论文总字数：14095字

摘 要

我国目前的市场上，大多数水泵的运行方式是通过使用电力拖动的方式来实现的，水泵在工频的环境里运行时，要实现控制水流量的缓急，我们可以通过改变水泵阀门的大小来调节水的流量，不过这样做会造成水资源的浪费。然而，如果我们采用恒压供水的方法来控制水泵的话，就可以帮助解决很多问题，由于现在交流变频的技术的不断提高，对于组成恒压供水系统很是方便。它应用广泛，有涉及到人们生活供水，高层楼房的用水，还有工业用水等等，恒压供水实现节能、安全性高、操作方便的特点，广泛的应用于我们的生活中。

关键词：恒压；节能；安全；

Constant Pressure Water supply Control System Design Based On PLC

Abstract

Currently on the market in our country, most of the water pump operation mode is achieved through the use of electric drive way, operation of the pump in the environment of power frequency, so as to realize the priority of control flow, we can change the size of the pump valve regulating the flow of water, but doing so will cause the waste of water resources.However, if we adopt the method of constant pressure water supply to control the water pump, can help solve many problems, because now the ac frequency conversion technology unceasing enhancement, the constant pressure water supply system is very convenient.It wide application, has involved people living water supply, high-rise buildings with water, and industrial water, etc., constant pressure water supply to realize the characteristics of energy saving, high safety, convenient operation, widely used in our life. Keywords: Constant Water Pressure；Energy Conservation；Safety

目录

摘 要 3

Abstract 4

第一章 绪 论 7

1.1 课题研究的背景及意义 7

1.1.1 课题背景 7

1.1.2 课题意义 7

第二章 变频恒压供水分析 9

2.1 水泵型号的选择 9

2.2 离心泵工作原理 9

2.3水泵电机的型号选择 10

2.4 水泵的调节方式 11

2.5 供水系统的安全 11

2.5.1 水锤效应 11

2.5.2 水锤效应产生的原因 12

2.5.3 水锤效应的消除 13

2.5.4 延长水泵寿命的其他因素 13

第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计 14

3.1 变频恒压供水控制系统 14

3.2 变频恒压供水系统的控制方案 14

3.3 变频器的特点 16

3.4 变频器的选择 16

3.5 MM430变频器说明 16

3.6 压力传感器的选择 17

第四章 变频恒压供水控制系统软件的设计 18

4.1 系统软件的选择 18

4.1.1 PLC的简单说明 18

4.1.2 可编程控制的特点 18

4.2 可编程控制器的结构和硬件组成 19

4.2.1 组成元件 19

4.2.2 PLC的组成部分的功能 19

4.3 I/O的分配 20

4.4 恒压供水程序设计 21

第五章 组态王画面制作及监控 29

5.1 组态王概述 29

5.2 组态王特点 30

5.3 组态王监控画面 31

第六章 系统运行分析 37

6.1 运行原理 37

6.2 节能原理 37

6.3 故障分析 38

第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.1.1 课题背景

当前，随着人们生活水平的不断提高，在生活用水方面和系统稳定方面的满意度愈来愈高。由于我国能源资源紧张，所以我们要通过利用先进的自动化方面的技术和相应的控制技术来提高系统的性能，实现水资源的高效节能，使用安全。 我国目前的市场上，大多数水泵的运行方式是通过使用电力拖动的方式来实现的，水泵在工频的环境里运行时，要实现控制水流量的缓急，我们可以通过改变水泵阀门的大小来调节水的流量，不过这样做会造成水资源的浪费。然而，如果我们采用恒压供水的方法来控制水泵的话，就可以帮助解决很多问题，由于现在交流变频的技术的不断提高，对于组成恒压供水系统很是方便。它应用广泛，有涉及到人们生活供水，高层楼房的用水，还有工业用水等等，恒压供水实现节能、安全性高、操作方便的特点，广泛的应用于我们的生活中。

1.1.2 课题意义

利用变频技术实现水系统的恒压运行，我们要用到可编程控制器、PID的闭环控制方式、水泵的电机组合模式、传感器技术等构成。本次设计的系统是用一台变频器来拖动两台电动机启动、运行与调速和停止，这两台电动机我们是用相互循环的方式来控制运行的。

