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恒压供水毕业设计开题报告（有3篇）.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.09M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    电信学院毕业设计开题报告 姓 名 姚金凤 专业 06230620 指导教师 学 号 题 目 电气工程及其 自动化 刘梅 班级 电气 6 班 题目类型 工程设计 变频恒压供水控制系统设计 一、选题背景及依据（简述题目的技术背景和设计依据，说明选题目的、意义，列出主 要参考文献） （一）技术背景和设计依据 传统的高塔供水系统受到地理位置的限制，无法满足恒压，节能，安全，可靠等功 能。采用变频调速供水系统，克服了传统高塔供水系统的缺点。小区变频恒压供水系统 由水池，离心泵，压力传感器，PID调节区，变频器，可编程控制器PLC，管网组成。恒 压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成 控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力 的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标 是泵站总管的出水压力稳定在设定的压力值上。 随着我国城市建设的发展，高层建筑不断增多，许多用户由于供水压力不能保证而 影响正常的生产和生活，传统的供水方式已远远不能满足人民现代化生活的需要。传统 供水方式主要有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等。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；水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合 理、短时间维修或停电可不停水等优点，但受到地理位置的限制，在整个建筑的设计结 构上要考虑顶层水箱压力，建筑物的地基和承受墙都要加强，既增加了建筑成本又占用 了较大空间，且水箱易对水造成二次污染，需要定期清理，消毒，周期性的维护投入较 大，供水质量部高，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器， 目前主要应用于高层建筑；气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点， 但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工 作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵工作在低效段，同 时出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。基于上述传统供水的缺点 和要求，本设计设计一变频恒压供水控制系统，实现系统供水压力稳定而流量可在大范 围内连续变化，保证用户任何时候的用水压力，不会出现用水高峰期水管压力太小的情 况。真正做到智能，节能，卫生安全而又经济合理的供水方式。 （二）选题目的及意义 传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点， 难以适应当前经济生活的需要。目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展。随 着控制技术的不断进步，变频器得到广泛的应用，采用变频调速供水系统克服了种种传 统供水的缺点。日常生活用水随季节，昼夜，上下班的时间变化而并变化，供水不足或 供水过剩的情况时有发生。用水和供水之间的平衡主要表现在水压上，用水多时供水少 则压力低，用水少时公说多则压力大。需要维持供水的压力稳定，可使用水和供水之间
    平衡，进而提高用水的质量，保证用水正常且节约水。因此开发设计变频调速恒压供水 系统，越来越受到人们的重视和青睐。 变频调速技术快速发展，人们的节能意识不断增强，变频恒压供水控制系统的节能 特性使其越来越广泛应用于工厂，住宅，高层建筑的生活或消防系统中。 变频调速恒压供水系统以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行 业的技术装备水平从20世纪90年经历了一次质的飞跃，变频恒压供水系统实现水泵电机 无级变速，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，达到维持恒定供水压力的目的， 使其成为先进合理的节能型供水装置，并在实际应用中得到了很大的发展和推广。它具 有投资少．自动化程度高，保护功能齐全，运行可靠，操作简便，节水节电效果显著， 尤其对水质不构成二次污染，其优异的性能价格比，是其他任何供水设备无法比拟的。 随着自动控制和电力电子技术的飞速发展，智能型控制器件和变频装置的功能也越 来越强，充分利用各种先进技术，合理设计变频恒压供水设备，对降低成本、节约能源、 提高供用水质量有着非常重要的意义。 （三）参考文献： [1]曲丽萍.楼宇自动化系统[M],中国电力出版社,2002； [2]钟肇新.可编程序控制器原理及应用[M],华南理工大学出版社,2002； [3]王常力,罗安主.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M],电子工业出版 社,2004； [4]周万珍,高鸿斌.PLC分析与设计应用[M],电子工业出版社,2004； [5]MGCS5.5软件手册； [6]研华工控机手册； [7]ABB变频器操作手册； [8]西门子PLC手册； [9]IEC.International Standard1131:Programmable Logic Controllers,Part3； Languagues [10]G.Frey and L.Litz,Formal methods in PLC programming.In proceedings of the IEEE Conference on Systems Man and Cybernetics,pp2431-2435,2000 [11]http://www.gongkong.com 二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案 及工作流程 （一）毕业设计的主要内容 1、本设计主要是设计一个变频恒压供水控制系统系统中结合微机技术，变频技术 和电机控制技术。掌握水利工程对控制，通信等的需求，提出综合自动化系统方案；了 解供水系统的运行工艺情况，设计恒压供水控制系统的硬件电路，研究恒压变频供水的 控制方法，进行相应的软件设计以及设备选型，完成系统监控调试，实现对系统的高性 能控制；解决如何选择变频恒压供水控制方式，如何用变频器构成恒压供水系统及其工 作原理，完成可编程逻辑控制器及变频器的选型，对 PID 调节器进行参数整定，完成 PLC 的编程，并进行计算机仿真与调试。 重点内容完成各控制单元的单独控制编程实现，技术难点是 PID 控制输入信号来控
