1、存档日期： 存档编号： 江 苏 师 范 大 学 科 文 学 院本科生毕业论文（设计）论 文 题 目： 变频恒压供水系统的实现 姓 名： 刘 凯 歌 系 别： 机电工程系 专 业 ： 自 动 化 班 级 、 学 号 ： 科 08 自动 088319114 指 导 教 师： 刘 丽 俊 江苏师范大学科文学院教务部印制摘 要随着社会的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求也在不断提高。使用先进的自动化控制技术和通信技术，设计高性能、高质量、适应能力强的供水系统是适应社会发展的必然要求。本文在总结国内外供水系统的基础上并结合我国中、小城市用水现状，设计了一套以变频调速技术为基础变频恒压供水系统。 本
2、文通过分析变频恒压供水系统的原理及构成，提出了系统的控制方案；水泵机组由三台水泵并联而成，使用变频器或工频电网供电。采用 PLC 实现水泵的切换和控制变频器输出频率的大小。管网水压信号由压力传感器变换成电信号送入PLC，经 PLC 内部的 PID 指令运算处理后获得最佳控制参数，经 D/A 转换后送给变频器的频率控制端子,以此改变变频器的输出频率进而改变水泵电机的转速。当变频器的输出频率达到频率上、下限时，就要依靠 PLC 完成水泵的切换，从而实现系统的恒压供水。水泵切换采用“先启先停”的原则，即当变频运行状态下的水泵工作在50HZ，且管网出水口的水压仍低于额定水压时，就将该水泵切换到工频电网
3、下，同时启动下一台水泵变频运行；当变频运行状态下的水泵工作在频率下限，且管网出水口的水压仍高于给定水压时，就停止最早工作在工频电网下的水泵。在此基础上采用 RS232数据线实现 MCGS 组态软件和 PLC 之间的数据通信，来完成供水系统的远程监控。通过系统调试，所设计的供水系统很好的实现了管网水压的恒定，以及在上位机可以实时监控到整个系统的运行状况。关键词： 变频器 恒压供水 MCGS 组态软件 PLCAbstractWith the development of society, people pay more attention on the quality and reliabilit
4、y of the water supply systems . The use of advanced automatic control technology and communication technology, The system of water supply which is of high performance,high quality and strong ability is adapted to the requirement of social development. Based on both the system of water supply of home
5、 and abroad and the use of water in small city,the paper design a set of variable frequency constant pressure water supply system, based on the speed control technology of variable frequency.The paper, through the analysis of principle and structure of variable frequency constant pressure water supp
6、ly system, put forward a own control scheme. Pump unit which is composed by three water pumps can use frequency converter or power frequency to supply power and PLC to achieve the pump switch and control the size of the inverter output frequency. Pipeline water pressure signals from the pressure sen
7、sor is transformed into electrical signal into PLC, and then the optimal control parameters is obtained after the processing of PLC inside the PID instruction. The optimal control parameters is transformed into the frequency converter control terminal by D/A conversion, and the inverters output freq
8、uency and the pump motor speed are changed. When the inverters output frequency is to its upper or lower limit, PLC will achieve the pump switch , realizing the constant pressure water supply system. Water pump switch adopts the principle of first start first stop.When the operation frequency of the
9、 water pump is under the pump working frequency of 50HZ, and the network outlet pressure is lower than the rated pressure, the pump is switched to the power frequency, and start the next water pump of frequency conversion operation. When the operation frequency of the water pump is 20HZ, and the pip
10、e network water outlet pressure is still higher than the rated pressure, stops the earliest pump which is working in the power grid.The data communication between the MCGS configuration software and PLC is realized by Using RS232 data line to complete the remote monitoring of the water supply system
