谢方园 毕业设计.docx

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谢方园毕业设计

郑州大学西亚斯国际学院

本科毕业论文（设计）

题目变频控制恒压供水模拟系统

指导教师樊永良职称教授

学生姓名谢方园学号20061083141

专业自动化班级

（1）

院（系）电子信息工程学院电子工程系

完成时间2010年4月12

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。

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。

本控制系统是对现场恒压供水系统的模拟，控制核心单元PLC根据压力设定信号与现场压力的反馈信号经过PLC的分析和计算，将控制信号送到PLC的输出端口，通过开关量驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机的台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。

通过调整电机组中投入的电机的台数和控制电机组中每台电机的工作状态，使供水系统的的工作压力恒定，进而达到恒压供水的目的。

关键字：

变频调速；恒压供水；PLC；变频；工频。

FrequencyConversionConstantPressureWater-supplySimulationSystem

Abstract

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

FrequencyConversionConstantPressureWater-supplySystem,whichhasinitiallybeencompletedwithreliableperformanceandexcellentenergy-savingeffect,provestopossesshighreliabilityandreal-timequality.Thesystemcannotonlyremarkablyimprovethequalityofwatersupply,butalsoeconomizeonlabor,whichwillsurelybringusbotheconomicandsocialbenefits.

Thecontrolsystemison-sitesimulationofconstantpressurewatersupplysystems,PLCcontrolcoreunitsiteunderpressurefromthepressuresetsignalandthefeedbacksignalthroughPLCanalysisandcalculation,thecontrolsignalsenttothePLC'soutputport,drivingthroughtheswitchvolumeswitchrelaygroup,inordertocoordinatetheinputs,thenumberofmotorunits,andcompletethemotorstartsandstops,andthefrequencyoftheswitchingfrequency.Byadjustingtheinputpowerunitinthenumberofmotorunitsandmotorcontrolmotorgroup,theworkofeachstate,sothattheworkpressureofthewatersupplysystem,constant,constantpressurewatersupplyandthusachievethepurpose.

Keywords:

VFspeed;constantpressurewatersupply;PLC;frequencytranslation；powerfrequency.

目录

摘要………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………..Ⅱ

第1章绪论…………………………………………………1

1.1城市供水系统的历史发展过程............................................1

1.2变频恒压供水产生的背景和意义.........................................1

1.3本论文课题内容………………………………………….2

第2章恒压供水系统……..…….............................................2

2.1变频恒压供水系..................................................................3

2.1.1变频恒压供水系统简介……………………………...3

2.1.2变频恒压供水系统的常用控制方式………………….4

2.1.3变频恒压供水系统的特点、节能原理、运用场合…..4

一、变频恒压供水系统的特点…………………………4

二、变频恒压供水系统的节能原理..................................5

三、变频恒压供水设备的主要运用场合………………....5

2.1.4常见变频恒压供水系统的原理图和供水系统方案图....5

一、系统原理图……………………………………..5

二、供水系统方案图…………………………………6

2.2变频控制恒压供水模拟系统………………………………..6

2.2.1课题研究的对象和实验原理………………………..6

2.2.2模拟系统中所用到的实验仪器以及接线方式……..7

一、模拟系统所需主要实验仪器…………………………7

二、模拟系统的接线方式……………………………….7

2.2.3变频控制恒压供水模拟系统的工作方式……...….8

一.手动调试…………………………………………..8

二.、自动运行………………………………………...8

三.、现场模拟…………………………………………8

第三章主要实验仪器简介与PLC控制……………………….9

3.1可编程控制器…………………………………………..9

3.1.1简介PLC………………………………………….9

3.1.2PLC的特点………………………………………10

3.1.3PLC的选型………………………………………11

3.2变频器..........................................................................11

