恒压供水设计.docx
《恒压供水设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《恒压供水设计.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
恒压供水设计
毕业设计
题目：
变频器在工业的应用
——恒压供水设计
系别：
电气系
专业：
班级：
学生姓名：
指导教师：
完成日期：
摘要
本文介绍了以可编程逻辑控制器与变频器为核心的控制系统，并对其控制原理、硬件选择、软件设计进行重点阐述，从而对传统的城市供水系统进行改造，可以有效的解决以前供水压力波动大、系统故障率高、能源浪费严重等一系列问题。
同时，系统具有自动和手动两种控制方式，便于对系统进行维护修理，并能通过应用软件对供水系统进行监控和远距离控制。
提高效率，实现自动化供水。
在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵的性能曲线来实现的。
分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频器实现调速恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式阀门节流控制相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。
该系统能够对供水系统进行自动控制，有效的降低能耗，保持系统维持在最佳运行状态，提高生产管理水平。
关键字：
PLC；变频器；自动控制；恒压供水
第1章引言
一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，而对6层以上的则须提升水压才能满足用水要求。
以前大多采用传统的水塔、气压罐式的增压设备，或是通过在楼顶建蓄水池来实现的，蓄水池中的水是由一个或多个水泵提供，而且这些水泵电机有很大一部分是不能变速的拖动系统，不能变速电机的电能大多消耗在为了适应供水量的变化而不得不频繁的启、停水泵中。
这样不但会使水泵电机工作在低效率区，缩短电机的使用寿命，而且电机的频繁启动和停止会产生很大的冲击，从而导致设备故障率很高，造成水资源的严重浪费，而且使系统的维护、维修费用较多，工作量较大。
随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。
以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停；使用浮子或其它机械水位控制装置使供水状况有了一些改善，但由于机械控制装置的故障率高，可靠性差，给日常维护和维修带来很大的麻烦。
针对以上所存在的问题，结合工控行业的发展，特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。
并且变频技术在城市供水领域有节能、安全与恒压方面的优越性。
为了实现供水的自动控制，一般选用以单片机与变频器或PLC与变频器结合为核心，这样所构成的系统都能达到较为理想的控制效果。
对PLC与单片机在供水系统中应用的一些主要方面做了简单的比较如表1所示。
表1PLC与单片机在供水系统中应用的比较
硬件
软件
抗干扰能力
经济成本
单片机
电路相对复杂
需要有较多的外围元件
程序设计复杂
程序修改麻烦
较差
低
ＰＬＣ
体积小、高集成
有多种扩展模块
编程简洁直观
程序修改简单
很强
高
通过上表的比较，从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差不大，为了实现通用性，要求能够根据现场的使用情况方便的修改、调整系统控制参数，对于供水系统来说，时间参数变化较多，与单片机相比PLC的软件中时间参数的调整更简单。
基于以上原因，选用了PLC与变频器结合来实现对高楼的恒压供水，再加上变频器内置的PID调节与DBS316A型压力变送器，使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，不仅改变传统用阀门控制水量的多少，也改善了传统控制方法的故障率较高的弱点，而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的使用效果。
第2章控制系统的工作原理
2.1变频调速原理
变频供水设备主要由变频器、控制系统及传感器等部分组成。
控制系统通过控制变频调速器，将50Hｚ的交流电调到以0～50Hｚ之间任意频率输出，实现交流电机的无极调速，最终达到生产过程的定量控制及最优化控制，当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，根据设定的系统供水压力值，自动跟踪输出相应的频率。
水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对水泵的调速是通过对其电机转速的调节来实现。
