恒压供水专业系统设计毕业论文.doc

丽水职业技术学院
机电信息分院
毕 业 设 计

旭日社区恒压供水系统

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
随着经济发展，人们对供水质量和供水系统可靠性规定不断提高，现今能源紧缺，运用先进自动化技术、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、能适应不同领域可靠性高恒压供水系统成为必然趋势。
本论文从节约能源角度出发，提出各种不同控制方案，最后通过方案间比较和针对现今社会调查拟定选用变频器与PLC实现恒压供水系统控制方案。论文详细简介恒压供水系统控制原理及PLC控制系统，给出了PLC控制系统硬件和软件设计。系统重要控制目的是泵站总管出水压力，在顾客端检测机构反馈数值与系统给定值进行比较，其差值经PID运算解决后发出控制指令，使变频器变频，调节运转电机数量或或变化电机运转速度，从而达到总管供水压力在给定范畴内。

核心字：变频调速、恒压供水、PLC、MCGS

目录
第一章 绪论 3
1.1都市供水需求 3
1.2恒压供水系统设计目和意义 3
1.3设计任务及规定 3
第二章  系统方案选取 4
2.1系统控制方案选取 4
2.2恒压供水系统 4
2.3变频调速节能原理 5
第三章 系统控制回路设计 5
3.1主电路设计 5
3.2控制电路设计 5
3.3 其她回路设计 6
第四章 元器件选型 6
4.1.PLC选型 6
4.2变频器选型 6
4.3模仿量模块选取 6
4.4 压力变送器选型 6
4.5触摸屏选型 7
4.7原件表 7
第五章 元气件接线图 8
5.1 PLC接线图 8
5.2变频器接线图 8
5.3 模仿量模块接线图 8
第六章 PLC控制及编程 9
6.1 PLC控制流程图 9
6.2 I/O地址分派表 9
6.3编程及程序简介 11
第七章 组态 14
7.1 MCGS组态 14
第八章 总结 16
道谢 17
参照文献： 18
附录1 恒压供水系统程序 19
附录2 电气原理图 29
第一章 绪论
1.1都市供水需求
随着国内都市和工业化进程加快，都市供水面临着缺水与水环境恶化双重压力，还存在着挥霍、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通过二次加压和水塔、高位水池等设施来实现。由于顾客用水有着季节和时间段明显变化。普通供水方式就不能满足供水需求，从而导致各种资源挥霍。
1.2恒压供水系统设计目和意义
随着电力技术发展，以变频调速为核心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冲击；二由于泵平均转速减少了，从而可延长泵和阀门等元件使用寿命；三可以消除起动和停机时“水锤效应”。其稳定安全运营性能、简朴以便操作方式、以及齐全周到功能，将使供水实现节能和节约人力，最后达到高效率供水目。
1.3设计任务及规定
本设计任务是在原有供水不变基本上配备PLC和变频器等现今运用最为广泛先进技术，在用水需求量变化时，变送器依照管网压力，把数值传送给PLC，PLC通过PID运算与设定值进行对比，来增减或调节电机投运台数和转速，从而能达到智能供水目。设计中给出详细设计方案，及方案设计数据、PLC程序、外部线路连接图和硬件选型。
系统控制规定：
1、对三台变频泵依照反馈值进行控制，及加减泵或变化单台泵运转速度。
2、在用水量相对较少时间段采用辅佐泵供水，停止其她水泵工作。
3、可手动/自动两个档位互相切换，互相间互不干扰。

第二章  系统方案选取
2.1系统控制方案选取
当前普遍而言社区供水重要采用水泵、水塔、高位水箱等，这些供水方式存在着严重挥霍现象。例如水泵，就是直接用水泵把水源输送到顾客单元，此办法操作简朴，但是非常繁琐。每次用水都必要去启动水泵。
水塔，就是先用水泵把水抽到高处，然后运用水压力供水，和直接用水泵供水有了进一步提高。但是这种办法把水通过两次输送。输送过程中不可避免导致二次污染，影响居民健康。因此这种办法不可取。
高位水箱——采用这种办法不但达到了高层楼房顾客不因都市水管压力减小而用不到水目的，也尽量避免了水源二次污染。可它投资成本价高。居民承担加重，因此不可取。
综合上述方案，恒压供水系统就凸现而出。结合社区用水特点和经济效益，恒压供水就是不二选取。下面就详细简介一下此系统。
2.2恒压供水系统
系统控制方式如图2-1恒压供水控制系统总图。系统由PLC作为主站，变频器、触摸屏作从站构成。触摸屏上可显示系统当前工作状况和各项数值，也可进行简朴数字量操作，如手动控制时进行各泵手动开关控制(详细信息见第七章)。变频器只作为执行机构，它与PLC进行数据传播，以及反馈信息给PLC。在控制系统中尚有变送器，它只进行模仿量传播，反馈各管路压力当前值。

