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1、河北机电职业技术学院毕 业 设 计 论文题目 城市恒压供水系统设计 姓 名 学 院 专 业 机电一体化 年 级 机电0902 学 号 指导教师 目录摘要.3第一章 绪论.41.1本课题选题背景及现实意义.41.2设计目的.41.3变频恒压供水系统组成.5第二章 恒压供水中设备的选择和论证.72.1恒压供水控制系统的基本控制策略.72.2 恒压供水系统的基本构成.72.3 PLC的选择和论证.92.4变频器的选择和论证.102.5 电机的选择和论证.122.6 压力传感器的选用.14第三章 电控系统的原理图.15第四章 PLC编程.164.1 PLC的I/O接线图.164.2 PLC程序 .16
2、总结.20致谢.21参考文献.22城市恒压供水系统设计摘要：如今城市的发展对其基础设施的要求变高，传统的供水方式已不能满足人民的需求。节能的理念也日益体现在这些设施上，处于这些方面的考虑，设计出一个节能恒压的供水系统成为城市供水设施的需要。本文主要介绍变频调速在恒压供水中的应用，描述恒压供水技术的原理，以及它的系统构成基础。介绍了变频器的一些基本原理和软硬件的组成，在恒压供水系统中变频器种类的选择和使用，全面介绍恒压供水系统的结构基础。提出不同的控制方案，通过研究和比较来说明采用变频器和PLC 组合构成控制系统是最优化的控制方案。关键字：PLC；恒压供水；水泵；变频器Abstract: Tod
3、ay, the development of the urban infrastructure requirements, the traditional water already cannot satisfy the needs of the people. Energy-saving concepts are also increasingly reflected in these facilities, in these aspects into consideration, the reference to design a constant pressure water suppl
4、y system of energy as urban water supply facilities.this paper mainly introduces the PLC programmable control technology and frequency conversion in the constant pressure water supply, the principle of constant pressure water supply system, and its foundation. This paper introduces the basic princip
5、les of PLC is with software and hardware, the constant pressure water supply system in the type selection and use of PLC, after a comprehensive introduction of constant pressure water supply system, and the structure of software program and PLC I/O point Settings. Put a different control scheme, thr
6、ough research and comparison to illustrate using PLC and inverter constitute the system is optimized control scheme.Key words: PLC, Constant pressure water supply, Water pump, inverter第一章 绪 论1.1本课题选题背景及现实意义随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水的质量，不要因为压力的波动而造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方
7、面的要求，新的供水方式应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，同时又提高了系统的可靠性。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。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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启停电机的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
8、不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式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。1.2设计目的机电一体化系统设计课程设计是大学生在完成机电一体化系统设计等专业课学习后,进行综合性实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回
9、顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：1、通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。2、通过回顾查阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。3、本例综合了PLC在多方面的应用，既有开关量I/O也有模拟量I/O；既有PID调节的典型应用，又有复杂的逻辑控制。另外本例中使用的三菱的变频器使电机实现软 启动控制。通过一系列的学习，查找资料使得
10、我们学到的知识加以巩固。1.3、变频恒压供水系统组成小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。在选择变频恒压供水系统的参数时应注意以下几点（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管
11、网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。为了不使变频器误跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题
12、很容易被设备的外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。第二章 恒压供水中设备的选择和论证2.1恒压供水控制系统的基本控制策略采用电动机
13、调速装置与可编程控制器（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，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整
