基于PLC和变频器的住宅小区恒压供水系统设计Word下载.docx
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摘要 I
ABSTRCT II
1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2恒压供水的现状和发展 1
1.3课题研究的内容 2
2控制系统总体方案设计 3
2.1系统的一般设计原则 3
2.2系统研究对象及功能 3
2.3基于PLC和变频器恒压供水系统的工作原理 4
2.4系统的总体设计框图 7
3.系统硬件电路设计 8
3.1PLC 8
3.2变频器 11
3.3电机水泵 17
3.4传感器 21
3.5其它配套设备 23
3.6总的电路图 23
4.系统的软件设计 29
4.1PLC的工作流程图 29
4.2PLC的程序设计 30
5．结论 34
附录1 35
附录2 36
致谢 41
参考文献 42
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
随着社会科学与技术的迅速发展，人民的生活水平不断的提高，社会对供水的质量和安全可靠性有了更高的要求。
在我国提倡的建设节约环保型社会的前提下，将先进的自动化、控制、通讯及网络技术应用到供水的领域，是顺应时代的首选，而具备这样技术的现代恒压供水系统也就成了现代发展的重点。
在日常生活中，用户的用水量是时刻变化的，特别是在住宅小区中经常发生供水不足或过剩的现象。
由上可以知道供水压力的大小决定着用户用水量和供水量，即水量的供大于求，则供水压力大；
供小于求，则供水压力小。
一般所说的恒压供水就是用户的用水和供水保持平衡，这样在很大程度上提高了供水质量。
在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统，对于某些用水单位提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
1.2恒压供水的现状和发展
住宅小区传统的供水方式有:
恒速泵加压供水、高位水箱水塔供水、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下[1]:
（1）恒速泵加压供水方式对供水管网的压力无法做出及时的反应，增减水泵的工作都依赖手工操作，自动化程度很低，而且为了保证供水，水泵机组常常处于满负荷运行，其结果就是不但运行效率低、消耗电量大，而且在用用户水量较少时，供水管网会长期处于高压运行状态，损坏现象严重，电机的硬起动会产生水锤效应，有很大的破坏性，现在已经很少应用了。
（2）高位水箱水塔供水控制方法简单、短时间的维修或在停电情况下可以不停水，但它的基础建设投资大，占地面积大，维护不方便，电机水泵的启动为硬起动，频繁的起动极易损坏电机轴，目前其主要应用于高层建筑。
（3）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面几种，但是该系统的开发周期比较长，对设计员的要求比较高，而且可靠性比较低，维修
不方便，不适用于恶劣的工业环境。
由以上几种方法可以看出，传统的恒压供水方式存在不同程度的浪费能源的现象；
运行效率低下；
系统的可靠性差；
自动化程度不高等现象，这些缺点对人们的生活造成很大的影响。
现代的供水方式的发展方向为高效率、可观节能、自动控制、运行可靠等。
以现代科技支持的变频调速技术的控制方式具有以上的技术要求，其应用广泛在需要消耗很高能源的设备上，特别是在工业用水，居民生活用水等，变频调速技术的节能性能突出，根据实际应用总结表现出的优越性有：
一、高效节能；
二、在电机的启动、停止时能降低电流对电网，以及供水压力对供水管网的冲击；
三、降低电机、水泵的机械磨损。
基于PLC和变频器的恒压供水系统是集变频、电气、现代控制和其他现代科技于一身的较为先进的系统设计。
使用该系统系统供水的稳定性和可靠性可以显著的提高,在我国大力提倡资源节约的今天，具有优良节能效率的特点的恒压供水系统会有更大的发展空间。
为了提高企业效率和人民生活水平、降低能耗的分析,利用现代技术而设计的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。
1.3课题研究的内容
本文主要通过对现有供水系统分析，依据用户对供水系统的要求，确定以变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统以保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行情况。
具体来说，这篇论文包括以下内容：
（1）在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计思路和方案，确定论文主要的研究内容和研究方法；
（2）分析变频恒压供水系统工作的原理；
确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程。
（3）从用户的需求入手确定合适的设备选型；
详细分析自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案。
（4）在总体的设计方案定下来之后，对各个硬件连接和软件设计做出理论预测，并对整个系统运行的稳定做出相应调整。
2控制系统总体方案设计
2.1系统的一般设计原则
结合地面上诸如水厂、泵站的变频恒压供水系统的设计以及工程建设，总结出的基于变频调速的恒压供水系统的一般设计原则[2]：
采用国内比较先进的恒压控制方式，将通过用户的用水管网中的压力变化经过压力传感器的数据采集送给变频器，再通过变频器与变频中的设定值比较，根据变频器的内置PID功能进行数据处理。
当供水压力低于设定时，控制交流接触器，切换水泵由变频转向工频。
当供水压力高于设定值时，继续控制系统的交流接触器，增减运行的电机水泵的台数和工变频的切换，准确进行恒压供水控制运行。
2.2系统研究对象及功能
2.2.1、研究对象
电机水泵的参数值设定可以通过以下模拟住宅小区的设置的来确定电机水泵参数以及整个小区的性能。
售楼处
小区的基础设施中的有整体设计的特点，用户集中，对其供水供电都是网络化管理。
而且对不同楼层的控制不同，即时调控的功能可以实现。
选用的DL系列水泵立于高层建筑之上，根据先前的设计思路可以实现整个水网的自动循环，同时减少了传统水塔出现的二次污染的情况。
