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广东省技术师范学院2012届毕业设计 题目：变频恒压供水系统设计 学生姓名： 江华 指导老师 杨文杰 专 业 数控设备应用与维修 院 （系）： 数控系 2012年 7 月摘 要随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水用水而设计的。由变频器、PLC组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。通过PLC控制变频,实现自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。关键字：变频调速 ；恒压供水；PLCI目 录摘 要I第1章 绪 论11.1变频恒压供水的目的和意义11.2变频恒压供水系统的国内研究现状11.3毕业设计的主要内容21.3.1课题来源21.3.2毕业设计的主要任务2第2章 恒压供水系统的基本构成42.1恒压供水系统的基本构成4第3章 变频器和压力传感器63.1 变频器的基本结构和原理63.2 压力传感器的概念8第4章 系统的硬件电路设计94.1系统总体上的规划94.12主要元器件选型104.2系统工作流程104.3系统主电路的设计11第5章 系统的软件与仿真设计125.1系统设计的要求125.2控制系统的I/O及地址分配125.3 PLC系统选型135.4 电气控制系统主电路图135.5 系统程序设计145.5.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理145.5.2 多泵组泵站泵组管理规范155.5.3系统流程图设计165.5.4系统的运行分析175.6 虚拟对象的调试175.7 供水资源的分配管理175.8 SIMIT 例程设计操作18第6章 总 结20致 谢21参考文献22附录 PLC程序23第1章 绪 论1.1变频恒压供水的目的和意义随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、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；同时系统具有良好的节能效果，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。希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.2变频恒压供水系统的国内研究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。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、压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。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、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。目前国内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。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出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与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研究还不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.3毕业设计的主要内容1.3.1课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。1.3.2毕业设计的主要任务本系统做主要由主供水回路、清水池及泵房组成。如图1-1为变频恒压供水控制系统，其中，泵房装有1#3#共三台泵机，还有多个电动阀门控制各回路和水流量。控制系统采用了已具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。恒压供水的主要目的是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就需要用变频器为水泵电机供电。这里采用数台电机配一台变频器，变频器与电机之间可以切换，供水运行时，只有一台泵变频运行，以满足不同用水量的需求。 图1-1 变频恒压供水控制系统第2章 恒压供水系统的基本构成2.1恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需设多台水泵电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的。电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。图2-1为恒压供水系统构成示意图。图中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。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压转变为电流或电压的送给调节器。PLC送消防生活变频器工频/变频切换电路1号泵2号泵3号泵压力罐压力传感器调节器调节器图2-1 恒压供水系统示意图调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能： (1)设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。大部分调节器用数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。(2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。调节器的输出信号一船是模拟信号，420mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。第3章 变频器和压力传感器3.1 变频器的基本结构和原理交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。众所周知，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50Hz。而交流电动机的同步转速。 (3.1.1)式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转速 (3.1.2)式中-异步电机转差率，一般小于3%。均与送入电机的电流频率与电机的转速成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。从频率变换的形式来说变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图3-1所示。