恒压供水系统毕业设计

恒压供水系统毕业设计（共6篇）

篇1：恒压供水系统毕业设计

恒压供水系统课程设计说明书

第一章 绪论

摘要：随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；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的趋势

本论文分析恒压供水的原理及系统的组成结构，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。

本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字：恒压供水；PLC；

1.1设计的背景与意义

随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网 PLC（西门子）设计说明

络供水调度和整体规划要求的必然趋势。

第二章设计方案

2.1恒压供水系统

2.1.1设计特点

命变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:压力、流量)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

(5)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿。

2.1.2课题研究的对象

PLC（西门子）设计说明

图2-1 供水流程简图

如果是高层楼，那么对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图所示，这是设计的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

2.1.3系统的构成

图2-2 系统原理图

如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

(1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型: 调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量

PLC（西门子）设计说明 的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

(3)控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。

①供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。

②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。

2.1.4 工作原理

合上空气开关，根据压力设定值与压力实际值的偏差进行调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时

PLC（西门子）设计说明

变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。

减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。

2.2控制结构的软件设计

2.2.1 plc程序设计

PLC在系统中的主要实现的功能：(1)实现数字PID调节

(2)对变频器的驱动控制。变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接收压力变送器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。

(3)因为本系统设计所需的输入输出点较多所选PLC要有充足的输入输出点。

硬件配置如图所示

PLC（西门子）设计说明

图2-3 恒压供水系统的硬件组态

第2步组态完硬件模块后，分别下载到PLC。然后进行网络组态，组态好的网络如图所示。

图2-4 网络组态图

第3步组态全部完成后就可以进行程序编程了，建立一个功能块进行编写，实现压力控制水位，用FC2，FC5实现采样程序，FC6实现WINCC和PLC之间的链接，再调用FC2 FC5。程序如下所示：

PLC（西门子）设计说明

用DB100实现16路采样，从仿真窗口里输出的数值，输送给DB100数据块，通过程序直接控制WINCC页面里相应的压力，液位。如下图所示：

图2-5 程序图

实现调用采样程序，程序如下所示

PLC（西门子）设计说明

Fc5调用FC2进行采样，程序如下所示

PLC（西门子）设计说明

图2-6 采样程序

2.5 WinCC6.0监控界面的设计

利用wincc6.0真实地反映了现场设备的状态，能够方便地通过对组态画面上的可控设备进行操作。监控系统部分画面如图，指针所指的数字和的液位的变化是同步的，如下所示，当压力变为10,40,80时，液位也相应的变为10，40,80.图2-7流量图

PLC（西门子）设计说明

2-8流量图水位变化

2-9流量图水位变化

由DB100里的数据，来控制水位曲线的变化，液面的高低是由曲线的高低来控制的。相对应的采样画面如下所示:

PLC（西门子）设计说明

图2-10 采样图

图2-11 采样图变化

PLC（西门子）设计说明

图2-12 采样图变化

第三章 总结

经历了一星期的课程设计，使我们对恒压供水系统有了充分的了解，PLC控制器以其技术成熟、通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点，在工业、生活中得到了越来越广泛的应用，在恒压供水系统中也得到一定程度的推广。

在此次课程设计中，使我们学到了很多东西，用WINCC画图真实反映现场设备，用PLC编写程序控制画面。在这过程中，非常感谢丛申老师的悉心指导，在学习的过程中，丛申老师帮助了我们很多，指导我们使用WINCC，耐心的教我们正确编写程序，老师一丝不苟的精神时刻激励着我们，我们一定会用优异的成绩来回报老师。

PLC（西门子）设计说明

参考文献

[1]李金城.PLC在城市污水处理中的应用[J].自动化与控制, 2005（1）:154 [2]都志民，明立雪.PLC在污水处理过程中的应用[M].济南：山东出版社2006 [3]杨帆.基于PLC的污水处理控制系统 [J].武汉化工学院电气信息学院,2004（1）:47-50 [4]黄维菊.污水处理工程设计[M].北京：国防工业出版社2008 [5]栗小宽.PLC技术在中小型污水处理厂的应用[J].科技创新导报,2008（2）:113 [6]崔新胜.PLC控制系统在污水处理系统中的应用[J].甘肃科技，2009，25（1）:21-22 [7]陈金华.可编程技术及应用[M].天津：天津大学出版社2008 [8]高钦和.可编程控制器应用与设计实例[M].北京：人民邮电出版社2004 [9]何庆泉.PLC控制系统在污水处理中的应用[M].深圳：化学工业出版社2003 [10]吴中俊，黄永红.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社2004 [11]黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用[J].自动化技术与应用，2008，27（8）:123-125 [12]高德欣，路永华.PLC在城市污水处理系统中的应用[M].青岛：山东出版社2006

篇2：恒压供水系统毕业设计

变频调速恒压供水系统，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数 量和转速，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自动控制系统。全文共分为四章。第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。第三章详细介绍了系统硬件的工作原理以及硬件的选择。第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解释。

