PLC的变频调速恒压供水系统最新毕业设计.docx

PLC的变频调速恒压供水系统最新毕业设计.docx

《PLC的变频调速恒压供水系统最新毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PLC的变频调速恒压供水系统最新毕业设计.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

PLC的变频调速恒压供水系统最新毕业设计

（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！

）

烟台工程职业技术学院

机电系机电一体化专业2010级

毕业设计（论文）

题目:

PLC的恒压供水系统设计

指导教师（签名）

二○年月日

烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人慎重承诺：

我所撰写的设计（论文）《》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。

如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。

毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。

学生（签名）：

张凯

20年月日

摘要

随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇。

于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。

本系统采用PLC进行逻辑控制，采用带PID功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。

本设计恒压变频供水设备由PLC、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。

通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。

设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入PLC,经PLC运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。

供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。

现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高低水压位信号来控制水泵的启停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。

文中详细介绍了所选PLC机、变频器、传感器的特点、各高级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。

关键词：

可编程控制器；变频器；传感器

目录

1前言1

1.1供水系统发展过程及现状1

1.2供水系统的概述2

1.2.1．变频恒压供水系统主要特点：

2

1.2.3．恒压供水设备的主要应用场合：

2

1.2.4．恒压供水技术实现：

3

2系统总体设计方案4

2.1系统设计方案4

2.1.1系统控制要求4

2.1.2控制方案4

2.1.3运行特征5

2.1.4系统方案5

2.2可编程控制器（PLC）的特点及选型7

2.2.1PLC特点及应用7

2.2.2可编程控制器的选型8

2.3变频器选型及特点15

2.3.1ABB产品信息：

15

2.3.2变频节能理论：

15

2.3.3．变频恒压供水系统及控制参数选择：

16

2.3.4．变频恒压供水系统的优点及体现17

2.4远传压力表19

2.4.1主要技术指标19

2.4.2结构原理19

2.5系统控制流程设计20

2.5.1系统组成及作用20

2.5.2系统运行过程20

3软件设计24

3.1系统中检测及控制开关IO分配24

3.2流程图28

3.4程序设计：

29

4.节能实例计算43

5.结论45

致谢46

参考文献47

1前言

1.1供水系统发展过程及现状

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。

以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

自从变频器问世以来，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，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为多泵系统所代替。

虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，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。

1.2供水系统的概述

1.2.1变频恒压供水系统主要特点：

1、节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

2、占地面积小，投入少，效率高。

3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

4、运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。

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，防止了很多传染疾病的传染源头。

6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

1.2.2传统定压方式的弊病：

1、管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。

5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。

6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

1.2.3恒压供水设备的主要应用场合：

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。

1.2.4恒压供水技术实现：

通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。

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，电动水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。

由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。

在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。

由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。

2系统总体设计方案

2.1系统设计方案

2.1.1系统控制要求

恒压供水控制系统的基本控制要求是：

采用电动机调速装置与可编程控制器（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。

系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

2.1.2控制方案

在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：

ΔP=KQ2；

式中K一为系数设PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。

P=PL+ΔP=PL+KQ2

因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。

典型的自动恒压供水系统的结构框图如图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。

2.1.3运行特征

以4台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器、软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<13Qmax时（Qmax为4台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。

当用水量Q在13Qmax

当外需供水量Q为23Qmax

2.1.4系统方案

目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”（即“一拖一”）的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”（即“一拖N”）的多泵控制系统。

随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。

“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。

（一）.“一拖N”多泵系统的一般控制要求

（1）多泵循环运行程序控制

以“一拖三”为例:

先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。

反之，若变频器工作频率已下降至下限值（一般设定为25~35Hz）而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。

如此循环不已。

其他的“一拖N”程序控制，依此类推。

（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。

延时时间根据水泵电机的功率而定:

