機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計.doc

1湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：PLC恒壓供水系統(tǒng)專業(yè)機電一體化技術(shù)班級姓名指導(dǎo)教師2011年05月14日2摘要隨著人們對生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟社會發(fā)展的需求；再加上目前能源緊缺，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟社會的發(fā)展。利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進行邏輯控制，由變頻器進行壓力調(diào)節(jié)。在經(jīng)過PID運算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等特點。而本設(shè)計是針對居民生活用水而設(shè)計的。電動機泵組成由三臺水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出水口的壓力和流量來控制變頻器電動機泵的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。關(guān)鍵詞：變頻器；恒壓供水；PLC3目錄摘要.2第一章緒論.41.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀.41.2課題來源及本文的主要研究內(nèi)容.51.3本論文中所做的工作.51.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成.5第二章PLC功能選擇及應(yīng)用.72.1PLC模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用.72.1.1模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統(tǒng)的連接.72.1.2模擬量輸入模塊緩沖存儲器（BFM）的分配.82.1.3模擬量輸出模塊的功能及PLC系統(tǒng)連接.8第三章變頻器和壓力傳感器.93.1變頻器的分類及工作原理.93.2變頻器硬件選擇.103.3壓力傳感器.11第四章系統(tǒng)的設(shè)計.124.1系統(tǒng)要求.124.2控制系統(tǒng)的I/O及地址分配.124.3PLC系統(tǒng)選型.134.4電氣控制系統(tǒng)原理圖.134.4.1主電路圖.134.4.2控制電路圖.144.5.系統(tǒng)的運行分析.154.6系統(tǒng)程序設(shè)計.164.6.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理.174.6.2多泵組泵站泵組管理規(guī)范.174.6.4程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn).174.6.5系統(tǒng)的運行分析.18致謝.20參考文獻.214第一章緒論隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本三菱公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)5及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5。5kW-22kW)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯觯壳霸趪鴥?nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。1.2課題來源及本文的主要研究內(nèi)容1、課題來源本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實際應(yīng)用。2、研究的主要內(nèi)容本系統(tǒng)是三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以生活供水和消防供水的雙用供水系統(tǒng)。1.3本論文中所做的工作根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計出滿足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對PLC、變頻器、壓力傳感器進行選型，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計出能滿足控制要求的控制電路和控制程序。1.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水泵站一般需沒多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化6而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當(dāng)然方便，電機與變頻器間不須切換，但購變頻器的費用較高。另一種方案是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，在系統(tǒng)中完成以下幾種功能：(1)設(shè)定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠，用水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。(2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點。(3)根據(jù)結(jié)定值與實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實測值之差。如給定位大于實際值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉(zhuǎn)速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉(zhuǎn)速。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個調(diào)節(jié)規(guī)律問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如P、I、D參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的。PID調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成有數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微計算機為核心的調(diào)節(jié)器多為數(shù)字式調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號，420mA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備工作。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。7第二章PLC功能選擇及應(yīng)用2.1PLC模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)/模兩種功能的。以下介紹三菱FXN2系列PLC的模擬量模塊以及，它們分別具有FXN2-4AD及FXN2-2DA，它們分別具有4路模擬量輸入及2路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。2.1.1模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統(tǒng)的連接FXN2-4AD4模擬量輸入模塊具有4個通道，可同時接受并處理4路模擬量輸入信號，最大分辨率為12位。輸入信號可以是-10+10V的電壓信號（分辨率為5Mv），也可以420mV（分辨率為16A）或-20+20mA（分辨20A）的電流信號。模擬量信號可通過雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖2-1所示，當(dāng)使用電流輸入時，需將V+及I+端短接。圖2-1FXN2-4AD模塊的連接圖FXN2