恒压供水系统毕业设计

学士学位论文

恒压供水系统设计

学科门类：机械类了学位申请人：了隶属系部：机电工程系

指导教师：助教

申请日期：

恒压供水系统

设计总说明

我国一直都是水资源十分短缺的国家，如何有效、合理的开发和利用水资源是一个客观存在的问题。而我国正处于飞速发展阶段，虽然一些领导行业的供水技术已经达到发达国家的标准，但很多生产、生活的供水方式还是有很多的问题和缺陷，本论文就针对这一问题提出了一些可行的方案，利用变频器和PLC控制技术的结合来实现变频恒压供水的目的。

在供水网系中，用水量会随时间不断变化，有低峰期也要高峰期，这就会影响供水网系中的水压发生变化，如果不能使水网的水压保持恒定，就会影响供水网的输出。恒压供水就是保持供水网的输出随时满足用户的用水需求，所以只要供水主管道的压力恒定就可以达到这目的。本系统是利用PLC可编程控制器结合变频器通过管网的压力变送器实施水压监控来控制水泵机组来实现恒压供水的目的。此恒压供水系统是由一台变频器来控制两台水泵电机的运行、调速和启动、关闭。本系统采用PAC System Rx3i来实现PLC的控制功能，改变水泵机组在不同水压下的输出功率，结合富士FRENIC5000G11S系列变频器，利用压力传感器对供水管网的水压进行实时监测，通过变频器来对改变、水泵电动机进行调速控制来控制水网的出水量，实现恒压供水的目的，因为系统是自动调节，减少了人力物力，两台水泵电机切换使用又可以大大延长水泵的使用寿命。

关键词：PLC；变频调速；恒压供水

·I

Constant pressure water supply system

Design general description

China has always been a very short of water resources in the country, how effective and rational development and utilization of water resources is an objective problem. And our country is in a stage of rapid development, although some of the leading industry of water supply technology has reached the standard of developed countries, but many production and living water supply mode or a lot of problems and defects, this paper is to solve this problem proposed some feasible scheme, with the combination of frequency converter and PLC control technology to achieve the purpose of variable frequency constant pressure water supply.

In water supply network, water will continue to change with the time, low peak to peak, which will affect the water supply network system in the water pressure change, if it is not possible to make water network hydraulic pressure is kept constant, it will affect the water supply network output. Constant pressure water supply is to maintain the output of the water supply network at any time to meet the user's water demand, so as long as the water supply mains pressure constant can reach this goal. This system is the use of PLC programmable controller combined with frequency converter through the pipe network pressure transmitter to control the water pump unit to achieve the purpose of constant pressure water supply. This constant pressure water supply system is controlled by a frequency converter two pump motor running, speed control and start, close. The system adopts PLC to change under different water pressure pump unit power output, combining with the Fuji FRENIC 5000G11S series inverter, using pressure sensor on the water supply pipe network pressure real-time monitoring, through the inverter to change, water pump motor for speed control to control of a network of rivers of water, to achieve the purpose of constant pressure water supply, because the system is automatic adjustment, reduce the human and material resources, using two pump motor switch and can greatly prolong the service life of the pump.

Keywords：PLC; variable frequency speed regulation; constant pressure water supply

II

目录

第1章绪论 (1)

1.1课题提出的背景 (1)

1.2课题研究的目的和意义 (1)

1.3国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析 (2)

1.3.1变频恒压供水系统的国内外研究现状 (2)

1.3.2可编程序控制器技术国内外发展现状 (3)

1.4设计主要内容 (3)

第2章恒压供水基本原理 (5)

2.1供水系统简介 (5)

2.2恒压供水基本原理 (5)

2.2.1恒压供水原理 (5)

2.2.2系统结构框图设计 (5)

2.3本章小结 (7)

第3章恒压供水系统设计 (8)

3.1变频恒压供水系统主电路图设计 (8)

3.2变频恒压供水系统控制电路设计 (8)

3.3变频恒压供水系统PLC控制流程图设计 (9)

3.4变频恒压供水系统硬件参数 (10)

3.5本章小结 (11)

第4章恒压供水系统软件设计 (12)

4.1模拟信号转换 (12)

4.2变频恒压供水系统软件程序说明 (14)

4.3本章小结 (20)

第5章总结 (21)

5.1全文总结 (21)

5.2研究展望 (21)

参考文献 (22)

致谢 (23)

