基于PLC变频恒压供水系统设计摘抄.docx
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基于PLC变频恒压供水系统设计摘抄
第一章课题概述
第一节变频恒压供水概论
第二节变频恒压供水的使用
第三节变频恒压供水的现状及发展
第二章变频恒压供水系统的基本构成和工作原理
第一节变频恒压供水系统的构成
第二节变频恒压供水系统的工作原理
第三节变频恒压供水系统各元件的选择
第三章PLC的选择及作用
第一节PLC的概述
第二节PLC的使用及选型
第四章基于PLC的变频恒压供水系统设计
第一节系统要求
第二节控制系统的I/O及地址分配
第三节系统外围接线图
第四节电气控制系统原理
第五节PLC程序设计
第五章结束语及感想
致谢
参考文献
第一章课题概述
第一节变频恒压供水概论
对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水和能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。
目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程和最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。
导致电动机和水泵之间常常出现大马拉小车问题。
因此，如何解决供水和能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。
衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。
但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：
用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。
保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。
变频恒压供水系统能适用于生活用水场合的供水要求，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，使水泵转速的变化和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）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵（即为每转的理论排量不变的泵）的加入控制，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
（5）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。
（7）用变频器进行调速，用水泵调节和固定的组合进行恒压供水，节能效果显著，对水泵进行软启动，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
第二节变频恒压供水的使用
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，而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。
系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，和别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制[3]。
它的节能系统特点有如下五点：
1、变频器界面为LED显示，设定参数丰富;键盘布局简洁、易于操作;
2、变频器有过流、过压、过热、缺相等多种电子保护装置，并具有故障报警输出功能，可有效保护供水系统的正常运作;
3、专用数字PID调节器为LED双屏显示，参数设定方便，易于监控;
4、加装变频节能器后，水泵电机具有软启动及变频调速功能，可有效降低系统的机械磨损，同时减轻管路负担;
5、有“手动”“自动”两种工作模式，在变频器出现故障的情况下，仍可按原有工作方式继续运行。
第三节变频恒压供水的现状及发展
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管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。
原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器（5.5kw~22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节和循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
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研究得不够。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的使用于生活、生产实践。
第二章变频恒压供水系统的基本构成和工作原理
第一节变频恒压供水系统的构成
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上[10]。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.1所示：
图2.1变频恒压供水系统框图
针对这次的设计的对象是一栋楼房的供水系统。
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。
如图2.2所示，是这栋小楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
从图中可看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（l）执行机构：
执行机构是一台水泵，它们用于将水供入用户管网，其中这台水泵中包括工频和变频两种形式，变频形式工作是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频形式工作只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频时达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号。
管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽水而损坏电机和水泵。
（3）控制机构：
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
根据水泵机中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动电机；变频固定式是变频器拖动一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，系统直接启动变成恒速水泵运行，变频器不做切换，变频器
固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者。
第三节变频恒压供水系统工作原理
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KM2，并起动变频器。
根据压力设定值（根据管网压力要求设定）和压力实际值（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。
同时变频器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，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。
城市供水系统在自动状态下，各类设备的控制根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑限制，即不根据传感器的状态进行控制。
在自动方式下进行开环控制，系统根据检测到外部传感器的状态如下:
1）其次，采集压力传感器反馈的信号，将该传感器输出的模拟信号转换成PLC可处理数字信号。
2）再次，PLC根据压力反馈值，以及变频输出，对模拟量进行数据处理。
3）最后，在PLC中数据经过计算后，产生控制信号来实现对驱动的控制。
就是工作过程。
第三节变频恒压供水系统各元件的选择
A变频器的选择
变频器在现实使用具有节能、占地面积小、投人少、效率高、配置灵活、功能齐全、自动化程度高、可直接从水源供水、实现无人值守。
它在该系统中是控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。
能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。
