基于PLC控制的小區(qū)高層集中供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目申報(bào)書學(xué) 院：機(jī)械電氣化工程學(xué)院項(xiàng)目名稱：基于plc控制的小區(qū)高層集中供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目類型： 創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目負(fù) 責(zé) 人：指導(dǎo)教師：李建軍塔里木大學(xué)教務(wù)處二一三年三月填 寫 須 知一、項(xiàng)目分類說明：1.創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是本科生個(gè)人或團(tuán)隊(duì)，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，自主完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、設(shè)備和材料的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析、總結(jié)報(bào)告撰寫等工作。2.創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目是本科生團(tuán)隊(duì)，在導(dǎo)師指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)中每個(gè)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中扮演一個(gè)或多個(gè)具體的角色，通過編制商業(yè)計(jì)劃書、開展可行性研究、模擬企業(yè)運(yùn)行、進(jìn)行一定程度的驗(yàn)證試驗(yàn)，撰寫創(chuàng)業(yè)報(bào)告等工

2、作。3.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目是學(xué)生團(tuán)隊(duì)，在學(xué)校導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)下，采用前期創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)）的成果，提出一項(xiàng)具有市場(chǎng)前景的創(chuàng)新性產(chǎn)品或者服務(wù)，以此為基礎(chǔ)開展創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)。申報(bào)該類項(xiàng)目需額外提交企業(yè)導(dǎo)師合作指導(dǎo)協(xié)議書作為附件。二、申報(bào)書請(qǐng)按順序逐項(xiàng)填寫，填寫內(nèi)容必須實(shí)事求是，表達(dá)明確嚴(yán)謹(jǐn)?？杖表?xiàng)要填“無”。三、申請(qǐng)參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的人數(shù)含負(fù)責(zé)人在內(nèi)不得超過5人。四、填寫完后用a4紙張雙面打印，不得隨意涂改。項(xiàng)目名稱基于plc控制的小區(qū)高層集中供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目起止時(shí)間 2013 年 5 月 至 2014 年 12 月負(fù)責(zé)人姓名年級(jí)所在學(xué)院、專業(yè)聯(lián)系電話e-mail項(xiàng)

3、目組成員指導(dǎo)教師姓名李建軍職務(wù)/職稱講師所在學(xué)院機(jī)械電氣化工程學(xué)院聯(lián)系電-導(dǎo)師簡(jiǎn)介李建軍，男，漢族，1972年8月出生，講師，工學(xué)碩士，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)。主要從事電能質(zhì)量、可再生能源發(fā)電的研究。主持塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目基于太陽能的棉花智能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與研究（tdzkss201321）1項(xiàng)，參與兵團(tuán)基金項(xiàng)目基于計(jì)算機(jī)視覺變量噴霧機(jī)的設(shè)計(jì) (2007gg15)和農(nóng)業(yè)剩余物制取木醋液熱解工藝與設(shè)備的研究 (2008gg17)2項(xiàng)目。發(fā)表論文5篇，其中核心期刊2篇。一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介（300字左右）項(xiàng)目在現(xiàn)有生活小區(qū)供水管

4、網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套基于plc的恒壓自動(dòng)供水控制系統(tǒng)。主要包括西門子plc、變頻器以及控制系統(tǒng)等組成。運(yùn)用西門子step7-micro/win4.0編程軟件，進(jìn)行控制系統(tǒng)編程調(diào)試，系統(tǒng)用plc 進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，經(jīng) pid 運(yùn)算，plc 進(jìn)行控制變頻和工頻切換，從而使閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)恒壓，進(jìn)行變量供水。其中系統(tǒng)的硬件配置dc24vs7-200型plc、0.38kv三菱0.55kw變頻器模擬小區(qū)供水控制系統(tǒng)。二、申請(qǐng)理由（包括自身/團(tuán)隊(duì)具備的知識(shí)條件、特長(zhǎng)、興趣等）三、項(xiàng)目方案（項(xiàng)目?jī)?nèi)容、項(xiàng)目目標(biāo)、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案）項(xiàng)目?jī)?nèi)容：1、本項(xiàng)目供水控制系統(tǒng)主要由plc、變頻器、

5、遠(yuǎn)傳壓力表和多臺(tái)水泵機(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)建，為提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備投資，采用一臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。2、設(shè)計(jì)plc控制程序，實(shí)現(xiàn)水泵的變頻起動(dòng)，保證水泵從變頻到工頻的可靠、安全的切換。3、設(shè)定pid調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，維持供水壓力恒定。項(xiàng)目目標(biāo)：1、使用簡(jiǎn)單、編程靈活的西門子plc和內(nèi)置pid調(diào)節(jié)模塊的三菱變頻器作為主要控制設(shè)備，利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水。2、以閉環(huán)控制方式不斷采集傳感器反饋的管網(wǎng)水壓信號(hào)，經(jīng)過 pid運(yùn)算調(diào)節(jié)，不斷與給定值進(jìn)行比較，控制變頻器輸出頻率變化，實(shí)現(xiàn)變頻

6、恒壓供水的目的。3、可通過自動(dòng)工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等方式確保供水，具有故障實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能。4、根據(jù)項(xiàng)目中的理論要求及技術(shù)路線寫出1-2篇論文（爭(zhēng)取有一定的價(jià)值并得到發(fā)表）。技術(shù)路線：如圖1所示為生活消防供水系統(tǒng)流程圖。系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行參數(shù)設(shè)定（變頻器、時(shí)間計(jì)數(shù)器等的參數(shù)），系統(tǒng)進(jìn)行初始化。之后系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，若是系統(tǒng)內(nèi)部有故障，則系統(tǒng)中顯示裝置顯示“系統(tǒng)故障，建議使用旁路控制供水泵的工作。系統(tǒng)若無故障，自檢沒有結(jié)束，則系統(tǒng)從新自檢，直至自檢完成。自檢結(jié)束后，系統(tǒng)啟動(dòng)生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)程序。無火災(zāi)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)生活供水程序（一水泵供水）。出現(xiàn)火災(zāi)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)

