学科类别：___________                     专    业：______________

系    部：____________                   班    级：___________

毕业设计论文

设计题目：普通车床CA6140的数控化改造设计

 

  学　　　　号：_________________________

  作　    　者：_________________________

  指 导  教 师：_________________________

2011 年 12 月 10 日

摘　　要

随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是由变频器、PLC、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行，系统能有效解决传统供水方式中存在的问题，保证按需供水。（200字以上）

、

关键词：供水系统，恒压供水，系统变频恒压，变频器，PLC控制

目　　录

摘　　要... I

目　　录... I

1 绪论... 1

1.1 一台恒速泵直接供水系统... 1

1.2 恒速泵+水塔的供水方式... 1

1.3 恒速泵+气压罐供水方式... 2

1.4 变频调速供水方式... 2

2 变频恒压供水系统... 3

3 变频恒压供水控制方式的选择... 4

3.1 逻辑电子电路控制方式... 4

3.2 单片微机电路控制方式... 4

3.3 带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式... 4

3.4 新型变频调速供水设备... 4

4 变频构成恒压供水系统的及工作原理... 5

4.1 系统的构成... 5

4.2 工作原理... 6

4.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析... 6

4.4 主电路接线图... 7

5 器件的选型及介绍... 8

5.1 简介PLC.. 8

5.2 PLC的选型... 8

5.3 PLC的接线... 9

6.变频器... 10

6.1 变频器的构成... 10

6.2 主电路... 10

6.3 控制电路... 10

6.4 变频器的特点... 11

6.5变频器的选型... 11

6.6 PID调节器... 13

6.7 压力传感器的接线图... 13

6.8 元件清单... 13

7 PLC控制及编程... 15

7.1 PLC控制... 15

7.1.1 手动运行... 15

7.1.2 自动运行... 15

7.2编程及介绍... 16

7.2.1 总程序的顺序功能图... 16

7.2.2 自动运行顺序功能图... 16

7.2.3 手动模式顺序功能图... 17

7.2.4 程序说明... 17

8 结论... 18

参考文献... 19

致　　谢... 20

1 绪论

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。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。

1.1 一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

1.2 恒速泵+水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控…………..

1.3 恒速泵+气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。

1.4 变频调速供水方式

这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内，变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。

由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。

2 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。

变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点：

（1）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

（2）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。

3 变频恒压供水控制方式的选择

目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：

3.1 逻辑电子电路控制方式

这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。

3.2 单片微机电路控制方式

这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便…………..

3.3 带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式

该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压…………..。

3.4 新型变频调速供水设备

针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡………

考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图所示。

图3.1 基于PID调节的变频恒压系统示意图

4 变频构成恒压供水系统的及工作原理

4.1 系统的构成

图4.1 变频恒压供水系统框图

如图所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以……………….

从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。

(1)执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型：

调速泵：是由变频调速器………………

恒速泵：水泵运行只在工频状…………………….。

(2)信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：

①水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。

②报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。

(3)控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。

①供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。

②变频器：它是对水泵进行转………………………..

③电控设备：它是由一组接触器、保护……………

（4）人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，…………….

（5）通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口…………….

（6）报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分………………..

4.2 工作原理

当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

4.3 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的…..

尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节………………

在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和……………….。

4.4 主电路接线图

图4.2 水泵主回路接线图

电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M………………

热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。

熔断器（FU）是电…………………。

5 器件的选型及介绍

5.1 简介PLC

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………………..

图5.1 PLC的硬件结构框图

可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想……

5.2 PLC的选型

水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点……………

5.3 PLC的接线

图5.2 PLC的接线图

Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁…..

6.变频器

6.1 变频器的构成

通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源………….

6.2 主电路

给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图6.2所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成…………..

（1）整流器

最近大量使用的是二极管的交流…………..

（2）平波回路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压…………

（3）逆变器

同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。

（4）制动回路

异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负）………….

6.3 控制电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路………..电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。

控制电路主要包括：

①运算电路…………

6.4 保护回路

（1）逆变器保护

由于逆变器负载侧短路等……………….

1）过载保护

逆变器输出电流超过额定值………………

2）再生过电压保护

采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。

3）瞬时停电保护

4）接地过电流保护

5）冷却风机异常

有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。

（2）异步电动机的保护

1）过载保护

………………

6.4 变频器的特点

变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。

（1）节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%..........

6.5变频器的选型

根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图6.1所示：

图6.1 FR-A540的管脚说明

管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

图6.2 变频器接线图

6.6 PID调节器

仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制……….

图.3  PID控制框图

通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差…….

在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：

(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。

(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。

6.7 压力传感器的接线图

压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求

6.8 元件清单

水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1所示。

热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR……

熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。

接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw

按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V………

表6.1 元件表

表6.2 水泵的参数

表6.3 变频器FR-A540的参数

7 PLC控制及编程

7.1 PLC控制

PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图7.1所示。

图7.1  PLC程序流程图

7.1.1 手动运行

当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）……………..

7.1.2 自动运行

由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.

升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一…………

7.2编程及介绍

7.2.1 总程序的顺序功能图

系统分为自动运行和手动运行两部分

图7.2 总程序的顺序功能图

7.2.2 自动运行顺序功能图

按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如7.3所示。

图7.3 自动运行顺序功能图

Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行…………..

系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。 当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个…………..

7.2.3 手动模式顺序功能图

当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图4.4所示。

7.2.4 程序说明

（1）自动运行部分

………………..

起动1#泵

按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。变频起动1#水泵。

8 结论

本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以变频器为核心进行设计，借助于PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。

恒压供水在日常生活中非常重要，基于变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。

参考文献

1. 方凤玲主编. PLC技术及应用一体化教程（西门子S7-200系列）.第2版.北京：清华大学出版社，2009.8

2. 殷洪义、吴建华主编.PLC原理与实践.西安：西北工业大学出版社，2004.7

（列出自己所查阅的资料、网站、文献、书籍、论文等，应不少于5个）

致　　谢

为期一个学期的毕业论文（设计）已让我非常痛苦的接近尾声了，我的三年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为那些熟悉的电气系的恩师们和各位可爱的同学们，我们也即将挥手告别了。

三年间，每次走进实验室都会让我感受到一种亲切热情的氛围。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。　

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

感谢我的恩师陈明方老师、韩刚老师和侯柏民老师。各位老师对我的学习和研究都非常严格，并给予了悉心的指导，使我受益菲浅。从恩师身上我体味到了丰富的学养、严谨的作风、求实的态度，勤奋的精神，这都成为了我不断前行的动力和标杆。

同时还感谢三年来帮助和教育过我的所有老师。一路走来，从你们的身上我收获无数，却无以回报，谨此一并表达我的谢意。

还要感谢我的父母，给予我生命并竭尽全力给予了我接受教育的机会，养育之恩没齿难忘；感谢我的同窗好友，在我最困难的时候总能给予我安慰和鼓励，让我重拾信心。

最后，谨向所有在校期间曾经关心和帮助过本人的老师和同学表示最诚挚的谢意！