基于plc和变频器的恒压供水自动控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于plc和变频器的恒压供水自动控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

口变压控制 水泵出口变压控制也是将压力传感器设在水泵出口处 ， 但其压 力设定值不只是一个。 是将每日 24 小时按用水曲线分成若干时段 ， 计算出各时段所需的水泵出口压力 ， 进行全日按时段变压 ， 各时段恒压控制。 这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。 它 比水泵出口 恒 压控制方式更能节能 ， 但这取决于将全天 24 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。 所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能 ， 将全天分得越细越节能 ， 当然控制的实现也越复杂。 ⑶ 最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器设在系统最不利点处 ， 使系统在运行过程中 ， 最不利点的压力恒定。 这种方式的节能效果是最佳的 ， 但 是由于最不利点一般距离泵房较远 ， 信号传递 过程 在实际应用中受到诸多限制 ， 因此工程中很少采用。 变频调速供水方式 的 基建、设备投资和占地面积比水塔式和气压罐式供水系统都要少 ， 输出水压设定值可任意调节 ， 方便灵活 ， 适应力强 ， 可以说是目前最理想 的 节能效果 ， 最好的供水方式。 现将变频调速供水方式和气压罐供水方式作一比较。 变频调速式在节能效果上明显优于气压罐式。 气压罐式依靠压力罐中的 压缩空气送内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 水 ， 气压罐配套水泵在运行时 ， 是在额定转速、额定流量的条件下。 当系统所需水量下降时 ， 供水压力超出系统所需压力而造成能量的浪费。 同时水泵 是满频率启动 ， 且启动频繁 ， 又会造成一定的能耗。 而 对于 变频调速式 ， 当系统用水量下降时 ， 可无级调节水泵转速 ， 使供水压力与系统所需水压大致相等 ， 这样就节省了许多电能。 而且其变频调速式水泵采用软启动 ， 启动时冲击电流很小 ， 又降低了启动能耗 ， 进一步节能。 气压罐是用钢材制造 ， 一般情况下建筑面积 万 m2需安装φ ， 的气压罐 2 个。 气压罐式的供水方式耗钢量较大 ， 因而 ， 如果在全国推广气压罐式供水系统 ， 这对我国来说将是一项较大的投入。 而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备 ，不存在消耗大量钢材的问题 ； 另外 ， 由于气压罐体积大 ， 一般数量多为 2～ 3 个 ， 这样需占地面积一般为几十平米；而变频调速中的调速装置占地面积仅为零点几平米 ， 由此可见 ， 变频调速比气压罐式供水系统节省了占地面积 ， 由此将带来土建投资的节省。 在运行效果上 ， 气压罐式与调速式相比也存在着一定差距。 气压罐式的运行不稳定 ， 突出表现在它启动频繁 ， 而且由于气压罐的调节容积仅占其总容积的 1/3～ 1/6， 因而每个罐的调节能力很小 ， 只得依靠频繁的启动来保证供水 ， 这样不仅增加了启动能耗 ， 还将产生较大的噪声和电信号的干扰 ， 严重影响居民生活。 此外 ， 由于 气压罐式的 压力不稳 ， 启动过于频繁 ， 加之又是硬启动 ， 所以电气和机械冲击较大 ， 设备损坏很快 ， 管网和卫生设备也因水压冲击有加大泄漏的可能。 调速式的供水系统没有频繁的启动现象 ， 加之启动方式为软启动 ， 设备运行十分稳定、可靠 ， 不仅可避免电气、机械冲击 ， 又由于压力稳定 ， 可使小区管网和卫生设备的泄漏量明显降低 ， 噪音、振动下降 ， 周围居民的生活也不受影响或甚微。 更主要的是由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的 ， 防止了气压罐中由于气水接触、隔膜与水接触而可能造成的水质二次污染 ， 保证了用水水质的安全可靠。 由此可见 ， 变频调速式供水系统具有节能、节省 资源消耗、节省投资 、 调节能力大、内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 运行稳定可靠等诸多优势 ， 具有明显的经济效益和社会效益。 变频 恒压供水系统的国内外研究现状 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。 在早期 ， 由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能 ， 应用在变频恒压供水系统中 ， 变频器仅作为执行机构 ， 为了满足供水量大小需求不同时保证管网压力恒定 ， 需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器 ， 对压力进行闭环控制。 随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程 度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后 ， 国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器 ， 像日本 Samco 公司就推出了恒压供水基板 ， 备有变频泵固定方式 、 变频泵循环方式两种模式。 它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上 ， 通过设置指令代码实现 PLC 和PID 等电控系统的功能 ， 只要搭载配套的恒压供水单元 ， 便可直接控制多个内置的电磁接触器工作 ， 可构成最多 7 台电机 (泵 )的供水系统。 这类设备虽微化了电路结构 ， 降低了设备成本 ， 但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性 ， 系统的动态性 能和稳定性能不高 ，与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信 ， 并且限制了带负载的容量 ， 因此 ， 在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程 ， 大多采用国外的变频器控制水泵的转速。 对于 水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制 ， 有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现 ， 有的采用单片机及相应的软件予以实现。 但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标方面 ， 还远远没能达到所有用户的要求。 原深圳华为 (现己更名为艾默生 )电气公司和成都希望集团 (森兰变频器 )也 推出了恒压供水专用变频器 ()， 无需外接 PLC 和 PID 调 节器 ， 可完成最多内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 四 台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。 该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现 ， 但其输出接口限制了带负载容量 ， 同时 ， 操作不方便且不具有数据通信功能 ， 因此只适用于小容量 、 控制要求不高的供水场所。 可以看出 ， 目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中 ， 对于能适应不同的用水场合 ， 结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。 因此 ， 有待于进一步研究改善变频 恒压供水系统的性能 ，使其能被更好 地 应用于生活、生产实践。 