毕业设计：变频恒压供水系统设计-精品(共24页)

1、摘 要供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。就目前而言，多数工业、生活供水系统都采用水塔、层顶水箱等作为基本储水设备，由一级或二级水泵从地下市政(shzhng)水管供给。因此，如何建立一个可靠安全、又易于维护的供水系统是值得我们研究的课题。本文将研究和介绍利用PLC/PID/单片机等来检测它的水位状况，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置,通过PLC/PID解决控制系统的稳定性和准确性。从而取得较好的控制效果。关键词：PLC 变频控制(kngzh)/

2、恒压供水 恒压测试目 录摘 要目 录第1章前言1第2章变频恒压供水工作原理2第3章 变频恒压供水系统技术方案43.1 系统介绍43.2 PLC功能43.2.1 控制信号采集43.2.2 被自动控制(z dn kn zh)的工作对象4第4章建筑给水系统超压出流的实测分析64.1 测试对象64.2 测试装置64.3 测试内容和方法74.3.1 测试点和测试时间74.3.2 测试方法74.4 普通水龙头半开状态74.5 节水龙头半开状态84.6 结语8第5章变频恒压供水系统的设计105.1 变频恒压供水技术概述105.1.1 系统构成与控制方式选择105.1.2 各条件下供水具体控制方式115.2

3、实际系统的设计125.2.1 实际系统中应考虑的其他因素125.2.2 管网水压控制点的选择135.3 抗干扰问题135.4故障时的问题13第6章专用变频器在恒压供水装置中的应用156.1 回顾156.2 变频控制恒压供水控制方式166.2.1 逻辑电子电路控制方式166.2.2 单片微机电路控制方式176.2.3 新型变频调速供水设备18第7章PLC控制变频器恒压供水系统217.1 概述217.2 控制系统构成217.3 PLC控制系统简介227.4 恒压供水的控制原理237.5 相关控制功能实现257.6.1 运行效果分析267.6.2 高效节能277.7 提高自动化水平27第8章小区变频

4、恒压供水系统288.1 概述288.2 变频节能理论288.2.1 交流电机变频调速原理288.3 变频恒压供水系统及控制参数选择298.3.1 变频恒压供水系统组成298.3.2 变频恒压供水系统的参数选取308.4 变频恒压供水系统的优点30第9章结论33致谢34参考文献35第1章前言为了使用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水的平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时用水也多，用水少时用水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水是指在供水网中用水量发生变

5、化的时候，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压管等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含有PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。此外,这次课程设计对我还有以下意义:(1) 通过这次课程设计，加深对PLC等理论方面的理解。(2) 了解和掌握PLC应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现PLC应用系统打下良好基础。(3) 通过简单的课题设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问

6、题的目的。 第2章变频恒压供水工作原理全自动变频调速供水设备是应用先进的现代控制理论，结合可编程控制技术、变频控制技术、电机泵组控制技术的新型机电一体化供水装置。该设备通过安装在水泵出水总管上的远传压力表（内为一滑动电阻），将出口压力转换成0-5V电压信号，经A/D转换模块将模拟电压信号转换成数字量并送入可编程序控制器，经可编程内部PID运算，得出一调节参量并将该参量送入D/A转换模块，经数摸转换后将得出模拟量传送变频器，进而控制其输出频率的变化。设备采用多泵并联的供水方式，用户用水量的大小决定了投入运行的水泵的数量，当用水量较小时，单台泵变频工作，当用水量增加，水泵运行频率随之增加，如达到水

7、泵额定输出功率仍无法满足用户供水要求时，该泵自动转换成工频运行状态，并变频启动下一台水泵。反之，当用水量减少，则降低水泵运行频率直至设定(sh dn)下限运行频率，如供水量仍大于用水量，则自动停止工频运行泵同时变频泵转速增加。当用水量降至某一程度时（如夜间用水很少时），变频主泵停止工作，改由辅泵及小型气压罐供水。节能运行：变频恒压供水控制器采用最新微电脑设计处理器设计制造配备液晶中文显示,参数显示、设定就一目了然了。产品特点：(1)外部接线简单:用户只需通过菜单设置，即可使控制器适用于不同的供水控制系统；无需改变复杂的外部接线。(2)可靠性:由于控制器已将各种功能模块集成于内部，外部配件少，、

