恒压供水系统设计毕业论文

丽水职业技术学院丽水职业技术学院 机电信息分院机电信息分院 毕毕 业业 设设 计计 旭日小区恒压供水系统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 201X201X 年年 X X 月月 XXXX 日日 答辩日期 201X201X 年年 X X 月月 XXXX 日日 201X201X 年年 5 5 月月 丽职院机电信息分院毕业设计 1 摘要摘要 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 关键字 变频调速 恒压供水 PLC MCGS 旭日小区恒压供水系统设计 2 目录目录 第一章 绪论 3 1 1 城市供水的需求 3 1 2 恒压供水系统设计的目的和意义 3 1 3 设计的任务及要求 3 第二章 系统的方案选择 4 2 1 系统控制方案选择 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 其他回路设计 6 第四章 元器件的选型 6 4 1 PLC 选型 6 4 2 变频器的选型 6 4 3 模拟量模块的选择 6 4 4 压力变送器的选型 6 4 5 触摸屏的选型 7 4 7 原件表 7 第五章 元气件的接线图 8 5 1 PLC 接线图 8 5 2 变频器接线图 8 5 3 模拟量模块接线图 8 第六章 PLC 控制及编程 9 6 1 PLC 控制流程图 9 6 2 I O 地址分配表 9 6 3 编程及程序介绍 11 第七章 组态 14 7 1 MCGS 组态 14 第八章 总结 16 致谢 17 参考文献 18 附录 1 恒压供水系统程序 19 附录 2 电气原理图 29 丽职院机电信息分院毕业设计 3 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 城市供水的需求城市供水的需求 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 1 21 2 恒压供水系统设计的目的和意义恒压供水系统设计的目的和意义 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 1 31 3 设计的任务及要求设计的任务及要求 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 旭日小区恒压供水系统设计 4 第二章第二章 系统的方案选择系统的方案选择 2 12 1 系统控制方案选择系统控制方案选择 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 2 22 2 恒压供水系统恒压供水系统 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 丽职院机电信息分院毕业设计 5 2 32 3 变频调速节能原理变频调速节能原理 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 第三章第三章 系统控制回路设计系统控制回路设计 3 13 1 主电路设计主电路设计 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 3 23 2 控制电路设计控制电路设计 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 旭日小区恒压供水系统设计 6 3 33 3 其他回路设计其他回路设计 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 第四章第四章 元器件的选型元器件的选型 4 1 PLC4 1 PLC 选型选型 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 4 24 2 变频器的选型变频器的选型 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 4 34 3 模拟量模块的选择模拟量模块的选择 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 4 44 4 压力变送器的选型压力变送器的选型 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 丽职院机电信息分院毕业设计 7 各品牌之间的对比 这里选择罗斯蒙特压力变送器 4 54 5 触摸屏的选型触摸屏的选型 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 4 74 7 原件表原件表 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 序号序号名名 称称代代 号号 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 旭日小区恒压供水系统设计 8 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 第五章第五章 元气件的接线图元气件的接线图 5 15 1 PLCPLC 接线图接线图 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 5 25 2 变频器接线图变频器接线图 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 5 35 3 模拟量模块接线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 丽职院机电信息分院毕业设计 9 第六章第六章 PLC 控制及编程控制及编程 6 16 1 PLCPLC 控制流程图控制流程图 控制顺序流程图如图 6 1 所示 图 6 1 顺序控制流程图 6 26 2 I OI O 地址分配表地址分配表 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 旭日小区恒压供水系统设计 10 功能功能 外部原外部原 件件 内部地址内部地址功能功能内部地址内部地址 急停 SJ1I0 0 储水罐液位上限 VD500 系统开机 SB1I0 1 储水罐液位下限 VD510 系统停机 SB2I0 2 总管压力上限 VD520 报警消音 BJI0 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 60sT37 自动运行标志 M10 0 减泵延时 60sT38 开机脉冲 SM0 1 表 6 1 软件地址分配表 丽职院机电信息分院毕业设计 11 6 36 3 编程及程序介绍编程及程序介绍 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 序 3 网络 13 为泵变频运行程序 当泵变频运行时自动接通变频器 4 当系统切换到手动档时 复位自动运行标志 意为切断所有自动运行的程序 并 复位顺序控制 旭日小区恒压供水系统设计 12 此程序为手动挡开机初始化 复位手动挡各单元 当然自动档时 只要置位自动运行标志可以了 5 手动档时 可以手动控制辅助泵的开关 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 根据字节增减改变 VB10 手动增减泵 的数值 然后根 据步进阶梯指令进行顺序控制 6 当系统自动运行时 主程序调用 SD KZ 和 VB11 K 自动运行时 根据变送器读取 数值进行系统控制 当单台泵变频运行在最大频率超过 3 分钟时 进行增泵程序 反之 当单台泵变频运行在最小频率超过 3 分钟时 进行减泵程序 增减泵都有相对的延时 这在程序中都有定时器进行延时控制 7 在自动档时 泵的增减主要靠 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 程序中根据比较指令读取 丽职院机电信息分院毕业设计 13 VB11 顺序控制 的值进行相应的泵切换 如 为变频运行三号泵 工 频运行一 二号泵 图中 2 1110000 对应 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的数值 可以更直观 的看到变频器数值 如下图为输出速度 9 模拟量处理程序只是将变送器出送回来的值转换成 PLC 能读取的信号 10 程序中还有其他子程序为向导和库的使用而自动生成 这里就不做介绍 旭日小区恒压供水系统设计 14 第七章第七章 组态组态 7 17 1 MCGSMCGS 组态组态 1 人机界面选用昆仑通泰研发的人机界面 TPC7062K 组态画面的生成这里就不做具 体介绍 以下就介绍生成之后的总画面 如图 7 1 供水系统总图所示 图 7 1 供水系统总图 画面主要显示各级压力 系统是处于手动还是自动状态 泵变频还是工频运行或是否 在运行 2 手动档控制画面 可手动控制泵的开与停 如图 7 2 手动档操作图所示 图 7 2 手动档操作图 丽职院机电信息分院毕业设计 15 3 变频器数据显示画面主要显示变频器数据 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 旭日小区恒压供水系统设计 16 第八章第八章 总结总结 此设计恒压供水为设计主题 包括 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 本次设计主要包括三部分 主控制单元 显示单元 执行单元 首先 普通的二次加压方式只是单纯的泵启动和切换 这样电机启动时会产生很大的 启动电流 长久如此对电机的寿命有很大的损害 而且在供水时一直采用工频供水效率低 能耗大 而本设计可根据供水压力多水泵进行调速或增减泵 从而改变电机转速 减少了 能量的消耗 其次 普通的恒压供水在用量变化相对比较频繁时 有高效 节能的优点 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 采用单台泵或只开启辅助泵进行供 水 采用此设计在这方面尤其凸显节能效果 还有本设计运行维护方便 对于操作人员不要求具备专业人员 从而也减少了人员的 浪费 还可提供一些相对文化水平较低的人一个工作的机会 人员在操作时 只要根据说 明一步步操作就可 因此 此时设计的推广性非常强 在现阶段很受客户的欢迎 丽职院机电信息分院毕业设计 17 致谢致谢 经过两个月的奋战 终于完成了毕业设计 在设计过程中我要感谢我的指导老师叶宏 伟老师 叶老师有丰富的教学经验和渊博的知识 也是我大一一学期 机械加工 的老师 大一我就对老师有深刻的影响 本论文是在叶老师的亲自指导下完成的 从论文的框架 到论文的具体内容 再到论文的修改 都得到了叶老师的教导 其次 要感谢 XXXXXXXX 薛