基于三菱PLC控制的恒压供水系统设计 - 图文 -(2)

1.1 本课题的目的及研究意义

水，是我们生活中必须的自然资源。如今我国大部分地区水严重缺乏，节水已经成为当今国家必须要做的一件事。在我国，饮用水和电能稀缺，长久以来在城市供水、高层住房供水、工业设备生产供水等方面水平一直比较低下，自动化程度低。集中表现在用水高峰期，水的供给量普遍低于使用量，出现管网压力下降，出现供不应求的状况，此时将会造成能源的浪费，同时还会使水管炸裂和用水设备的损坏。据相关统计，风机和泵累负载大概占了我国年总耗电量的80%，这很大程度上与我国工作效率低下、控制方式落后的供水设备有关。相关信息显示，目前水泵的效率不超过60%，大量的能量正在被浪费掉。因此，运用水泵供水节能技术，设计高可靠性、高运行效率的给水系统对于社会发展具有十分重要的现实意义。恒压变频供水系统自20世纪80年代以来，世界各国先后吧它变成工业应用，以显示出其强大的竞争能力。使用该供水系统，可以实现明显的节能效果，从而提高企业经济和社会效益，这在资源日益匮乏的今天显得更加突出。因此，研究恒压供水控制系统，对于提高供水能效，提高人民的生活状况，减少能源消耗，具有十分重大的历史意义。

1.2 恒压供水系统的国内外研究现状

随着科学技术的推进，变频调速技术的日益完备，以PLC来控制变频器调速为核心的现代供水系统代替了曾经的人工控制电机泵组的供水方式。早期，国外生产的变频器频率控制主要功能仅限于起重调速、电机正反转控制、电机启动和制动控制、VVVF比控制和许多保护功能。在恒压供水控制系统的应用中，变频器只作为执行机构。为了达到供水需求不一致大小时，保证管网水压稳定，要求在外部为变频器提供压力控制器和压力继电器，对压力进行闭环控制。

总体上看，我国电力拖动的科研水平和国际先进水平比，仍然差距较大。国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，因此需要大量的从国外进口。所以研究变频调速恒压给水系统在学术界有很重要的意义。

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1.3 恒压供水系统的控制要求

(1)共有3台水泵，按设计要求2台运行，1台备用，运行与备用10天轮换一次； (2)用水高峰时，1台工频全速运行，1台变频运行；低谷时，只需1台变频运行； (3)3台水泵分别由电动机M1、M2、M3拖动,而3台电动机又分别由变频接触器KM1、KM3、KM5和工频接触器KM2、KM4、KM6控制如图1-1所示:

图1-1 主电路原理图

(4)电动机的转速由变频器的七段调速来控制，七段速度与变频器的控制端子的对应关系如表1-1所示：

表1-1 七段速度与变频器的控制端子的对应关系

速度 接点 接点 接点 Hz 1 RH 15 2 RM 20 3 RL 25 4 RM RL 30 5 RH RL 35 6 RH RM 40 7 RH RM RL 45 (5)变频器的七段速度及变频运行与工频运行的转换由水管压力继电器的压力上下限触点控制；

(6)水泵投入工频运行时，电动机的过载由热继电器保障，并有报警信号提示； (7)变频器的有关参数自行设定；

(8)实验时KM1、KM3、KM5并联接变频器与电动机，KM2、KM4、KM6用指示灯代替；压力继电器的压力上限接点与下限接点分别用按钮来代替；运行与备用10天轮换一次改为30s轮换一次。

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第二章 恒压供水控制系统方案论证

2.1 恒压供水控制系统分析

社会发展到现在，水的品质越来越高，供水的方式也越来越节能和高效。如今，常见的供水方式有高位水箱供水、气压水罐供水（无塔供水）和变频供水三种。首先，高位水箱供水方式受到水泵的扬程和楼层的高度的影响，顶层的住户会出现水压不足的现象，因此此方式有严重的不足之处，故已经逐渐被淘汰。对于第二种无塔供水方式，它可以不受楼层高度影响，对各层用户都实现恒压供水，相对于第一种供水方式，已经有很大的提高，但其也有缺点，其系统必须在变压状态下工作，要保持一定的“绝压比”，因此耗能较大。对于第三种恒压变频供水方式，它消除了水泵的富裕扬程以节省能耗，还充分利用了城市管网的余压，更加拥有节能的功效。

2.2 恒压供水控制方案比较

（1）数字逻辑电路控制方式

这类控制电路难以完成水泵机组全部软启动、全流量变频调整，往往采用一台电机稳定于变频运行，其余电机均为工频状况的形式。因此，控制精度不够、电机泵组切换时水压波动大、调试较繁琐、工频电机起动时有冲击、抗干扰能力差，但其价格低廉。