控制指令中间直流环节AC控制指令控制指令网侧变流器整流器逆变器ACM运行指令图3-1 交-直-交变频器的基本结构由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：(1)整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。(2)直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。(3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。(4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的核心部分的性能的优劣决定了变频器的性能。(5)变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。3.2 压力传感器的概念在自动控制系统中检测环节是非常重要的一部分，它将检测到的控制量反馈回输入端，才能实现自动调节，本系统所用的检测的是水压，采用压力传感器，它通常安装在出水管网上，其功能是把出口压力信号变成420mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，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控制切换器进行加减泵。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。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。第4章 系统的硬件电路设计4.1系统总体上的规划恒压供水要求用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述要求，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。该系统主要由3台水泵、1台变频器、PLC、及线性压力传感器等组成。PLC控制各台水泵的运行状态（如工频运行、变频运行、停止），从而控制水泵的运行台数，在供水中利用回路将检测到的现场压力值与整定值进行比较，比较后的信号送至变频器，对变频器进行调节，从而达到控制电泵速度的目的。水泵的速度具体的调节是采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制。4.12主要元器件选型表2.1 器件列表器件名称数量货品型号规格三相异步电机3功率为10KW,20KW,30KW可编程控制器1FX2N -32MR-001变频器1F700(三菱) 空气开关3DZ47-63/3P-50A交流接触器4CJ-X1-45/22-220V热继电器33U-A59/25-40A压力传感器1YYB-ES（钱江仪器仪表厂）中间继电器7JZ-C1-22V万能转换开关1LW112旋钮3LAY37-NED1红按钮3LAY16-A-01R绿按钮3LAY16-A-10G红指示2AD16-22R31熔断器1HG30-32熔芯1RT14-10A电压表16L2-450V电流互感器1LMK-0.66-100/5A液位控制器261F-GP-N(欧姆龙)接线端子5JH9-15A接线端子13JH9-100A控制柜壳11200*600*3704.2系统工作流程（1）系统工作流程如图4-2所示图4-2 工作流程图（2）系统工作过程首先开主电源和PLC电源，然后根据需要选择手动或自动，如果选择手动，则根据需要选择各泵的运行，如果选择自动，开变频器后，系统会自动根据水压情况调节水泵的运行，当用水量大，水压过小的时候，PLC和变频器配合工作，根据需要来投入各泵的运行，变频调速无法满足时，PLC将各泵调整为工频运行。当水压变大时，PLC和变频器配合工作，切除相应的泵运行，如果水压一直过大时，PLC则调整1泵为变频运行。4.3系统主电路的设计该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M3为备用，系统为一台变频器依次控制每台水泵实现转速的调节，并实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵。主电路如图4-3所示。图4-3 恒压供水系统主电路其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3手动运行（手动运行不受PLC控制，由外部控制），KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作，热继电器FR起热保护作用。第5章 系统的软件与仿真设计5.1系统设计的要求对变频恒压供水系统的基本要求是：1） 供水运行时，系统恒压运行。 2） 通过调节电磁阀的开度，控制供水罐的进水速度。 3） 三台电机按顺序进行切换，如果压力低于设定值，则切换为工频运行同时开启下一台电机变频运行。4） 同时变频器有报警信号和报警指示灯。 5.2控制系统的I/O及地址分配将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有6个输入信号和8个输出信号，下表是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。水位上下限信号分别为X3,X4 它们在水淹没时为0没有淹没的时候1 。数字量输入地址符 号定 义X0SB1系统启动X1SB2系统停止X2SP1变频器、水泵报警信号X3SP2水位下限信号X4SP3水位上限信号X5SP4 压力传感器数字量输出地址符 号定 义Y0KA1变频运行Y1KA2一号泵变频运行Y2KA3二号泵变频运行Y3KA4三号泵变频运行Y4KA5上线位报警指示灯L1Y5KA6变频器报警指示灯L2Y6KA7进水气阀开Y7KA8进水气阀关5.3 PLC系统选型 从上面分析可以知道，本系统选用FX2N PLC5.4 电气控制系统主电路图如图6-1所示为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；电机分别为M1、M2、M3。接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FRl、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器.R S TU V W M M MNL1L2L3KM1 KM2 KM4 KM6FR1FR2FR3 QS1 QS2 QS3 QS4 CIMR-P5A45P5KM3 KM5 图6-1电控系统主电路5.5 系统程序设计 硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分折如下：5.5.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理前边已经说过，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采取时间滤波。