关键词：变频器； 恒压供水系统 ； PLC

Abstract

Frequency conversion constant pressure water supply system, the system is capable of automatically adjusting water supply system based on load changes of quantity and speed of the pump, always maintain the high efficiency and energy saving the best state of the This article primarily for current there is a high degree of automation in the water supply system, serious disadvantages, reliability, low energy consumption study developed a new and increased in these three areas of automatic control system of frequency conversion constant pressure water supply.The text is divided into four chapters.Chapter I sets out the water supply system of main research topics on background, meaning and content.Chapter II sets out the principle of variable frequency speed adjusting energy saving of water supply systems.Chapter III details the working principle of system hardware and hardware choices.The fourth chapter elaborates system software development and to explain the procedures

Key words：Cam、high deputy、automation

目录

第一章 变频恒压供水系统简介........................................................................1 第二章 水泵调速运行的节能原理......................................................................3 第三章 系统硬件的工作原理及硬件选择..........................................................5

第一节 PLC的工作原理及选择...................................................................5 第二节 变频调速系统原理及选择..............................................................6 第三节 压力传感器的选择..........................................................................9 第四节 水泵的选择....................................................................................10 第五节 控制电路........................................................................................10 第四章 系统软件的开发....................................................................................12

第一节 PLC的工作方式...........................................................................12 第二节 PLC连接图...................................................................................13 第三节 恒压供水的工艺流程....................................................................14 结束语..................................................................................................................17 谢

辞..................................................................................................................18 参考文献..............................................................................................................19

第一章 变频恒压供水系统简介

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。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，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。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。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。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。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、压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。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，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”“变频泵循环方式”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PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转 速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相 应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性

能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不 同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压 供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

第二章 水泵调速运行的节能原理

全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，用以改变水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。

图2-1供水系统原理图

供水系统的工作原理如图2-1所示。由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄水池经加压水泵进入用户管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统的PID，经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵的最大供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。它的自动控制原理图见图2-2。

图2-2 变频式恒压供水自动控制原理图

第三章 系统硬件的工作原理及硬件选择

第一节 PLC的工作原理及选择

PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

与传统的继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经历了三个发展时期。

1.形成期(1970-1974年)早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片(CPU)，采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。

2.成熟期(1974-1978年)随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多个CPU，设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。

3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的PLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的PLC网络系统。另一方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及应用起了重要推动作用。

可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。

1.工作量

这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%的PLC。

（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）2.工作环境

工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不用特殊型号）

3.通信网络

现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题。（故尽量选取比较常用的品牌）

4.编程

程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内（要求有良好的编程软件）。

5.可延性

这里包括三个方面含义：

（1）产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。

（2）产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。

（3）产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

6.性价比

由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-200 CPU226作为本系统采用的PLC，它的具体性能如下。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

第二节 变频调速系统原理及选择

在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原因，直流电动机存在着很多缺点(诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短，机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等)，所以人们一直在寻找交流调速系统。而变频器的出现刚好解决了这个问题。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的

高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。

变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为

120f(1s)nn

式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数；s为转差。所以，理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。

常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3-2所示。本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式(内含在变频器中)的闭环控制。

信号主控机器变频器故障信号变 频 器水泵开环控制信号主控机器变频器故障信号超压信号欠压信号压力传感器闭环控制变 频 器水泵

图3-2 变频调速系统的控制方式

本系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括PLC输给的变频器FWD信号BX信号和VI（12）电压信号（0-5V），FWD信号BX信号由PLC输出，控制变频器的工作开关；VI（12）控制变频器频率。另一种是输入电源信号，本

系统采用的三相380V的交流电源，三相电流输入连接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采用三相输入的话，则用主电路的电源端子L1/R, L2/S, L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。如果有条件的话，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大，以保证安全。尽量不要用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、BX。

变频器的输出信号也有两种，一是送PLC的超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号。送PLC的超压、欠压信号由变频器的Y1，Y2端子送出，Y1的内部功能设定选为频率检测(FDT)功能，幅值为50Hz，滞后值为0.5Hz。Y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出ON信号。

送PLC的变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变频器发生指定的故障时输出信号。变频器的输出电源接接触器，它给所有的工频回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由PLC控制。变频器的输出端子(U，V，W)按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变U、V，W中的任意两相的接线。变频器和电动机(水泵)间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸.另外，漏电流增加，电流值指示精度变差。对于本系统中的变频器，变频器和电动机(水泵)之间的距离最好小于50米，如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件(OFL滤波器)。接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器的接地端子G必须良好接地。为了防止电击和火警事故，电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程要求接地。接地线要粗而短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见图3-3）。

电源控制面版接触器送0-5电压信号送送信号信号超压信号欠压信号变频器故障输出图3-3 变频器的I/O端点连接

采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机确定后，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。该系统用一台变频器使多台电机并联运转，对于一台电机开始起动后，再追加投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。

综合上面因素，我们选择佳灵JP6C-T9280系列变频器。性能见表3-1。

表3-1佳灵JP6C-T928 性能

型号JP6C-T9280 适用电机容量(kW)额定容量(KVA)额定电流(A)额定过载电流 相数 电压 频率 容许波动 抗瞬时电压降低 最高频率 基本频率 启动频率 载波频率 冷却方式

