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1、 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 34 页1 1 绪论绪论1.11.1 选题的目的和意义选题的目的和意义稳定的供水是人民生活质量的重要保障之一,但由于城市建设步伐的加快,高层建筑越来越多,使居民的生活存在自来水管管道压力不足的现象,特别是供水的高峰期的高层居民用水尤为突出,给居民的生活带来困惑。所以优秀的供水条件是人们追求高质量生活的必要条件。以往的水塔供水方法有很多缺点和无法改变的诟病，这种方法必须做出更新，不但投资大同时不利于房屋的维护和抗震，此外水箱还容易对水造成二次污染。管网压力不稳定是水塔供水的致命缺点，无法维持正常生活用水的稳定。以前的供水方法已经
2、不能满足正常生活的需要，变频恒压供水控制系统的的方案逐渐突出。随着科技的发展,变频调速技术也迅猛发展起来,用户供水系统也逐步采取变频技术供水来取代以往的水塔供水,先进的变频调速供水方式不仅可以提高用户对供水系统的满意度而且具有显著的节能效果。变频调速供水方案解决了以往供水方式的种种不足，此外还能延长整个供水系统的使用寿命。变频恒压供水控制系统是个闭环控制系统，它是通过检测管道压力，然后利用 PLC 控制变频器的输出频率和多台水泵的启停及工作方式，实现管道的恒压供水。 1.1.2 当今国内外变频恒压供水控制系统发展状况当今国内外变频恒压供水控制系统发展状况变频调速技术经过多年发展，其功能的局限性
3、逐渐缩小，恒压供水在其基础之上也逐渐发展起来。在变频没有应用到恒压供水领域之前，国外生产的变频器功能也非常有限，它也就只能对频率进行控制、对电机的正反转进行控制、对电机升速和降速进行控制以及对启动和制动进行控制。变频器在整个恒压供水控制系统中仅作为被控制单位，它在可编程控制器的控制下输出相应频率。在不同的时间点，用户对用水量的需求也不相同，为了满足用户的用水量的同时，确保管道压力恒定不变，必须在管道内安装压力传感器，压力传感器把管网中的压力反馈到 PID，最终达到 PLC 对压力进行闭环控制的效果。从目前国外恒压供水系统设计的情况来看，国外的设计思路大多数是一台变频器只带一台水泵，基本没有用一
4、台变频器拖动多台水泵机组运行的方式，即一套供水系统需要多台变频器和多台水泵，这样的方式投资成本太高。变频技术被良好的本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 34 页应用在恒压供水设计之后，恒压供水系统也愈变稳定可靠。恒压供水系统的很多优点得到大家认可后，设计人员也逐步提高它的自动化程度。除了高自动化程度、稳定的性能、超高的可靠性以外，它的节能效果被大家发现和认可。在变频恒压供水必将取代以往供水方式的势头下，很多变频器生产厂家开始研发具有变频恒压供水功能的变频器，这样就开发出了变频恒压供水基板，采用这种高集成化的恒压供水模块，就可直接控制数个内置的继电接触器工作，最终可
5、组成多个水泵的变频恒压供水控制系统。这种高集成化的设备虽然缩小了电路结构，降低了设备批量化生产的投资成本，但其输出端口的扩展功能不具有灵活性，整个系统的动态稳定性低，与别的上位机系统和组态软件难以实现数据通信，此外限制了带负载的能力，因此在实际供水应用中，它作用范围将受到很大局限。目前，国内也有很多公司在对变频恒压供水系统进行研发和生产，主要是针对对水管管道压力的闭环控制以及对多台水泵进行轮换控制，一些厂家设计是运用可编程控制器(PLC)和其他模块来实现，还有的一些厂家设计是运用单片机和相应的模块予以实现。这两种变频恒压供水方式在实际应用中看，它的系统动态稳定性、抗干扰性以及各种场合的适应能力