所以整个小区的供水系统就可以在有效的自动控制和高效节能的情况下运行。
（2）用户的供水量的确定[3]
用户用水量的确定主要从最高层得用户来考虑，即小区中的最高层28层用户的
0.25m3 3
用水情况来设计的。
以水龙头的流量 10
s
的供水流量：
来算，则单位时间内住户需要的
Q 620
0.25m3
103
0.3m
3
（2-1）
（3）供水扬程计算
在扬程计算中，一般把最远最高建筑作为依据，理论上若0.1MPa的压力可获得10m扬程。
公寓高度为100m，则供水压力需要1.0MPa。
（4）水泵驱动电机功率计算
P kQ（H H）103（2-2）
P
式中：
P—电动机功率（kw）;
k—裕量系数，常取1.05~1.7，这里取1.6；
--
流体密度（kg/m3）;
Q—泵的流量（m3/s）,取35103（m3/s）（高于实际10%）；
H-
扬程（m）,取98m；
H--主管损失扬程，取3m；
--泵的效率，一般取0.6~0.84，这里取0.7；
p--传动装置效率，与电动机直接连接p=1.0；
P kQ（H H）103=1.61.035（98
3）103
8.1kw
P 0.7
1.0
（2-3）
要设计需要的高层小区的变频恒压供水系统，高近百米的建筑，需要选取30kw,转速1480r/min的电机水泵。
2.2.2、系统功能及性能
（1）整套的控制系统拥有手动、自动两种工作方式,前者主要用来调试检修设备及其应对特别情况；
一般情况下,设备被置于自动位,以实现设备的自动运行。
（2）当工作方式为自动时,可以根据压力的设定内部进行自动控制,可以保证正常的供水。
（3）当工作方式为手动时,水泵转速由人工在电气柜上通过电位器调节。
（4）水泵有三台，两台常用，一台备用,由PLC和变频器来控制各个水泵的运转和启停。
（5）系统具有运行、报警故障等信号。
（6）住宅小区的在最高层的供水在1.0Mpa压力下的电机水泵在建筑顶层从建筑地下往上吸水，形成无二次污染的变频调速恒压供水系统。
2.3基于PLC和变频器恒压供水系统的工作原理
基于PLC和变频器的恒压供水系统主要由PLC、变频器、压力传感器、管网和
电机水泵组成。
一般是通过控制台上的按钮和指示灯，以及手动/自动的转换开关来运行和控制整个供水系统的。
首先是将压力传感器安装在用户端的出水管网上，把测得的出水口的压力信号转变成4-20mA标准电信号，并将这个信号与初始设定于变频器上已经设置好的的压力参数进行比较，再将计算的差值送入变频器的内置的
PID调节器，内置的PID调节器将差值的运算结果转换成4-20mA电流信号再送至变频器。
系统最终的执行系统是由变频器控制单个水泵电机，控制其转速来调节总的供水量。
根据用水量的不同，水泵电机的转速在变频器调节下是不同的，当然变频器的工作频率也就不同。
同时在变频器中设定上限和下限频率检测，当用水量大的时候，变频器迅速上升到上限频率。
此时，变频器会根据其内部功能宏的设定给PLC输出一个开关信号；
当用水量低时，变频器内部控制会达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC。
根据设定的内部值可以得到，上限和下限频率的两个信号不会同时产生。
不论产生哪一种信号，该信号会立刻返回给PLC，到达后通过PLC设定的内部程序驱动I/O端口的输出来控制交流接触器的吸合与断开，以此来协调投入工作的水泵电机台数，同时完成水泵电机的启停、变频与工频的切换等功能。
通过调整投入工作的水泵电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，与几台其他电机的工频运行使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的[4]。
下图为变频恒压供水系统框图：
变频器
PLC
水泵电机
出口点压力信号点
用户
频率指令 运行命令
变频器内置
给定 PID控制器 反馈
压力传感器
图2-1变频恒压供水系统框图
由图2-1可以看出，电机水泵是输出环节，由变频器控制电机的转速，实现恒压供水控制。
变频器在接受PID控制器的信号之后控制水泵电机的运行速度，同时在压力传感器检测出管网出水压力后，把压力转换的电信号与给定的压力值进行比较，将比较完之后的差值传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵
的转速，实现了整个供水系统的闭环控制。
综上所述，可依据用水量的变化而自动进行调节系统的运行参数的变频恒压供水系统，可以保持恒定供水压力来满足用水要求，被看作是现代比较合理、先进的节能高效的供水系统。
变频恒压供水系统主要的设计任务是利用PLC和变频器控制一台或循环控制多台水泵电机，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及水泵变频与工频的切换，同时还要能传输运行的数据。
根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择[2]：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这是一种结构简单的控制系统，PID调节器和PLC可编程控制器等硬件被集中合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。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但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+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，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以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变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC+压力传感器
这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他系统进行数据交换；