对于频率f和转速n之间的存在关系，我们通常用变频器的调速功能来改变，在本次设计中，频率指的是电源的频率，当电源频率升高时，电机转子的转速也会相应的下降；在电源频率升高时，电机转子的转速也会升高，在其他条件不变的情况下，电源频率与电机转速是成正比的，从而达到水泵变频调节的目的。在应用中，我们利用变频器调速来实现恒压供水，然而传统的供水是使用调节阀门的方式，与之相比，变频调速在很大程度上可以节约能量的损耗，是很节能的。

这次的恒压供水系统的设计中，我选用德国西门子公司制造的S7-200的可编程控制器，并且还选用了PID应用于系统中，使系统能够简单节能的运行。如何使变频器来改变电源的频率呢，我们可以通过水泵在设计时的压力的实际值与设定值之间的关系来改变变频器的输出电压和频率，从而改变电动机的转子转速，当转速改变时，水泵叶轮也会做相应的改变，水泵的水流量就得以控制，以便于实现管道里压力的自动调节，平衡管道压力，使其变的更稳定。

第二章 变频恒压供水分析

2.1 水泵型号的选择

水泵是提供恒压供水系统关键元素之一，水泵的种类很多，根据介质分有清水泵、污水泵、油泵、排污泵等，也可以根据使用容量大小分有叶片式泵、容积泵等。

叶片式泵和容积泵的比较：

(1) 叶片式泵水流量均匀但不稳定，会随着管路情况的变化而变化，水流量的范围比较大，扬程比较高。

(2) 容积泵的水流量不均匀，但是比较稳定，不会随着管路不同而变化，不过水流量范围小，扬程低。

综合比较而言，这次我选择的是叶片式泵中的离心泵，其水流量较均匀，扬程高。

2.2 离心泵工作原理

本次设计主要采用离心泵，如图2.2所示。离心泵的叶轮安置在泵2内的轴承3上，固定好后，通过电动机将离心泵的轴承带着转动，在离心泵的泵壳内有两个口是相连的，分别是液体吸入口4与吸入管5。

一般而言，离心式水泵在启动之前需要注意的是要先让水泵里注满水，每种水泵启动的特点不一样，离心式利用它的离心作用。在水泵启动后，水泵里的叶片开始迅速转动，当叶片转动时，水泵里原有的水就会因为离心作用而向四周外散，水泵里的水就会被送出进水口，水泵里的水被离心成真空的时候，通过外面水压的作用，外面的水就会被压力作用挤进水泵中，如此循环往复，那么水泵中就会一直有水进入，这就是离心泵的工作原理。

图2.2 离心泵结构示意图

2.3水泵电机的型号选择

离心泵是由电动机驱动来运行的，电动机和离心泵则一起组成了供水系统的大部分框架，然而电动机的选择主要由水泵供水负载的大小来决定的。电动机的功率还应根据实际机器的生产功率来选择，尽可能使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:

(1) 在选择时如果电机功率选小了，那么电动机的功率很难支撑起整个系统的运行，就会使电动机长期过载运行，会导致电动机过热而烧坏。

(2) 在选择时如果电动机功率选大了，电动机在拖动水泵运行后还剩余很多能量，剩余功率得不到利用变成热能散失了，大大降低了电动机的利用率，造成能量的浪费。

选择电动机的功率，可以计算出来，负载功率为P1(kW),而电动机需要的功率为P2(kW):

(2.3)

式中，是生产机械的效率，是电动机的效率。

所以，在电动机额定功率选择时应该选用功率等于或稍大于计算所得的功率的电动机。

2.4 水泵的调节方式

      水泵的调节对于水泵本身有着重要的意义，通过调节可以稳定水泵的转速，水泵的进出水量，降低能耗，一般水泵调节方式有以上几种：

(1) 阀门节流

在水泵调节方式中，我们把水泵工况点作为水泵调节的一种参数。通过调节阀门开度就可以调节水泵的水流量，而阀门的开度可以通过工况点来表示，实际出水量曲线与扬程曲线交汇时的点为阀门全开，这时候管道阻力为零；将阀门调小点，离心泵的工况点就会发生变化，管道阻力增大，水流量减小；当阀门全部关闭时，管道阻力将会很大，水流量变为零。由此来看，我们可以通过调节阀门的开度来调节水流量，保持离心泵本身的供水。这样的调节简单、方便、快捷，是一个不错的选择。但调节流量是已离心泵剩余的能量来调节，这样的调节不是很经济。

