基于PLC的恒压无塔供水系统毕业设计说明书.docx

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基于PLC的恒压无塔供水系统毕业设计说明书

摘要

随着我国社会经济的发展、人口的增多以及人们生活水平的不断提高，人们对城市供水系统的建设、供水的可靠性、稳定性、经济性提出了更高的要求。

而传统供水厂,普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活的需要。

那么，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趋势。

本文根据贵州省六盘水市水城县供水公司的供水系统设计实例，从系统设计、系统结构分析、控制方式以及变频调速后的节能效果等几个方面，介绍了变频调速技术在供水系统中的应用。

该系统具有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等多种模式。

有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并扩展了计算机和PLC之间进行通信的功能，完成了上、下位机的通信设置，可以通过通信模块实现对供水系统的远程监控和故障报警，增强了系统的可靠性，提升了系统的总体性能。

（全套资料请联系QQ397679637）

关键词恒压供水变频调速PLC

Abstract

Withthedevelopmentofthesocialeconomyofourcountry,aswellastheincreasingpopulationandcontinuouslyimprovedlivingstandard.Sopeopleputforwardhigherrequirementfortheinfrastructureconstructionofsub-districtaswellasthereliabilityandstabilityandeconomyofwatersupply.Forthetraditionalwatersupplyfactory,therearesomanydismeritscouldn’tmeetpeople’sdemand,forinstance:

thepumppressurizationwatersupplyatconstantspeed,watertowerofuppercistern,thejarete.So,advancedtechniquesofautomation,controlandcommunicationcanbeappliedtodifferentwatersupplyfields.

TakingLiupanshuiwatersupplysystemdesignforexample，fromsystemdesign，systemstructureanalysis，controlmodeandfrequencyconversionvelocitymodulationenergyconservationeffectetc，thispaperintroducedthefrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyinthewatersupplysystemapplication.Thissetofsystemhasthefunctionslikeautomaticconstantpressureoperationbyusingvariablefrequency,automaticworkfrequencyoperation，andthemodeoflong-rangecontrolbyhandandtheon-the-spotcontrolbyhandetc.Thesystemhassolvedtheproblemexistinginthetraditionalwayofwatersupply.AndextendedtocommunicatebetweencomputerandPLCfunctions.Thispaperhasfinishedsettingupthecommunicationbetweenupperandlowercomputer.Atthesametime,thispaperalsorealizethelong-rangemonitoringandfaultreportingforwatersupplysystemthroughcommunicationmodular.Andstrengthenthereliability,promotesthesystematicoverallperformance.

KeywordsConstantpressurewater-supplyVariablevelocityVariablefrequencyPLC（Programmablecontroller）

CONTENTS

第1章绪论

1.1课题来源及研究意义

1.1.1课题来源

水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。

随着国民经济的快速发展，城市人口和城镇建设规模不断扩大，人们的生活水平也越来越高，对城市集中供水的规模、质量、安全性及稳定性等提出了越来越高的要求。

据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）由175.7升增加到241.1升，增长了37.2%。

与此同时，我国城市家庭日均生活用水量也在逐年快速提高。

与供水需求量不断上升相矛盾的是在全国666个城市中有330个城市存在着不同程度的缺水，其中严重缺水的城市达108个。

在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受到缺水的困扰，特别是位于水资源短缺地区的城市，其水的供需矛盾尤为突出。

由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元，同时也给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市化过程中的一大隐患。

在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。

但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量。

有资料显示，水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。

另外，衡量供水质量的重要标准之一是供水压力的恒定，因为水压恒定对于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。

但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：

用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。

保持管网水压的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水电机泵运行的安全可靠性。

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1.1.2研究意义

传统调节供水压力的方式，多采用频繁启／停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量的能耗，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资，且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。

而变频调速式运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。

由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

对于大多数供水企业来说，传统供水机泵存在运行费用高，供水成本居高不下，单位供水能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最优性价比，是一个长期困扰企业的问题。

现有的供水系统主要是恒速控制系统并且用常规的阀门来控制供水量。

恒速调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，却相当不经济。

研究结果表明，水泵的轴功率与转速的三次方成正比，因而当电机采用恒速控制时，将有很大一部分电能消耗在阀门和以额定转速运行的电机上。

为了节能降耗，一种有效的方法是广泛采用电机调速技术，通过调节电机泵的转速适应水量和水压的变化，使水泵始终工作在高效区，降低水泵能耗，这对节约能源和提高供水企业经济效益均具有极其重要的意义。

因此，为适应当今社会的快速发展，市政供水一方面要求避免因压力的波动而造成的供水障碍，另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，甚至于在火灾发生时也能可靠供水。

