恒压供水毕业设计.doc

目录 摘要 I ABSTRACT .II 绪论 1 1 变频恒压供水系统介绍 .2 1.1 变频恒压供水系统意义和目的.2 1.2 变频恒压供水系统的优点.2 2 变频恒压供水的理论分析 .4 2.1 水泵的工作原理.4 2.2 供水电机的搭配.4 2.3 恒压供水系统的能耗分析.5 2.4 供水系统的安全性问题.7 2.4.1 水锤效应7 2.4.2 水锤效应的产生原因7 2.4.3 水锤效应的消除8 2.4.4 延长水泵寿命的其他因素8 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计 .9 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案.9 3.2 变频恒压供水系统的控制方案10 3.3 参数的计算与供水设备选型11 3.3.1 水泵的参数计算与型号的选择.11 3.3.2 变频器的选择.11 3.3.3 压力传感器的选择.13 3.3.4 水位传感器的选择.14 3.3.5 其他低压电器的选择.14 3.4 PLC 的选型15 3.4.1 I/O 点的统计 .15 3.4.2 PLC 选型的基本原则 .16 3.4.3 I/O 的分配 .16 3.5 系统硬件线路设计17 3.6 PID 参数的预置 18 4 变频恒压供水控制系统软件的设计 20 4.1 逻辑代数设计法20 4.2 编程软件的简单介绍20 4.3 恒压供水系统梯形图的设计21 4.4 经济效益分析25 5 总结与期望 26 5.1 总结26 5.2 展望26 参考文献 .27 致谢 .29 附录 语句表 30 I 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。 本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理； 具体分析了变频恒压水供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，得出结论:变频 调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。 因此本文以采用变频器和 PLC 组合构成系统的方式，以某居民小区水泵电动机控制系统 为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。 主要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 MM430 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。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，设计 II ABSTRACT As Chinas social and economic development, urban construction and development very 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 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 pressure water supply Systems become an inevitable trend. Firstly, according to the operation of pipeline and pump characteristic curve illustrates the energy supply system frequency control theory; detailed analysis of the principle of variable frequency and constant pressure water supply system of the structure, through research and comparison, concluded: frequency modulation Speed is a benefit on todays international, highest performance, most widely, the most promising of the motor speed control technology. This article combined to constitute a frequency converter and PLC systems approach to a residential area for the object pump motor control system, step by step to clarify how to achieve constant pressure water supply. Mainly for the control system design of the main circuit, 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 the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM430 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 converter 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 of algebra for beginners programming, the constant pressure to write the logic of algebra frequency of water supply and design of the ladder .The results show that the correctness of the design process. Finally, constant pressure water supply to an economic analysis, analysis showed that a significant energy saving benefits. Key words: Water Supply Frequency Control PLC design 1 绪论 随着社会经济的迅速发展，水对人们的生活和工业生产越来越重要，人们对供水的 质量和安全可靠性的要求不断提高。而用户的用水量是不断变化的，导致供水不足或供 水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水压力上，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，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备不断地应用 ，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。于是选择一种符合各方面规范、 卫生安全而又经济合理的楼宇恒压供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战 。 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。 2 1 变频恒压供水系统介绍 1.1 变频恒压供水系统意义和目的 变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，恒 压供水调速系统可依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水 要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短几年内，调速恒压供水系统经历了 一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵系统所代替，投资更为 节省，运行效率更高，成为主导产品。