    制变频器的频率输出以及 PLC 的编程。 通过本课题的研究提出适合一般的工业控制领域的恒压供水控制系统并进行推广， 最终完成完整的程序编程，写出毕业设计说明书。 2、设计实现的主要功能 （1）配水中心的上位机由工控机组成，上位机具有：整个供水系统的工艺流程图； 现实管道压力变化曲线，泵的运行状况（开或关）信号；生成并打印用户所需的报表。 实现供水系统的优化调度，达到节约能源和降低设备损耗的目的；提供全方位的报警功 能，可在多种画面中以直观方式通知调度人员系统发生异常；实现供水系统的实时控制 和手动遥控功能以及对泵站控制器的参数远程设置。 （2）各水泵的一用一备运行方式的自动控制，本地手动控制的选择和控制；各台 水泵的安全启动控制，泵出口蝶阀控制；故障报警功能。 （3）能自动 24 小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压 力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。 （4）启动平滑，减少电机水泵的冲击，避免传统供水中的水锤效应。 （5）采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠。恒压供水系统具备了过流，过 压，欠压，欠相，短路保护，瞬时停电保护，过载，失速保护等功能，功能完善，完全 自动化，泵房不设岗位，只需派人定时检查保养。 （二）设计思想 本设计的主要控制目标是泵站总管的出水压力稳定在设定的压力值上。本设计系统 主要采用压力变送器时刻反映出水口压力的大小，反馈到由PLC与变频器组成的控制系 统，利用控制系统进行优化控制泵组的调速运行，自动调整泵的运行状态和台数，完成 供水压力的闭环控制，在用水变化时达到稳定供水压力和节约能源的目的。 （三）解决的关键问题 变频恒压供水系统的核心是利用变频器对供水系统的水泵进行变频控制，使供水水 泵尽量工作在最佳效率状态，使压力维持恒定；利用控制器 PLC 实现系统的完全自动化 控制。在此系统设计中所要解决的问题： 1、结合微机技术、变频技术与电机控制技术实现供水系统的综合自动化，尤其是 在 PLC 和工控机之间的通讯问题； 2、深井泵和 1 号泵、2 号加压泵的布局分配问题； 3、在水泵的选型和计算上也有部分问题。 在过去的学习中，比较系统的学习了电气工程及其自动化专业知识，主要由电器控 制及其 PLC 控制，计算机控制技术等。同时对学习 PLC 有一定的编程基础，参加过 PLC 的课程设计和实验线路布局安装等，学校有专门的 PLC 实验室，为我们的学习和实践提 供了良好的环境。现在主要选用 S7-200PLC，利用它完成现场调试。S7-200PLC 主要是 针对小型系统，可以通过阅读学习用户手册，产品说明等资料来完成学习。学校的图书 馆及中国期刊，中国知网，万方数据库资源查询相关资料，此外有指导老师给我进行悉 心指导，相信设计会如期完成。
    （四）拟采用的技术方案 设计方案：根据给定的主要参数和技术指标以及所要求的条件，决定采用系统由上 位工控机机，可编程控制器PLC和变频器组成的变频恒压供水控制系统。 本设计变频供水控制系统主要由可编程控制器S7-200系列PLC，变频器（ABB），压 力传感器，水池，泵组和管网等组成。系统框图如下： 工控机 PLC 变频器 水泵机组 设定压力 压力变送器 供水总管网 用 户 系统采用一台变频器控制两台水泵的工作方式，二台水泵均可在变频方式/工频方 式下工作，中心控制器为PLC可编程控制器。该小区有变频运行的1号泵一台，4台工频 运行的深井泵，外有一台2号加压泵。该系统的控制原理是：供水系统中，先由四台深 井泵对水池进行供水，再由变频泵和加压泵通过管网向用户供水，通过安装在管网出口 的压力传感器检测出水压力，把出口压力信号编程4-20mA标准信号经模拟输入输出模块 送入可编程控制器，经可编程控制器内部PID调节器运算后与给定的压力进行比较，得 出一比较参数，输送给变频器一个频率控制信号，由变频器控制电机的转速进而改变泵 的转速，调节系统的供水量，使供水管网上的压力维持恒定，当用水量超过一台泵的供 水量时，通过PLC控制切换进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及 变频器对水泵的调速，实现闭环恒压供水。PLC可编程控制器通过通信模块和上位工控 机组成实时数据采集和监控系统，可实现实时观察供水泵和深井泵的运行情况，达到远 程控制。 两台变频水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器和软启动器来控制， 实现软启动，四台工频运行的深井泵通过软启动器软启动，这样使电机启动平滑，避免 启动电流给水泵电机带来很大的冲击，同时也避免了传统供水中的水锤效应，相对延长 了电机的使用寿命。 调试是整个系统设计的最后一步，也是整个系统是否成功的最关键的检测部分。它 可以证明整个设计系统是否满足要求、是否完成了设计的要求，决定其是否可以投入运 行。它的设计主要包括三部分：硬件调试、软件调试以及软硬件联调。 硬件调试检测整个硬件设计是否完好，软件调试检测整个软件是否满足设计的要 求，软硬件联调检测整个系统的软硬件是否结合完好。若设计的系统均通过以上的三个 调试，则表明其设计完成可以投入运行了。若至少有一个环节为通过，则需要重新进行 修改设计甚至重新设计，直至通过调试为止。 实际上，完成硬件、软件、调试三部分只是完成了设计的绝大多数任务，在实际的 运行中还要在现场进行调试，甚至还包括机器的维护和维修等。
    三、毕业设计（论文）工作进度安排 具体的设计工作步骤详述如下： 第 1,2 周：明确设计任务及要求，调查研究，搜集设计所需资料，了解本设计相关 信息，存在问题及实际意义，拟定课题研究和设计工作方案，做好开题报告，掌握资料 查阅方法。 第 3,4 周：初步确定设计的基本思路以及进步安排,确定自已的硬件总体设计方案。 第 5,6 周:熟悉软件,设计系统控制电路,完成主要设备选型;编写相应的流程图。 第 7,8,9 周:编写个功能模块的程序计算机仿真调试,并完善功能。 第 10 周:画硬件框图,系统原理图及软件流程图。 第 11,12 周:完成毕业设计论文编写及装订,准备答辩。 指 导 教 师 意 见 院 系 毕 业 设 计 领 导 小 组 审 核 意 见 、 系主任___________ 日 年 月 指导教师签字___________ 日 年 月 教学院长___________ 日 年 月
    毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所 查阅的文献资料，每人撰写 2500 字以上的文献综述，文 后应列出所查阅的文献资料。 变频恒压供水系统概述 一、引言 众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特 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。主要表现在用 水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低 峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能 量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。 变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了具有明显的节能效 果外，还具有操作方便、容易、维护量小的特点，变频器的软启动功能也减少了对电 网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。