图2-1 恒压供水控制系统总图
2.3变频调速节能原理
1、从水泵工作效率
不是变频供水水泵功率不随供水需求变化而变化。咱们来做个计算：以一台1KW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小时不也许全是用水高峰期，因此在某些用水相对较少时候，变频调速就体现出来了。
2、从电机使用寿命看
水泵电机如果都是在没有保护状态下启动停机，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瘪塌。此外，“水锤效应”还也许损坏阀门或其她元部件。这对电机使用寿命有严重影响。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。因此，采用了变频调速后来，水泵电机寿命将大大延长。

第三章 系统控制回路设计
3.1主电路设计
在设计主电路时，采用电机启动保护器QM来保护电机。电机启停均有PLC控制，在电机变频调速时，同步接通变频器和变频电机，依照水压进行变频调速或增泵减泵解决。系统详细控制见附录2《电气原理图》。
3.2控制电路设计
控制电路是控制系统大脑，它操控着控制系统所有动作机信号解决。在设计上因对某些不能同步接通电路某些进行双重互锁(即机械与电气互锁)，以保证电路正常运营。在模仿量解决中，为此加上了A/A1安全隔离栅，以保证模仿信号精确安全传播。详细接线图见附录2《电气原理图》。

3.3 其她回路设计
在电路设计中，经常一种主电路很难完毕系统控制，因此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。辅助回路涉及一种控制变压器和两个电源开关。变压器输出电压为220V，供控制电路使用；两个开关电源分别供应PLC输入输出和模仿量回路。详细分派见附录2《电气原理图》。

第四章 元器件选型
4.1.PLC选型
PLC具备可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，合用性强、易学易用、系统设计、建造工作量小，维护以便，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)，输入点满足规定，输出点不满足；cpu226(24DI/16DO)输入输出都能满足规定。故本次设计选取西门子PLCcpu226(24DI/16DO)。
4.2变频器选型
变频器是运用电力半导体器件通断作用将工频电源变换为另一频率电能控制装置，能实现对交流异步电机软起动、变频调速、提高运转精度、变化功率因素、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须所有功能：PI调节器，预置PI；自动重启动，可在运营时恢复；变频跳跃；过载检测与欠载检测等功能（详细阐明及参数设立可见ATV21顾客手册）。
4.3模仿量模块选取
设计中有压力模仿量运算，按规定有四个模仿量输入，而对变频器要进行输出控制，因此需要一位输出。故选取西门子EM235模仿量模块。
4.4 压力变送器选型
为了使供水系统更加精确完毕供水任务，在选取压力变送器就变十分重要。通过各品牌之间对比，这里选取罗斯蒙特压力变送器。
4.5触摸屏选型
由于各种品牌触摸屏普通均有自己软件，在选取上有一定限制。本次设计选取昆仑通态研发人机界面TPC7062K。本次软件为组态软件。
4.7原件表
电气元件表依照电气原理图进行选取，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
批示灯
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
模仿量输入模块
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 元气件接线图
5.1 PLC接线图
在PLC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。详细接线图见附录2《电气原理图》。
5.2变频器接线图
因变频器不能对电机进行过载保护，因此每台电机都接入热继电器。 见附录2《电气原理图》。
5.3 模仿量模块接线图
模仿量精确输入是这个系统重要数据构成某些，因此在模仿量这块加了安全隔离栅A/A1。起模仿量保护及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
6.1 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

6.2 I/O地址分派表
在编写程序之前，先规定程序中需要软件地址表，在如下表格中罗列出本次设计I/O地址分派表如表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
变频器运营/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
变屡屡率
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
报警批示灯(红)

Q1.5
输出功率
VD1500
工作批示灯

Q1.6
PID手动自动
M0.3

开机条件
M0.5
增泵延时
60s
T37
自动运营标志
M10.0
减泵延时
60s
T38
开机脉冲
SM0.1
表6-1 软件地址分派表
6.3编程及程序简介
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)、自动档运营泵增减控制子程序(VB11_K)、报警子程序、变频器数据转换子程序以及模仿量解决子程序。其中尚有库和向导。详细程序见附录1。如下就针对本次程序作简朴阐明(如下程序阐明时均用程序缩写)。
1、 主程序中有指令为PID运算指令。
尚有网络2、3、4、5为MODBUS指令，此指令重要作用就是于变频器通讯用。
2、 如下为报警程序，在储水罐液位局限性、总管压力超标等信号发生时，触发报警程序。
3、 网络13为泵变频运营程序，当泵变频运营时自动接通变频器。
4、 当系统切换到手动档时，复位自动运营标志，意为切断所有自动运营程序。并复位顺序控制。此程序为手动挡开机初始化，复位手动挡各单元。

