基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育專(zhuān)科實(shí)習(xí)報(bào)告題目學(xué)生姓名批次專(zhuān)業(yè)學(xué)號(hào)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(jì)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(gè)清水池及泵房組成，其中泵房裝有3臺(tái)水泵，還有多個(gè)電動(dòng)閥控制各供水回路和水流量。通過(guò)PID調(diào)節(jié)器對(duì)壓力變送器檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行整定，然后將模擬信號(hào)輸出給變頻器，變頻器再根據(jù)給定壓力信號(hào)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)中水壓恒定的目的。該系統(tǒng)采用西門(mén)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(mǎn)足自動(dòng)化控制需要。S7-200的程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)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(dá)到控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)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(jì)概述 22.2.1用戶(hù)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(jì)特點(diǎn) 32.3變頻器的技術(shù)參數(shù) 32.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3結(jié)論 5致謝 6參考文獻(xiàn) 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(lái)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(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)用戶(hù)是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢或設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些特殊用戶(hù)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(lèi)型等方面得到了很大的發(fā)展。現(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(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)泵組、閥門(mén)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(duì)系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的畫(huà)面顯示、故障報(bào)警及打印報(bào)表等功能。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)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(jì)運(yùn)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(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)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(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)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(diǎn)水壓力，使之能充分保證最不利點(diǎn)（最高點(diǎn)）的供水壓力。滿(mǎn)足流體流動(dòng)要求，保證用水點(diǎn)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(diǎn)出水水壓,故底部某點(diǎn)水壓取值為(2.1)為供水高度,為水壓裕量，檢測(cè)管道流量以補(bǔ)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(jì)比較昂貴，留有充分裕量計(jì)算設(shè)定恒定壓力值，可以保證用戶(hù)的水壓，采用恒壓控制這個(gè)比較簡(jiǎn)單的控制方案，能保證供水質(zhì)量。在本設(shè)計(jì)中，壓力采樣點(diǎn)選在水泵和用水點(diǎn)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?jiǎn)伍]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(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)算中心，A/D接輸入檢測(cè)信號(hào)，D/A給出運(yùn)算后的變頻器信號(hào)，通過(guò)變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變泵的工作點(diǎn)，改變供水量。廣義對(duì)象為變頻器電機(jī)水泵組和管網(wǎng)，可以認(rèn)為執(zhí)行閥為變頻電機(jī)水泵組，調(diào)節(jié)對(duì)象為管道，檢測(cè)儀表為遠(yuǎn)傳式電阻壓力表，外部干擾為電網(wǎng)波動(dòng)和用戶(hù)用水量變化，分別作用在電機(jī)和管網(wǎng)上。給變頻器1個(gè)頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻器、電機(jī)水泵和部分管網(wǎng)，在壓力檢測(cè)儀表處用記錄儀記錄壓力響應(yīng)曲線?？刂票容^復(fù)雜：電機(jī)泵類(lèi)負(fù)載至今沒(méi)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(jì)中，泵的臺(tái)數(shù)是變化的，故在臺(tái)數(shù)變化處，壓力對(duì)信號(hào)的響應(yīng)是非線性的。測(cè)定受到隨機(jī)用水量和出水閥門(mén)開(kāi)度的影響。不同的閥門(mén)開(kāi)度影響管道性能和工作點(diǎn)，故使對(duì)象特性有所改變。給水量對(duì)采樣點(diǎn)壓力不產(chǎn)生影響，壓力只受用水量影響。2.2供水設(shè)計(jì)概述2.2.1用戶(hù)供水要求供水壓力要求恒定，波動(dòng)一定要小，尤其在換泵時(shí)。2.2.2主要設(shè)備選型三臺(tái)水泵，一臺(tái)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(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，需設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，自動(dòng)切換到下一臺(tái)泵，以防止泵長(zhǎng)時(shí)間不用而銹死。2.2.4設(shè)計(jì)特點(diǎn)（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(dòng)泵時(shí)壓力波動(dòng)小。（2）使用壽命長(zhǎng)，水泵可能軟起動(dòng)，即變頻起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊，主泵先起先停，先停先起，循環(huán)運(yùn)行。（3）保護(hù)功能完善，變頻器故障自動(dòng)報(bào)警，具有如過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路等自我保護(hù)功能，另有進(jìn)水池低水位報(bào)警并自動(dòng)停泵及溢水報(bào)警、過(guò)電流報(bào)警。（4）手動(dòng)自動(dòng)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(jì)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(hào)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(jī)的速度，變頻器的運(yùn)行要根據(jù)可編程序控制器輸出Q1.0（DCOM1-DI2）是否閉合來(lái)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(lái)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(dá)。相關(guān)設(shè)定見(jiàn)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(jì)供水壓力要求恒定，波動(dòng)一定要小，尤其在換泵時(shí)。三臺(tái)泵根據(jù)壓力的設(shè)定，采用“先開(kāi)先?！钡脑瓌t。為了防止一臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，需設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，自動(dòng)切換到下一臺(tái)泵，以防止泵長(zhǎng)時(shí)間不用而銹死。要有完善的保護(hù)和報(bào)警功能。為了檢修和應(yīng)急要設(shè)有手動(dòng)功能。還需具有水池防抽空功能。泵機(jī)部分原理圖見(jiàn)圖C1所示。電氣控制系統(tǒng)主回路見(jiàn)圖C2所示。圖中，M1，M2，M3為三臺(tái)電機(jī)，交流接觸器KM1～KM6控制三臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行，KH1，KH2，KH3為電機(jī)M1，M2，M3過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分別為主電路、變頻器和三臺(tái)泵的工頻運(yùn)行空氣開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)的電氣控制線路見(jiàn)圖C3所示，圖中，SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換，KA為手動(dòng)/自動(dòng)中間繼電器，打在1位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在2位置為自動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)KA吸合。在手動(dòng)狀態(tài)，可以按動(dòng)SB1～SB6控制三臺(tái)泵的起停。在自然狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運(yùn)行，自動(dòng)控制泵的起停，HL1～HL8為各種運(yùn)行指示燈。中間繼電器KA的常開(kāi)觸電接I0.3控制自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的起動(dòng)。中間繼電器KA的三個(gè)常閉觸電接在三臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上，控制三臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。在自然狀態(tài)時(shí)，三臺(tái)泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。KH1，KH2，KH3為三臺(tái)泵的熱繼電器的常閉觸電，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。

(a)主程序結(jié)論(a)主程序通過(guò)將近半年的研究設(shè)計(jì)，最終使本系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行起來(lái)，并且基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。在這過(guò)程中學(xué)到了不少知識(shí)和積累了不少的經(jīng)驗(yàn)，鍛煉了自己的獨(dú)立科研能力和實(shí)際動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)了如何綜合調(diào)控工程項(xiàng)目的研究與設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)完成以后，發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的地方：水泵的負(fù)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(lèi)專(zhuān)用變頻器的話，那么在多泵切換對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能方面還能更好一些。由于時(shí)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(wú)不滲透著導(dǎo)師的心血和汗水；教授淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?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(bào)的父母的養(yǎng)育之恩，他們給予我的愛(ài)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(qǐng)各位老