[信息與通信]基于PLC的高樓恒壓供水系統(tǒng)設計

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1、 遼寧科技大學畢業(yè)設計 第IV頁 基于PLC的高樓恒壓供水系統(tǒng)設計 摘 要 本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能原理；具體分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結構，通過研究和比較，得出結論:變頻調速是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術。因此本文以采用變頻器和PLC 組合構成系統(tǒng)的方式，以某居民小區(qū)水泵電動機控制系統(tǒng)為對象，逐步闡明如何實現(xiàn)水壓恒定供水。 進行了控制系統(tǒng)的主電路設計，控制電路設計。對輸入輸出點進行了統(tǒng)計，共有10個輸

2、入輸出點，根據(jù)PLC的選型原則，設備選用了在生產(chǎn)中應用最為廣泛的西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵類專用的變頻器，利用變頻器的本身自有的軟啟動功能實現(xiàn)水泵電機的啟動。在控制過程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器的內置PID控制方式完成，根據(jù)控制系統(tǒng)軟硬件設計和控制要求，結合變頻器的功能參數(shù)表預置了相關的參數(shù)。在介紹了PLC的編程方法的基礎上，選用了適合初學者的邏輯代數(shù)編程，寫出了恒壓變頻供水的邏輯代數(shù)，并設計了梯形圖，結果表明了設計程序的正確性。 關鍵詞：恒壓供水，變頻調速，PLC，設計，仿真 Tall Building Constant

3、 Pressure Water Supply System Based on PLC Abstract In this paper, pipe network and pumps under the operation of the curve, clarify the water supply system for energy-saving Frequency Control Principle; specific analysis of the frequency of the principle of constant pressure water supply system an

4、d the composition of the structure, through research and comparison, concluded: Frequency Control is the highest international one-effectiveness, performance, the best and most widely, the most The future development of the Motor technology. Therefore this paper to adopt the PLC and inverter combina

5、tion of a systematic approach to a small residential area pump motor control system for the targe. A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selecti

6、on, equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pumps for MM430 The converter, In the control process, the electronic control system completed by the S7-200, PID control by the converter built-in PID control manner, in accordance

7、 with control system software and hardware design and control requirements, combining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters . Key words：Constant pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC，Design，Simulation 摘 要 I Abstract II 1 緒論

8、5 1.1 引言 5 1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義 6 1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 6 1.3.1 國內外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 6 1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 7 1.4 本人的主要工作 7 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 8 2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 8 2.1.1 電動機的調速原理 8 2.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 8 2.2 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 11 3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設計 13 3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構成方案 13 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 14 3.3 供水設備的選擇原則 14 3.4

9、參數(shù)的計算與供水設備選型 17 3.4.1水泵的參數(shù)計算與型號的選擇 17 3.4.2 變頻器的選擇 17 3.4.3 壓力傳感器的選擇 19 3.5 PLC的選型 19 3.5.1 PLC選型的基本原則 19 3.5.2 I/O點的分配 19 3.6 系統(tǒng)硬件線路設計 20 3.7 PID參數(shù)的預置 23 4 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設計 26 4.1 常用編程方法 26 4.1.1 經(jīng)驗設計法 26 4.1.2 翻譯設計法 26 4.1.3 邏輯代數(shù)設計法 27 4.2 編程軟件的簡單介紹 29 4.3 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設計 30 總 結

10、 34 致 謝 35 參考文獻 36 附 錄 37 附錄A 初始化程序及PID中斷程序梯形圖 37 遼寧科技大學畢業(yè)設計 第43頁 1 緒論 1.1 引言 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動機帶動離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動，把供水管網(wǎng)中的自來水送給用戶。但供水機泵供水的同時，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機泵的效率、確保供水機泵的可靠穩(wěn)定運行的同時，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟意義。我國供水機泵的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)

11、模上也有一定水平，但在技術水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水質量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，但是用戶用水量是經(jīng)常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機運行的安全可靠性。 變頻調速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，

12、在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用。利用變頻技術與自動控制技術相結合，在中小型供水企業(yè)實現(xiàn)恒壓供水，不僅能達到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運行.變頻 恒 水 壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣傳動技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時可達到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以設計基于變頻調速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 圖1.1 傳統(tǒng)供水

