恒压供水毕业设计论文--优秀给排水毕业设计完整版

'摘要摘要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，副泵软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。关键词：恒压变频供水，PLC，压差供水，自动控制-7-ABSTRACT-7- ABSTRACTABSTRACTBuildingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask.Becentralizedaccordingtotheuniversitywaterusedtime,thewaterconsumptionchangemajorcharacteristic,analyzedthecampusoriginalwatersupplysystemexistencecosttobehigh,thereliabilitywaslow,thewaterresourceswaste,thepipenetworksystemtreatedtheconsummationthequestion.Proposedthatdrawswaterthewaywhichusingtherunningwaterhydraulicpressurewatersupplyandthewaterpumpunifies,andmatchesbytheinverter,thesoftstarter,PLC,Microrevealsthecompensator,thepressuretransmitter,thefluidpositionsensorandsoon.accordingtothenetworkmanagementpressure,controlswaterpump"srotationalspeedthroughtheinverter,causesinwaterpipe"spressuremaintainsatthroughouttheappropriatescope,thusmaysolvetheproblemwhichthefloorhighpressureistooinsufficientwhensmallcurrentcapacitytheenergyconsumptionisbig.Moreoverthewaterpumpconsumestheelectricpowerandtheelectricalmachineryrotationalspeedisproportionalthreecubedtherelations,thereforethewaterpumpvelocitymodulationmovement"senergyconservationeffectisobvious,theaveragepowerconsumptionusualwatersupplywaysaves40%.Theunionusestheprogrammablecontroller,mayrealizethemainpumpfrequencyconversion,theauxiliarypumpsoftstart,hastheshortcircuitprotection,theoverflowprotectionfunctionstably,theworkreliable,lengthenedelectricalmachinery"sservicelifegreatly.Keywords:Constantpressurefrequencyconversionwatersupply,PLC,differentialpressurewatersupply,automaticcontrol-7-目录-7- 目录目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论-1-1.1恒压供水问题的提出-1-1.2国内恒压供水系统的现状-2-1.2.1国内恒压供水系统研究状况-2-1.2.2各类供水系统的比较-3-1.3本课题的总体方案-4-1.3.1系统的总体布局图-4-1.3.2系统的总体方案-5-1.3.3本系统的特点-5-1.4本课题的主要工作-7-第二章恒压供水系统的原理-8-2.1变频器-8-2.1.1变频器的基本原理-8-2.1.2变频器结构电路图-9-2.1.3变频器的配线-10-2.2软起动-15-2.2.1软起动的基本原理-15-2.2.2常见故障的排除-15-2.3文本显示器-16-第三章供水系统的硬件电路设计-17-3.1主要器件选型-17-3.1.1供水泵的选择-17-3.1.2变频器和软起动选型-17-3.2供水系统的电气设计-17-3.2.1恒压供水思路-17-3.2.2强电驱动线路1-18-3.2.3强电驱动线路2-20-3.2.4电动阀控制电路-21-3.2.5PLC接线图-21-3.2.6控制线路-23-第四章恒压供水系统软件设计-25-4.1梯形图的基本绘制规则-25-4.2恒压供水系统I/O分配表-25-4.3程序流程图-28-4.4程序编写-28--7- 目录4.5程序调试-28-总结错误！未定义书签。致谢-31-参考文献-31-附录1元器件清单-33-附录2PLC程序流程图-34-附录3PLC程序-38--7- 第一章绪论第一章绪论1.1恒压供水问题的提出水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。而高校校园的供水和一般城市供水相比较则有些特殊。