变频恒压供水计算机控制系统设计

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1、 目录1.绪论1前言：11.1设计的背景与意义12. 变频恒压供水系22.1 变频恒压供水工艺简介22.2变频恒压供水的模式22.3恒压供水系统基本特性33总体设计方案33.1系统控制要求33.2设计要求43.3控制方案43.4变频控制原理44.系统设计54.1系统硬件构成54.2主电路设计64.3控制电路设计74.4变频器参数设置85. 总结9参考文献101.绪论前言： 水是人民生活和工农业生产不可缺少的重要资源，我们国家水资源和电能资源短缺，节水节能已经成为全社会当前和今后的必然要求和重要任务。目前，我国在市政府供水、工业生产循环供水等方面技术还比较落后。主要表现在用水高峰期，水的供给量常

2、常低于需求量，出现水压降低导致水供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高导致水供过于求的情况，此时就会造成能量的浪费，同时有可能使管道爆裂和用水设备的损坏。采用计算机控制的恒压供水系统，可以在用水高峰期和低峰期保持供水压力恒定，使供水量始终满足用户需求。同时，也节省了资源。关键字：恒压供水 PLC 交流变频 计算机控制 1.1设计的背景与意义 随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，我国中小城市供水的自动化配置相对落后，机组的控制主要依靠值班人员的手动操作，控制过程烦琐，而

3、且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。在农村中,传统的水塔供水方式存在许多实际问题，如顶层水箱结构和建筑设计、水箱易对水源造成二次污染、水塔供水无法维持供水压力的恒定等问题。近年来，随着异步电动机变频调速技术的迅速发展，居民区供水系统正逐步采用无塔变频供水，利用变频调速技术，不仅可使水泵供水系统取得显著的节能效果，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，克服传统供水方式的种种缺点。 随着工业企业和人们生活用水量的增大以及对供水要求不断的提高，恒压供水变得也来越重要。目前国内多数企业仍使用传统的恒

4、速泵组切换加压供水方式，其水压不稳而且浪费电能。我国每年水泵消耗电能约占电能总消耗量20以上，而电能消耗又占水费成本60以上，故优化对水泵的控制，具有重要意义。 在生活用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节,管网压力的波动也会很大,容易出现管网失压或爆管事故,同时也浪费了大量能源。为了节约电能,又能保证正常用水,供水部门也采取了不少措施。近几年最为常用的变频恒压供水系统能根据压力变化情况及时调整电机转速,将供水压力控制在一定范围之内,既满足了变化的用水需求,也起到了节能降耗的目的 。2. 变频恒压供水系2.1 变频恒压供水工艺简介 恒压供水就是能够自动保持水管内水压恒定

5、的供水过程。供水管道内有一个压力检测装置，能够检测出当前管网瞬间压力变化，并把当前的水压制传递给控制装置。当用水量增大的时候，水压减小，控制装置得到水压持续减小的信号，于是控制装置会自动调节水泵机的转速和投入数量来减小水压，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，通过这样的控制过程保持水压恒定，满足用户的用水要求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。交流变频调速（vvf）技术是上世纪80年代发展起来的，集现代电力电子技术、控制技术及计算机技术于一体的新技术，自投入工业应用以来，显示了强有力的竞争力，其应用领域也在迅速扩展。根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电动机轴上消耗的功率与

6、转速的平方成正比。可见，采用交流变频调速恒压供水方式，既可以保证供水水压稳定，又可以有效地降低电能的消耗。变频恒压供水基本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进行比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵的转速，使系统水压在水流量变化时，能够稳定在一定的范围没，具有水压恒定，波动小，节能效果明显等特点。2.2变频恒压供水的模式一种变频恒压供水是这样的：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压供水，当用水量增大时，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速时，为使流量进一步增大，由PLC自动启动一台工频泵投入，与变频泵并联供水。该工频

7、泵提供的流量是恒定的。其余各并联工频泵按相同的原理投入。反之，当用水量下降时，变频调速泵的转速下降（变频器供电频率下降），当频率下降到一定下限时，PLC发出一个指令，自动关闭一台工频泵，使之退出并联供水。 另一种变频供水模式是当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由变频器控制该泵自动调速供水，当用水量增大时，该泵的转速增高。当该泵的转速升高到工频转速时，由PLC把该水泵切换到工频供电。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随着用水量增大，采用先起先停的工作模式，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入；当用水量减小时，各并联工频泵有PLC控制并按按先投入先关泵的顺序退出。 由上述可见，变频