13、機示意圖 圖1.2 變頻供水機示意圖 1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義 我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。傳統(tǒng)調節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機控制和水塔二次供水調節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命；后者則需要大量的占地與投資。而變頻調速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占

14、地、節(jié)省投資、調節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。 1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 1.3.1 國內外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前國外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術先進。國外變頻供水系統(tǒng)在設計時主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。這種方式運行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺點必是電機數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，投資成本高。 目前國內有不少公司在從事進行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，結合PLC 或PID調節(jié)器實現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求

15、低的變頻供水領域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領了相當部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國產(chǎn)變頻器有待于進一步改進和完善。 1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類: (1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在135kW以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內研究和推廣最多的方式。 (2) 國內中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中

16、城市的輔助供水廠。這類變頻器、電機功率在135kV～320kW之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。 (3) 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于320kW)、機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。 目前，國內除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)變頻供水系統(tǒng)均聲稱只要改變容量就可以通用于各種供水范圍，但在實際運用中，不同供水環(huán)境對變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實現(xiàn)通用。所以在部

17、分條件復雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已認識到這一情況，并針對實際情況對變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進和完善[1][2][3][4]。 1.4 本人的主要工作 本課題主要通過研究PLC來控制變頻器實現(xiàn)恒壓供水，通過設計熟悉了PLC的工作原理，編程原理以及編程方法。進行了控制系統(tǒng)的主電路設計、控制電路設計，系統(tǒng)的控制設備選用S7-200系列的PLC（CPU222），變頻器選用西門子泵類專用的變頻器MM430。在控制過程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器完成。最后，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行調試，對該系統(tǒng)在供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力

18、、保護管網(wǎng)等進行了總結，指出變頻技術在供水領域所取得的成果及局限性。 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 2.1.1 電動機的調速原理 水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： (2.1) 式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數(shù)，s表示轉差率。 從上式可知，三相異步電動機的調速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉差率 改變電機極對數(shù)調速的調控方式控制簡單，投資

19、省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產(chǎn)機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。下面重點分析改變電源頻率調速的方法及特點。 根據(jù)公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性

20、能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用。 2.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2.1所示。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實際上是改變

21、了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f(Qc)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2.1中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 圖2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步

22、電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據(jù)用戶

23、用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。 由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉速n三次方成正比，即： （2.2） （2.3） (2.4)

24、 (2.5) 式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。 圖2.2 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1Q2。當用調速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1>H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于(H1－

25、H0)Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 2.2 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種。供水系統(tǒng)中對水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調節(jié)實現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調節(jié)轉速能實現(xiàn)壓力或流量的自動控制，同時可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設施

26、及閥門調節(jié)。 (1) 閥門控制法：通過關小或開大閥門來調節(jié)流量，而轉速保持不變。 閥門控制法的實質是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。 如圖 2.3所示，設用戶所需流量QX為額定流量的60%(即QX=60%QN)。當通過關小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點移至E點，這時，流量減小為QE(=Qx)；揚程增加為HE；供水功率PC與面積ODEJ成正比。 圖2.3 調節(jié)流量的方法與比較 （2）恒壓控制法： 即通過改變水泵

27、的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉速控制法。 轉速控制法的實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的要求。當水泵的餓轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性不變。 以用戶所需流量等于60%Qn為例，當通過降低轉速使得Qx=60%Qn時，揚程特性仍為曲線②，故工作點移向C點。這時流量減小為QE（=Qx），揚程減小為Hc，供水功率PC與面積0DCK成正比。 在所需流量小于額定流量(Qx<100%QN)的情況下，轉速控制時的揚程比閥門控制方式小得多，所以轉速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△P便是轉速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。這是變

28、頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果最基本的方面。 對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的要求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，但是揚程難以進行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之間的平衡情況有關。 如：供水能力QG>用水需求QU，則壓力上升（P↑）； 如：供水能力QG<用水需求QU，則壓力上升（P↓）； 如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力上升（P不變）。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說

29、，保持供水系統(tǒng)中某處的壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達到的目的[5][6]。 3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設計 3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構成方案 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，本次設計才用通用變頻器+PCL(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器的構成方案。系統(tǒng)的構成框圖如圖3.1所示。 圖3

30、.1 系統(tǒng)構成圖 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；通用性強，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和變頻器的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關[7] 。 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 用水量較小，工頻泵單獨運行，狀態(tài)1 用水量增加，超過工頻，開啟變頻泵，狀態(tài)2 用

