恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案說明書

1、 PLC（西門子）設(shè)計說明 第一章 緒論摘要：隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢 本論文分析恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，采用變頻器和PLC實現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸。最后對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 本論文的變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)許多實際的供水控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，并取得穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實時性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。關(guān)鍵字

2、：恒壓供水；PLC； 1.1設(shè)計的背景與意義隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定

3、性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。第二章設(shè)計方案2.1恒壓供水系統(tǒng)2.1.1設(shè)計特點命變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(1) 供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:壓力、流量)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。

4、(3) 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。(4) 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。(5) 用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量

5、的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽。2.1.2課題研究的對象圖2-1 供水流程簡圖如果是高層樓，那么對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖所示，這是設(shè)計的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。 2.1.3系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2 系統(tǒng)原理圖如圖2.3所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻

6、式傳感器(反饋05V電壓信號)或壓力變送器(反饋420mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報警裝置等部分組成。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖2.3中的3個水泵分為二種類型:調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。(3)控制

7、系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。變頻器:它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。 2.1.4 工作原理合上空氣開關(guān)

8、，根據(jù)壓力設(shè)定值與壓力實際值的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達(dá)上限，會將頻率到達(dá)信號送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達(dá)上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當(dāng)變頻器運行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當(dāng)前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。此時PID會繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值

9、的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3泵。開始時，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運行，其運行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運行。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時，變頻器輸出頻率降低，水

10、泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調(diào)速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當(dāng)最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動輔泵投入調(diào)速運行，從而達(dá)到節(jié)能效果。2.2控制結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計2.2.1 plc程序設(shè)計PLC在系統(tǒng)中的主要實現(xiàn)的功能： (1) 實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)(2)對變頻器的驅(qū)動控制。變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接收壓力變送器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PI

11、D處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。(3) 因為本系統(tǒng)設(shè)計所需的輸入輸出點較多所選PLC要有充足的輸入輸出點。硬件配置如圖所示 圖2-3 恒壓供水系統(tǒng)的硬件組態(tài)第2步組態(tài)完硬件模塊后，分別下載到PLC。然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，組態(tài)好的網(wǎng)絡(luò)如圖所示。圖2-4 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖第3步組態(tài)全部完成后就可以進(jìn)行程序編程了，建立一個功能塊進(jìn)行編寫，實現(xiàn)壓力控制水位，用FC2，F(xiàn)C5實現(xiàn)采樣程序，F(xiàn)C6實現(xiàn)WINCC和PLC之間的鏈接，再調(diào)用FC2 FC5。程序如下所示：用DB100實現(xiàn)16路采樣，從仿真窗口里輸出的數(shù)值，輸送給DB100數(shù)據(jù)塊，通過程序直接控制WINCC頁面里相應(yīng)的壓

12、力，液位。如下圖所示： 圖2-5 程序圖實現(xiàn)調(diào)用采樣程序，程序如下所示Fc5調(diào)用FC2進(jìn)行采樣，程序如下所示 圖2-6 采樣程序2.5 WinCC6.0監(jiān)控界面的設(shè)計利用wincc6.0真實地反映了現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，能夠方便地通過對組態(tài)畫面上的可控設(shè)備進(jìn)行操作。監(jiān)控系統(tǒng)部分畫面如圖，指針?biāo)傅臄?shù)字和的液位的變化是同步的，如下所示，當(dāng)壓力變?yōu)?0,40,80時，液位也相應(yīng)的變?yōu)?0，40,80. 圖2-7流量圖2-8流量圖水位變化2-9流量圖水位變化由DB100里的數(shù)據(jù)，來控制水位曲線的變化，液面的高低是由曲線的高低來控制的。相對應(yīng)的采樣畫面如下所示:圖2-10 采樣圖圖2-11 采樣圖變化圖2-

13、12 采樣圖變化第三章 總結(jié)經(jīng)歷了一星期的課程設(shè)計，使我們對恒壓供水系統(tǒng)有了充分的了解，PLC控制器以其技術(shù)成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴(kuò)展方便、性能價格比高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)、生活中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在恒壓供水系統(tǒng)中也得到一定程度的推廣。在此次課程設(shè)計中，使我們學(xué)到了很多東西，用WINCC畫圖真實反映現(xiàn)場設(shè)備，用PLC編寫程序控制畫面。在這過程中，非常感謝叢申老師的悉心指導(dǎo)，在學(xué)習(xí)的過程中，叢申老師幫助了我們很多，指導(dǎo)我們使用WINCC，耐心的教我們正確編寫程序，老師一絲不茍的精神時刻激勵著我們，我們一定會用優(yōu)異的成績來回報老師。參考文獻(xiàn)1李金城.PLC在城市污水處理中的應(yīng)用J.自動化與控制, 2005（1）:1542都志民，明立雪.PLC在污水處理過程中的應(yīng)用M.濟(jì)南：山東出版社20063楊帆.基于PLC的污水處理控制系統(tǒng) J. 武漢化工學(xué)院電氣信息學(xué)院,2004（1）:47-504黃維菊.污水處理工程設(shè)計M.北京：國防工業(yè)出版社20085栗小寬.PLC技術(shù)在中小型污水處理廠的應(yīng)用J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008（2）:1136崔新勝.PLC控制系統(tǒng)在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用J.甘肅科技，2009，25（1）:21-227陳金華.可編程技術(shù)及應(yīng)用M.天津