家用自动供水及水位自动控制Word格式.docx
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第二章、水泵及变频及液位控制器器……………………………………………………………
一、水泵的控制及节能分析…………………………………………………
二、变频器的调节原理
三液位控制器
四供水保护电路
第三章、变频器恒压供水系统……………………………………………………
一、系统介绍……………………………………………………………………
二、工作原理…………………………………………………………………….
三、PLC控制统………………………………………………………………
四、注意事项…………………………………………………………………
五、结论……………………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
摘要
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损象也挺严重。
本论文结合现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
变频调速恒压自动控制供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。
系统采用一台变频器拖动四台电机的运行，起动，调速。
其中两台大机（220kW）和两台小机（160kW）采用循环使用的方式运行。
通过工控机和PLC连接，简单的设计了用于工控机的集数据采集和通讯，设备的状态控制和数据管理的监控程序，实现监测控制。
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。
前言
我这次毕业设计课题是基于PLC变频恒压供水系统,系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵.改变以往先启后停方式,自动完成泵组软启动及无冲击切换,使水压平稳过渡.变频器故障时系统让可运行,保证不断供水.系统断电恢复后可自动启动.采用硬件/软件备用及,使各泵进行轮休,延长了设备的机械使用寿命.
前
言
第一章
绪论
随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统,然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（水泵）,在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题.本文介绍的变频控制恒压供水系统是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中,根据尽量保留原有设备的原则设计的,该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的节省了资金.
一
可编程控制器的定义
可编程控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口,以位运算为主,能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能,用于控制机械或生产过程的自动控制装置．
二
PLC的特点
1
编程简单
PLC的的基本指令不多,常用于编程的梯形图与传统的继电器接触控制线路图有许多相似之处,编程的使用简便,对程序进行增减、修改和运行监视很方便.
2
可靠性高
PLC是专门为工业控制而设计的,在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施,因此可靠性高.
3
通用性好
4
功能强
PLC具有很强的功能,能进行逻辑、定时、计数和步进等控制,能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能.
5
使用方便
PLC体积小,重量轻,便于安装.
6
设计、施工和调试周期短
三
PLC的产生及发展
随着社会的发展,科技的进步,新的控制器件及其控制系统不断涌现.1968年美国通用汽车公司公开招标研制功能更强,使用更方便,价格便宜,
可靠性更高的新型控制器.一年后美国数字设备公司根据GM公司的招标要求,
研制成功世界上第一台可编程控制器,型号为PDP-14,并在GM公司汽车生产线上首次应用成功.这就较好的把继电接触控制简单易懂,使用方便、价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来,并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐渐变成现实.当时人们把这第一台可编程控制器叫做逻辑控制器PLC,只是用来取代继电接触控制,,仅有执行继电器逻辑、定时、计数等较少功能.
20世纪70年代中期出现可微处理器和微型计算机,人们把微机技术应用到可编程序控制器中,使得它兼有计算机的一些功能,不但用逻辑编程取代了硬连线逻辑,还增加了运算、数据传输与处理及对模拟量进行控制等功能,使之真正成为一种电子计算机工业控制设备1980年美国电器制造协会把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器简称为PLC.
自从美国研制出世界上第一台PLC以后,日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出各自的PLC.20世纪70年代中期在PLC中引入了微机技术、使PLC功能不断增强,质量不断提高,应用日益广泛.目前PLC广泛应用于汽车制造、石油、化工、冶金、机械、电力等领域.目前PLC发展方向主要是朝着小型化、廉价化、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、网络化方向发展,这将使PLC功能更强,可靠性更高,使用更方便,适用面更广.
四PLC与继电器的区别
首先价格上PLC比继电器要贵,第二PLC在可靠性方面不如继电器比如继电器保护方面,PLC内部继电器是虚拟的,传统继电器是实在的东西,抗干扰能力传统的继电器不如PLC,第三
PLC的作用实际上应该是可以代替复杂的继电器逻辑回路的控制功能,继电器不仅用于电气逻辑回路,更多的是用作中间继电器即信号隔离,另外PLC的负载能力比继电器要强.