主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大。而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。同时，用水的时间性强，一般在早上六点到八点，中午十一点到下午两点，下午五点到七点，晚上九点到十点四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般。某高校的某区供水方式为：把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水。这种方法的缺点是随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序。同时该供水方式还存在如下问题：（1）供水成本高。由于校园内的用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。（2）供水可靠性低。由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。（3）水资源浪费。除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。学生因高峰期-7- 第一章绪论供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。（4）校园管网系统设计有缺陷。对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现楼房顶层供水不足的现象。同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，调节能力较差。1.2国内恒压供水系统的现状1.2.1国内恒压供水系统研究状况目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:（1）水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。如图1-1所示。（2）水池－水泵－高位水箱－用水点此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。（3）单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点-7- 第一章绪论此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。图1-1传统恒压供水方式1.2.2各类供水系统的比较水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。[1]这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘汰。单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，[2]但是它的投资较-7- 第一章绪论大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。结合校园用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。但上述的恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380V，工频线路输出的也是380V。但是实际应用中工频线路的电压是不定的。[3]一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用的380V的供电电压，另一个是夏天时用的420V或420V以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，B泵频率上升至50Hz，切换线路并启动C泵，切换时又遇到刚才的状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。1.3本课题的总体方案1.3.1系统的总体布局图图1-2系统总体布局图-7- 第一章绪论1.3.2系统的总体方案系统采用3台水泵并联运行方式，把1泵和变频器连接，实现变频运行。为保护电机，2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用软起动具有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。在工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为电流信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号被PLC检测到，PLC自动将变频泵的频率降至出水频率，同时将第二台泵软启动投入到工频运行，以保持压力的稳定，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现；一段时间后，若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将软启动下一台水泵。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值大于设定压力，PLC将最后启动的工频泵停掉，以减少供水量。[4]一段缓冲时间后，当变频器仍工作在出水频率以下时，PLC再软停车停掉第2台工频运行的电机，此时管网压力恒定依靠调节变频泵频率实现。