基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠程教育專科實習(xí)報告題目學(xué)生姓名批次專業(yè)學(xué)號學(xué)習(xí)中心年月PAGEPAGEXXXIIINUMPAGES40PAGE基于Plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計摘要本論文研究的是PLC在恒壓變頻供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)主要由主供水回路、備用回路、1個清水池及泵房組成，其中泵房裝有3臺水泵，還有多個電動閥控制各供水回路和水流量。通過PID調(diào)節(jié)器對壓力變送器檢測信號進行整定，然后將模擬信號輸出給變頻器，變頻器再根據(jù)給定壓力信號，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。該系統(tǒng)采用西門子S7-200，它是一種可編程序邏輯控制器，能夠控制各種設(shè)備以滿足自動化控制需要。S7-200的程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算以及與其它智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達到控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強大的指令集，使S7-200成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。關(guān)鍵詞PLC；PID；變頻器；變頻調(diào)速

AbstractThepaperresearchesontheapplicationofPLCtothesystemofConstantpressureandfrequencyconversionforwatersupply.Thesystemismadebyamainwatersupplyroute,aspareroute,acleanpoolandpumpsstation.Therearethreepumps,manymotorizedvalvesthatcontrolthewatersupplyinthepumpsstation.Afterthecomputationofthechangedpressuresignal,PIDputthesimulationquantityintotheinverter.Theinverteradjuststhespeedofelectricmotorbythepressuresignal,thusitcanreachthegoalofkeepingtheconstantoftheHydraulicpressureinthepipe.ThesystemusesS7-200,theS7-200seriesofmicro-programmablelogiccontrollerscancontrolawidevarietyofdevicestosupportyourautomationneeds.TheS7-200monitorsinputsandchangesofoutputsforcontrollingbytheuserprogram,whichcanincludeBooleanlogic,counting,timing,complexmathoperations,andcommunicationswithotherintelligentdevices.Thecompactdesign,flexibleconfiguration,andpowerfulinstructionsetcombinetomaketheS7-200aperfectsolutionforcontrollingawidevarietyofapplications.Keywords:PLC,PID,Inverter,VariableVelocityVariableFrequency

目錄摘要 IIAbstract III目錄 IV第1章前言 1第2章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 22.1恒壓控制 22.2供水設(shè)計概述 22.2.1用戶供水要求 22.2.2主要設(shè)備選型 22.2.3技術(shù)性能 22.2.4設(shè)計特點 32.3變頻器的技術(shù)參數(shù) 32.4控制系統(tǒng)設(shè)計 3結(jié)論 5致謝 6參考文獻 7附錄B原理圖及程序 8PAGEPAGEXXXIIINUMPAGES40PAGE第1章前言變頻恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應(yīng)用越來越廣泛，它取代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓罐等供水方式，不僅節(jié)能效果顯著，還可以極大地改善系統(tǒng)的工作性能，并能延長系統(tǒng)的使用壽命，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟效益。恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時使產(chǎn)品報廢或設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些特殊用戶采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義[1]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類型等方面得到了很大的發(fā)展?，F(xiàn)在，電力電子器件正向著大容量、高頻率、響應(yīng)快、低損耗的方向發(fā)展。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與計算機技術(shù)有機結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得電動機調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用PLC控制器，因PLC不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點進行實時監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運行工況的畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟運行的手段。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵的投運臺數(shù)和運行變量泵的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。