JP6C-T9280

280 400 520

额定电流的150%1分钟 三相，380V至440V 50Hz/60Hz 电压+10V——-15%，频率±5% 310V以上可连续运行，电压从额定值降到310V

以下时，继续运行15ms 50-400Hz可变设定 50-400Hz可变设定 0.5-60Hz可变设定 2-6KHz可变设定 强制风冷

第三节 压力传感器的选择

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。PMC 系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。它采用电子陶瓷技术，测量元件完全是固体形式。其工作原理是：使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最后转换成4～20mA的标准信号输出。

PMC型传感器具有如下特点：

①具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上； ②由于压力测量元件中不采用传统的介质物质，所以，测量精度极高，且几乎不受温度梯度的影响；

③采用脉冲频率调制方式传输信号，大大减少了现场干扰的影响，信号传输用普通导线完成，简单方便；

④重量轻，体积小，安装维护非常方便。

我们选PMC133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网内压力作反馈信号，该元件可承受的相对压力最大测量范围达O-40MPa，最小测量范围为O-lkPa，所需电源要求电压为12．5～30V，精度±0．1％，压力传感器将出水口的压力信号线性转换为4-20mA DC 标准信号送到PLC（在该系统中，我选取0-500kPa）。

第四节 水泵的选择

选取2种型号的水泵，小泵为常开泵（能够调节到工频），大泵只能在变频状态下工作。

其中，小泵为Y355M1-4，大泵为Y355-M2-4。参数见表3-2（按实际需要选取，我选了2种比较常用的型号）。

表3-2 水泵性能参数表

第五节 控制电路

因为控制电路图具有相似性，故只介绍下面3个就能解释整个电路图。

图3-4 指示灯控制电路

如图3-4为1号泵变频指示灯。即当1号泵处于变频状态时，灯E1-2亮。

图3-5 工频变频切换电路

如图3-5为1号水泵的变频工频切换电路。

当JNW-1接通时，RJ2-1导通，且JNV1不通，1号泵就会变频运行。其中，RJ2-1为热继电器，作为1号水泵过载保护。KN1、KN2作为自锁保护装置，当JNW1导通，则KN1得电，于是下面的KN1常闭开关断路。反之KN2也一样。这样自锁能保证1号水泵只能工频变频选其一。不会发生既连接了变频又连接了工频的错误。

图3-6 蝶阀控制电路

图3-6为1号蝶阀的开阀控制图，即当该电路得电时，蝶阀开阀。JF1接通，且KV2-2 ZDK2-1不得电时，蝶阀开始关阀。其中KV2-

1、KV2-2构成自锁装置，使得蝶阀只能处于开阀和关阀中的一种状态。

第四章 系统软件的开发

第一节 PLC的工作方式

PLC采取循环扫描的工作方式，其工作过程简图如图4.1所示。这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次

所需的时间称为扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它的内部处理。在图4.2扫描过程通信服务阶段PLC与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容.在PLC处于停止运行(STOP)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在RUN时，要完成全部的工作。

1.输入处理阶段

PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并以此状态存入输入输出印象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行时间，即使输入输出状态发生变化，输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

2.程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态。

根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件印象寄存器中。即对每个元件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。

3.处理阶段

在所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器(即Y寄存器)的通/断状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。

PLC的扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按用户程序的指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一个大的控制系统中要处理的I/O点数比较多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批的扫描办法，可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性。

顺序扫描的工作方式简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠性运行提供了保障。一方面，所扫描到的功能经解算后，其结果马上就可以被后面要扫描到的逻辑解算所利用；另一方面，还可以通过CPU内部设定的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，诊断CPU内部故障。以避免程序异常运行而造成的不良影响。

由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会发生变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也需要等到一个循环周期结束后，CPU集中将这些输出信号全部输送输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此，全部的输入、输出状态的改变，就需要一个扫描周期。扫描周期是其一个比较重要的指标，一般为几毫秒至几十毫秒。PLC扫描时间取决于程序的长短和扫描速度。因为PLC的输入处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只要几毫秒。由此可见，PLC的扫描时间对于一般的工业设备(改变状态的时间约为几秒以上)通常是没什么影响的。

第二节 PLC连接图

图4-1 PLC接线图

如图4-2所示，总共有24个输入数字量I/O口，其中的SAN1、SAN2、SAN3、SAN4、SAN5、SAN6为输入开关；总共有16个输出数字量I/0口，JNW1、JNW2、JNV1、JNV2、JNV3、JNV4、JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7、JF8、FWD、BX为PLC控制的开关量。

PLC可以增加数字量输出扩展模块，假如该系统还要增加数字量输出的话，可以增加一个模块。这样也吻合数字量输出I/O口要预留10-30%的条件。

EM235为模拟量输入输出模块，其中A+端、A-端接压力传感器，接受4-20mA

电流信号，进行模数转换，输入符合CPU标准要求的信号。B+端、B-端接变频器频率信号，接受0-5V电压，输入同样符合CPU标准要求的信号。C+端、C-端接鉴频鉴相比较器，信号只有0伏和5伏两种状态，我依然把他看作模拟量。当输入为0时，变频器的输出频率相位和电网的频率相位一致，能进行工频转变频和变频转工频的切换。输出为5V时，不能进行工频转变频或变频转工频的切换。