为了防止备用泵锈死，用PLC定时，B、C泵循环备用。循环时间可默认定在每周三凌晨2点，因为这时用水量较少，备用泵循环可顺利进行。主要参数的设定可用文本显示器来设定。[5]省去了改写程序的麻烦。1.3.3本系统的特点提高备用泵的利用率，是本系统的第一个目的，也是第一个特点。节能，是设计这套系统的另一个重要目的。第一，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，-7- 第一章绪论减少了能量的消耗。第二，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的作用，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近，耗电量增大。下面引用我的校外导师的一篇文章来说明。在山东农村，每村平均户数在260户左右，每户每月用水量大约在3t，每月全村用水量约780t，平均每天用水约26t。经过统计，每天早、中、晚各1h用水量之和占全天用水量的80％左右，即3h供水量为21t，平均7t/h。而其他21h供水总量为5.4t，平均0.26t/h。如该村选用的潜水电泵是2OOQj32—52/4，额定流量32m/h，额定功率7.5KW，则在除早、中、晚三时的时间里，其流量占额定流量的0.81％，不足1％，而在早中晚三时，流量占额定流量的21％。根据试验，当2OOQj32—52/4潜水电泵与变频设备合理匹配的情况下，当流量达到额定流量21％，其能耗为3.1KW。由上面的分析可知，早中晚三时供水总量为80％，而耗电量为9.3kW·h；而其他21个小时，供水总量为20％，而耗电量为34.65kW·h。[6]早、中、晚三时供水量80％，只占全天耗电的21％，而其余时间供水量20％，耗电却占全天的79％。这显然是极不合理的现象。因此，必须解决好微小流量时能耗大效率低的问题。当流量较小时，恒压供水模式将转换成压差供水模式。压差供水模式的工作过程如下，当流量条件满足压差方式时，系统自动切换。变频泵以50Hz的频率开启，向微泄露补偿器压水，当压力达到压差上限时，水泵停止供水并停机。这时管道的压力由微泄露补偿器来提供。当压力传感器检测到压力低于压差下限时，变频泵再次以工频把补偿器压满。在压力达到压差上限时，定时器同时计时，在变频器若干次的启停后（系统默认为4次），PLC自动比较压力由压差上限到压差下限的的时间是否低于系统设定的频率上升时间，若都低于说明需水量已增大，系统就自动切换到恒压供水状态。微泄露补偿器是比传统的压力罐、气压罐更先进、更环保的恒压装置。只使用普通气囊储气，而微泄露补偿器使用高质量橡胶囊储气，杜绝了二次污染。本系统是由变频技术、压差—恒压自动转换技术及微泄露补偿技术组成。采用这种技术供水时，变频设备能自动的根据供水流量转换供水方式，并利用微泄漏补偿器储能，来实现微小流量下高效率供水的目标。-7- 第一章绪论1.4本课题的主要工作本文所做的工作分为两个方面，一是电气图的设计；二是PLC程序的编制满足工艺要求。全文主体思路共分为5章，第一章概述恒压供水问题的提出和意义，国内恒压供水系统的现状，明确论文要解决的问题并提出总体方案；第二章概述恒压供水方案解决的基础上，介绍恒压供水系统的主要器件的原理和使用方法。第三章详细介绍全自动供水系统的硬件设计。第四章详细阐述供水系统的软件设计。第五章是结论，总结该系统的设计思路及优点。-7-第二章恒压供水系统的原理-44- 第二章恒压供水系统的原理第二章恒压供水系统的原理2.1变频器2.1.1变频器的基本原理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。我们公司现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：(q-电机极数s-转差率)（2-1）由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。(T=Te,P<=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为-44- 第二章恒压供水系统的原理恒功率调速。下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。众所周知，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。如变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。    当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。很显然输出功率不变。所以我们称之为恒功率调速。    这时的转矩情况怎样呢？由于功率是角速度与转矩的乘积。因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。[7]我们还可以再换一个角度来看：从电机的定子电压(I-电流，R-电子电阻，E-感应电势)（2-2）可以看出，U、I不变时，E也不变。而(k-常数，f-频率，X-磁通)（2-3）所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。对于电机来说，(K-常数，I-电流，X-磁通)（2-4）因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。    结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。