31、水高峰過后，用水量下降至低于工頻，關閉變頻泵 圖3.2 控制方案 將1號泵設置為工頻泵，2號泵設置為變頻泵，由變頻器控制。 開始工作時，系統(tǒng)用水量不多，只有1號泵在工頻下運行，2號泵處于停止狀態(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。 當用水量持續(xù)增加，只有1臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，在狀態(tài)1的前提下通過控制系統(tǒng)啟動2號泵電機，2號泵在變頻器控制下根據(jù)用水量變頻運行，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。 當系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)，可將2號泵電機停運，這時，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往

32、復的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要[8] 。 3.3 供水設備的選擇原則 在做供水系統(tǒng)時，應先選擇水泵和電機，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而供水規(guī)模和住宅類型以及用戶數(shù)有關。有關選擇依據(jù)原則使用表格如下。 不同住宅類型的用水標準，根據(jù)《城市居民生活用水標準》GB/T 50331-2002，節(jié)錄如表3.1。 表3.1 不同住宅類型的用水標準 住宅 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標準（/人日） 小時變化系數(shù) 1 僅有給水龍頭 0.04～0.08 2.5～2.0 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備 0.085～0.13 2.5～2.0 3 有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設

33、備 0.13～0.19 2.5～1.8 4 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備和集中熱水供應 0.17～0.25 2.0～1.6 2. 供水規(guī)模換算表。 不同住宅類型的用水標準，根據(jù)《城市居民生活用水標準》GB/T 50331-2002，節(jié)錄如表3.2。上面一行為用水標準(/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(/h)。 表3.2 供水規(guī)模換算表 戶數(shù) 用水標準（/人日） 450 39.40 59.00 78.70 98.40 500 43.80 65.60 87.50 109.40 600 52.50 78.80 105.00 13

34、1.30 700 61.30 91.90 122.50 153.10 800 70.00 105.00 140.00 175.00 1000 87.50 131.30 175.00 218.80 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動機進行選型,見表3.3。 表3.3 水泵，電機和變頻器選型表 50xN 40 80LG50-20x2 11 11 60 80LG50-20x3 15 15 80 80LG50-20x4 18.5 18.5 100 80LG50-20x5 22 22 120 80LG50-20x

35、6 30 30 100xN 40 100DL2 18.5 18.5 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 4. 設定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù)：平方供水壓力P=0.12MPa；樓房供水壓力[9] P=（0.08+0.04樓層數(shù)）MPa (3.1) （5）系統(tǒng)設計還應遵循以下的原則： ① 蓄水池容量應大于每小時最大供水量； ② 水泵揚程應大于實際供水高度； ③ 水泵流量總

36、和應大于實際最大供水量。 3.4 參數(shù)的計算與供水設備選型 3.4.1 水泵的參數(shù)計算與型號的選擇 (1) 根據(jù)表3.1確定用水量標準為0.19/人日。 (2) 根據(jù)表3.2確定每小最大用水量為175.00/h。 (3) 根據(jù)10層樓高度35m，按照式(3.1)計算得 P =（0.08+0.04樓層數(shù)）MPa=0.48MPa 可確定設置供水壓力值為0.48MPa。 根據(jù)表3.3確定水泵型號為100DL3，工3臺(其中一臺做備用)，水泵自帶電動機功率為30kW。 3.4.2 變頻器的選擇 本

37、系統(tǒng)中 ，采用MciorMaster430系列變頻器，型號為HVAC(風機和水泵節(jié)能型)EC01—4500/3，額定電壓為380V—500V，額定功率35kW。MicroMaster430系列變頻器是全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照專用要求設計，并使用內部功能互聯(lián)(BiCo)技術，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC(電磁兼容性)設計；控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動/自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運行方式等[10]。 1. MM430變頻器介紹 MciorMaster430變頻器的端子接口分布如圖3.3所示。