3.2.1变频器的构成…………………………………11

3.2.2变频器的特点………………………………...12

3.3PLC控制………………………………………………12

3.3.1手动运行………………...…………………...13

3.3.2自动运行……………………………………..13

第四章结论………………………………………………….14

致谢…………………………………………………………...15

参考文献………………………………………………………...16

附录Ⅰ………………………………………………………...17

附录Ⅱ………………………………………………………...21

第1章绪论

1.1城市供水系统的发展过程

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，主要有：

（1）一台恒速泵直接供水系统。

（2）恒速泵+水塔的供水方式。

（3）射流泵十水箱的供水方式。

（4）恒速泵十高位水箱的供水方式。

（5）恒速泵十气压罐供水方式。

（6）变频调速供水方式。

它又主要分为：

①出口恒压控制；②出口变压控制；③最不利点恒压控制。

1.2变频恒压供水产生的背景和意义

泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:

降低能耗，对国民经济有重大意义。

我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，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。

综上所述，在实验室里建立变频控制恒压供水模拟系统，以模拟变频恒压供水系统的真实运行情况，对学习和理解恒压供水系统的工作原理、工作方式、工作特点和工作特性等都具有十分重要的意义。

1.3本论文课题内容

本控制系统是对现场恒压供水系统的模拟，控制核心单元PLC根据压力设定信号与现场压力的反馈信号经过PLC的分析和计算，将控制信号送到PLC的输出端口，通过开关量驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机的台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。

通过调整电机组中投入的电机的台数和控制电机组中每台电机的工作状态，使供水系统的的工作压力恒定，进而达到恒压供水的目的。

第2章恒压供水系统

随着人们对生活饮用水的品质和要求的不断提高,变频调速恒压供水系统逐渐取代了原有的水塔供水系统。

变频调速恒压供水设备是新一代节能型供水设备,具有技术先进、设计合理、操作简便、运行可靠、噪音低、无污染、占地少、节能等诸多优点。

下面我们就来对变频恒压供水系统做简单初步的介绍，并对变频控制恒压供水系统的模拟系统进行具体的研究。

2.1变频恒压供水系

2.1.1变频恒压供水系统简介

随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。

变频恒压供水的调速系统可以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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

变频恒压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。

目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

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。

2.1.2变频恒压供水系统的常用控制方式

目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：

1．逻辑电子电路控制方式

这类控制方式的缺点在于难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。

2．单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。

电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。

3．带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。

实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。

传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。

压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。

还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

但这类控制方式对可编程控制器的要求很高，这无形中就增加了供水设备的成本。

4．新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。

由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。

2.1.3变频恒压供水系统的特点、节能原理及主要运用场合

一、变频恒压供水系统的特点

1、节能，可实现节电20%～40%；

2、占地面积小，投入少，效率高；

3、配置灵活，功能齐全，自动化程度高；

4、运行合理，由于是软起和软停，不仅可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，水泵的使用寿命大大提高，减小了维修量和维修费用；

5、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染；

6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力；

二、变频恒压供水系统的节能原理

由水泵的工作原理可知：

水泵的流量与水泵（电机）的转速成正比，水泵的扬程与水泵（电机）的转速的平方成正比，水泵的轴功率等于流量与扬程的乘积，故水泵的轴功率与水泵的转速的三次方成正比（既水泵的轴功率与供电频率的三次方成正比）。

根据上述原理可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。

流量基本公式：

N与Q成正比N2与H成正比KW=N3/Q*H

以上Q代表流量，N代表转速，H代表扬程，KW代表轴功率。

三、变频恒压供水设备的主要运用场合

1、高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水；

2、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；

3、中央空调系统；

4、自来水厂增压系统；

5、农田灌溉，污水处理，人造喷泉；

6、各种流体恒压控制系统。

2.1.4常见变频恒压供水系统的系统原理图和供水系统方案图

一、系统原理图

二、供水系统方案图

2.2变频控制恒压供水模拟系统

2.2.1课题研究的对象和实验原理

图2.2.1供水流程简图

此次设计研究的控制系统是对现场恒压供水系统的模拟，控制核心单元PLC根据压力设定信号与现场压力的反馈信号经过PLC的分析和计算，将控制信号送到PLC的输出端口，通过开关量驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机的台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。