功率越大，时间越长，一般取值2~3s。

（3）确保触点相互联连锁

在电路设计和PLC（可编程控制器）程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。

为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的CJX2-N型联锁接触器等。

（4）水泵轮换启动控制

可以自由设置水泵启动顺序:

可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或N#水泵先启动。

所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。

（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。

（6）变频器或PLC带有PID调节器

PID（比例-积分-微分）调节器的积分环节I（即积分时间）调整应合理:

时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。

（二）.常用的“一拖N”多泵系统控制方式

（1）变频器+PLC

这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。

缺点是需要专业技术人员编制并现场调试PLC程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。

（2）变频器+专业供水控制器

最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+PLC”接近。

2.2可编程控制器（PLC）的特点及选型

2.2.1PLC特点及应用

可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。

它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序（步进）控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。

由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。

2.2.2可编程控制器的选型

1.本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的AD,DA模块和可编程控制器内置的控制模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。

整个控制系统除了用到PLC逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到PLC的高级控制单元，主要包括AD、DA单元等。

现代大中型的PLC一般都配备了专门的AD和DA转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过AD模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过DA模块转换，变成模拟量去控制被控对象。

但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的PLC，机器型号为CPM2A-30CDR-A和模拟量控制模块CPM1A-MAD02。

其特性简介如下：

2.CPM2A为系统提供了众多的功能

•高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。

•同步脉冲控制可方便地调整时间。

•带高速扫描和高速中断的高速处理。

•可方便地与OMRON的PT相连接，为机器操作提供一个可视化界面。

小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。

为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。

•通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。

•可进行分散控制和模拟量控制。

2.3变频器选型及特点

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。

2.3.1ABB产品信息：

ACS400变频器在2.2-37KW的功率范围内，节约能源，控制准确,安全可靠,铸铝件和塑料件的使用,保证了足够的加工精度,ACS400预置了九种应用宏.主电源：

230—500V5060HZ控制电源：

115—230V.在励磁部分中采用了最新的IGBT控制技术，不再需要磁场电压匹配变压器，磁场进线熔断器和电抗器也已集成在DCS400模块中。

由于磁场部分采用了三相进线供电方式，且直接取自为电枢供电的三相电源，因而DCS400不再需要单独的磁场电源进线。

DCS400拥有多种调试工具。

在调试向导的引导下进行参数设定，加上全部的自优化调试过程，DCS400的典型调试时间为15分钟。

2.3.2变频节能理论：

1.交流电机变频调速原理：

交流电机转速特性：

n=60f（1-s）p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。

电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。

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。

流量与转速成正比：

Ｑ∝Ｎ

转矩与转速的平方成正比：

Ｔ∝

功率与转速的三次方成正比：

Ｐ∝

而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：

Ｐ变＝Ｎ3Ｐ额＝Ｑ3Ｐ额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：

Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额其中，Ｐ为功率Ｎ为转速Ｑ为流量例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝0.216Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（0.4+0.6Ｑ）Ｐ额＝0.76Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）Ｐ阀*１００％＝71.6％。

流量％

100

90

80

70

60

50

节电量％

0

22.5

41.8

61.5

71.6

82.1

由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。

而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。

在管网用水量减少到单台主泵流量的约16-18时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。

2.3.3变频恒压供水系统及控制参数选择：

1.变频恒压供水系统组成

小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。

工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

2.变频恒压供水系统的参数选取

（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。

这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：

一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。

两者如何选择，我们来简单分析一下（如变频器控制原理图示）管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。

而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。

（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。

变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。

为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。

所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。

对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

2.3.4变频恒压供水系统的优点及体现

1.高效节能

变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。

从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。

2.恒压供水

变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。

3.安全卫生

系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。

4.自动运行、管理简便

新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。

5.延长设备寿命、保护电网稳定

使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。

变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

6.占地少、投资回收期短

新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。

另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

2.4远传压力表

本系统采用YTT-150型差动远传压力表，此表适用于测量对钢及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。

因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离测量点的二次仪表上，以实现集中检测和远距离控制。

此外，Y