第二章
水泵及变频器
一水泵控制节能分析
目前,广泛应用的变频调速恒压供水方式较恒速供水节能效果明显,但恒压变频大于变频调速供水的节能尚有潜力可挖,首先其供水压力是按满足最不利供水点的压力要求来设定的,而实际的供水系统因远离最不利点而导致压头损失很大;
其次,恒压供水不能保证水泵始终在高效区运行.
1变频调速原理
变频调速供水的原理如图所示.
由图可见,当流量从Q0减为Q1时,如采用恒速泵则扬长升至HB,此时BˊB〞段的扬程是多余的;
如采用恒压变频,恒压变频调速则其转速将由原来的n0下降为n1以维持恒压HA（对应的扬程为B点）,此时BB〞段的扬程是多余的,但Bˊ大于BB〞,显见恒压调速比恒速供水节能.
为了进一步节能可根据需水量的变化来设定供水压力,即当流量由Q0降至为Q1时,若供水压力设定为HB〞则管道工作特性曲线恰好相交于B〞（其转速为n2）,此时水泵的扬程完全被利用,节能效果最好.由上述分析可知,通过智能压力设定以使压力随所需供水流量变化就可获得很好的节能效果
变频器的调接原理
恒压供水的控制原理
SAMISTAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。
LOCAL操作方式下，通过LOCALSTART/STOP开关启停变频器，通过fREFLOCALINPUT0输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；
通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTESTART/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过fREFREMOTEINPUT0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。
根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0~50Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。
SAMISTAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINALBLOCKCARD上，主要使用的有：
X11-1（REMOTESTART/STOP）；
X11-4（LOCAL/REMOTE）；
X11-13/14（fREFREMOTEINPUT0、4~20mA信号输入）；
X11-15/16（输出4~20mA变频器运行频率信号）；
X11-17/18（输出4~20mA变频泵运行电流信号）。
变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。
在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。
为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。
PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。
PID程序段流程如图4。
PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；
PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD尽量设置得较小；
SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算结果作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。
DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。
为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。
我们分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；
在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：
变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站））；
对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.置运行）。
压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。
同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。
我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。
根据我厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了我厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。
三
液位控制器
电路工作原理
该液位自动控制器电路由电源电路和液位检测控制电路组成，如图所示。
图液位自动控制器电路
电源电路由电源开关S1、电源变压器T、整流桥堆UR1、UR2和滤波电容器C1、C2组成。
液位检测控制电路由检测电极a～c、控制按钮S2、S3、电阻器R1～M、晶体管V1、V2、发光二极管VL1、VL2、继电器K、交流接触器KM和二极管VD组成。
接通电源后，交流220V电压经T降压后，在T的W2绕组和W3绕组上分别产生交流6V电压和交流12V电压。
交流12V电压经UR2整流及C2滤波后，为Κ及其驱动电路提供＋12V工作电压，同时将VL1点亮。
在储液池内液位低于下限时，电极a～c均悬空，T的二次绕组与整流滤波电路之间的回路处于开路状态，V2处于截止状态，V1饱和导通，K通电吸合，其常闭触头K1断开，常开触头K2接通，KM吸合，加液泵电动机M通电开始工作，同时VL2点亮。
当储液池内液位上升至电极c处时，电极a和电极c通过液体的电阻接通，T的V2绕组上的交流6V电压经URI整流、C1滤波及R1限流后加至V2的基极，使V2导通，V1截止，K和KM释放，加液泵电动机M停转。
同时VL2熄灭，K的常闭触头K1又接通。
当液位再次下降至电极a、b以下时，K和KM再次通电工作，电路进人下一个工作循环下。
