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恒压供水仿真系统毕业设计论文
毕业（设计）论文
题目：
恒压供水仿真系统
目录
1摘要.1
1.1引言2
1.2国内外变频供水系统现状2
1.3本文所做的工作2
2变频恒压供水系统设计要求3
2.1系统的工艺要求3
2.2系统控制要求5
3变频恒压供水系统设计思路6
3.1拖动方式的选择6
3.2水泵的调节方式6
3.3调速方法选择6
3.4变频恒压供水系统的组成及原理图8
3.5小区变频恒压供水系统控制流程9
4系统硬件设计11
4.1系统主要设备的选型11
4.1.1PLC选型11
4.1.2水泵的选型11
4.1.3变频器的选择12
4.1.4熔断器选择12
4.1.5压力传感器的选择12
4.1.6水位传感器的选择12
4.2系统主电气原理图设计13
4.3启动电路图14
4.4制动电路图15
4.5I/O输入输出分配表15
4.6系统接线图16
5系统软件设计18
5.1系统软件设计思想18
5.2PLC部分程序分析19
6系统实验室仿真21
6.1实验室环境21
6.2实验要求22
6.3系统调试与实现23
结论与展望24
参考文献25
摘要
随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。
城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。
随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。
基于PLC的变频恒压供水系统能够根据用户量的多少来调节供水量，最大程度的解决了水资源和电资源的浪费，因此其是供水方式的发展的必然方向。
本文以某居民小区水泵电动机控制系统为对象，首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，采用变频器和PLC构成变频调速系统，通过选择合适的硬件设备和软件编程方法及信号处理方式等阐明如何实现小区恒压供水。
关键词：
恒压供水变频调速PLC节能
1绪论
1.1引言
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。
在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，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，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类建设发展十分迅速，同时也对城市的基础设施建设提出了更高的要求。
其中，城市供水就是一个重要方面。
变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。
利用变频技术与自动控制技术相结合，在城市供水实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高城市供水的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频恒压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。
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系统，对于提高城市供水效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2国内外变频供水系统现状
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。
目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活[6]。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3本文所做的工作
本文第二章提出变频恒压供水系统的设计要求，第三章讲述变频恒压供水系统的设计思路，第四章讲述系统硬件设计，第五章讲述系统软件设计，第六章讲述系统实验室仿真，随后提出系统的总结与展望。
2变频恒压供水系统设计要求
2.1系统的工艺要求
本系统对小区面积为3000平米，楼层最高为10层，楼高为35,米的1000户的小区进行供水。
根据表2-1和表2-2分别确定用水量标准为0.19/人/日，最大用水量为175.00㎡/h，根据供水压力公式p=（0.08+0.04×楼层数）MPa得10层楼的供水压力应该是0.48MPa。
表2-1不同住宅类型的用水标准
住宅类型
给水卫生器具完善程度
用水标准（
/人日）
系数
1
仅有给水龙头
0.04～0.08
2.5～2.0
2
有给水卫生器具，但无淋浴设备
0.085～0.13
2.5～2.0
3
有给水卫生器具，并有淋浴设备
0.13～0.19
2.5～1.8
4
有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应
0.17～0.25
2.0～1.6
表2-2不同住宅类型的供水规模
户数
用水标准（
/人日）
0.10
0.15
0.20
0.25
450
39.40
59.00
78.70
98.40
500
43.80
65.60
87.50
109.40
600
52.50
78.80
105.00
131.30
700
61.30
91.90
122.50
153.10
800
70.00
105.00
140.00
175.00
1000
87.50
131.30
175.00
218.80
本系统的工艺要求还要遵循以下原则:
1）蓄水池容量应大于每小时最大供水量；
2）水泵扬程应大于实际供水高度；
3）水泵流量总和应大于实际最大供水量；
4）水泵的调速要平滑，水泵不能反转；
5）系统的压强误差不能超过0.1MP;
2.2系统控制要求
1）本系统通过压力传感器采集管网压力，送入PLC通过PLC的PID控制输出模拟量给变频器，通过变频器让电动机变频运行从而实现管网的压力恒定。
2）系统设有三台电动机，1号3号按时间轮流变频运行，当1号或3号变频运行无法保持管网压力恒定时，增加2号机工频运行。
其中，1号3号互为备用泵，同时，1号3号也为2号备用泵。
3）工频运行时电动机采用转子串频敏变阻器启动，和能耗制动的控制方式。
4）系统设有生活和消防用水选择，同时具有手动和自动切换。
5）有水位传感器，当水位过低时开启阀门向蓄水池蓄水，水位达到设定值时阀门自动关闭。
6）利用组态软件进行监控，实现系统的报警显示、及运行参数的修改等各种功能。
变频恒压供水系统设计思路
3.1拖动方式的选择
拖动方式有直流拖动和交流拖动。
直流拖动具有优良的调速性能，但直流电动机结构上存在机械整流子、电刷维护困难、造价高、寿命短、应用环境受到限制的缺点。
交流拖动技术具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。
综上所述本系统采用交流拖动的方式。
3.2水泵的调节方式
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节[8]。
详细划分如下：
水泵的调节方式对节能的影响至关重要，过去是通过改变阀门的开度来改变流量，这种控制方式不仅浪费了大量的能源而且控制方式也不是非常理想，相比较而言变频调速却能够通过改变水泵机组的转速达到节能效果，符合要求，所以本系统采用变频调速。
3.3调速方法选择
传统的小区供水方式有：
恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，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做出及时的反应，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、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）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，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，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
3）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，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方]。
5）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4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综合来看，以上四种控制方式都会造成不同水资源的浪费以及电能的浪费，并且其效率比较低，可靠性差，维护麻烦。
而基于PLC的变频恒压供水系统却能够将变频技术很好的与现代控制技术和电气技术相结合，并且PLC的程序编写简单，易懂易学。
采用该系统进行小区供水安全可靠，节水节电，这正是我们所期望的故采用基于PLC的变频恒压供水。
3.4变频恒压供水系统的组成及原理图
基于PLC的变频恒压供水系统主要由：
PLC、变频器、压力传感器、液位传感器、水泵机组等原件组成，该系统的控制流程图如图3-1。
图3-1变频恒压供水系统控制流程图
该系统由信号检测机构，控制机构和执行机构三大部分组成，各部分的具体功能如下：
1）信号检测机构：
本系统的信号检测机构主要由压力传感器、液位传感器和报警
信号三部分组成，其中压力传感器主要用于采集管网压力，将管网压力转换为电信号送入PLC。
液位传感器用于采集蓄水池的液位，当液位达到液位下限时，水阀打开，蓄水池蓄水，当蓄水池液位达到设定值时水阀关闭，用该传感器是为了防止蓄水池水位过低造成水泵空转从而对水泵造成损伤。
信号检测机构还包括报警信号的采集，当有报警时相应传感器会将报警信号送入PLC，让PLC执行相应操作，从而使系统更加安全稳定的运行。
2）控制机构：
本系统的控制机构主要由PLC和变频器组成，控制机构是整个系统的核心机构，它的设计成功与否是该系统的关键。
PLC接收信号检测机构送来的信号，通过内部的相应运算将结果送入变频器或其他执行机构。
变频器是水泵机组的控制单元，其接收PLC送来的信号，控制水泵机组进行变频运行。
3）执行机构：
执行机构主要由水泵机组构成，其中一台水泵为工频泵，另两台水泵轮流变频运行并互为备用泵同时为工频泵的备用泵。
该水泵机组通过变频器控制变频运行向供水管网供水来保持管网的压力恒定。
变频恒压供水系统的结构框图如图3-2。
图3-2变频恒压供水系统框图
基于PLC的恒压供水系统，通过安装在管网的压力传感器采集管网的压力并将其转换为4—20mA的电流信号，通过PLC自带的A/D模块将模拟量信号转换为数字量信号与设定值进行比较，然后进行PID控制的输出值后经过D/A转换模块转换为模拟量控制变频器，变频器控制水泵进行变频运行向管网供水，从而实现管网的压力恒定。
3.5小区变频恒压供水系统控制流程
1）系统上电，PLC自动进行初始化处理，利用组态界面的自动运行按钮启动系统，压力传感器采集供水管网的压力，输出0-5V的电流信号送人PLC的扩展模块EM235，PLC通过扩展模块采集到信号后与设定值进行比较，利用PID控制通过EM235模块输出0-10V的电压送入变频器，变频器控制电动机的转速，1号泵和3号泵在变频器的控制下每5小时互换一次，使两台电动机能够达到相同的磨损程度。