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的控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，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，所以现场调试方便。
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，该系统能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。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路十PLC+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。
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系统的总体设计框图
住宅小区的高层供水系统主要包括一台PLC控制柜、一台变频器、一个压力感应器、三个水泵。
三台电机拖动水泵，两台自动，自动的两台一台常用一台备用。
一台手动备用，它在自动方式不能正常工作的情况下启用。
自动方式可以实现无人值班，无须人为干预。
控制系统结构图如下图所示：
数字控制信号
三相变
FX2N
ACS510
频电源
电源输入
三相交流电源
输出数字
控制信号
交流
接触器
工
交
流接触器
1#泵电动机
泵口
压力
2#泵电动机
用
户管网
3#泵电动机
压力电子
反馈信号
远传压力表
图2-2控制系统结构框图
由上述控制图结合变频恒压的控制原理可以看出，经由管道出口的压力传感器测出的压力值经过与变频器相连的线路，与变频器的设定值进行比较之后得到的差值，在变频器内置的PID功能的计算下，对电机水泵的一系列调速以及工频变频之间的切换，最终达到变频恒压供水的目的。
这就是整个系统的设计理念。
3.系统硬件电路设计
3.1PLC
3.1.1PLC功能[5]
PLC系统一般由以下基本功能构成：
（1）多种控制功能；
（2）数据采集、存储与处理功能；
（3）通信联网功能；
（4）输入/输出接口调理功能；
（5）人机界面功能；
（6）编程、调试功能。
1 ）控制功能
逻辑控制：
PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，能代替继电器进行开关量控制。
定时控制：
它为用户提供若干电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
计数控制：
用脉冲控制可实现加、减计数模式，可连接码盘进行位置检测。
顺序控制：
在前道工序完成后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
2 ）数据采集、存储与处理功能
数学运算功能包括：
a）基本算术：
加、减、乘、除；
b）扩展算术：
平方根、三角函数和浮点运算；
c）比较：
大于、小于和等于；
d）数据处理:
选择、组织、规格化、移动和先入先出；
e）模拟数据处理：
PID、积分和滤波。
3）通信、联网功能
现代PLC多数都采用通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，可以实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模复杂控制。
4 ）输入/输出接口调理功能
具有A/D，D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度可根据用户
要求选择。
具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。
5 ）人机界面功能
提供操作者监视机器/过程工作必需的信息；
允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便做出决策和调整。
实现人机界面功能的手段：
从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机以及工业计算机的分散和集中操作与监视系统。
6）编程、调试功能
使用复杂程度不同的手持式、便携式和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
3.1.2PLC的工作原理[6]
PLC 是一种工业计算机，所以它的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，也就是说，PLC是在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务，实现控制目的。
但是PC与PLC又有所不同：
前者一般是采用等待命令式的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。
当有键按下或I/O口有信号输入时，则中断转入相应的子程序。
而PLC采用的是循环扫描的方式，即顺序的逐条地扫描用户的程序的操作，根据程序运行的结果，一个输出的逻辑线圈应安通或断开，但该线圈的触点并不立即动作，而必须等用户程序全部扫描结束后，才能输出动作信息全部送出执行。
也就是说，PLC系统的工作任务管理和应用程序执行都是循环扫描的方式完成的。
3.1.3PLC的选型[5]
FX系列PLC是继F1、F2系列之后，三菱公司新推出的小型（超小型）机，主要有
FXON、FX2、FX2N、FX2C等几种机型。
FX系列PLC是整体结构PLC，他的基本单元由电源、CPU、存储器、I/O器件组成。
PLC的电源和输入的组合方式主要有AC电源/DC输入型、AC电源/AC输入型、
DC电源/DC输入型3种。
输出方式有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种。
FX系列PLC配有许多扩展单元和扩展模块，这些扩展模块、扩展单元和基本单元
连接配合使用，可方便地增加PLC的输入点数或输出点数，以改变系统的I/O点数的比例，满足实际的需求。
FX系列PLC还有许多特殊单元、特殊模块。
这些特殊单元、特殊模块和基本单元连接配合使用后，PLC可实现模拟控制、定位控制、高速计数、数字通信等功能。
FX系列PLC的基本单元可独立运行，构成控
升级会员 