S2为手动停止按钮，S3为手动强制运行按钮。
在液位处于上、下限之间时，通过S2和S3可任意停止或起动加液泵电动机。
元器件选择
R1～R4选用1／4W的金属膜电阻器或碳膜电阻器。
C1和C2均选用耐压值为25V的铝电解电容器。
VD选用1N4007型硅整流二极管。
VL1和VL2均选用φ5mm的发光二极管。
V1选用58050或3DG12型硅NPN晶体管；
V2选用59014或3DG6型硅NPN晶体管。
UR1和UR2均选用1A、50V的整流桥堆。
K选用JRX-13F型12V直流继电器。
KM选用CDC10型220V交流接触器。
S1选用5A、220V的电源开关；
S2和S3均选用动合按钮。
T选用5～SW的电源变压器。
电极a～c可使用不锈钢制作。
四
供水保护电路
一般家用小功率水泵供水电路没有保护措施，在实际运行中会因逆止阀日久漏水，使水泵在无水情况下运行而烧坏电机，或因自控电路失灵造成水满溢出。
笔者针对上述缺陷在电路中增加了自动保护电路，真正实现了水塔无人管理，电路安全可靠，现介绍如下。
电路见附图。
ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、Ｊ１等是抽水电路主要元件，工作原理读者不难自行分析。
缺水保护电路主要由探针Ｄ和ＶＴ４组成，若抽水时间间隔过久，管内存水漏至Ｄ以下，则水回路Ａ、Ｄ开路，ＶＴ４饱和导通，使ＶＴ１基极钳位于低电位。
当水塔水位降至下限Ｂ以下时，由于ＶＴ１基极为低电平而不能导通，故无法抽水。
只有给泵内加水且水位超过Ｄ点使ＶＴ４截止时，才能解除对ＶＴ１的控制，抽水电路才能正常抽水，即ＶＴ１导通，ＶＴ２截止，ＶＴ３导通，Ｊ１吸合，Ｊ１－２闭合，水泵抽水。
如逆止阀不漏水，管内水位在Ｄ点以上，则当水塔水位降至Ｂ点以下时，水泵自动抽水。
ＶＴ５、ＶＴ６、ＬＥＤ１组成泵缺水提示电路。
ＶＴ７、ＳＣＲ、Ｊ２等组成防水满溢出电路。
若抽水电路控制失灵，水位升至上限Ｃ仍不关机，当水位继续升高至Ｅ点时，则Ａ、Ｅ接通，ＶＴ７由导通转为截止，可控硅ＳＣＲ导通，Ｊ２吸合，Ｊ２－２断开水泵电源，抽水停止，Ｊ２－１闭合，ＬＥＤ２亮，提示溢水关机。
水塔探针采用镀铬金属或铝材制作，引线焊点应高于
水面以防水蚀。
塑料上水管内的Ａ针、Ｄ针用镀锌长木螺钉拧入构成，焊牢引线以减小电阻。
在塑料管管壁开一洞，用强力胶斜粘一去底塑料瓶，拧上瓶盖，以备加水之用。
第三章变频器恒压供水系统
系统介绍
1.1变频恒压供水系统原理如图1所示，
它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；
当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。
根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。
当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
同时系统配备的时间控制器和PID控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID控制器和时间控制器实现）。
此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#。
工作原理
2.1运行方式
该系统有手动和自动两种运行方式：
⑴.手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。
该方式主要供检修及变频器故障时用。
⑵.自动运行
合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；
如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；
待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
2.2故障处理
2.2.1故障报警
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；
特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。
此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。
2.2.2水泵检修
为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；
为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：
1小时每次～96小时每次连续可调。
三PLC控制系统
该系统采用的是欧姆龙可编程序控制器SYSMACCPM2A系列，I/O点数为60点，PLC编程采用OMRONCX-Programmer，它是OmronPLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。
为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。
泵组的切换示意图如图2。
开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；
若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；
若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。
同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。
这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。
这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。
而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。
四注意事项
1要使系统稳定的运行，有几个参数需特别注意：
⑴.变频转工频开关切换时间TMC
设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。
⑵.上下限频率持续时间TH和TL
变频器运行的频率随管
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