我们知道：
异步电动机转速ｎ=60ｆ（1—S）/P。
在这个公式中，ｆ为电机电源的频率，P为电机的磁极对数，S为转差率（0～3%或0～6%）。
由上述电机的转速公式可见：
要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现：
（1）改变电动机的频率f；
（2）改变电动机的转差率S；
（3）改变电动机的磁极对数P。
通过对上面三种方法的分析可以知道：
改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。
因为，转差率S的范围在（0～3%或0～6%）之间，由此转差率S对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低；改变磁极对数P这种方法，首先它不容易实现，其次，由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。
由于该磁极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。
电动机的转速ｎ和供电电源的频率f成正比，要设法改变三相交流电动机的频率ｆ，就能十分方便地改变电动机的转速ｎ，另外，频率f能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。
比改变磁极对数Ｐ和转差率Ｓ两个参数简单方便得多。
而实际上如果仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。
如果电压不变，频率下调至小于50Ｈｚ时，会使电机气隙磁通φ（约等于Ｖ/ｆ）饱和；反之，电压不变，频率上调至大于50Ｈｚ时，则使磁通减弱。
所以真正应用变频调速时，需要同时改变电压V和频率f，以保持磁通基本恒定。
变频调速装置又称为VVVF装置。
VVVF是VariableVoltageandVariableFrequency的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。
根据水泵叶轮相似定律及其特例比律，水泵供水量Ｑ与电机转速ｎ成正比，供水扬程H与ｎ的平方成正比，水泵轴功率N与ｎ的3次方成正比。
通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。
通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
失量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。
改善电机低速输出转矩不足的情况，使用"矢量控制"，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩。
对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。
为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。
转矩提升功能是提高变频器的输出电压。
然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。
因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量。
矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量的数值。
矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机输出大的转矩。
2.2系统工作原理
整个控制系统是由PLC、变频器、压力变送器、温度变送器，水泵电机等组成，水泵均采用三相异步电动机来拖动，在这个控制系统中共有4台水泵电机，因为在不同的时间段内人们所用水量是不同的，根据人们的用水规律：
在白天用水量很大，晚上特别是零点以后，人们的用水量又是特别小。
为了不使能源浪费，选用1台小功率电机和3台大功率电机。
用一台小功率电机来拖动一个水泵，以便于晚上或白天的某个时间段用水量很小的时候工作，在用水量大的时候，就让3个大功率电机的某台或其中的两台电机工作，当用水量特别大的时候就让3台电机同时运行，来满足人们用水的要求。
同时，由于系统中采用了压力变送器，可以方便的调节变送器，通过控制系统使管道内的水压稳定在一个基本不变或者变化量极小的范围内，从而实现恒压供水。
整个系统的工作原理方框图如（图1）所示。
