变频恒压供水毕业设计论文Word文件下载.doc
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Pressuresensor
目录
1绪论 1
1.1城市供水系统的要求 1
1.2变频调速系统的发展趋势 1
1.3变频恒压供水产生的背景和意义 1
1.4国内外研究概况 2
1.5本课题的主要设计研究对象 3
2恒压供水系统 4
2.1变频恒压供水系统 4
2.2变频恒压供水控制方式的选择 5
2.3变频恒压供水系统及工作原理 5
2.3.1系统的构成 5
2.3.2工作原理 6
2.4主电路接线图 6
3硬件的设计方案 8
3.1可编程控制器 8
3.1.1简介PLC 8
3.1.2PLC的特点 8
3.1.3PLC的国内外状况 9
3.1.4PLC的构成 9
3.1.5PLC的工作过程图 9
3.1.6PLC的选型 10
3.1.7PLC的接线 10
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
3.2.3变频器的选型 12
3.2.4变频器的接线 13
3.3PID调节器 13
3.4压力传感器的接线 14
3.5原件表 14
4软件的设计方案 16
4.1PLC控制 16
4.1.1手动运行和自动运行 17
4.2编程及介绍 18
4.2.1总程序的顺序功能图 18
4.2.2自动运行顺序功能图 18
4.2.3手动模式顺序功能图 19
5MCGS组态软件的仿真与调试 20
5.1MCGS组态软件 20
5.1.1MCGS组态软件的整体结构 20
5.1.2MCGS工程的五大部分 21
5.2建立界面 21
5.2.1建立窗口 21
5.2.2定义数据对象 22
5.2.3编辑画面 23
5.2.4对象元件的选择 24
5.2.5调试步骤 25
5.2.6系统总体调试 25
5.3本章小结 25
结论 26
参考文献 27
致谢 28
IV
1绪论
1.1城市供水系统的要求
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。
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，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.2变频调速系统的发展趋势
电机调速经历从静止的晶闸管整流器直流调选到交流感应电机变频调速的发展过程；
变频调速又由VVVF的变压三变频控制的PWM变频调速发展到矢量控制变频调速，提高了变频器的恒定转矩输出范围和动静态特性，使得交流电机变频调运性能超过了直流电动机调压，调速性能；
在矢量控制变频凋调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。
在中、高压（3kv，6kv，10kv）等调速范围的应用也越来越多。
随着电力电子器件的发展，特别是具备有将单极型和双极型大功率管两种器件组成的混合气传动装置的控制由模拟控制转向数字控制，使信息处理能力大幅度地增强[1]，出现了许多高、中压的变频设备（像西门子、ABB、罗克韦尔），本文介绍的变频调速电压等级是380V的低压变频器。
1.3变频恒压供水产生的背景和意义
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。
这一方面是出于我国居民多，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。
传统的定（恒）速水泵供水系统是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统这种传统而简单的给水方式，无反馈信号和压力控制。
用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管路内漏增加，阀门损坏加剧。
用水量增大时，系统压力则降低，易造成系统高位供水点断流。
实际上，定（恒）速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷，而且不易实现有效的经济运行。
对于用水量变化大的给水系统，特别是用水量小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效能区之外运行，能量损失严重[2]。
水泵机组变频调速运行的研究和运用，目前已经成为城镇供水行业的重要课题，各地区根掘本地不同情况，也逐步开始运用。
变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵和管路组成的给水系统。
它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调速及调节水量的目的。
这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调整供水量。
尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但水泵的效率仍然维持在高效能区[3]。
PLC是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。
PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方而有了质的飞跃。
采用该变频恒压供水系统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；
同时系统具有良好的节能性，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。
1.4国内外研究概况
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
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。
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）的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究处是不够的。
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。
采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管（市政来水管）进口压力保持恒定为条件。
实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态[4]。
变频调速是优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等），是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。
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、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
1.5本课题的主要设计研究对象
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，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。
采用PLC和变频技术相结合，引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、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恒压供水系统，本设计中有1个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。
PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定供给每一个用户。
2恒压供水系统
2.1变频恒压供水系统
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。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如:
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
（3）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
（4）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
（5）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
2.2变频恒压供水控制方式的选择
目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、新型变频调速供水设备。
综合考虑，本次设计采用新型变频调速供水设备的控制方式。
图2.2供水系统方案图
2.3变频恒压供水系统及工作原理
2.3.1系统的构成
图2.3系统原理图
如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；
变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）；
变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
2.3.2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中程序首先接通KM6，并起动变频器。
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。
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。
2.4主电路接线图
图2.4主电路图
电机有两种工作模式即：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行接通电源的控制接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
3硬件的设计方案
3.1可编程控制器
3.1.1简介PLC
PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。
图3.1PLC的硬件结构框图
3.1.2PLC的特点
现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。
在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。
归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：
1）编程方法简单易学
2）功能强，性能价格比高
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
5）系统的设计、安装、调试工作量少
6）维修工作量小，维修方便
7）体积小，能耗低。
3.1.3PLC的国内外状况
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable,是世界上公认的第一台PLC.
3.1.4PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，按照一定规则组合配置。
3.1.5PLC的工作过程图
图3.2PLC的扫描工作过程
PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：
①输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；
②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；
③输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器）的状态，由输出指令的执行结果决定。
④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；
3.1.6PLC的选型
目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。
plc产品按地域上分成三个流派，美国：
AB、GE；
欧洲：
德国的西门子、法国的te；
日本：
三菱电机、欧姆龙。
依据国内PLC市场的研究得到的样本分析，60%左右的用户使用了这些品牌的plc产品。
综合考虑，本系统选用FXos-30MR-D型PLC。
水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。
控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。
系统所需的输入／输出点数量共为24个点。
3.1.7PLC的接线
图3.3PLC的接线图
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；
Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；
Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
3.2变频器
3.2.
升级会员 