第三节 恒压供水的工艺流程

系统开始运行之前，应先把管压参数SP赋给PLC。按下启动按钮，系统开始运行，PLC给变频器FWD信号，然后判断变频器能否工作正常，正常的话采用全自动变频恒压控制方式。现在假设变频器工作正常，系统开始运行，水泵1变频零转速启动，待运转正常后压力传感器开始采样，随着PLC的不断扫描，系统不断输入管压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为PLC可以接受的数字信号，与目标值作比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速，使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能使管网水压达到设定值，将水泵1切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵2，同时保持水泵1维持工频运行，水泵2从零转速开始运行，过程如上。泵

3、泵4的工作情况也是如此。

在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调，其它泵或工频或停止的状态本系统为2组水泵轮流工作，2组水泵的选择由人工直接操作。因为2组水泵的原理型号相同，所以下面以水泵1组为例介绍恒压供水的工艺流程。流程图见图4-2。该系统的主要运行过程如下：

1.系统启动

按下SAN1按钮，系统水泵1组开始启动。首先将水泵1组的两个碟阀关闭。即JF1和JF3置1，延时1秒钟，确定蝶阀关闭后接通1号水泵变频开关。随后开变频器，即FWD置1。当变频器FWD端置1时，变频器将正转运转且频率逐渐上升。当频率到达50Hz时，水泵已经运转正常，延时4S，开碟阀1，即将JF1置0、JF2置1。随后PLC的PID调节将控制变频器频率从而达到恒压的效果。

2.变频转工频

变频转工频的情况只可能发生在1号水泵。首先要进行条件判定，即只有当1号水泵处于变频状态时才可能有变频转工频现象（这在程序中用触点来确

定）。然后，必须1号水泵已经到了工作极限（程序中用VD208表示即50Hz）且压力依然小于设定值时才会出现变频转工频的现象（这在程序中用条件判定来确定，即PID计算结果VD250大于VD208）。当上述条件符合时，不能马上切换到工频，还要进行相位比较，当相位一致时，才能切换（程序中由鉴频鉴相器来判断，鉴频鉴相器输出为0时，频率相位都相同,具体见3.6章）。具体切换过程是关变频器然后马上关闭1号水泵变频开关再然后接通工频开关。切换过程中应该有短时间的延时（程序中延时为0.1S）。

随后，因该马上将2号水泵变频开关接通，然后开变频器，随后按照（1）启动流程的介绍来启动2号水泵。

3.工频转变频

同样，工频转变频同样只可能发生在1号水泵。前提为2台水泵都在工作，2号水泵工作频率已经到了最低值（程序中用VD204表示），且压力依然不够（在程序中压力不够用PID计算结果VD250小于VD204表示）。满足上面条件后就能马上关闭2号水泵。但是此时还不能将1号水泵由工频转到变频，首先要将变频器调整到50Hz，然后进行鉴相后才能转换。转换过程为切断1号水泵工频，然后马上接通1号水泵变频。

4.关闭水泵组碟阀

当按下关闭水泵组碟阀按钮时，将JF1、JF3置1即可。5.关闭水泵组

关闭水泵组的条件是必须关闭了水泵组碟阀。确定关闭后，进行判断1号水泵是否在工频运行。如果是，直接关闭1号水泵，然后关闭FWD使变频器频率慢慢降低，从而关闭2号水泵。然后将1组水泵相关的信号置0，程序结束。

开始1号变频启动满足减泵条件满足增泵条件水泵2变频关闭鉴频鉴相1号水泵转到工频变频器调速到50HZ鉴频鉴相2号水泵变频启动水泵1变频工作结束图4-2 恒压工作流程图

结束语

本文在分析和比较供水系统的基础上，结合我国中小城市的供水现状。设计了一套以变频调速技术和PLC为基础的恒压供水自动控制系统，在这次毕业设计中有如下认识：

（1）在变频恒压供水系统中，单台水泵的调速是通过变频器来改变电源的频率来改变电动机的转速的从而来改变水泵。水泵的转速也要控制在一定范围内，也就是不要使变频器频率下降过低，避免水泵在低效率情况下运行。

（2）恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电动等组成。系统采用一台变频器电动机启动，运行与调速。

