恒压供水专业系统设计毕业答辩论文
丽水职业技术学院
机电信息分院
毕业设计
旭日小区恒压供水系统
学生学号：080XXXXX
学生姓名：XXXX
导师姓名：叶XX
班级机电0XXX 专业名称机电一体化技术提交日期 201X年X月XX日答辩日期 201X年X月XX日
201X年5月
摘要
随着经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，现今能源的紧缺，利用先进的自动化技术、可编程控制技术、通讯技术和计算机技术，设计出高性能、高效率、能适应不同领域的可靠性高的恒压供水系统成为必然的趋势。
本论文从节约能源的角度出发，提出多种不同的控制方案，最后通过方案间的比较和针对现今社会的调查确定选用变频器与PLC实现恒压供水系统控制的方案。论文具体介绍恒压供水系统的控制原理及PLC控制系统，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。系统主要控制目标是泵站总管出水压力，在用户端的检测机构反馈数值与系统给定值进行比较，其差值经PID运算处理后发出控制指令，使变频器变频，调整运转电机数量或或改变电机运转速度，从而达到总管供水压力在给定的范围内。
关键字：变频调速、恒压供水、PLC、MCGS
目录
第一章绪论.............. 错误！未定义书签。
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第二章系统的方案选择... 错误！未定义书签。
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第三章系统控制回路设计错误！未定义书签。
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其他回路设计.... 错误！未定义书签。
第四章元器件的选型错误！未定义书签。
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压力变送器的选型错误！未定义书签。
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第五章元气件的接线图.. 错误！未定义书签。
PLC接线图....... 错误！未定义书签。
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模拟量模块接线图错误！未定义书签。
第六章PLC控制及编程. 错误！未定义书签。
PLC控制流程图错误！未定义书签。
I/O地址分配表 . 错误！未定义书签。
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第七章组态.............. 错误！未定义书签。
MCGS组态....... 错误！未定义书签。
第八章总结.............. 错误！未定义书签。
致谢.............................. 错误！未定义书签。
参考文献：.................. 错误！未定义书签。
附录1 恒压供水系统程序.错误！未定义书签。
附录2 电气原理图..... 错误！未定义书签。
第一章绪论
随着我国城市和工业化进程的加快，城市供水面临着缺水与水环境恶化双重压力，还存在着浪费、低效用水及管理落后现象。长期以来区域供水都是有市政管网经过二次加压和水塔、高位水池等设施来实现。由于用户用水有着季节和时间段的明显变化。普通的供水方式就不能满足供水需求，从而造成各种资源的浪费。
随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。智能供水有三方面的特点：一起动平稳，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；二由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等元件的使用寿命；三可以消除起动和停机时的“水锤效应”。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节能和节省人力，最终达到高效率的供水的目的。
本设计的任务是在原有供水不变的基础上配备PLC和变频器等现今运用最为广泛的先进技术，在用水需求量改变时，变送器根据管网压力，把数值传送给PLC，PLC经过PID运算与设定值进行对比，来增减或调整电机投运台数和转速，从而能达到智能供水的目的。设计中给出详细的设计方案，及方案设计的数据、PLC程序、外部线路连接图和硬件的选型。