变频恒压供水系统的 发展 前景 变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的 ， 所以 ， 谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看交流变频调速技术的发展 ， 交流变频调速技术的是建立在电力电子技术基础之上的。 电力电子器件最初是普通晶闸管 ， 它主要是电流控制型开关器件 ， 以小电流控制大功率的变换 ， 其开关频率低 ， 且 只能导通不能自关断。 20 世纪 70 年代 ， 电力电子器件开发 了 电力晶体管 (GTR)和门极关断 (GTO)晶闸管 ， 它是一种电流型自关断的电力电子器件 ， 可以方 便的实现变频、逆变和斩波 ， 为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础。 20 世纪 80 年代 ， 又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管 (IGBT)， 它是一种电压 (场控 )型自关断的电力电子器件 ， 具有在任意时刻用基极 (栅极、门极 )信号控制导通或关断的功能 ， 从而使变频调速技术又向前迈进了一步。 电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来 ， 出现了智能化功率集成电路(IGBT)模块和智能功率模块 (IPM)， 它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能及功率集成电路的大规模化 ， 包括了逻辑控制、功率、保护、传感及 测量的电路功能 ，为交流变频调速技术开辟了新的天地。 电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术 （ SPWM） 的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。 这无疑将推动交流变频调速技术向新的方向发展。 我国的交流变频调速技术虽起步晚 ， 但是已取得了巨大发展 ， 变频技术逐步应用在各个领域 ， 尤其在风机、水泵方面 ， 但同国外仍有一定的差距 ， 我们还要大力发展自己的电力电子技术。 随着 国外交流变频调速技术高速发展 、 工业自动化程度的不断提高和全球 性能源短缺 ， 变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业 ， 并取得显著的经济效益。 尤其在水泵、风机 控制 方面的应用 ， 取得了显著的节能效果 ， 近年来高电压大电流的 SCR、 GTO、 IGBT 等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用 ， 使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 课题来源及本文的主要 研究内容 课题来源 本课题来源于生产、生活供水的实际应用。 主要 研究内容 通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知 ， 变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。 变 频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。 本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升 ， 使系统的稳定性和节能效果进一步提高 ， 操作更加简捷 ， 故障报警及时迅速 ， 同时具有开放的数据传输。 该系统可以用于深井泵恒压供水系统 、 各类型的自来水厂 、 消防用水系统、工业锅炉补水系统 ， 还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。 本文研究的主要内容如下 ： 1. 变频调速恒压供水系统 概况。 主要介绍 该系统的 目的 、 意义 、应用、现状和发展 ，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 同时 还 介绍该供水系统 中 起关键作用的变频调速技术和 PLC 技术及其 特点。 知识。 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理 ，变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析 ， 以及系统调速范围的确定。 3. 供水系统硬件设计及实现。 主要介绍了该恒压供水系统的 功能、结构 组成 、 实现方法 、 设备选型、主电路以及控制电路设计等内容。 4. 软件 系统 设计与实现 主要介绍变频调速恒压供水系统的总体软件流程 、 在STEP7 环境下 开发的 泵组切换程序 、 变频器参数 设置等内容。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 第二章 变频恒压供水自动控制系统 简介 供水系统的基本特性 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供 水系统管路中的阀门开度不变为前提 ， 表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 f(Q)如图 21 所示。 由图可以看出 ， 流量 Q 越大 ， 扬程 H 越小。 由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下 ， 流量的大小主要取决于用户的用水情况 ， 因此 ， 扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量 QV之间的关系。 而管阻特性是以水泵的转速不变为前提 ， 表明阀门在某一开度下 ， 扬程 H与流量 Q 之间的关系 H=f(QV)。 管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。 由图可知 ， 在同一阀门开度下 ， 扬程越大 ，流量也越大。 由 于阀门开度的改变 ， 实际上是改变了在某一扬程下 ， 供水系统向用户的供水能力。 因此 ， 管阻特性所反映的是扬程与供水流量 QG之间的关系 H=f(QG)。 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点 ， 称为供水系统的工作点 ， 如图 中的 A 点。 在这一点 ，用户的用水流量 QV和供水系统的供水流量 QG处于平衡状态 ， 供水系统既满足了扬程特性 ， 也符合了管阻特性 ， 系统稳定运行。 H AQ AA管 阻 特 性扬 程 特 性H ( m )Q ( m 3 / s ) 图 供水系统的基本特性 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 恒压供水系统 的基本构成与 原理简介 人们的生产和生活都离不开用水。 一般在水源离 用水场所较远的场合 ， 需要管道的输送。 将水送到远处或较高的地方 ， 管道中是需要有一定水压的 ， 水泵是产生水压的设备 ， 水泵转动的越快 ， 产生的水压越高。 水压高了 ， 才能将水输送到远处或较高楼层。 而在高层住宅小区里 ， 用户用水的多少是经常变动的 ， 供水不足或供水过剩的情况时有发生。 保持供水的压力恒定 ， 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。 由水泵 — 管道供水原理可知 ， 调节供水流量 ，原则上有二种方法 ， 第一种方法是节流调节 ， 开大供水阀 ， 流量上升 ， 关小供水阀 ， 流量下降。 第二种方法是调速 调节 ， 水泵转速升高 ， 供水流量 ， 增加转速下降 ， 流量降低。 对于用水流量经常变化的场合 ， 采用调速调节流量 ， 具有优良的节能效果。 其优点是 启动 平稳 ， 启动 电流可限制在额定电流以内 ， 从而避免 启动 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 ， 可以消除 启动 和停机时的水锤效应。 在锅炉和其他燃烧油的场合 ， 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。 变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及控制柜等构成。 压力传感器用。