恒压供水系统设计毕业论文要点

丽水职业技术学院机电信息分院毕 业 设 计旭日小区恒压供水系统学生学号：080XXXXX学生姓名：XXXX导师姓名：叶 XX班级机电 0XXX专业名称机电一体化技术提交日期201X 年 X 月 XX日答辩日期201X 年 X 月 XX日201X年 5 月丽职院机电信息分院毕业设计摘要随着经济的发展， 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，现今能源的紧缺，利用先进的自动化技术、可编程控制技术、 通讯技术和计算机技术，设计出高性能、 高效率、能适应不同领域的可靠性高的恒压供水系统成为必然的趋势。本论文从节约能源的角度出发，提出多种不同的控制方案，最后通过方案间的比较和针对现今社会的调查确定选用变频器与PLC 实现恒压供水系统控制的方案。论文具体介绍恒压供水系统的控制原理及PLC 控制系统，给出了PLC 控制系统的硬件和软件设计。系统主要控制目标是泵站总管出水压力，在用户端的检测机构反馈数值与系统给定值进行比较，其差值经 PID 运算处理后发出控制指令，使变频器变频，调整运转电机数量或或改变电机运转速度，从而达到总管供水压力在给定的范围内。关键字： 变频调速、恒压供水、PLC 、 MCGS1旭日小区恒压供水系统设计目录第一章绪论31.1 城市供水的需求31.2 恒压供水系统设计的目的和意义31.3 设计的任务及要求3第二章系统的方案选择42.1 系统控制方案选择42.2 恒压供水系统42.3 变频调速节能原理5第三章系统控制回路设计53.1 主电路设计53.2 控制电路设计53.3 其他回路设计6第四章元器件的选型64.1.PLC 选型64.2 变频器的选型64.3 模拟量模块的选择64.4 压力变送器的选型64.5 触摸屏的选型74.7 原件表7第五章元气件的接线图85.1 PLC 接线图85.2 变频器接线图85.3 模拟量模块接线图8第六章PLC 控制及编程96.1 PLC 控制流程图96.2 I/O 地址分配表96.3 编程及程序介绍11第七章组态147.1 MCGS 组态14第八章总结16致谢17参考文献：18附录 1 恒压供水系统程序19附录 2 电气原理图292丽职院机电信息分院毕业设计第一章绪论1.1 城市供水的需求随着我国城市和工业化进程的加快，城市供水面临着缺水与水环境恶化双重压力，还存在着浪费、 低效用水及管理落后现象。长期以来区域供水都是有市政管网经过二次加压和水塔、高位水池等设施来实现。由于用户用水有着季节和时间段的明显变化。普通的供水方式就不能满足供水需求，从而造成各种资源的浪费。1.2 恒压供水系统设计的目的和意义随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。 智能供水有三方面的特点：一起动平稳， 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；二由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等元件的使用寿命；三可以消除起动和停机时的“水锤效应”。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、 以及齐全周到的功能，将使供水实现节能和节省人力，最终达到高效率的供水的目的。1.3 设计的任务及要求本设计的任务是在原有供水不变的基础上配备PLC 和变频器等现今运用最为广泛的先进技术，在用水需求量改变时，变送器根据管网压力，把数值传送给PLC ， PLC 经过 PID运算与设定值进行对比，来增减或调整电机投运台数和转速，从而能达到智能供水的目的。设计中给出详细的设计方案，及方案设计的数据、PLC 程序、外部线路连接图和硬件的选型。