2.1.2变频器结构电路图主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样电路部分组成。变频器结构图如图2-1所示。-44- 第二章恒压供水系统的原理图2-1变频器结构图2.1.3变频器的配线1、主回路端子台的配线图如图2-2所示。图2-2变频器配线图2、控制回路端子（1）控制回路端子图变频器实际应用中接线端子排列如图2-3所示。-44- 第二章恒压供水系统的原理图2-3变频器端子图（2）控制回路端子功能说明变频器中所用的各个端子说明如表2-1所示。JP1跳线说明：电源：1-2短接，[8]V+输出5V/50mA。电源：2-3短接，V+输出10V/10mA。表2-1变频器端子功能表种类端子符号端子功能备注模拟输入V+向外提供+5V/50mA电源或+10V/10mA电源由控制板上JP1选择V-向外提供-10V/10mA电源VI1频率设定电压信号输入端10～10VVI2频率设定电压信号输入端2-10～10VII频率设定电流信号输入正端（电流流入端）0～20mAGND频率设定电压信号的公共端（V+、V-电源地），频率设定电流信号输入负端（电流流出端）控制端X1多功能输入端子1多功能输入端子的具体功能由参数L-63~L-69设定，端子与CM端闭合有效-44- 第二章恒压供水系统的原理子X2多功能输入端子2X3多功能输入端子3X4多功能输入端子4X5多功能输入端子5X6多功能输入端子6X7多功能输入端子7，也可作外部脉冲信号的输入端子FWD正转控制命令端与CM端闭合有效，FWD-CM决定面板控制方式时的运转方向。REV逆转控制命令端RST故障复位输入端CM控制端子的公共端+24向外提供的+24V/50mA的电源（CM端子为该电源地）模拟输出AM可编程电压信号输出端，外接电压表头（由参数b-10设定）最大允许电流1mA输出电压0～10VFM可编程频率信号输出端，外接频率计（由参数b-11设定）最高输出信号频率50KHz、幅值10VAM-AM、FM端子的公共端内部与GND端相连OC输出OC1OC2可编程开路集电极输出，由参数b-15及b-16设定最大负载电流50mA，最高承受电压24V故障输出TATBTC变频器正常：TA-TB闭合TA-TC断开变频器故障：TA-TB断开TA-TC闭合触点容量：AC250V1A阻性负载RS485通讯ABRS485通讯端子3、变频器的基本配线图如图2-4所示。-44- 第二章恒压供水系统的原理图2-4变频器基本配线图2.1.4故障诊断与对策当变频器有故障时，1泵故障输入置1，1泵停止，具体故障如表2-2。表2-2变频器故障对策表故障代码故障说明可能原因对策Er.01加速中过流1.加速时间过短2.转矩提升过高或V/F曲线不合适1.延长加速时间2.降低转矩提升电压、调整V/F曲线Er.02减速中过流减速时间太短增加减速时间-44- 第二章恒压供水系统的原理Er.03运行中过流负载发生突变减小负载波动Er.04加速中过压1.输入电压太高2.电源频繁开、关1.检查电源电压2.用变频器的控制端子控制变频器的起、停Er.05减速中过压1.减速时间太短2.输入电压异常1.延长减速时间2.检查电源电压3.安装或重新选择制动电阻Er.06运行中过压1.电源电压异常2.有能量回馈性负载1.检查电源电压2.安装或重新选择制动电阻Er.07停机时过压电源电压异常检查电源电压Er.08运行中欠压1.电源电压异常2.电网中有大的负载起动1.检查电源电压2.分开供电Er.09变频器过载1.负载过大2.加速时间过短3.转矩提升过高或V/F曲线不合适4.电网电压过低1.减小负载或更换成较大容量变频器2.延长加速时间3.降低转矩提升电压、调整V/F曲线4.检查电网电压Er.10电机过载1.负载过大2.加速时间过短3.保护系数设定过小4.转矩提升过高或V/F曲线不合适1.减小负载2.延长加速时间3.加大电机过载保护系数（H-2）4.降低转矩提升电压、调整V/F曲线Er.11变频器过热1.风道阻塞2.环境温度过高3.风扇损坏1.清理风道或改善通风条件2.改善通风条件、降低载波频率3.更换风扇Er.12输出接地1.变频器的输出端接地2.变频器与电机的连线过长且载波频率过高1.检查连接线2.缩短接线、降低载波频率Er.13干扰由于周围电磁干扰而引起的误动作给变频器周围的干扰源加吸收电路Er.14输出缺相变频器与电机之间的接线不良或断开检查接线Er.15IPM故障1.输出短路或接地2.负载过重1.检查接线2.减轻负载Er.16外部设备故障变频器的外部设备故障输入端子有信号输入检查信号源及相关设备Er.17电流检测错误1.电流检测器件或电路损坏2.辅助电源有问题向厂家寻求服务Er.18PID反馈故障1.PID反馈信号线断开2.用于检测反馈信号的传感器发生故障3.反馈信号与设定不符1.检查反馈通道2.检查传感器有无故障3.核实反馈信号是否符合设定要求-44- 第二章恒压供水系统的原理2.2软起动2.2.1软起动的基本原理软起动器是一种用来控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置，国外称为SoftStarter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。[9]软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。2.2.2常见故障的排除STR软启动器有10种保护功能。当软启动器故障保护功能动作时，软启动器立即停机。操作键盘显示故障保护代码，用户可根据代码所对应的故障原因进行分析处理。