(2) 变频调节

通过改变电源频率来改变电动机的转速，继而改变水泵叶轮的转速，要使水流量改变，还需控制阀门的开度不能改变，管道的系统特征不变，才能改变水泵的流量。当离心泵工作在平衡点时，消耗的功率计为N1,；为了减小流量，则要降低叶轮转速，消耗功率为能N2；若这时采用阀门调节来改变水流量时，由于叶轮转速不变，只是水流量减小，管道阻力增加，离心泵的消耗功率增加计为N3，N1gt;N2gt;N3，在变频运行下的扬程比阀门调节时小，所以变频调速所需要的功率比较小，综上所述，变频调试比阀门调节更加节能，由于损耗小，也大大增加了离心泵的使用年限。

阀门调节随便回造成浪费，但在一些简单的控制系统中也可以发挥重要作用。由于变频调节的各方面优势都很强，继而被人们广泛应用于生活中。

2.5 供水系统的安全

2.5.1 水锤效应

正常情况下，异步电动机在全压模式下启动时，从静止状态到额定转速的时间很快很快，因为电源频率很高，电动机启动没有缓冲时间，加速非常快，然而这也就说明，水泵里水流量的增加的也是非常快的。一般来说，物体在运动后是具有势能的，电动机的转速越快，则水的势能越大。在电动机在很短的时间加速到额定转速时，水的势能产生对管道的破坏力很大，短时间内对管道的冲击很大，会产生空化现象，空化现象就是我们常指的超射波的原理，当液体在高速运转时会产生空化泡，在不断的集聚下，会产生很大负向压力，对管道壁会产生巨大的破坏力。因此我们把这种效应称为“水锤效应”。

水锤效应的产生是很危险的，因为它的破坏力很大，而且产生的压强也很高，很可能会引起管道壁的破裂，这样会造成很大的损失。然后在额定转速下停止时则会产生相反的作用，管道内的压强会变的很小，在大气压力的作用下，会导致管道瘪塌。有时候不只是管道的损坏，也有能导致阀门的损坏。所以，消除水锤效应是水泵安全启动的前提条件。

2.5.2 水锤效应产生的原因

产生水锤效应的主要原因，是在启动和制动过程中电动机的动态转矩太大.。在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2.5a所示，图中曲线1是异步电动机的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。

(a) 全压启动 (b) 变频启动

图2.5 水泵的全压启动与变频启动

在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩

由图2.5a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。

2.5.3 水锤效应的消除

对于如何消除水锤效应成了该控制系统的当务之急。由于水锤效应是由电动机启动时转矩过大或者过小造成的，如何降低电动机启动时的转速时关键。因此，我们可以采用变频启动电动机，通过改变启动时频率来改变电动机的转速，从而减小转矩，来消除水锤效应。

如图2.5b所示，图中曲线1表示的是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2表示的是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。

在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。

2.5.4 延长水泵寿命的其他因素

水锤效应会带来一系列的问题，然而当它消除时，也会解决一系列的问题，可谓牵一发而动全身。

水锤效应的消除后，对于水泵及管道来说有着大大的好处，不管是启动或是停止时的转速运行对水泵叶轮的负担会解除很多，因为叶轮所受的水压阻力大大的减小，继而对于水泵轴承的磨损也会大大的减小，叶轮的转速经过一个缓冲的过程，这样可以增强电动机的使用寿命。变频技术在我们生活中的应用真是无处不在。

第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计

3.1 变频恒压供水控制系统

变频恒压供水是一套综合性的系统，它由很多模块组成，需要压力传感器、变频器、离心式水泵、电动机组和低压电器构成。本次的设计，我采用的是利用一台变频器来控制两台离心式水泵的运转，本次设计系统不是很大，利用两台离心式水泵之间的相互切换，从启动到停止，从变频到工频，使两台水泵循坏运转，还能够对测得的数字进行传输，构成了恒压系统的基本框架，本次设计有本地控制和远程控制，方便了对水泵的实时监控。

