目 录
第一章 绪 论 - 1 -
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 - 1 -
1.3 课题设计内容 - 2 -
第二章 变频恒压供水系统总体设计 - 2 -
2.1 工作原理 - 2 -
2.2总体设计 - 3 -
3.1 PLC的定义及特点 - 4 -
3.2 PLC的工作原理 - 5 -
4.1 变频器简介 - 5 -
4.2 变频器选型 - 7 -
第五章 结论 - 10 -
5.1本系统具有以下的特点: - 10 -
5.2 展望 - 10 -
后 记 - 11 -
参考文献 - 12 -
变频调速技术在恒压供水系统中的应用
第一章 绪 论
1.1 变频恒压供水产生的背景和意义
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。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。
随着自动控制和电力电子技术的飞速发展，智能型控制器件和变频装置的功能也越来越强，
充分利用各种先进技术，合理设计变频恒压供水设备，对降低成本、节约能源、提高供用水质量有着非常重要的意义。
1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
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。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像法国的施耐德公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式，基于可编程控制器的变频恒压供水系统的设计它将PID调节器和可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板
上，通过设置指令代码实现可编程控制器和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团也推出了恒压压供水专用变频器(5.5kw-22kw)，无需外接可编程控制器和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾
系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.3 课题设计内容
经过系统调研和分析，并结合需方的实际要求，本次研究的主要内容是基于PLC、变频器件的变频恒压供水系统的设计。整个系统的控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能。论文主要对以下内容进行描述:
(l)论文在对课题进行分析的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法。
(2)分析了变频恒压供水系的原理，给出了恒压供水的理论模型;确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理;最后分析了在变频恒压供水中，水泵切换的条件。
(3)介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。压力变送器采样管网压力信号并经PID处理传送给变频器，变频器根据输入模拟量的大小来调整水泵电机转速，保证管网压
力恒定。对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。
第二章 变频恒压供水系统总体设计
2．1 工作原理
个实际的供水系统，由于供水网较大，系统需要供水量每小时开2台水泵向管网充压，供水量大时，开3台泵同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。
本控制系统是对现场恒压供水系统的模拟，控制核心单元PLC根据压力设定信号与现场压力的反馈信号经过PLC的分析和计算，将控制信号送到PLC的输出端口，通过开关量驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机的台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入的电机的台数和控制电机组中每台电机的工作状态，使供水系统的工作压力恒定，进而达到恒压供水的目的。
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2.2总体设计
一．结构设计
以项目建设目标为基本原则，图2-1构建了一个基于PLC的变频恒压供水自动控制系统：
图2-1
二．系统结构组成
按上述结构的成套控制装置主要包括:
1.可编程序控制器(PLC)。
2.变频器(VVVF)。
3.计算机(PC)。
4.水压传感器及变送器。
5.液位开关和压力继电器。
6．操作环节。
7.系统软件。
系统以PLC为核心，其输入信号主要包括:
1.模拟量输入:管网的当前压力(4-20mA，0-5V)。
2.数字量输入:进水压力继电器;水箱水位;出水压力继电器;电机的过载保护;变频器故障;工作方式选择;去皮刀片手动操作的按钮(旋钮信号)等。
PLC的输出主要控制下列对象:
桶盖
1.用于各水泵电机工、变频工作的中间继电器、交流接触器;变频器启动、停车、故障复位的开关量信号。
2.轴流式压气机操作状态切换的中间继电器。
3.变频器频率给定的模拟量信号(0-10V)。
第三章 可编程控制器(PLC)
3.1 PLC的定义及特点
可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本
等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，444ggggPLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。
PLC的特点如下：
一、可靠性
1、所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电 气上隔离。
2、各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
3、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
4、采用性能优良的开关电源。
5、对采用的器件进行严格的筛选。
6、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措 施，以防止故障扩大。
信息包7、大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
二、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如： 交流或直流； 开关量或模拟量； 电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮 行程开关 接近开关 传感器及变送器 电磁线圈 控制阀直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
三、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
四、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
3.2 PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
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