压供水控制系统设计.docx

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毕业设计恒压供水控制系统设计

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毕业设计

题目

恒压供水控制系统设计

系别

专业

班级

姓名

学号

指导教师

日期

设计任务书

设计题目：

恒压供水控制系统设计

设计要求：

1．设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统。

2．本系统主要以PLC来控制，按照控制要求选择器件，设计其硬件主控电路。

3．根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等；

4．按照设计要求设计相应算法，编制相应的PLC控制程序。

设计进度要求：

第一周：

确定题目,查阅资料

第二周：

根据设计要求分析恒压供水的工作原理

第三周：

对硬件进行设计

第四周：

对软件进行设计

第五周：

进行调试,找出问题

第六周：

改进设计中存在不足

第七周：

撰写设计论文

第八周：

整理论文，准备答辩

指导教师（签名）：

摘　　要

恒压供水在城市自来水管网系统、住宅小区生活消防用水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统等众多领域中均有应用。

恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小总能保持管网中水压的基本恒定。

在恒压供水系统中可根据压力给定的理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速，达到控制管网水压的目的。

本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动控制系统。

全文共分为四章。

第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。

第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。

第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件的选择。

第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解释。

关键词：

恒压供水，PLC，变频技术

1变频控制系统简介

1.1变频调速供水控制系统简介

变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体的新一代给水控制系统。

该系统完全可以取代传统的水塔、高位水箱和气压罐等给水方式。

与传统的给水方式相比，该系统不但满足了现代工矿企业、城镇居民和高层建筑对新型给水系统的要求。

系统采用内置变频调速器、先进的可编程控制器等现代控制技术，对水泵机组进行闭环控制，确保压力波动小、达到设定压力时间短、且可随用水量的变化自动调节水泵转速及工作水泵台数，确保恒压变量供水。

系统采用现代计算机数字控制技术和模块化、标准化的设计，满足多种本地和远程联网协议，系统的可扩展性强。

系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行千瓦时LED显示，变频器、电机工况与故障指示及防误操作等功能。

系统具有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水位停机等完善的安全保护功能，有效的提高了给水成套设备的安全可靠性。

该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作十分轻松快捷。

由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号耦合的，因此系统的抗干扰能力强。

系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供水量，机组特性曲线接近管网损失特性曲线，节能效果显著。

由于变频器对电机实行的是循环软启动控制，启动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减少了管网的泄露。

此外由于系统无需高位水箱等设备，不但节省了投资，而且无水质二次污染问题。

本系统还可以将生产、生活、消防等系统合为一体，投资省、占地少、经济效益明显。

1.2变频调速在供水行业中的应用

作为高性能的调速传动，直流电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。

但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。

使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。

异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。

但是因为各种各样的缺点没有得到厂泛的应用。

70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。

晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。

三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。

到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管交流变成直流，再逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。

它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。

现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40%-60%,节水15%-30%。

由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平分，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。

尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。

变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。

恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中得到了很大的发展。

随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。

充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。

新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。

恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。

目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。

追求高度智能化系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。

虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。

2供水系统的变频调速节能原理

2.1水泵调速运行的节能原理

全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。

当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。

反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。

图2.1供水系统原理图

供水系统的工作原理如图2.1所示。

由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。

通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。

用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。

当用水量大于一台水泵的最大供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。

在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。

它的自动控制原理图见图2.2。

图2.2变频式恒压供水自动控制原理图

2.2本系统总体介绍

本系统针对的用户是自来水公司供水系统和水厂、泵站等各种泵类电机的调速和控制，控制对象应尽量做到通用型，系统功能设计和设备选择主要立足于通用性、可靠性和经济性和节能效果，而对于特殊情况下的供水系统不在本系统控制范围之列（事实上特殊供水系统也只是在通用系统功能实现的基础上充分考虑到特殊性，最根本的还是在于一般系统的研制）。

在本论文中，我们以四台水泵为控制对象，建立一个模型，研制一种新型的控制系统使得水泵转速跟随用水量的变化而变化，实现变频、恒压、无级调速的供水系统，从而达到节能、节水、充分利用设备、高可靠性、高自动化程度的目的。

