基于三菱plc的恒压供水系统毕业论文(编辑修改稿)

基于三菱plc的恒压供水系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

块种类很多 ,例如高速技术模块、 PLCA 控制模块、数字位置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能 I/O 模块等。 ⑸ 编程器 :它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 有的编程器还可与打印机或磁带机相连 ,以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上 ,磁带上的信息可以重新装入 PLC。 目前编程器主要有以下三种类型 :便携式编程器 (也 叫简易编程器 )。 图形编程器。 用于 IBM 一 PC 及其兼容机的编程器。 便于携带的特点 ,一般只能用指令形式编程 ,通过按键输入指令 ,通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。 图形编程器以液晶显示器 (LCD)或阴极射线管 (CRT)作屏幕 ,用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息 ,还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。 使用图形编程器可以月多种编程语言编程 ,梯形图显示在屏幕上十分直观。 图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连 接 ,有较强的监控功能。 但它的价格高 ,适用于中、大型可编程控制器的编程要求。 用于 IBM PC 及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器 ,也可直接编制成梯形图 ,其监控功能也很强。 编程器工作方式主要有编程和监控两种 ,编程工作方式是在 PLC 机处于停机状态时可以进行编程 ,它的功能主要是输入新的程序 ,或者对已有的程序予以编辑和修改。 监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪 ,一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视 ,也可以对成组器件 的工作状态进行监视 ,还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态 ,除搜索、监视、跟踪外 ,还可以对一些器件进行操作。 因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。 编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。 显示一般用液晶显示器 ,主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。 键盘有单功能键和双功能键 ,在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键 ,以选第 1 章 绪论 7 择其中一种方式工作。 现在产品越来越模块化 ,可编程控制器也不例外 ,它的结构紧密、坚固 ,外形小巧 ,CPU 本身只提供了一定数量 的数字输入和输出点数。 不同厂家、不同型号的 PLC的输入 /输出点数也不同 ,有的大型机输入 /输出点数可达 16K,而很多小型机仅有十来点 ,而且 CPU 本身不带模拟输入与输出 ,但 CPU 一般都带有扩展接口。 因此 ,用户选型后 ,所需的输入或输出点数不够时 ,就需对系统做出必要的扩展 ,各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。 扩展模板的外形一般也小巧、坚固 ,有易于接线的端子排 ,带有扩展总线或通过总线连接器与 CPU 相连。 主要有数字输入 /输出模板 ,模拟输入 /输出模板 ,热电阻、热电偶扩展模板 ,还有智能模板等许多具有专用功能的特 殊模板。 用扩展模板来扩展系统具有以下的优点 : 用户可根据自己时间控制系统的要求 ,选用各种合适的扩展模块对 PLC 作硬 件组态 ,以求达到各种功能或控制精度 ,同时节省开支 ,减少不必要的投资。 当已运行的系统需要改造或扩充时 ,PLC可以随时进行升级或改版 ,所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。 特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能 ,专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能 ,而且将进一步提高控制质量与可靠性。 PLC 的软件可分为系统软件和用户程序两大部分 : ⑴ 系统软件 :也称之为常驻的操作系统软件。 它又包括基本控制单元软件和编程软件两部分。 另外 ,一些特殊功能模块也带有自己的操作系统软件。 通常 ,一个 PLC 机架只能容纳一定数量的模块插件 ,这种包含主机模块和部分 I/O 模块的机架称为基本控制单元。 