8、进一步降低了整个系统出现故障的机会。(3)调试简单方便:丰富而完美的汉字提示。使一般的操作人员无需经过复杂的培训，也能对各种操作应用自如。(4)系统功能完善:与目前国内同类设备比较，本设备更显示出其独特的优点。在设备工作现场，工程人员可根据泵组的实际情况在显示下，随时改变各种控制参数，由于保证泵组处于最优化的运行状态。(5)控制精度高本控制程序中所有的模拟量均为数码处理。改良的PID数字控制系统能够避免一般PID死区（对水泵控制而言）所带来的控制误差,使系统的供水压力更加稳定。(6)睡眠功能的最新应用可使机组在每天的零流量的区域中自动启、停，间歇型的供水方式,使节电效果更佳。(7)控制功能先进

9、控制系统可在汉字显示屏上明确显示其工频、变频、转换的运行工况。(8)维修简单方便独有的系统故障检测、明确的故障部位（中文）提示,使工程人员能够清楚地了解故障所在,帮助维修人员检查故障发生的部位的部位和原因。1 引言(ynyn)恒压供水系统对于某些工业(gngy)或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会(shhu)意义。基于上述情况对某生活区供水系统进行了改造，采用PL

10、C作为中心控制单元，利用变频器与PID相结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。2 系统结构与工作原理供水系统由主供水回路、备用回路、储水池及泵房组成，其中泵房装有1#3#共3台150kW泵机。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网较大，系统需要供水量每小时开2台泵机向管网充压，供水量大时，开3台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，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

11、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调节作用。可编程序控制器选择日本松下FP1-C40型，且配有A/D和D/A模块，其原理框图如图1所示。变频器选择FRN1 60G7P-4实现电动机的调速运行。控制系统主要由PLC、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经PLC的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID运算后，PLC将05V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动;PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投

12、入工作的电机台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。图1 恒压供水系统原理图3 系统程序设计(chn x sh j)和PLC的I/O分配系统程序包括起动子程序和运行子程序，其流程图如图2所示。运行子程序又包括模拟调节子程序(其流程图如图3所示)和电机切换子程序(流程图略)，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序(程序设计略)。PLC的输入(shr)、输出端子分配情况如附表所示。图 2 起动(q dn)程序流程图图3 模拟(mn)调节流程图附表 可编程序控制器(C40)

13、部分输入、输出(shch)端子分配4 系统工作(gngzu)过程加上起动信号(X4)后，此信号被保持，当条件满足(即X2为“1”)时，开始起动程序，此时由PLC控制1# 电机变频运行(此时Y0、Y6、Y7亮)，同时定时器T0开始计时(10s)，若计时完毕X2仍亮，则关闭Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延时1s(延时是为了两方面的原因:一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器;二是让变频带器减速为零，以重新起动另一台电机)。延时完毕，则有1#机投入工频运行，2#机投入变频运行，此时Y1、Y2、Y6、Y7亮，同时定时器T1开始计时(10s)，若计时完毕X2仍未灭，则关闭Y2、Y6，(Y1

14、、Y7仍亮，)T3延时1s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7灭掉后，则整个起动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后起动程序不再发生(fshng)作用，直到下一次重新起动。在起动过程中，无论几台电机处于运行状态，X2一旦灭掉，则应视为起动结束(Y7灭掉)，转入相应程序。综合整个起动过程，完成3台电机的起动最多需要22s的时间。运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即X1、X2灭)，则此时变频器处于模拟调节状态(此时相应电机运行信号和Y6亮)。若达到模拟调节上限值(X1亮)，则定时器T4马上开始定时(5s)。定时过

15、程中监控X1，若X1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4定时完毕，X1仍亮，则起动一低速(Y8亮)，进行多段速调节，同时定时器T5开始定时(3s)，定时完毕。若X1仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速(Y9)，同时定时器T6定时(10s)。定时完毕，若X1仍亮，则关掉Y9，此后X0很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X0亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序。同样，若无论何时，X1灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。若达到模拟调节下限值(X2亮)，则定时器T7马上开始定时(5s)，定时过程中监控X2，若X2又灭掉，则关闭定时

16、器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，X2仍亮，则起动一高速(Y7、Y2)，进行多段速调节，同时定时器T8开始定时(3s)，定时完毕。若X2仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速(Y8、Y9)，同时定时器T9定时(10s)，定时完毕。若X2仍亮，则关掉Y8、Y9，此后X3很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X3亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时，X2灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。电机切换程序分为(fn wi)电机切除程序和加电机程序两部分。此程序动作的条件是:起动结束后无论何时X0亮，一旦条件满足，即由

