恒压变频供水控制系统设计毕业设计说明书

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2014届毕业设计说明书

恒压变频供水控制系统设计

摘 要

跟高的要求。城市高楼居民用水,一直是困扰城市发展的一个难题，近几年我国城市建设发展迅猛，同时在基础设施建设方面提出了 复杂环境的恒压供水系统.

本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线,阐明了供水系统的变频调速节能原理；具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构,通过研究和比较，得出结论:变频调速是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术。因此本文以采以某居民小区水泵电动机控用变频器和PLC组合构成系统的方式，制系统为对象，逐步阐明如何实现水压恒定供水。

通过对本系统I/O点数的统计，得出本系统有15个输出点数，9个输入点数,依据ＰLC选型留有10%的裕量的原则,系统选用了三菱FＸ2N系列PLＣ。水泵选型时,从流量、功率、扬程三方面进行综合考虑，水泵扬程应是实际扬程的１．1～1.２倍,本次设计选用了80DL2

型号的水泵。变频器选用了FR—F700，可接电机功率为15(kW）,在 变频控制过程中,由变频器内部的PID 控制方式完成。在程序设计时 结合硬件电路，选用顺序功能控制设计方法进行程序设计。程序由G

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Ｘ-Deveｌoｐer编写完成,通过ＭCGS进行该系统的组态设计,最后分析该系统的供水效益，结果显示具有明显的节能效益。

关键词：PＬC;变频调速；恒压供水；设计；ＭCGS

?AＢSTRACT

FasｔdevelopmentoｆcｉｔyconsｔrucｔioniｎChina

in rｅcｅnt ｙeａrs， aｔ ｔhｅ same ｔime， ｉn ｔｈｅ ａ spect ｏf infraｓtructuｒe ｃoｎsｔrｕｃtion iｓ proｐosed with higｈ reｑuiremｅnts． City ｈigh-rｉse rｅｓideｎtial wａ le． As peｏｐle lｉfestylｅ changeｓ and improvemｅnt ｏf

livingstａndards，iｎcreａｓｉｎgwater ｓupｐlyｓystemｏｆapeｒformancｅｒequirｅments。Ｅｆfiｃｉentautomatｉontｅｃｈnologｙisuseｄｔodesｉgnlｏwpｏweｒconsumptiｏn，ｈｉghｅfficiencｙ,caｎadapttｏｔhｅcoｍｐｌexenｖironmeｎｔｏfｃonstantpresｓｕrｅwaterｓｕpplyｓｙstem.

accordinｇtotｈeopｅrIn ｔhispａper，fｉrstof all，
ａtiｏｎｏfthe pｉpeｎetworkand ｐumｐｃhａraｃtｅriｓticｃurｖｅｉlｌustrａtesthe principle of frｅquｅnｃyconｔrｏlｏｆｍｏtｏｒsｐeeｄａnｄeneｒｇyｓａvｉnｇ

wateｒ supplｙ sysｔem; Anａｌyzｅs the cｏmposiｔioｎ oｆ the priｎｃiplｅ oｆ variablｅ frequency cｏｎstaｎt pressure ｗ ａｔer ｓｕｐpｌy and systｅm structure， thｒoｕｇh rｅ

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searchand comparison，ｄrａwthe coｎclusion:freｑuｅncｙconｔrolof ｍoｔoｒspｅedis ａｂenefitｉsthe highest in the woｒld，andｔhebｅstpｅrfoｒmance，tｈeｍosｔwidelyusｅd，thｅmosｔproｍisiｎgｍotｏｒsｐｅeｄcontｒoltechｎolｏｇy。Sotｈiｓaｒtiｃlｅ,ｉnthe ｆoｒｍofcoｍbinationof ｔｈｅfrequencycｏｎｖerｔeｒandPLC system，witｈaｗａtｅｒpumpmotor coｎtｒolsystem in rｅｓideｎtiａlarea aｓａｎ object，exｐoundｓhowｔｏrｅａｌizｅthecｏnsｔanｔpressuｒewater supｐlyｇraｄuaｌly.