III

第1章绪论

第1章绪论

1.1课题提出的背景

当前，我国社会经济飞速发展，城市工业化水平也越来越高，大多数人口都集中在城市中，城市的规模也在不断扩大。随着经济发展，人们对生活水平的要求越来越高，这就对城市的基础设施提出了严峻的考验。对于城市供水而言，能有效的保证用户用水的需求是重中之重，供水质量和稳定性是当前用户的基础要求。而众所周知的是我国家人口基数大，人均资源却排在世界各国的末尾，水资源的短缺也是众所周知的。我国供水系统基础设施的技术一直比较落后，尤其是小区供水和一些乡镇。而现在很多至80年代建立的自来水厂的供水控制系统依然需要工作人员手动操控，而且不能达到自动调节的目的，必须有人值守。手动操控过程麻烦又不能对供水管网的压力变化作出及时有效的措施常常具有一定的滞后性，导致供水量不能第一时间达到用户的需求，造成了很多不必要的麻烦。我国大部分县、乡镇还在使用高位水箱、水塔和气压罐等方式对水进行加压以达到供水水压得要求。这种方式很容易对水源造成二次污染，而且因为供水管道的压力不稳，很容易造成水压不稳定、供水管因压力过大而爆管、水经常漏失的缺点，而且因为水压监测不鞥及时给予修正，水泵电机经常发生空载、高速运转等问题导致水泵经常出问题，不仅浪费电能、人力物力，而且维修业有很多问题。因此，改变供水方式己是迫在眉睫。如何利用有限的资源来达到更好的水平成为人们值得思考的问题。

现代社会已经步入电子时代，计算机技术的普及，各种智能软件的开发，越来越多的产业都已经引入了智能控制、管理的计算机技术，科学技术已经成为第一生产力。人们的生活已经和电子技术结合在一起。随着这些技术的成熟已经开始进入了供水领域，使供水网的自动化程度越来越高，已经可以实现水泵电机自动调节，有效的改善了传统供水方式使供水网的供水环境越来越好，极大的提高了供水的质量和安全。PLC控制技术和变频器的有效结合可以实时监控供水管网的压力变化并给予正确、及时的调节，不仅保证了供水管网的水压恒定，而且节约了电能、水资源。利用有限的资源满足了用户对供水的需求1.2课题研究的目的和意义

众所周知，我国人口基数大，人口分布不均匀，人均资源却位于世界末尾。水是生命之源，是人生存所必不可缺的，节约用水已经是全球倡导的话题。80年代到如今，我国的供水技术虽然在发展，但仍落后于世界的顶级强国。虽然国内大多产业的领头羊的供水技术已经是世界顶尖水平，但城市的基础设施却落后于世界强国。随着我国经济迈入飞速发展的阶段，人们对生活水平的要求越来越高，基础设施的建设已经对我国经济的发展产生了影响。供水的安全、稳定以及成为衡量人们生活水平高低的标尺。

传统的小区供水方式优缺点：

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2 (1)恒速泵加压供水：恒速泵加压供水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)气压罐供水：这种供水方式技术简单，但对设备的要求却很高，而且后期维护不方便，水泵停止工作后，气压罐的压力一般会很大，会减少电机的使用寿命，这种供水方式不受高度限制而且体积小、占地面积也不大。

(3)水塔高位水箱供水：应用范围太局限，多用于楼层较高的建筑，占地面积大，

成本也很大，后期维护不方便，虽然控制方式简单，但电机启动方式为硬启动，减小了电机的使用寿命，短期停水时，水箱内的水可以保证不停水。

(4)液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式：供水结构比较简单，成本比较低，采用液力耦合器就会经常发生漏油现象，系统维修业方便。

(5)单片机变频调速供水系统:比前面的几种供水方式的自动化程度高，可以实现变频恒压供水，可以根据水网压力变化自动调节电机输出功率，但这种系统可靠性却比较低，适应环境比较少有一定的局限性，而且系统的开发时间过长。

由此可以看出，传统的供水方式有很多缺点，比如自动化程度低，适应性差结构单一，浪费水资源、电能、人力物力，电机运行方式存在缺陷，供水效率低等。这些问题对用户对水量的需求有严重的影响。而采用变频器和PLC可编程控制器有机结合的供水方式成为目前合供水方式的发展方向。其自动化程度高，系统稳定，节能减耗，水泵电机运行稳定使用寿命长，而且变频器和PLC可编程控制器在其他产业方面已经有了很好的应用并且效果突出，这就为变频恒压供水提供了技术基础。

