王曉龍-城市供水系統(tǒng)-開題報(bào)告.doc

沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于PLC的城市供水 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系： 自動(dòng)化系 專業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化0701班 學(xué)生姓名： 王曉龍 指導(dǎo)教師： 佟維妍 開題時(shí)間： 2011年3月15日1.課題的目的和意義1.1課題的目的傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)生活的需要。目前的供水方式朝高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展。隨著控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，變頻器得到了廣泛應(yīng)用，采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)克服了種種傳統(tǒng)供水方式的缺點(diǎn)。日常生活用水隨季節(jié)、晝夜、上下班的時(shí)間的變化而變化，供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生，用水和供水的平衡主要表現(xiàn)在水壓上，用水多時(shí)則供水少則壓力低，用水少時(shí)供水多則壓力高，需要維持壓力穩(wěn)定，可使用水和供水之間平衡。進(jìn)而提到用水質(zhì)量，保證用水正常且節(jié)約用水，因此開發(fā)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)越來越受到人們的重視和青睞1。1.2課題的意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建筑物高度的增加，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺。傳統(tǒng)的生活及生產(chǎn)供水的方法是通過建造水塔維持水壓。但是，建造水塔需要花費(fèi)財(cái)力，水塔還會(huì)造成水的二次污染。因此利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。本論文結(jié)合我國(guó)中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、電動(dòng)機(jī)以及控制柜等構(gòu)成。本系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，其中三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。通過PLC連接，開發(fā)出了根據(jù)信號(hào)輸入的變化啟動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)提升水壓的作用。由于PLC的CPU強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，使城市供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能，并且也可實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)控2。2.國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 2.1 國(guó)內(nèi)、外現(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。目前國(guó)外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國(guó)外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻器數(shù)量一樣多，因而投資成本高。國(guó)外成產(chǎn)的變頻器，特別是供水廠用的變頻器，相對(duì)于國(guó)產(chǎn)變頻器而言，價(jià)格明顯偏高，維護(hù)成本也高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善3。2.2 發(fā)展趨勢(shì)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展。在國(guó)內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，很多專用供水變頻器集成了PLC和PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻器組建。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡(jiǎn)單明顯偏高，維護(hù)成本也高于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品4。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，結(jié)合PLC 或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善5。3.課題的主要工作 3.1設(shè)計(jì)思想PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程序控制器、壓力傳感器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)6，該系統(tǒng)的控制流程如圖1所示：圖1 城市供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，由三臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)牽引的水泵構(gòu)成，用三臺(tái)泵的工頻或變頻運(yùn)行達(dá)到管內(nèi)壓力恒定的效果。變頻運(yùn)行的水泵是由變頻器調(diào)速控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；三臺(tái)水泵依次工作，每臺(tái)泵的工作狀態(tài)由停止啟動(dòng)變頻工頻切除工作。(2)信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括按鈕輸入信號(hào)、管道水壓信號(hào)和水池水位信號(hào)。按鈕輸入信號(hào)大多數(shù)為人工方式控制輸入信號(hào)，用于手動(dòng)控制工作。管道水壓信號(hào)反映的是用戶管道的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。水池水位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。此信號(hào)來自安裝于水池中的高低液位傳感器。(3)控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制7。圖2 城市供水電氣控制系統(tǒng)總體框圖83.2方案工作過程根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計(jì)中采用前者9。設(shè)定的供水壓力是一個(gè)常數(shù)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管道水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管道的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力10。圖3 城市供水系統(tǒng)主要工作過程恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管道出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為420mA的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過PLC的EM235模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的信號(hào)通過RS-485作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水11。3.3完成課題所需條件及落實(shí)措施設(shè)計(jì)所需的設(shè)備的具體參考數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)所用到的各種參考文獻(xiàn)及相關(guān)翻譯文獻(xiàn)。設(shè)計(jì)所需的相關(guān)軟件（Auto CAD、STEP 7-MicroWIN-V40等）。生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)低恒壓值運(yùn)行。三臺(tái)泵根據(jù)恒壓需要，應(yīng)采取先開始先停止的原則進(jìn)行接入與退出。每一臺(tái)泵應(yīng)都具有軟啟動(dòng)功能。整個(gè)控制系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。4.完成課題所需的條件CAD制圖軟件、PLC編程軟件、水泵、變頻器等。5.課題的進(jìn)度安排1、第一周：布置畢業(yè)設(shè)計(jì)。2、第二周：查找相關(guān)資料。3、第三周：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合相關(guān)資料，編寫設(shè)計(jì)大綱。4、第四周：查閱與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文資料，完成外文翻譯。5、第五周：撰寫開題報(bào)告。6、第六周：認(rèn)真分析該系統(tǒng)的工作原理。7、第七周：根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。8、第八周：進(jìn)行硬件系統(tǒng)配置選擇PLC、變頻器的型號(hào)。9、第九周：對(duì)PLC的I/O資源進(jìn)行配置。10、第十周：繪制系統(tǒng)的電氣原理圖。11、第十一周：進(jìn)一步完善、修改開題報(bào)告和外文翻譯。12、第十二周：根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的功能流程圖。13、第十三周：根據(jù)具體的控制要求，逐步細(xì)化控制框圖。14、第十四周：完成每個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。15、第十五周：進(jìn)行程序的編譯、調(diào)試、修改。16、第十六周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書。17、第十七周：整理畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)材料。18、第十八周：準(zhǔn)備答辯、答辯。6.主要參考文獻(xiàn)1 謝仕宏.恒壓供水軟啟動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.北京：中國(guó)給排水，2004.6.2 林俊贊，李雄松，尹元日.PLC在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電機(jī)電器技術(shù)，1999，3.3 廖常初.PLC編程及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4 廖常初.S7-200PLC編程及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5常曉玲.電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.6 金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000. 7 侯崇升.現(xiàn)代調(diào)速控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社