Thissystem fｏrPLC ｏｕｔｐutｈas１5points，nｉneinpｕtｐoints．Baseｄoｎtｈｅｐｒinciplesof typｅseｌeｃtionｏfPLC, the sｙstemseleｃtstｈｅｍitsｕｂiｓhiＦX2NsｅrｉeｓPLＣ，mｉtsubｉｓｈiaｎｄdedｉｃaｔedＦR— F7０0series inｖerｔeｒ,the inverter can be a verｙgｏod

drive ｐump ｍｏtor startup. Ｉn ｔhe ｐｒocｅss of ｎcy ｃｏnｖerteｒ ｉｎternal ＰＩD ｃontrｏl ｍethod． Ｗhen frequency conversioｎ cｏｎｔrol, ｐeｒｆoｒmｅd by fｒeque Devｅｌoper compｌete, thｒｏugh the MＣGＳ ｃonfｉｇurａt

ｉoｎdesiｇnof the sysｔem,in the fiｎaｌａｎaｌysiｓｔheｓｙsteｍoｆwateｒsuppｌｙbeｎｅfits,reｓultｓshｏweｄthathaｓoｂvｉousenｅrｇysａvｉngｅｆfiｃieｎcy。

Ｋeywords：ＰLC;frequeｎｃyconｔroｌ；constaｎｔpressurewａｔeｒsupply；MCGＳ

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目 录

１ 绪论?1

1。１ 本课题产生的背景和意义........................................................11．2 变频恒压供水的现况?1
１。３ 变频供水系统的应用?2

1.４本人的主要工作................................................................................22 变频恒压供水的理论分析?3
2.1 水泵的工作原理?3

2.2供水电机的搭配................................................................................32．3 离心泵的调节方式?4

２．４ 恒压供水系统供水特性分析...............................................４

2.5水锤效应...............................................................................................5

2.6 供水系统的组成?5 3 恒压变频供水控制系统硬件的设计.........................................................7 3。１ 恒压变频供水控制系统的设计方案........................................7 3．3．1 水泵的参数计算与型号的选择?８

3.3。2 变频器?9
３.3。３ 压力传感器的选择?10
3。4 PLＣ的选型?11

3.4．1 PＬC选型的基本原则....................................................11３.4.2 输入输出点的统计?11

3。4.３ Ｉ/O的分配................................................................１2 3．5 系统硬件线路设计?13
4 变频恒压供水控制系统软件的设计?1６
４.１ PLＣ编程设计方法?1６

４．1。1 经验设计法................................................................１6 ４.１.2 继电器电路直接转换为梯形图法?1６
4.1.3 逻辑代数设计方法?16

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4。２ 编程软件的简单介绍?16
4。3 恒压供水系统程序的设计?17

4．3.１程序流程图...................................................................17 ４.3.2 程序设计?18
5 组态的设计?23
５。1 MCＧS软件简介?23
5。２ 恒压供水系统的MCGS界面设计?2３

结束语..................................................................................................................２9参考文献?3０
致 谢?32

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1 绪论

1。1 本课题产生的背景和意义

这些年城市建设和城乡结合发展迅速，但市政供水、工业供水，高层建筑供水，居民生活供水在我国一直落后,这种局面严重恶影响我国城市建设的发展和小康社会的发展。电机供水和水塔二次供水时我国传统供水方式，传统供方式是靠建在高处的水塔来储存水的，然后通过水塔的高度形成一个压力差实现供水.传统的电机供水,电网由于电机频繁启动首到很大影响,设备寿命受到影响。水塔供水,修建水塔要占据很大面积且投资成本大，而水长期储存在水塔内,对水质有严重的影响容易受到污染。因传统供水存在各方面的不足,人们开始寻求一种更好的供水方式。

恒压变频供水,是随着变频器的发展而兴起的，恒压变频供水的 恒压变频供水中,电机运行稳定，占地面积小，电机也不需要电机频 出现，弥补了传统供水个方面的缺陷，给供水方式带来一场变革。在 看出恒压变频供水有传统供水方式.在国内恒压变频供水还有很好的

发展前景，能带来更高的社会效益。

１．２ 变频恒压供水的现况

变频变频调速技术的发展，促使了恒压变频技术的快速发展,恒压供水在国外已经相当成熟可靠,变频技术也十分先进.在国外有不少变频器生产商,专门针对变频供水研发变频器。日本的Saｍcｏ公司，开发了一种集成的基板具有两种变频方式,固定式和循环式。一台变频器只驱动一台水泵，是国外的主要设计方式。单一驱动这种设计，安全可靠，更加灵活。变频器本身就比较昂贵，采取一对一控制，投资成本很高。

在国内做恒压变频供水有不少公司,但在各方面的性能，都很难

满足用要求。国内有用PLC 实现的，也有用单片机实现的，在某些方 面落后与国外,主要是因为国内变频技术没国外先进。国内的艾默生 和程度希望集团，也专门设计了应用于供水变频器，该变频器把PLC