（3）在整个设计中，我都是选用了合理的器件，合适的才是最好的。（4）团队精神是很重要的，没有老师同学们的帮助我也不能这么顺利地完成毕业论文设计。

谢

辞

通过本次毕业设计，使我对大学所学的内容有了一个更深的了解。在设计中，通过对以前所学知识的运用、不断的查询资料，使我学到了很多，也从中体会到设计的乐趣。由于所学知识有限以及缺乏实际操作，论文中仍然有很多的缺点与不足，因此仍然有待改进。在毕业设计的资料查找期间和论文完成期间，指导老师和同学给予我关心和帮助，我向他们致以深深的谢意。感谢我的导师-段莉老师，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。老师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽仅仅四年时间，却给以终生受益无穷之道。感谢机制专业老师的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，在平时指导我们思考问题的方法，培养我们独立思考问题，解决问题，分析问题的能力，这些能力的培养，帮助了我并使我此次的设计过程中能够顺利完成，在此，我要向诸位老师表示深深地感谢！毕业设计是对我大学三年的总结，因而投入了极大的热情和很高的积极性，更幸得指导老师段莉及同组同学多方帮助，使得设计能顺利完成，圆满结束了三年的大学生活。再次感谢段莉老师长期以来悉心的指导和不厌其烦的耐心讲解，在整个设计过程中，指导老师不断对存在的一些错误提出了指点，同时也给予了很多宝贵意见。从课题的选择到论文的完成都离不开老师对我的帮助。在此我向指导老师表示最真挚的谢意。毕业设计的过程为日后的工作和更进一步的学习打下了坚实的基础，也积累了许多宝贵的设计经验。

参考文献

篇3：恒压供水监控系统设计

在以前，建筑物最高的地方一般是水塔。把水抽到高水塔上，然后往下供水。这样的供水系统往往使系统里面的水压不恒定，而且水塔会引起二次污染。现在使用恒压供水系统，密闭的水池在地下，主要是为急需大量用水的缓冲使用，并且避免了水质污染，节能降耗。

1.1 系统设计要求

1)本系统共有3台水泵，运行时2台泵运行，1台备用，运行泵与备用泵每10天轮换一次;

2)用水高峰时，1台泵工频全速运行，另1台泵变频器运行;用水低谷时，只需1台泵变频器运行;

3)用水高峰、低谷由压力传感器检测，供水压力上限接点与下限接点控制;

4)变频调速采用七段调速控制;

5)水泵投入工频运行时，电动机的过载由热继电器保护，并有报警信号指示;

2 供水控制系统硬件设计

为了便于实现与上位机软件力控(PCAuto)实现通信，下位机系统使用三菱FX2N—64MRPLC控制三菱FR-A540变频器实现恒压控制。系统接线图1、图2所示：

PLC输入口X0-X3接受控制信号, 控制系统运行，X4-X6接受3台水泵电动机的热保护信号，防止电动机过载。

PLC输出口Y0—X3, Y37控制变频器运行，Y4—X11控制KM1—KM6交流接触器实现三台水泵交替使用。Y12控制过载指示灯HL。

变频器SD为公共端，STF，控制电动机运行方向，RH、RM、RL三个端子配合使用实现七段调速，MRS变频器停止运行端子。

3 供水控制系统软件实现流程

3.1 PLC的I/O地址分配

根据恒压供水系统的工作要求，水泵电机的切换由压力传感器和设定时间提供控制信号。水压的恒定控制是根据供水压力的变化，利用三菱FR-A540变频器七段调速功能实时改变电动机电压频率控制水泵工作实现水压恒定。分析工作要求，需要使用三菱FX2N—64MRPLC输入接口7个，输出接口12个，各接口具体功能定义如表1:

3.2恒压供水PLC控制程序 (图3)

按下启动按钮，XO接收信号闭合，系统运行。本程序为并行分支程序，状态控制器S20～S22分别控制1号泵、2号泵、3号泵每隔10天轮换使用。状态控制器S23～S29对于频率15HZ、20 HZ、25 HZ、30 HZ、35 HZ、40 HZ、45 HZ。根据水压变化情况逐级增、减运行控制变频器多段调速，实现恒压供水。

4 供水监控系统设计

为了更好地显示整个供水加压系统结构、各个阀门与水泵的实时状态、读出各个水压及流量、阀门的开度、水池水位等参数，并有各种报警实时显示和故障记录，本系统采用力控(PCAuto) 6.0作为上位机的管理软件，通过力控(PCAuto)与PLC之间进行数据通讯实现远程监控系统运行的功能。组态软件是完成数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台和开发环境。组态软件功能强大，使用方便，其预设置的各种软件模块可以非常容易的实现监控层的各项功能，并可以向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，使用组态软件可以方便、快速地进行系统集成，构造不同需求的数据采集与监控系统。

下面介绍该远程监控系统的设计流程。

4.1 新建工程

在力控工程管理器界面，点击“新建”，定义工程名称为“，恒压供水系统监控设计。

4.2 定义外设I/O连接

首先，利用PLC与计算机专用的F2-232CBA型RS232电缆，将PLC通过编程口与上位计算机串口(COM口)连接，进行串行通讯。

其次，设置配置使PLC与上位机通信，在力控监控软件的I/O设备库里该选择PLC类型及型号，其设备地址设为2。根据PLC与上位机计算机的通讯电缆型号F2-232CBA型RS232，通信方式设置为“串口(232/485)”。即——连接方式的选择应和硬件连接电缆相匹配，否则通讯失败。

FX系列PLC编程口的通讯串口COM1的参数设置如表2:

4.3 定义数据库变量

数据库DB是整个应用系统的核心，是构建分布式应用系统的基础。它负责整个力控应用系统的实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警信息处理和数据服务请求处理。

在数据库中，操纵的对象是点(TAG)，实时数据库根据项目工程的要求，确定在数据库中所要建的点数。

4.4 建立I/O数据连接（图4)

建立I/O数据连接主要将数据库的点参数和采集设备的通道地址相对应，即将上位机各个I/O点与下位机PLC相对应的I/O地址建立通讯，使现场的工作状态能够在上位机监控软件中反映出来。

4.5 设计组态画面并建立动画连接

在力控(PCAuto)软件中“项目”窗口中创建恒压供水系统的控制示意图(图5):

在动画设计完毕后就要进行动画连接。动画连接是将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系，当变量的值发生变化时，在画面上图形对象的动画效果以动态变化方式体现出来，有了变量之后就可以进行动画连接了。一旦创建了一个图形对象，给它进行动画连接就相当于赋予它“生命”，从而活动起来。动画连接使对象按照变量的值改变其大小、颜色、位置、字符等。

所有的数据通过数据变量进行动画连接，人机界面HMI里的数据库变量对应区域数据库DB的一个点参数，通过点参数的数据连接来完成与设备通信的连接。

4.6 系统调试

启动力控运行系统，运行供水系统，将PLC开关指向“RUN”状态.按下启动按钮。观察供水系统的控制过程及上位机监控系统的运行情况。结果表明：监控系统实时数据采集正确，运行情况良好。

5 结论

利用力控(PCAuto) 6.0强大的图形处理处理功能作为上位机管理工具，与下位机控制器PLC进行数据通讯，设计了一套恒压供水远程监控系统。经过实际运行，该系统效果良好，可操作性强，用户界面友好。

参考文献

[1]岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术[M].机械工业出版社.

[2]曾庆波, 孙华, 周卫宏.监控组态软件及其应用技术[M].哈尔滨工业大学出版社.

[3]王兆义.可编程控制器教程[M].机械工业出版社.

篇4：恒压供水PLC控制系统的设计

【关键词】恒压供水；变频器；压力传感器

1、引言

近年来，随着PLC和变频调速技术的发展，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在恒压供水系统中得到广泛的应用。变频恒压供水系统依据用户用水量及水压变化通过传感器检测、控制器运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用户的用水要求，是目前比较先进，合理的节能供水系统。打破了传统供水方式的不足，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势。

2、变频恒压供水系统的概述

变频恒压供水系统以管网水压为设定参数，通过PLC控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的恒定。当用户用水量增加时，管网压力减小，需增加水泵转速，增加管网压力，同理相反，当用户用水量减少，管网压力增加，需减少水泵转速，减小管网压力。恒压供水系统适合于各种场所，如普通住宅，高层建筑和工厂车间等。

3、变频恒压供水系统的设计

变频恒压供水系统如图1所示，系统由水泵组、变频器、PLC控制器，压力传感器组成。系统将压力传感器检测的压力信号送到PLC控制器，控制器根据检测的压力信号调整变频器的输出频率从而控制水泵组的水泵转速，实现调整供水管道压力的功能。

管网压力由两个电接点压力表来测量，压力分别设定在P1和P2，当压力高于P2时，水泵工作频率为30Hz，低于P2并高于P1时，水泵工作频率为40Hz，当压力低于P1时，水泵工作频率为50Hz。

3.1恒压供水系统变频器的选用和参数设置要求

根据系统要求本文选用MM440变频器，参数设置要求如下：

（1）正确设置变频器输出的额定频率、额定电压、额定电流、额定功率、额定转速。

（2）PLC根据模拟量输入端的压力表测得的压力，调节模拟量输出值的大小。

（2）设定P0003=2允许访问扩展参数

（3）设定电机参数时先设定P0010=1（快速调试），电机参数设置完成设定P0010=0（准备）

3.2恒压供水系统电路原理图的设计

由主要的工作要求以及系统的工作过程：系统需要外部扩展模拟输入/输出模块EM235，1台压力表，压力表的量程根据P2值选取，P2位于表量程的三分之二左右，压力表输出选用4mA-20mA输出。压力表输出的两根线分别连接到模块EM235的模拟量输入端A+，A-，模块EM235的模拟量输出端V0和M0分别连接到变频器MM420的AIN+和AIN-，模块EM235根据压力表值的变化，通过编程从V0端输出变化的数值给变频器的模拟量输入端，从而控制变频器从U，V，W端输出0到50HZ变化频率的电信号，控制水泵以不同的速度旋转。变频器电源需要熔断器FU保护，变频器的DIN1端需要与PLC输出端Q0.0端子相连，当Q0.0闭合时，变频器U，V，W端才有输出，当Q0.0断开时，即使变频器的AIN+和AIN-有输入，但是变频器U，V，W端不会输出电压信号，因此变频器在采用模拟量输入方式时，需要外部端子DIN同时有输入开关信号，因此系统电路图如图2：

