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1、高层建筑变频恒压供水系统设计毕业设计(论文) 附件一： 毕业设计（论文）设计（论文）题目：高层建筑变频恒压供水系统设计 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、设计要求： 1、通过分析各类供水控制方案，确定采用以 PLC 为控制中心的变频恒压 供水技术； 2、根据恒压供水系统组成进行硬件设计，包括主控电路、变频控制电路、 PLC 接口电路等，并对其他元器件进行选型。 3、变频器选用西门子MM440； 4、PLC的型号根据系统需求选择； 5、最大用水量需要三台泵实现； 6、完成系统设计硬件部分设计； 二、系统总体框图： 图1 供水控制系统原理图 三、完成的技术资料： 1绘制电气原理图一张
2、； 2电气说明书； 3系统流程图； 4元件明细表； 5设计感想。 四、主要参考资料： 1王廷才主编变频器原理及应用机械工业出版社 2西门子MM440变频器使用手册 3全自动恒压供水控制系统葛宝琴华北电力技术 4高层建筑变频恒压供水控制系统设计陈景文陕西科技大学硕士论文 5居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现王岚南京理工大学 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 进程计划表 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 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
3、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、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。 本文进行了控制系统的主电路设计，控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共有13个输入输出点，根据PLC的选型原则，设备选用了在生产中应用最为广泛的西门子公司生产的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM440泵类专用的变频器，利用变频器的本身自有的软启动功能实现水泵电机的启动。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器的内置PID控制方式完成，根据控制系统软硬件设计和控制要求，结合变频器的
4、功能参数表预置了相关的参数。在介绍了PLC的编程方法的基础上，选用了适合初学者的逻辑代数编程，写出了恒压变频供水的逻辑代数，并设计了梯形图，利用PLCSIM仿真软件进行了仿真，仿真的结果表明了设计程序的正确性。利用了WinCC组态软件设计了高楼变频恒压供水控制系统的界面，界面可动态反映水泵变频供水的工作状态。最后对恒压供水进行了经济效益分析，分析的结果表明具有明显的节能效益。 关键词：恒压供水，变频调速，PLC ABSTRACT As Chinas social and economic development, urban construction and development very
5、quickly, but also the construction of infrastructure facilities has put forward higher requirements. City water supply system construction is one of the important aspects of the water supply reliability and stability, the economy of a direct impact on the users normal work and life. As people on the
6、 water quality and water supply systems in the continuous improvement of reliability requirements, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design a high-performance, high-energy, water supply plants to adapt to the complex environment of constant p
7、ressure water supply Systems become an inevitable trend A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of
8、 the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM440 The converter, using its own frequency converter itself to achieve the soft-start the pump motor launch. In the control process, the electronic control system completed by the S7-200, PID control by the conver
9、ter built-in PID control manner, in accordance with control system software and hardware design and control requirements, combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters . After the introduction of the PLC programming methods, based on the choice of the logic
10、of algebra for beginners programming, the constant pressure to write the logic of algebra frequency of water supply and design of the ladder, use of simulation software PLCSIM the simulation, simulation The results show that the correctness of the design process. WinCC use of the configuration softw
11、are designed high frequency constant pressure water supply control system interface, dynamic interface may reflect the work of pumping frequency of water supply status. Finally, the constant pressure of water supply for the economic benefit analysis, analysis of the results showed that a significant
12、 energy efficiency. Keywords：Constant pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC 目录 摘要.IV ABSTRACT .V 目录. V II 第一章绪论 (1) 1.1 引言 (1) 1.2 本课题产生的背景和意义 (1) 1.3 国内外变频供水系统现状 (2) 1.4 变频供水系统应用范围 (3) 1.5 设计内容 (3) 第二章变频恒压供水的理论分析 (5) 2.1 水泵的工作原理 (5) 2.2 水泵的调节方式 (5) 2.3 异步电动机的调速原理 (6) 2.4 供
13、水电机的搭配 (7) 2.5 恒压供水系统的能耗分析 (7) 2.6 供水系统的安全性问题 (10) 2.6.1 水锤效应 (10) 2.6.2 产生水锤效应的原因及消除方法 (10) 2.6.3 延长水泵寿命的其他因素 (11) 第三章变频恒压供水控制系统设计 (12) 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 (12) 3.2 原理框图设计 (13) 3.3 供水系统方案的确定 (14) 3.4控制方案 (16) 第四章系统硬件的设计 (17) 4.1 系统主要配置的选型 (17) 4.1.1 水泵机组的选型 (17) 4.1.2 压力变送器的选型 (17) 4.1.3 液位变送器的选型 (
14、18) 4.1.4 其他低压电器的选型 (18) 4.2 PLC的选型 (20) 4.2.1 I/O点的分配 (20) 4.2.2 PLC选型的基本原则 (20) 4.3 变频器的选型 (22) 4.4 主电路方案设计 (24) 4.5 控制电路设计 (25) 4.6 PID参数的设置 (27) 4.7 恒压变频供水的工艺流程 (28) 第五章总结与期望 (30) 5.1 总结 (30) 5.2 期望 (30) 参考文献 (31) 致谢 (32) 第一章绪论 1.1 引言 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，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短缺的国家，长期以来在市政
15、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，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。 变频恒压供水系统
16、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性，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。 1.2 本课题产生的背景和意义 我国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，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式
17、的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 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
18、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，
19、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
20、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。 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。 1.3 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
21、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。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。 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
22、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，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 1.4 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: (1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统
23、这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。 目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变
24、频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。 1.5 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
25、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
26、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。 本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了PLC的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、控制电路设计，系统的控制设备选用S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM440。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。