如图2.3所示，供水系统由四台泵（二用二备）组成，由一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电机调速。

水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行，使整个的供水回路处于最佳的配置状态。

变频器则具体的微调当前水泵的转速，使转速变化跟随管网压力变化（实际上是跟随用户用水量的变化）。

图2.34台水泵控制原理图

3系统硬件的工作原理及硬件选择

3.1PLC的工作原理及选择

3.1.1PLC的简介

PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。

它的发展大致经历了三个发展时期。

1.形成期（1970-1974年）早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片（CPU），采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。

2.成熟期（1974-1978年）随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。

PLC开始具有了多个CPU，设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。

图3.1PLC结构示意图

3.加速发展期（1978年以来）从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。

一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统。

另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。

PLC的典型硬件系统构成见图3.1。

3.1.2PLC的选择

可编程控制器（programmablelogicalcontroller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。

所以，对PLC的正确选择是非常重要的。

1.工作量

这一点尤为重要。

在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。

（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）

2.工作环境

工作环境是PLC工作的硬性指标。

自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。

一定要选择适应实际工作环境的产品。

（该设计环境正常，故不用特殊型号）　　

3.通信网络　　

现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。

（故尽量选取比较常用的品牌）

4.编程

程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。

编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内（要求有良好的编程软件）。

5.可延性

这里包括三个方面含义：

（1）产品寿命。

大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。

（2）产品连续性。

生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

（3）产品的更新周期。

当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。

这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

6.性价比

由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-200CPU226作为本系统采用的PLC，它的具体性能如下。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。

可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。

13K字节程序和数据存储空间。

6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。

2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

I/O端子排可很容易地整体拆卸。

用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。

可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

3.2变频调速系统原理及选择

3.2.1变频调速系统简介

在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原因，直流电动机存在着很多缺点（诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短，机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等），所以人们一直在寻找交流调速系统。

而变频器的出现刚好解决了这个问题。

与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。

特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。

变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为

式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数；s为转差。

所以，理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。

3.2.2变频调速控制方式

常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3.2所示。

本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式（内含在变频器中）的闭环控制。

图3.2变频调速系统的控制方式

3.2.3变频器的输入输出电路

本系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括PLC输给的变频器FWD信号BX信号和VI（12）电压信号（0-5V），FWD信号BX信号由PLC输出，控制变频器的工作开关;VI（12）控制变频器频率。

另一种是输入电源信号，本系统采用的三相380V的交流电源，三相电流输入连接在端子L1/R,L2/S,L3/T上。

采用三相输入的话，则用主电路的电源端子L1/R,L2/S,L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。

如果有条件的话，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大，以保证安全。

尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、BX。

变频器的输出信号也有两种，一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号。

送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1,Y2端子送出，Y1的内部功能设定选为频率检测（FDT）功能，幅值为50Hz，滞后值为0.5Hz。

Y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。

图3.3变频器的I/O端点连接

送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变频器发生指定的故障时输出信号。

变频器的输出电源接接触器，它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。

变频器的输出端子（U,V,W）按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。

如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变U、V,W中的任意两相的接线。

变频器和电动机（水泵）间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸.另外，漏电流增加，电流值指示精度变差。

对于本系统中的变频器，变频器和电动机（水泵）之间的距离最好小于50米，如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件（OFL滤波器）。

接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子G必须良好接地。

为了防止电击和火警事故，电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。

接地线要粗而短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见图3.3，在最后的程序中，因本人能力有限，故将报警装置去除，在实际应用中应当加入）。