38、圖3.3 MM430 端子接口分布圖 2. 端子功能介紹 各端子的功能如表3.4所示。 表3.4 端子功能表 引腳序號 引腳名稱 功能 引腳序號 引腳名稱 功能 1 +10V 電源電壓 12 AOUT1+ 模擬輸出1 2 0 電源電壓 13 AOUT1- 模擬輸出1 3 AIN1+ 模擬輸入1 14 PTCA 4 AIN1- 模擬輸入1 15 PTCB 5 DINN1 數(shù)字輸入 16 DIN5 數(shù)字輸入 6 DINN2 數(shù)字輸入 17 DIN6 數(shù)字輸入 7 DINN3 數(shù)字輸入

39、26 AOUT2+ 模擬輸出2 8 DINN4 27 AOUT2- 9 +24V 電源電壓 28 PE 10 AIN2+ 模擬輸入2 29 P+ 11 AIN2- 模擬輸入2 30 P- 18 RL1-A 22 RL2-C 19 RL1-B 23 RL3-A 20 RL1-C 24 RL3-B 21 RL2-B 25 RL3-C 3.4.3 壓力傳感器的選擇 CYYB-120系列壓力變送器為兩線制4～20mA電流信號輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列壓力傳感器的壓力

40、敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進行放大、溫度補償及非線性修正、V/I變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有4～20mA標準信號輸出。一對導線同時用于電源供電及信號傳輸，輸出信號與環(huán)路導線電阻無關，抗干擾性強、便于電纜鋪設及遠距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、A/D轉換器及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。CYYB-120系列壓力變送器新增加了全密封結構帶現(xiàn)場數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品?？蓮V泛應用于航空航天、科學試驗、石油化工、制冷設備、污水處理、工程機械等液壓系統(tǒng)產(chǎn)品及所有壓力測控領域[11]。主要特點： （1）高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度范圍； （2）抗沖擊、耐震動、體積小、防水； （3）標

41、準信號輸出、良好的互換性、抗干擾性強； （4）最具有競爭力的價格。 3.5 PLC的選型 3.5.1 PLC選型的基本原則 這是PLC應用設計中很重要的一步，目前，國內外生產(chǎn)的PLC種類很多，在選用PLC時應考慮以下幾個方面[12]。 （1）規(guī)模要適當； （2）功能要相當，結構要合理； （3）輸入，輸出功能及負載能力的選擇要正確； （4）要考慮環(huán)境條件。 根據(jù)以上原則，這次設計選擇西門子S7-200系列的CPU222AC/DC。 3.5.2 I/O點的分配 恒壓變頻供水控制系統(tǒng)的輸入輸出點的統(tǒng)計如表3.5所示。

42、 表3.5 I/O統(tǒng)計表 名 稱 代 碼 地址編號 變頻器故障 SU I0.0 啟動 SB1 I0.1 停止 SB2 I0.2 變頻器達到下限 BGL I0.3 變頻器達到上限 BGH I0.4 1#泵故障 FR1 I0.5 2#泵故障 FR2 I0.6 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 1#泵工頻運行接觸器及指示燈 KM1、HL1 Q0.0 2#泵變頻運行接觸器及指示燈 KM2、HL2 Q0.1 故障報警指示燈 HA Q0.2 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 3.6 系統(tǒng)

43、硬件線路設計 供水系統(tǒng)主電路設計如圖3.4所示，采用一臺水泵工頻持續(xù)運行，另一臺水泵與變頻器連接運行。 圖3.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 圖3.5 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 圖3.6 PLC及擴展模塊外圍接線圖 圖3.7 變頻調速恒壓控制閉環(huán)原理圖 3.7 PID參數(shù)的預置 由于SIEMENS MM430變頻器自帶了PID模塊，我們不需要進行PID調節(jié)器的設計，只需進行簡單的參數(shù)設置就可以了。首先將設置模擬輸入的DIP開關1撥到ON位置，選擇為4～20mA輸入，將DIP開關2撥到OFF位置選擇電動機的頻率，OFF位置為50Hz。其它參數(shù)的設

44、置如表3.7所示[13]。 表3.7 MM430參數(shù)預置表 參數(shù) 名稱 參數(shù) 名稱 P0003=2 用戶訪問級別為專家級 P2255=100 PID的增益系數(shù) P0004=22 參數(shù)濾過，選擇PID應用宏 P2256=100 PID微調信號的增益系數(shù) P0700=2 選擇命令源，選擇為端子控制 P2257=10S PID設定值的斜坡加速時間 P1000=2 頻率設定選擇為模擬設定值 P2258=10S PID設定值的斜坡減速時間 P1080=5Hz 最小頻率 R2260=100% 顯示PID的總設定值 P1082=50Hz 最大頻