基本控制单元软件固化在主机模块的 EPROM 中 ,其主要功能为 :进行 PLC 自身的管理和监督 (如开机自检 ,运行中监督 CPU、电池电压是否正常 )。 循环解释运行用户程序。 集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支持用户程序的输入 ,也可以用来监控用户程序的执行过程。 当用户程序己装入 PLC 的存储器 ,编程器就可以被分离 ,基本控制单元将自动进入执行用户程序状态。 考虑到 PLC 内部结构的复杂性 ,系统软件应有专业技术人员进行设计 ,一般用户不允许直接设计系统的内部操作。 ⑵ 用户程序 :这是用户应用 PLC 进行控制所需要编制的程序。 目前 ,在 PLC 中普遍使用梯形图编程方法。 这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演变而形成的 ,突出了各编程原件之间的逻辑关系。 与硬接线的梯形图不同 ,PLC梯形图逻辑是由软件实现的 ,因此既形象直观便于编写 ,又易于扩展和修改功能。 华北理工大学机械工程学院 8 本课题主要研究内容 本课题是以小区供水系统为控制对象，采用 PLC与变频技术相结合，设计一套城市小区恒压供水系统。 具体包括以下内容： ⒈ 论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定设计的主要研究内容和研究方法。 ⒉ 分析了变频恒压供水系统节能的原理，确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程和工作原理；分析了在变频恒压供水中水泵切换的工作状况。 ⒊ 进行系统总体控制方案的设计。 硬件设备的选型， PLC 选型，估算所需 I/O点数，进行 I/O 模块选型，绘制硬件配置图、 I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出I/O分配表，使用相关软件设计控制程序，并对程序进行调试和修改。 第 2 章 系统理论分 析及控制方案确定 9 第 2 章 系统的理论分析及控制方案确定 变频恒压供水系统的理论分析 水泵 电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： n= )1(60 spf  （式 ） f:电源频率， p：电动机极对数， s：转差率。 从式 可知，三相异步电动机的调速方法有： ⑴ 改变 电源频率； ⑵ 改变电机极对数； ⑶ 改变转差率； 改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高；但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机械。 改变转差率调速是为了保证其较大的调速范围，一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，成本高而难以推广。 由公式可知，当转差率变化不大 时，异步电动机的转速 n基本上与电源频率f成正比。 而且随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工 作可靠的变频调速装置。 目前 风机泵类节能型变频器大多采用了改变输出频率和输出电压的比例关系的控制方式。 即改变频率的同时控制变频器的输出电压，使电动机的磁通保持一定弱磁和磁饱和现象的发生，以免电动机发热烧毁。 从而促进了变频调速的广泛应用。 变频恒压供水控制方案的确定 控制方案的比较和确定 从变频恒压供水的原理分析可知 ,该系统主要有压力传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。 系统 主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵 ,实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换 ,同时还要能对运行数据进行传输。 根据系统的设计任务要求 ,结合系统的使用场所 ,有以下几种方案可供选择 : 华北理工大学机械工程学院 10 ⒈ 有供水基板的变频器 +水泵机组 +压力传感器 这种控制系统结构简单 ,它将 PID 调节器和 PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上 ,通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能。 它虽然微化了电路结构 ,降低了设备成本 ,但在压力设定和压力反馈 值的显示方面比较麻烦 ,无法自动实现不同时段的不同恒压要求 ,在调试时 ,PID 调节参数寻优困难 ,调节范围小 ,系统的稳态、动态性能不易保证。 其输出接口的扩展功能缺乏灵活性 ,数据通信困难 ,并且限制了带负载的容量 ,因此仅适用于要求不高的小容量场合。 ⒉ 通用变频器 +单片机 (包括变频控制、调节器控制 )+压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便 ,具有较高的性能价格比 ,但开发周期长 ,程序一旦固化 ,修改较为麻烦 ,因此现场调试的灵活性差 ,同时变频器在运行时 ,将产生干扰 ,变频器的功率 越大 ,产生的干扰越大 ,所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。 