3.3恒压供水控制系统软件设计

通过分析系统，系统要求管网压力基本恒定，设定了两个压力值P1，P2，要求水泵转速随着压力值进行调整，水泵转速由变频器模拟量输出控制，假设压力值P1=0.2Mpa，P2=0.5Mpa。选择压力表量程为0～0.6Mpa的压力表。

当压力为0Mpa时，二线制压力表输出为4mA，经过A/D转换，模拟量采样值AIW0为（32000/20）*4=6400。当压力为0.2Mpa时，二线制压力表输出为（0.2/0.6）*（20-4）+4=9.3mA，经过A/D转换，模拟量采样值AIW0为（32000/20）*9.3=14880。当压力为0.5Mpa时，二线制压力表输出为（0.5/0.6）*（20-4）+4=17.3mA，经过A/D转换，模拟量采样值AIW0为（32000/20）*17.3=27680。

当压力值小于P1时，要求水泵以50HZ频率工作，变频器要求模拟量输入端AIN+输入10V直流电压，因此EM235输出端V0输出10V电压，所以要求输出数据AQW0应赋值32000。当压力位于P1，P2之间时，要求水泵以40HZ频率工作，变频器要求模拟量输入端AIN+输入（40/50）*10V=8V直流电压，EM235输出端V0输出8V电压，所以要求输出数据AQW0应赋值（40/50）*32000=25600。当压力值高于P2时，要求水泵以30HZ频率工作，变频器要求模拟量输入端AIN+输入（30/50）*10V=6V直流电压，因此EM235输出端V0输出6V电压，所以要求输出数据AQW0应赋值（30/50）*32000=19200。

4、结语

篇5：恒压供水系统毕业设计

—恒压供水系统

班级:0

班 姓名： 学号：

恒压供水系统概述

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，而且在相当一部分领域有着很好的应用。自来水供水、生活小区及消防供水系统。工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。污水泵站、污水处理及污水提升系统。农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。宾馆、大型公共建筑供水及消防系统等都广泛的应用了恒压供水系统。

课程设计任务和目的

本课程设计要求在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，完成该控制系统的上位机监控系统组态设计。使学生掌握监控软件的设计和编程方法，得到计算机监控系统程序设计与调试，以及编写设计技术文件的初步训练。为从事计算机控制方面的工作打下一定基础。

一、恒压供水系统原理

用户用水量一般是动态的，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。

恒压供水设备中采用多泵供水方案，当供水对用水发生相对变化时，供水系统自动调节供水1阀和供水2阀的开关，以次来保持供水管道中的压力恒定。

恒压供水系统效果图

封面：

二、组态步骤 2.1 工程分析

在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能。

工程框架：

1． 4个用户窗口：水位控制、数据显示、报警窗口、封面

2． 4个主菜单：系统管理、数据显示、历史数据、报警数据

3． 4个子菜单：登录用户、退出登录、用户管理、修改密码

4． 5个策略：启动策略、退出策略、循环策略、报警数据、历史数据

数据对象：出水阀、出水压力、供水1阀、供水2阀、开水 阀、流量

1、流量

2、流量

3、水箱液位、水箱液位上限、水箱液位下限、停止、稳压阀、压力上限、压力下限、组对象

2.2 建立工程

可以按如下步骤建立样例工程：

A.鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根目录下，则会在D:MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)

B.选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。

C.在文件名一栏内输入“恒压供水系统”系统，点击“保存”按钮，工程创建完毕。

2.3 制作工程画面

2.3.1 建立画面

[1]

在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。

[2]

选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。

[3]

将窗口名称改为：恒压供水系统；窗口标题改为：恒压供水系统；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确 4 认”。

[4]

在“用户窗口”中，选中“水位控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口” 选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。

2.3.2 编辑画面

选中“恒压供水系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。

生成的画面如下图所示：

2.4 定义数据对象

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。

1)指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围； 2)确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。

开关量：出水阀、供水1阀、供水2阀、开水阀、停止、稳压阀

模拟量：出水压力、流量

1、流量

2、流量

3、水箱液位、水箱液位上限、水箱液位下限、压力上限、压力下限

2.5 动画连接

由图形对象搭建而成的图形对象画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实的描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的实时数据建立 相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。

2.6 设备连接

MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序，模拟设备是供用户调试工程的虚拟的设备。该构件可以产生标准的正弦波，方波，三角波，锯齿波信号。其幅值和周期都可以任意设置。

我们通过模拟设备的连接，可以使动画不需要手动操作，自动运行起来。

通常情况下，在启动 MCGS 组态软件时，模拟设备都会自动装载到设备工具箱中。如果未被装载，可按照以下步骤将其选入： 【1】在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。【2】点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”。【3】单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图所示窗口：

【4】在可选设备列表中，双击“通用设备”。

【5】双击“模拟数据设备”，在下方出现模拟设备图标。【6】双击模拟设备图标，即可将“模拟设备”添加到右测选定设备列表中。

【7】选中选定设备列表中的“模拟设备”，单击“确认”，“模拟设备”即被添加到“设备工具箱”中。

下面详细介绍模拟设备的添加及属性设置：

[1]双击“设备工具箱”中的“模拟设备”，模拟设备被添加到设备组态窗口中。如图：

【2】双击“设备0-[模拟设备]”，进入模拟设备属性设置窗口，如图：

【3】点击基本属性页中的“内部属性”选项，该项右侧会出现图标，单击此按钮进入“内部属性”设置。

2.7 编写控制流程

用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic 语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、快速地掌握和使用。