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和PＩＤ集成在一起,这种变频器在安装的时候比较方便。但由于国产变频器技术的,该变频器适应于供水量小，而且供水要求较低的地方。随着变频器技术的不断创新、国内科研人员的不断完善，恒压供水一定会有更好的发展前景和更大的发展空间。最终将广泛应用于生产生活中，从而改善人民生活质量,提高人们的生活水平。

1.3 变频供水系统的应用

在很多行业中都用到了变频恒压供水，大致可分为三类依据适用范围：
(1）小型供水系统
工厂，高层建筑，小型加压站都适用该供水系统，适用的原因是，功率小成本低，操作简单.这些场所在国内应用的最多，而用户群比较大。

（２）中小型水供水系统
中小供水厂、辅助供水厂常常用到此类型系统。此类供水系统，

制要求不是很高，所以一般有国产的变频器控制。 （3)大型供水系统 供水能力比较强,一般功率有１3５kV~3２０ｋW。由于该种系统对控

外的变频器控制［１].

1.4 本人的主要工作

恒压变频供水主要由PLＣ和变频器控制实现。本次设计中,进行了系统主电路、控制电路设计,首先要对ＰLＣ进行选型,选型是根据PＬC的输入输出点数来选择,我们的系统有15个输入点，和9个输出点，所以ＰLＣ选用了三菱的FX2N系列PＬＣ（FＸ2Ｎ—32ＭR），变频器选用了三菱变频器系列变频器.程序由GX—Deｖeloｐeｒ编写完成,系统组态设计由MCGS设计完成。在控制过程中,电控系统由FX2Ｎ完成，变频器完成PID控制。

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?２ 变频恒压供水的理论分析

2.1 水泵的工作原理

水主要由离心泵从深水区抽出地表在送往用户，离心泵的工作示意图如图１所示：水泵在电机的带动下，使泵轴随着电机一起转动，半轴带动叶轮转动，叶轮将水从深水区吸上来达到抽水的效果。

详细过程为：
液体灌满水泵后,启动时电机带动泵轴转动,泵轴带动叶轮转动,叶轮带动液体流动.液体在离心力的作用下，获得能量往外流动，最后在压力的作用下排出管道.排出管道后,送至用户.

4 12
6
7 6-单顶底阀7-滤网
8-排出口9-输出管
10-调节阀

图1 离心泵工作示意图

２.2 供水电机的搭配

电机主要是给水泵通过能量，所以电机的备置取决于供水负载。

电动机要尽量在额定负载下运行。电机选择时应注意功率的选择: 电动机功率过大，将造成电机长期过载，损坏绝缘层，甚至烧毁电机；电动功率过小，可能出现电机堵死情况，功率过小电机的机械输出功率低，功率因素低和效率低，严重影响用户和电网，还造成较大浪费［2］。

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P	?	P 1
2		??1 ?2		。	（１）
式中,机械效率是?1			，电动机效率是?2

2。３ 离心泵的调节方式

（1）变速调节
改变水泵的转速ｎ，使水泵的性能发生变化，从而使水泵的工况点发生变化，这种方法称为变速调节。

(２）变径调节
叶轮经过车削以后，水泵的性能将按照一定的规律发生变化,从 我们把车削叶轮改变水泵工况点的方法，而使水泵的工况点发生改变。

称为变径调节。

（3）变角调节
改变叶片的安装角度可以使水泵的性能发生变化,从而达到改变水泵工况点的目的.这种改变工况点的方式称为水泵的变角调节。

（4)节流调节 增加了局部阻力，则管路特性曲线变陡，其工况点就沿着水泵的 对于出水管路安装闸阀的水泵装置来说,把闸阀关小时,在管路中 变阀调节。关小闸阀，管路局部水头损失增加，管路系统特性曲线向左上方

移动，水泵工况点也向左上方移动。闸阀关得越小，局部水头损失越大，流量也就越小.由此可见节流调节不仅增加局部水头损失,而且减少了出水量,很不经济.但由于其简便易行,在小型水泵装置和水泵性能试验中应用较多[3］。

2。4 恒压供水系统供水特性分析

本系统的供水特性曲线如图２所示。由图可知，水流量Ｑ越大，扬程Ｈ月小。在水泵电机转速和供水系统阀门开度不变的情况下，居民用水决定了流量的大小,所也扬程特性去先反应了扬程与流量的关系.水泵转速一定,管阻特性描述的是,阀门开度在某一值，流量与扬程的关系.管组特性反应了水泵克服管壁阻力及水泵系统压力差时，管