14、水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。2.2恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量较少时运行一台较大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而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的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和
15、方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。 如图2-1为恒压供水泵的水的构成。示PSMCAFURMMMMMP+压力传感器调节器变频器水箱水泵用户开关 图2-1恒压供水泵的构成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。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的
16、综合依一定的调节规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，420MA变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器， 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调节规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，420MA变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。 用PLC代替调节器，
17、其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵（主泵也是轮流担任的），主泵在运行时达到的最高频率时，须增加一台工频水泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出
18、的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。 2.3PLC的选择和论证 PLC的定义及特点 在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller），英文缩写为PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。PLC的特点如下
19、：1、高可靠性(1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。(2)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为1020ms.(3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。(4)采用性能优良的开关电源。(5)对采用的器件进行严格的筛选。(6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。2、丰富的I/O接口模块 PLC针对不同的工业现场信号，如： 交流或直流； 开关量或模拟量； 电压或电流； 脉冲或电位；
20、强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。2.4变频器的选择和论证变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均
21、可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器容量是变频器的最重要的参数，如何选择变频器容量是变频器选型的关键。变频器的容量有三种表示方法:额定电流;适配电动机的额定功率;额定视在功率。不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过载能力有两种:不管是哪一种表示方法，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机有可能向
22、变频器吸收的电流来决定.通常变频器的过载能力有两种:12倍的额定电流，可持续1分钟:1.5倍的额定电流，可持续1分钟:而且变频器的允许电流与过程时间呈反时限的关系。如12(1.5)倍的额定电流可持续lmin;而LS(2.0)倍的额定电流，可持续0.5min。这就意味着:不论任何时候向电动机提供在lmin以上的电流都必须在某些范围内。过载能力这个指标，对电动机来说，只有在启动 (加速)过程中才有意义，在运行过程中，实际上等同于不允许过载。下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器带一台电机时的容量选择。首先计算出负载电流，然后应考虑三个方面的因素:用变频器供电时，电动机电流的脉动相对工频供
23、电时要大些;电动机的启动要求。即是由低频低压启动，还是额定电压、额定频率直接启动.变频器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测试出来的。要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异.故计算变频器的容量时要留适当余量。.恒定负载连续运行时变频器容量的计算由低频低压启动或由软启动器启动，而变频器只用来完成变频调速时，要求变频器的额定电流稍大于电动机的额定电流即可，即要求IFN1.1IMN其中，IFN 变频器额定电流，IMN一 电动机额定电流.额定电压、额定频率直接启动时，对三相电动机而言，由电动机的额定数据可知，启动电流是额定电流的see7倍。因而得用下式来计算变频器的频定电流。IFNI
24、MSTKFg式中Imst一电动机在额定电压，额定频率时的启动电流KFg一变频器的过载倍数周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算很多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。显然，在此情况下，按最小负载选择变频器的容量，将出现过载，而按最大负载选择，将是不经济的。由此推知，变频器的容量可在最大负载与最小负载之间适当选择，以便变频器得到充分利用而又不到过载。非周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算。这种情形一般难以作出负载电流图，可按电动机在输出最大转矩时的电流计算变频器的额定电流，可用该式IFNIM(max) KFg式中IM(max)为电动机在输出最大转矩时的电流。三菱FR-A700 变频器产
25、品信息及性能特点 l 功率范围：0.4500kWl 闭环时可进行高精度的转矩/速度/位置控制l 无传感器矢量控制可实现转矩/速度控制l 内置PLC 功能（特殊型号）l 使用长寿命元器件，内置EMC 滤波器l 强大的网络通讯功能而且支持Device Net， Mod bus 等协议，因此我们使用三菱FR-A700变频器。2.5 电机的选择和论证 水泵的选择依据要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)P10（w)，可按式21计算所需电动机的功率P(kW)：P=Pl(12) (21)式中，1为生产机械的效率；2为电动机的效率
