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1、毕业设计恒压供水系统设计系 部：专 业： 班 级：姓 名：学 号：联系电话：指导老师：目 录 摘 要- 3 -第一章 绪 论- 4 -1.1 课题设计背景- 4 -1.2 课题研究的目的和意义- 4 -第二章 恒压供水基本原理- 7 -2.1 供水系统简介- 7 -2.2 恒压供水基本原理- 7 -2.2.1 恒压供水原理- 7 -2.2.2 系统结构框图设计- 8 -2.2.3 恒压供水的优点- 9 -第三章 恒压供水系统元件选择- 11 -3.1 变频恒压供水系统的组成- 11 -3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构- 11 -3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案- 12 -3.1.3
2、系统主要设备的选型- 13 -3.2 PLC及其扩展模块的选型- 14 -3.3 变频器的介绍- 15 -3.3.1 选择变频器规格- 15 -3.3.2 开关指令信号的输入- 17 -3.3.3 变频器与PLC的连接- 17 -3.4 传感器- 19 -第四章 恒压供水系统电路设计- 21 -4.1 系统主电路分析及其设计- 21 -4.2 系统控制电路分析及其设计- 22 -4.3 PLC的I/O端口分配及外围接线图- 24 -4.4 PLC程序设计- 27 -4.4.1 控制系统主程序设计- 27 -4.4.2 控制系统子程序设计- 31 -4.5 PID设计- 34 -4.5.1 PI
3、D控制- 34 -4.5.2 恒压供水PID调节过程分析- 35 -4.5.3 PID控制器的应用- 36 -第五章 总 结- 38 -5.1 全文总结- 38 -5.2 研究展望- 38 -致 谢- 39 -参 考 文 献- 40 -摘 要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套PLC控制的变频调速恒压供水系统。恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。共三台电机，其中由一台变频器拖动两台电动机的起动、运行与调速，一台电机备用。控制系统中采用德
4、国SIEMENS公司的S7-200可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由FB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。第一章 绪 论1.1 课题设计背景随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤
5、其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的
6、供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。1.2 课题研究的目的和意义众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为
7、时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优缺点如下： 1、恒速
8、泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高
9、、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面几种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和
10、工业系统中的用水。目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗1。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、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，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所
11、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重要的现实意义。第二章 恒压供水基本原理2.1 供水系统简介 自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水系统
12、中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。2.2 恒压供水基本原理2.2.1 恒压供水原理对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：供水能力QG用水需求QU，则压力上升；供水能力QG用水需求QU，则压力下降；供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压
13、力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。2.2.2 系统结构框图设计采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入经运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压
14、力信号(420mA)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解
15、决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。 图2.1为恒压供水的系统构成框图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2.1 系统结构框图调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来管网水压的实测值和根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行