道中流体流动的变化规律.图2 中扬程特性和管阻特性的交点，是系 统稳定运行的工作点，在这点供水量与用水量基本处于平衡,这点符 合扬程特性，也符合管组特性[4]。

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对整个供水系统而言，最终要达到的目的是，满足用户对水量的需求。流量越大水量也就越大,对系统而言只能对流量进行控制。由此看来，系统的基本控制对象是水的流量。在系统动态情况下，系统供水能力、用户用水量、管道水压大小之间的平衡关系如下: 供水量>用水量时，管道压力变大；
供水量＜ 用水量时,管道压力变小；
供水量=用水量时，管道压力不变；
由上面的关系可知，
管道的压力变化反应了供水量与用水量之间的关系。由此可以通过压力传感器,取得管道压力变化的参数，压力的变化可以做为控制流量的参变量.通过压力传感器反馈回来的信号，可有效地调节系统供水的压力值［5］。

H

扬程特性

管阻特性

HA

2．５ 水锤效应

水锤效应是指水泵在起动和停止时，水流冲击管道，产生的一种严重的水击。异步电动机在全压起动时,从静止状态加速到额定转速，水量从零猛增到额定流量.流体不像气体有那么大可压缩性，水量猛增时流体具有动量和一定的可压缩性,极短时间内管道里的水量巨增， 管壁发受力水会对管道产生过高的压强。
管壁受到巨大压力的撞击，发出噪声,声音就像锤子敲击管道一样,这就称为水锤效应［6]。

水锤效应对供水系统具有极大的破坏性，过高的压强容易引起管道爆裂,在空化时，压强过低可能导致管道瘪塌。除此之外,阀门和其他固定器件也可能因水锤效应而损坏.

防止水锤效应的几种措施:

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（４)在管道中的峰点,安装可靠的排气阀.

2.６ 供水系统的组成

本系统的主要组成部分是变频器，压力传感器,恒压单元，水泵机组和低压电器[７］。各部分功能如下：
（1)变频器,变频器用于接收传感器返回的压力信号，通过PＩD调节器可以调节电机转速，从而达到调节管网压力和水量的目的.

（2）压力传感器,压力传感器能将得到的压力信号,转变成电信号的形式。

（３）ＰLC，PLC对水泵进行切换、控制等。

（４）水泵，实现从低处往高处供水，用来提高水压。

（5）低压电器，低压电器与设计外围电路,当控制系统自动运行出现故障时，可以同过人工调节维持系统的运行，以保供水的可靠性。

?3 恒压变频供水控制系统硬件的设计

３。1 恒压变频供水控制系统的设计方案 从系统的原理依据来看，系统由五个部分组成，变频器即恒压控 制单元;PLC,即系统控制单元；敏感器件压力传感器，即信号检测单元；

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水泵机组，即执行机构；低压电器,即电控单元，有低压继电器,接触器等。这五部分组成了一个完整恒压变频系统[8].

PLC变频器

变频
工频

压力传感器

1#泵

用户

蓄水池

2#泵

改和维护上也十分简便,很多时候只要重新编写程序，就可以改变功能来适应新的硬件电路。PLC能在恶劣的环境下稳定运行,所以系统在

稳定性和可靠性方面大大提高[9］.

3。2 选择供水设备的原则

在供水设备的选择上主要考虑的依据是用户的水量需求,用户量大供水量也就大。有关数据依据统计在表１中.

按照《城市居民生活用水标准》GＢ/T5033１—２0０２,得到我国人均日用水量标准,如表1所示。

表１ 居民人均日用水量统计表

分	拘谨型	(％）	节约型	(%)	一般型 （L/ｄ）	(%)
类	(L/d）		(L/d)
冲	３0	３4.8	３５	３2．１
厕
淋	２1.8	25．３	3２．4	2９.7	２8。8

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浴

洗	7。32	8。４	8。5５	７.8	9.3２	6。8
衣
厨	２1.３8	２４。8	２5	23	2９.6	２1。5
用		０
饮	1。8	2．1	2	1.8	３	２.2
用
浇	2	２.３	3	2．８	8	5。8
花
卫	２	2.3	3	2.8	8	5．８
用
合	86．21	１00	108.95	100	137.52	100
计