7、停止生活供水功能，轉(zhuǎn)為消防供水。當(dāng)火災(zāi)信號(hào)消失后，系統(tǒng)重新轉(zhuǎn)為生活供水程序。圖1 供水系統(tǒng)流程實(shí)驗(yàn)方案：1、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及選擇水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：式中，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；轉(zhuǎn)速差可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。由上式可得通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式，這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器，項(xiàng)目擬采用變頻調(diào)速方式控制恒壓供水系統(tǒng)。2、根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)方案，泵站恒壓供水電氣系統(tǒng)可由以下幾部

8、分組成（1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供工頻及變頻電源；（2） 電氣控制電路：成對(duì)主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的切換；（3） 變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測(cè)信號(hào)，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動(dòng)頻率等信號(hào)；并能實(shí)現(xiàn)pid調(diào)節(jié)；（4）plc 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對(duì)恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號(hào)指示報(bào)警及與上位機(jī)的通訊聯(lián)絡(luò)。3、電控系統(tǒng)主電路如圖2所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為m1、m2、m3。接觸km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運(yùn)行；接觸器km2、km4、k

9、m6分別控制m1、m2、m3的變頻運(yùn)行，bb1、bb2、bb3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；qa1、qa2、qa3、qa4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的斷路器；qa0主電源開斷路器，vvvf為一般變頻器。正常情況下，系統(tǒng)啟動(dòng)后經(jīng)過變頻器控制水泵的開啟。系統(tǒng)按照給定工作情況工作：生活供水時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)一臺(tái)水泵輪換工作，當(dāng)水管壓不足時(shí)，變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得水壓升高。當(dāng)水管壓力過高時(shí)，變頻器頻率降低，水壓降了下來；消防供水時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)兩臺(tái)水泵供水，當(dāng)壓力不足時(shí)，變頻器頻率增大，使得水泵供水量增大，當(dāng)壓力還不能滿足需要時(shí)，可以啟動(dòng)第三臺(tái)水泵。當(dāng)消防任務(wù)完成后，系統(tǒng)水泵開啟數(shù)逐個(gè)退出，直

10、到剩下一臺(tái)水泵時(shí)為止。變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)喪失自動(dòng)供水功能，這時(shí)可通過旁路控制來實(shí)現(xiàn)生活消防供水，而控制電路可以在此期間檢修后投入使用。圖2 系統(tǒng)主電路圖四、項(xiàng)目特色與創(chuàng)新1、在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵抽水量得以實(shí)現(xiàn)的。并且水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。2、變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、計(jì)算機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，變頻

11、器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給plc的pid模塊，plc根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)pid運(yùn)算發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。3、根據(jù)德國(guó)simens公司的s7-200系列cpu中的pid算法的實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用step7-micro/win4.0編程軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)用于供水系統(tǒng)壓力控制的pid控制器，該控制器對(duì)壓力給定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。4、管網(wǎng)閥門動(dòng)作和電機(jī)接觸器動(dòng)作都通過中間繼電器上接plc輸出端口；壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩

12、個(gè)信號(hào)反饋給plc的模擬量輸入端口，控制系統(tǒng)根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的起停、運(yùn)行和調(diào)速，自動(dòng)實(shí)行變頻一工頻的切換，自動(dòng)完成相應(yīng)閥門的開關(guān)。工人操作簡(jiǎn)單，極大的減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。五、項(xiàng)目預(yù)期成果1、運(yùn)用西門子軟件建立模擬系統(tǒng)模型。2、設(shè)計(jì)恒壓供水控制模擬系統(tǒng)。3、寫出出1-2篇論文（爭(zhēng)取有一定的價(jià)值并得到發(fā)表）。六、項(xiàng)目進(jìn)度安排2013.5-8 根據(jù)所收集的資料以及制定的方案，對(duì)主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。2013.8-12 對(duì)控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件調(diào)試，模擬仿真分析；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)供水裝置總體構(gòu)架，形成技術(shù)資料。2014.3-6 繼續(xù)對(duì)其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性

13、。2014.7-9 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)裝置進(jìn)行改進(jìn)，使該供水裝置達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。2014.10-12 收集并整理項(xiàng)目所涉及的資料，撰寫結(jié)題報(bào)告準(zhǔn)備結(jié)題。七、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃1、資料調(diào)研及文?。ㄙ?gòu)買書籍，文獻(xiàn)檢索，資料打印等）：0.15萬2、儀器設(shè)備費(fèi)0.35萬（接觸器6臺(tái)，空氣開關(guān)3臺(tái)，1.5mm導(dǎo)線若干，萬能表一臺(tái)，萬用電路板若干；電烙鐵2把，錫絲若干以及各種輔助工具等）上述的材料的郵費(fèi) 。3、用于實(shí)驗(yàn)的西門子軟件一套0.2萬元4、論文發(fā)表費(fèi)用（版面費(fèi)，審稿費(fèi)等）：0.35萬5、能源及其它：0.15萬合計(jì)：1.2萬元指導(dǎo)教師意見：該項(xiàng)目立意新穎，適合用于城鎮(zhèn)小區(qū)需求，研究方案合理，項(xiàng)目成員具有良好的思想品德素質(zhì)，都具備強(qiáng)烈的