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自动供水系统论文

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木叶轩
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摘 要随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。 本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。关键词：变频调速 ； 恒压供水； PID调节； PLC ABSTRACTWith the rapid development of social economy， it demands the better of water supply' s quality and reliability of water supply Meanwhile energy resources are seriously So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well， with help of advanced technique of automation， control and At the same time this system can adapt different water supply It is very important of the Water Supply System in Constant Pressure for the water supply in industrial and citizen It is consist of the variable frequency and speed regulation， PLC， PID control system for the control It controls the outcome of the The generator pumps are consist of parallel three pumps， and the power come from variable frequency and speed regulation or power According to the water supply of constant pressure’s outcome water press and flux， the control system control the variable frequency and speed regulation， parallel pumps’ speed and cut over， cause the system move in the best rational situation， assure according to wants supply This design has many merits such as save In this paper， the control principle of VVVF providing-water system is introduced， PLC is used to carry on logic control and invertered to modulate pressure．Through PID control We realize Closed-loop control in VVVF Providing-water S The result indicates that the system has the stable pressure， simple structure， and reliable Keywords： variable frequency and speed regulation； water supply of constant pressure； PID control system； PLC目录摘 要………………………………………………………………… 1ABSTRACT ……………………………………………………………21 绪论………………………………………………………………… 1变频恒压供水产生的背景和意义 ………………………………2变频恒压供水系统的国内研究现状…………………………… 3课题来源及本文的主要研究内容 ………………………………4本论文中所做的工作…………………………………………… 52 恒压供水系统的基本构成 …………………………………………63 变频器和压力传感器 ………………………………………………1 变频器的基本结构 ………………………………………………2 变频器的分类及工作原理 ……………………………………3 变频器的操作方式及使用 ……………………………………4 变频器硬件选择 ………………………………………………5 压力传感器 ……………………………………………………144 PLC选择及应用 ……………………………………………………1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务 …………………………2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 …………………………1 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接…………2 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配………… 3 模拟量输出模块的功能及PLC系统连接 ……………4 模拟量输出模块的偏置、增益及分配 …………………215 PID控制器的设计 ………………………………………………1 PID控制算法及特点 …………………………………………2 PID参数整定的相关原则…………………………………… 3 PID指令的使用注意事项 ……………………………………4 PID回路类型的选择 …………………………………………5 正作用或反作用回路 …………………………………………276 系统的设计………………………………………………………… 1 系统要求……………………………………………………… 2控制系统的I/O及地址分配……………………………………3 PLC系统选型………………………………………………… 4 电气控制系统原理图………………………………………… 1主电路图…………………………………………………… 2 控制电路图 ………………………………………………5 系统程序设计 …………………………………………………1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 ………………2 多泵组泵站泵组管理规范 ………………………………3系统流程图设计 ……………………………………………4程序的结构及程序功能的实现 …………………………5系统的运行分析 …………………………………………39致谢 ……………………………………………………………………401 绪论随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1变频恒压供水产生的背景和意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析

自动供水系统论文
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ziminguo

1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的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。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水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1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1中a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ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理1 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图2 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件1 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图2 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的0输入口相连接，当按下sb0时，0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。5和6的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计1 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，1为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到5。此时，1为“0”， 2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到6。此时，4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时1为“1”，2为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。2 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光，谢欢，王直杰 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j] 电气传动自动化，2008，38(7):63-[2] 彭旭昀 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j] 机电工程技术，2005，34(10):54-[3] 陈新恩，王永祥 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j] 制造业电气，2006，25(6):37-[4] 朱玉堂 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d] 杭州:浙江大学，
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april0428

在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电40%左右，即可以节约全国发电量的 1/由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供给紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大， 而且意义深远 近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而工业发达国家已达60% ~ 70%；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10%，而我国还不足01%；在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。 变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。 变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。变频调速的特点及分析用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用 水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。 随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，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，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；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，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
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