从而本设计采用FR-F740变频器。
它的接线图如下图所示：
B水泵的选择
根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。
SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。
它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵1台。
C压力传感器的选择
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
并且压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰和损耗。
本设计采用压力传感器选择使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器它的接线图如下图所示：
第三章PLC的选择及作用
第一节PLC的概述
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，它是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。
早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因而称为称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，在以前的基础上还可以进行算数运算，模拟量控制，用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免和个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
PLC的发展：
在追求高质量高效率的信息时代生活中，网络的畅通无所不在。
伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分。
我国在80年代初才开始使用PLC,目前从国外引进的PLC中使用较为普遍的有日本立石公司C系列，三菱公司F系列，松下电工FP1系列，美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
同时，国内也在消化和引进PLC技术的基础上，研制了PLC产品。
目前国内使用的PLC主要还是靠引进和合资企业产品，但逐步实现国产化是国内发展的必然趋势。
就第一台PLC诞生至今，PLC大致已经经历了四次更新换呆：
第一台PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具有逻辑控制，定时，计数功能。
第二台PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐步系列化，功能也有所增强，已能实现数字运算，传送，比较等功能。
第三台PLC，采用了高兴能微处理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同时促使其多功能和联网方向发展，并具有较强的自诊断能力。
第四台PLC，不仅全面使用16位，32位微处理器作为CPU，内存容量也更大。
可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图，流程图等外，还可使用高级语言；外设也更多样化。
今后，PLC的发展将会朝以下几个方向进行：
A.方便灵活和小型化
B.大容量和高功能
C.机电一体化
D.通讯和网络标准化
PLC的基本结构 PLC采用典型的计算机结构，由中央处理单元、存储器、输入/输出接口和其他一些电路组成。
其图一为结构示意图。
图二为逻辑结构图。
第二节PLC的选型
随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。
现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。
美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（ProgrammableController），简称PC，但是为了和个人计算机（Persona1Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。
它具有数学运算、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使用在所有的工业部门，其使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，它功能强，硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强，无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强，体积小，能耗低。
水泵可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行和关断由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，，系统自动起动需1输入点，控制系统停止运行需1个输入点，系统所需的输入／输出点数量共为19个点。
本系统选用FX2N-32MR型PLC。
第四章基于PLC的变频恒压供水系统设计
第一节系统要求
根据以上设计变频恒压供水系统控制流程如下:
（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制的转速，当输出压力达到设定值，其供水量和用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间电机工作在调速运行状态。
（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。
反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，在变频循环式的控制方式下，变频泵做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
并且根据基于PLC的变频恒压供水系统的要求应满足如下四点：
（1）生活供水时，系统应保持低恒压值运行，消防供水时系统应保持高恒压值运行。
（2）水泵根据恒压的需要。
（3）一台水泵起动时要有软起动功能。
（4）对泵的操作只要有自动控制功能
第二节控制系统的I/O分配及回路设计
I/O端口分配
名称
地址编号
输入信号
自动信号
X000
供水启动
X001
供水停止
X002
压力变送器
X003
报警按钮
X004
输出信号
水泵工频运转及指示灯
Y000
水泵变频运转及指示灯
Y001
电机运转指示灯
Y002
报警电铃
Y003
第三节外围接线图
第四节电气控制系统原理图
按系统要求主回路如下：
控制回路如下：
第四节PLC程序设计
第五章结束语及感想
本设计采用PLC对变频恒压供水的控制系统进行控制，使用三菱FX2N系列PLC快速、准确地控制要求做出反应。
在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗;系统增加了小流量泵，延长主泵电动机使用寿命。
变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水，同时采用PLC和变频器通讯的方式控制变频器运行，具有一定的先进性。
我们利用可编程控制技术，结合相应的硬件装置，实现对各气缸的合理精确定位控制，从而方便、快捷、准确地实现机械手位置控制，完成物料的任务，实现了一种具有可视化功能，适用于工业现场的机械手远程控制系统。
在这次毕业设计中，表面上是完成一份设计书，实际上是对所学知识的系统回顾、综合理解、全面了解。
重新翻开记忆的刷新，以前学过的知识不懂得已查漏补缺，更深层次地认识PLC的重要性以及使用广泛性。
和计算机的接轨让机和电全方位的控制，简便、快捷、灵活运用。
自己也了解掌握了PLC的控制使用特性。
致谢
能够顺利完成这次毕业设计，除了自己运用所学知识和查找资料外，更重要的是老师的正确指导。
在三年中所学到的知识系统地进行的分类，总结。
从课题分配、方案选择到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水，功夫不负有心人，在学习和生活期间，也感受到导师的精心指导和无私的关怀，令我受益匪浅，终身受益。
在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。
正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向宝鸡职业技术学院大学，电子信息工程系的全体老师表示由衷的感谢！
参考文献
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