plc在恒压给水系统中的应用(编辑修改稿)

plc在恒压给水系统中的应用(编辑修改稿)内容摘要：

，能够更加灵活地完成自动化任务。 课题研究的对象 此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。 这栋楼有 10 层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。 如图 所示，是这栋小楼的供水流程。 自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。 通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。 恒压供水系统控制方式介绍 本系统采 用 PLC 外加变频器的控制方式，主要设备有压力传感器，可编程控制器，变频器已经水泵。 其中传感器主要是检测管网中水压，转化为电信号传送到 PLC 中与压力设定值进行 PID 运算，输出结果到变频器，通过变频器改变泵的电源频率，控制电机转速，达到恒压供水的目的。 系统方案结构 如图 所示。 用户用水 水泵组 水池 图 供水系统方案图 变频构成恒压供水系统的及工作原理 系统的构成 整个恒压供水系统硬件结构如图 所示。 P 压力变送器 变 频器 PLC M 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 恒压给水系统简介 7 图 系统 结构 图 如图 ，系统由三台水泵，一台变频器，一台 西门子 200可编程控制器 和一个压力传感器 组 成。 三台泵 循环运行，延长水泵使用寿命，系统中的压力传感器 一般采用压力变送器 ，它将检测到的压力值以 4～ 20mA的信号传送给 PLC，整个系统 变频器 和 PLC是核心 不见 ，通过 变频器 改变电机的频率 实现电机的无极调。 从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由 信号检测，执行机构，调节机构，控制系统组成。 (1)执行机构 执行机构包括三台水泵，它们是为用水供水的直接动力部件，三台泵都分变频运行和工 频运行，之间的切换有 PLC程序指令控制，变频运行时 PLC中 PID运算结果控制变频器的输出，使得三台泵变频运行。 (2)信号检测 整个系统中的信号检测主要是管网水压的检测，为系统的运行提供数据。 (3)控制系统 PLC作为系统的控制器，是整个系统的核心，数据处理中心，当压力传感器将管网水压信号传输过来以后 PLC的 PID模块进行运算后得出一个输出结果到变频器，完成恒压的控制，同时， PIC程序指令还将完成泵之间的循环切换，增泵减泵等功能，是整个系统的大脑，根据收集到的条件，告诉执行机构如何操作。 （ 4） 通讯接口 在自动 化项目中，通信永远是重要的一环，通过通信，能实现与上位机或监控软件之间的数据交换，更加方便的了解系统运行状态及控制 [4]。 工作原理 合上空气开关，供水系统投入运行。 将自动开关 SB0闭合 ， 再按下 SB3启动， SB2确认后系统正式开始运行。 PLC首先 接通 KM4， 第一台泵变频运行， 并 接通 KM7起动变频器。 通过压力传感器传来的管网水压与设定的值以下 PID运算 ， 控制变频器改变水泵电源频率，控制电机转速，达到恒压供水的目的。 同时 PID模块能提供高低限报警，当控制面板 P L C 变频器 M1 M2 M3 用 户 管 网 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 恒压给水系统简介 8 PID控制变频器的输出达到设定高值（设定为变频器输 出频率 50HZ）， ，表示一台泵不能满足供水功率需要，此时 PLC程序会自动执行增泵程序，当 PID控制变频器的输出达到设定低值（设定为变频器输出 20HZ）， ，自动化程序会自动执行减泵程序。 增泵 工作过程为 假定开始时 二号泵变频运行 ， 则二号 泵电机在 PLC控制下先投入 工频运行 ， 三号泵变频启动， 其运行速 度由变频器调节。 当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。 减泵工作过程 为 假定 开始时二号泵工频运行，三号泵变频运行， 当供水压力大于预置值时，变频器 输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把 三号 水泵停机 ，二号变频运行。 变频恒压供水系统中 增 减水泵 过程 分析 工作原理介绍中讲到的 PID模块高限报警表示运行的水泵已经达到额定频率额定转速，此时如果在提高电源频率就会降低电机的转矩，但是此时系统管网水压还达不到我们的要求，所以必须启动下一台泵来增加整个供水系统的功率， 以便保持系统水压恒定。 反过来讲，当因为高限报警后执行了增泵程序，用户用水量降下来以后，两台泵运行的功率过剩，此时就需要将其中一台泵停下来，另一台泵变 频运行。 那么什么情况下增哪一台。 怎么增。 减泵又是减哪一台。 怎么减。 这些问题在后面的程序及仿真中再一一介绍。 就变频器本身而言，它的变频范围是很广的 ， 一般都是 0到几百赫兹，但我们在此系统中应用却不能使频率过大或过小，频率过大将导致电机转矩不足等问题，影响系统的稳定运行，整个系统中电机可能在工频与变频之间切换，当变频切工频时 只能 是工频频率在 50Hz时进行。 如果变频频 率已经达到 50HZ，依旧达不到设定的压力值， PID高限报警 ，此时延时 2S后就需要增加一台泵以满足供水需要。 相对的，当用水量比较少时， 变频频率就会降低，但也不能无限将至 0HZ甚至以下，在实际应用中 ， 因为管网中是存在水压的，所以会施加一个反向力给水泵，同时也会阻止水池的水进入管网，所以变频频率不可能降至 0HZ，甚至在 10～ 20HZ时水泵已经无法将水送入管网，所以 PID模块低限报警设定值一般就为水泵不能送水的临界值，此值更加管网水压以及其他原因会有所不同，此系统中低限报警值设为 20HZ。 