在故障排除后，可通过复位键RESET进行复位。使软启动器回到启动准备状态。详见表2-3。表2-3软启动器故障对策表常见故障原因说明处理办法Phr进线电源相序错误调换任两相进线Pho进线电源缺相检查进线使之可靠接入Pr01起动峰值电流过流保护起动电流超过4倍Ie调整起动时间及起始电压Pr02I2t保护调整限流参数或起动时间参数设定Pr03电动机过流保护避免负载急剧变化Pr04电动机过载保护减小电机负载-44- 第二章恒压供水系统的原理Pr05非法起动保护重新确认控制模式Pr06在起动或运行中缺相检查进线电源Pr07干扰保护处理干扰源Pr08设定参数丢失重新设定各参数OH过热保护降低起动频度2.3文本显示器在PLC程序设计中，有一些参数需要根据实际情况变动，这时如果再重新改变程序的话，会增加出错率。这时通过串口线把PLC的RS232端口和文本显示器的RS232端口连接起来，显示器中设置的参数和PLC里设定的特定寄存器值相对应。通过屏幕键盘的操作可该变程序里寄存器的数值。[10]文本显示器面板如下图所示。图2-5文本显示器面板-44-第三章供水系统的硬件电路设计-44- 第三章供水系统的硬件电路设计第三章供水系统的硬件电路设计3.1主要器件选型3.1.1供水泵的选择在我们山东理工大学学校里，设定每人一天的用水量为30升，我校共有32000多名学生、2600多名教职工，共34000多人，可按30000人来计算。则一天的最大用水量为（3-1）每小时最大时的用水量为（3-2）最高的楼为11层，每层高度按3m计算，则楼高为33m，供水高度为33m。一般由现实需要还要加上一层，即供水高度为36m，再加上经验值15m～20m，则泵的总扬程为51～56m。选择离心泵ISG80-50-200，适配15KW的电机（Y160M2-2），共3台。3.1.2变频器和软起动选型由于电机的功率为15KW，选择康沃生产的P2系列CVF-P2-4T0185，软起动器选择STR015A，功率为18.5KW。3.2供水系统的电气设计3.2.1恒压供水思路本系统具体控制方案为：1、供水（1）单泵工作开机延时5秒，首先开启真空泵，开启1泵真空电磁阀和1泵电动阀，真空泵工作1分钟后（可以设置），开启变频1泵，关闭真空泵，关闭1泵真空电磁阀；1泵按2HZ/S速度上升至出水频率（可以设置），再按1HZ/S速度工作。（2）进泵-44- 第三章供水系统的硬件电路设计当1泵到达全速但压力达不到设定值，延时（可以设置）开启真空泵，开启2泵真空电磁阀和2泵电动阀，真空工作1分钟后（可以设置），软起工频2泵，关闭真空泵，关闭2泵真空电磁阀；1泵下降至出水频率（可以设置），若压力超过设定压力，重新执行单泵工作程序。（3）退泵当1泵频率下降至出水频率（可以设置），实际压力超过设定压力，延时（可以设置），停止2泵，关闭2泵电动阀，重新执行单泵工作程序；（4）3泵为手动/自动备用泵，本系统考虑到当遇到特殊情况时两个泵达不到需求时，要启动3泵。故在PLC程序中编写了进退3泵的程序。（5）电动阀门可自动，也可手动控制。2、取水当蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并开启取水电动阀；到达工作上限时，自动启动系统，关闭取水电动阀，按照以上程序执行。3、工作状态系统分自动和手动控制，在自动状态下执行自动程序，在手动状态下能够手动启动所有负载。具体思路如图3-1所示。图3-1恒压供水思路图3.2.2强电驱动线路1系统采用3台水泵并联运行方式，功率为15kw，两备一用。把1泵和变频器连接，实现变频运行。2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用的软起动器具有软停车功能。-44- 第三章供水系统的硬件电路设计在变频器的接点中，常开触点KM7代表手动，常开触点KM8代表自动，当需要系统自动时，KM8闭合，由PLC的模拟量模块输出电压信号来改变变频器频率，变频器中的AM，AM-接点连接模拟量模块中的频率输入端口，并进行处理；当旋钮打到手动档时，KM7闭合，由滑动变阻器来改变VI1口的输入电压，进而改变频率，从而调节水泵的转速。KA1线圈连接+24V和OC1端口，作用是当变频器启动完成后，线圈通电。当变频器出现故障时，TA、TC内置开关闭合，P01口接通。FWD和CM接通时电机正转，因为本系统不需要电机反转，故没有显示反转接口。软启动器的STOP、COM和RUN端口连接方式如图3-2，当RUN和COM接通时，软启动器启动，启动时间可以设置。启动完成后，12V和OC端口接通。K12和K14接口分别接P03和24V，当软启动器出现故障时，两端口的内置开关接通，P03有信号，PLC会自动令水泵停止工作并令3泵启动接替2泵。3泵故障设置同2泵。变频器和两个软启动器的启动完成端口连接的线圈电路中都连接有一个二极管，它的作用是为了消除继电器线圈中的剩余电量，防止浪涌电流烧毁端口内部器件。两软启动器下面的线路是为定时转换备用泵而设计的，系统启动时默认开一号线路，即KM9,KM10闭合，KM11,KM12断开；当设定时间与系统内部时间相等时，KM9,KM10断开，KM11,KM12闭合。最初的设计想法是把KM9和KM10定义为三个常闭触点，这样定义I/O口和编程时都会简便一些，比如把KM9和KM10分别改为常闭触点KM11’和KM12’。当需要备用泵转换时，只让KM11（KM11’归于KM11）和KM12（KM12’归于KM12）动作即可。但从实际考虑一个接触器只有一个辅助常闭触点，这样一个电路就需要三个接触器，这样运作起来更麻烦了；辅助触头是有三个常闭触点的，但辅助触头绝对不能用到主电路的控制上。