PLC和變頻器在城市節(jié)能供水系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)論文.doc

目錄1緒論.12設(shè)計(jì)功能及方案論證.12.1設(shè)計(jì)功能.12.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析及方案論證.12.3系統(tǒng)控制方框圖.23.系統(tǒng)硬件選型.33.1PLC可編程控制器部分.33.1.1PLC概述.33.1.2PLC選型和性能指標(biāo).53.1.3PLC內(nèi)部分配.53.2變頻器的概述及選型.63.3傳感器的介紹及選型.73.4模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊.83.5觸摸屏顯示器.93.6軟起動(dòng)器.94硬件電路設(shè)計(jì).104.1主電路控制電路圖.105軟件設(shè)計(jì).115.1水位控制部分.115.2壓力控制部分.135.3機(jī)械故障處理部分.176結(jié)束語.17致謝.17參考文獻(xiàn).1911緒論目前，在城市供水系統(tǒng)中，還有很多高樓、生活小區(qū)、邊郊企業(yè)等采用高位水塔或直接水泵加壓供水方式，在用水量大時(shí)電機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，而在用水量小時(shí)則會(huì)停機(jī)或切換到空運(yùn)行狀態(tài)。這種情況下，一方面要消耗大量的電能，造成能源的浪費(fèi)；另一方面由于用水量具有很大隨機(jī)性，傳統(tǒng)方式在用水波動(dòng)時(shí)難以保持其實(shí)時(shí)性。針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了一套變頻恒壓供水系統(tǒng)，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)的控制過程中，采用了PLC控制及交流變頻調(diào)速技術(shù)，并在控制算法的實(shí)現(xiàn)上提出了一種利用PLC梯形圖編程語言實(shí)現(xiàn)模糊控制的新方法，徹底取代了高位水塔或直接水泵加壓供水方式，為城市供水系統(tǒng)的建設(shè)提出了一條極具推廣應(yīng)用的新途徑。當(dāng)前國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)中仍使用傳統(tǒng)的恒速泵組切換加壓的供水方式，其水壓不穩(wěn)且浪費(fèi)電能。有文獻(xiàn)介紹，我國(guó)每年水泵消耗的電能約占電能總耗的20%以上，而電耗又占水費(fèi)成本的60%以上，故如何優(yōu)化對(duì)水泵的控制具有重要的意義，很多文獻(xiàn)曾做過有益的探索，本文針對(duì)小區(qū)的工況開發(fā)出以可編程控制器，和變頻調(diào)速為核心的恒壓供水控制系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易緊湊水壓波動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)可靠，運(yùn)行一年節(jié)約的電費(fèi)就為該企業(yè)收回技改設(shè)備投資。2設(shè)計(jì)功能及方案論證2.1設(shè)計(jì)功能本控制系統(tǒng)具有供水機(jī)組的啟動(dòng)、變頻運(yùn)行、工頻運(yùn)行和過熱保護(hù)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換、在線監(jiān)控及在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)的電機(jī)過熱保護(hù)，故障報(bào)警等功能。其具體控制要求如下：(1)本系統(tǒng)提供手動(dòng)自動(dòng)兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報(bào)警等功能。(2)模擬量壓力輸入經(jīng)PID運(yùn)算，輸出模擬量控制變頻器（3）在自動(dòng)方式下，當(dāng)系統(tǒng)水壓力低于設(shè)定壓力下限時(shí)，三組電機(jī)將根據(jù)系統(tǒng)水壓與設(shè)定水壓的比較投入工作運(yùn)行，分為工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行和停止三種工作狀態(tài)（4）根據(jù)水位限制和壓力限制來確定系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，并能夠?qū)崟r(shí)報(bào)警。（5）根據(jù)壓力的變化能夠確定用水量是否超過供水負(fù)荷，并能夠及時(shí)的預(yù)警和報(bào)警。（6）系統(tǒng)可以在線調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)控。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析及方案論證目前國(guó)內(nèi)多數(shù)供水企業(yè)水泵類機(jī)械的典型電氣傳動(dòng)仍是用鼠籠式異步電動(dòng)2機(jī)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但其本身調(diào)速較難，故常為恒速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)需要調(diào)節(jié)流量時(shí)，則采用調(diào)節(jié)閥門的方法，這至少浪費(fèi)20%的能源。統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)每年水泵消耗的電能約占電能總耗的20%以上，而電耗又占水費(fèi)成本的60%以上。隨著變頻調(diào)速控制技術(shù)日益完善，采用變頻調(diào)速控制方式來調(diào)節(jié)流量，在節(jié)電方面是有效的方法，因?yàn)榱髁颗c轉(zhuǎn)速成正比，而電動(dòng)機(jī)的消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低使泵出口流量減少時(shí)，消耗功率會(huì)大幅度下降，從而達(dá)到節(jié)電目的。