【基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計6000字（論文）】

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計目錄1引言 12系統(tǒng)組成及工作原理 22.1系統(tǒng)組成 22.2系統(tǒng)工作原理 33系統(tǒng)硬件設(shè)計 33.1PLC的選型 34系統(tǒng)軟件設(shè)計 44.1系統(tǒng)運行模式 45變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究 55.1PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點 65.2PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素 65.3PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的運行工作流程 75.4PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點 7結(jié)論 8參考文獻(xiàn) 111引言1.1PLC的簡介西門子S7-200系列PLC在小型化和專業(yè)化控制領(lǐng)域具有很強(qiáng)優(yōu)勢,由微處理器(CPU)、I/O模塊、存儲器(EPROM.RAM)、通信口和電源組成,各組成部分之間通過總線連接。PLC是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng),類似于一種工業(yè)計算機(jī)。主要通過用戶程序來實現(xiàn)不同的控制功能:邏輯控制、定時計數(shù)控制、步進(jìn)控制、數(shù)據(jù)處理通信聯(lián)網(wǎng)等。由于在元器件、工作方式、觸點數(shù)量和控制電路實施方式方面相比于繼電器控制有很大優(yōu)勢,PLC有可靠性高、控制功能強(qiáng)、組成靈活、操作方便等特點,具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的抗干擾能力,相對于繼電接觸器控制或單片機(jī)控制,工作人員只需要通過改變程序,可以實現(xiàn)各種控制要求,非常適合恒壓供水的環(huán)境要求。執(zhí)行單元，執(zhí)行單元由一組水泵組成,用于將水供入用戶管網(wǎng)系統(tǒng),分為兩種類型:調(diào)速泵和恒速泵。調(diào)速泵由變頻器調(diào)速控制、進(jìn)行頻率的調(diào)整,根據(jù)用戶用水量的變化調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,維持管網(wǎng)的水壓恒定[2]。信號檢測，在恒壓供水系統(tǒng)的信號主要包括自來水的報警和出水水壓兩種信號。系統(tǒng)非正常運行,變頻器異常、水泵電機(jī)過載等故障信息通過報警信號反應(yīng)。而出水水壓信號是用戶管網(wǎng)的水壓值的重要參考值,是恒壓供水系統(tǒng)的主要反饋信號。人機(jī)界面(HumanMachineInteraction)，人機(jī)界面是人和機(jī)器的信息交流設(shè)備,是人和計算機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信息傳遞的媒介。對于沒有梯形圖編程基礎(chǔ)的非專業(yè)人士來說,通過人機(jī)界面將PLC內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)的控制功能外觀化是一種很好的方式。使用者可以更改壓力設(shè)定值,修改系統(tǒng)的設(shè)定值來滿足不同工藝的要求。在操作人員和PLC設(shè)備之間做反向溝通,用戶可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的狀態(tài)。實時處理或監(jiān)控管理隨時可能變化信息。變頻器，選用三菱FR-E740系列變頻器,調(diào)節(jié)水壓只需要改變水泵電動機(jī)的額定頻率即可。在外部操作模式或組合操作模式下,可以通過外接的開關(guān)器件的組合通斷改變輸入端子的狀態(tài)來實現(xiàn)變頻。它通過改變電機(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[3]?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）及其網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代工業(yè)自動化的支柱之一，近年來PLC的數(shù)據(jù)運算處理、圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)通信功能得到了極大的強(qiáng)化，PLC能夠滲透和發(fā)展過程控制。過程控制通常是指工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)或一定周期的生產(chǎn)過程的自動控制。在過程控制方面，PID是最主要的調(diào)整器之一，其原理簡單，適用性和魯棒性強(qiáng)，最顯著的特征不依賴于對象的精確數(shù)學(xué)模型，因此可以解決工業(yè)過程的精確建模中的困難。1.2本文目的和意義恒壓供水是指用水用戶在任何時間,無論用水量的大小總保持管網(wǎng)中的水壓基本恒定。在城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)、樓宇中央空調(diào)冷卻系統(tǒng)、生活商業(yè)消防用水系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。本文模擬設(shè)計一棟9層樓高的居民樓房供水系統(tǒng)。