所以用四个常开触点更安全。主要参数的设定可用文本显示器来设定，省去了改写程序的麻烦。-44- 第三章供水系统的硬件电路设计图3-2强电驱动图13.2.3强电驱动线路2图3-3强电驱动图2-44- 第三章供水系统的硬件电路设计电路图左边的是真空泵的主电路，断路器QF4和热继电器FR1用来保证电机安全运行，KM1的作用是在PLC中用来控制真空泵的开闭。三个电压表用来检测主电源线中电压是否稳定。最右边的电路是为控制电路和PLC供电设计的。先通过变压器把380V转换成220V，用低通滤波器滤掉高频谐波，最后通过开关电源就得到24V和5V。3.2.4电动阀控制电路图3-4中控制四个电动阀的接触器分别是KM2、KM3、KM4、KM5。电动阀里有两个限位开关，三个接线端子。其中两个常开、常闭触点是主管阀门的开启和闭合。连接在端子排中的1号位的是公共端，2号位的常闭触点的作用是关闭电动阀，3号位的常开触点闭合后电动阀开启。当电动阀开到90°时，会碰到5号位的关到位限位开关，线圈就会通电说明电动阀已经完全打开。同样，当关闭电动阀时，反转到90°时，会碰到4号位的开到位的限位开关，线圈通电表明电动阀已经成功关闭。图3-4电动阀控制线路3.2.5PLC接线图图3-5所示的是LG-PLC接线图。在可编程控制器的左右两边分别是定义-44- 第三章供水系统的硬件电路设计的输入点和输出点。本系统共用到三个泵，所以需要定义三个泵的状态输入和故障输入，又因为所用的泵是离心泵，离心泵启动时必须有真空泵把空气抽净，所以又加上了真空泵的控制端口。在现实控制中，手动是必须的。为了能让备用泵顺利转换，定义循环线路的输入和输出端口来保证两个软起泵能按时转换。在PLC右边，定义了三个供水泵，真空泵和四个电动阀的输出控制端口。最后的那三个供水泵电磁阀是用在每个泵启动时控制真空泵抽各离心泵中空气用的。下图右边是完成本次系统任务的必需扩展。首先，是两个ADHB模数转换模块，用来处理如水位，压力和频率的模数转换。这三个模拟量不能直接参与PLC的运算，需要转换成数字量后才行。每个输入输出都有自己的寄存器地址，在编程时还要在调用寄存器的值的时候与相应的系数进行运算才可用于PLC中的PID运算。文本显示器用于改变PLC程序中的有关参数。它对于编程和现场控制有很大帮助。可以随时在需要的情况下改变如三个模拟量系数、水位的上下限和备用泵的转换时间。图3-5PLC接线图-44- 第三章供水系统的硬件电路设计3.2.6控制线路下面两图为本系统的控制线路。电源线为三相线的A、B相线，为了防止过载、短路和欠电压，最开始设置上了断路器。下面的K按钮是应急按钮。再下面的手动转换开关是用来选择手动还是自动。接触器最多只有四个常开触点，拿手动来说，需要两个10型的接触器和两个40型的辅助触头，共16个常开触点，KM8同理。每个泵阀门都有自动和手动，这是在实际需要的立场上设计的。当手动时，KM7闭合2SB1为启动按钮，2SB2为停止按钮，当2SB1按下时，KM13自联锁，以下各环节一样；当自动时，KM8闭合由PLC控制的J继电器来决定各个J开关的开闭。右边的那一列指示灯是用来指示各开关按钮、泵和阀门是否动作到位。到位后按钮闭合，指示灯亮。指示灯这一列的电源接线接在急停按钮下的转换开关处，各电路环节在右边均有注解。图3-6控制线路1图3-7为两个电动阀，循环控制线路和三个电磁阀的手动/自动控制线路。-44- 第三章供水系统的硬件电路设计在循环控制线路中由于接触器触点较多，只能用两个接触器并联在一起使用。循环控制那两栏必须是两个开关同时接通指示灯才能亮。三个泵的电动阀的开到位限位开关、关到位限位开关也在指示灯上有体现，正常工作时相应的灯亮。另外,接触器不能串联，线圈通电后，静铁心磁化，吸合动铁心，这时主电路才接通。如果两个接触器串联,也就是两个线圈串联，通电后，两个线圈可视作同时得电，控制电路里回路是存在的。但由于静铁心磁化后产生的吸力不可能完全相等，所以两个动铁心吸合必定有快有慢。铁心先吸合的接触器在铁心吸合后线圈电感增大，其端电压也大，这就可能导致另一个接触器线圈压降过低，铁心一直吸合不上。这就相当于单独的一个110V接触器接在220V电路中了，当然导致控制电路回路中电流过大,时间一长可能会烧毁线圈。图3-7控制线路2-44-第四章恒压供水系统的软件设计-44- 第四章恒压供水系统的软件设计第四章恒压供水系统软件设计本设计由于采用的PLC是LG系列的，所以在这里简单介绍一下LG系列PLC的一些编程规则。4.1梯形图的基本绘制规则1、编程顺序梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。每个逻辑行开始于左母线，一般来说，触点要放在左侧，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。2、编号分配对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。3、触点的使用次数和线圈的使用次数在PLC的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只能是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。4、线圈的连接使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。