高楼恒压供水系统控制设计
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摘要
众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
该设计对环保、节能、自动补压型给水设备坐了介绍。从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备的应用。以PLC电路控制方式，介绍了自能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。智能水压的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制，完成供水压力的恒定控制，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，系统设定给水压力值与反馈的总管压力是机制进行比较，其差值输入变频器运算处理后，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。
关键词：压力传感器、变频器、PLC控制、恒压供水
Abstract
It is well known, the water is produces in the life the essential important constituent, conserves energy oneself in saving water to become the time characteristic under the actual condition, our this water resources and the electrical energy short country, in the municipal administration water supply, the high-rise construction water supply, aspect technologies and so on industrial production periodical feeding continuously quite are since long ago backward, the automaticity is low.Mainly displays in the water used peak, the water supply capacity is lower than the demand frequently, appears phenomenon which the hydraulic pressure reduces falls short of demand, but in the water used trough time, the water supply capacity is higher than the demand frequently, appears the hydraulic pressure ascension supply in excess of demand the situation, this time will be able to create the energy the waste, simultaneously will have the possibility to cause the water pipe demolition and the water used equipment damage.
This design to the environmental protection, the energy conservation, made up the profiling to sit the introduction automatically to the water equipment.Embarked from the energy conservation science and technology practice, elaborated the frequency conversion velocity modulation technology gave the water equipment in the tall building the application.By the PLC electric circuit control mode, introduced from has been able the hydraulic pressure control system principle of work and the PLC control system.In the analysis hydraulic pressure control work flow foundation, has given the PLC control system hardware and the software design.
The intelligent hydraulic pressure basic control strategy is: Uses the electric motor speeder and the programmable controller (PLC) constitution control system, carries on the optimized control, completes the water supply pressure the constant control, when pipe network current capacity change achieved the stable water supply pressure and saves the electrical energy goal.The system control goal is the pumping station main pipe water leakage pressure, the system hypothesis is the mechanism carries on the comparison for the hydraulic pressure value and the feedback main pipe pressure, after its interpolation input frequency changer operation processing, sends out the control command, controls the pump electric motor to throw transports the Taiwan number and the movement variable displacement pump electric motor rotational speed, thus achieved stabilizes for the water main pipe pressure in the hypothesis value of pressure.
Keywords: pressure sensor, inverter, PLC control, the constant pressure water supply
目录
第一章 绪论 5
第二章 设计功能及方案论证 6
2.1 设计功能 6
2.2 系统设计方案分析及方案论证 6
2.2.1 系统设计方案论证 6
2.2.2 PLC、变频器控制系统方案分析 7