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个 领域得到了广泛应用。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，在用水量变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、最合理的节能 型供水系统。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过 程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废 和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或者无水供应，不能迅速灭火，可能引 起重大经济损失和人员伤亡。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水 领域，成为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的 恒压供水监控系统。所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采 用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 1.2 变频恒压供水系统的优点 相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面： (1) 高效节能 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在 10-40%。从单台水泵 的节能来看，流量越小，节能量越大。 (2) 恒压供水 变频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热水器不能正常使用的情况。 (3) 安全卫生 3 系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气 压罐等设施，避免了用水的“二次污染” ，取消了水池定期清理的工作。 (4) 自动运行、管理简便 新型的小区变频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、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完 善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。 (5) 延长设备寿命、保护电网稳定 使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低 了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀 且不锈死，延长了机泵使用寿命。变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了 电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。 4 2 变频恒压供水的理论分析 2.1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图 2.1 所示，叶轮安装在泵 2 内，并紧固 在泵轴 3 上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口 4 与吸入管 5 连接，液体 经底阀 6 和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口 8 与排出管 9 连接。 在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的 液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以 高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动 能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流 向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压 力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和 排出。 12 3 4 6 8 7 910 5 1-叶轮 2-泵壳 3-泵轴 4-吸入口 5-吸入管 6-单顶底阀 7-滤网 8-排出口 9-输出管 10-调节阀 图2-1 离心泵结构示意图 2.2 供水电机的搭配 供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要 以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电 动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点: 5 (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 浪费。 因此，要正确选择电动机的功率， 对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率 (生产机械轴上的功率)（kW），可按式(2-1)计算所需电动机的功率(kW)： 1 pP (2-1) 112 /pp 式中，为生产机械的效率，为电动机的效率，即传动效率。 1 2 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。 2.3 恒压供水系统的能耗分析 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调 节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流 量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水 泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压 供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。 (1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。 阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来 强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变， 但是扬程特性不变。 如图2-2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%(即QX=60%QN)。当通过关小阀门来 实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点移 至E点，这时，流量减小为QE(=Qx)；扬程增加为HE；供水功率PC与面积ODEJ成正比。 6 J K O G E N C Q H 阀门关小 阀门全开 转速下降 稳定转速 QEQN DA 图2-2 调节流量的方法与比较 (2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称 为转速控制法。 转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的 额定转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。 以用户所需流量等于 60%Qn 为例，当通过降低转速使得 Qx=60%Qn 时，扬程特性仍为 曲线，故工作点移向 C 点。这时流量减小为 QE（=Qx），扬程减小为 Hc，供水功率 PC 与面积 0DCK 成正比。 