4.2恒压供水系统I/O分配表1、系统具体控制方案上章已叙述，在此把恒压供水系统的I/O分配列举如下：表4-1I/O分配表输入：1泵状态输入P00　　　1泵故障输入P01　　　2泵状态输入P02　　　2泵故障输入P03　　　3泵状态输入P04　　　3泵故障输入P05　　　真空泵状态输入P06　　　真空泵故障输入P07　　　自动P08　　　手动P09　　-44- 第四章恒压供水系统的软件设计　循环线路1状态P0A　　　循环线路2状态P0B　　　变频器频率输入V0COM0D4980(出变频器)　压力输入V1COM1D4981　　频率输出V0+V0-D4982(入变频器)　　水位输入V0COM0D4984　　出水频率D465030Hz左栏为默认　工作压力设定D40120.36mpa　　　水位下限D40001.5m　　水位上限D40054.5m　　供水下限D40162m　　文本显示器时间周D3500时D3503分D3506　显示器内部时间周D3510时D3513分D3516　实际水位D4004　　　实际压力D4018　　　变频器实际输出D4150　　　压差上限D40600.38mpa　　　压差下限D40700.34mpa　　压力系数D403040　　　频率系数D404080　　水位系数D405080　　频率上升时间D402690s　　输出：供水1泵P40　　　供水2泵P41　　　供水3泵P42　　　真空泵启动P43　　　1泵电动阀输出P44　　　2泵电动阀输出P45　　　3泵电动阀输出P46　　　取水电动阀输出P47　　　循环控制线路1P48　　　循环控制线路2P49　　　供水1泵电磁阀输出P4A　　　供水2泵电磁阀输出P4B　　　供水3泵电磁阀输出P4C　　-44- 第四章恒压供水系统的软件设计注：备用泵转换时间默认为：每周三凌晨两点。2、上表中所列举的参数可变的寄存器由LG文本显示器输入，文本显示器上有接串口线的端口RS232，与PLC的RS232端口连接后就可设置参数。如下图对水位进行设置的文本显示器面板。图4-1文本显示器界面显示屏面板共有12个按键，包括：4个功能键（F1、F2、F3、F4）、4个箭头键（▲向上、▼向下、向左、向右）和ESC（退出）键、ALM（报警）键、SET（设置）键、ENT（确认）键。开机显示封面，按ESC键退出并进入主菜单，按▲▼键选择项目，再按ENT键进入选中的项目画面。按ESC键可退出当前画面并返回主菜单。项目说明：（1）水位设置：用户可自己设定水位上限、供水下限和水位下限。（2）水位显示：显示当前水位的实际状态。-44- 第四章恒压供水系统的软件设计（3）压力显示：显示当前管道压力的实际状态，及可设定压力窗口。（4）频率显示：显示当前变频器的实际频率，并有出水频率设定窗口，根据具体情况设定出水频率。（5）系统循环定时：即备用泵转换时间，当时间和条件都符合时，2泵和3泵轮换工作，延长备用泵寿命。（6）系统内部时间：控制柜可与电脑连接，文本显示器同时可以与电脑时间校准，保证两泵准时转换。（7）系数设置：可跟据传感器的实际参数设置压力系数、频率系数、水位系数。（8）压差设置：用户可设定压差上限、压差下限、频率上升时间。4.3程序流程图具体控制方案上面已有详细叙述，根据本课题要求和实际情况的限制，恒压供水系统流程图见附录。4.4程序编写在硬件系统设计中，采用了一台变频器连接1台电动机，变频器输入电源前面接入一个空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。对于用软启动器控制的电动机，还需要在软启动器上面接入两个空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电动机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。PLC主程序主要由系统初始化程序、变频1泵起动程序、恒压供水模块程序、进2泵程序、求模拟量平均值程序、进3泵程序、退3泵程序、压差程序、故障处理程序等构成。（具体程序见附录）4.5程序调试为了保证系统的能够顺利运行，我对PLC程序进行了上电调试，用电位器作为模拟量输入，用一根导线一段连接+24V，另一端按需要接触PLC-44- 第四章恒压供水系统的软件设计端子作为接口输入。在第一次调试时，有多个程序点通不过，经检查发现是程序编写不够完善，后经多次修改，现在可以完成系统要求任务。由于程序指令太长，现只截取1泵启动时的图像。如图4-2。图4-2程序调试图-44-结论-44- 结论结论此次设计是以山东XX大学的供水状况为设计课题，包括：恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和软件电路设计等，本设计一共包含四大章设计内容，其主体是由变频技术、压差—恒压自动转换技术、微泄漏补偿技术组成的，是现阶段水处理行业较为先进的供水方法。本系统与现在普通二级加压水厂相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。首先，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。其次，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的优点，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近时耗电量增大。而本系统通过压差—恒压自动转换技术和微泄露补偿技术解决了这个难题。再次，本设计运行维护简单方便，对于操作人员不要求具备专业的水处理知识，只根据操作说明书和操作规程就可以对整个水厂进行操作管理，因此，采用此设计建设的水厂适应性强，在现阶段很受客户的欢迎。