11、.Key words: Inverter Constant pressure water supply MCGS PLC目 录摘 要. Abstract.1 绪论.11.1 课题研究的背景与意义.11.2 变频恒压供水系统的现状和发展.11.3 本文研究的主要内容.22 变频恒压供水系统的节能原理.42.1 供水系统的几个主要参数.42.2 供水系统的基本特性与工作点.42.2.1 供水系统的基本特性.42.2.2 供水系统的工作点.62.3 水泵变频运行的节能原理.63 变频恒压供水系统的方案论证.83.1 传统供水系统与变频恒压供水系统的比较.83.2 变频恒压供水系统控制方案的确定.93
12、.3 系统被控变量的确定.104 变频恒压供水系统的硬件设计.114.1 变频恒压供水系统的构成.114.2 系统硬件选择.124.2.1 水泵选型.124.2.2 变频器选型.12 4.2.3 PLC 的选型.134.2.4 PLC 模数转换模块的选型.144.2.5 压力传感器选型.164.3 变频恒压供水系统的主电路设计.184.4 PLC 外部接口电路的设计.195 变频恒压供水系统的软件设计.215.1 变频恒压供水系统的工作过程.215.2 系统控制程序的设计.215.2.1 系统初始化子程序设计.225.2.2 PID 中断子程序设计.245.2.3 系统主程序设计.266 变频
13、恒压供水系统监控的设计.346.1 组态软件简介.346.2 变频恒压供水系统的人机界面设计.366.2.1 用户窗口设计.366.2.2 建立数据库.376.2.3 设备连接.406.2.4 循环策略.447 系统调试 .468 结束语.49致 谢.50附 录 .51参考文献.521 绪论1.1 课题研究的背景与意义作为发展中国家，中国多年来就极其重视能源的建设，尤其是电力能源的建设。但随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电能的消耗更是越来越多。大约有80%的电能消耗在电机上，其中供水设备所消耗的电能占了20% 1。这一方面是由于我国人口众多用水量极大，造成耗电量大；另一方面是因为我国供
14、水系统的控制方式不够科学，以至于工作效率较低造成不必要的能量浪费。因此，研究供水系统的能量模型找出科学合理的控制方法，提高系统的工作效率降低能耗，对国民经济的可持续发展有重大意义。目前，大部分水泵的控制都采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转。电力拖动方式存在一个问题：运行中电机的平均负载率较低，导致电动机本身功效下降。变频器问世以后变频调速技术得到了广泛的应用。以变频器结合PLC为核心组成的控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、维修方便和成本低等诸多特点，将其运用到供水系统中可以起到很好的节能效果。变频恒压供水系统实现了水泵电机无级调速，根据用户用水量的变化自动调节系统的运行参
15、数，保持供水系统出水口水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统是当今最科学合理的节能型供水系统，该系统集变频调速技术、现代控制技术、远程监控技术于一体。使用该控制方式提高了供水系统的稳定性和可靠性，可以很方便的实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好节能性，这在能源短缺的现在尤为重要。1.2 变频恒压供水系统的现状和发展作为高性能的传动方式，直流发电机电动机调速控制方法在过去一直被广泛应用。但是直流电动机的价格相当昂贵，使用异步电机实现良好的调速性能，一直是人们的理想。异步电机的调速方法有变极调速、变频调速、定子调压调速、转子回路串电阻调速、串级调速等 2，但是因为调速技术没有达到要求，
16、而没有得到广泛的应用。七十年代以后，随着电力电子技术、微电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。它的出现不但克服了以往交流调速技术的许多缺点，而且调速性能可以和直流调速技术相媲美。由于变频调速能得到良好的机械特性，可以实现连续、平稳的调速而倍受人们的喜爱。尤其当它应用于风机、水泵类大容量负载时，可以获得很好的节能效果。变频恒压供水是以变频调速技术为前提发展起来的。早期变频器的功能主要限定在正反转、频率、升降速、压频比、起制动的控制以及各种保护功能。在变频恒压供水系统中变频器仅作为执行机构，为了实现在用水量大小不同时保证管网压力的恒定，需要增加频率控制器和压力传感器，对压力进行闭环
17、控制。在供水系统中使用变频器的早期，恒压供水系统在设计时都是一台水泵配备一台变频器的拖动方式，因而投资成本高。在变频恒压供水系统的可靠性、稳定性、节能效果等方面的优点被大家发现和认可后。国外许多变频器生产厂家开始推出供水系统专用变频器，如施耐德公司的Altivar58泵切换卡、华为的TD2100、ABB公司的ACS600、ACS400系列、SANKEN的SAMCO-I系列、富士公司的G11S/P11S系列等。供水专用变频器是将PID调节器以及小型可编程控制器的功能都综合进变频器内形成的带有各种应用宏的新型变频器，通过设置指令代码实现PLC和PID的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制
18、多个内置的电磁接触器工作，最多可控制7台电机(水泵)。在变频器内部就能完成PID运算，这就省去了对PID算法的编程，而且在线调试PID参数非常容易。但是，专用供水变频器虽微化了电路结构、降低了设备成本，但是在扩展功能上缺乏灵活性，系统的动态、稳态性能不高，与监控系统难以实现数据通信，并且所带负载的容量不能太大，因此使用范围受到限制 3。国内公司在做变频恒压供水的工程时，大多选用国外品牌的变频器。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、稳态性能和抗干扰性能等多方面还远远没能达到要求。可以看出，目前在国内外变
19、频恒压供水系统的设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的研究还是不够的，有待于进一步研究改善。1.3 本文研究的主要内容本设计主要是基于 PLC 和变频器达到变频恒压供水的目的。该系统主要由PLC、变频器、压力传感器、水泵组、接触器等部分构成。系统能够根据用户需水量的多少，来控制水泵电机的转速和工作台数,使管网水压保持恒定。同时通过 MCGS组态软件实现了供水系统运行状况的实时监控。本论文研究的主要内容如下：1.通过比较几种常见的供水方式，以突出变频恒压供水系统的优点；2.供水系统控制方式的选择和被控量的确定；3.通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作特点，说明供水系统的节能原理；4.系统主电路和PLC外部接口电路的设计；5.系统所采用的硬件的选型；6.供水系统控制程序的设计；7.用MCGS组态软件在上位机中开发供水系统的监控界面。
