恒压供水系统设计大学论文
恒压供水系统设计
题目：恒压供水
学期：15-16-1
班级：电气1331
姓名：钱基恒
学号：189
指导老师：叶晓燕
本系统通过PLC、变频器包含水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的变频调速。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
关键词： PLC 变频调速恒压供水工、变频转换
第一章我们所选择的恒压供水系统 (1)
1.1 恒压供水系统的基本介绍 (1)
1.2 恒压供水系统的特点及优势 (2)
第二章恒压供水系统 (4)
2.1 恒压供水的意义 (4)
2.2 变频恒压供水系统 (5)
2.3 变频恒压供水系统原理图 (6)
第三章恒压供水控制系统元件选型及使用 (7)
3.1 恒压供水系统的元件明细表 (7)
3.2 恒压供水系统的元件选型及使用 (8)
3.2.1 水泵电机的参数 (8)
3.2.2 交流接触器 (8)
3.2.3 变频器 (9)
3.2.4 触摸屏 (10)
3.2.6 压力变送器 (11)
3.2.7 中间继电器 (11)
3.2.8 空气开关 (11)
3.3 变频器的使用 (12)
3.3.1 变频器的复位 (12)
3.3.2 变频器的参数设置 (12)
3.3.3 变频器的端子说明 (13)
3.3.4 BOP操作面板的使用说明 (15)
3.4 PLC的选型与设置 (16)
3.4.1 PLC各部分简介 (17)
3.4.2 PID控制原理 (18)
3.4.3 PID调节原理 (19)
3.4.4 PID控制器调试方法 (20)
3.4.5 S7-300 CPU模块操作 (21)
3.4.6 S7-300的开关量输入模块 (23)
3.5.7 S7-300的I/O地址分配 (24)
3.5.8 模拟量寻址 (25)
第四章PLC与触摸屏组态 (26)
4.1 PLC程序的硬件组态 (26)
4.2 触摸屏的组态 (34)
附录 (40)
致谢 (45)
参考文献 (46)
第一章我们所选择的恒压供水系统
1.1 恒压供水系统的基本介绍
本次主要讨论一台电机控制液位的实现，会用到的元器件有PLC，变频器，传感器。供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。主要是将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。
主要内容是综合运用所学的学课程的知识，通过对PLC、变频器的来熟悉掌握，培养分析问题和解决问题的能力，从而进一步巩固，加深和开阔所学知识。同时通过设计计算，绘图及运用技术标准，规范，PLC设计手册，变频器的相关参数等有关资料，熟练掌握公式编辑器，AutoCAD绘图，MCGS编程，全面掌握恒压供水系统。
变频调速系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，在通过控制器调节变频器的输出，无极无极调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。
1.2 恒压供水系统的特点及优势
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。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。不少公司在从事进行变频恒压供水的推广，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。
恒压供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
（1）维持水压恒定;（2）控制系统可手动/自动运行;（3）调整PID 参数;（4）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势:
（1）恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
（3）水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。
（4）实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
第二章恒压供水系统
2.1 恒压供水的意义
恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用正艺恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。
随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水
箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
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。主要表现在用水高峰期，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；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水
设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启／停电机的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。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。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。
2.2 变频恒压供水系统
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CPU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。恒压供水就是利用变频器的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力信号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。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。
2.3 变频恒压供水系统原理图
图2.3 变频恒压供水系统原理图
注：ACM为模拟信号公共端；IRF为模拟电流输入端子。
第三章恒压供水控制系统元件选型及使用3.1 恒压供水系统的元件明细表
3.2 恒压供水系统的元件选型及使用
3.2.1 水泵电机的参数
水泵电机的型号：DW2-20/037，额定功率：0.37Kw，额电压：220V/380V ，额定电流：0.95A ，额定转速：2800r/min ，额定频率：50Hz 极数：2极
选择时应注意以下两点：
(1)电动机功率选得过小，就会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)电动机功率选得过大，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。
3.2.2 交流接触器
功能：交流接触器主要由四部分组成:(1) 电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。
工作原理：当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时动
作,主触点闭合,和主触点机械相连的辅助常闭触点断开，辅助常开触点闭合，从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,和主触点机械相连的辅助长闭触点闭合，辅助常开触点断开，从而切断电源。
3.2.3 变频器
变频器的作用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行，以达到省电的目的。同时变频器的作用可以降低电力线路电压波动，因为电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工
作异常。采用了变频器后，变频器的作用能在零频零压时逐步启动，这样能最大程度的消除电压下降，发挥更大的优势。
变频器的作用功能：(1).可以减少对电网的冲击，就不会造成峰谷差值过大的问题。(2).可以加速功能可控，从而按照用户的需要进行平滑加速。(3).电机的和设备停止方式可控，使整个设备和系统更加安全，寿命也会相应增加。(4).控制电机的启动电流，充分降低启动电流，使电机的维护成本降低。(5).可以减少机械传动部件的磨损，从而降低采购成本,同时可以提高系统稳定性。(6).降低了电动机启动电流，提供更可靠的可变电压和频率。(7).有效的减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。(8).优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。(9).多重保护使变频器高度智能化，不仅能保护自身的安全正常使用，也大大保护了前后级设备的安全运行。(10).控制功能齐全，可以很好的配合其
他控制设备和仪器，实现系统化组网的集中实时监视和控制，一体化开发，为用户节省了选型的麻烦系统兼容性的问题节约了成本。
型号:SAMCO-VM05；数量：1个；电压：380-460V ；频率：50/60Hz；输出电流：5.5A ；电动机最大功率：2.2Kw ；过载：120％1min。
3.2.4 触摸屏
型号：TPC1062KS;输入：24V DC/300mA max；环境：0℃-45℃；数量：1个。
3.2.5 直流稳压电源
直流稳压电源的作用：(1)电源稳压设备：电源稳压设备的作用是将交流220V的电压变为所需的电压值，然后通样的电压还随电网电压波动、负载何温度的变化而变化。(2).滤波电路：滤波电路用于滤去输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。（3）稳压电路：稳压电路的作用是当电网电压波动、负载何温度变化时，维持输出直流电压稳定。
型号:S-25-24，频率：50HZ，输出功率:24W。
输出直流输出电压:24V；输出电压容差:±1%；额定输出电流:1A；输出电流范围:0~1A输出功率:24W；纹波及噪音音:120mvp-p；电压可调范围:±10%。保护特性:过载保护；额定输出功率的105%~135%启动过载保护；保护方式：折层型电流限制，异常条件移除后可自动恢复；
3.2.6 压力变送器
作用：压力变送器是恒压供水系统中非常重要的仪表，它将检测到的供水管网压力变送为4-20mA电流型号输入到PLC，与压力设定值比较后经PID调节，讲比较后的值输入到变频器，然后控制电动机的运行频率，从而调整供水量，实现恒压供水。
工作原理：当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路，将这微小的形变转换成为与压力成正比的高度线性与电压成正比的电压信号，然后采用专用芯片将这个电信号转换为工业标准（4~20mA）
3.2.7 中间继电器
用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。型号：RXM2LB1BD；数量：7个；电压：24VDC ；5A/250V AC
3.2.8 空气开关
又名空气断路器，是断路器的一种。只要电路中电流超过额定
电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。
3.3 变频器的使用
3.3.1 变频器的复位
启动变频器，将参数Cd099，设置为1，按下确认键，显示屏闪烁时按下向上的键，再等待一段时间后，变频器会恢复出厂设置。
3.3.2 变频器的参数设置