这种水处理技术未来发展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水发展方向，是现代人们生活所要求的并且前景光明。-44-致谢-44- 致谢致谢感谢我的导师XX教授。X老师渊博的知识体系、严谨的治学方法、超前的学术意识、精益求精的工作态度，都在我的脑海里打下深深地烙印。是我三年学习生活的最大收获，使我受益非浅。本论文的完成也是在张老师亲自指导下完成的，从论文的方向，到论文的架构，再到论文的具体细节，都得到了X老师孜孜不倦的教导。感谢青岛XXXX自动控制设备有限公司的XXX经理。XX经理敏锐的思维方式、积极的工作态度都使我深有感触，是我学习的楷模，本论文的完成也是在其总体指导下完成的，其中很多内容和原理都是从他那里学来的。同时，也感谢XX公司的XXX部长、XXX部长、XXX部长以及在我们办公室的同事们，他们在我实习期间对我的工作和论文给予了极大地帮助。感谢我的父母，感谢他们的生育、教育之恩，正是他们至始至终的关心、理解、鼓励和支持，我才能全身心地投入到学习、工作中去。最后，再次感谢所有教育我、关心我、给我支持和前进动力的老师、同学、朋友和亲人们，感谢他们为我所做的一切!-44-参考文献-44- 参考文献参考文献[1]张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置.化学工业出版社:2006.183～184[2]张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第二版).北京:机械工业出版社:2002.86～87[3]深圳康沃电气技术有限公司.康沃变频调速器使用手册.1126.深圳:2006.48～49[4]冯垛生，张森.变频器的应用与维护.广州:南华理工大学出版社:2001.9.5～6[5]高湘.给水工程技术及工程实例.北京:化学工业出版社:2002.5[6]王建民.变频调速恒压供水系统在住宅区供水中的应用[J].工业用水与废水,2004.4[7]蒋瑞敏.上海供水行业水泵调速的经验与教训.上海节能,1998[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统（运动控制系统）.机械工业出版社:2006.9.155～156[9]毛允明.传统变频调速供水设备能耗问题分析及解决方法,山东水利.2004.9:46～47[10]西安西普电力电子有限公司.STR数字式交流电动机软启动器说明书.V5.3.西安:2006[11]J.R.Layne，K.M.Passino.FuzzyModelReferenceLearningControlforCargoShipSteering[J].IEEEControlSystemsMagazine.1993，13(6):23～34[12]M.EIbelkacemi，A.Lachhab，M.Limouri，B.Dahhou.A，Essaid.AdaptiveControlofaWaterSupplySystem[J].ControlEngineeringPractice.2001,9(3):343～349[13]HiromitsuKato，HiromitsuKurisu，TerujiSekozawa.InteractiveMultipleObjectiveDecisionMethodforWaterSupplySchedulinginHybridNetworkModels[M].Japan-44-附录-44- 附录附录1元器件清单符号名称型号单位数量J1-J13直流继电器MY2NJ220/240VAC只13KA1,KA5,KA6直流继电器JZX52P/FLDC24V只3FR1热继电器JRS1-09-25Z7-10A只1KA9-KA16交流继电器MY2NJ220/240VAC只8QF1断路器NB1-633P-40A只1QF2-QF3断路器NM10-250/330120A只2QF4断路器DZ47-60-10A-2P只1QF5-QF10断路器DZ47-60-5A-2P只6KM1-KM5交流接触器CJX2-0901380V只5KM7-KM15交流接触器CJX2-0910380V只11KM7"-KM8"交流接触器CJX2-0910380V只2　辅助触头F4-22只42SB2-13SB2按钮LAY39-11D/R380V只112SB1-13SB1按钮LAY39-11D/G380V只11K急停按钮LAY39-11MJ/R380V只1T1电源变压器BKC-300W台1RP调频旋钮WTH-14.7K只1DY1开关电源LPC-H15S55V3A只1DY2开关电源GSM-H100S2424V5A只1DT低通滤波器HT121-6-W66A只1PLC可编程控制器K7M-DR40U台1　模拟量模块G7M-ADHB台2　文本显示器XP10BDA台1　变频器CVF-P2-4T0185台1　软启动器STR015A台2　压力传感器CS-PT100只1　液位传感器HT100B1A0-5M只1　电动阀门DN80只4　电压表6L2只3　电流表6L220:5只3　三相异步电机Y160M2-2台3　电磁阀ZW-20AC220VDN20只3　手动闸阀Z45TDNDN80只4　旋启式止回阀DN80只4　电源线信号线　　若干-44- 附录附录2PLC程序流程图-44- 附录-44- 附录-44- 附录-44- 附录手动初始化附录3PLC程序-44- 附录压力系数压力平均值水位比较水位系数水位平均值-44- 附录恒压供水开1泵-44- 附录频率平均值进3泵进2泵-44- 附录压差程序备用泵转换程序退2泵退3泵频率系数-44- 附录故障处理程序程序-44- 附录-44-'