固然自动档时，只要置位自动运营标志可以了。
5、 手动档时，可以手动控制辅助泵开关。此时，有两个按钮进行增泵和减泵。增减泵都是字节增减指令，依照字节增减变化VB10(手动增减泵)数值，然后依照步进阶梯指令进行顺序控制。
6、 当系统自动运营时，主程序调用SD_KZ和VB11_K。自动运营时，依照变送器读取数值进行系统控制。当单台泵变频运营在最大频率超过3分钟时，进行增泵程序反之，当单台泵变频运营在最小频率超过3分钟时，进行减泵程序增减泵均有相对延时，这在程序中均有定期器进行延时控制。
7、 在自动档时，泵增减重要靠VB11(顺序控制)执行，当每次增泵或减泵时，VB11(顺序控制)均加“1”或减“1”。然后在SD_KZ程序中依照比较指令读取VB11(顺序控制)值进行相应泵切换。。如：为变频运营三号泵，工频运营一、二号泵。图中2#1110000相应Q0.4(三#变频)、Q0.5(一#工频)、Q0.6(二#工频)。
8、 变频器数据转换程序只为触摸屏服务，在触摸屏上显示相应数值，可以更直观看到变频器数值。如下图为输出速度：
9、 模仿量解决程序只是将变送器出送回来值转换成PLC能读取信号。
10、程序中尚有其她子程序为向导和库使用而自动生成。这里就不做简介。
第七章 组态
7.1 MCGS组态
1、人机界面选用昆仑通泰研发人机界面TPC7062K，组态画面生成这里就不做详细简介。如下就简介生成之后总画面。如图7-1供水系统总图所示。

图7-1 供水系统总图
画面重要显示各级压力，系统是处在手动还是自动状态。泵变频还是工频运营或与否在运营。
2、手动档控制画面，可手动控制泵开与停。如图7-2手动档操作图所示。

图7-2 手动档操作图
3、 变频器数据显示画面重要显示变频器数据，如图7-3变频器数据监控图所示。
图7-3 变频器数据监控图
4、报警画面如图7-4所示。

图7-4 报警画面

第八章 总结
此设计恒压供水为设计主题，涉及：恒压供水系统原理、电气原理图、系统硬件选型、电路设计和软件设计等，本次设计重要涉及三某些：主控制单元、显示单元、执行单元。
一方面，普通二次加压方式只是单纯泵启动和切换，这样电机启动时会产生很大启动电流，长期如此对电机寿命有很大损害，并且在供水时始终采用工频供水效率低、能耗大。而本设计可依照供水压力多水泵进行调速或增减泵，从而变化电机转速，减少了能量消耗。
另一方面，普通恒压供水在用量变化相对比较频繁时，有高效、节能长处。如在白天用水量打时采用多台泵工频供水；而晚上用水量少时，采用单台泵或只启动辅助泵进行供水。采用此设计在这方面特别凸显节能效果。
尚有本设计运营维护以便，对于操作人员不规定具备专业人员，从而也减少了人员挥霍，还可提供某些相对文化水平较低人一种工作机会。人员在操作时，只要依照阐明一步步操作就可。因而，此时设计推广性非常强，在现阶段很受客户欢迎。

道谢
通过两个月奋战，终于完毕了毕业设计。在设计过程中我要感谢我指引教师叶宏伟教师。叶教师有丰富教学经验和渊博知识。也是我大一一学期《机械加工》教师，大一我就对教师有深刻影响。本论文是在叶教师亲自指引下完毕，从论文框架，到论文详细内容，再到论文修改，都得到了叶教师辅导。
另一方面，要感谢XXXXXXXX。薛主任在自动化这方面有过硬技术，她敏锐思维方式。积极乐观工作态度都让我深有感触，也是我学习榜样，此设计也在她协助下完毕PLC编程和变频器方面设计，其中与变频器通讯这块也是薛主任教我。
再次，感谢我父母，感谢她们生育我、把我养大成人，并教诲我。正是她们关怀、理解、勉励和支持让我能全身心学习、工作。
最后，感谢所有教诲过我、关怀过我教师、朋友、同窗和亲人，感谢你们为我所做一切！

参照文献：
［1］斯耐德公司．《ATV21异步电机变频器顾客手册》，．03．01
［2］斯耐德公司．《ATV21 modbus user manual-EN》，．07．29
［3］西门子公司．《SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册》，．8
［4］龙章眷．PLC与变频器在自动恒压供水设备中应用．科技信息，(3)179,202
［5］赵小惠，赵小娥．基于可编程控制器恒压供水系统设计，(2)：18-20
［6］张斌．PLC和变频调速技术在恒压供水系统中应用．电力学报， 21-(4)
［7］丁芳等．智能PID算法在也为控制系统中应用．微计算机信息，(1)：103—105
［8］张国强．全自动变频调速恒压供水系统设计与探讨．学术论坛，
［9］王仁详．《惯用低压电器原理及控制技术》，北京：机械工业出版社，

附录1 恒压供水系统程序
恒压供水主程序

档位控制子程序

手动档子程序

自动控制子程序

自动档----泵增减控制

附录2 电气原理图