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。 即在接到高低限报警时不是立即执行增减泵操作，而是进行一定时间的延时，防止因偶然情况导致不必要 的增减泵，这样不仅会影响管网水压稳定，还使得泵起停频繁，使用寿命减短。 在本系统中定时为 30S，为了程序仿真方便，在仿真时此值设为 2S。 主电路接线图 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。 KM KM KM3 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 恒压给水系统简介 9 分别为电动机 M1 、 M2 、 M3 工频运行时接通电源的控制接触器， KM KM5 、 KM6 分别为电动机 M M M3 变频运行时接通电源的控制接触器。 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） 是电路 中的一种简单的短路保护装置。 使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载 [5]。 水泵主回路接线如图 所示。 工频电 QS FU1 FU2 FU3 KM7 KM1 KM2 KM3 KM4 FR1 KM5 FR2 KM6 FR3 图 水泵主回路接线图 R S T 变 频 器 U V W M1 M3 M2 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 恒压供水系统硬件配置 10 3 恒压供水系统硬件配置 可编程控制器 选型 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。 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。 可编程控制器具有丰富的输入 /输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。 在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软 件则需要根据要求进行设计 [6]。 PLC 结构如图 所示。 图 PLC的硬件结构框图 初期 的 PLC 只能进行开关量的控制，比较简单，系统的限制比较多随着自动化技术，计算机技术的发展， PLC 的功能越来越完善，顺序控制，模拟量处理让 PLC 在自动化领域扮演着越来越重要的角色 [7]。 现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量 PID 控制、通信网络等功能。 在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应 用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。 归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点： 1）编程方法简单易学 2）功能强，性能价格比高 3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 电源模块 存储器模块 CPU 模块 控制对象 编程器 通信模块 智能模块 操作模块 输出模块 输入模块 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 恒压供水系统硬件配置 11 PLC 是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图 所示。 扫描周期 输入采样 程序执行 输出刷新 程 刷新 输出 . ..... . ..... 读 序 写 ........ 图 PLC的扫描工作过程 PLC 的选型 首先是选择 PLC 的品牌，根据供水系统要求，结合可靠性，市场认可度及成本，泵课题选用西门子 S7 系列 PLC 作为控制器，因控制电路 I/O 点较少，选用小型 PLC 西门子 200PIC 即可 [8]。 水泵 M 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 需 由 PLC的 1个输出点， 三台泵的运行反馈停止反馈共需 6个输入点，系统的起停控制共需 7个输入点，三台泵的工频开关需 3个输入点，压力检测需一个模拟量输入点，变频器的 PID调节需一个模拟量输出点一个，所以本系统数字输入点共 19个，数字输出点共 7个，模拟输入点 1个，模拟量输出点 1个 [9]。 系统符号表如 图。 图 系统符号表 输入端 输入寄存器 元件寄存器 输出寄存器 输出端 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 恒压供水系统硬件配置 12 由于西门子 224XP包含 2个模拟量输入和 1个模拟量输出，不必额为添加模拟量出来模块，所以本系统选用门子 224XP作为控制器，技术参数如下： 表 CPU 常规参数 订货号 模块名称 模块描述 尺寸（ mm） 重量 功耗 6ES7 2142BD230XB8 CPU224XP AC/DC/继电器 14输入 /10继电器输出 140*80*62 440g 11W 表 CPU22X 相同的参数 PID 控制器 位处理数据 标志 /定时器 /计数器 集成通信端口 电源电压 数字量输入 数字量输出 最多 8个 256/256/256 RS 485 接口支持下列工 作模式： PPI 主站或从站/MPI 从站 /自由口 85264VAC 24V DC 5 – 30 V DC 或 5–250 V AC，最大 2 A（继电器） 表 CPU 特定数 据技术 规范 由于本系统共数字量输入点 19 个，输出点为 7 个， 224XP 自身集成的 I/O 点不能满足系统需要，需增加一个数字量扩展。