三泵恒压供水系统毕业设计

摘要
本设计介绍了恒压供水系统的控制策略，分析了典型的恒压供水系统控制方案,阐述了应用该恒压供水系统的经济效益。

本次设计是通过管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和三台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态，经过精心设计与反复调试，设计出一套自动化程度高，测量准确，操作简单，适用范围广，界面丰富的三泵恒压供水系统。

关键词：恒压供水变频器可编程控制器
引言
生活及生产都离不开水，当水源离用水场所较远，而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要有一定水压的，水压高才能将水输送到远处或较高的楼层，生产水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高，传统的维持水压的方法是建造水塔，但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。

那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是：用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节，这就是恒压供水的基本思路。

这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但是今天办到这一点以变化得很容易了，交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。

恒压供水系统由动力系统和控制系统两部分组成，传统的电气控制系统采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，正逐渐被淘汰，目前恒压供水设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低，维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。

控制系统进行下列运作：根据水的压力判定工作泵的个数和变频器的频率,保证用户的用
水压力。

我们利用PLC，配以传感器，根据网管的压力，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。

这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，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很多，结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。

进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。

作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。

目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频调速技术，而系统的控制单元多采用PLC，因PLC 不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID 调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，与触摸屏计算机联网可完成系统运行工况现场的动态画面显示、多种故障报警模式及报表打印等功能。

现在先进的PLC大多具有标准的工业快速网络通讯接口，可做为智能控制终端与供水系统的上位管理或控制计算机进行实时通讯上传系统所有数据，这样就为系统使用方针对系统的优化控制和管控一体化预留了很大的技术空间，也为供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

结束语 (49)
第1章绪论
1.1系统的功能特点及发展的意义
恒压供水控制系统采用变频调速技术和先进的智能供水控制逻辑，在用水量变化的过程始终保持管网压力的恒定，并能最大限度的节水节电。

恒压供水控制系统一般采用的水泵专用变频器。

此变频器是一个非常成熟的产品，系统简单可靠，没有非常复杂的中间连线，连接线大大减少，所有的供水控制程序和变频调速程序全部由高速DSP完成，变频器的调速过程完全是按照供水的压力反馈自动完成的，达到了空前的协调和统一，稳定性可靠性经过严格的系统测试并经过无数应用的检验。

本系统能自动调节水泵的转速和运行台数，使供水管网的压力保持设定的压力和所需流量，从而达到提高供水品质和高效节能的目的。

本系统可取代高水位水箱、水塔等设施及阀门调节等措施，提高供水自动化程度及居民饮用水质量，防止二次污染，是一种理想的现代化供水设备。

特点
（1）高效节能
按需求设定压力，根据用水量的变化来调节电机泵的转速和水泵运行台数，使设备变流量变压或变流量恒压供水，使设备运行在高效节能的最佳状态，达到真正节能的目的。

（2）供水压力稳定
系统实现闭环控制，能自动调节设定压力和系统反馈压力的差值，使压力保持恒定。

（3）操作稳定
设定压力直接由变频器键盘进行设置，操作极为简单。

（4）泵循环启动
各泵循环启动，水泵不会因长久不用而生锈或使用频繁而磨损。

（5）完善的保护功能
具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护，水泵运行如有故障，自动停止工作并报警输出；系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动备用泵等功能。

（6）小流量睡眠功能
可配接附属小泵，使系统运行在夜间或其它小流量情况下，自动关闭主泵，开启附属小泵，从而避免因开大功率水泵而造成的浪费。

（7）备有手动开关控制，可以保证设备的安全连续运行。

（8）通过串行口能和计算机联接，实现计算机联网直径控制。

（9）唯一带有实时时钟的变频器，在不同的时间段内可按不同的压力运行，定时启、停，最大限度的节水节电。

（10）水池低水位报警停机、水位恢复时自动开机、水池高水位报警
适用范围
（1）城乡居民生活小区、高层建筑、军事设施、院校、宾馆、饭店及较大型建筑生活供水及消防用水。

（2）各类型的水厂泵站、增压泵站，输油管道系统。

（3）热水供应、采暖、空调、通风的供水系统。

（4）油田输油管道、油库、泵站、油港恒压输油系统
（5）老式供水系统、旧泵房改造改造。

（6）污水泵站、污水处理中的污水提升。

（7）工业锅炉补水系统。

（8）农业排灌、喷灌及音乐喷泉等。

（9）工业用水：特别适合要求恒定的生产流程用水（循环水、冷却水等）。

（10）深井泵房升压供水。

1.2本次课题设计的目的及要求
（1）恒压供水的控制目的
设计一三泵恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和三台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