基于这两方面的要求，PLC控制的变频恒压无塔供水系统应运而生。

该系统集自动化技术、现代控制技术、电气传动技术、变频技术于一体，可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，也有利于实现供水系统的集中管理与监控。

此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能降耗的今天尤为重要。

本论文将围绕变频恒压控制技术开展研究工作，以期为城市供水行业技术进步和科技应用做出贡献。

1.2国内外变频供水系统研究现状及发展趋势

1.2.1国内外变频供水系统研究现状

我国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，工业自动化程度低。

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，此时不仅会造成能量的浪费、供水电机的不必要损耗，而且还有可能造成水管因受压过大而爆裂以及用水设备的损坏等等不良情况的发生。

变频恒压供水技术是在变频调速技术基础之上逐渐发展起来的。

在初期阶段，变频器主要用来进行频率控制、变速控制、正反转控制、启制动控制、压频比控制等。

在这个阶段，变频器仅仅用作变频恒压供水系统的执行机构。

为了在供水量需求不同时，保证管网压力恒定，还需要在变频器外部增加压力传感器和压力控制器，以对压力进行闭环控制。

在供水工程中，也是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，造成投资成本很高。

随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点逐渐显现出来，再加上其显著的节能效果，许多变频器生产厂家开始推出具有恒压供水功能的变频器，例如：

日本Samco公司就推出了恒压供水基板，具有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种工作模式，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，在应用时只需搭载配套的恒压供水单元，便可以直接控制多个内置的电磁接触器工作，最多可构成7台电机（泵）的供水系统。

这类控制设备虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但因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也不高，且难以与别的监控系统和组态软件实现数据通信，限制了带负载的容量，其实际使用范围受到不小的限制。

后来日本富士电机公司推出了新一代风机、水泵专用型变频器FRENIC-VP系列，VP系列变频器具备适合HVAC（HeatVentilationAirConditioner）行业所需的最佳功能，节省空间，操作简便，机型丰富，全球通用。

该类变频器能够适应风机、水泵等二次方递减转矩负载特性，节能、省力，充分挖掘了系统的应变能力，满足了整体成本下降的需要。

国内不少公司在做变频恒压供水工程时，大多采用国外的变频器来控制水泵的转速并实现管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的还需要采用可编程控制器辅以相应的软件予以实现，有的则采用单片机及相应的软件予以实现。

从使用调查情况来看，虽然取得了可喜的进步，但在系统的动态性能、稳定性能抗干扰性能以及开放性等方面，还没有完全达到用户的要求。

原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5.5kw～22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成多达4台水泵的循环切换、定时启停及定时循环控制工作。

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的数量，也不具有数据通信功能，只适用于小容量、控制要求不高的供水场所。

1.2.2变频供水系统发展趋势

1.变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展

在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。

很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。

同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。

2.高压变频系统在供水行业中的应用

在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低-高型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。

3.变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统

面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。

目前，在美国、日本、法国等地的有些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用。

1.3课题研究对象及主要研究内容

1.3.1课题研究对象

本课题来源于供水生产的实际应用，并以贵州省六盘水市水城县供水公司的供水系统进行PLC恒压无塔供水系统设计，并对变频电机在供水中的设计应用、效能进行分析与研究。

从该供水公司的供水情况看，主要负责水城县老城区约6万人的供水需求。

由于是水城县的重要供水厂，因此，其供水量主要用于县城区生活、消防用水，供水量的时变化系统较大。

一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上十点到十一点四个时间段的用水量较大。

出于市政供水的复杂性和现实性，采用PLC恒压无塔供水技术研究，实现供水电机的变频运行、减少工作人员劳动强度和节能降耗具有很深的现实意义。

1.3.2主要研究内容

通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明采用变频恒压供水系统的节能原理。

分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。

分析变频恒压供水系统的实际性能与使用效果。

此外，本设计要求以PLC为核心设计一个变频恒压无塔供水系统，包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统，实现：

（1）生活供水时系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；

（2）可编程控制器PLC需根据恒压供水的需要，通过反馈信息控制启动电机泵的数量；

（3）正常生活供水时，一台电机泵连续运行的时间不得超过40个小时，并轮流切换，即系统具有“倒泵功能”，以避免某一台电机泵持续工作时间过长；

（4）在用水高峰期时，系统能够根据用水需求量控制1～2台电机泵同时协调工作，保证用水需求的正常供给；

（5）控制系统具有故障指示功能，并且在故障发生时可进行简单的故障处理

（6）三台电机泵在启动时具有变频软启动功能，且采用分组方式运行；

（7）控制系统可以与上位机进行通信，并可通过上位机进行远程监控和报警。

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第2章供水系统主电路设计

2.1供水方式的选择

本设计的供水方式选择变频调速供水方式，该方式在节能效果上明显优于气压罐供水方式。

气压罐供水方式依靠压力罐中的压缩空气送水。

当气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。

当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。

加上水泵是工频启动，且启动频繁，又会造成一定的电能损耗。

相比之下，变频恒压供水能在系统用水量下降时无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗也比较小。