由图1可知，控制信号的采集是由压力变送器和温度变送器来完成的，由压力变送器采集的管道中的压力信号，经过PLC的智能扩展模块A21来进行模数转换，A21根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量按一定的关系转换成PLC内部的数字信号，然后由PLC将转换后的数字信号与事先设定的压力值相比较，根据比较的结果，控制相应的输出来决定让哪一个水泵电机工作，并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作，在这个恒压供水系统中，一台变频器带4台水泵电机，每台水泵电机既可以在常规工频模式下工作，也可以在变频模式下工作。
但是每台水泵电机在任一时刻只能处于变频工作模式或工频工作模式中的一种，在设计中通过PLC内部的输出继电器进行互锁，为了确保水泵电机安全工作，同时在外部用两个交流接触器互锁来保证它的安全与可靠。
温度变送器
压力变送器
AMB—G9—110T3
安邦信变频器
松下FP0—32CP系列PLC
A21
扩展单元
水泵电机
风扇电机
继电器组
图1系统工作原理方框图
变频器与其外围设备之间的接线图如（图2）所示；
图2变频器与其外围调设备的接线图
图2变频器与外围设备的接线图
在图2中，MCCB的作用为：
快速切断变频器的故障电流并防止变频器及其线路故障导致电源故障；MC的作用为：
在变频器故障时切断主电源，并防止停电及故障后的再起动。
ALC的作用为：
用于改善输入功率因数，降低高次谐波及抑制电源的浪涌；NF的作用为：
减小变频器产生的无线电干扰。
电机与变频器间配线距离小于20米时，连接在电源侧，配线距离大于20米时，连接在输出侧。
变频器与水泵、风扇电机之间的接线如（图3）所示。
图3电源、变频器与水泵、风扇电机的接线图
当压力变送器传来的信号为管道中的水压较低时，同PLC发出一个控制信号，首先接通变频器，然后使KM1线圈得电，这时M2电机开始起动，在M2电机起动后，压力变送器从管道中传来的压力信号一方面经过A21的模数转换后与设定的压力值相比较，判断用户终端水压的高低；另一方面将这个由压力变送器传来的信号通过A21的数模转换，将压力的模拟信号送到变频器中内置的PID调节器中。
由PID根据管道中的压力信号来输出相应的频率，控制水泵电机的转速。
当M2经过变频器的调节已达到工频后。
经过一段时间（可以根据对系统灵敏度的要求来调整），从管道中采集一个压力信号与设计值比较，若管道中的压力仍然低于设定的压力，则由PLC发出控制指令，使KM1断开、KM２得电闭合，从而将M2电机从变频器脱离，使它直接与工频电源相连接工频运行，同时，也让KM3闭合，使M3电机与变频器相连。
这时压力变送器传来的信号经PID调节后控制M3电机的转速，使管道内的压力与设定的压力值相接近。
同理，当M3经过变频器的调节已达到工频后。
经过一段时间，从管道中采集一个压力信号与设计值比较，若管道中的压力仍然低于设定的压力，则由PLC发出控制指令，使KM3断开，然后接通KM4和KM5，即使M3也处于工频模式运行，同时把M4接到变频器上，A21传来的模拟信号由PID调节后输出相应的频率来控制M4，直到满足设定的压力值为止。
考虑到每个水泵电机的使用寿命，为了让电机的工作时间尽可能相同，在这里采用先起先停的原则来控制水泵电机，即当管道内的压力高于设定的压力时，先停止M2，让M3与M4工作，经过一段时间后，再采集管道内的压力信号，与设定值比较，若仍然高于设定压力，则把M3停止，只留下M4依靠PID的控制工作。
当压力再次低于设定压力时，起动M1，如此循环。
当在某一时间段内人们的用水量特别少。
例如在深夜几乎没有人用水，用一台大功率水泵电机在变频的模式下工作也会使管道内的压力高于设定压力时，这时PLC发出指令，使三个大功率电机全部停止运行，再将小功率电机与变频器接通，使小功率电机在变频模式下运行，直到小功率电机经PID调节频率达到50Hz一段时间后，仍不能达到设定的压力，这时PLC先将小功率泵断开，然后起动大功率泵M1，如此重复循环。
当有消防信号时，由于灭火的用水量特别大，这时不管水泵电机在什么模式下运行，都把它切换到工频模式，由三台功率较大的电机来对系统供水，从而保证大量用水的需要。
第3章硬件选择
3.1PLC的选择
可编程序控制器（ProgrammableLogicController）：
简称PLC。
中文全称为可编程逻辑控制器，国际电工委员会对它的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的。
它采用可编程序的存储器，用来在内部存储程序，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，并采用式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
”
根据系统的设计要求，在满足控制要求的原则上，尽量降低成本，选用松下电工生产的FP0系列的PLC—FP0-C32CP。
以下是FP0系列PLC的特点：
超小型尺寸：
一个控制单元只有25毫米宽，甚至扩充到I/O128点，宽度也只有105毫米，它的安装面积是同类产品中最小；
可选择三种安装方式：
DIN导轨条安装、底面直接安装、附面直接安装；