系统控制要求：1、对三台变频泵根据反馈值进行控制，及加减泵或改变单台泵的运转速度。2、在用水量相对较少的时间段采用辅佐泵供水，停止其他水泵工作。3、可手动 /自动两个档位相互切换，相互间互不干扰。3旭日小区恒压供水系统设计第二章系统的方案选择2.1 系统控制方案选择目前普遍而言小区供水主要采用水泵、 水塔、高位水箱等， 这些供水方式存在着严重的浪费现象。比如水泵，就是直接用水泵把水源输送到用户单元，此方法操作简单，但是非常繁琐。每次用水都必须去开启水泵。水塔，就是先用水泵把水抽到高处，然后利用水的压力供水，和直接用水泵供水有了进一步提高。 但是这种方法把水经过两次输送。输送过程中不可避免的造成二次污染，影响居民健康。所以这种方法不可取。高位水箱采取这种方法不但达到了高层楼房用户不因城市水管压力减小而用不到水的目标，也尽量避免了水源的二次污染。可它的投资成本价高。居民负担加重，所以不可取。综合上述方案， 恒压供水系统就凸现而出。结合小区用水特点和经济效益，恒压供水就是不二的选择。下面就具体介绍一下此系统。2.2 恒压供水系统系统的控制方式如图2-1 恒压供水控制系统总图。系统由PLC 作为主站，变频器、触摸屏作从站组成。触摸屏上可显示系统当前的工作情况和各项数值，也可进行简单的数字量操作，如手动控制时进行各泵的手动开关控制(详细信息见第七章) 。变频器只作为执行机构，它与 PLC 进行数据传输，以及反馈信息给PLC 。在控制系统中还有变送器，它只进行模拟量传输，反馈各管路压力当前值。图 2-1 恒压供水控制系统总图4丽职院机电信息分院毕业设计2.3 变频调速节能原理1、从水泵的工作效率不是变频供水的水泵功率不随供水需求变化而变化。我们来做个计算：以一台1KW 的水泵电机工作12 小时。不变频时需用电12KWh 。变频调速供水除12 小时都是需求量大则为 12KWh ，但 12 小时不可能全是用水高峰期，所以在一些用水相对较少的时候，变频调速就体现出来了。2、从电机的使用寿命看水泵电机如果都是在没有保护的状态下启动停机， 在启动过程中由于电机加速过程十分急剧，这样很容易产生“水锤”效应。 “水锤效应”极具破坏性，压强过高，将引起管子爆裂；反之，压强过低有会导致管子的瘪塌。此外， “水锤效应”还可能损坏阀门或其他元部件。这对电机的使用寿命有严重的影响。 而采用变频器调速后， 可以通过对电机启动时间上控制来延长启动时间， 使电机加速时间延长。 在停机过程中， 同样可以对电机降速时间延长，从而彻底消除“水锤效应” 。在停机过程中，由于采用延长加速减速时间，使得水泵叶片承受压力减小；轴承磨损减小。所以，采用了变频调速以后，水泵电机的寿命将大大延长。第三章系统控制回路设计3.1 主电路设计在设计主电路时，采取电机启动保护器QM 来保护电机。电机启停均有PLC 控制，在电机变频调速时，同时接通变频器和变频电机，根据水压进行变频调速或增泵减泵处理。系统详细控制见附录2电气原理图 。3.2 控制电路设计控制电路是控制系统的大脑，它操控着控制系统的所有动作机信号处理。在设计上因对某些不能同时接通的电路部分进行双重互锁(即机械与电气互锁)，以保证电路的正常运行。在模拟量处理中，为此加上了A/A1 安全隔离栅，以保证模拟信号的准确安全传输。具体接线图见附录2电气原理图 。5旭日小区恒压供水系统设计3.3其他回路设计在电路设计中，常常一个主电路很难完成系统的控制，所以在设计中添加了辅助回路。辅助回路在系统中作辅助用，但又不能缺少。 辅助回路包括一个控制变压器和两个电源开关。变压器输出的电压为220V ，供控制电路使用；两个开关电源分别供给PLC 输入输出和模拟量回路。详细的分配见附录2电气原理图 。第四章元器件的选型4.1.PLC 选型PLC 具有可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强、易学易用、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低等特点。