比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx用水需求 QU，则压力上升（P）； 如：供水能力 QG用水需求 QU，则压力上升（P）； 如：供水能力 QG=用水需求 QU，则压力上升（P 不变）。 可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压 7 力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒 定，也就保证了使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，这就是恒压供水所要达到的目的。 为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所 带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，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。 2.4 供水系统的安全性问题 2.4.1 水锤效应 影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内， 因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道 受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性，压强过高， 将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏 阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停 止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。 2.4.2 水锤效应的产生原因 产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中， 异步电动机和水泵的机械特性如图2-3a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线 2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。 1 2n T 0 n T 0 2 1 TJ TJ TNTN 8 （a）全压启动 （b）变频启动 图2-3 水泵的全压启动与变频启动 在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩 J T JML TTT 由图2-3a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所 示，是很大的。所以，加速过程很快。 2.4.3 水锤效应的消除 采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为 减小，如图2-3b中所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2 是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械 特性与水泵机械特性之差)。 在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为 减小，从而彻底消除了水锤效应。 2.4.4 延长水泵寿命的其他因素 水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转 速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使: (1) 叶片承受的应力大为减小。 (2) 轴承的磨损也大为减小。 所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。 3 变频恒压供水控制系统硬件的设计 3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、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。系统主要的设计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启动 9 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。根据系统的设计任 务要求，结合系统的使用场所，本次设计采用通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控 制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3-1所示。 PLC变频器 压力传感器 工频 变频 用户 蓄水池 1#泵 2#泵 备用泵 图3-1 系统构成框图 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的硬件配置和变频器的外部接线，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。因此该系统能适用于 各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。 3.2 变频恒压供水系统的控制方案 变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案， 也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比 较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原 理如图3-2所示。 10 1 号泵变频运行 2 号泵停止 1 号泵变频运行 2 号泵工频运行 1 号泵工频运行 2 号泵变频运行 1 号泵停止 2 号泵变频运行 1 2 4 3 图3-2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按12 341的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变 频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输 出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1 台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换 到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减小，若减至设定频率时， 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机 停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。 当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增 加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控 制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电 机，控制系统处于状态4。 当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减小，若减至设定频率时， 表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号 泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往 复的工作，以满足系统用水的需要。 11 3.3 参数的计算与供水设备选型 3.3.1 水泵的参数计算与型号的选择 查阅相关资料假设用水量标准为0.19/人日。每小时最大用水量为175.00/h。 