1.3国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析

1.3.1变频恒压供水系统的国内外研究现状

随着变频调速技术的不断发展，变频调节技术已经应用到很多产业中，例如：利用变频器来控制电机正反转、控制电机的启动与制动、控制电机的速率、对系统各部件的保护等。利用变频器可以调控电机的速率，将变频器作为恒压供水系统的执行机构，通过水泵机组出水口出的压力传感器实时监测压力变化情况，在变频器的控制下改变水泵电机的输出量来保证供水管网的压力恒定，满足不同需求时的供水量需求。因为变频恒压供水系统运行稳定，变频器又可以及时对水泵电机进行控制，不仅自动化程度高而且又节能，受到国外很多变频器生产商的重视都已经开始大力发展起来，其中恒压供水基板就是由日本Samc0公司研发的，它具有两种模式，一种是每台泵的工作方式都是固定的，各有各的作用；另一种则是让水泵电机循环工作，让水泵电机可以交替使用。该系统各种控制系统都做在一个控制基板上，将PID调节器和PLC可编程控制器有机结合在一起，大大的简化了电路结构，并设定了指令代码，只需要按照指令代码将恒压供水元件安装上就可以实现

第1章绪论

控制功能。这种做法大大减小了成本，但是代码和输出端口的固定却让系统缺乏灵活性，许多软件都无法和其结合导致其应用范围肯定有一定的限制，无法推广。

我国变频器的发展还比较落后，现在我国很多企业都是采用国外的变频器来做恒压供水的控制系统。控制水泵的转速有两次设备可以实现，一种是变频器，还有一种是单片机。这两种设备都可以通过控制水泵电机的输出功率来改变供水管网的水压值。但是采用单片机所做的系统稳定性差，抗干扰性能低，系统的动态性能不稳定，所以一般不予以采用。因为这些恒压供水系统都存在或多或少的问题，不能满足广大用户的需求，所以现在变频恒压供水系统的研发都是一个难点。

现在科学技术日新月异，各种供水问题都在对变频恒压供水系统提出挑战，目前国内外研发和生产的变频恒压供水系统还有很大的缺陷，首先和现在各种先进的控制技术结合还不够好，很多先进的控制技术没有结合如系统，再有现在的网络技术发展日新月异，同样也没有有机对的结合起来还包括通讯技术等，最重要的是现在这些行业变频供水系统的应用范围比较窄，很多系统不能做到面面俱到，难以适应不同的用水场合。因此，如何让变频恒压供水系统可以随着科技发展而发展，可以更好的应用到生产生活中是现阶段我国乃至世界各国面临的问题。

1.3.2可编程序控制器技术国内外发展现状

20世纪70年代美国生产了第一台PLC，该PLC具有良好的使用性能，因而得到世界的公认。它可以做到自动计算的简单控制功能，但因为给方面科学技术水平的不足，其实用功能不达标，还无法投入生产生活。1971年~1973年微处理器被研发出来，微处理器可以实现数据的运算、传送、处理等功能。因为微处理器在各产业的应用使PLC也具有了微处理器的各种功能，PLC正式诞生。

1996年后，PLC已经和各种产业结合，成为其中不可或缺的一部分。因为PLC的广泛应用，对PLC的各种功能都提出了严峻的考验。因为不同产业的生产方式不同，PLC 也应运而生不同的种类，有大、小型机型可供选用，由于工作环境的不同，PLC也根据不同环境开始拓展其功能。目前，在机械制造、煤化工、石油化工、冶金钢铁、汽车制造、轻工业等领域，可编程控制器的应用都得到了长足的发展。

我国从改革开放以来，开始引进、应用、研制、生产可编程控制器。最开始是在引进设备中广泛使用了可编程控制器。接下来PLC在各种生产设备及产品中都被广泛应用。目前，我国已经可以自己研发、生产中小型可编程控制器。例如：上海东屋电气有限公司生产的CF系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列、大连组合机床研究所生产的S系列等。这些产品已具备了一定的规模，并且已经在工业产品中广泛被应用。此外，我国比较著名的PLC生产厂家有无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业。

1.4设计主要内容

变频恒压供水系统是通过PLC可编程控制器对采集的信息进行运算处理，再由变频

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器来控制水泵电机的输出功率控制水泵的输出流量来实现供水管网的压力变化，这样就实现了恒压供水。这种方法可以对供水网压力实时监控，对供水网压力的变化及时做出应对，不仅节约电能，而且可以远程监控，自动化程度高，节约人力物力。

用户对用水的供给需求一般都是要求水压恒定，满足对水量的要求，变频恒压供水系统就可以根据公司管网的压力控制来满足用户对水量的要求。本论文介绍的变频恒压供水系统是通过压力传感器对供水管网的压力进行实时监控，利用PLC可编程控制器的数据处理功能和控制功能，对变频器发出调控指令，通过变频器来控制水泵电机的输出功率，保证用户对水量的需求。