2）当管网压力下降时，压力传感器采集的信号减小，系统偏差加大，PLC输出值变大，变频器输出的频率加大，电动机的转速增大，维持管网的压力恒定，同理，当管网的压力增大时，进行相反的闭环控制方式。
3）当变频器的频率以49HZ持续运行5分钟时，说明一台变频泵无法维持管网的压力恒定，这时工频泵投入运行，变频泵继续运行，两台泵同时工作来维持管网的压力恒定，当变频器以5HZ持续运行5分钟，说明一台变频器足以维持管网的压力恒定，这时切掉工频泵，一台变频泵维持管网压力恒定。
4）当一台变频泵出现故障时，另一台变频泵持续变频运行，不需要按时间进行轮换，当工频泵出现故障时，变频运行的变频泵继续变频运行，另一台变频泵按工频运行，这就是所说的两台变频泵互为备用泵同时为工频泵的备用泵。
5）本系统通过液位传感器采集液位信号当液位信号低于低限设定值时打开阀门向蓄水池供水，当液位信号高于高限设定值时，阀门关闭停止蓄水。
6）本系统通过组态软件对运行情况进行监控，可以通过组态查看运行情况，（如：
报警信息，故障情况，电动机的运行情况和管网的压力，液位等）和执行相应操作（如：
自动运行，手动操作，和生活消防用水切换等）。
7）按下组态界面的相应泵的手动按钮，可以实现相应泵的手动控制。
4系统硬件设计
4.1系统主要设备的选型
通过对系统工艺要求、控制要求的分析和设计思路的要求，本系统主要由PLC、变频器、压力传感器、液位传感器、上位机、水泵机组等设备组成。
4.1.1PLC选型
本系统的核心部件是PLC,它要完成对整个系统的信号采集，数据处理等重要功能，所以PLC的选择十分重要。
当我们选择PLC时要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
综合众多因素我选择的是德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。
PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。
根据恒压供水系统所需的端子数和要求有一定的预留量，本系统选择S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输入为24点，输出形式为AC220V继电器输出，输入形式为DC24V输入。
由于实际需要两路模拟量输入，一路模拟量输出，所以本系统采用EM235扩展模块，该扩展模块共有4路模拟量输入和1路模拟量输出。
输入端口能够自动完成模拟量信号的A/D转换，将模拟信号转换成16位的数字信号，同时输出端口能够完成D/A转换，将16位数字信号转换成0—10V的模拟量，EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
4.1.2水泵的选型
根据工艺要求分析采用SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司），该水泵为额定电压为交流380V，额定电流为105A，功率为50KW/h,扬程为100m的三相笼型异步电动机，其结构简单，坚固耐用价格便宜，维修方便。
4.1.3变频器的选择
选取西门子MicroMaster430（风机水泵专业）变频器，具体的可以选择MM430-110K型号的变频器，他配接电机的容量是60kw，额定电流为130A满足使用需求，可以选择。
4.1.4熔断器选择
为了避免误动作，熔断器的额定电流应选：
（4-1）
故选择断路器额定电流选择210A。
4.1.5压力传感器的选择
CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。
它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。
经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。
一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。
CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。
可广泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域。
主要特点：
1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；
2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；
3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；
4）最具有竞争力的价格。
4.1.6水位传感器的选择
SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量[26]。
接受与液体深度成正比的液压信号，并将其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自动控制。
主要特点是：
安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等[27]。
4.2系统主电气原理图设计
图4-1系统主电气原理图
三相电源经熔断器与隔离开关后流经变频器，通过变频器的输出端U、V、W与接触器相连后再与水泵相连，当KM1接通时1号水泵进行变频工作，当KM2接通后1号水泵进行工频工作，KM3接通时2号泵进行工频运行，KM4接通后3号泵进行工频运行，KM5接通2号泵进行变频运行。
