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1、河北科技大学河北科技大学继续继续教育学院教育学院 毕 业 论 文 学生姓名学生姓名: 康志英康志英 学学号号: 院院 站：站： 电电气学院气学院 学习形式：学习形式： 函授函授 层层 次：次： 本科本科 专专 业：业： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 题题 目目: PP在恒压供水中的应用在恒压供水中的应用 指导教师指导教师: 薛增涛薛增涛 评阅教师：评阅教师： 薛增涛薛增涛 2011 年 11 月 19 日 毕毕 业业 论论 文文 中中 文文 摘摘 要要 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一个重要方面,供水可靠性
2、、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；具体分析了变频恒水压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。 进行了控制系统的主电路
3、设计,控制电路设计。对输入输出点进行了统计，共 有3 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 S7200 系列(U22)的C 和30 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7-200 完成，PID 控制由变频器的内置 PD 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，利用LSI仿真软件进行了仿真，仿真的 结果表明了设计程
4、序的正确性。利用了 WinCC 组态软件设计了高楼变频恒压供水 控制系统的界面，界面可动态反映水泵变频供水的工作状态。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。 关键词关键词：恒压供水,变频调速，PLC，设计，仿真 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 .1 引言 . 1. 本课题产生的背景和意义2 1.3 变频恒压供水的现况 . 14 本人的主要工作 . 第二章第二章 变频恒压供水的理论分析变频恒压供水的理论分析5 5 21 水泵的工作原理 .5 2.2 供水电机的搭配5 2 水泵的调节方式6 24 恒压供水系统的能耗分析7 供水系统的安全性问题9 第三章第三章 变
5、频恒压供水控制系统硬件的设计变频恒压供水控制系统硬件的设计2 2 3.变频恒压供水控制系统的构成方案2 3 变频恒压供水系统的控制方案31 33 供水设备的选择原则 . 4 参数的计算与供水设备选型 .16 . PL的选型 . 3.6 系统硬件线路设计 .21 3.7PID 参数的预置22 第四章第四章 变频恒压供水控制系统软件的设计变频恒压供水控制系统软件的设计4224 4.1常用编程方法4 4.2编程软件的简单介绍72 3恒压供水系统梯形图的设计 .28 .4程序的仿真与调试 .2 .5 恒压变频供水系统的INC 界面设计 .3 .6 经济效益分析14 第五章第五章 总结与期望总结与期望
6、.4242 5.总结24 5.2展望4 致致 谢谢 参考文献参考文献5445 第一章 绪论 1.11.1 引言引言 水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中,基 本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动，把 供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量，如 果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗， 将具有重要经济意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工 程规模上也有一定水平,但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国 外先进水平相比,还有一定的差距。 随着社会经济的迅速发展
7、，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断 提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定,因为水压恒定于某些 工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应， 不能迅速灭火,会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的， 因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上: 用水多而供水少,则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的 水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量， 也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、 空气压缩
8、机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制 技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水,不仅能达到比较明显的节能效果, 提高供水企业的效率,更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频 恒 水压供 水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供 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; 同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压 供水系统(简称变频恒压供水，如图 1.2),对于提高企业效率以及人民的生活水平， 同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 蓄水
9、池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 变频器 PLC 图1.1 传统供水机示意图 图1.2 变频供水机示意图 .2.2 本课题产生的背景和意义本课题产生的背景和意义 我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术 一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/ 停电机控制和水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的，而且对电网中其 他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。 而变频调速式的运行十分稳定可靠,没有频繁的启动现象，启动方式为软启动,设 备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染 的
10、危险。由此可见,变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、 节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势,具有广阔的应用前景 和明显的经济效益与社会效益。 .3.3 变频恒压供水的现况变频恒压供水的现况 1.3. 国内外变频供水系统现状 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。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
11、要采用进口元件组装或直接进口国外变频器,结合 PC 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。 .32 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按所使用的范围大致分为三类: ()小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加 压站,特点是变频控制的电机功率小,一般在 135kW 以下，控制系统简单。由于 这一范围的用户群十分庞大,所以是目前国内研究和推广
12、最多的方式。 () 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变 频器、电机功率在 135kw320k之间，电网电压通常为 220或 380V。受中 小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3）大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大 于2kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器 要求较高,多数采用了国外进口变频器和控制系统。 目前,国内除了高压变频供水系统,多数变频供水系统均声称只要改变容量就 可以通用于各种供水范围，但在实际运用
13、中，不同供水环境对变频器的要求和 控制方式是不一致的,大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂 的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求,现部分中 小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完 善123。 1.41.4本人的主要工作本人的主要工作 本课题主要通过研究 PC 来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟 悉了 PLC 的工作原理，编程原理以及编程方法。进行了控制系统的主电路设计、 控制电路设计,系统的控制设备选用7200 系列的C(CP222)，变频器选 用西门子泵类专用的变频器M4。进行了控制程序（梯形图)的设计。在 控制过程中
14、,电控系统由 S720 完成,PI控制由变频器完成。最后，对变频 恒压供水系统进行调试,对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护 管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。 第二章第二章 变频恒压供水的理论分析 2 21 1 水泵的工作原理水泵的工作原理 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
15、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5。 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
16、机的搭配供水电机的搭配 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: () 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“小马拉小车”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 1 p 6(W)： P (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。 2.2.水泵的调节方式水泵的调节方式 水泵的调速运行,是指水泵在运行中根据运行环境的需要,人为的改变运行工 作状况点(简称工况点)的位