第2章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)2.1恒壓控制控制管道底部某點水壓力，使之能充分保證最不利點（最高點）的供水壓力。滿足流體流動要求，保證用水點出水的基礎(chǔ)上，疊加適當(dāng)?shù)乃畨涸Ａ浚ǎ┮栽龃蟾饔盟c出水水壓,故底部某點水壓取值為(2.1)為供水高度,為水壓裕量，檢測管道流量以補償壓力設(shè)定的部分，這樣壓力控制系統(tǒng)的壓力設(shè)定是變化的，流量計比較昂貴，留有充分裕量計算設(shè)定恒定壓力值，可以保證用戶的水壓，采用恒壓控制這個比較簡單的控制方案，能保證供水質(zhì)量。在本設(shè)計中，壓力采樣點選在水泵和用水點之間，位于管網(wǎng)上升主管道，高度與調(diào)節(jié)水池基本一致。恒壓供水系統(tǒng)是水壓單閉環(huán)定值控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器為PLC及A/D和D/A模塊，PLC是整個系統(tǒng)的控制和運算中心，A/D接輸入檢測信號，D/A給出運算后的變頻器信號，通過變頻器改變電機轉(zhuǎn)速，從而改變泵的工作點，改變供水量。廣義對象為變頻器電機水泵組和管網(wǎng)，可以認為執(zhí)行閥為變頻電機水泵組，調(diào)節(jié)對象為管道，檢測儀表為遠傳式電阻壓力表，外部干擾為電網(wǎng)波動和用戶用水量變化，分別作用在電機和管網(wǎng)上。給變頻器1個頻率信號，經(jīng)過變頻器、電機水泵和部分管網(wǎng)，在壓力檢測儀表處用記錄儀記錄壓力響應(yīng)曲線?？刂票容^復(fù)雜：電機泵類負載至今沒有數(shù)學(xué)模型，水泵廠只能根據(jù)水泵模型依據(jù)相似定理做水泵。在本設(shè)計中，泵的臺數(shù)是變化的，故在臺數(shù)變化處，壓力對信號的響應(yīng)是非線性的。測定受到隨機用水量和出水閥門開度的影響。不同的閥門開度影響管道性能和工作點，故使對象特性有所改變。給水量對采樣點壓力不產(chǎn)生影響，壓力只受用水量影響。2.2供水設(shè)計概述2.2.1用戶供水要求供水壓力要求恒定，波動一定要小，尤其在換泵時。2.2.2主要設(shè)備選型三臺水泵，一臺ABBACS-400變頻器，壓力變送器，常規(guī)PID。2.2.3技術(shù)性能為了防止一臺泵長時間運行，需設(shè)定運行時間，當(dāng)時間到時，自動切換到下一臺泵，以防止泵長時間不用而銹死。2.2.4設(shè)計特點（1）壓力控制精度高，流量連續(xù)可調(diào)，供水壓力可以任意設(shè)定，在起動泵時壓力波動小。（2）使用壽命長，水泵可能軟起動，即變頻起動，電機起動時對電網(wǎng)無沖擊，主泵先起先停，先停先起，循環(huán)運行。（3）保護功能完善，變頻器故障自動報警，具有如過流、過壓、欠壓、過載、短路等自我保護功能，另有進水池低水位報警并自動停泵及溢水報警、過電流報警。（4）手動自動切換功能。（5）設(shè)備緊湊，占地面積小，節(jié)省建設(shè)投資[7]。2.3變頻器的技術(shù)參數(shù)ABBACS400是具有多種功能的變頻器，在本設(shè)計中由于已選PID調(diào)節(jié)器，因此就不用變頻器的內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器。壓力傳感器將壓力信號傳給PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力設(shè)定，輸出4～20mA給變頻器以調(diào)節(jié)電機的速度，變頻器的運行要根據(jù)可編程序控制器輸出Q1.0（DCOM1-DI2）是否閉合來確定，變頻器的停止要根據(jù)可編程序控制器輸出Q0.7（DCOM1-DI1）是否閉合來確定。將變頻器的內(nèi)部可編程繼電器RO1，RO2設(shè)定成頻率到達。相關(guān)設(shè)定見參數(shù)設(shè)定表2.1。表2.1參數(shù)設(shè)定代碼功能設(shè)定值代碼功能設(shè)定值9902APPLICMACRO02102STOPFUNCTION11001EX1COMMANDS33201SUPERV1PARAM01031003DIRECTION13202SUPERV1LIMLO15HZ1102EXT1/EXT263203SUPERV1LIMHI50HZ1103EXTREF1SEL03204SUPERV2PARAM01032.4控制系統(tǒng)設(shè)計供水壓力要求恒定，波動一定要小，尤其在換泵時。三臺泵根據(jù)壓力的設(shè)定，采用“先開先?！钡脑瓌t。為了防止一臺泵長時間運行，需設(shè)定運行時間，當(dāng)時間到時，自動切換到下一臺泵，以防止泵長時間不用而銹死。要有完善的保護和報警功能。為了檢修和應(yīng)急要設(shè)有手動功能。還需具有水池防抽空功能。泵機部分原理圖見圖C1所示。電氣控制系統(tǒng)主回路見圖C2所示。圖中，M1，M2，M3為三臺電機，交流接觸器KM1～KM6控制三臺電機的運行，KH1，KH2，KH3為電機M1，M2，M3過載保護用的熱繼電器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分別為主電路、變頻器和三臺泵的工頻運行空氣開關(guān)。本設(shè)計的電氣控制線路見圖C3所示，圖中，SA為手動/自動轉(zhuǎn)換，KA為手動/自動中間繼電器，打在1位置為手動狀態(tài)，打在2位置為自動狀態(tài)，同時KA吸合。在手動狀態(tài)，可以按動SB1～SB6控制三臺泵的起停。在自然狀態(tài)時，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運行，自動控制泵的起停，HL1～HL8為各種運行指示燈。中間繼電器KA的常開觸電接I0.3控制自動狀態(tài)時的起動。中間繼電器KA的三個常閉觸電接在三臺泵的手動控制電路上，控制三臺泵的手動運行。在自然狀態(tài)時，三臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。KH1，KH2，KH3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸電，可對電機進行過流保護。

(a)主程序結(jié)論(a)主程序通過將近半年的研究設(shè)計，最終使本系統(tǒng)能夠正常的運行起來，并且基本上達到了預(yù)期的設(shè)計目的。在這過程中學(xué)到了不少知識和積累了不少的經(jīng)驗，鍛煉了自己的獨立科研能力和實際動手能力，學(xué)會了如何綜合調(diào)控工程項目的研究與設(shè)計。本設(shè)計完成以后，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計需要改進的地方：水泵的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，輸入功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。所以，系統(tǒng)的節(jié)能效果很大程度上取決于變頻器的性能，如果我們能夠采用水泵類專用變頻器的話，那么在多泵切換對系統(tǒng)的節(jié)能方面還能更好一些。由于時間和條件的限制，在PLC程序的通用性上做的還有不足，如果能把一些功能做成參數(shù)型，像水壓參數(shù)一樣，能適應(yīng)不同的管道壓力。只要改變一些參數(shù)就可以適應(yīng)不同的工程，這樣系統(tǒng)的利用前景可以更廣泛。

致謝本論文是在XXX老師的諄諄教誨和指導(dǎo)下完成的，論文從選題、構(gòu)思到定稿無不滲透著導(dǎo)師的心血和汗水；教授淵博的知識和嚴謹?shù)膶W(xué)風(fēng)使我受益終身，在此表示深深的敬意和感謝。我還要感謝含辛茹苦、任勞任怨、望子成龍、不圖回報的父母的養(yǎng)育之恩，他們給予我的愛和支持讓我順利地完成了自己的學(xué)業(yè)。最后，因本人水平有限，在文中難免有不足之處，懇請各位老