2.3 系统控制方框图 9
第三章 系统硬件选型 10
3.1 PLC可编程控制器部分 10
3.1.1 PLC概述 10
3.1.2 PLC选型和性能指标 13
3.1.3 PLC的工作原理 15
3.1.4 PLC的基本指令 16
3.2 变频器的概述及选型 17
3.3 传感器的介绍及选型 20
3.3.1 传感器的定义与组成 20
3.3.2 传感器的选型 20
3.4 FX0N-3A A/D、D/A转化一体化模块 21
3.4.1 概述 21
3.4.2 性能规格 22
3.5 触摸屏显示器 24
3.5.1 触摸屏概述 24
3.5.2 触摸屏的通信 24
3.5.3 触摸屏与PLC的通信 25
3.6 开关电源 25
3.6.1 开关电源的概述 25
3.6.2 AC/DC变换 26
3.6.3 开关电源的选用 26
3.7 电机的选择 27
3.7.1 三相异步电动机的结构 27
3.7.2 三相异步电动机的工作原理 27
3.7.3 额定转矩（Mn） 28
3.7.4 变频调速 28
3.8 变压器的选择 29
3.8.1 变压器的概述 29
3.8.2 变压器的结构及功能 29
3.8.3 变压器的选择 30
3.9 电气装备附件的选择 30
3.9.1 电线电缆选择 30
3.9.2 接触器的选择 31
3.9.3 电磁式继电器的选择 31
3.9.4 热继电器的选择 32
3.9.5 熔断器的选择 33
3.9.6 开关的选择 34
第四章 硬件电路设计 36
4.1 主电路控制电路图 36
4.2 设计功能内容 36
4.2.1主要设计内容 36
4.2.2 I/O端口分配 37
4.3 控制电路及附属电路设计 38
4.3.1主电路分析 38
4.3.2控制电路分析 40
4.4 恒压供水系统的梯形图 41
4.5 恒压供水系统的指令表 41
第五章 软件设计 42
5.1 软件设计分析 42
5.2 压力控制部分 43
5.3 机械故障处理部分 44
第六章 结束语 45
致谢 47
参考文献 48
第一章 绪论
目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活小区、变郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。这种情况下，一方面要消耗大量的电能，造成能源的浪费；另一方面由于用水量有很大随机性，传统方式在用水波动时难以保持其实时性。针对这一情况，设计了一套变频恒压供水系统，将模糊控制技术应用到系统的控制过程中，采用了PLC控制系统及交流变频调速技术，并在控制算法的实现上提出了一种利用PLC梯形图编程语言视线模糊控制的新方法，彻底取代了高位水塔或直接水泵加压供水方式，为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式，其水压不稳且浪费电能。有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上，针对高楼供水的工况设计出可编程控制器、和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小、运行平稳可靠，运行一年节约的电费投资设备50%。
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
我们都知道水流量Q与水泵电机的转速成正比，而压力与转速的平方成正比。变频器的升降速率随时间是线性变化的，对以水压为参变量的闭环控制供水系统，若变频器速度随时间的曲线变化，则水压变化与升降速时间是线性关系，这样有利于系统的稳定。根据供水系统情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0～50Hz.在此范围内水泵运行频率和定子相电压成正比，即与变频器输人频率成正比。恒压供水就是利用变频器的PID实现的工业过程的闭环控制。将管网压力信号(4～20mA)直接输入到变频器中，由变频器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，调整水泵电机的电源颇率，从而实现控制水泵转速。当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵，实现恒压供水。第二章 设计功能及方案论证
2.1 设计功能
本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动/自动转换、在线监控及在现场调试、电机过热保护、故障报警等功能。其具体控制要求如下：
（1）本系统提供手动/自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。
（2）模拟量压力输入径PID运算，输出模拟量控制变频器。
（3）在自动方式下，当系统水压低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行、停止三种工作状态。
（4）根据压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。
（5）根据压力的变化能确定用水量是否超过供水负荷，并能够及时的预警和报警。
（6）系统可以在线调试及现场在线监控。
2.2 系统设计方案分析及方案论证
2.2.1 系统设计方案论证
目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电机驱动，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本身调速较难，故常为恒速运转；当需要调节流量时，则采用调节阀门的方法，这至少浪费20%的能源。统计表明，我国每年水泵消耗的电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上。随着变频调速控制技术日益完善，采用变频调速控制方式来调节流量，在节电方面是有效的方法，因为流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此，当电动机转速降低使泵出口流量减少时，消耗功率会大幅度下降，从而达到节电目的。例如转速降低20%—50%，可节电50%—80%，经济效益显著。由于居民区用水量变化大，电气传动方案宜采用多抬拖动水泵的电机并联传动取代拖动1台大水泵的电机传动，这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是1—3台泵和1台辅助小泵。如果只采用一台变频调速（VVVF）顺序拖动个台泵的电机，那么可减少投资，因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由PLC控制四台拖动水泵的电机启动和停止，及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现（任意一台泵连续运行超过规定时间）停机轮休，防止烧坏变频器，以延长泵组的使用寿命。以上系统功能的实现有以下方案可供选择：
（1）单片机控制，利用压力变送器和水位限压器、及A/D转换和D/A转换电路，89C51、变频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能，利用单片机控制具有控制单元小、占地面积小、成本低，控制电路电耗小等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境，具有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元器件老化比较快，因此，利用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。