（2）单片机控制方式

这类控制方式比逻辑电路先进一些，但在应付不同水管、不同供水形式时，调试较复杂；附加功能时往往要对电路进行更改，浪费时间且不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是特别好。

（3）继电器控制方式

继电器是指当输入量或激励量，达到某些特定的状态时，能在一个或多个电器输出电路中产生突变的一种器件 。如今继电器已使用在日常及工业控制的各个领域，他们比以往的控制方式具有更高的可靠性。但是，这也随之带来了一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期消耗和疲劳工作条件下发生的，容易损坏。在满载运行的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也使用了巨额的电能。并且继电器控制系统必须是人工接线、装配，如果有简单的变化，也需要花费巨额时间及人力和金钱去修正、安装和调试。用继电器控制的电泵现在显然不能满足高要求，一旦报废，将很难维修。

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（4）采用PLC来控制

PLC是一种为“工业环境”下而专门设计出来的计算机，它采用了严格的制造工艺，能够防粉尘、防噪声，并且在强烈的空间磁场干扰下或者变化剧烈的环境温度下仍然能够稳定正常工作，故其具有非常大的运行可靠性。例如日本三菱设备公司制造的F系列PLC平均可靠运行时间高达30万小时。同时相对于以为的单片机工业控制系统中，使用PLC控制具有更大的灵活性，并且控制功能完善，安装接线简单等诸多特点，在工业控制中取得了非常广泛的应用。从PLC的外部接线来说，使用PLC组成的恒压供水控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到非常小的地步，发生故障的情况也就大大减少[10]。

2.3 供水方式与控制方案的选择

因为另外两种供水方式较第三种方式有明显的不足之处，因此，此课题选用“恒压变频”的方式来进行设计。

本课题的恒压供水控制系统应根据供水过程中的各种控制信号和当时的运行状态，根据省时、高效的原则，自动进行综合分析，确定下一个工作状态。为此，控制系统要求共有3台水泵，要求2台运行，1台备用，运行与备用10天轮换一次；用水高峰时，1台工频全速运行，1台变频运行；用水低谷时，只需1台变频运行；

主控运行过程是，恒压供水的PLC控制系统启动，第一个周期内1#电机工频运行，2#电机变频运行，3#电机备用。PLC根据水压上下限触点的导通情况，来实现变频电机的7段速度的选择，每当水压下限来临，变频器的频率输出增加，直至工频电机与变频电机满负载运行。当第二个周期来临，2#电机工频运行，3#电机变频运行，1#备用，工作状态同上；以此类推，第三个周期3#电机工频运行，1#电机变频运行，2#备用。三个状态的完成，周期为1个月，下一个月来临时，重复上述步骤。

根据上述过程，我们在此时选择第4种方案—采用PLC来控制。PLC控制方式比其他三种控制方式更加稳定可靠，价格便宜，结构简单，且可根据实际情况轻松的改变PLC的程序。因此，我们选择以PLC为控制器的方案来实现此课题。

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第三章 恒压供水控制系统的硬件设计

3.1 恒压供水控制系统设备选型

3.1.1 PLC机型的选择

由控制要求可知，本设计共有7个输入点、11个输出点，I/O实际需18点。为今后工艺改进与功能扩充留有余地，在实际统计I/O点数基础上，一般加10-20％余量，再考虑PLC产品本身规格[1]，选择FX2N-48MR-001型PLC，其I/O总点数为48点，即输入与输出各有24个接点，与其它PLC的比较，三菱PLC编程直观易懂，学习起来轻松，并且其指令集丰富，并且相对于其他的PLC产品，三菱的产品价格有一定的优势，故选用此型号的PLC控制器[2]。三菱FX2N-48MR型PLC实物图如图3-1所示。

图3-1 FX2N--48MR型PLC实物图

3.1.2 变频器机型的选择

在交流异步电动机的诸多变速方式中，变频调速的性能优异，调速范围广，静态稳定性优异，运行效率高；使用通用变频器对笼型异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高，并且经济效益显著，得到了大量的推广[3]。变频器选择中，应按电动机的额定功率及额定电流、额定电压综合考虑，合理选择变频器的参数，与用电设备配套。

由于变频器产生的高阶级波动的影响，对补偿电容的影响较大，在选择电容器时需选择带电抗器的电容器，最好使用带消谐装置的电容器组[8]。恒压供水系统控制的参数

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