在本设计中，需13 点输入， 15 点输出。西门子PLCcpu224(14DI/10DO) ，输入点满足要求，输出点不满足；cpu226(24DI/16DO) 输入输出都能满足要求。故此次设计选择西门子PLCcpu226(24DI/16DO) 。4.2 变频器的选型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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压 /过载保护等功能。本次设计中选选用斯耐德ATV21 风机泵用变频器。此系列有可变转矩泵和风机应用锁必需的所有功能：PI 调节器，预置PI；自动重启动，可在运行时恢复；变频跳跃；过载检测与欠载检测等功能（具体说明及参数设置可见ATV21 用户手册） 。4.3 模拟量模块的选择设计中有压力模拟量的运算，按要求有四个模拟量输入，而对变频器要进行输出控制，所以需要一位输出。故选择西门子EM235 模拟量模块。4.4压力变送器的选型为了使供水系统更加准确的完成供水任务，在选择压力变送器就变的十分重要。经过各6丽职院机电信息分院毕业设计品牌之间的对比，这里选择罗斯蒙特压力变送器。4.5 触摸屏的选型因为各种品牌的触摸屏一般都有自己的软件，在选择上有一定的限制。本次设计选择昆仑通态研发的人机界面TPC7062K 。本次软件为组态软件。4.7 原件表电气元件表根据电气原理图进行选择，详细资料见表4-1 硬件明细表：序号名称1主断路器2控制变压器断路器3一号泵电机保护启动器4二号泵电机保护启动器5三号泵电机保护启动器6辅佐泵电机保护启动器7一号电机接触器8二号电机接触器9三号电机接触器10辅佐电机接触器11中间继电器12熔断器13熔断器14急停按钮15普通按钮16指示灯17声光蜂鸣器18电流互器19开关电源20进线电抗器21控制变压器22变频器代号QF1QF2QM1QM2QM3QM4KM1KM2KM3KM4KA1-KA15FU1-FU7FD1-FD2SJ1SB1SB6HL1-HL2HATB1-TB3A/D1-A/D2TCTKV/F72324252627旭日小区恒压供水系统设计可编程控制器（CPU）PLC-CPU模拟量输入模块PLC-2解摸屏TPC7062K信号隔离安全栅A/A1-A/A4通讯电缆MPI表 4-1 硬件明细表第五章元气件的接线图5.1 PLC 接线图在 PLC的输出端，本设计采用了中间继电器，为防止回路因回流电压而损坏PLC。 PLC供电采用220V 交流点，电源输入均采用熔断器保护。具体接线图见附录2电气原理图 。5.2 变频器接线图因变频器不能对电机进行过载保护，所以每台电机都接入热继电器。见附录 2电气原理图。5.3模拟量模块接线图模拟量的准确输入是这个系统的重要数据组成部分，所以在模拟量这块加了安全隔离栅A/A1 。起模拟量保护及PLC 保护作用。实际接线见附录2电气原理图 。8丽职院机电信息分院毕业设计第六章PLC 控制及编程6.1 PLC 控制流程图控制顺序流程图如图6-1 所示，图 6-1 顺序控制流程图6.2 I/O地址分配表在编写程序之前，先规定程序中需要的软件地址表，在以下表格中罗列出本次设计的I/O 地址分配表如表6-1。