5.5.2 多泵组泵站泵组管理规范由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在该系统中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新泵或切换变额泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本例中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制(3再加1等于0)，用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。5.5.3系统流程图设计系统流程图如下图6-2 图6-2 控制程序流程图5.5.4系统的运行分析（1）设备控制3台水泵电机当系统在生活供水运行中，低峰供水时，工作一台水泵电机变频调速，用水量加大时，首台工作水泵由低速向高速调频，当工作频率达到50 Hz即水泵满负荷工作时仍不能满足用水要求时，则变频调速器控制第二台水泵调频运转，同时工作2台水泵。如用水量进一步增加，变频调速器控制第三台水泵调频运转，同时工作3台水泵。供水量减少时，水泵工做一段时间后实测水压仍高于水压设定值时，直接停止第三台工作水泵，第一、二台继续变频运行，如2台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，第二台水泵停止运行，第一台变频运转，如1台水泵同时工作实际水压仍高于设定值，则第一台水泵也停止变频。（2）安全问题在软件方面设置多个保护环节，时时检测系统状态，安全报警等。硬件方面设置安全链机械保护，经多个闭合触点组成，包括紧急停车，压力超上下限开关，水位超上下限开关，电机过热保护继电器，空载保护等。安全链多个触点均为常闭触点，其中任一触点断开，安全链即失效，系统处于停机状态。须排除故障，系统才能进行正常工作。5.6 虚拟对象的调试在实验计算机上控制器PLC程序的调试步骤如下： (1）在GX6中打开编写好的控制程序恒压供水工程； (2）把程序下载到PLC中，将PLC置于RUN状态； (3）开始仿真： 5.7 供水罐模型设计该部分的实现如图6-7所示：图6-6 供水罐模型设计这里的供水罐、传感器以及各种泵和电机都是来自于Library中Flownet，PI是一个压力传感器，用来测量供水压力，通过前台的Digital Display（压力）来显示；LI是一个液位传感器，用来测量水罐的液位，通过前台的Digital Display（液位）来显示；这里其他的逻辑关系是根据变频器的输出频率，再加上一个PID控制器，来调节供水压力。5.8 SIMIT 例程设计操作恒压供水控制现场如下图6-8所示：图6-8恒压供水现场外观图根据控制系统要求与现场器件的对应，前台设计如下图6-9所示：图6-9全自动变频恒压供水对象仿真界面其中启动、停止、报警信号这三个按钮，是来自于widgets一栏operate(dynamic)库中的Switch元件，这些按钮是用来给控制程序传送输入信号；阀开度设置和流量设置是来自widgets一栏operate(dynamic)中的slider元件，用来设置供水阀的流量；指示灯元件是来自于widgets中Display中的Image Display元件，这些指示灯分别用来显示三台水泵电机的运行频率，以及水箱液位是否到达上限或下限。另外四个Digital Display来自于widgets中的Display，用来显示系统的供水压力，和水泵电机的运行频率。第6章 总 结本文在分析和比较用于供水行业的控制系统的发展和现状的基础上，结合供水系统的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水自动控制系统。在这次毕业设计中有如下认识：（1）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，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况点节流调节，可以看出利用变频调速实现恒压供水，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，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。（2）变频调速恒压供水控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的启动、运行与调速。PLC控制三台水泵的手动和自动装置，压力表采集管网压力信号，把此信号反馈到变频器进行控制，再经变频器进行内部调整，从而输出适当的频率，调节电机的转速，进而利用PLC控制水泵电机的工频和变频之间的切换。（3）在本次设计中，在参考了相关资料后我对所用的主要器件进行了选择，这是以前所没有涉及的。所有器件选择都要遵循一定的规范，使我认识到任何设计都要以现行器件为基础，既要选择比较先进的器件，又不能凭空创造器件出来。变频恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，它可取代传统的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，它具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统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。如果有需要，可加计算机控制和一些外围设备或器件，使其与楼宇监控中心进行通讯，进行界面管理和人机“对话”，实现远程控制。致 谢回想四个月的毕业设计过程，首先要感谢我的导师杨老师对我的谆谆教导。杨老师在论文的前期准备、撰写过程及收尾阶段都给予了很多帮助和指导意见，并且为我的设计提供了各种必要的实验设备和很好的环境。他教会我的一些学习方法和处理问题技巧使我受益终身，在次也表示衷心感谢。同时也感谢我的同学，在实验室做设计和调试的配合过程中，始终互相提醒，互相帮助，共同完成了这次毕业设计。参考文献1 吉顺平，孙承志，路明. PLC与工业网络技术M.北京：机械工业出版社.2 张万钟. 可编程控制器入门与应用M.北京：中国电力出版社, 2005.3 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册M.北京： 机械工业出版社, 2000.4 陈伯时,陈敏逊. 交流调速系统M.北京：机械工业出版社, 1998.5 厉无咎,顾明时. 应用变频调速恒压变流量供水系统.中国第四届交流电机调速传动学术会议19956 姜兴忠，戴恒阳. 变频恒压控水系统的机理分析 电气传动自动化，2004/047 张扣宝. 基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计J.北京：电气技术 2007,11.8 滕俊沛，基于PLC 变频调速恒压供水系统的设计 2007，39 李关飞，变频器在恒压供水控制系统中的应用与变频器世界 2007/03 附录 PLC程序26