（2）恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路及相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能但是恒压供水控制器具有不可编程性，因此在现场调试和现场监控性能差，不易实现PID运算，控制的精度不够高，相关的报警、故障诊断电路比较复杂。
（3）PLC控制，利用PLC、变频器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好大的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低一系列的优势。因此，经过慎重的论证，本设计采用PLC控制作为的控制单元。第六章 结束语
由三菱的FX2N-64MR 系列 PLC、三菱最新一代标准变频器 FR-A540、转换一体化模块FX0N-3A、触摸屏F940GOT、开关电源和压力传感器HM23Y等组成的恒压供水系统，充分发挥了 PLC 内置的 PID 运算模块，自动调节变频器输出频率、投入使用泵数，达到恒压供水的目的；通过泵号管理程序，实现泵号自动切换，是每台水泵工作状况基本相同，提高设备利用率并减少维修费用；同时通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。
采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制，完成供水压力的恒定控制，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，系统设定给水压力值与反馈的总管压力是机制进行比较，其差值输入变频器运算处理后，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。
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势
实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程序高、便于维护和高节能性等特点，具有很大的应用价值。
本设计中高楼恒压供水系统将PLC引入控制方案，实现对高楼恒压供水系统的电机自动控制，利用PLC的强大功能，对水泵电机安全程序联锁；为了保证高楼恒压供水系统压力恒定应该自动调节以达到最优。从而实现高楼恒压供水系统安全、可靠、稳定运行和达到节能降耗的目的。
经过这次毕业设计，我收获了很多，也发现了自己身上存在很多的不足。这次毕业设计的整个过程，一方面是对我大学三年来所学知识的总结，另一方面也是在学习新的知识和接受新的考验过程。毕业设计的难度不算太大，但要想把它做好也不是一件容易的事情；因为课题涉及的知识面很广，我们不仅要重新把以前学过的知识都回忆一遍，复习一遍，然后加以利用，而且还要查阅一下毕业设计相关的资料书籍，才能设计出符合要求的系统来。这是对我们学习成果的考验和自学能力的考验，也是让我们在步入社会之前接受的最后一次挑战，锻炼我们独立自主的分析问题以及解决问题的能力。
我的毕业设计题目是高楼恒压供水系统设计，不仅要设计整个系统的电路原理图，要求用计算机绘图，并且对高楼恒压供水系统程序进行软件仿真，而且要求所有的控制都是通过PLC来实现的，对于我来说这是一个很有挑战性的事情，我们所学的知识很多，都是一些基本知识。所以我要想做好这个毕设的话，必须重新认真的专研一遍PLC。起初我并不是很了解高楼恒压供水系统到底是怎么样工作的，所以我必须查资料弄清楚其原理以及它的工作全过程。俗话说：“万事开头难”还真是有道理。一开始我就碰到了很多问题，虽然看了很多书，对高楼恒压供水系统的了解也增加了不少，可还是找不到感觉，不知道该从何下手。当时真的有点要崩溃的感觉，整个人没有目标，不知道该怎么办。后来在向导师请教和跟同学讨论的基础上，我认真的研究了任务书的要求，慢慢调整心情，一步一步来看懂找来的资料，终于有了一点头绪，开始着手设计整个高楼恒压供水系统的系统框图，然后一个一个功能攻破它，实现它。
整个系统原理弄清楚，大概的框图出来后，最主要的就是控制部分了。用PLC来控制系统，我首先要懂得它的原理，还要会编程。PLC的程序容易看懂，但要真正自己编时又会遇到不少麻烦。一点点小问题都可能导致整个系统的功能不能实现。就像我编的那个报警闪烁灯的程序一样，明明看起来没有问题，可调试了好久。所以编写PLC程序时必须认真再认真，不能有半点马虎。编程时我选择的是编写PLC的梯形图，我觉得梯形图更加直观，很容易看清整个过程，比较容易编写，而且梯形图检查错误时一目了然，很容易发现哪个地方出问题，以便及时修改。
在我的毕业设计中要实现压力的控制以及过压、欠压、电机的过流保护等，都要用到A/D转换模块。而A/D模块是个很大的问题，它要把输入的模拟量转换为数字量再输入PLC，然后再用PLC输出的开关量去控制变频器的运行以及实现对它的保护。这些过程都要编程来实现。因为A/D模块的运用我不大熟悉，所以在这方面花了很大的功夫，庆幸的是后来问题都得到了解决。
学习的过程也是磨炼自己的过程，当碰到困难时，能不能坚持下来也是对我们的一个考验。俗话说：有志者事竟成！不经历风雨怎能见彩虹？我想机遇只会垂青有准备的人，成功只属于努力的人。最终我坚持了下来，而且成功完成了毕设要求。
整个毕设的过程，也可以说是我成长的过程。我可以感到自己在不断的进步，并且每实现一个功能我都有一种前所未有的成就感。这毕竟是自己努力的成果，看到自己的付出有了回报，再苦再累心里也舒服。在这次毕业设计过程中我学到了很多东西，不仅学会了主动分析、考虑问题，而且我的学习能力也得到了很大的提高，更重要的是增强了我对知识的求知欲望以及对问题的探索激情。调试的过程不仅我动手能力得到了很大的提高，而且也增强了我凡事要细心的意识，因为只有心够细才能够发现错误，并且及时改正错误，这不仅是对调试程序相当重要，而且对我将来工作能力的提高也是相当有帮助的。也加深了我对电气知识的了解。毕业设计过程中，我也看到自己的很多不足。常言道“活到老，学到老！”我想自己要学的东西还有很多，走上工作岗位了也不能放松，要一直学习，一直提高自己各方面的能力。由于我知识和能力有限，本论文尚有许多有待改进与提高的不足之处，希望老师批评指正。
致谢
流逝得最快的总是时间，来不及感叹，大学生活已近尾声，三年多的努力与付出，随着本次论文的完成，将要划下完美的句号。在毕业设计期间，一直得到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学校为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同学也给予了很大的帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。
在临近毕业之际，我还要借此机会向在这三年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们三年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业设计。同时，在毕业设计过程中，我还参考了相关的书籍，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢我的同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！
参考文献
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