基于plc的恒压供水泵站系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的恒压供水泵站系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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 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 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 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 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 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，称之为供水系统的工作点，如图 所示点 A。 只有在这一点，供水系统的供水流量 Qc 和用户的用水流量 Qu 处在平衡状态，供水系统既符合了管阻特性，也满足了扬程特性 ，系统平稳运行。 管 阻 特 性AQHH AQ A扬 程 特 性 图 恒压供水系统基本特征 水泵、电动机、管道和阀门等构成变频恒压供水系统供水部分。 通过异步电动机驱动供水泵旋转供水，将电机和水泵做成一个整体， 通过变频器改变异步电机的转速，从而改变水泵的出水量以实现恒压供水。 所以，异步电动机的变频调速是供水系统变频的实质。 通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现异步电动机的变 10 频调速。 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。 阀门控制法通过调节阀门开度以调节流量，水泵电机转速恒定不变。 其实质为经调节水路中的阻力以改变流量，因此，管阻随阀门开度变化而变化，但是其扬程特性不变。 在实际用水中，水需求量是实时变化的，如果在一段时间内阀门开度保持不变，必然出现超压或欠压现象。 转速控制法则是 通过改变电机转速来调节供水流量，不改变阀门开度，是通过改变水的动能来改变流量。 因而，扬程特性随水泵电机转速的变化而变化，其管阻特性没有发生变化。 变频调速的供水方式为转速控制。 它的工作原理是通过用户用水需求量的改变自动调整水泵电机转速，以达到管网压力始终保持恒定的目的，用水量减小时电机减速，用水量增大时电机加速。 从流体力学可得，水泵向管网供水时，水泵的输出功率 P 与出水流量 Q 和管网的水压 H 的乘积成正比；水泵转速 n 与出水流量 Q 成正比；管网水压 H 与出水流量Q 的平方成正比。 综上关系可得，水泵输出功率 P 与转速 n 三次方 成正比，即： HQkP1 () Qkn 2 () 23QkH。