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1、天津理工大学自动化学院专业设计报告题目：恒压供水控制系统的设计学生姓名周延届2011指导教师杨顺峰系统硬件设计学号班级 电气07-2专业电气工程及其自动化说明1. 专业设计文本材料包括设计报告、任务书、指导书三部分，其中 任务书、指导书由教师完成。按设计报告、任务书、指导书顺序 装订成册。2. 学生根据指导教师下达的任务书、指导书完成专业设计工作，合 作完成的专业设计，要在设计报告概述中明确说明分工。3. 设计报告内容建议主要包括：设计概述、设计原理、设计方案分 析、软硬件具体设计、调试分析、总结以及参考资料等内容，不同 类型的设计可有所区别。4. 设计报告字数应在 3000-4000 字，图
2、纸设计应采用电子绘图、且 符合相应国标，文字规范借鉴参考毕业设计要求。5.专业设计成绩由平时成绩（50%）、报告成绩（30%）和答辩成绩（20%） 组成。专业设计应给出适当的评语。专业设计评语及成绩汇总表目录第一章 绪论1绪论1变频恒压供水系统的研究现状3本课题的主要研究内容4第二章 系统的理论分析及控制方案的确定 5变频恒压供水系统的理论分析5变频恒压供水系统理论方案的确定第三章系统的硬件设计系统主要设备的选型7系统主电路分析及其设计9PLC的丨/0端口分配及外围接线图10第四章系统的软件设计13系统的软件设计分析13PLC程序设计15第一章 绪论绪论随着社会的发展和进步，城市建筑的供水问题
3、日益突出，一方面 要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要 求供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方 面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是 PLC 控制的恒 压无塔供水系统。恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒 压控制即双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以 PLC 为主机 的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。传统的供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水 箱供水、液力耦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) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时
4、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) 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、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。(3) 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
5、，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。(4) 液力耦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4 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 的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可
6、 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。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，所以研究设计该系统，对于提高企业
7、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。下面是一个四泵生活/消防的双恒压无塔供水系统。如图 1 所 示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀MB1，它们自动把 水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的 高/低水位信号也直接送给PLC,作为低水位报警用。为了保证供水的 连续性水位上下限传感器高低距离不是相差太大。生活用水和消防用 水公用四台泵，电磁阀 MB2 平时处于失电状态，关闭消防管网，四台 泵根据生活用水的多少，按一定逻辑控制运行，使生活用水在恒压状 态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀 MB2 得电， 关闭生活用水管网，四台泵供
8、消防用水使用，并根据用水量的大小， 使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后， 四台泵在改为生活供水使用。3工忑j半吩MHI EGBGl水池图 生活/消防双恒压供水系统工艺流程图对四泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统应在低恒压值运行，消防供水时系统应在 高恒压值运行；（2）四台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退 出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过三小 时，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免 某一台泵工作时间过长；（4）四台泵在启动时要具有软启动功能；（5）要有完善的报警功能；（6）对泵的操作要有手
9、动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。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、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护 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 压力控制器和压力传感器，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
10、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不高，与别的监控系统（如BA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3。目前国内有不少公司在做变频恒压
11、供水的 工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，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 来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都 希望集团也推出了恒压供水专用变频器22kw），无需外接PLC和PID 调节器，可完成最多 4 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
12、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、网络和通讯技术同时兼顾 系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得 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 能被更好的应用于生活、生产实践。本课题的主要研究内容本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结 合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，保证了整个系统运行可靠， 安全节能，获得最佳的运行工况。PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压 力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整
13、的闭环调节系统，本设 计中有 4 个贮水池，4 台水泵，水泵的启停。它的设计要求：（1） 根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时 启动一个水泵，10s后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时。 切断一台水泵，10s后高压信号仍存在，切断下一台。（2 ）恒压供水系统主要是由 4 个水泵完成对主管道供水压力的维 持，考虑到电机的保护，要求 4 台水泵的运行时间和频率尽可能一致。 也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断 时则先停止运转时间最长的那台。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、 PLC 选型，估算所需 I/O 点数，进行 I
14、/O 模块选型，绘制系统硬件连 接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图，分配I/O点数，列出I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试 和修改。第二章 系统的理论分析及控制方案确定变频恒压供水系统的理论分析水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：n 二 60f（1_ s）p式中：f表示电源频率，P表示电动机极对数，S表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(1) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显 著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大， 即变速时转速变化
15、较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生 产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调 速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速 性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成 本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及 特点。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速 n 基本 上与电源频率 f 成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动 机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。 随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频 调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。变频恒压供水系统控制方案的确定恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、 水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使 变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水 泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行 数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可 供选择：