对于大多数简单的应用系统，MCGS 的简单组态就可完成。只有比较复杂的系统，才需要使用脚本程序，但正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程。具体操作如下：

【1】在“运行策略”中，双击“循环策略”进入策略组态窗口。【2】进入“策略属性设置”，将：循环时间设为：200ms，按“确 认”。

【3】在策略组态窗口中，单击工具条中的“新增策略行”，增加一策略行，如图：

双击进入脚本程序编辑环境，输入下面的程序：

水箱液位控制

当水箱液位低于9时，开水阀就打开向水箱注入水，否则关闭。出水压力控制

当出水压力小于6时，供水1阀和供水2阀都打开，如果出水压力大于6且小于9时，关闭供水1阀，如果出水压力大于9时，将供水2阀也关闭。当停止按钮按下时，出水阀关闭，此时水箱液位维持在8，出水压力维持在7，保持不变。2.8 报警显示

MCGS 把报警处理作为数据对象的属性，封装在数据对象内，由实时数据库来自动处理。当数据对象的值或状态发生改变时，实时数据库判断对应的数据对象是否发生了报警或已产生的报警是否已经结束，并把所产生的报警信息通知给系统的其它部分，同时，实时数据库根据用户的组态设定，把报警信息存入指定的存盘数据库文件中。在对数据对象进行报警定义时，我们已经选择报警产生时，“自动保存产生的报警信息”，我们可以使用“报警信息浏览”构件，浏览数据库中保存下来的报警信息。2.9 报表输出

在工程应用中，大多数监控系统需要对设备采集的数据进行存盘，统计分析，并根据实际情况打印出数据报表。所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，如：实时数据报表、历史数据报表（班报表、日报表、月报表等）。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是数据显示、查询、分析、统计、打印的最终体现，是整个工控系统的最终结果输出；数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规律总结。

实时报表是对瞬时量的反映，通常用于将当前时间的数据变量按一定报告格式（用户组态）显示和打印出来。实时报表可以通过 MCGS 系统的自由表格构件来组态显示实时数据报表。

2.10 曲线显示

在实际生产过程控制中，对实时数据、历史数据的查看、分析是不可缺少的工作。但对大量数据仅做定量的分析还远远不够，必须根据大量的数据信息，画出曲线，分析曲线的变化趋势并从中

发现数据变化规律，曲线处理在工控系统中也是一个非常重要的部分。

实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的动画图形，象笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。运行时，历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。2.11 安全机制

工业过程控制中，应该尽量避免由于现场人为的误操作所引发的故障或事故，而某些误操作所带来的后果有可能是致命性的。为了防止这类事故的发生，MCGS 组态软件提供了一套完善的安全机制，严格限制各类操作的权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作，从而避免了现场操作的任意性和无序状态，防止因误操作干扰系统的正常运行，甚至导致系统瘫痪，造成不必要的损失。

MCGS 组态软件的安全管理机制和 Windows NT 类似，引入用户组和用户的概念来进行权限的控制。在 MCGS 中可以：定义无限多个用户组、每个用户组中可以包含无限多个用户同一个用户可以隶属于多个用户组。设计总结

通过本次对恒压供水系统的组态设计，加深了我们对组态监控课程设计的认识，从中了解到设计过程中的基本方法和步骤，一天天的设计过程，让我们更真切地感受到理论与实践之间确实还存在很大的距离，觉得这门课的关键在于与实践的联系。我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想还有待我们进一步的深入学习。

另外，通过这次课程设计使我们更加懂得了各学科之间的联系，就比如过程控制与组态之间的联系运用，我们从中初步掌握了组态监控系统的设计方法，深入地理解了组态控制的意义，对我们今后的学习和实践有很大的帮助。

通过此次课程设计，也让我们发现了我们现在的不足，通过查阅资料我们对自己的专业知识也做到查漏补缺，及时补充改正。在今后的学习过程中我会更加努力。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。

主要参考资料

篇6：恒压供水系统毕业设计

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。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。

在变频恒压供水系统出现以前，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。

变频恒压供水系统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，s7-200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。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 变频恒压供水系统的构成及工作原理 3.1 系统的构成

变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触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。s7-200 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。

三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。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

3.2 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。异步电机的转速为：

其中：n0为异步电机同步转速； n为异步电机转子转速；

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闭环控制系统，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 硬件电路设计 4.1 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、热继电器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

4.2 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i0.0输入口相连接，当按下sb0时，i0.0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，i0.1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，i0.5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，i0.6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。i0.5和i0.6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，i0.2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 程序设计

5.1 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，i0.1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i0.5。此时，q0.1为“0”，q0.2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q0.3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i0.6。此时，q0.4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时q0.1为“1”，q0.2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。

5.2 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a/d转换器得到数字信号。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 结束语