17、PLC根据电动机的运行状态来决定相应切换哪台电机，切换时只能切换工频运行电机。若工作状态是1台变频1台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。若3台电机同时工作，则应由PLC来决定切除哪台工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时(5s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。 图3运行时模拟调节子程序流程图加电机程序，其动作程序是:起动结束后无论何时X2亮，一旦条件满足，立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后(原因同上)，将

18、原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要起动电机的变频开关，完成加电机。同样，若原有2台电机工频工作，则X2一亮，立即开始加另一台电机(无延时)，(加电机依据是判断计数值，谁小加谁)但加电机完成以后，定时器要开始定时(5s)等待，让变频器调节一段时间，防止连续加电机动作。其过程分为:1# 2#、1# 3#、2# 3#、2# 1#、3# 2#、 3# 1#。5 结束语用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以(ky

19、)消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。参考文献1 FP1型可编程控制器C24/C40/C60操作手册Z.2 变频器说明手册(shuc)Z. 富士电机有限公司.3 曾毅等.变频调速控制系统的设计与维护M. 济南:山东科学技术出版社,2000.4 陈国呈.PWM变频调速技术M.北京:机械工业出版社,2001。摘要(zhiyo)：本文介绍(jisho)了我们生活小区供水系统的要求，讲述了现供水系统存在的问题，为了解决存在的问题，提高供水系统的安全性和稳定性，采用(ciyng)PLC与变频器构成恒压变频供水系统来进行改造，改造

20、后的系统完全可以达到各用户用水的要求。一、引言：生活小区有近千用户，现在的供水系统，在用水量大的时间段，出现严重的供水不足，水压下降，严重影响住户的生活质量。现供水系统采用水泵定速控制，通过改变阀门的大小的方法调节流量和压力，以达水压恒定。这种方式在运行中存在以下问题。1.人工操作存在调节滞后，整个系统稳定性差，自动化程度低，使得溢水管经常排水造成资源浪费；2.水泵定速运行，不仅造成电能的浪费，而且由于泵长期高速运行，易使轴承损坏，影响泵的使用寿命，且备用水泵出现过锈死的现象；3.每年夏天用水高峰时段水压不能得到保证，当出现了突发性电网故障时，由于水量不足给住户生活造成不便；为了提供恒压供水，

21、因而对生活小区供水系统进行改造就显得非常重要。二、系统要求：1.原供水系统原供水系统采用两台（一台备用）.KW电机控制水塔水位，通过改变阀门的大小的方法调节流量和压力，以达到调节水压供水，系统中电机采用硬启动，且供水中只有一种压力。2.改造后供水系统要求(1)供水管网压力按时间自动变化如图一曲线所示。 (2)水泵工作时可由变频运行转换为工频运行，也可由工频运行转换为变频运行，工频运行与变频运行之间有连锁控制。(3)当电机由变频运行切换至工频电网运行和由工频电网切换到变频器电动运行时，必须有一定的延时，进行速度稳定后接触器才自动合闸，以防止操作过电压和电机高速(o s)产生的感应电势损坏电力电子

22、器件。(4) 具有自动、稳定、节能、经济等。三、改造(gizo)方案确定及系统的构成1.改造方案(1)根据系统节能、经济(jngj)的要求选用三台10KW电机控制三台水泵进行供水。其中一台备用，当用水高峰时两台水泵运行以满足水压要求，用水低峰时一台水泵运行，实现节能目的。(2)选用PLC、变频器、压力传感器、时控开关作为控制单元，实现出水管网压力的自动化控制，水泵之间的自动切换和阀门的自动开关等，大幅度提高设备的自动化水平和可靠度。2.系统构成变频器是调速核心设备，其主要作用是通过改变输出电源频率而对电机，水泵实现无级调速，达到随用水量变化而自动调节电机、水泵转速，使管网保持恒压的目的。另外，

23、系统通过软硬件实现过压过流过热等较齐全的保护功能，以及对电机实施热启动，每台水泵均具有变频，手动等操作功能。从而，根据用水所需的压力来调节电机速度控制压力，达到节能的目的。 四、系统(xtng)改造1.元件选型(1)时控开关选用LT311A型时控开关。它为单片机可编程时间控制器，具有(jyu)24个可预置的时间程序，按顺序设置可组成12对定时开关。其中18程序组成4对定时开关为第一路输出，916程序组成4对定时开关为第二路输出，1724程序组成4对定时开关为第三路输出，若将三路输出合并为一路使用，可实现每天12次开12次关的定时控制。其使用接线如图三所示。 (2)压力传感器选用PS4型压力传感