26、，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。变频恒压供水的理论分析，电动机的功率应根据小区内所需要（楼高为六层）的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行按2.2计算。P=gH=1.01039.836=I.764105 (Pa) （ 2.2）选择时应注意以下两点：(1)如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2)如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪
27、费。 水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行
28、调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在，水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节水泵的调节方式。水泵的选定在小区供水时日常主供机组有三台，其中备用电机有一台，可以采用的变频方式有一拖二(即一台变频器带二台电机)、一拖三、一拖四的三种方式。从经济角度考虑，拖的电机较多，变频器和控制系统就会越复杂，成本也会较高一些。从国内目前成熟的变频器上考虑，采用一拖三的低压变频器成本较低，技术也较成熟。因此如果能满足日常供水要求，采用一拖三的方式更适宜于日常水厂。在变频电机选择上，考虑日常水厂作为全城的辅助水厂，在每天夜间会
29、停机并在启动点机后会有较长时间采用较小流量补水，这时采用小功率电机变频，电机功率相对会低一些，因此，从经济与实用角度，采用变频一拖三，带一台Y315160kw电机和两台Y280S75kw电机，其中备用电机既可以满足最大供水量要求，也可以解决小流量时电耗问题，是比较适宜的变频机泵的选择方案。（见第三章主电路图）2.6压力传感器的选用根据我们的需要，考虑的小区的供水的可靠及稳定性并结合它所具有的特点，我选用PTH503压力传感器。它采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、010V(三线制) 供电电压: 24DCV(936DCV)
30、。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制，具有高精度、高稳定性、量程范围宽等优点。第三章 电控系统的原理图主电路图3-1恒压供水系统控制电路图如图3-1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分别控制电机M1，M2，M3的工频运行；接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行；FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器；QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；FR-A700为通用变频器。第四章
31、PLC编程K1K2K3K4K5K6220VACSB1SB2SB3SB4SD4.1 PLC的I/O接线图1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0. 3Q0.4Q0.5NL1S7-200 PLC1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4ML+图4.1 PLC的I/0接线图 输出端接中间继电器控制电机的工频与变频工作状态的转换，输入点I0.0控制系统电机的停止工作，I0.1控制系统电机工作及变频器工作的开始。I0.2点用于在一号泵有故障时手动启用三号泵代替一号泵的工作。I0.4为当变频器输出频率达到上限值时手动闭合，使电动机切换为工频工作。4.2 PLC程序启动变频器工作PLC接收压力变送器反馈的值，与设
32、定值进行以系列计算之后输出一个值控制变频器的输出频率，同时根据输出AC0的值判断电动机工作的台数与状态。其中压力变送器反馈值为05，内部数据为032767，对应进行转换之后通过下面的程序进行判断，以控制电动机的运行。判断反馈值为H0.8，则使一号水泵定速工作，同时使二号水泵变速工作。判断反馈值为0.52H0.64，则一号变频器定速或变速，当变频器输出频率达到上限值时则手动输入有效水泵变为定速运行，否则变速运行。判断反馈值为H0.52时，则一号水泵变速运行。停止按钮按下，所有水泵停止供水此段程序的功能为在一号水泵有故障时，通过手动切换使三号水泵代替一号水泵的工作。达到稳定供水。总结本论文研究的是
33、变频恒压供水系统，此系统以变频器与PLC为核心进行设计。PLC控制变频器进行PID调节，同时变频器输出频率值控制水泵的转速。按实际情况设定压力给定值，根据压力变送器的反馈信号与设定值的压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水。该系统可靠性高、效率高、节能效果好以及动态响应速度快，更好的实现恒压供水。经过本次课设，我复习了变频器与PLC的相关知识，将所学的知识运用到了实际的设计中，这令我更直观地了解变频器的用途，也提高了我们动手动脑的能力。在遇到不会的问题的时候通过同学和老师的帮助也使之迎刃而解。感谢老师与同学们的帮助，使我通过做本次课设能有所提高。致谢 本论文在各位老师的悉心指导和严格要求下已完成
34、。在学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以至千里，本论文能够顺利的完成，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。同时我在网上也搜集了不少资料，才使我的毕业论文工作顺利完成。在此向河北机电电气工程系的全体老师表示由衷的感谢 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意。这三年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上
35、工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。学友情深，情同兄妹。三年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。参考文献1 李良仁.变频调速技术与应用.北京：电子工业出版社，2004.12：85-922 康梅，朱莉.变频器使用指南.北京：化学工业出版社，2008.10：174-1793 李白先，黄哲.变频器使用技术与维修精要.北京：人民邮电出版社，2009.5：157-1614 魏连荣.变频器应用技术及实例解析.北京：化学工业出版社，2008.4：73-1335 吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用.第二版.北京：机械工业出版社， 2004.46 廖常初.PLC编程及应用.北京：机械工业出版社，20037 韩安荣.通用变频器及其应用.北京：机械工业出版社，2000