9旭日小区恒压供水系统设计功能外部原内部地址功能内部地址件急停SJ1I0.0储水罐液位上限VD500系统开机SB1I0.1储水罐液位下限VD510系统停机SB2I0.2总管压力上限VD520报警消音BJI0.3总管压力下限VD530变频器故障信号I0.4总管压力高报VD540变频器过流信号I0.5总管压力过高报警停机VD550辅助回路报警I0.6总管压力低报VD560_1 手动 /_0 自动I0.7总管压力过低报警停机VD570手动控制辅佐泵I1.0变频器故障报警停机VD580手动减泵I1.1总管压力VD300手动增泵I1.2一号变送器压力VD310液位上限I1.3二号变送器压力VD320液位下限I1.4三号变送器压力VD330手动给定功率功率VD1600变频器运行 / 停止Q0.0总管AIW0变频器故障复位Q0.1一号变送器AIW21#变频Q0.2三号变送器AIW42#变频Q0.3PID 开始VB1003#变频Q0.4变频频率VW1141#工频Q0.5输出控制值AQW02#工频Q0.6手动增减泵VB103#工频Q0.7顺序控制VB11辅佐泵Q1.0功率给定VD1000总管电磁阀Q1.1输出速度VD1100总管流量开关Q1.2输出频率VD1200报警输出Q1.3输出力矩VD1300备用Q1.4输出电流VD1400报警指示灯 ( 红)Q1.5输出功率VD1500工作指示灯Q1.6PID 手动自动M0.3开机条件M0.5增泵延时60sT37自动运行标志M10.0减泵延时60sT38开机脉冲SM0.1表 6-1 软件地址分配表10丽职院机电信息分院毕业设计6.3 编程及程序介绍恒压供水程序分为：主程序、档位控制子程序(DWKZ_K)、手动档子程序(SD_KZ)、自动档子程序 (ZD_KZ)、自动档运行泵增减控制子程序(VB11_K) 、报警子程序、变频器数据转换子程序以及模拟量处理子程序。其中还有库和向导。详细程序见附录1。以下就针对本次程序作简单的说明( 以下程序说明时均用程序缩写) 。1、 主程序中有指令为 PID 运算指令。还有网络2、 3、 4、5 为 MODBUS指令，此指令主要作用就是于变频器通讯用的。2、 以下为报警程序，在储水罐液位不足、总管压力超标等信号发生时，触发报警程序。3、 网络 13 为泵变频运行程序，当泵变频运行时自动接通变频器。4、 当系统切换到手动档时，复位自动运行标志，意为切断所有自动运行的程序。并复位顺序控制。11旭日小区恒压供水系统设计此程序为手动挡开机初始化，复位手动挡各单元。当然自动档时，只要置位自动运行标志可以了。5、 手动档时，可以手动控制辅助泵的开关。此时，有两个按钮进行增泵和减泵。增减泵都是字节增减指令， 根据字节增减改变 VB10(手动增减泵 ) 的数值， 然后根据步进阶梯指令进行顺序控制。6、 当系统自动运行时，主程序调用SD_KZ和 VB11_K。自动运行时， 根据变送器读取数值进行系统控制。当单台泵变频运行在最大频率超过3 分钟时，进行增泵程序反之，当单台泵变频运行在最小频率超过3 分钟时，进行减泵程序增减泵都有相对的延时，这在程序中都有定时器进行延时控制。7、 在自动档时， 泵的增减主要靠VB11(顺序控制 ) 执行，当每次增泵或减泵时，VB11(顺序控制 ) 均加“ 1”或减“ 1”。然后在SD_KZ程序中根据比较指令读取VB11(顺序控12丽职院机电信息分院毕业设计制 ) 的值进行相应的泵切换。如：为变频运行三号泵， 工频运行一、二号泵。图中2#1110000 对应 Q0.4( 三 #变频 ) 、Q0.5( 一 #工频 ) 、Q0.6( 二 #工频 ) 。8、 变频器数据转换程序只为触摸屏服务，在触摸屏上显示相应的数值，可以更直观的看到变频器数值。如下图为输出速度：9、 模拟量处理程序只是将变送器出送回来的值转换成PLC能读取的信号。10、程序中还有其他子程序为向导和库的使用而自动生成。这里就不做介绍。13旭日小区恒压供水系统设计第七章组态7.1 MCGS组态1、人机界面选用昆仑通泰研发的人机界面TPC7062K ，组态画面的生成这里就不做具体介绍。以下就介绍生成之后的总画面。如图7-1 供水系统总图所示。图 7-1 供水系统总图画面主要显示各级压力，系统是处于手动还是自动状态。泵变频还是工频运行或是否在运行。