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基于PLC的恒压供水系统设计
摘 要
在城市化进程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小区，那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。而且随着城市用水量不断增加，对供水系统的建设提出了更高的要求。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作。本系统是针对居民生活用水而设计的一套由变频器、PLC、水泵机组等设备组成的自动变频恒压供水控制系统。该系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需要，具有运行稳定、操作简单和高效节能等特点。该系统对变频器内置PID模块参数进行预置，通过压力传感器对水压的反馈构成闭环控制系统；PID模块根据用水量的变化调节水泵的输出流量，实现恒压供水，并达到有效节能的目的。本文首先介绍了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能原理；其次，对水泵机组的各种供水状态及转换的条件、水泵由变频转工频运行方式的切换过程进行分析，着重研究并提出了基于PLC和变频器的恒压供水系统的方案，并给出了硬件设计和PLC控制程序设计。
关键词：PLC；变频调速；恒压供水
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Design of Constant Pressure Water Supply
System Based on PLC
Abstract
In today's rapid urbanization, urban living is mainly living quarters, then the construction of residential water supply system is particularly important. And with the growing urban water demand, water supply systems, the proposed higher requirements. Economics of water supply, reliability and stability to the district residents directly affected the normal life and work.The system is designed for household water set by the frequency converter, PLC, water pump and other equipment consisting of automatic constant pressure water supply control system. System PLC, frequency converter, the corresponding sensors and actuators together organically, and play their respective advantages, the control system easy to operate, not only to the greatest extent to meet the needs of stability and security of its operating performance, simple and convenient mode of operation , and the complete and thoughtful features, will make water saving water, saving, labor saving, high efficiency high-quality final run, reliable, energy-saving purposes. This paper introduces the way to achieve frequency control constant pressure water supply valve control compared to conventional energy-saving principle of constant pressure water supply. Converter built-in PID module on the preset parameters, using hydraulic pressure sensor feedback, closed loop system. According to changes in water consumption, to PID regulation mode, by adjusting the pump output flow, constant pressure water supply and efficient energy. Then it analyzes the state of pump units and conversion of various water conditions, analysis of the pump frequency by the frequency change operating mode of the switch process. Important parts of functional analysis, focusing on research and put forward based on PLC and frequency constant pressure water supply system program, were given control of the hardware design and PLC programming.
Key Words: PLC; frequency control; constant pressure water supply
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目 录
1 绪论 ............................................ 1
1.1 变频恒压供水系统的研究背景 ................................. 1
1.2 几种供水系统的比较 ......................................... 1 1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状 ........................... 2 1.4 供水系统安全性讨论 ......................................... 3 1.5 本文设计思想 ............................................... 3
2 系统的理论分析及方案的确定 ............................. 5
2.1 调速方式的比较与选择 ....................................... 5 2.2 控制系统方案 ............................................... 7 2.3 供水系统的控制流程 ......................................... 8 2.4 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析 ...................... 10
3 PLC恒压供水系统硬件设计 .............................. 11
3.1 PLC的选型及接线 .......................................... 11
3.1.1 PLC的选型 .......................................... 11 3.2 水泵机组的选择 ............................................ 15 3.3 变频器选型及接线 .......................................... 17
3.3.1 变频器选型 .......................................... 17 3.3.2 变频器的接线 ........................................ 21 3.4 PID调节 .................................................. 21 3.5 压力传感器 ................................................ 22 3.6 系统主电路设计 ............................................ 23 3.7 系统控制电路设计 .......................................... 24
4 系统软件设计 .......................................... 25
4.1 PLC控制 .................................................. 25
4.1.1 PLC程序流程图 ...................................... 25 4.1.2 手动运行 ............................................ 26 4.1.3 自动运行 ............................................ 26 4.2 PLC梯形图程序设计 ........................................ 26
5 总结与展望 ............................................ 29 致谢 .................................................... 30 参考文献 ................................................ 31 附录A 系统硬件总图 ..................................... 32 附录B 系统梯形图 ....................................... 33
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1 绪论
1.1 变频恒压供水系统的研究背景
众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物资，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，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低[1]。
1.2 几种供水系统的比较
1、恒速泵加压供水：这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
2、重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。
3、气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。
4、变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根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。将
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变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提高劳动生产率，我国每年的电力90%是被电动机所消耗，所以可以节省电动机的电力消耗是非常值得推广和应用。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、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，特别是在城乡工业用水的各级加压系统和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。
1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状
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、抗扰动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。原深圳华为电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器，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[2]。
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