1、小区变频恒压供水控制系统毕业设计摘 要本设计根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含五台水泵电机，它们分别实现对生活用水、消防用水的提供和对排污水的排放。采用变频器实现生活用水泵和消防用水泵的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，经过压力变送器送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的
2、查询。关键词: 变频调速，恒压供水，PLCAbstractAccording to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequece control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition .The sys
3、tem is made up of PLC, transducerunits of pumps, pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators ,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with freq
4、uency control, operation switch adopts the principle of” start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure, via PLC with set value by carry out PID comparison operation, so, control frequency and the export voltage of frequency converter ,and then the rotational
5、speed that changes pump generator come to change water supply quantity, eventually, it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC, with group form software consummately systematic monitoring have realized operation state
6、development to show and data, report to the police inquiry.Key Words: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC 第1章 绪论1.1 选题背景随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计得到了发展的机遇，当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是选
7、择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战 。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。存在着以下忧缺点：(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
8、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，维修方便。(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
9、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。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
10、基于PLC和变频技术的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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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1.2选题依据传统的高塔供水系统受到地理位置的限制，无法满足恒压，节能，安全，可靠等功能。采用变频调速供水系统，克服了传统高塔供水系统的缺点。生活用水供水系统由水池、离心泵（主泵+备用泵）、压力传感器、PID 调节器、变频器（主泵+备用泵）、可编程控制器PLC、管网组成。恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与
11、可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力稳定在设定的压力值上。恒压供水系统能自动控制一至多台水泵和一台备用泵的运行。恒压供水系统具备过流，过压，欠压，欠相，短路保护，瞬时停电保护，过载，失速保护等功能，功能完善，完全自动化，泵房不设岗位，只需派人定是检查保养。恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期水管压力太小的情况。它改变传统的采用水塔，高位水箱，气压罐等设施
12、来实现恒压供水方式。真正做到智能，节能，卫生安全而有经济合理的供水方式。第2章 设计内容与要求2.1 设计内容本文主要完成PLC、变频器实现的生活用水供水过程的恒压。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。本系统采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号(4-20mA)通过AD转换模送入PLC，经PLC进行压力反馈值与设定值的PID运算，运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速。由PLC接
13、受控制信号，并实现对电机的起停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号全部送入PLC，以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。具体内容如下：(1)对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析水泵电机的运行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，阐述了变频器拖动电动机的恒压供水模式的工作原理。设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统。(2)从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法，详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。(3)重点阐述变频调速恒压供水系统的构成
14、及其工作原理，进行系统硬件的选择及PLC程序的设计、变频器功能预置等。系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行，由PLC控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力大小进行PID控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。2.1.1 系统概述本设计的恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组，它们一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有2个贮水池，分别是供水水池和排污水池，五台水泵，但是生活水泵和消防水泵中同时各只有1台水泵在变频器控制下作变速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力
15、检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定，以达到恒压供水的目的。恒压供水系统具有投资少自动化程度高，保护功能齐全，运行可靠，操作简便，节水节电效果显著，尤其对水质不构成二次污染，其优异的性能价格比是其他任何供水设备无法比拟的。2.1.2 设计的主要内容一个变频调速恒压供水控制装置，系统中应结合微机技术、变频技术与电机控制技术。毕业设计的主要内容为：（1）掌握水利工程对控制、通信等的需求，提出综合自动化系统方案。（2）提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。（3）完成软件需求的系统分析。（4）完成软件的编制（PLC的编程与说明）。（5）绘
16、制系统总体结构图、系统原理图、电气控制原理图、软件流程图（6）按期完成毕业论文的撰写（7）充分准备，顺利完成毕业答辩2.1.3 主要技术参数与技术指标 两台生活用水泵： 15KW交流电动机，一备一用，变频调速； 两台消防用水泵： 37KW交流电动机，一备一用，变频调速；1台排污泵：1.5KW交流电动机，工频运行。 生活用水压力设定值4-5kg/cm2,高压消防压力设定值为12 kg/cm2。 2.2系统设计的功能要求本设计系统需要实现的功能如下：（1）实现生活用水的变频调速自动恒压控制，压力值连续可调。能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵。两台生活用水泵组采用一备一用方式运
17、行，实现两台水泵的定式自动切换和手动切换；实现两台水泵的自动并泵和切除功能。（2）实现生活用水和消防用水的自动调整。即两台生活用水泵组和两台高压消防用水泵组（一备一用）之间的切换。实现高压消防用水泵的变频调速自动控制。（3）实现各水泵的一用一备运行方式的自动控制、本地手动控制的选择和控制；各台水泵的安全启动控制，泵的出口蝶阀控制；故障报警功能。无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。（4）采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠。恒压供水系统具备了过流，过压，欠压， 欠相，短路保护，瞬时停电保护，过载，失速保护等功能，功能完善，完全自动化，泵房不用设岗位，只需
18、派人定时检查保养。（5）实现污水池的水位检测和手动、自动排污。（6）实现供水装置的上位监控。第3章 系统方案设计3.1 方案选择恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：(1) 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PI
19、D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，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，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(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+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，具有较高的性价比，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
20、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的变频恒压供水中。(3) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，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，当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。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
21、大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。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。3.2 系统原理与组成对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。流量的大小取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关系：供水能力QG用水需求Qu，则压力上升；供水能力QG用水需求Qu，则压力下降；供水能力QG=用水需求Qu，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来
22、作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图3.1所示。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：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵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；工频泵只运行于启、停两种
23、工作状态，用以在用水量很大（变频泵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。图3.1变频恒压供水系统控制流程图 (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、水池水位信号和报警信号。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；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液
24、位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。(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、液位、报警信号进行采集，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(即水泵机组)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。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频
25、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某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，需要增加水泵机组时，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另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某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，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，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。3.2.1 原理框图设计作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可
26、靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。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。变频恒压供水系统的结构框图如图3.2所示： 图3.2变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水
27、压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。3.2.2 系统原理分析水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： (3.1) 式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(l) 改变电源频率 (2
28、) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗口，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率厂成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地
29、调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变口。电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，将促进变频调速的
30、广泛应用。额定频率时称为基频，则调频时可以从基频向下调，也可从基频向上调。供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图3.1所示。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图3.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能
31、力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.1中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图3.3 恒压供水系统的基本特征变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定异步电动机的变频调速是
32、通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即： （3.2） （3.3）