（2）恒压供水的控制要求
首先 , 系统通过供水管网压力继电器的压力上限接点与压力下限接点的变化获得输入信号传入到 PLC 的输入端 , 进行程序运算后 , 将得到的输出信号去控制变频器的 RL 、 RM 、 RH 及 STF 、 STR 、 SD 等端子的通与断 , 产生七段变频调速信号去控制每台电机的运行。

这样系统就能根据工厂的用水情况 , 通过 PLC 与变频器的调节 , 达到恒压供水的目的。

如图1所示
图表 1 题目：恒压供水系统原理图其具体控制要求如下:
(1) 共有 3 台水泵 , 按设计要求 , 系统工作时 2 台运行 ,1 台备用 , 运行与备用的电机每 10 天轮换一次 ,如图2所示
图表 2 题目：恒压供水系统原理图
(2) 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。

(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 、 KM2 、 KM3 和工频接触器 KM4、 KM5、KM6 控制。

(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下表 :
表1-1七段速度与变频器的控制端子的对应关系
(5) 变频器的七段速度及变频的切换由供水管网压力继电器的压力上限开关与下限开关控制。

其七段速的切换如图 4所示
图表 3 七段速的切换
(6) 水泵投入工频运行时 , 电动机的过载由热继电器保护 , 并有报警信号指示。

1.3 本次课题设计所用的器材
三菱PLC FR-A700，压力传感器，可编程控制器(PLC)，水泵，3台三菱通用变频器FR-A700，3台三相交流异步电动机，导线若干。

第2章硬件系统
2.1 恒压供水系统的工作原理
图表 4 恒压供水系统的工作原理系统是由三台水泵进行供水 , 它分别由电动机 M1 、M2 、 M3 进行拖动。

而三台电动机又分别由三个变频器接触器 KM1 、 KM2 、 KM3 和三个工频接触器 KM4、 KM5、 KM6
控制 , 如图5。

每一台电动机都是先变频低速启动 , 然后根据供水的需要 , 由低速向高速逐渐增高。

当到达最高速时 , 若供水量还是不足 , 则转变成工频全速运行。

变频器工作的七段速度的转换及变频与工频的切换 , 由供水管网压力继电器的上限压力开关与下限压力开关控制。

工作过程：
启动程序流程图模拟调节图
(1) 初始状态。

步进定时器、计数器的自动复位 , 供水管网压力继电器的压力上、下限接点开关自动检测水压状态 , 以确定水的压力情况。

(2) 启动操作。

按下启动按钮 X0, 系统进入步进工作的初始状态。

根据自动检测的压力上、下限的状态 , 选择水泵电机的运行速度。

当压力下限接点 SQ1 闭合 , 表示水压不够 , 水泵电机要加大运行速度。

如果运行到变频的最高速时 , 水压还是不够 , 则水泵电机自动由变频转到工频运行 , 以最高速抽水。

同时 , 启动另一台电机变频运行 , 这样用水高峰时就有两台水泵同时运行抽水。

当达到水压上限时 , 压力上限接点 SQ2 闭合 , 两台水泵电机中 , 变频运行的水泵自动停止 , 工频运行的水泵自动转为七段速变频运行。

水泵由高速向低速转换运行 , 直到水压平衡时 , 电机由变速转为恒速运行。

(3) 停止操作 : 在任何时候按下停止按钮 SB1, 水泵电机、定时器、步进程序全部复位归零 , 回到初始状态。

所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。

同时，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，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。

以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。

这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。

而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。

故障处理
（1）故障报警
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。

此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

（2）水泵检修
为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功
能（硬件备用），可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行；为了使水泵进行轮休，系统还设有软件备用功能（钟控功能，由时间控制器实现），工作泵与备用N泵具有周期定时切换功能，周期间隔由时间控制器设定：1小时每次～96小时每次连续可调。

2.2三菱PLC的介绍
2.2.1三菱PLC的工作原理
FX2N系列可编程控制器是日本三菱公司近几年研究生产的主要机型之一，它功能强大，故障率底，能用三种不同方法对其编程，程序之间可相互转换。

内置高速计数器能进行数千赫兹计数，该器件性能稳定易于使用，用于自动化控制时不需要太多的外围设备，并且能对编写的程序进行加密。

1 可编程控制器的特点
可编程控制器简称PLC ,是为替代继电器--接触器系统而研制的。

由于引进计算机技术，它的功能在许多方面已远远超过继电器--接触器系统的范围。

主要有日本的欧姆龙.三菱.德国的西门子等许多国家的品牌。

现许多机床、纺织设备以及生产线都采用PLC技术。

它仍保留着继-接系统某
些原有的特点，同时又表现出它许多独特的优点：由于采取了屏蔽和光电隔离等一系列抗干扰措施，使其具有更高的可靠性和较长的适应寿命，并且本身具有完善的自诊断功能，使检查判断故障迅速方便，有助于对故障的快快速修复。