2、手动档控制画面，可手动控制泵的开与停。如图7-2 手动档操作图所示。图 7-2 手动档操作图14丽职院机电信息分院毕业设计3、变频器数据显示画面主要显示变频器数据，如图7-3 变频器数据监控图所示。图 7-3 变频器数据监控图4、报警画面如图7-4 所示。图 7-4 报警画面15旭日小区恒压供水系统设计第八章总结此设计恒压供水为设计主题，包括：恒压供水系统原理、电气原理图、系统硬件选型、电路设计和软件设计等，本次设计主要包括三部分：主控制单元、显示单元、执行单元。首先，普通的二次加压方式只是单纯的泵启动和切换，这样电机启动时会产生很大的启动电流， 长久如此对电机的寿命有很大的损害，而且在供水时一直采用工频供水效率低、能耗大。 而本设计可根据供水压力多水泵进行调速或增减泵，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。其次，普通的恒压供水在用量变化相对比较频繁时，有高效、节能的优点。如在白天用水量打时采用多台泵工频供水；而晚上用水量少时，采用单台泵或只开启辅助泵进行供水。采用此设计在这方面尤其凸显节能效果。还有本设计运行维护方便，对于操作人员不要求具备专业人员，从而也减少了人员的浪费，还可提供一些相对文化水平较低的人一个工作的机会。人员在操作时， 只要根据说明一步步操作就可。因此，此时设计的推广性非常强，在现阶段很受客户的欢迎。16丽职院机电信息分院毕业设计致谢经过两个月的奋战，终于完成了毕业设计。在设计过程中我要感谢我的指导老师叶宏伟老师。叶老师有丰富的教学经验和渊博的知识。也是我大一一学期机械加工的老师，大一我就对老师有深刻的影响。 本论文是在叶老师的亲自指导下完成的， 从论文的框架， 到论文的具体内容，再到论文的修改，都得到了叶老师的教导。其次，要感谢 XXXXXXXX 。薛主任在自动化这方面有过硬的技术， 他敏锐的思维方式。积极乐观的工作态度都让我深有感触， 也是我的学习楷模， 此设计也在他的帮助下完成 PLC 编程和变频器方面的设计，其中与变频器的通讯这块也是薛主任教我的。再次，感谢我的父母，感谢他们生育我、把我养大成人，并教育我。正是他们的关心、理解、鼓励和支持让我能全身心的学习、工作。最后，感谢所有教育过我、关心过我的老师、朋友、同学和亲人，感谢你们为我所做的一切！17旭日小区恒压供水系统设计参考文献： 1斯耐德公司 ATV21 异步电机变频器用户手册 ， 2009 03 01 2斯耐德公司 ATV21 modbus user manual-EN ， 2009 07 29 3西门子公司 SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册 ， 2008 8 4龙章眷 PLC 与变频器在自动恒压供水设备中的应用科技信息，2007(3)179,202 5赵小惠，赵小娥基于可编程控制器的恒压供水系统设计，2007(2)： 18-20 6张斌 PLC 和变频调速技术在恒压供水系统中的应用电力学报，2006 21-(4) 7丁芳等智能 PID 算法在也为控制系统中的应用微计算机信息，2006(1) ：103105 8张国强全自动变频调速恒压供水系统设计与探讨学术论坛，2006 9王仁详常用低压电器原理及控制技术，北京：机械工业出版社，200618丽职院机电信息分院毕业设计附录 1 恒压供水系统程序恒压供水主程序19旭日小区恒压供水系统设计20丽职院机电信息分院毕业设计21旭日小区恒压供水系统设计22丽职院机电信息分院毕业设计档位控制子程序23旭日小区恒压供水系统设计手动档子程序24丽职院机电信息分院毕业设计25旭日小区恒压供水系统设计自动控制子程序26丽职院机电信息分院毕业设计27旭日小区恒压供水系统设计自动档 - 泵的增减控制28丽职院机电信息分院毕业设计附录 2 电气原理图29