基于plc的恒压供水泵站系统设计论文

基于plc的恒压供水泵站系统设计论文内容摘要：

放性等 诸 多方面的综合技术指标来说，还远 未 达到所有用户的要求，只适用于小容量，控制要求不高的供水场所 [4]。 虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱。 变频调速恒压供水系统正在经历一个逐步完善的发展过程，早期的单泵恒压系统正在被多泵恒压系统取代。 虽 然 说 单泵产品系统设计简 单 可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率 偏 低，而多泵型产品 因 投资更为节省，运行效率更 高， 经 实际证明是最优的系统设计， 必将快速 发展成为 供水的 主导产品。 该产品正在向着高可靠性 、全数字化微机控制、多品种系列化 等 方向发展。 追求高度 的 智能化、系列 的 标准化 将 是未来供水设备 满足 城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 本文的结构 本文以普通城市小区恒压供水作为应用背景，对基于 PLC 的变频调速技术进行研究。 全文共分为七章，各章的主要内容如下： 第一章简略的介绍了供水系统的发展历程，目前国内外变频调速恒压供水系统的研究现状以及相关背景； 第二章主要通过分析系统的控制要求，确定了系统的整体设计方案，并对系统结构进行分析； 第三章 对变频恒压供水进行了原理性分析，为系统设计提供理论基础； 第四章主要对控制系统硬件部分进行设计，并对所需元件进行选型，设计出系统的电气原理图与 I/O 口外围接线图； 第五章对系统软件部分进行总体设计，介绍了各软件程序部分设计过程，重点研究压力采集程序与 PID 部分，并列举典型程序； 第六章主要对 PLC 程序进行仿真软件调试和实验室调试，然后对仿真结果进行验证分析，并总结不足之处； 第七章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 4 第二章 恒压供水系统控制方案确定 系统设计要求 本 设计是以 普通 小区供水系统为控制对象 ， 设计一套城市小区恒压供水系统， 保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。 根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。 完成 硬件设备选型、 PLC 选型，估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、 I/O 连接图，分配 I/O点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改。 结合以上要求可知此次设计宜采用 PLC 控制变频恒压 的 供水系统 ， 主要 由 变频器、可编程控制器、压力 传感器 和现场 的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 4 台水泵 （ 3 台水泵为常规供水泵， 1 台为辅助泵 ） ，采用部分流量调节方法，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下 做 变速运行，其余水泵做恒速运行。 此设计系统以设定压力为控制目标，以 PID 为控制算法，和变频器 、水泵、压力传感器 组成恒压闭环控制系统。 系统 实时 跟踪管网压力与压力设计值偏差变化情况，经 PLC 进行 PID 运算， 输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定 ， 由 PLC 控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投运台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供 水 [5]。 原理图如图 所示 设定压力 + 图 变频恒压供水系统调节原理图 PID 调节 变频器 水泵 压力检测 PLC 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 5 变频恒压供水系统 结构分析 图 供水系统结构图 如图 ，整个系统由 四 台水泵，一台变频调速器，一台 PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。 四 台水泵中 每台泵的出水管 都安装 手动阀，以 方便 维修和调节水量，三台 常规水 泵协调工作以满足 实际 供水需要 ，辅助泵仅在自动状态启动前处于启动状态，在自动状态启动后关闭 ； 在 变频供水系统中检测管 网 压力的压力传感器， 通常 采用电阻式传感器 (反馈 0～ 5V电压信号 )或压力变送器 (反馈 4～ 20mA电流 信号 )；变频器 作为 供水系统的核心 器件 ，通过改变电机的频率 来 实现电机的无级 调速、无波动稳压的效果和各项功能。 可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测 机构 、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分 构 成。 (1) 执行机构 执行机构 是由水泵 组构 成，它们用于将水供 给 用户管网，图 3个 常规 水泵分为二种类型 : 调速泵 :是由变频器控制可以变频调 速 的水泵，根据用水量的变化 情况 改变电机的转速， 用 以维持管网水压 的 恒定。 S7200 PLC 压力传感器 变频器 1泵 2泵 3泵 辅助泵 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 6 恒速泵 :水泵只 工作 在工频状态，速度恒定。 它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足 的情况下 ，对供水量进行定量补充。 (2) 信号检测 在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和 危险 报警信号 : 1) 水压信号 :它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。 2) 报警信号 :它反映 系统是否正常运行， 水库液位是否超限 、变频器是否有异常。 该信号为开关量信号。 (3) 控制系统 供水控制系统 通常 安装在供水控制柜中， 共 包括供水控制器 (PLC系统 ) 、变频器和电控设备三部分。 1） 供水控制器 :它是变频恒压供水控制系统的核心 器件，包括变频器和电控设备。 供水控制器直接 采集 系统中的工况、压力、报警信号，对人机接口和通讯接口 所提供 的数据信息进行分析、实施控制算法，得出 控制 执行机构的方案，通过变频器和接触器对执行机构 (水泵 ) 进行 规律 控制。 2） 变频器 :主要作用是实现对 水泵进行转速控制。 