另外气压罐供水需要配备一定量的钢罐，气压罐体积一般比较大，占地面积达几十平方米。

在变频调速方式中，调速装置占地面积仅有几平方米，相比气压罐供水方式将节省大量占地面积。

从运行效果上看，气压罐方式与调速式相比也存在着一定的差距。

气压罐方式运行不太稳定，突出表现在频繁启动时。

由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3～l/6，因而每个罐的调节能力很小，只能依靠频繁的启动来保证供水稳定性，这不仅将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，常常造成供水压力不稳。

由于是硬启动，电气和机械冲击也较大，设备损坏很快。

变频调速式的运行则十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。

在小区供水中，由于是经水泵加压后直接送往用户的，防止了水质的二次污染，保证了饮水水质质量。

通过上述比较可以看出，变频调速式供水系统具有节约能源、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，因而具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

2.2系统方案选择

变频恒压供水系统的控制对象是时变的、非线性的、滞后的和模型不稳定的，对它的控制属于工业过程控制的范畴，即以供水出口管网水压为控制目标，通过控制作用实现总管网的出口实际供水压力跟随设定的供水压力。

所设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，即在每一个时段内是一个常数。

因此，在某个特定时段内，变频恒压控制的目标就是使总管网出口的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

变频恒压系统主要由压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。

系统设计的主要任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定、水泵电机的软起动以变频水泵与工频水泵的切换，同时还要进行运行数据传输。

根据系统的设计任要求，结合系统的使用场所，一共有以下几种方案可供选择：

1.有供水基板的变频器＋水泵机组＋压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。

该方法虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但是压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。

在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。

其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。

2.通用变频器＋单片机（包括变频控制、调节器控制）＋人机界面＋压力传感器

这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能/价格比，但开发周期长；程序一旦固化，修改较为麻烦，现场调试的灵活性差；变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。

该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。

3.通用变频器＋PLC（包括变频控制、调节器控制）＋人机界面＋压力传感器

这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其它的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此，该系统适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

通过对以上几种方案的分析和比较，可以看出“通用变频器＋PLC（包括变频控制、调节器控制）＋人机界面＋压力传感器”的控制方案更适合于实际应用。

该控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

恒压供水系统控制方案原理如图2.1所示；恒压供水系统构成如图2.2所示。

图2.1恒压供水系统控制方案原理框图

图2.2恒压供水系统构成图

2.3供水系统主电路设计

2.3.1主电路图设计

供水主电路设计如图2.3所示，采用一台变频器拖动3台电动机起动、运行与调速，每台电机泵具有变频/工频两种工作状态，三台电机都通过三个接触器与工频电源和变频器输出电源相联。

变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，用来实现电机、变频器的过流、过热保护，在变频器出现问题时，要求可以手动实现工频／变频转换。

自动空气开关的容量依据电动机的额定电流来确定，所有的接触器也将依据电动机的容量来适当选择。

图2.3供水主电路原理图

图中M1～M3为三台主供水电机泵，M4为附属小电机泵；BP为变频器；QS1～QS6为断路器；KM1～KM13为接触器，分别用于控制M1～M4电机泵；PG1～PG3为电流表，用于检测电机泵的电流；PV1～PV3为电压表，用于检测三相电各相电压；TA1～TA3为电流互感器；ZB1～ZB3为自耦变压器，用于在手动操作时对主供水电机M1、M2、M3进行降压启动；BB1～BB4为热继电器；FA1～FA7为快速熔断器。

对于变频器而言，变频器外控端子有FWD、BX、RST和CM。

其中FWD控制变频器启动/停止；BX控制变频器紧急停止；RST控制变频器故障复位；CM则是外控端子的信号公共端。

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。

因此，变频器正常运转时，必需保证BX-CM断开。

2.3.2水泵电机

1.水泵的工作原理

供水所用水泵主要是普通离心泵，其叶轮安装在泵壳内，并紧固在泵轴上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口与吸入管连接，液体经底阀和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口与排出管连接。

在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体：

启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。

在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。

在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能。

最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。

液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。

供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。

电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。

选择时应注意以下两点：

（1）如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。

（2）如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。

要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：

对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率（即生产机械轴上的功率）P1（kw），可按式2.1计算所需电动机的功率P（kw）：

（2-1）

其中：

——为生产机械的效率；

——为电动机的效率，即传动效率。

按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。

因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。

2.水泵的调速运行

水泵调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点（简称工况点）的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。

水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。

因