6、等各方面的指标来看，还没有达到理想的状态。这种变频器把 PID 调节和循环逻辑控制模块集成在变频器内部实现，但是它带负载的能力受到极大的限制，此外不具有通信功能是其致命的缺点，因此只适合容量小，控制要求简单的供水场合。高集成化、便捷的操作是当前变频恒压供水系统的发展方向，在国内和国外，很多厂家在生产恒压供水专用变频器，这种变频器集成度非常高，它集成了 PLC 模块和 PID 模块，有的甚至连压力传感器都集成到变频器组件中。简化了维护操作，同时也显著的降低了维护成本。目前国内有很多公司在研发和生产变频恒压供水，他们大多是直接进口应用国外生产的变频器，只有少许是采用国产变频器，但是国产变频也主要进
7、口国外的元件进行组装。通过变频器结合其他控制模块实现变频恒压供水。在如此激烈的竞争中，国产变频器也在迅速的发展。国产变频器主要针对小容量、控制要求低的恒压供水场合，因其低廉的价格在小容量和控制要求低的场合占有相当一部分。当前在国内外变频恒压供水控制系统的设计中，还没有既能适用于各种控制要求，又能承受负载容量大，此外还需有和外界通信功能的系统。目前对水压闭环控制系统研究还不够。因此，要进一步研究，以提高恒压供水系统的性能，使它可以在生活，生产实践更好地利用。本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 34 页本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共
8、34 页2 2 设计方案的确定设计方案的确定2.12.1 任务要求任务要求变频恒压供水控制系统通过检测管网压力，PLC 控制变频器的输出频率，最终使管网的压力恒定。当系统开始工作时，如果管网压力低于设定值，PLC 启动一台水泵，并通过程序控制变频器的运行频率，使其逐渐上升，当管网压力升至设定值时，水泵保持当前运行状态，保持水压恒定在设定值；如果当前水泵运行频率上升到电网工频时，此时管网压力还未达到设定值，此时控制系统自动将此水泵切换至工频电网，启动第二台水泵，并调速至水压达到设定值，是水压恒定。还有一台水泵一般当做备用泵。当用水量变化，当网管压力很低时，管网水压超过设定值，PLC控制变频器逐渐
9、降低输出频率，当变频器输出频率降低至零时，PLC 关闭此台泵，将另一台工频运行的水泵切换到变频运行，调节水压至设定值。2.22.2 任务分析任务分析变频恒压供水控制系统采用一台变频器控制三台水泵，首先用变频器启动一台水泵，当水泵达到工频时，将水泵切换至工频运行，然后用变频器启动下一台水泵。当变频器输出为零时，停止水泵，然后将工频运行的水泵切换至变频运行，由变频器控制。水管压力设定可以在 PLC 程序里设定。水泵由变频切换至工频时，采用先切后头的控制方式。即先停止变频器，使水泵自由停车，然后断开变频器与水泵间的接触器，再接通水泵与工频间的接触器，完成变频到工频的切换。水泵由工频切换至变频时，也采
10、取先切后投的方式。即先断开水泵与工频间的接触器，使电动机处于自由停车状态，然后接通水泵与变频器间的接触器。使用变频器的捕捉再启动功能，使变频器可以跟踪电动机转速，直至变频器输出频率与电动机转速同步，再将电动机调节至设定速度。变频器采用西门子 MM440 水泵、风机专用变频器。PLC 通过程序逻辑控制变频器的启动、停止和调速。2.32.3 工艺流程图工艺流程图程序主要依据压力传感器给定的模拟量输入与设定值进行比较，确定水泵是由变频向工频切换还是由工频向变频切换，变频恒压供水自动运行状态下的逻辑框架如图 2.1 所示。本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 34 页设定压
11、力PID调节变频器水泵水压压力变送器PLC图 2.1 变频恒压供水的逻辑框架图本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 34 页3 3 硬件系统设计硬件系统设计3.13.1 可编程控制器的介绍可编程控制器的介绍可编程控制器(Programmable Controller)，亦可简称 PC，但为了和个人计算机(PC)区分，现多称为 Programmable Logic Controller，简称 PLC。计算机和继电接触器技术的结合有了可编程控制器，其功能包括逻辑控制和定时等，逐渐取代了继电接触器。3.1.1 PLC 的特点PLC 是综合继电器。从继电接触器发展而来，也具
