畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC的智能樓宇變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計研究

山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計基于PLC的智能樓宇變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計研究姓名學(xué)號專業(yè)班級樓宇智能化工程技術(shù)系部市政與環(huán)境工程系指導(dǎo)教師目錄一設(shè)計任務(wù)書2.1設(shè)計內(nèi)容…………22.2設(shè)計要求…………2二設(shè)計理論分析及控制方案3.1準備知識……………33.2設(shè)計理論分析〔電動機調(diào)速—變頻〕……43.3設(shè)計控制方案〔系統(tǒng)組成及原理圖〕……5三系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1設(shè)備選型…………74.2主電路分析及設(shè)計……………124.3控制電路分析及設(shè)計…………144.4PLC的I/O端口分配及外圈接線…………16四系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1PLC的初始化程序…………………195.2PLC的中斷子程序…………………205.3PLC的主程序………………………215.4PLC附加程序………………………26五、心得體會…………35一、任務(wù)設(shè)計書1.1設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計是以智能樓宇供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)智能樓宇恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，平安節(jié)能，獲得最正確的運行工況。1.2設(shè)計要求PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有3個貯水池，3臺水泵，采用局部流量調(diào)節(jié)方法，3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原那么。進行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計。硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。二、設(shè)計理論分析及控制方案2.1準備資料變頻器產(chǎn)品較早進入有日本的東芝、三菱、富士、日立、安川、德國的西門子、倫茨(Lenze)、法國的施耐德，芬蘭的ABB，丹麥的丹佛斯。近幾年又有英國的歐陸、CT；德國的科比(KEB);芬蘭的威肯(Vacon);日本的松下、歐姆龍;美國的A-B、通用(GE)和摩托托尼;韓國的三星、LG;意大利的安塞爾多(ANSALDO)和西威(SIEI)。國外品牌廠家也在千方百計地尋求本地化生產(chǎn)，擴大其銷售，先后西門子在天津、富士在江蘇的無錫、三肯在江蘇的江陰設(shè)廠、ABB在北京、東芝在遼寧的遼陽、安川在上海、艾默生在廣東的深圳、施耐德在蘇州、三菱在大連等公司獨資或合資已在中國建廠生產(chǎn)局部系列品牌變頻器。

假設(shè)要改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，有三種方法：〔1〕改變電動機的磁極對數(shù)p〔2〕改變電動機的電源頻率f1〔3〕改變電動機的轉(zhuǎn)差率s變極調(diào)速特點:1、具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；

2、

無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；

3、

接線簡單、控制方便、價格低；

4、有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速。

適用：不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，如金屬切削機床、升降機、起重設(shè)備等。變頻調(diào)速：改變電源頻率從而使電動機的同步轉(zhuǎn)速變化到達調(diào)速的目的。在一般情況下，所以可以近似地認為：n∝n1∝f1〔實驗〕轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比,通過變頻器可任意改變電源輸出頻率從而任意調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。變頻調(diào)速特點1、調(diào)速平滑；2、調(diào)速范圍寬；3、效率高，特性好；4、需要一套專用的變頻電源，投資設(shè)備高。變頻調(diào)速的應(yīng)用理想的調(diào)速方式，應(yīng)用實踐證明，交流電機變頻調(diào)速一般能節(jié)電30%，目前工業(yè)興旺國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術(shù)。是交流電動機調(diào)速開展的主要方向。2.2電動機的調(diào)速——變頻通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關(guān)。根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能到達用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能到達用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇，本設(shè)計中采用變頻循環(huán)式。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成局部。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)平安、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下列圖所示：變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比擬，將比擬后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水2.3系統(tǒng)組成及原理圖PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如下列圖所示：從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大局部，具體為：(l)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大〔變頻泵到達工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時〕的情況下投入工作。變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖(2)信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反應(yīng)信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3)控制機構(gòu)：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)備三個局部。供水控制器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)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其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。三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1設(shè)備選型變頻器的選擇1〕本設(shè)計中選用西門子MM4402〕計算機與變頻器連接圖3〕MM440BOP〔根本操作面板〕及功能描述MM440BOP上的按鈕功能表顯示/按鈕功能功能的說明

狀態(tài)顯示LED顯示變頻器當前的設(shè)定值。

起動變頻器按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效應(yīng)設(shè)定P0700=1。