系统控制要求：
1、对三台变频泵根据反馈值进行控制，及加减泵或改变单台泵的运转速度。
2、在用水量相对较少的时间段采用辅佐泵供水，停止其他水泵工作。
3、可手动/自动两个档位相互切换，相互间互不干扰。
第二章系统的方案选择
目前普遍而言小区供水主要采用水泵、水塔、高位水箱等，这些供水方式存在着严重的浪费现象。比如水泵，就是直接用水泵把水源输送到用户单元，此方法操作简单，但是非常繁琐。每次用水都必须去开启水泵。
水塔，就是先用水泵把水抽到高处，然后利用水的压力供水，和直接用水泵供水有了进一步提高。但是这种方法把水经过两次输送。输送过程中不可避免的造成二次污染，影响居民健康。所以这种方法不可取。
高位水箱——采取这种方法不但达到了高层楼房用户不因城市水管压力减小而用不到水的目标，也尽量避免了水源的二次污染。可它的投资成本价高。居民负担加重，所以不可取。
综合上述方案，恒压供水系统就凸现而出。结合小区用水特点和经济效益，恒压供水就是不二的选择。下面就具体介绍一下此系统。
系统的控制方式如图2-1恒压供水控制系统总图。系统由PLC作为主站，变频器、触摸屏作从站组成。触摸屏上可显示系统当前的工作情况和各项数值，也可进行简单的数字量操作，如手动控制时进行各泵的手动开关控制(详细信息见第七章)。变频器只作为执行机构，它与PLC 进行数据传输，以及反馈信息给PLC。在控制系统中还有变送器，它只进行模拟量传输，反馈各管路压力当前值。
图2-1 恒压供水控制系统总图
1、从水泵的工作效率
不是变频供水的水泵功率不随供水需求变
化而变化。我们来做个计算：以一台1KW的水泵电机工作12小时。不变频时需用电12KWh。变频调速供水除12小时都是需求量大则为
12KWh，但12小时不可能全是用水高峰期，所以在一些用水相对较少的时候，变频调速就体现出来了。
2、从电机的使用寿命看
水泵电机如果都是在没有保护的状态下启
动停机，在启动过程中由于电机加速过程十分急剧，这样很容易产生“水锤”效应。“水锤效应”极具破坏性，压强过高，将引起管子爆裂；反之，压强过低有会导致管子的瘪塌。此外，“水锤效应”还可能损坏阀门或其他元部件。这对电机的使用寿命有严重的影响。而采用变频器调速后，可以通过对电机启动时间上控制来延长启动时间，使电机加速时间延长。在停机过程中，同样可以对电机降速时间延长，从而彻底消除“水锤效应”。在停机过程中，由于采用延长加速减速时间，使得水泵叶片承受压力减小；轴承磨损减小。所以，采用了变频调速以后，水泵电机的寿命将大大延长。
第三章系统控制回路设计
在设计主电路时，采取电机启动保护器QM 来保护电机。电机启停均有PLC控制，在电机变频调速时，同时接通变频器和变频电机，根据水压进行变频调速或增泵减泵处理。系统详细控制见附录2《电气原理图》。
控制电路是控制系统的大脑，它操控着控制系统的所有动作机信号处理。在设计上因对某些不能同时接通的电路部分进行双重互锁(即机械与电气互锁)，以保证电路的正常运行。在模拟量处理中，为此加上了A/A1安全隔离栅，以保证模拟信号的准确安全传输。具体接线图见附录2《电气原理图》。
其他回路设计
在电路设计中，常常一个主电路很难完成系统的控制，所以在设计中添加了辅助回路。辅助
回路在系统中作辅助用，但又不能缺少。辅助回路包括一个控制变压器和两个电源开关。变压器输出的电压为220V，供控制电路使用；两个开关电源分别供给PLC输入输出和模拟量回路。详细的分配见附录2《电气原理图》。
第四章元器件的选型
PLC具有可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强、易学易用、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低等特点。
在本设计中，需13点输入，15点输出。西门子PLCcpu224(14DI/10DO)，输入点满足要求，输出点不满足；cpu226(24DI/16DO)输入输出都能满足要求。故此次设计选择西门子
PLCcpu226(24DI/16DO)。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用
将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能
实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能。
本次设计中选选用斯耐德ATV21风机泵用变频器。此系列有可变转矩泵和风机应用锁必需的所有功能：PI调节器，预置PI；自动重启动，可在运行时恢复；变频跳跃；过载检测与欠载检测等功能（具体说明及参数设置可见ATV21用户手册）。