8、恒压供水通常有两种工作方式，一是变频固定方式，二是变频循环软启动工作方式。 在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或退出的，因为变频泵固定不变，当用水量变化时，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。而变频循环软启动方式变频泵可以自动轮换，使各并联泵磨损均衡，具有较多优势，随意选择变频循环软启动方式作为本设计的变频恒压供水模式。2.3恒压供水系统基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下,扬程H与流量Q之间的关系曲线F (Q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。由下图的扬程特性表明，流量Q越大，扬程H越小。在阀门开度和水

9、泵转速都不变的情况下，流量Q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程H与供水流量Q之间的关系H=F（Q）。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大，流量Q的大小反映了系统的供水能力。 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图中N点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程HN稳定，供水系统的压力也保持恒定。3总

10、体设计方案3.1系统控制要求 （1）水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。 （2）变频器的频率由420mA电流信号控制。 （3）变频器的运行状态指示（如运行、停止、过流、低压等）。 （4）变频器的报警处理。3.2设计要求（1）根据变频器恒压供水系统控制要求，选择变频器型号。 （2）选择其他电器设备型号。 （3）变频器恒压供水系统的电气控制线路的设计（包括主回路和控制回路）。 （4）变频器参数设置。3.3控制方案供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调，并实现对水泵的调节控制。管网水泵电机

11、变频器（PID）给定参数压力传感器3.4变频控制原理 用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著。其优点是： 1）起动平衡，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； 2）由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命； 3）可以消除起动和停机时的水锤效应； 一般地说，水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保

12、护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。 在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。为了全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图所示：4.系统设计4.1系统硬件构成可编程控制器PLC的选择和变频调速系统原理及选择可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统

13、中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。 1.工作量 在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。 （本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入） 2.工作环境 工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不用特殊型号） 3.通信网络 现在

14、PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。（故尽量选取比较常用的品牌） 常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制。本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式(内含在变频器中) 的闭环控制。本系统中变频器的输入信号采用的三相380V的交流电源，三相电流输入连接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采用三相输入的话，则用主电路的电源端子L1/R, L2/S, L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。如果有条件的话，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能

15、切除电源和防止故障扩大，以保证安全。尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、BX。 变频器的输出信号也有两种，一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号。送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1, Y2端子送出，Y1的内部功能设定选为频率检测(FDT)功能，幅值为50Hz，滞后值为0.5Hz 。Y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变频器发生指定的故障时输出信号。变频器的输出电

16、源接接触器，它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。变频器的输出端子(U, V, W)按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变U、V, W中的任意两相的接线。变频器和电动机(水泵)间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸.另外，漏电流增加，电流值指示精度变差。对于本系统中的变频器，变频器和电动机(水泵)之间的距离最好小于50米，如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件(OFL滤波器)。接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子G必须良好接地。

17、为了防止电击和火警事故，电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。接地线要粗而短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法如下图所示）。 变频器的I/O端点连接4.2主电路设计供水系统主电路设计如图所示，采用了一台变频器同时连接两台电动机， 所以必须确保开关KM1和KM2电气互锁，互锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题或紧急情况下，可以起用备用水泵。 三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#和备用泵。接触器KM3、KM4、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM1、KM2分别控制M1、M2的变频运行；FR1、FR2

18、、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QF1、QF2、QF3分别为变频器和三台水泵电机主电路的空气低压断路器；FU为主电路的熔断器，用作短路保护。 三相电源经低压熔断器、自动空气低压断路器接至变频器的L1、L2、L3端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机由变频切至工频运行时，应先将变频器停车，再将变频器输出端的接触器断开，避免变频器输出端接断路，再接通工频运行的接触器。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通，所以KM1和KM3、KM2和KM4相互之间必须设计可靠的互锁。开

19、关KM6控制变频器的启停，由PLC给出启动或停止信号，变频器启停。 压力变送器将测得的管网压力转化为电信号输入给变频器的模拟输入端作为模拟输入。4.3控制电路设计根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224，其开关量输出为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU224为14点，输入形式为+24V直流输入。 系统的控制线路如图3.5所示。本变频恒压供水系统有8个输入量，全部是数字量输入。按钮SB0用来启动启动工作循环，它作为开关量输入I0.0；按钮SB1用来停止工作循环，使PLC回到初始状态，它作为开关量