总之，采用变 频恒压供水系统是一种技术先进、经济实用的选择。 二、变频恒压供水系统 随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系 统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑 的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用 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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频 器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着 重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论 是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具
    有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠 性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准 化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划 要求的必然趋势。 我们知道水流量 Q 与水泵电机的转速成正比，而压力与转速的平方成正比。变频 器的升降速率随时间是线性变化的，对以水压为参变量的闭环控制供水系统，若变频 器速度随时间的曲线变化，则水压变化与升降速时间是线性关系，这样有利于系统的 稳定。根据供水系统情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范 围控制在 0～50Hz.在此范围内水泵运行频率和定子相电压成正比，即与变频器输人频 率成正比。恒压供水就是利用变频器的 PID 实现的工业过程的闭环控制。将管网压力 信号(4～20mA)直接输入到变频器中，由变频器与用户设定的压力值进行比较，并通过 变频器内置 PID 运算，将结果转换为频率调节信号，调整水泵电机的电源颇率，从而 实现控制水泵转速。当用水量超过一台泵的供水量时，通过 PLC 控制切换器进行加泵， 实现恒压供水。 三、变频恒压供水系统的设计与实现 系统以 3 台水泵变频恒压运行，以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心 部件，以设定压力为控制目标，以 PID 为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。 系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行 PID 运算， 由 PLC 控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投入台数和电机转速，实现闭环自动 调整恒压供水。 为了保持供水管道的压力恒定， 就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器， 使其构成压力闭环控制系统 现在最常用的控制器是以 PID 凋节为主要手段， 也有的 采用了模糊控制等现代控制理论方法。 变频调速供水的恒压值一般选用最不利点(管端)恒压控制比较准确．但该压力信 号传输距离太长，一方面容易受到干扰，另一方面也容易出现故障， 因此在用户对供 水精度要求不很高时，常以出水母管出口处压力作为恒压值进行控制。 对于专用变频器， 由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的 PID 调
    节器输入口。压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部 PID 控 制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号．当变频器频率达到最大时， 若仍没有 达到压力设定值，就进行变频／工频切换， 同时重新给变频器输出一个转速控制信号。 压力检测值与压力给定值差距越大， 该输出信号变化就越大。一旦管网压力达到了设 定值， 该输出控制信号就恒定下来．系统稳定运行。 在专用变频器中， 压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入； 而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置 PI D 参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID 方式的调节器就 能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决 的问题， 比如在系统的动态运行过程中， 水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现 象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能 通过选定最优的 PID 参数或修改 PID 算法来解决。 四、PLC 的概述 可编程控制器是 60 年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制 器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC。可编程控制器的产生和发展与继电 器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在 复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。 由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制 技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简 单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支 柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产 品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实 际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。 可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能 进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制 愈来愈高的需求，PLC 无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很 大的提高。现在的 PLC 已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制
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