设计中有压力模拟量的运算，按要求有四个模拟量输入，而对变频器要进行输出控制，所以需要一位输出。故选择西门子EM235模拟量模块。
压力变送器的选型
为了使供水系统更加准确的完成供水任务，在选择压力变送器就变的十分重要。经过各品牌之间的对比，这里选择罗斯蒙特压力变送器。
因为各种品牌的触摸屏一般都有自己的软件，在选择上有一定的限制。本次设计选择昆仑通态研发的人机界面TPC7062K。本次软件为组态软件。
电气元件表根据电气原理图进行选择，详细资料见表4-1硬件明细表：
序号名称代号
1 主断路器QF1
2 控制变压器断路器QF2
3 一号泵电机保护启动器QM1
4 二号泵电机保护启动器QM2
5 三号泵电机保护启动器QM3
6 辅佐泵电机保护启动器QM4
7 一号电机接触器KM1
8 二号电机接触器KM2
9 三号电机接触器KM3
10 辅佐电机接触器KM4
11 中间继电器KA1-KA15
12 熔断器FU1--FU7
13 熔断器FD1--FD2
14 急停按钮SJ1
15 普通按钮SB1~SB6
16 指示灯HL1-HL2
17 声光蜂鸣器HA
18 电流互器TB1-TB3
19 开关电源A/D1-A/D2
20 进线电抗器TC
21 控制变压器TK
22 变频器V/F
23 可编程控制器（CPU）PLC-CPU
24 模拟量输入模块PLC-2
25 解摸屏TPC7062K
26 信号隔离安全栅A/A1-A/A4
27 通讯电缆MPI
表4-1 硬件明细表
第五章元气件的接线图
PLC接线图
在PLC的输出端，本设计采用了中间继电器，为防止回路因回流电压而损坏PLC。PLC供电采用220V交流点，电源输入均采用熔断器保护。具体接线图见附录2《电气原理图》。
因变频器不能对电机进行过载保护，所以每台电机都接入热继电器。见附录2《电气原理图》。
模拟量模块接线图
模拟量的准确输入是这个系统的重要数据组成部分，所以在模拟量这块加了安全隔离栅A/A1。起模拟量保护及PLC保护作用。实际接线见附录2《电气原理图》。
第六章PLC控制及编程
PLC控制流程图
控制顺序流程图如图6-1所示，
图6-1 顺序控制流程图
I/O地址分配表
在编写程序之前，先规定程序中需要的软件地址表，在以下表格中罗列出本次设计的I/O地址分配表如表6-1。
功能外部原
件
内部地址功能内部地址
急停SJ1 I0.0 储水罐液位上限VD500 系统开机SB1 I0.1 储水罐液位下限VD510 系统停机SB2 I0.2 总管压力上限VD520 报警消音BJ I0.3 总管压力下限VD530 变频器故障信号I0.4 总管压力高报VD540
变频器过流信号I0.5 总管压力过高报警停
机VD550
辅助回路报警I0.6 总管压力低报VD560
_1手动/_0自动I0.7 总管压力过低报警停
机VD570
手动控制辅佐泵I1.0 变频器故障报警停机VD580 手动减泵I1.1 总管压力VD300 手动增泵I1.2 一号变送器压力VD310 液位上限I1.3 二号变送器压力VD320 液位下限I1.4 三号变送器压力VD330
手动给定功率功率VD1600 变频器运行/停止Q0.0 总管AIW0 变频器故障复位Q0.1 一号变送器AIW2 1#变频Q0.2 三号变送器AIW4 2#变频Q0.3 PID开始VB100 3#变频Q0.4 变频频率VW114 1#工频Q0.5 输出控制值AQW0 2#工频Q0.6 手动增减泵VB10 3#工频Q0.7 顺序控制VB11 辅佐泵Q1.0 功率给定VD1000 总管电磁阀Q1.1 输出速度VD1100 总管流量开关Q1.2 输出频率VD1200 报警输出Q1.3 输出力矩VD1300 备用Q1.4 输出电流VD1400 报警指示灯(红) Q1.5 输出功率VD1500 工作指示灯Q1.6 PID手动自动M0.3
开机条件M0.5
增泵延时60s T37 自动运行标志M10.0 减泵延时60s T38 开机脉冲SM0.1
表6-1 软件地址分配表
恒压供水程序分为：主程序、档位控制子程序(DWKZ_K)、手动档子程序(SD_KZ)、自动档子程序(ZD_KZ)、自动档运行泵增减控制子程序(VB11_K)、报警子程序、变频器数据转换子程序以及模拟量处理子程序。其中还有库和向导。详细程序见附录1。以下就针对本次程序作简单的说明(以下程序说明时均用程序缩写)。
1、主程序中有
指令为PID运算指令。
还有网络2、3、4、5为MODBUS指令，此指令主要作用就是于变频器通讯用的。
2、以下为报警程序，在储水罐液位不足、
总管压力超标等信号发生时，触发报警程