3 m 3 m 根据10层楼高度35m，计算得 P =（0.08+0.04楼层数）MPa=0.48MPa 可确定设置供水压力值为0.48MPa。 最后确定水泵型号为100DL3，共3台(其中一台做备用)，水泵自带电动机功率为 30kW。 3.3.2 变频器的选择 本系统选用 SIEMENS MM430 风机水泵型变频器，额定电压为 380V500V，额定功率 35kW。MicroMaster430 系列变频器是全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专 家，功率范围 7.5kW 至 250Kw。它由微处理器控制，并采用 IGBT 作为功率组件：运行可 靠、功能多样；脉冲调制频率可调，电动机运行噪声低；牢固的 EMC 设计；具有多个继 电器输出；具有多个模拟量输出；6 个带隔离的数字输入，可切换为 PNPNPN；2 个模拟 量输入：AINl： 010V、O 一 20mA ，AIN2： 010V、020mA； BiCo(二进制互联)技 术。 (1) MM430变频器介绍 MciorMaster430变频器的端子接口分布如图3-3所示。 RL1-A RL1-B RL1-C RL2-B RL2-C RL3-A RL3-B RL3-C 18 12 25 24 23 22 21 20 19 3 2 1 26 27 28 29 30 16 15 14 13 11 10 9 8 7 6 5 4 17 AOUT1+ AOUT1- PTCB PTCA 0V +10VN- P+ PE0V AOUT2- AOUT2+ DIN6 DIN5 DIN2 DIN3 DIN4 +24V AIN2+ AIN2- DIN1 AIN1- AIN1+ 31 32 3334 35 36 L1 L2 L3 U V W V V V F 12 图3-3 MM430 端子接口分布图 (2) 端子功能介绍 各端子的功能如表3-1所示。 表 3-1 端子功能表 引脚序号引脚名称功能引脚序号引脚名称功能 1+10V12AOUT1+ 20 电源电压 13AOUT1- 模拟输出1 3AIN1+14PTCA 4AIN1- 模拟输入1 15PTCB 5DINN116DIN5 6DINN217DIN6 数字输入 7DINN326AOUT2+ 8DINN4 数字输入 27AOUT2- 模拟输出2 9+24V 电源电压 28PE 10AIN2+29P+ 11AIN2- 模拟输入2 30P- RS-485 18RL1-A22RL2-C 19RL1-B23RL3-A 20RL1-C 输出继电 器的触头 24RL3-B 输出继电器的触头 13 21RL2-B25RL3-C 3.3.3 压力传感器的选择 CYYB-120系列压力变送器为两线制420mA电流信号输出产品。它采用CYYB-105系列 压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补 偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有420mA标准信号输出。 一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、 便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、A/D转换器及计算机数据采集系统连接方 便。CYYB-120系列压力变送器新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广 泛应用于航空航天、科学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统 产品及所有压力测控领域。主要特点： （1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围； （2）抗冲击、耐震动、体积小、防水； （3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强； （4）最具有竞争力的价格。 3.3.4 水位传感器的选择 SL980-投入式液位变送器，广泛用于储水池、污水池、水井、水箱的水位测量，油 池、油罐的油位测量，江河湖海的深度测量。接受与液体深度成正比的液压信号，并将 其转换为开关量输出，送给计算机、记录仪、调节仪或变频调节系统以实现液位的全自 动控制。主要特点是：安装简单，精度高，可靠性高，性能稳定，能实现自身保护等。 3.3.5 其他低压电器的选择 (1) 断路器的选择 1），选择。断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的输入 2 QF 3 QF 侧发生短路或电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力为 150%，时间为1min。所以为了避免错误动作， 断路器的额定电流应选 2 QF qn I 14 （A）1.31.46287 qnn II: 式中为变频器的额定输出电流。 n I 所以，选90A。 2 QF 3 QF 2) 断路器选择。在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按 1 QF 电动机在工频下起动电流来考虑，断路器的额定电流应选 1 QF qn I (A)2.52.5 60150 qnmn II 式中为电动机的额定电流，=60A。 mn I mn I 所以选160A。 1 QF (2) 接触器的选择 接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的 额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为60A，所以接触器的触点电流 选70A即可。 3.4 PLC 的选型 3.4.1 I/O 点的统计 PLC 一般采用循环扫描方式工作。当 PLC 上电后，首先进行初始化处理，包括清除 I/O 及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查 I/O 单元的连接等。开始运行之后，串行 地执行存贮器中的程序，最后将运算结果集中输出。这个过程可以分为五个阶段：自诊 断阶段、通信处理阶段、输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。 恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表 3-2 所示。 表 3-2 I/O 统计表 输入器件输出器件 15 编号符号名称编号符号名称 1SB1 启动 1KM1 1#泵变频 2SB2 停止 2KM2 2#泵变频 3S1 液位传感器 3KM3 1#泵工频 4S2 变频器达到上限 4KM4 2#泵工频 5S3 变频器达到下限 5KM5 备用泵工频 6S4 1#水泵故障 6L1 报警指示灯 7S5 2#水泵故障 8SS6 变频器故障 3.4.2 PLC 选型的基本原则 这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时 应考虑以下几个方面。 （1）规模要适当； （2）功能要相当，结构要合理； （3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确； 根据以上原则，这次设计选择西门子S7-200系列的CPU222AC/DC。 3.4.3 I/O 的分配 根据功能要求和工艺流程，我们统一了I/O接点的分配，分配表如表3-3所示。根据 PLC口的分配，系统的控制要求以及合理利用I/O口的原则。 表 3-3 I/O 分配表 16 输入器件输出器件 I0.0 启动（SB0） Q0.0 驱动 KM1（1#泵变频） I0.1 停止（SB1） Q0.1 驱动 KM2（2#泵变频） I0.2 液位传感器 Q0.2 驱动 KM3（1#泵工频） I0.3 变频器达到上限 Q0.3 驱动 KM4（2#泵工频） I0.4 变频器达到下限 Q0.4 驱动 KM5（备用泵工频） I0.5 1#水泵故障 Q0.5 报警指示灯 I0.6 2#水泵故障 I0.7 变频器故障 3.5 系统硬件线路设计 供水系统主电路设计如图3-4所示，采用了一台变频器同时连接两台电动机，所 以必须确保开关KM1和KM2电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题 或紧急情况下，可以起用备用水泵。