控制单元宽度：
30mm；
控制单元尺寸：
宽25×高90×长60毫米，最大可扩充至128点，此时尺寸：
宽105×高90×长60毫米，超小型外形设计打破了以往人们对小型PLC的看法，由于FP0具有世界上最小的安装面积，故可安装在小型机器、设备及越来越小的控制面板上，从而使整个系统结构紧凑，减少设备安装面积，安装灵活方便。
轻松扩展：
扩展单元不需任何电缆即可轻松连接上（最多可用三个扩展单元），扩展单元可直接连接到控制单元上，扩展单元可使用单元表面的扩充连接器和锁定单排触头即可形成层叠系统，而无需特殊扩展电缆、底板等等。
从而有效的提高安装速度，并且避免了接线所带来的麻烦，使整个控制单元美观化。
为了使系统控制简单化，在用PLC的同时选用FP0的高级模块A21，A21具有两个A/D转换单元和一个D/A转换单元，完全可以满足系统的控制要求。
3.2变频器的选择
变频器的定义是：
把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的一种装置。
变频器和PLC一样是整个系统的核心元件，在满足控制要求的情况下，选用由深圳市安邦信电子有限公司生产的AMB—G9变频器，根据系统中水泵电机的功率，选用变频器的具体型号为：
AMB—G9—110T3，“110”表示最大适用电机功率为110千瓦。
“T3”表示输入电源为三相380V。
AMB-G9系列变频器是新一代SPWM变频器，内置PID功能可以方便地实现PID闭环控制，控制方式多样，保护及报警功能完善，可以进行实时控制，内置RS-232通讯接口，RS-485接口板可选购，能最大限度的满足用户的多种需求。
节能运行可以最大限度地提高电机功率因数和电机效率。
它具的SPWM控制有以下优点：
低速额定转矩输出运行稳定，超静音稳定运行；
制动转矩大，最高可达125％额定转矩，方便实现以最快速度准确停车；
快速适应负载变化，提供最高效率的输出电压，适应于不同负载的V/F特性均可自动调整；
内置RS-485通讯接口，完全支持MODBUS通讯协议；
先进的自动转矩补偿功能设计，可使系统性能达到最优；
可设定节能运行方式；
多达28种的完善保护功能及报警功能；
内置调整更加方便的PID调节器；
多种参数的在线监视功能及在线调整功能；
控制方式多样，自动化程度高；
中文显示，界面友好，降低了对操作人员的要求，便于一般的工人进行操作。
3.3变送器的选择
变送器的定义为：
将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。
为了使整个系统结构紧凑、合理和控制方便，故此不用传感器而采用了比传感器性能更加优越的变送器。
3.3.1压力变送器的选择
采用压力变送器可以直接把网管内的水压这个模拟信号转换为标准的电信号，从而有效的减少了系统的硬件配置，利用较少的元件实现较复杂的功能，在实际应用中，压力变送器的使用环境比较恶劣，考虑到水对人们生活的重要性，保证供水的压力满足人们生活的需要，为此选用由金华自动化仪表设备厂生产的DBS316A系列压力变送器。
DBS316A系列压力变送器采用不锈钢外壳隔离防腐，外形设计精巧，安装十分简便。
具有国际先进技术进口陶瓷传感器，再配以高精密电子元件，经严格要求的工艺过程装配而成。
它与目前使用的常规压力变送器相比。
有两个显著不同的技术差别：
一是测量元件采用新兴的高精密陶瓷材料；二是测量元件内无中介液体，是完全固体的。
同时，它具有以下特点：
过载和抗冲击能力强，过压可达量程的数倍，甚至用硬物直接敲打测量元件也不致使其损坏，且对测量精度毫无影响；
工作稳定性高，抗振动，抗冲击，每年优于0.1%满量程，这个技术指标已达到智能型压力仪表水平；温度漂移小，由于取消了压力测量元件中的中介液，因而传感器不仅获得了很高的测量精度，且受温度梯度影响极小；
可调节，适用性广、安装维护方便、可任意位置安装。
DBS316系列压力变送器有很广的测量范围，A型号的测量范围在0-5KPa-20KPa之间，可以在环境温度-40～80ºC之间工作。
具有反极性、过电压保护以及防电磁射频干扰功能，输出标准电信号：
二线制4～20mADC。
以便于系统控制。
3.3.2温度变送器的选择
对于温度变送器仍然采用由金华自动化仪表设备厂生产的JH-10一体化温度变送器。
它可以接收热电阻或各类热电偶输入，可直接安装热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。
并输出标准电压电流信号。
其特点如下：
超小型（模块Ф44×18）一体化，通用性强。
二线制4～20mADC输出，传输距离远，抗干扰能力强。
测量精度高，长期稳定性好，免维护。
温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适用于各种恶劣和危险场所使用。
一体化设计，结构简单合理，可直接替换普通装配式热电偶、热电阻。
