基于PLC的恒压供水控制系统设计

毕业设计（论文）

题 目 基于PLC变频恒压供水控制系统设计 系 别 电力工程系 专 班 姓 学

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业 电气工程及其自动化 级

名 号

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：

1、题目名称 基于PLC的变频恒压供水控制系统设计 2、题目来源 现场项目 二、项目简介：

随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。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，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，占地少， 噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。广泛应用于： 1、 居民区、住宅楼、村镇的集中生活供水系统。 2、 各种类型中央空调的循环泵、冷却水供应系统。 3、 高层建筑、宾馆、饭店等生活供水系统。 4、 综合市场、写字楼、商务楼生活供水系统。 5、 高层建筑热水供给和热水采暖系统与消防给水系统。 6、 工矿企业的生产、生活供水、恒压流量供水工艺流程等。 7、 各类自来水厂与现代农业灌溉。

8、 各类恒压供油，恒压供气，恒压供风等恒压流量的控制系统

恒压供水的基本控制策略是:采用可编程控制器（plc）与变频调速装置构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，即根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速和水泵的数量,自动补偿用水量的变化，以保证供水管网的压力保持在设定值,既可以满足生产供水要求，还可节约电能，使系统处于可靠工作状态，实现恒压供水。

三、设计说明书应包括的内容

设计以PLC可编程控制器和变频器为核心控制系统，通过控制

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投入工作水泵的台数和自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定。

四、设计应完成的图纸

1．控制系统原理图。 2．PLC控制器程序、流程图。 五、主要参考资料

[1]吴英倩.《PLC在变频恒压供水系统的应用》。

[2]张爱玲，李岚，梅丽凤.《电力拖动与控制》.机械工业出版社。

[3]中国自动化网，《变频器与PLC在恒压供水中的成功应用》。 六、进度要求

1、第1～2周：资料搜集、相关应用软件学习： S7-200 PLC的资料学习； MM440变频器资料学习； 参考文献学习。 2、第3～4周：应用CAD画原理图。 3、第5周：画程序框图。 4、第6周：编写程序。

5、第7～9周：硬件组装、程序调试。 6、第10～12周：论文完成。

7、第13～14周：答辩准备、PPT制作。 七、其它要求

1、设计期间，周六、日连续进行。

2、做实验时注意人身、设备安全及公共财物完好。 3、注意论文格式规范，要求用A4纸打印。

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摘 要

本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统,变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。

本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。

关键词：恒压供水、PLC、变频调速。

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ABSTRACT

According to the thesis of Chinese city community water supply requirements, design a set of PLC based frequency control constant pressure water supply system, variable frequency constant pressure water supply system by programmable controller, frequency converter, water pump, pressure sensor.

The system includes three sets of water pump motors, they are composed of variable frequency circulating operation. Using frequency converter to realize three-phase pump motor soft start with frequency control, operation switch adopts the\into the PLC and compared with a predetermined value after PID operation, thereby controlling the inverter output voltage and frequency, and then change the pump motor speed to change the quantity of water supply pipe network pressure, ultimately to keep stable in a set value near.

Key words: constant pressure water supply, PLC, variable frequency speed regulation

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目 录

引 言 ................................................... 1 1课题概述 ............................................... 1

1.1变频恒压供水概论 ........................................................................ 1 1.2本课题产生的背景和意义 ............................................................ 1 1.3变频恒压供水现况 ....................................................................... 2 1.4本次设计的主要工作 ................................................................... 3 2 变频恒压供水的理论分析 ................................. 4

2.1水泵的工作原理 ........................................................................... 4 2.2电动机的调速原理 ....................................................................... 4 2.3变频恒压供水的能耗分析 ........................................................... 5 2.4变频恒压供水系统组成及原理图 ............................................... 6 3系统的硬件设计 ........................................ 11

3.1PLC的概述.................................................................................... 11 3.2 变频器的概述 ............................................................................ 13 3.3 设备的选型 ................................................................................ 18 3.4系统主电路设计 ......................................................................... 18 3.5系统控制电路设计 ..................................................................... 19 3.6 PLC的I／O端口分配及外围接线图 ..................................... 21 4系统的软件设计 ........................................ 23

4.1软件设计分析 ............................................................................. 23 4.2 PLC程序设计 ............................................................................. 24

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5 结论 ................................................. 31 参考文献 ................................................ 32 致 谢 ................................................. 33 附录 .................................................... 34

附录A英文文献 ................................................................................ 34 附录B中文翻译 ................................................................................ 38 附录C 主程序梯形图 ....................................................................... 41

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引 言

众所周知,水是我们日常生活中不可缺少的能源之一,我们生活范围的高度集中使得水的供给需求增大,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化,为了保障对水的供给需求,也是时代的发展要求就必须有一些辅助装置来确保,在我们居住的环境有稳定的水源供应,根据需要的多少来自行调节水源的供给,从而,既充分利用了水源,又节约了相应的能源,本文是针对某生活小区实际供水需求情况，结合用户生活用水和消防用水的需要,拟定为社区恒压供水。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。现将其中的改造情况介绍如下。恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响居民生活。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大损失和人员伤亡。所以，生活小区采用生活/消防双恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。传统的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。蓄水池中的水一般是由市政自来水管网供给，这样，有压力的水进入水池后变成了零压力，造成大量的能源白白浪费，这种供水方式不可避免通过蓄水池和高位水箱造成二次污染，影响居民的身体健康。

基于上述情况，对某生活小区供水系统进行改造，采用西门子PLC作为主控单元。并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的。改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果

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1课题概述

1.1变频恒压供水概论

随着变频器技术的日益成熟，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。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，在小区供水和工厂供水控制中发挥了很大的作用。采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，占地少， 噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。

变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行.变频 恒 水 压供水系统集变频技术、电气传动技术、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;同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以设计基于变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水，如图1.2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

供水主管网水泵阀门供水主管网水泵阀门电机蓄水池变频器PLC 蓄水池电机

图1.1 传统供水机示意图 图1.2 变频供水机示意图

1.2本课题产生的背景和意义

我国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，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网

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中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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;同时系统具有良好节能性，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。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。

基于PLC和变频技术的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，同时系统具有良好的节能性，这在能源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。

1.3变频恒压供水现况

1.3.1变频恒压供水的现况

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现

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