变频恒压供水系统课程设计说明书(编辑修改稿)

变频恒压供水系统课程设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有颇为重要的现实意义。 武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 3 第 2 章 变频恒压供水系统的模型设计 变频恒压控制理论模型 变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。 设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。 所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。 从图 21中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和 变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。 该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。 如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。 同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 图 21 变频恒压控制原理图 变频恒压供水系统概述及方案选择 从变频恒压供水的原理分析和设计要求可知 ，该系统主要由 PLC、变频器、压力传感器（内含变送器）、异步电机、水泵和相应管路组成。 变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。 通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流变频器 水泵 用户管网 压力 压力变送器 给定值 + 武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 4 量而实现恒压供水的。 因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。 异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 系统的构成框图如图 22 所示。 P L C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 22 系统构成框图 由前文可知，变频调速供水方式分为三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 在考虑所设计系统的前提下，结合这三种供水方式的特点分析可知，选择水泵出口恒压控制能取得最佳费效比。 （所设计系统较小，且只要求系统平时保持低恒压值运行，消防供水时系统应保持高恒压值运行，故出口压力波动不会太大。 ） 武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 5 第 3 章 变频恒压供水系统的硬件设计 PLC 概述及选型 可编程控制器的定义 可编程控制器，简称 PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 在 1987 年国际电工委员会 (International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 :“ PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩 展其功能的原则而设计。 ” PLC 的发展和应用 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 (DEC)研制的。 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。 20 世纪 70 年代 初出现了微处理器。 人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。 为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。 此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20 世纪 70 年代中末期， 可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。 更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20 世纪 80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。 这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。 这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制 器的国家日益增多，产量日益上升。 这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。 从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 6 力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。 目前， PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三 大支柱之一。 西门子 S7300PLC 简介 西门子 S7300 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。 各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。 与 S7200 PLC 比较， S7300 PLC 采用模块化结构，具备高速（ ）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 S7300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。 （ SIMATIC 人机界面（ HMI）从 S7300 中取得数据， S7300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。 S7300 操作系统自动地处理数据的传送。 ） 西门子 S7300操作系统 能 自动地处理数据的传送； CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改； S7300 PLC 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。 具备强大 的通信功能， S7300 PLC 可通过编程软件 Step 7 的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。 S7300 PLC 具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接 ASI 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（ MPI）集成在 CPU中，用于同时连接编程器、 PC 机、人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。 在此，因为设计任务要求我们采用西门子 S7300 可编程控制器实现系统逻辑控制，故不再对选型原因进行讨论。 武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 7 供水设备的选择 供水设备的选择 三台 水泵喝三台电机 变频器概述及选型 变频器的基本结构 变频器是把工频电源 (50Hz 或 60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。 变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。 控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。 对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应 的电路。 变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、 PWM 控制变频器和高载频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 变频器的控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 V/f 协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f 控制 (2) 转差频率控制 (3) 矢量控制 (4) 直接转矩控制 (5) 最优控制 武汉理工大学《机电传动及控制》课程设计 — 变频恒压供水系统 8 变频器的选型 由于本设计中 PLC 选择的是西门子 S7300型号，为了方便 PLC 和变频器之间的通信，本来我们准备选择西门子的 MicroMaster430变频器（西门子的变频器可以通过RS485通信协议和接口直接与西门子 PLC 相连，更便于设备之间的通信）。 但是如果应用西门子的 MM430变频器，如何解决生活供水时系统低恒压值运行状态和消防供水时系统高恒压值运行状态之间的转换就成为了一 个让人头疼的问题，但是在查阅资料的过程中意外发现了同样基于串行口 RS485通信协议的新 风光 JDBP32XF 型供水变频器。 JDBP32XF 型是山东新风光电子公司推出的专用于供水变频器，使用空间电压矢量控制技术适用于各类自控场合。 在恒压供水中可以采用这类变频器。 JDBP32XF 型变频器除具有变频器的一般特性外，还具有以下特性：水压高、水压低输出接口，变频器运行上限、下限频率（可以任意设定），可以方便地进行双压力控制，内置智能 PI控制，以上功能非常适用于供水控制要求。 故而采用新风光 JDBP32XF 型供水变频器代替了略显呆板的 MM430变频器。 根据系统功率要求， 本例直接采用西门子 USS 协议变频器 . 压力传感器概述及选型 压力传感器的选型 压力传感器用于检测管网中的水压，在此设计中因为我们采取水泵出口恒压控制，故将压力传感器装设在泵站的出水口，压力传感器的作用是将水管中的水压变化转变为1～ 5V 或 4～ 20mA 的模拟量信号，作为模拟输入模块 (A/D 模块 )的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用 4～ 20mA 输出压力变送器。 同时根据查找。