45、率 R2261=3S PID設定值的濾波時間常數(shù) P2200=1 閉環(huán)控制選擇，PID功能有效 R2262=100% 顯示濾波后的PID設定值 P2231=1 允許存儲P2240的設定值 P2265=3S PID反饋立場撥時間常數(shù) P2240=75% 鍵盤給定的PID設定值 P2267=100 PID反饋信號的上限值 P2253=2250:0 選擇P2240的值作為PID給定 P2268=0 PID反饋信號的下限值 P2250=100% 顯示P2240的設定值輸出 P2269=100% PID反饋信號的的增益 P2254=0.0 缺省值，對微調信

46、號沒有選擇 P2291=100 PID輸出的上限 P2292=0.00 PID輸出的下限 P2280=3.00 PID的比例增益系數(shù) P2285=7.00S PID的微分時間 P2294=100% 實際的PID控制器輸出  4 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設計 4.1 常用編程方法 4.1.1 經(jīng)驗設計法 在熟悉繼電器控制電路設計方法的基礎上，如能透徹地理解PLC各種指令的功能，憑著經(jīng)驗比較準確地使用PLC 的各種指令，而設計出相應的程序。設計步驟如下： （1） 確定輸入、輸出電器； （2） 確定輸入、輸出點數(shù)； （3） 選擇PLC 并編程； （

47、4）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來。 這種編程方法沒有普遍的規(guī)律可循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結果也不是唯一的，設計所用的時間、設計的質量與設計者的經(jīng)驗有很大關系，它一般只用于簡單的梯形圖設計(如手動程序) 。 4.1.2 翻譯設計法 它是把繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的電器原理圖直接翻譯成PLC 梯形圖。 1. 翻譯設計法的設計步驟如下： (1) 將檢測元件、控制元件(如行程開關、按鈕等) 合理安排,接入PLC 的輸入口； (2) 將被控對象(如電磁閥線圈、接觸器線圈等) 接入PLC 的輸出口； (3) 把由繼電器—接觸器完成的控制功能由PLC 的軟件(即梯形圖) 來完成

48、。 2. 應用舉例 例如:電動機正反轉控制電路,原理線路如圖4.1所示。 改用PLC 控制后,其I/ O 接線和梯形圖分別如圖4.2 ,圖4.3所示。 圖4.1 電氣原理圖 圖4.2 I/O接線圖 圖4.3 電機正反轉梯形圖 4.1.3 邏輯代數(shù)設計法 在繼電器—接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設計法比較容易獲得設計方案。設計出來的控制線路既符合工藝要求，又達到工作可靠、經(jīng)濟合理，因而得以廣泛的應用。 1. 邏輯代數(shù)設計法的設計步驟如下 （1） 根據(jù)控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關系的狀態(tài)表； （2） 根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達式，并化簡； （

49、3） 根據(jù)化簡后的邏輯表達式畫出梯形圖。 2.　應用舉例 例如：某系統(tǒng)中4 臺通風機，要求在以下幾種運行狀態(tài)下應發(fā)出不同的顯示信號:三臺及三臺以上開機時,綠燈常亮; 兩臺開機時，綠燈以5Hz的頻率閃爍；一臺開機時,紅燈以5Hz 的頻率閃爍；全部停機時，紅燈常亮。為討論方便,設4 臺通風機分別為A、B 、C、D ,現(xiàn)以綠燈常亮的設計原理為例，其余類推。綠燈閃爍的程序設計:設燈常亮為“1”,滅為“0”,風機開為“1”,停為“0”,綠燈常亮有5 種情況，則其狀態(tài)表如表4.1 所示。 表4.1 綠燈閃爍狀態(tài)表 A B C D F 0 1 1 1 1 1 0 1 1

50、 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 由狀態(tài)表可得F 的邏輯函數(shù)表達式為: 化簡為: 選擇西門子公司S7-200系列的PLC。其I/ O 分配如表4.2 所示。 表4.2 　I/ O 分配表 I O A B C D F I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 Q0.0 則其梯形圖如圖4.4 所示: 圖4.4 綠燈常亮梯形圖 本設計采用的是邏輯代數(shù)設計法。 4.2 編程軟件的簡單介紹 STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應用軟件，由西門子公