这类控制方式灵活便利，而且还拥有非常好的通信接口，能够快捷方便地与别的系统进行数据交换；为了方便用户的使用，许多生产厂家将自己的产品变的系列化，这种系列化的产品能够向上兼容指令，还可以扩展小容量的设备，使之能够适应更多场合的使用。厂家之间的相互竞争，为了使系统更加的灵活、便捷，他们又开发了很多模块来适应市场竞争。它的方便、灵活还体现在控制程序的更改，维护。还要肯定系统在硬件设备上没有问题，各个接口的连接没有问题，如果要改变控制方向，只要改变程序的结构布局，就能轻松实现要求，因此现场调试比较方便。

3.2 变频恒压供水系统的控制方案

变频恒压供水系统的控制方案有多种：

(1) 逻辑电子电路控制方式

逻辑电子电路控制方式对于实现水泵软启动和水泵的变频调速是比较困难的，所以相比较而言，逻辑电子电路的控制精准不高，导致离心水泵在切换时水压波动明显。它的抗干扰能力比较弱，但其成本比较低。

(2) 单片微机电路控制方式

单片微机的控制方式相比于逻辑电子电路的控制方式是由优越性的，然而在一些有差别的管网和供水时，在调试的时候比较麻烦，在需要添加新的功能时，对电路的改动很被动，操作繁琐。由于其本身的局限性，所点电路的可靠性也大大降低。

在变频器控制水泵时，有一台变频器控制一台水泵的控制方案，也有一台变频器控制对台水泵的控制方案，根据水泵在工频和变频模式下切换的时候来实现多台的控制，下面为一台变频器控制多台水泵的原理图3-2：

图3.2 控制原理框图

控制系统的运行原理:可以按照系统用水量的转变，控制系统控制2台水泵按1—2—3—4—1的顺序运行，以保证正常给水。当水泵开始工作时，系统用水量不多，我们只需要启动1号泵运行供水，2号泵则不启动，这时处于状态方式1。

当用水量增加时，变频器的输出频率不断增加，电动机的转速也相应增加，当变频器的频率增加到上限值时就不在增加，转而切换到工频的运行方式上去，如果这时用水量不再增加，则1号泵出于工频方式下运行，2号泵还是不运行；如果这时候用水量继续增加，则启动2号泵，开始时2号泵处于变频状态，不断的增加频率，这时处于状态2的工作方式下。

当用水量到达很大时，变频器的输出频率达到最高时，2号泵切换到工频方式下运转，二台泵均处于工频方式下运转。当过了用水高峰期，不需要二台泵均处于工频下时，2号泵开始切换到变频模式，变频器开始减小输出频率。当用水量继续减小时，1号泵则停止运转，2号泵继续变频运转，维持水压，这时便是图中的状态3。

当用水量又增长时，变频器的输出频率增加，当变频器的输出频率到达上限值时，2号泵切换到工频运转，且仍是处于给水不足时，这时候开始启动1号泵变频加快运转，此时就是图中状态4。

当用水量不断的增长时，变频器输出频率到达上限值时，1号泵切换到工频方式下运转；当用水量减少时，1号泵则切换到变频方式下运行，当用水量再次减少时，则关闭2号泵，就由1号泵变频运行，提供压力，这时又回到图中状态1的方式下，如此的循环往复，构成了变频器控制的恒压供水控制系统。

3.3 变频器的特点

随着变频技术的不断提高，人们对变频器的使用也越来越广泛，特别是变频调速技术的发展，已经使世界范围被的电气传动领域发生了巨大的变化，它是计算机控制、智能控制及电子技术发展的综合产物。跟多的资料表明，利用变频设备做为水泵运转的条件时，水泵运转时的平均转速相比工频运行时转速下降了20%，从而很大程度上节约了能源，降低了成本，然而用电量少了，产生的额外无用能量也少了，也大大降低了环境污染，是工业发展、生产的崛起方向。

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