该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。 ⒊ 通用变频器 +PLC+人机界面 +压力变送器 这种控制方式灵活方便。 具有良好的通信接口 ,可以方便地与其他的系统进行数据交换。 通用性强 ,由于 PLC 产品的系列化和模块化 ,用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。 在硬件设计上 ,只需确定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接线 ,当控制要求发生改变时 ,可以方便地通过 PC 机来改变存贮器中的控制程序 ,所以现场调试方便。 同时由于 PLC 的抗干扰能力强、可靠性高 ,因此系统的可靠性大大提高。 因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合 ,并且与供水机组的容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较和分析 ,可以看出“通用变频器 +PLC+人机界面+压力变送器”的控制方式更适合于本系统。 这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点 ,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。 恒压供水系统的组成及原理图 该课题具体是为实现小区恒压供水。 由于现在建筑均较高，故采用分层供水，低水位区（通常为 15层）直接接市政管网，仅以阀门调节水量。 而高水 位区选择使用一台变频器对多台水泵进行循环控制。 具体为由压力传感器检测出的水路管网出口端实际水压与设定水压进行比较，通过 PID控制算法对变频器进行实时控制。 管网铺设如图 所示： 第 2 章 系统理论分 析及控制方案确定 11 图 管网铺设图 华北理工大学机械工程学院 12 供水系统的恒压通过压力变送器、 PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。 根据水压的变化 ,由变频器调节电机转速来实现恒压。 供水系统框图如下图 所示 ： 图 恒压供水系统框图 选用三 台可调速泵由一台变频器控制，在一台可调速泵可以满足供水要求时，只开启一台水泵，由变频器调速，当该台水泵无法满足供水要求时将其由变频转为工频，变频器转而控制另一台水泵，以此类推，从而实现小区的恒压供水。 在夜间用水量虽小，但由于高水位区供水需要较高压力，故选择同型号水泵以满足供水要求。 同时增强设备互换性。 同时设一台备用泵，方便设备轮换，提高硬件可靠性。 为了减少对泵组、管道所产生的水锤 ,泵组配置电动蝶阀 ,开启水泵后打开电动碟阀 ,当水泵停止时先关电动碟阀后停机。 配备稳压罐来提高系统供水稳定性。 水泵的开启和关闭，变 频转工频等由 PLC 进行控制。 具体为由压力传感器检测出的水路管网出口端实际水压与设定水压进行比较， 同时检测入口处压力，防止空吸。 通过 PID控制算法对变频器进行实时控制。 控制流程如图 ： 控制算法 压力变送器 水泵机组 变频器 Ps f △ P f Pt Pr 第 2 章 系统理论分 析及控制方案确定 13 图 本系统的人机界面采用触摸屏，通过触摸屏使用者可以直观看到水泵机组运行状况，并进行现场手动控制。 由上图可看出系统可分为 :执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分 ,具体为 : ⑴ 执行机构 :执行机构是由一组 水泵组成 ,它们用于将水供入用户管网 ,由变频泵构成 ,变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵 ,用以根据用水量的变化改变电机的转速 ,以维持管网的水压恒定。 在变频调速恒压供水系统中 ,这样构成水泵组有下几个原因 :用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵 ,使水泵选型容易 ,同时这种结构更适合于大功率的供水系统。 供水系统的增容和减容容易 ,无需更换水泵 ,只要再增加恒速泵即可。 以小功率的变频器代替大功率的变频调速器 ,以降低系统成本 ,增加系统运行可靠性。 在用水量不太大时 ,系统中不是所有的水泵在运行 ,这样可以提高水泵的运行 寿命 ,同时降低系统的功耗 ,达到节能的目的。 ⑵ 信号检测机构 :在系统控制过程中 ,需要检测的信号包括水压信号和报警信号。 水压信号反映的是用户管网的水压值 ,它是恒压供水控制的主要反馈信号。 报警装置 人机界面 通信接口 接触机组 PLC 变频器 压力变送器 M1 M4 M3 M2 稳压罐 供水管网 工频电网 华北理工大学机械工程学院 14 此信号是模拟信号 ,由变频器自带 A/D 转换模块读入变频器，并在变频器中进行PID 运算。 另外为加强系统的可靠性 ,还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测 ,检测结果可以送给 PLC,作为数字量输入。 报警信号反映系统是否正常运行 ,水泵电机是否过载、变频器是否有异常 ,该信号为开关量信号。 ⑶ 控制机构 :供水控制系统。