24、器，该传感器具有开关量与模拟量输出(shch)功能，传感器的测量范围为0.30.8Mpa，外形引脚如图四所示。其开关量输出可通过压力预置，当检测到的压力达到预置压力时开关闭合。 (3) PLC选型：根据系统输入输出点数选择。时控开关有三个时控输出信号，再加上启动、停止，手动控制三台电机及六个电磁阀等共计有22个输入点，22个输出点；另整个系统对PLC没有特殊功能指令要求，因此可选择经济小型的FXON-60MR型PLC。(4)根据电机的功率选择变频器：电机功率为10KW，可选择日本三菱公司的FR-A540-10KW变频器，其变频器本身(bnshn)具有制动功能，可不用外接制动元件。2.全系统控制

25、(1)时间压力匹配控制时控开关时间设定：0:005:00,11:0014:00,21:0024:00为16组时间程序，由第一路输出；5:008:00,14:0017:00为811组时间程序，由第二路输出；8:0011:00,17:0021:00为1720组时间程序由第三路输出。然后接于PLC输入端的X10、X11、X12端子。压力设置分别为0.38MPa、0.5MPa、0.47MPa、0.52MPa、0.48MPa、0.53MPa、0.42MPa，其实现可通过PLC输出的开关量信号来控制变频器2端子输入电压大小以达到实现的目的。其电气接线图如图五所示。 变频器在某一时段给定压力后，与压力传感器

26、检测到的压力信号反馈到变频器的4端子进行比较，可随时调整变频器输出频率，以达到实际压力与给定压力相等，从而实现了变频器的PID控制。(2)变频运行与工频运行的转切换当电机的变频供电频率上升到工频运行时，则PLC控制继电器断开变频器的供电，直接由电网进行供电，当供水管压力还达不到要求时，第二台电机变频启动运行。根据现场实测情况有如下特点：当压力达到0.5Mpa时变频器输出频率为工频，此时(c sh)要求将变频运行切换成电网供电运行。其实现是将压力传感器设定值为50Hz，通过传感器开关量的输出来控制PLC，实现电机变频与电网运行的切换。PLC控制变频及电机运行的情况如下表:(3)PLC输入、输出分

27、配表 (4)PLC梯形图如图七所示。(5)变频器程序设置如下：Pr79=2；(操作模式选择外部操作模式)Pr128=20；(PID控制动作(dngzu)选择负反馈)Pr129=300%；(PID比例范围)Pr130=180s；(PID积分时间)Pr134=3s；(PID微分时间)Pr1=10Hz；(下限频率)Pr2=50Hz；(上限频率)Pr904=0mA;0Hz；(传感器输出校正)Pr905=16mA;50Hz；(传感器输出校正)五、结束语：采用(ciyng)该PLC控制的恒压变频供水系统肯定能保证小区用户的用水，同时很大程度上降低了维修的劳动强度和延长了设备的使用寿命，实现了真正的自动控制

28、，不仅可解决了现供水系统存在的问题，而且节能效果显著。因此，从节能和改善用户的生活条件上有着重大的价值。系统简介为改善生产环境，沱牌公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决(jiju)的。鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变

29、频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。2 系统方案系统主要由三菱公司的PLC控制器、ABB公司的变频器、施耐德公司的软启动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成（见图1）。 2.1 抽水泵系统整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作在50HZ，管网压力仍然低于系统设定的下限时，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频

30、运行电机。一次主电路(dinl)接线示意图见图2所示。系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。2.2 公司内不同压力供水需求的解决为稳定可靠地满足公司内部分区域供水太力（0.40.45Mpa）低于主管网水压力（0.80.9Mpa）的要求，配备稳压减压阀来

31、调节，可调范围为0.10.8Mpa。2.3 加压泵系统由于抽水泵房距离高位水池较远，直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足，为此在距离高位水池落差为36米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为75KW，扬程36米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件：（1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀和起动加压泵向高位水池供水；（2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀；（3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必须开启出水电动蝶阀由高位水池向主管补充不。像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期可靠地运转，同时

32、配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。为保证整个主水管网的恒压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时主管压力将“憋压”，最终导致主管压力上升(shngshng)，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。3 系统实现功能3.1 全自动平稳切换，恒压控制主水管网压力传感器的压力信号420mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压和稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被 PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频