20、输入I0.1；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入一个可以设置上下限位来输出开关量的数显表，在数显表中设定水池水位上下限对应的电流，当水池液位低于或超出上下限时，数显表输出高电平1，送入I0.2；变频器的故障输出端与PLC的I0.7相连，作为变频器故障报警信号；变频器频率达到上限信号与I0.3相连；变频器频率到达下限的信号与I0.4相连。本变频恒压供水系统有10个数字量输出信号。Q0.1Q0.4分别输出两台水泵电机的工频/变频运行信号；Q0.0输出启动变频器信号；Q0.5输出启动备用泵信号；Q0.6输出1#泵故障报警灯信号；Q0.7输出2#泵故障报警灯信号 ；Q1.0输出液位报警灯

21、信号；Q1.1输出变频器故障报警灯信号。4.4变频器参数设置由于SIEMENS MM430变频器自带了PID模块，我们不需要进行PID调节器的设计，只需进行必要的参数设置就可以了。首先将DIP2开关2拨到ON位置，设置模拟输入2并选择为420mA输入。然后设置变频器参数：P0756(0)对应模拟量输入1通道，P0756(1)对应模拟量输入2通道；P0756可能的设定值: =0,单极性电压输入(0至380V)； =1,带监控的单极性电压输入(0至380V)； =2,单极性电流输入(0至20mA)； =3,带监控的单极性电流输入(0至20mA)； =4双极性电压输入(-380V至+380V)。 选

22、择的是输入类型为单极性电流输入（0至20mA），由于压力变送器传送的是420mA电流信号，如果用此信号作为变频器的频率给定信号,将出现频率给定误差。变频器的缺省设置为020mA对应050Hz，为了使420mA对应050Hz，设置参数如下P0757=4，P0758=0，P0759=20，P0760=100%。 P0700=2，控制命令源为端子控制； P0701=1， 数字输入1，接通正转/停车命令； P0731=53.B,设置数字输出1为变频器频率已达上限输出； P0732=53.A,设置数字输出2为变频器频率已达下限输出； P0733=52.3,设置数字输出3为变频器故障输出； P2240=6

23、8%用户压力设定值的百分比，为键盘给定值，对于01MPa的量程420mA的信号，设定值为0.08Mpa对应的电流应为126.60.08+4=14.128A； P2257=15s,PID设定值的斜坡上升时间为15s； P2258=15s,PID设定值的斜坡下降时间为15s； P2265=1s,PID反馈值滤波时间为1s。5. 总结 实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。在写论文期间，我遇到了好多问题，但是在周围同学的帮助下，这些问题都得到了解决

24、。由于对知识的不了解，许多地方不是很懂，需要通过其他同学和老师的指点才能明白。感谢周围同学的大力帮助还有老师的谆谆教导，才使我完成此次的结课论文。 通过这次的设计，我得到了许多宝贵的经验。经验如下：思想上，学会了用坚持不懈的精神去解决问题，很多事情看起来很简单，但实际做起来会发现有许多很困难。中间有许多你想不到的东西。学习上，使自已在大学所以的知识在这次得到实践，学到一些书本上无法学到的经验，对计算机控制有了进一步的认识。同时，也明白了知识是需要实践的，很多你能说出来的东西，但是在实际应用的时候，并不是那么顺利。所以以后，我们要注重理论与实践的结合。 这次设计把我们这一学期的知识基本上都包括了

25、，包括PID算法以及上学期的PLC等等。主要应用到的就是PID算法.PID控制器是一种线性控制器，它将给定值与实际输出值的偏差的比例、积分和微分进行线形结合，形成控制量输出。PID控制器的输出是由比例控制、积分控制和微分控制三项组成，三项在控制器中所起的控制作用相互独立，并且各自都有优缺点。PID控制算法在许多的设计中都起着重要的作用。参考文献【1】张德江。计算机控制系统 机械工业出版社【2】谢剑英。微型计算机控制技术 国防工业出版社，2001：133-156。【3】陈跃。电气工程专业毕业设计指南M. 北京: 中国水利水电出版社，2003：84-85【4】傅知兰。电力系统电气设备选择与实用计算M. 北京: 中国电力出版社，2004：105【5】陈坚。电力电子学2版M北京：高等教育出版社，200410