其中工频运行和变频运行不能同时执行，所以工频和变频运行要由PLC进行互锁，系统通过熔断器进行过流保护，通过热继电器进行过热保护。
为了监控方便可以通过电流互感器将4—20mA的电流送至上位机进行监控，在初始运行时要观察水泵的旋转方向，使其符合控制要求，当采用工频运行时，必须采用串电阻降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用转子串频敏变阻器启动，停止时采用能耗制动。
4.3启动电路图
本系统采转子串频敏变阻器启动，启动时接触器K断开，水泵按照转子串频敏变阻器启动，当启动完后，接触器K闭合，水泵正常运转。
图4-2启动电路图
4.4制动电路图
图4-3制动电路图
本系统采用能耗制动的方式，当电动机需要制动时，KM2触电闭合接入直流电流产生磁场，当线圈转动时切割磁力线而产生反作用力，使定子更快的停止转动。
4.5I/O输入输出分配表
I/O输入输出分配表如表4-2，该系统共有8路数字量输入、2路模拟量输入和8路数字量输出、1路模拟量输出。
表4-2I/O输入输出分配表
名称
代码
地址编号
输入信号
生活/消防
SA1
I0.0
自动按钮
SB1
I0.1
手动1#按钮
SB2
I0.2
手动2#按钮
SB3
I0.3
手动3#按钮
SB4
I0.4
故障1#按钮
SB7
I0.5
故障2#按钮
SB8
I0.6
故障3#按钮
SB9
I0.7
压力变送器输出模拟量
AIW0
液位传感器输出模拟量
AIW2
输出信号
1#泵工频运行接触器及指示灯
KM1、HL1
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
KM2、HL2
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
KM3、HL3
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
KM4、HL4
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
KM5、HL5
Q0.4
1#故障指示灯
KM6、HL6
Q0.5
2#故障指示灯
KM7、HL7
Q0.6
3#故障指示灯
KM8、HL8
Q0.7
模拟量输出
AQW0
4.6系统接线图
系统接线图如图4-4，首先将N1和L端接入220V电源向PLC供电，然后将1L、L1、
L2、L3四端短接，再将各输入端与相应的输入按钮连接，将M、1M、2M三个公共端短接，再将各输出端口与相应功能连接，分别将CPU226与EM235的M端与L端连接，使主机向扩展模块供应24V电源，压力传感器的输出信号由AIW0输入，液位传感器的输出信号由AIW2输入。
SA1
图4-4系统接线图
5系统软件设计
5.1系统软件设计思想
设计流程图如图5-1。
图5-1设计流程图
本系统通过PLC读取传感器送入的信号，经过PID控制，将输出信号送入变频器，然后由变频器控制水泵的转速，从而实现管网的压力恒定。
在这过程中首先要对输入信号进行处理，防止外界的干扰，本系统采取了用PLC的滤波模块（主要方法为平均值滤波）进行处理，其次要进行PID整定，本系统的PID整定的起始值是采用工程经验值，然后根据控制特点不断调整P值和I值，当响应较慢时增加P值，相反减小P值，当系统误差较大时增加I值，通过不断的调整P值和I值，能很快的响应系统的变化，并能够使系统稳定的运行，拥有较小的误差。
5.2PLC部分程序分析
1）1#泵和3#泵转换，用两个计时器来实现此功能如图5-2。
图5-21#泵和3#泵转换
2）变频自动控制，在此部分中利用PID进行计算将输出值送给扩展模块的输出端，同时实现增减泵的控制如图5-3。
图5-3变频自动控制
6系统实验室仿真
6.1实验室环境
该实验仿真所用设备型号为DL-HYGS01变频恒压供水系统，实验设备如图6-1，其相关参数如下：
1）输入电源为三相四线制AC380±10％50HZ±10％。
2）环境温度为+3℃～+45℃。
3）装置容量<5KVA。
4）压力变送器检测恒压水箱出口当前压力，可检测0～200Kpa压力。
5）液位传感器检测水箱液位，可检测0-10m。
6）水位开关能增压水泵工作保护水位过低或水压过高时增压水泵应设置停止工作。
7）终端水箱设置满水强行下排管路，最大限度对设备本身进行保护。
8）手动手阀控制，实践结束完毕将全部水排干。
9）PLC为三菱FX2N，扩展模块为三菱FX2ND\4AD\4DA\2DA.
10）电动机组额定电压220V,额定功率30KW，额定电流1.6A,额定转速1450rpm。
图6-1DL-HYGS01仿真设备
6.2实验要求
1）1号3号按时间轮流变频运行，当1号或3号变频运行无法保持管网压力恒定时，增加2号机工频运行。
其中，1号3号互为备用泵，同时，1号3号也为2号备用泵。
2）工频运行时电动机采用串电阻降压启动，和能耗制动的控制方式。
3）系统设有生活和消防用水选择，同时具有手动和自动切换。
4）有水位传感器，当水位过低时开启阀门向蓄水池蓄水，水位达到设定值时阀门自动关闭。
5）利用组态软件进行监控，实现系统的报警显示、及运行参数的修改等各种功能。
6.3系统调试与实现
通过改变出水阀的数目来模拟用户用水量的多少，通过压力传感器采集改变的压力信号送入PLC，PLC经过PID控制将运算输出给变频器和接触器控制水泵的增减泵和变频运行来维持管网的压力。
当通过改变出水阀的数目让管网压力改变后，系统会通过控制重新回到设定值维持管网压力恒定。
本模拟实验能够很好的通过组态进行监控和控制，并能进行较好的报警显示和故障操作。
结论与展望
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