12、有计算机的特点，这就使PLC 的优点更加的明显。(1) 稳定性强PLC 是为了适用工业生产而诞生的，集成电路组成了其内部，并由软件实现控制，外部接线减少，使用更加的方便。另外，硬件和软件采取了一系列提高可靠性和抗干扰性的措施，而且本身也具有自检的功能，因此可靠性高、抗干扰力强、运行稳定。(2) 应用灵活PLC 产品种类繁多，其优点是采用模块式结构，方便扩展和组合，可以更好的满足用户的各种复杂的需要。(3) 编程方便PLC 的编程采用梯形图语言，用户非常容易读懂。且有单独的加强的编程模块，更加地方便使用了。(4) 功能强以及扩展能力强PLC 除了具有一般可编程的控制器具有的功能外。PLC 的通信
13、接口还可与计算机和其他 PLC 联网1，完成信息的交换，使整个系统更加的强大。它不仅可以控制单个作业环节，还可以控制多个作业环节或者一条生产线。远程和现场控制都是可以实现的。(5) 它可以方便的调试和设计PLC 可以进行空闲编程设置，还可以方便地进行模拟量调试。这就远远优于需要现场调试的继电器-接触器控制系统。本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 34 页(6) 维修方便PLC 可以进行自诊断，就大大减少了人工。自诊断可以让维修人员很快地找到故障部位，并迅速地排除故障。(7) 便于组装PLC 体积轻巧的特点让其易于运输和安装。通过电气控制方式实现 PLC 的强大功能
14、就大大减少机械结构的设计2，为实现机电一体化奠定了基础。3.1.2 PLC 的组成PLC 包括微机技术和控制技术，使之具有与一般微机系统相类似的特点。如图 3.1所示是 PLC 的基本组成。存储器(ROM/RAM) 系统程序+用户程序中央处理器 CPU外 部 设 备 接 口扩 展 接 口输入接口电源输出接口I/O 扩 展 模 块输入设备输出设备PLC 编程器 监控设备 外存储器 打印机 条码读入器图 3.1 PLC 的基本组成(1) 中央处理单元(CPU)CPU 是核心。不同机型的 PLC 配置不同的 CPU。小型 PLC 和中型 PLC 分别用的是 8 位通用微处理器和 16 位通用微处理器
15、3。但是大型 PLC 则主要采用高速位片式处理器3。其主要特点是(a) 用户程序和数据输入到编程器再传给 PLC。(b) 可以对电源、内部电路的进行工作故障和语法错误的诊断。(c) 输入映像寄存器或数据寄存器中存放现场传给输入接口的现场数据或状态。(d) 执行用户程序。本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 34 页(e) 执行结果，更新状态，由输出单元控制。(2) 存储器单元存储器主要有两种：一种是既可读又可以写的存储器 RAM；另一种是只读存储器 ROM、PROM、EPROM、EEPROM。系统程序是在生产 PLC 时编辑在硬件上的，为 PLC 的运行提供平台，用
16、户是无法修改和访问的4。PLC 的控制对象决定用户程序，用户根据生产要求编制应用程序。干扰对 RAM中程序有破坏，为减少破坏可将其固化在只读存储器 EEPROM5。现在 EEPROM 作为用户存储器也是 PLC 中较常见的。(3) 存储器单元电源单元把电源转换后提供给 PLC。当然也有电源单元作为负载电源，由 PLC的 I/O 接口把直流 24V 电源提供给负载。开关电源长作为 PLC 的常用电源，有较宽的输入电压，较强的抗干扰能力。电源单元隔离了输入与输出，是为了外界的扰动不影响 PLC 的正常工作。(4) 输入/输出单元PLC 通过输入接口检测到控制对象的数据和状态，PLC 也通过输出接口6把结果传给被控对象，达到目的。(5) 接口单元扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口组成了接口单元。I/O 单元也是接口单元，以电信号联系