通过调整电机组中投入的电机的台数和控制电机组中每台电机的工作状态，使供水系统的的工作压力恒定，进而达到恒压供水的目的。

比如一个实际的供水系统，由于供水网较大，系统需要供水量每小时开2台水泵向管网充压，供水量大时，开3台泵同时向管网充压。

要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。

本课题即为研究以采用PLC参与控制方式来实现对控制系统的调节的模拟系统。

2.2.2模拟系统中所用到的实验仪器以及接线方式

一、模拟系统所需主要实验仪器

本课题中所用到的主要实验仪器主要由：

计算机、导线若干、西门子S7-300一台、变频器实验挂件箱一个、S52（变频恒压供水试验箱）实验挂件箱一个等。

二、模拟系统的接线方式

将变频器上的U、V、W端接到S52面板上的U、V、W端，将三相电源接到面板上的R、S、T端。

U1、V1、W1接电动机一，U2、V2、W2接电动机二，U3、V3、W3接电动机三。

输入/输出接线列表如下：

输入

接线

SD

ZD

ST1

SP1

ST2

SP2

ST3

SP3

ST4

SP4

I0.0

I0.1

I0.2

I0.3

I0.4

I0.5

I0.6

I0.7

I1.0

I1.1

输出

接线

L41

L42

L31

L32

L21

L22

L11

L12

Q0.0

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

模拟量接线

PT

M

L+

主机AI0电压输入端

主机AI0公共端

主机L+

注意：

当面板ZD（自动）、SD（手动）端子与PLC的I0.0和I0.1连接时，如果模式选择开关拨到“停止”，则系统默认为现场模拟状态。

2.2.3变频控制恒压供水模拟系统的工作方式

在本课题中，变频控制恒压供水模拟系统可分为手动运行、自动运行和现场模拟三种工作方式。

手动调试：

用于调试每个环节是否能够工作正常。

自动运行：

检验系统工作的衔接性。

现场模拟：

模拟实际供水系统工作。

一.、手动调试：

1.根据接线列表完成本实验的接线。

2.将每一个控制按钮复位，打开S52挂箱的电源开关，把程序下载到PLC中，下载完毕后把PLC主机置“RUN”运行程序。

将“手动/自动”按钮扳至“手动”，对每一个水泵进行调试，方法如下：

比如对一号泵的调试，按下它所对应的控制启停按钮，并旋转控制开关到变频状态，变频指示灯点亮，继电器切换电机到变频器供电，同时供水系统中对应管道的水将部分注入，电机慢慢启动，速度越来越快，直到变为工频运行为止；旋转控制开关到工频状态，工频指示灯点亮，继电器切换电机到电源供电，同时供水系统中对应管道的水充满管道大流量注入。

其它水泵的调试方法如上述方式。

注：

对2号泵调试时S52的U2、V2、W2接电机。

同时只能有一个电机处于变频工作方式。

二.、自动运行：

1.根据接线列表完成本实验的接线。

2.打开S52挂箱的电源开关，将程序下载到PLC中（如果在手动调试模式中已经将程序下载，则无须重新下载），下载完毕后切换到“RUN”位置。

3.将“手动/自动”按钮扳至“自动”。

系统运行开始，四个水泵将按一定的流程工作，对应的每一路水流按一定的流程工作，经过一定的时间，切换一个状态，直至四路电机均工作在工频方式。

三.、现场模拟：

给定压力信号采用程序内部设定，反馈压力信号通过外部调节旋钮给定范围0～+5DCV标准信号。

先将压力反馈旋钮拨到最小，然后将程序下载到PLC中（如果在手动调试模式或自动运行模式中已将程序下载，则无须重新下载），下载完毕后切换到“RUN”位置。

通过手动调节压力反馈信号的值，来模拟水网水压的变化，同时观察

各水泵的工作情况。

在示例程序中，采用以下阀值：

当压力反馈值小于1时，严重压力不足，故泵一、泵二、泵三全部工作在工频状态。

当压力反馈值界于大于1小于4时，泵一、泵二、泵三将根据反馈值调整自身工作状态，但同时只能有一个电机处于变频工作方式。

当压力反馈值大于4时，系统进入过压状态，各泵将停止工作。

通过手动调节压力反馈信号的值，来模拟水网水压的变化，同时观察水泵的工作情况。

第三章主要实验仪器简介与PLC控制

3.1可编程控制器

3.1.1简介PLC

可编程控制器