JH-10一体化温度变送器能在环境温度-20～70℃之间工作，也输出标准电信号：
4～20mA，极限时输出28mA，用它可以控制水泵电机的温度，在必要的时候开启风扇，给水泵电机散热，从而延长水泵电机的使用寿命，同时也保证人们正常的用水需求。
第4章软件设计
编程软件采用松下电工公司开发的在Windows环境下使用的软件：
FPWIN—GR。
它支持所有松下电工生产的PLC产品，可以用这个软件来实现：
对PLC程序和注释和输入及编辑；程序检查；运行状态和数据的监控及测试；系统寄存器和PLC和种系统参数的设置；程序清单和监控结果等到文档的打印；数据传输及文件管理等功能。
FPWIN—GR软件采用的是典型的Windows界面、菜单界面、编程界面、监控界面等可同时以窗口形式相叠或平铺显示，甚至可以把两个不同的程序在一个屏幕上同时显示，可以通过快捷键在各个窗口之间进行移动和切换，这给调试程序和现场监控带来了便利。
各种功能切换和指令的输入既可用软件上的键盘快捷操作键操作，也可用鼠标点击图标操作。
菜单采用点击下拉形式，操作起来很方便，特别是它在软件的“帮助”菜单中增加了软件操作方法和指令、特殊内部继电器、特殊数据寄存器等一览表。
这样在没有手册的情况下也能方便的使用。
4.1I/O口分配
在这个控制系统中，共用到10个输入和12个输出。
输入口从X0～X9，输出口从Y0～Y12，其中X0和X1组合开关，要求在任一时刻都有一个处于闭合状态，即系统要么处于自动状态要么处于手动状态。
X4～X8为带自锁的开关，要求第一次按下时闭合，第二次按下时断开。
其具体的输入输出如表2所示：
表2PLC的I/O口分配
输入
功能
输出
接触器
功能
X0
自动工作方式
Y0
KM0
变频器
X1
手动工作方式
Y1
KM1
M2变频模式
X2
消防信号
Y2
KM2
M2工频模式
X3
消防信号解除
Y3
KM3
M3变频模式
X4
M2手动
Y4
KM4
M3工频模式
X5
M3手动
Y5
KM5
M4变频模式
X6
M4手动
Y6
KM6
M4工频模式
X7
M1手动
Y7
KM7
M1变频模式
X8
风扇电机手动
Y8
KM8
M1工频模式
X9
报警解除
Y9
KM9
风扇电机
Y10
KM10
灯光报警（水压高）
Y11
KM11
灯光报警（水压低）
Y12
KM12
声音报警
4.2程序流程图
设定由压力变送器传来的压力为F1；用户要求的管道压力为F2。
程序流程图如（图4）所示。
变送器的压力信号
N
Y
M2~~M4顺序起动，过程中若F2>F1则M2~~M4顺序停止
M1起动
Y
图4程序流程图
4.3PLC接线图
PLC接线图如（图5）所示。
图5PLC接线图
4.4PLC控制程序
PLC控制程序的梯形图见附录。
附录一：
PLC控制程序的梯形图。
附录二：
PLC控制程序的指令表。
第5章供水系统调试
任何一个控制系统都需要经过反复地调试后方可达到最佳性能，没有调试的系统是不能工作或不能良好地运行。
PID解释：
即由比例（Proportion）+积分（Integral）+微分（Differentialcoefficient）组合而成。
比例P控制：
调节量按误差成比例输出，纯比例时误差不会为零。
即一对一的对应关系；积分I控制：
调节量按误差的积分输出，误差为零时，输出恒定。
既有一定的延迟；微分D控制：
调节量按误差的微分输出，误差突变时，能及时控制。
既快速反应；PI控制动作：
所谓PI控制就是将比例控制P和积分控制I结合起来，根据偏差及时间变化，产生一个操作变量。
运用于变频器内置的PID可实现压力负反馈闭环控制。
PID配合变频器与压力变送器实现单泵闭环恒压供水控制系统。
首先必须知道控制对象的参数。
对象特征、需要的最大供水压力、需要给定用户的恒定压力、供水最小压力、上限压力、下限压力等。
假设小区生活用水要求管道最大供水压力为（F1）14Kpa，对应传感器输出电流为20mA,要求最小供水压力为（F2）2Kpa，对应输出的电流为4mA,用户要求恒定的供水压力为（F0）6Kpa。
根据以上三个参数可以确定PID的设定值，即必须保证在最大供水压力时对应于压力传感器电流输出最大，反之亦然，可求出用户要求供水压力时的变送器电流。
压力变送器给定电流（Io）必须于用户所需的恒定供水压力成正比。
DBS316压力变送器的标准输出电流为（4～20mADC）则：
Io/（Imax-Imin）=F0/（F1-F2）
Io/（20mA-4mA）=6/（14-2）
Io/16=6/12
Io=8mA
其中Imax：
最大电流；Imin：
最小电流；Io：
需要给定的电流值。
根据FP0系列PLC的高级模块A21的A/D转换特性：
当模拟输入为直流电流（0~~20mA）时，它的特性如图6所示。
图6A21的A/D输入转换特性
由图6可以查出，用户所
设定的压力的值大约为1800。
即程序中K的值为1800。
同理，若要求水泵房内的温度为40ºC时（最高温度为60ºC，最低为0
升级会员 