4

第2章恒压供水基本原理

第2章恒压供水基本原理

2.1供水系统简介

因为恒压供水系统中供水管网是封闭的，用户的用水量决定了供水系统的出水量。要对供水网进行监控就需要一个具体的量来判断供水量是否充足。在此我们引入水网压力值来达到我们的目的。本系统是为一个有50住户的小区设计的供水系统，根据用水量来确定了电机的功率和扬程。在此我们引入具体的数据来代表供水系统所设定的压力上限和压力下限，通过供水网水压反馈值与设定值来进行比较来决定水泵电机的输出功率。

2.2恒压供水基本原理

2.2.1恒压供水原理

用户对供水的需求其实就是对供水流量的需求，如果要对供水系统进行控制可以对流量进行控制。根据流体流量和流体压力的关系，用户对用水量的需求其实可以看成用户对水压的需求，由此就可以得到供水需求和供水压力之间的关系：

供水能力Q G>用水需求Q U，压力上升；

供水能力Q G<用水需求Q U，压力下降；

供水能力Q G=用水需求Q U，压力不变。

由此可见，用户用水量发生变化时会导致供水管网中水的压力变化，这就反映出用水量和供水量之间的关系是由流体压力来连接的。因此控制水网压力的变化就可以实现控制管网供水量的变化，所以只要保证供水系统中出水口的水压恒定，就可以保证供水量是否充足，是否满足了用户对供水量的需求。

2.2.2系统结构框图设计

本论文所设计的系统是通过安装在供水管网出水口处的压力传感器来实现数据的采集以及对供水管网的监控，其输出信号为0-10V的电压信号，压力传感器将此电压信号传给可编程控制器PLC，通过PLC调节器对采集数据与系统设定的压力上、下限数据进行比较、计算，将数据传给PLC，通过PLC对变频器下达控制命令，由变频器根据所得命令来控制水泵电机的运行台数以及水泵电机的运行方式。

恒压供水系统的水泵电机选择需要根据用户的用水量来确定。如果靠一台水泵供水，如果功率过小，那么用水量大的时候供水就会严重不足，达不到用户的用水需求，水压需要配功率大的水泵电机，但在用水量小的时候开大功率的电机，就会浪费电能。如果采用多台水泵来实现供水就不会有这种情况发生。对台水泵电机协调工作就可以满足用户对水量的需求。恒压供水的目的是保持供水网压力恒定已达到用户对水量的需求，那么久需要变频器来改变水泵电机的输出，如果每台水泵电机都安装一个变频器，就可以有效的控制水泵电机的输出功率，这样就能很方便的实现公司目的，但这样做的话投入就会很高。如

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果用一台变频器来控制多台水泵电机的输出功率就需要由PLC可编程控制器来实现变频器和水泵之间的切换，即当一台水泵电机不能满足供水需求是，让主泵工频运行，变频器切换到下一台水泵电机并控制器变频运行直到满足用户需求的用水量，这样做就可以大大降低成本。

图2-1 系统结构框图

图2-1为恒压供水系统的结构框图。图中压力传感器是用来对供水管网的水压值进行实时监测，将水网水压数值化，便于观察和计算。通常压力传感器一般都安装在供水网的出水口处。用水量大时，管网水压降低；用水量小时，管网水压升高。压力传感器就将这种变化的水压信号转化为变化的电流或电压信号传给PLC调节器。

PLC调节器具有设定管网水压的功能，接受传感器传输的实际管网水压值、根据给定值与实测值的比较并发出系统信号等功能。调节器的输出信号一般为4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值和给定值与实测值的差值成正比例，用于控制水泵转速。变频器在恒压供水系统中是执行设备。

恒压供水系统的主要控制器选用PLC可编程控制器，利用PLC可以设定给定值的功能，设定供水管网的水压设定值；接受传感器传输的实际管网水压值；根据给所设定的水压设定值与实际测得的水网水压值进行比较，由PLC发出系统信号的综合调节工作；控制水泵的转速和切换。例如：当主泵运行到达最高频时，实际管网水压值还达不到设定管网水压的给定值时，必须增加一台泵投入运行，此时PLC控制系统将主泵切换到工频工作状态，并转换控制其余水泵，让新加入工作的继续进行变频工作。