系统的控制线路如图3-5所示。 17 图3-4 主电路图 KM1 L1 KM2KM3KM4 L2 L3 L4 L5 KM5 I0.0I0.7I0.6I0.5I0.4I0.3I0.2I0.1 24VDC MM1L+ 1L2LQ0.0Q0.4Q0.3Q0.2Q0.1Q0.5 接液 位传 感器 接变 频器 20号 端口 CPU222AC/DC KM2 KM3 KM1 KM4 KM1KM2 24V SB1 SB2 接变 频器 21号 端子 接变 频器 22号 端子 FR1FR2 220V 图3-5 控制线路图 3.6 PID 参数的预置 由于 SIEMENS MM430 变频器自带了 PID 模块，我们不需要进行 PID 调节器的设计， 只需进行简单的参数设置就可以了。首先将设置模拟输入的 DIP 开关 1 拨到 ON 位置，选 择为 420mA 输入，将 DIP 开关 2 拨到 OFF 位置选择电动机的频率，OFF 位置为 50Hz。 其它参数的设置如表 3-4 所示。 表 3-4 MM430 参数预置表 参数名称参数名称 P0003=2 用户访问级别为专家级 P2255=100 PID的增益系数 P0004=22 参数滤过，选择PID应用宏 P2256=100 PID微调信号的增益系数 P0700=2 选择命令源，选择为端子控 制 P2257=10S PID设定值的斜坡加速时间 P1000=2 频率设定选择为模拟设定值 P2258=10S PID设定值的斜坡减速时间 18 P1080=5Hz 最小频率 R2260=100% 显示PID的总设定值 P1082=50Hz 最大频率 R2261=3S PID设定值的滤波时间常数 P2200=1 闭环控制选择，PID功能有效 R2262=100% 显示滤波后的PID设定值 P2231=1 允许存储P2240的设定值 P2265=3S PID反馈立场拨时间常数 P2240=75% 键盘给定的PID设定值 P2267=100 PID反馈信号的上限值 P2253=2250:0 选择P2240的值作为PID给定 P2268=0 PID反馈信号的下限值 P2250=100% 显示P2240的设定值输出 P2269=100% PID反馈信号的增益 P2254=0.0 缺省值，对微调信号没有选 择 P2291=100 PID输出的上限 P2292=0.00 PID输出的下限 P2280=3.00 PID的比例增益系数 P2285=7.00S PID的微分时间 P2294=100% 实际的PID控制器输出 19 4 变频恒压供水控制系统软件的设计 4.1 逻辑代数设计法 在继电器接触器控制线路中用逻辑代数设计法比较容易获得设计方案。设计出来 的控制线路既符合工艺要求，又达到工作可靠、经济合理，因而得以广泛的应用。 逻辑代数设计法的设计步骤如下 （1） 根据控制要求，列出输入输出及辅助继电器等之间关系的状态表； （2） 根据状态表列写出逻辑函数表达式，并化简； （3） 根据化简后的逻辑表达式画出梯形图。 本设计采用的是逻辑代数设计法。 4.2 编程软件的简单介绍 STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200 系列PLC设计开发。它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用 户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户使用 起来更加方便。 STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用 户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同 时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软 件设置PLC的工作方式，参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避 免一些语法和数据类型方面的错误。 软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可 以在离线工作方式下进行。 20 图4-1 STEP7编程软件图标 S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。单击图4-1所示的编程软件图 标可进入如图4-2所示的操作界面，在此界面可完成主程序，子程序，中断程序的编制与 修改，完成程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供PLC使用。 图4-2 STEP7-Micro/WIN32操作界面 4.3 恒压供水系统梯形图的设计 在控制系统中，变频器通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反馈信号，进行 单闭环控制。PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入以及水池水位信号，判 断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号去控制接触器、继电器和变频 器等器件，以完成相应的控制任务， PLC主要控制任务就是根据实际情况实现工频和变 频的切换。 根据系统的控制要求，经过化简后的各变量的逻辑表达式如下： (4-1) 0.00.00.10.20.5 MIIII (4-2) 0.10.30.10.20.6 MIIII (4-3) 0.3330.10.20.5 MT III 21 (4-4) 0.40.40.1 MII (4-5) 0.500.10.20.5 MC III (4-6) 0.7340.10.20.6 MT III (4-7) 1.310.1 MC I (4-8) 0.2 0.00.00.50.7 QMMMI (4-9) 0.10.10.60.7 QMMI (4-10) 0.20.30.40.7 QMMI (4-11) 0.30.71.30.7 QMMI (4-12) 0.40.50.6 QII (4-13) 0.50.50.6 QII 根据逻辑表达式（4-1）（4-13） ，设计的梯形图如图4-3所示。 22 23 24 图4-3 主程序 4.4 经济效益分析 从流体力学原理知道，水泵供水流量与电动机转速及功率的关系为 11 22 Qn Qn 2 11 22 () Hn Hn 3 11 22 () Pn Pn 式中为供水流量，为扬程，为电动机轴功率，为电动机转速。QHPn 本设计系统共有2台30KW的水泵电动机，假设没天运行16h，其中4h为额定转速，其 余12h为80%额定转速运行，一年365天节约电能为 3 80 30 121365 100 W kWh=64124 kWh 25 若每1 kWh电价为0.60 元，一年可节约电费为 0.6064124元=38474.4元 通过市场调查，本套恒压供水系统的成本约为5万元左右，两年即可收回投资，运行 多年经济效益将十分可观。 5 总结与期望 5.1 总结 本课题主要研究的是某小区楼宇的恒压供水。为此设计了一套具有高性能的变频器 控制系统来代替原有的手动启动、阀门控制系统。此系统重点是根据系统运行的需求， 自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。 根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可实现无 级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故障时，可自动 关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。 在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流过大， 而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动机与电动阀门 同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，防止水锤现象，延长水泵使用寿 命。 