采用变频器驱动异步电动机调速。

在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。

当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。

选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。

该系统用一台变频器使多台电机并联运转，对于一台电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。

综合上面因素，我们选择佳灵JP6C-T9280系列变频器。

性能见表3.1。

表3.1佳灵JP6C-T9280性能

型号JP6C-T9280

JP6C-T9280

适用电机容量（kW）

280

额定容量（KVA）

400

额定电流（A）

520

额定过载电流

额定电流的150%1分钟

相数电压频率

三相，380V至440V50Hz/60Hz

容许波动

电压+10V——-15%，频率±5%

抗瞬时电压降低

310V以上可连续运行，电压从额定值降到310V以下时，继续运行15ms

最高频率

50-400Hz可变设定

基本频率

50-400Hz可变设定

启动频率

0.5-60Hz可变设定

载波频率

2-6KHz可变设定

冷却方式

强制风冷

3.3压力传感器的选择

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。

通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。

传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。

PMC系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。

它采用电子陶瓷技术，测量元件完全是固体形式。

其工作原理是：

使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最后转换成4～20mA的标准信号输出。

PMC型传感器具有如下特点：

①具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上；

②由于压力测量元件中不采用传统的介质物质，所以，测量精度极高，且几乎不受温度梯度的影响；

③采用脉冲频率调制方式传输信号，大大减少了现场干扰的影响，信号传输用普通导线完成，简单方便；

④重量轻，体积小，安装维护非常方便。

我们选PMC133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网内压力作反馈信号，该元件可承受的相对压力最大测量范围达O-40MPa，最小测量范围为O-lkPa，所需电源要求电压为12．5～30V，精度±0．1％，压力传感器将出水口的压力信号线性转换为4-20mADC标准信号送到PLC（在该系统中，我选取0-500kPa）。

3.4水泵的选择

选取2种型号的水泵，小泵为常开泵（能够调节到工频），大泵只能在变频状态下工作。

其中，小泵为Y355M1-4，大泵为Y355-M2-4。

参数见表3.2（按实际需要选取，我选了2种比较常用的型号）。

表3.2水泵性能参数表

转速

流量

扬程

效率

汽蚀裕量

轴功率（清水）

配带电机（Sm=1.2）

Rpm

m3/h

l/s

m

%

m

kW

型号kW

1100

435.5

121.0

63.7

50.0

4.0

151.1

Y355M1-4/220kW

850

511.0

141.9

62.5

54.0

3.0

161.1

Y355M2-4/250kW

3.5鉴频鉴相问题

3.5.1大功率电机变频转工频存在的问题

大功率电机变频转工频工作原理如图3.4所示，KN1、KN2为交流接触器，M为

图3.4电机变频转工频原理图

水泵机。

VVVF是变频器装置，BX、FWD、CM是变频器的外控端子，当FWD—CM接通时，电机正转运行，当FWD—CM断开时，电机正转运行停止；当BX—CM接通时，变频器断开所有输出，电机处于自由运转模式，变频器正常运转时，必需保证BX—CM断开。

当KN1断开，KN2吸合，水泵在变频器驱动下，从0Hz开始升频（这一过程称水泵电机软起动），当变频器频率上升到50Hz后，如果系统水压仍旧达不到压力设定值时，自控系统将进行水泵电机切换操作，断开KN2，吸合KN1,使电机直接接入电网电压下运行，变频器再对另一台水泵电机实现软起动，并进行调速以保证系统水压稳定在设定值。

从上述过程可以看出，大功率电机变频转工频的问题和自耦降压起动有些许类似之处，自耦降压起动是利用自耦变压器，使电机在低电压状态时起动，来达到降低起动电流的目的；变频器拖动电机软起动时，起动电流也很小，二者在起动过程中，就减少电动机起动电流的功效来说是相似的。

但二者在接触器的切换过程中却存在本质的差别，当自耦降压起动的转速接近额定值时，通过接触器的动作切除自耦变压器，切换过程前后电动机的三相电源存在一致性，即切换前后加在电动机每一相电源电压尽管大小不等，但相位和频率仍是一致的；而在变频转工频的过程中，由于变频器电压输出起始相位具有随机性，它所输出的三相电源和工频电源并不一致，即使变频器的输出电压频率等于工频电压频率，它输出的三相电源和工频电源的初始相位也不一致。

由于这种相位不一致造成了大功率电机变频转工频的问题和自耦降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的复杂性。

正是由于变频器电压输出起始相位具有随机性，变频器输出的三相电源和工频电源的初始相位不一致，直接导致了电机切换时产生的瞬时电流具有随机性，有时会远大于电机的额定电流，在现场生产中表现为电机的电流或电压过载，而使空气开关跳闸，烧毁熔断器，严重时还会损坏电机设备。

变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，在认识上还存在着一些误区：

一种看法是将变频器当作一般的交流电源