变频器 根据 供 水控制器送来的控制信号 来 改变调速泵的运行频率， 实现 对调速泵的转速控制。 3） 电控设备 :它 包括 一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件。 应 用 于在供水控制器的控制下 实现 对水泵的切换、手 动 /自动切换等。 (4) 人机界面 人机界面是人与机器 进行 信息 交互 的场所。 借助于 人机界面，使用者可以 完成更改设定压力，修改系统设定 等操作 以满足不同工艺的需求，同时使用者 还 可以从人机界面上 了解 系统的运行情况 以 及设备的工作状态。 同时通过 人机界面报警进行显示 ，使用者 还可以对系统的运行过程进行监示。 (5) 通讯接口 通讯接口 作为 本系统 的重要组成部分， 借助于该 接口，系统 能够 和组态软件以及其他的工控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以 把 现代 较为 先进的网络技术应用 到 本系统中， 类似于 可以对系统进行远程诊断和维护等。 (6) 报警装置 在 一个控制系统 中 ，报警 必须 是 不可或缺 的组成部分。 由于本系统 在 不同的供水领域 均可适用 ，所以为 实现 系统可靠、平稳 、 安全 的运行，防止因 为 电机过载、变频器 运行 报警、电网波动 过大 、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等 原因造成的故障，因此系统 需要 对各种报警 量 进行监测， 然后通过 PLC判断报警类别，进 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 7 行 报警 显示和保护动作 控制，以免造成 本可避免 的损失 [5]。 变频恒压供水系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下 : （ 1) 自动运行 闭合 自动开关后， 1泵电机 有 电，变频器输出频率从 0Hz 开始 上升，同时 PID调节程序将接收 自压力传感器 的信号，经运算 后 与 系统 给定压力 值 进行比较， 把 调节参数 传送到 变频器，如 果 压力不 足 ，则频率上升，直到 50Hz（理论） ， 1泵由变频运行切换 到 工频，同时 2泵变频启动，变频器频率逐渐上升 ，直到满足供水 需要，加泵 规律 依 此 类推； 当 用水量减小 即 压力过大，变频器持续出现下限频率，则 切除一台工频泵，达到使 供水压力恒定的目的。 若 出现 电源瞬时停电的情况，系统 立即停止运行。 等 待电源恢复后，系统 将 自动恢复运行，然后按 照 自动运行方式启动 1泵变频 运行（与上述规律相同） ，直 到达到 给定水压值 ，系统 稳定运行。 该系统最基本的功能 是 变频自动控制，系统 可 自动 实现 对 水 泵的软启动、循环变频 、停止等 操作过程。 (2) 手动运行 当 压力传感器 故障或变频器 发生 故障时，为 保障 用水， 三台常规泵 可以手动控制工频运行。 (3) 停止 转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。 (4) 采用 “ 规律 自动切换” 原则 “ 规律 自动切换” 原则 指 水泵运行 连续 在 某一种控制规律 下时间达到 所 设定时间时自动换泵运行。 这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止 个别供水 泵运行时间过长 损耗 ，而有的泵 因 长时间不用而锈死，从而 有效的 延长了设备的寿命。 (5) 平稳切换 ，恒压控制 主水管网 采集到的 压力信号经 压力传感器与 PLC 的扩展模块 PID 运算 传 送给变频器，并给出直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定 的 信号。 当 正 在运行的 供 水泵全速运行， 但仍 未达到给定压力 值 时，切换变频泵到工频运行， 通过 变频器 软 启动另一台 供水 泵。 (6) 完善 的 保护、报警功能 在供电控制 回路上对工频 、 变频电源实现电气 与 机械互锁，防止产生短路。 由于 水泵功率较大，为 了避免 直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 8 来启动水泵 [9]。 第三章 变频恒压供水系统原理分析 电动机的调速原理 交流电动机的同步转速 Pfn 11 60 （ ） 式中 1n 同步转速， r/min； 1f 定子频率， Hz； P 电机的磁极对数。 而异步电动机转速 )1(60)1( 11 sP fsnn  （ ） 式中 s 异步电机转差率， 11 /)( nnns  ，一般小于 3%。 从上式可知，三相异步电动机的调 速方法有 [6][7]： (l) 改变电源频率 (2) 改变电机极对数 (3) 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 运行 时转速变化大，转矩变化 也 大，因此 仅在 特定转速的生产机器 中适用。 变转差率调速 中 为 确保 其较大的调速范围 在一般情况下 采用串级调速方式， 它的 最大优点 在于 可回收转差功率，具有良好的 节能效果，且 其 调速性能好，但 是其 线路过复杂，中间环节的电能损耗增加 ， 由于 成本 较高 而影响 了其推广使用 价值。 下面 对 改变电源频率调 速的方法及特点 进行 重点分析。 由 公式可 得 ，转差率 基本不变的情况下 ， 三相 异步电机的转速 n 基本与电源频率 f 成正比。 电源频率连续调节，就 能够 平滑 的 改变电动机的转速 n。 但 仅通过 电源 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 9 频率调节， 最终 导致电机运行性能 的 恶化。 伴 随着电力电子技术的 不断 发展，出现了 多种 性能 优越 、工作 稳定 的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。 变频恒压 供水 系统的节能原理 供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 两者 之间的关系曲线，如图 所示。 因为 在阀门开度和水泵转速不变 的情况下，流量的 值 主要取决于用户的用水 量 ，因此，扬程特性反映的是扬程 H 与用水流量 Qu 间的关系 H=f(Qu)。 管阻特性 则 是以水泵的转速 恒定 为前提 的 ，表 示 扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 （ 阀门在某一开度下 ） ，如图 所示。 管阻特性 说明了 水泵能量 被 用来克服 水 泵系统的压力及水位差、 液体 在 供水 管道中流动阻力的变化规律。 改变阀门开度，实际上改变 的是 在某一扬程下，供水系统 面向用户的供水能力。 因此，管阻特性反映的是扬程与供水流量 Qc 之间的关系H=f(Qc)。 管阻特性曲线 和 扬程特性曲线的交点，。