5.2 展望 现有系统实现了供水系统的工况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过 对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开 发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提高后勤 管理能力。这部份工作有待在以后的学习与工作中来进一步开展下去。 随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧缺，在 这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供水控制技术将 提出更高的要求。如对系统采用基于GPRS 的无线方式进行数据的传输、通过网络对系统 进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全可以用于恒风压控制，进而实 现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以 变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。 26 参考文献 1 金传伟，毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用.电子技术应用,2000 2 马桂梅，谭光仪,陈次昌. 泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报,2003 3 崔金贵. 变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报,2000 4 吴民强. 泵与风机节能技术.水利电力出版社，1994 5 张燕宾. 变频调速应用实践.机械工业出版社，2002 6 付娟. 交流调速技术.电子工业出版社，2002 7 叶汝裕. 水泵风机的节电及技术改造.重庆大学出版社，1998 8 徐士鸣. 泵与风机原理与应用.大连理工大学出版社，1992 9 陈伯时. 电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，1992 10 周玉国. 变频调速节能分析.东北电力技术，2004 11 吴浩烈. 电机及电力拖动基础.重庆大学出版社，1996 12 黄俊，王兆安. 电力电子变流技术.机械工业出版，1933 13 王永华. 现代电气控制及 PLC 应用技术.北京航空航天大学出版社,2003 14 许廖. 电器控制与 PLC 控制技术.机械工业出版社,2005 15 陈建明. 电气控制欲 PLC 应用. 电子工业出版社，2006 16 李海发. 电机与拖动基础.清华大学出版社，2007 17 李向东. 电气控制与 PLC.机械工业出版社,2005 18 Liu Meilian. PLC-Based Control System Design for Three-Dimensional Garage. Micro Computer Information,2009, 3-1:42-43 27 19 Chen Changfei,Yang Yupu. Design of Four-motor System Based on Variable Frequency Drive for Fly Frame.Process Automation Instrumentation.2006.5:54-56. 20 Li Guilan. Study on application of frequency converted speed control technology base on flow control of water pump.COALE ENGINEERING,2008.5:83-84 21 Zheng Yang，Li Wu and Xinfa Dong. Control System Design For Contant- pressure Water Supply.Second International Conference on MultiMedia and Information Technology，2010 22 Ding Chengsong , Cao Lijun. Self-adaptive Fuzzy PID Controller for Water Supply System .International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2010 28 致谢 对于这次毕业设计的顺利完成，我首先要感谢谭思云教授，是他细心的给我讲解了 许多关于 PLC、变频器、供水原理相关的知识，谭思云教授为我提供了大量的研究资料， 并给予了精心指导，从开题到实验研究到论文撰写，提出了很多非常好的意见和建议。 本次设计能够有较好的主体框架也得益于谭思云教授的指导，指导老师渊博的知识、严 谨的治学态度、崇高的敬业精神与为人师表的风范，使我受益匪浅，在此，谨向谭思云 教授表示我最衷心的感谢。最后，我要感谢关心我们毕业设计的系领导和各位老师以及 给予我不少帮助的同学，感谢你们四年来为我们付出的辛勤汗水,同时还要感谢学院图书 馆给我们提供的各种资料。 29 附录 语句表 Network 1 / 1#泵变频 LD I0.0 O M0.0 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.0 Network 2 / 变频器达到上限,2#泵变频 LD I0.3 O M0.1 AN I0.2 AN I0.6 AN I0.1 = M0.1 Network 3 / 变频器达到上限,2#泵变频 LD I0.3 O M0.2 AN I0.2 AN I0.6 AN I0.1 = M0.2 Network 4 / 变频器达到上限,2#泵变频 30 LD M0.2 TON T33, +200 Network 5 / 变频器达到上限,2#泵变频 LD I0.3 LD M1.1 CTU C0, +2 Network 6 / 时间到,1#泵工频 LD T33 O M0.3 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.3 Network 7 / 变频器达到下限,1#泵停止 LD I0.4 O M0.4 AN I0.1 = M0.4 Network 8 / 变频器达到下限,1#泵停止 LD I0.4 LD M1.2 CTU C1, +2 Network 9 / 变频器再次达到上限,1#泵变频 LD C0 31 O M0.5 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.5 Network 10 / 变频器再次达到上限,2#泵停止 LD C0 O M0.6 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.6 Network 11 / 变频器再次达到上限,启动定时 LD M0.5 AN I0.2 AN I0.5 TON T34, +200 Network 12 / 变频器再次达到上限,1#泵变频 LD M0.5 = M1.1 Network 13 / 时间到，2#泵工频 LD T34 O M0.7 AN I0.2 32 AN I0.6 AN I0.1 = M0.7 Network 14 / 变频器再次达到下限,2#泵停止 LD C1 O M1.3 AN I0.1 = M1.3 Network 15 / 变频器再次达到下限,2#泵停止 LD M1.2 = M1.2 Network 16 / 1#泵变频 LD M0.0 AN M0.2 O M0.5 AN I0.7 = Q0.0 Network 17 / 变频器达到上限,2#泵变频 LD M0.1 AN M0.6 AN I0.7 = Q0.1 Network 18 / 时间到,1#泵工频 LD M0