毕业设计(论文)-基于PLC的高楼恒压供水系统设计
毕业设计报告(论文)
报告(论文)题目：基于PLC的高楼恒压供水系统的设计
作者所在系部：机械工程系
作者所在专业：测控技术与仪器
作者所在班级：
作者姓名：
作者学号：
指导教师姓名：
完成时间： 2012.6
北华航天工业学院教务处制
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstact (Ⅱ)
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 本课题产生的背景和意义 (2)
1.3 变频恒压供水的现况 (2)
1.3.1 国内外变频供水系统现状 (2)
1.3.2 变频供水系统应用范围 (3)
1.4 本论文的主要工作 (3)
第二章变频恒压供水的理论分析 (5)
2.1 水泵的工作原理 (5)
2.2 供水电机的搭配 (5)
2.3 水泵的调节方式 (6)
2.4 恒压供水系统的能耗分析 (7)
2.5 供水系统的安全性问题 (9)
2.5.1 水锤效应 (9)
2.5.2 水锤效应的产生原因 (9)
2.5.3 水锤效应的消除 (10)
2.5.4 延长水泵寿命的其他因素 (10)
第三章变频恒压供水控制系统硬件的设计 (12)
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案 (12)
3.2 变频恒压供水系统的控制方案 (13)
3.3 供水设备的选择原则 (14)
3.4 参数的计算与供水设备选型 (16)
3.4.1 水泵的参数计算与型号的选择 (16)
3.4.2 变频器的选择 (17)
3.4.3 压力传感器的选择 (18)
3.4.4 水位传感器的选择 (19)
3.4.5 其他低压电器的选择 (19)
3.5 PLC的选型 (19)
3.5.1 I/O点的统计 (20)
3.5.2 PLC选型的基本原则 (20)
3.5.3 I/O的分配 (21)
3.6 系统硬件线路设计 (21)
3.7 PID调节 (23)
3.7.1 PID控制原理和特点 (23)
3.7.2 PID参数的预置 (24)
第四章变频恒压供水控制系统软件的设计 (26)
4.1编程软件的简单介绍 (26)
4.2恒压供水系统程序的设计 (27)
4.2.1梯形图的设计 (27)
4.3程序的仿真与调试 (34)
4.3.1 仿真软件的简介 (34)
4.3.2 恒压供水系统程序的仿真调试 (35)
第五章总结与期望 (40)
5.1总结 (40)
5.2展望 (40)
参考文献 (41)
致谢 (44)
附录 (45)
语句表 (45)
第一章绪论
1.1 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，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。
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蓄水池电机
水泵阀门
供
水
主
管
网蓄水
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
1.2 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。
1.3 变频恒压供水的现况
1.3.1 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，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 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
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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。
1.3.2 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:
(1) 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最多的方式。
(2) 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135kV～320kW之间，电网电压通常为220V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320kW)、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。
1.4 本论文的主要工作
本课题主要通过研究PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计了解并熟悉了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S7-200系列的PLC（CPU222），变频器选用西门子泵类专用的变频器MM430。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由S7-200完成，PID
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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。
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第二章 变频恒压供水的理论分析
2.1 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2.1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。 12
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51-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:
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(1) 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“大马拉小车”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)p 1（kW ），可按式(2.1)计算所需电动机的功率p (kW)： ()211p ηηp = (2-1)
式中，η1为生产机械的效率，η2为电动机的效率，即传动效率。
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。
2.3 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)的位置，使流量、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。
水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下：
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水泵的调节方式调压调速异步电机转子串电阻调速异步电机的变极调速
异步电机的串极调速
变频调速液力耦合器的变速调节
油膜转差离合器的变速调节
电磁转差离合器的变速调节
改变传动装置
改变原动机的转速节流调节
混流式，轴流式泵的动叶调节
改变泵的运行台数调节
恒速调节变速调节
2.4 恒压供水系统的能耗分析
在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及阀门调节。
(1) 阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速保持不变。
阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的要求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但是扬程特性不变。
如图 2-3所示，设用户所需流量Q X 为额定流量的60%(即Q X =60%Q N )。当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至E 点，这时，流量减小为Q E (=Q x )；扬程增加为H E ；供水功率P C 与面积ODEJ 成正比。
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J K O G E
N
①②③
④
C Q H 阀门关小
阀门全开转速下降
稳定转速
QE QN D A
图2-3 调节流量的方法与比较
(2) 恒压控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，也称为转速控制法。
转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的要求。当水泵的饿转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性不变。
以用户所需流量等于60%Qn 为例，当通过降低转速使得Qx=60%Qn 时，扬程特性仍为曲线②，故工作点移向C 点。这时流量减小为Q E （=Qx ），扬程减小为Hc ，供水功率P C 与面积0DCK 成正比。
比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量(Qx<100%Q N )的情
况下，转速控制时的扬程比阀门控制方式小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差△P 便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ 成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果最基本的方面。
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但是扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Q G 表示）和用水要求（由流水量Q U 表示）之间的平衡情况有关。
如：供水能力Q G >用水需求Q U ，则压力上升（P ↑）；
如：供水能力Q G <用水需求Q U ，则压力上升（P ↓）；
如：供水能力Q G=用水需求Q
，则压力上升（P不变）。
U
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使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，这就是恒压供水所要达到的目的。
2.5 供水系统的安全性问题
2.5.1 水锤效应
异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。
2.5.2 水锤效应的产生原因
产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2-4a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩T
(即两者之差)。
J
9
10
1
2n T 0n T 02
1T J T J
T N T N
（a ）全压启动 （b ）变频启动
图2-4 水泵的全压启动与变频启动
在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩T J
T J =T M -T L
由图2-4a 可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。
2.5.3 水锤效应的消除
采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2-4b 命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。
在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。
2.5.4 延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:
(1) 叶片承受的应力大为减小。
(2) 轴承的磨损也大为减小。
所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。
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