硬件虽然和计算机基本相同，但使应的语言却完全不同。

可编程控制器采用梯形图和指令表编程，方便易学，就连不懂计算机的人也能很快掌握。

需要改变流程时，在生产过程中可以现场改变程序，便于编程。

它不但具有强大的功能，而且具有良好的通用性，数据处理速度快、控制精度高，不仅有逻辑运算、定时、计数等顺控功能，也能完成数字运算、数据处理、模拟量控制。

既可构成分布式控制系统，也可构成集中式控制系统。

它体积小、重量轻、功耗底、环境适用性强，能在高温、震动大等恶劣环境下正常工作，是实现机电一体化较理想的设备，是工业自动控制系统不可缺少的一部分。

下面简要介绍三菱fx2n系列可编程控制器的组成及应用。

2 三菱可编程控制器硬件组成
传统的继--接系统是由三个部分组成，其输入部分是有外部的各种开关和按扭，逻辑部分有若干懂得继电器和其触点组成有一定控制功能的电路，输出部分是各种执行元件，如线圈电磁阀指示灯。

根据被控制对象发出的开关信息，逻
辑电路就按规定的动作要求，判断该做什么动作驱动执行电器。

它最大的缺点是：它按固定方式接线，不能灵活更改动作程序。

和传统的继--接装置相似，三菱可编程控制器也具有输入、输出、逻辑控制部分。

输入部分采用光电隔离的光电偶合器件，经过隔离，使外部控制和PLC接口电路实现真正意义上的电隔离，故互不影响工作点。

逻辑部分采应大规模集成电路（CPU）和存储器（ROM,RAM),通过对程序的编写和更改能随心所欲地控制设备的工作状态，相当于在继--接电路中更改控制电路的连线，但要比更改连线要简单得多。

(1) 主机部分：fx2n--16三菱PLC输入输出接口采应螺钉压接，上边为交流电源供电端和机内输出+24伏电源。

com 接口和输入接口。

输入接口，符号X,编号为X1--X7,以八进制数分配，输出部分符号为Y,分配编号为Y0--Y7,也以八进制数分配。

左下角防护盖内有九针编程电缆插口，用来编写程序时使用。

旁边的开关是停止/运行开关。

当把开关置于ON时,PLC 内部程序可以运行，当置于OFF时，停止程序运行，任何一路都无输出。

不管输入的信号如何，也绝不会动作。

和输入输出接点对应的有红色的法光二极管(LED)指示，指示输入输出信号状态，当该路有指示时，表明该路有信号输入或输出。

右边纵向发光管分别是电源(power)。

电池(batt.3.6v)电压。

程序(prog-err)错误指示.当电池电压底
于一定值时，该灯点亮表示电池电量不足，应及时更换电池。

当PLC内部损坏或由于某种原因导致程序混乱或消失时prog-err点亮。

在输入接口中，PLC自身提供给输入接点DC+24V电源供输入接点接收外部信号。

其交流电源使用范围极宽，从85--264V皆能正常工作。

(2) 输入输出组件：与被控设备相连接，是借助输入输出接口来完成工作的。

它接收外部的开关信号和传感器信号，通过内部输入组件的光偶驱动内部电路接通或断开，每一个输入电路可以看成一个输入继电器，再经过和程序配合执行，控制输出级的通断，接通或断开外部负载。

在三菱fx2n 系列里输出方式有三种可供选择：1.FX2N--xxMT 2.FX2N--xxMR 3.FX2N--xxMS. MT为晶体三极管输出主要用于支流负载， MR为继电器输出，可用于交流性负载也可用于直流负载， MS为可控硅输出可用于直流负载可用于交流负载，但一般用于交流，每一个输出输入接点都对应于面板，并有相应指示，xx代表输入/输出点数。

输入输出为1/1，如16MT为8输入8输出三极管型，64mR为32入/32出继电器型，使用时，可根据生产中实际情况灵活选用。

(3) 逻辑控制部分：有微处理器和存储器组成。

微处理器即CPU,它是可编程控制器的神经中枢，是PLC的核心元件，接收并存储从编程器送来的用户程序和数据，运行时接收现场的输入状态，用扫描方式运行并将数据存入存储器或
寄存器诊断电源及电路工作状态以及编程的语法错误，并及时给予提示，从存储器中逐条读取用户程序,按照指令规定的任务产生相应的控制信号，启动和关闭输出状态，分时分渠执行数据的存取。