停止變頻器OFF1：按此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車.缺省值運行時此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應(yīng)設(shè)定P0700=1。OFF2：按此鍵兩次〔或一次，但時間較長〕電動機將在慣性作用下自由停車此功能總是“使能〞的。

改變電動機的轉(zhuǎn)動方向按此鍵可以改變電動機的轉(zhuǎn)動方向。電動機的反向用負號〔－〕表示或用閃爍的小數(shù)點表示。缺省值運行時此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)定P0700=1。

電動機點動在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，并按預(yù)設(shè)定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器/電動機正在運行，按此鍵將不起作用。顯示/按鈕功能功能的說明

功能此鍵用于瀏覽輔助信息。變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數(shù)時按下此鍵并保持不動2秒鐘，將顯示以下參數(shù)值〔在變頻器運行中，從任何一個參數(shù)開始〕：1.直流回路電壓〔用d表示–單位：V〕2.輸出電流〔A〕3.輸出頻率〔Hz〕4.輸出電壓〔用o表示–單位：V〕。5.在參數(shù)P0005中所選的值(如果已配置了P0005，那么，顯示上面數(shù)據(jù)的1~4項，然后相應(yīng)的值不再顯示)。連續(xù)屢次按下此鍵，將輪流顯示以上參數(shù)。跳轉(zhuǎn)功能在顯示任何一個參數(shù)〔rXXXX或PXXXX〕時短時間按下此鍵，將立即跳轉(zhuǎn)到r0000,如果需要的話，您可以接著修改其它的參數(shù)。跳轉(zhuǎn)到r0000后，按此鍵將返回原來的顯示點。

訪問參數(shù)按此鍵即可訪問參數(shù)。

增加數(shù)值按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值。

減少數(shù)值按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值.MM440功能1.使用BOP對變頻器的參數(shù)進行工廠復(fù)位P0010=30P0970=12.使用BOP對變頻器進行快速參數(shù)化〔提示：嚴格按照電機的名牌進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置?！砅0010＝1〔開始快速調(diào)試〕PO100＝…(選擇工作地區(qū))P0304＝…〔電動機額定電壓V〕P0305＝…〔電動機額定電流A〕P0307＝…〔電動機額定功率W〕P0310＝…〔電動機額定頻率HZ〕P0311＝…〔電動機額定轉(zhuǎn)速r/min〕P0700＝…〔命令源選擇〕P1000＝…〔選擇頻率設(shè)定值〕P1080＝…〔電動機運行的最低頻率HZ〕P1082＝…〔最大電動機頻率〕P1120＝…〔斜坡上升時間S〕P1121＝…〔斜坡下降時間S〕P3900＝…1〔結(jié)束快速調(diào)速〕3.1.2PLC的選擇本設(shè)計中選擇的PLC是德國西門子公司的S7—200系列。 給S7-200供電類型給S7-200CPU供電有直流供電和交流供電兩種方式，-注：在安裝和撤除S7-200之前，要確保電源被斷開，以免造成人身損害和設(shè)備事故。 24VDC供電/14點24VDC輸入/10點24VDC輸出230VAC供電/14點24VDC輸入/10點繼電器輸出CPU的選擇本設(shè)計中選擇CPU2263.2主電路分析及設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力到達設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài)。(2)當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反應(yīng)的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速到達另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。(3)當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率到達上限頻率50Hz時，假設(shè)此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未到達設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運行)，同時變頻泵M1做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓到達設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺水泵M3投入運行〔變速運行〕，M2工頻運行。變頻器輸出頻率到達上限頻率50Hz時，壓力仍未到達設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。(4)當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新到達設(shè)定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M1關(guān)掉。水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，到達恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，到達恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢?由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0HZ。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ左右。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。主電路3.3控制電路分析及設(shè)計3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線名稱代碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；2、開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；3、液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比擬器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比擬其輸出高電平1，送入I0.1；4、變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；5、開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。1、Q0.0~Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；2、Q1.1輸出水位超限報警信號；3、Q1.2輸出變頻器故障報警信號；4、Q1.3輸出白天模式運行信號；5、Q1.4輸出報警電鈴信號；6、Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號；7、AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖地址分配表器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標準化值T37工頻泵增泵濾波時間控制VD104