6055基于变频调速的恒压供水控制系统的设计说明书.docx

6055基于变频调速的恒压供水控制系统的设计说明书.docx

《6055基于变频调速的恒压供水控制系统的设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6055基于变频调速的恒压供水控制系统的设计说明书.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

6055基于变频调速的恒压供水控制系统的设计说明书

毕业设计（论文）

题目：

基于变频调速的恒压供水控制系统的设计

系专业

学号：

学生姓名：

指导教师：

（职称：

）

（职称：

）

2014年月日

目录

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。

本论文根据城市高楼居民区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。

变频恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、报警器等构成。

本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式，采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速。

压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近，实现恒压供水。

本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。

最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。

本论文具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。

关键词：

变频调速；恒压供水；PLC；控制系统

ABSTRACT

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

Thisthesisisbasedonthecityhigh-riseresidentialareaofwatersupplyrequirements,designaConstantPressureWaterSupplyControlSystemBasedonPLC.Theconstantpressurewatersupplycontrolsystemconsistsofaprogrammablecontroller,inverter,waterpumps,pressuresensors,alarmandsoon.Thesystemconsistsofthreepumpmotors,theyarecomposedoffrequencyconversioncycleoperationmode,theinverterisusedtoachievethesoft-startandfrequencycontrolthree-phasepumpmotor.PressuresensordetectsthewaterpressuresignalintothePLCwiththesetvalueafterthePIDoperation,soastocontroltheinverteroutputvoltageandfrequency,therebychangingthespeedofthepumpmotortochangethesupplyquantity,andultimatelytomaintainthepressurestabilityofthepipenetworkinthesetgiventhevalueofthenearconstantpressurewatersupply.ThispapershowsthedesignofconstantpressuresupplywatercontrolleraccordingtoPIDdataanddetailedintroductionofitssoftwareandhardware.Inthispaper,theauthorillustratesitsgeneraldesign,softwareimplementandthemeasuresofpreventabledisturbanceindetails.

Keywords:

VFspeed;constantpressurewatersupply;PLC;control-system

第一章绪论

1.1城市供水系统的要求

对城市居民区高层的住户来说，在白天或者用水高峰时，供水系统的电动机负荷很大，常常需要满负荷甚至超负荷运行；而在晚上或者用水低峰时，所需用水量就会减少很多，但是电动机会依然处于满负荷运行状态，这样既会造成能量的浪费，又对电动机的损耗很大，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。

所以根据不同的需求条件调节电动机的转速以实现恒压供水是非常有必要的。

传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等方式。

其优、缺点如下：

（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力作出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低下、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。

（2）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要用于高层建筑。

（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段同时出现水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了发展。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要。

采用基于PLC和变频技术的恒压供水系统，可以有效解决以上问题。

变频调速式供水系统具有节约能源、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，利用变频技术与自动控制技术相结合，不仅能达到比较明显的节能效果，提高恒压供水的效率，更能有效地保证供水控制系统的安全可靠运行。

利用变频恒压供水控制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；同时可达到良好的节能性，提高供水效率。

所以，设计基于变频调速的恒定水压供水控制系统，对于提高供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.2变频恒压供水控制系统的国内外研究概况

此处省略XXXXXXXXXX。

如需完整文档，请联系发布者账号中的企鹅号2686987875，免费赠送文档，配套相关图纸、源文件可以咨询购买。

1.3本课题的主要研究内容及要求

本系统以一个供水系统作为被控对象，研究基于变频调速的恒压供水控制系统的设计，使系统获得较好的性能指标。

主要设计内容要求为：

1、研究恒压变频供水的控制方法，具体研究变频器选型,变频器的参数设定，以及变频器的线路连接。

2、进行恒压供水控制系统的硬件电路设计。

3、进行恒压供水控制系统的PLC控制程序设计。

4、对控制程序模拟调试并仿真运行。

1.4本课题研究的目的及意义

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。

第二章变频恒压供水系统的原理

2.1变频恒压供水系统的基本工作原理

此处省略XXXXXXXXXX。

如需完整文档，请联系发布者账号中的企鹅号2686987875，免费赠送文档，配套相关图纸、源文件可以咨询购买。

2.2本课题研究的对象

此设计研究的对象是城市居民区楼房的供水系统。

由于较高楼层对供水水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况；水压高时，将造成能源的浪费。

如图2.1所示，是城市居民区高楼供水系统的简单流程。

自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。

通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

2.3变频恒压供水控制方式的选择

恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的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和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。

根据系统的设计任务要求，有以下几种电控柜的控制方式可供选择：

1．逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。

因此，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。

由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。

既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。

若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。

这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。

如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。

所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

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，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO—I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。

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。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第四种控制方案更适合于本系统。

这种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。

2.4变频调速恒压供水系统的组成及工作原理

2.4.1变频调速恒压供水控制系统的组成及原理图

变频调速恒压供水控制系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.2所示。

从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构和控制机构三大部分，具体为：

（l）执行机构：

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。

（2）信号检测机构：

在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。

管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。

另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。

信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。

此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

（3）控制机构：

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。

供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。

供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式。

变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[4]，本设计中采用前者。

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

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，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

变频恒压供水系统的结构框图如图2-3所示。

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4～20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。

由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水[5]。

2.4.2变频调速恒压供水系统的工作原理

合上空气开关，供水系统投入运行。

将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先起动变频器。

根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。

变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。

同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。

当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。

此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

增泵工作过程：

假定增泵顺序为l、2、3泵。

开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。

当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。

当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。

在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。

如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。

减泵工作过程：

假定减泵顺序依次为3、2、1泵。

当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。

如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。

2.4.3变频调速恒压供水系统水泵切换控制分析

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。

当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。

那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。

当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。

由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。

要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。

另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。

其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。

因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。

这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。

所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

2.5变频调速恒压供水系统设计的基本步骤

在变频调速恒压供水系统的设计过程中主要要考虑以下几点：

1.深入了解和分析变频调速恒压供水系统的目前的发展状况及其基本组成部分。

2.确定I/O设备。

根据变频调速恒压供水系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。

常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等。

3.根据I/O点数选择合适的PLC类型。

4.分配I/O点，分配PLC的输入输出点，编制出输入输出分配表或者输入输出端子的接线图。

5.设计变频调速恒压供水系统的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序，这是整个变频调速恒压供水系统的核心工作。

6.对梯形图程序进行软件仿真调试，查找错误，使系统程序更加完善。

第三章变频调速恒压供水控制系统的硬件电路设计

3.1变频调速恒压供水控制系统主要设备的选型及介绍

根据基于PLC的变频调速恒压供水控制系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示。

从以上系统电气总框图可以看出，该系统的主要硬件设备应包括以下几