例如轉(zhuǎn)速降低20%50%，可節(jié)電50%80%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于居民區(qū)用水量變化大，電氣傳動(dòng)方案宜采用多臺(tái)拖動(dòng)水泵的電機(jī)并聯(lián)傳動(dòng)取代拖動(dòng)1臺(tái)大水泵的電機(jī)傳動(dòng)，這樣可以根據(jù)不同用水情況合理地增加或切掉水泵，從而提高水泵工作效率，增加靈活性。根據(jù)供水量和揚(yáng)程量確定水泵的容量和數(shù)量，通常是13臺(tái)泵和1臺(tái)輔助小泵。如果只采用一臺(tái)變頻調(diào)速器(VVVF)順序拖動(dòng)各臺(tái)泵的電機(jī)，那么可減少投資，因?yàn)樽冾l調(diào)速裝置的成本一般要占整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)成本的四分之三。由PLC控制四臺(tái)拖動(dòng)水泵的電機(jī)啟動(dòng)和停止，及在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間進(jìn)行切換運(yùn)行，并可通過程序控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)(任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行超過規(guī)定時(shí)間)停機(jī)輪休，防止燒壞變頻器，以延長(zhǎng)泵組的使用壽命。以上系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有以下方案可供選擇：（1）單片機(jī)控制，利用壓力變送器和水位限制器、及A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換電路，89C51、變頻器及一些附屬電路和相關(guān)參數(shù)的繼電器，也可以實(shí)現(xiàn)上述功能，利用單片機(jī)控制具有控制單元小、，占地面積小、成本低、控制電路電耗小等優(yōu)點(diǎn)，但是，單片機(jī)及相關(guān)的附屬電路工作在大電流、高沖擊的電磁環(huán)境，具有比較差的穩(wěn)定性，另外，由于長(zhǎng)期的連續(xù)運(yùn)行，元器件老化比較快，因此，利用單片機(jī)控制具有故障率高，壽命短的缺點(diǎn)。（2）恒壓供水控制器控制，利用恒壓供水控制器、變頻器及附屬電路和相關(guān)參數(shù)的繼電器也可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水功能，但是恒壓供水控制器具有不可編程性，因此在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控性能差，不易實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算，控制的精度不夠高，相關(guān)的報(bào)警、故障診斷電路比較復(fù)雜。（3）PLC控制，利用PLC、變頻器及相關(guān)的繼電器控制，可以完全實(shí)現(xiàn)上述的控制功能，具有控制精度高，高度節(jié)能、具有良好的人機(jī)界面、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便、能夠適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境、具有壽命長(zhǎng)、故障率低等一系列的優(yōu)勢(shì)。因此，經(jīng)過慎重的論證，本設(shè)計(jì)采用PLC控制作為核心的控制單元。2.3系統(tǒng)控制方框圖本控制系統(tǒng)有可編程控制器（PLC）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、傳感器部分、監(jiān)控對(duì)象和電控回路組成。其硬件功能框架圖如圖1所示。3圖1恒壓供水控制系統(tǒng)示意圖3系統(tǒng)硬件選型3.1PLC可編程控制器部分3.1.1PLC概述PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計(jì)算機(jī)1，其結(jié)構(gòu)與一般的計(jì)算機(jī)相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口以及電源等組成。CPU單元由微處理器、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器以及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等組成，它是PLC的核心部件，是由大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路微處理芯片構(gòu)成，主要完成運(yùn)算和控制任務(wù)，可以接收并存儲(chǔ)從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，用掃描的方式接收輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，從內(nèi)存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產(chǎn)生控制信號(hào)。分時(shí)、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設(shè)計(jì)的邏輯或算術(shù)運(yùn)算任務(wù)，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制輸出設(shè)備。存儲(chǔ)器單元按照物理性能分為兩類，隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。隨機(jī)存儲(chǔ)器由一系列寄存器陣組成，每位寄存器可以代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，在剛開始工作時(shí)，它的狀態(tài)是隨機(jī)的，只有經(jīng)過置“1”或清“0”的操作后，它的狀態(tài)才確定。若關(guān)斷電源，狀態(tài)丟失。這種存儲(chǔ)器可以進(jìn)行讀、寫操作，主要用來存儲(chǔ)輸入輸出狀態(tài)和計(jì)數(shù)器、定時(shí)器以及系統(tǒng)組態(tài)的參數(shù)。為防止斷電后數(shù)據(jù)丟失，可采用后備電池進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)，一般可以保存5年，當(dāng)電池電壓降低時(shí)，欠電壓指示燈發(fā)光，提醒用戶更換電池。只讀存儲(chǔ)器在兩種，一種是