51、司專為S7-200系列PLC設計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)?，F(xiàn)在加上全中文化程序后，可在中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。 STEP7-Micro/WIN32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應用軟件的任務，例如創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能。同時它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設置PLC的工作方式，參數(shù)和運行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯誤。 軟件的功能的實現(xiàn)可以在聯(lián)機工作方式（在線方式）下進行

52、，部分功能的實現(xiàn)也可以在離線工作方式下進行。 S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進行編程。單擊圖4.5所示的編程軟件圖標可進入如圖4.6所示的操作界面，在此界面可完成主程序，子程序，中斷程序的編制與修改，完成程序編制后單擊保存，再單擊下載，程序即可供PLC使用。 圖4.6 STEP7-Micro/WIN32操作界面 4.3 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設計 在控制系統(tǒng)中，變頻器通過對電機出廠壓力點處設置的壓力變送器反饋信號，進行單閉環(huán)控制。PLC程序設計的主要任務是接受外部開關信號的輸入以及水池水位信號，判斷當前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號去

53、控制接觸器、繼電器和變頻器等器件，以完成相應的控制任務， PLC主要控制任務就是根據(jù)實際情況實現(xiàn)工頻和變頻的切換。 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，經(jīng)過化簡后的各變量的邏輯表達式如下： (4.1) (4.2) (4.3)

54、 (4.4) (4.5) (4.6) 根據(jù)邏輯表達式（4.1）~（4.13），設計的梯形圖如圖4.7所示。 圖4.7 主程序梯形圖 圖4.8 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 圖4.9 2#泵變頻運行控制流程圖 圖4.10 1#泵工頻運行控制流程圖

55、 總 結 本課題主要研究的是某小區(qū)的恒壓供水。為此設計了一套具有高性能的變頻器控制系統(tǒng)來代替原有的手動啟動、閥門控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)重點是根據(jù)系統(tǒng)運行的需求，自動調節(jié)輸出頻率控制電動機的轉速，從而保持系統(tǒng)工況壓力的穩(wěn)定。 根據(jù)供水的要求，此裝置屬于一拖二閉環(huán)調速系統(tǒng)，且變頻器帶動的電機可實現(xiàn)無級調速。減少系統(tǒng)波動現(xiàn)象和對電源電網(wǎng)的沖擊。此裝置在變頻器出現(xiàn)故障時，可自動關閉電動閥門，系統(tǒng)退出變頻式運行，以避免中斷供水。 在工頻方式運行下，系統(tǒng)帶有降壓啟動裝置，在工頻啟動時，由于啟動電流過大，而避免對電網(wǎng)沖擊的影響，并可延長電機的使用壽命。裝置啟動時，電動機與電動閥門同時開啟，停止時先關閉電動

56、閥門，電動機延時停止，防止水錘現(xiàn)象，延長水泵使用壽命。 致 謝 對于這次畢業(yè)設計的順利完成，我首先要感謝孫紅星教授，是他細心的給我講解了許多關于PLC、變頻器、供水原理相關的知識，并在設計過程中所遇到的難題都給了非常重要的意見，本次設計能夠有較好的主體框架也得益于孫紅星教授的指導，導師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、崇高的敬業(yè)精神與為人師表的風范，使我受益匪淺，在此，謹向孫教授表示我最衷心的感謝。最后，我要感謝關心我們畢業(yè)設計的系領導和各位老師，感謝你們四年來為我們付出的辛勤汗水；同時還要感謝學校圖書館給我們提供的各種資料。

57、 參考文獻 [1] 金傳偉，毛宗源．變頻調速技術在水泵控制系統(tǒng)中的應用．電子技術應用，2000，No.9: 38-39 [2] 馬桂梅，譚光儀.陳次昌泵變頻調速時的節(jié)能方案討論.四川工業(yè)學院學報.2003，No.9: 5-7 [3] 崔金貴.變頻調速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討.蘭州鐵道學院學報.2000， No.1: 84-88 [4] 吳民強.泵與風機節(jié)能技術水利電力出版社，1994:2-6 [5] 葉汝裕.水泵風機的節(jié)電及技術改造重慶大學出版社，1998:1-4 [6] 徐士鳴.泵與風機原理與應用.大連理工大學出版社，19

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