恒压供水有以下优点：

1. 节能，采用变频器控制水泵机组，可以根据用户的供水需求来改变水泵电机的输出功率。

2. 恒压供水系统占地面积小，设备投入少，升级系统方便，工作效率高。

第2章恒压供水基本原理

3. 自动化程度高，可以及时反映管网水压的变化，并对水网水压变化作出可行的方案。

4. 运行合理，水泵电机一般不会长时间处于满负荷运载，大大延长了水泵电机的使用寿命，减少了维修量和维修费用。

5. 直接从水源处供水，可以有效的避免水的二次污染，而且可以保护水源。

6. 自动化可以有效的利用人力物力，节约成本。

2.3本章小结

用户对供水的需求其实就是对供水流量的需求，如果要对供水系统进行控制，可以对流量进行控制。根据流体流量和流体压力的关系，用户对用水量的需求其实可以看成用户对水压的需求。本章先对变频恒压供水系统的工作原理进行了介绍，然后对供系统式进行设计，最后表达了还是供水系统的优点。

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第3章恒压供水系统设计

3.1变频恒压供水系统主电路图设计

该系统有俩种运行方式及自动控制和手动控制，PLC首先控制一台水泵电机变频启动，水泵出水口的压力传感器监测到实时压力值发送给PLC,并与预先设定的压力值进行比较，然后调节变频器的输出来控制水泵电机的输出功率，来维持供水管网的水压恒定。若到了用水高峰期时，一台水泵全速运行无法达到供水网的预定压力值时及达到系统设定水泵电机的压力上限，PLC控制系统将这台水泵切换到工频工作状态，并控制变频器转换控制其余水泵，让新加入工作的继续进行变频工作，增加供水管网的供水量保证用户对水量的需求。当用水量下降时，PLC控制工频运行的水泵停止运行及供水网压力到达系统设定的压力值时，减少供水量，控制另一台水泵变频运行，达到恒压供水的目的。系统主电路图如图3-1所示：

图3-1 系统主电路图

3.2变频恒压供水系统控制电路设计

控制电路如图3-2所示，电路中共有7个指示灯，分别为Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、

第3章恒压供水系统设计

Q6、Q8，当系统到达稳定时Q8亮，Q4为1号水泵工频指示灯，Q1-Q3是1号水泵变频运行指示灯，Q5、Q6是2号水泵变频运行指示灯。

图3-2系统控制电路图

PLC的I\O地址分配图如表3-1所示：

表3-1I\O地址分配

3.3变频恒压供水系统PLC控制流程图设计

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变频恒压供水系统的核心是PLC 和变频器。PLC 控制系统需要不停监测供水管网和供水站出水口的压力值、判断当前供水网的供水状态、输出信号控制变频器等，来决定是否启动水泵电机，并调节水泵的运行状态。

该变频恒压供水系统的程序流程图如图3-3所示：

图3-3 程序流程图

3.4变频恒压供水系统硬件参数

表3-2 变频器的参数

第3章恒压供水系统设计

表3-3 水泵的参数

此参数是由50个住户每月用水量的多少来选择的。可以根据用户的实际需求来改变水泵和变频器的型号，但一定要保证水泵的功率相加不能超过变频器的输出功率。

3.5本章小结

此系统由压力传感器、变频器、PLC、水泵电机组构成，介绍了变频恒压供水系统的主电路图和控制系统的设计，已经系统的控制流程图的设计，并且介绍了PLC的I\O地震分配以及地址功能。

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电压变化值

所需压力值用户设定压力值管网压力值→???=?→?=-→??

a 500600010

50010

6000

p t X t t t

pa

X 第4章 恒压供水系统软件设计

4.1模拟信号转换

压力传感器量程为3Mpa ，分为6000个刻度，每一刻度为500pa 。假设压力传感器检测电压为X ，由输入和输出模块可知：

输入模块600设定：

图4-1（a ） 输入模块600

第4章恒压供水系统软件设计

输出模块704设定：

图4-1（b）输出模块704

输入模块IC695ALG600和输出模块IC695ALG704可以实现PID调节器的功能，通过模块参数的设定可以实现电压信号和PLC可读取模拟信号之间的转换。

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4.2变频恒压供水系统软件程序说明

图4-2（a）

按下开关SB1，1号水泵开始变频运行（此处用灯来代替水泵变频运行）。用户设定值为3000，这里假设系统检测到为400的信号。

图4-2（b）

此时1号水泵变频运行，变频器输出电压由0hz—20hz逐渐升高。此时Q1信号灯亮。

图4-2（c）

当系统监测到供水管网压力值达到600时，Q2信号灯亮。

图4-2（d）