1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于 PLC 和变频器的恒压供水自动控制系统设计学生姓名：杨蓉学 号：200440503237专 业：测控技术与仪器班 级：测控 2004-2 班指导教师：李忠虎 副教授内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）I基于 PLC 和变频器的恒压供水自动控制系统设计摘 要随着社会的发展，对生产和生活供水的质量要求也越来越高。而供水质量的重要指标之一就是供水压力的相对稳定。为此，本论文紧密结合当前供水现状，设计了一套基于 PLC 和变频器的恒压供水系统。变频调速恒压自动控制供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机、及控制柜等组成
2、。系统采用一台变频器拖动四台电机的运行、启动、调速。其中，三台大电机和一台小电机采用循环使用的方式运行。在变频调速恒压供水系统中，水泵的启停和工作方式的切换是由 PLC 来控制的。单台水泵工况的调节是通过变频器实现的。分析水泵的能耗比较图，可以看出，在利用变频器实现调速恒压供水时，当转速降低，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，这与传统供水方式阀门节流控制相比，在一定程度上可以减少能量损耗，节能效果明显。该系统能够对供水系统进行自动控制，并有效的降低能耗，可使系统维持在最佳运行状态，并提高生产管理水平。关键词：恒压供水；变频调速；可编程控制器；自动控制；节能内蒙古科技大学毕业设计说明书（
3、毕业论文）IIAutomatic control system of constant press water supply based on converter and PLCAbstractWith the developement of society,it demands higher and higher water supply quality,both in producing and living. However,one of the important guide lines of the water supply quality is offer the relative
4、ly steady water supply hydraulic pressure.Therefor, the paper closely combines actuality of water supply and designs a suit of constant pressure water supply automatic control system based on variable frequency speed-regulating technology and PLC.The constant pressure water supply automatic control
5、system is made up of PLC,transducer,pump assembling unit,pressure sensor,industrial control computer and console.The system used a transducer to make four electromotors starting,running,and timing. The three high-power electromotors and one low-power electromotors are circulated running.In the syste
6、m, water pumps start frequency control;PLC; Automatic control; energy saving内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）1目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 引 言 .41.1 变频恒压供水产生的背景及研究意义 .41.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 .81.3 变频恒压供水系统的发展前景 .91.4 课题来源及本文的主要研究内容 .101.4.1 课题来源 .101.4.2 主要研究内容 .10第二章 变频恒压供水自动控制系统简介 .122.1 供水系统的基本特性 .122.2 恒压供水系统的基本构成
7、与原理简介 .132.3 变频调速的节能原理 .142.3.1 变频节能 .142.3.2 功率因素补偿节能 .192.3.3 软启动节能 .192.3.4 多泵并联恒压供水节能 .192.4 水泵运行方式的选择 .212.4.1 变频循环方式切换 .212.4.2 变频固定方式切换 .222.5 多泵并联变频恒压供水系统相关问题研究 .23内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）22.5.1 变频泵与固定泵容量配比问题 .232.5.2 多泵并联供水系统中电机的供电源切换问题研究 .242.6 变频恒压供水系统的特点 .262.7 本章小结 .27第三章 变频恒压供水自动控制系统的总体方案设
8、计 .283.1 变频恒压供水自动控制系统工作原理简述 .283.2 变频恒压供水常用实现方法介绍 .293.2.1 PID 控制法 .293.2.2 模糊控制法 .293.2.3 自适应控制法 .293.3 变频恒压供水系统控制方式简介 .303.3.1 全自动变频恒压控制方式 .303.3.2 全自动工频运行方式 .313.4 恒压供水系统总体概况介绍 .323.5 本章小结 .34第四章 变频调速恒压供水系统硬件设计 .354.1 功能设定 .354.2 总体结构关系和工作流程的简单介绍 .364.2.1 总体结构关系介绍 .364.2.2 工作流程简介 .374.3 系统硬件设计 .3
9、84.3.1 主电路设计 .384.3.2 控制电路设计 .39内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）34.3.3 信号检测 .404.3.4 系统工作过程详细分析 .414.4 主要设备选取 .424.4.1 PLC 的选取 .424.4.2 变频器的选取 .434.4.3 变送器的选取 .434.5 本章小节 .44第五章 变频调速恒压供水系统软件设计 .455.1 变频恒压供水系统中的 PID 调节 .455.1.1 PID 控制算法及特点 .465.1.2 PID 参数整定的相关原则 .495.1.3 变频器参数设置及原理分析 .505.2 PLC 配置 .585.2.1 S7-20
10、0 型 PLC 的特点 .585.2.2 PLC 的开关量输入输出点 .585.2.3 PLC 在该系统中的功用 .595.2.4 PLC 程序设计 .605.3 本章小节 .61总结 .62参考文献 .65附录 .67致谢 .72内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）4第一章 引 言随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频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，方便地
11、实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效益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。1.1 变频恒压供水产生的背景及研究意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为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的技术一直比较落后，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，此时将会造成能量的浪费，
12、同时有可能使水管爆破和用水设备损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下将逐一分析 1。1.单台泵的直接供水系统在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水加压后直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用水网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2.恒速泵加水塔的供水方式内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）5这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是使水塔最低水位略高于系统所需压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某
13、一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式的水泵工作在额定流量、额定扬程的条件下，水泵效率处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关，供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大，水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要。而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏，泵不能进行自动地开、停，这样泵的开、停将完全由人工操作，这样将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3.恒速泵加高水位箱
14、的供水方式这种供水方式的原理与恒速泵加水塔的供水方式原理是相同的，差别只是水箱设在建筑物的顶层，占地面积与设备投资都有所减少。对于高层建筑，还可分层设水箱。但这种供水方式对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开停将全靠人来操作，使系统的供水质量下降和能耗急剧增加。4.恒速泵加气压罐的供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。由于气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可
15、能性。因此很受欢迎，应用十分广泛。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，这在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。5.变频调速供水方式内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）6这种系统的原理是通过设在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速供水的水泵调速控制方式有三种即水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点的恒压控制。 水泵出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器设在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较
16、小，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。 水泵出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器设在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日 24 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各时段所需的水泵出口压力，进行全日按时段变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。它比水泵出口恒压控制方式更能节能，但这取决于将全天 24 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。 最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器设在系统最不利点处，使系统在运行过程中，最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但是由于最不利点一般距离泵房较远，信号传递过程在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速供水方式的基建、设备投资和占地面积比水塔式和气压罐式供水系统都要少，输出水压设定值可任意调节，方便灵活，适应力强，可以说是目前最理想的节能效果，最好的供水方式。现将变频调速供水方式和气压罐供水方式作一比较。变频调速式在节能效果上明显优于气压罐式。气压罐式依靠压力罐中的压缩空气