传送比较动作，完成程序中规定的运算任务，实现输出控制功能。

存储器分系统存储器和用户存储器，系统存储器在设备出厂时就以被固化在内部，不能由用户直接读取。

用户存储器存储用户编制的梯形图或指令，后备锂电池就是为用户程序而设计的。

如果没有后备电池，设备停电后，用户程序就会消失。

有了后备电池，即使停电也不会因为存储器失电而丢失程序。

保存到直至用户改变为止。

因此，CPU的自检功能指示，能及时告诉用户及时更换电池以免丢失程序。

2.2.2三菱FX2N PLC内部软元件及其编号
三菱可编程控制器内部有很多软元件常用的主要有以下几种：
(1) 输入继电器：专门用于接收外部开关及按扭或传感器发送的信号，它与PLC的输入端相接。

每个输入端都有本身提供的+24V电源，一旦接在某一输入端的外部信号与公共端接通或断开，相应的输入继电器立即投入运行工作，它提供无数的常开和常闭触点，供编程时使用，软件编号，以不
同型号的点数不同而不同，再系列中，输入点数=输出点数=1/2总点数。

(2) 输出继电器：将PLC输出的信号传递给外部负载，并有一定的负载能力。

（MR系列为2000mA 、MS 系列为500mA 、 MT系列为500mA）。

通过输出接线端与被控制负载连接，根据被控对象的外加电压，且输入信号满足某种要求时，输出继电器动作，控制负载开停。

符号Y，和输入继电器一样可提供无数的常开常闭触点。

以不同PLC点数不同而有不同。

再梯形图中，它相当于继--接电路中的中间继电器。

(3) 定时器与计数器:FX2N内部有多种定时器供用户选择。

主要有100ms、10ms和1ms三种.符号，编号T0--T199。

当程序中定时设置到达时，输出继电器动作，带动外部负载断开或闭合。

在编制梯形图和程序时，后面必须加有常数K，以十进制表示定时时间。

如果K=100，选用100ms 定时器时，则定时时间为10s；计数器符号为C,从C0--C234共235点，也要加有十进制常数K。

(4) 内部辅助继电器：内部有许多辅助继电器，符号它有无数的常开和常闭触点，再编程时可随意使用。

它不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动是由输出继电器来完成的。

另外，其内部还有供停电保持用的辅助继电器和积算型定时器计数器用于电路控制时不经常应用。

2.2.3PLC的梯形图与常用指令
继--接电路以被广大电器工作人员所熟悉，梯形图就是继--接电路的延伸，是由继--接电路演变而来的。

程序的编写主要有两种编写方法：梯形图和指令表。

(1) 梯形图：它形象直观，是继--接电路的延伸，也是编程的主要方法之一。

工作方式不同：继--接电路中，电路接通时，线路中各电器都处于受约束状态，该吸合的即吸合，不吸合的都有于某种条件限制不能吸合。

在PLC梯形图中，各软件都处于周期性循环扫描状态而且继--接电路继电器触点数量有限，梯形图中每只软继电器数量不受限制可以随意调用。

(2) 指令表：FX2N系列PLC编程指令最多可达8000条，以满足各个生产环节中的需要。

用图1说明指令的编写方法：（指令表见附页）。

程序由若干行组成，每一行就是一条指令，每条指令可让PLC执行某方面的操作功能，每条指令由三部分组成，第一部分为指令序号，第二部分为指令助记符，它规定执行某一特定的操作，执行输出继电器的开关状态和设计功能，第三部分为数据，指明各软件的编号和设置。

LD：指的是程序设计中常开触点的输入。

如输入接点X0
闭合，则 PLC程序开始运行输出接点Y0输出控制信号，控制外部继电器接通电机电源，电机按星型启动，原理同继--接电路。

LDI:是程序中常闭触点的输入，如输入接点X1断开，则程序停止运行。

输出继电器Y0停止输出。

LD、 LDI 都接在梯形图的母线上。

AND:用于常开触点的串联，而常闭触点串联用 ANI 指令。

串并联触点在梯形图中的数量不受限制可多次重复使用。

OR指令为并联连接的常开触点，ORI为常闭触点的并联连接。

ANB：在并联电路指令后面用，作为串联电路的结束，但分支电路的起点要用LD或LDI指令。

若多个并联电路指令按顺序和前边的电路串联连接时，ANB指令可无限次使用。

另外，还有许多指令如空循环指令NOP.结束指令END.复位指令RST等。

设计程序时的注意事项
PLC的设计以继--接电路为基础，以生产过程中的控制要求和现场信号，结合实际情况，确定控制系统的控制过程和功能，确定使用类型和点数，正确选用。

避免造成浪费，FX2N 输入/输出每多一点，价格价格便会高出人民币500元左右。

画出梯形图，也可用程序指令清单。

在三菱指令表和梯形图之间它们可以相互转换，将所有输入信号列表，按。