由于高樓層對水壓的要求極高,在水壓較低或不穩(wěn)定時,會出現(xiàn)無法正常用水甚至無法將水壓出的情況;而水壓過高則會造成能源的浪費?；赑LC的變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠自動維持恒定壓力,并且可以按照壓力信號自動啟動備用泵,及時調(diào)整管網(wǎng)水壓,滿足用戶的供水要求。它的主要特點是:維持水壓恒定、控制系統(tǒng)可手動、自動運行。多臺泵自動切換運行、泵組及線路保護(hù)檢測報警與信號顯示,系統(tǒng)睡眠與喚醒等。泵電機(jī)的工作效率低，不僅壽命短，而且對電機(jī)頻繁啟動和停止也會產(chǎn)生巨大沖擊，設(shè)備故障率也會提高。這些泵都以高于實際水的高度的壓力提高了水壓，從而增加了泵的軸功率和能量損失。針對存在的問題，結(jié)合工業(yè)控制行業(yè)的發(fā)展，設(shè)計了頻率轉(zhuǎn)換器的恒壓供水系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用PLC、傳感器、頻率轉(zhuǎn)換器及泵單元等構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網(wǎng)的壓力保持恒定，通過使用該系統(tǒng)進(jìn)行供水，提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)能性也很好[1]。文章主要對基于PLC的頻率變換恒壓供水系統(tǒng)及其應(yīng)用進(jìn)行了簡單的研究分析。頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)是相對先進(jìn)的恒壓供水系統(tǒng)。變換壓力調(diào)速是更重要的基礎(chǔ)。供水業(yè)系統(tǒng)正在運行中，通過傳統(tǒng)的人工控制逐漸變成自動化控制系統(tǒng)。可以實現(xiàn)系統(tǒng)化的控制模式，自動化控制系統(tǒng)可以在運行中有效地提高工作效率。有效減少系統(tǒng)控制的工作效率和質(zhì)量，達(dá)到降低設(shè)備損失的效果，進(jìn)一步滿足城市建設(shè)發(fā)展的實際需要。2系統(tǒng)組成及工作原理2.1系統(tǒng)組成變頻恒壓供水系統(tǒng)如圖l所示,它主要是由PLC、文本顯示器、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、動力控制線路以及3臺水泵等組成。用戶通過TD400C文本顯示器完成人機(jī)對話功能,進(jìn)行運行方式、管網(wǎng)壓力等參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)還可動態(tài)顯示各種參數(shù),如:設(shè)定壓力、運行壓力、水位高度、運行方式、實時時間、日歷、各個泵的運行時間累計(精確到秒)、運行狀態(tài)、故障信息等等。PLC變頻器PLC變頻器工頻管網(wǎng)壓力傳感器TD400文本顯示器工頻管網(wǎng)壓力傳感器TD400文本顯示器接觸器組接觸器組mmmmmmmmmmmm管網(wǎng)圖1恒壓供水系統(tǒng)原理2.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用3臺泵的并聯(lián)運行方式，在圖1的恒壓供水系統(tǒng)原理圖中，通過設(shè)置水管網(wǎng)絡(luò)上的壓力傳感器，將輸出壓力信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號和給定的壓力參數(shù)進(jìn)行比較，傳送給PID調(diào)整器。給供水系統(tǒng)的管網(wǎng)施加壓力。使用水量超過1臺泵的供水量時，通過PLC控制追加泵。根據(jù)使用水量的大小PLC控制泵數(shù)量的增減和變頻器對泵的速度，實現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)荷變化時，輸入馬達(dá)的頻率也變化，由此構(gòu)成以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1PLC的選型控制電路采用PLC為核心的控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破鬟x用西門子S7-200系列CPU224型主機(jī),模擬量輸入采用4路輸入的EM235擴(kuò)展模塊,具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件,它能提供一個完整的編程環(huán)境,可進(jìn)行離線編程和在線連接、調(diào)試,并能實現(xiàn)語句表與梯形圖的相互轉(zhuǎn)換,PLC的輸入/輸出地址分配見表1。表1PLC輸入/輸出地址分配表輸入功能輸出功能I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I1.0I1.1變頻器故障手動模式自動模式1號泵過載2號泵過載3號泵過載啟動變頻器水位上限水位下限Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.01號泵變頻運行1號泵工頻運行2號泵變頻運行2號泵工頻運行3號泵變頻運行3號泵工頻運行變頻器運行故障報警4系統(tǒng)軟件設(shè)計PLC控制程序設(shè)計的主要任務(wù)是接收各種外部交換量信號的輸入，判斷當(dāng)前的供水狀態(tài)，輸出信號來控制繼電器、接觸器、信號燈等電器的動作，進(jìn)而調(diào)整泵的運轉(zhuǎn)，發(fā)出相應(yīng)的指示和警報。為了便于調(diào)整和編輯，系統(tǒng)采用了模塊化的程序。主要由手動模塊、自動運轉(zhuǎn)模塊、故障診斷和警報模塊構(gòu)成。包含子程序、控制程序等。4.1系統(tǒng)運行模式選擇手動運行方式時,根據(jù)需要通過按啟動和停止按鈕,來控制各水泵,這種方式只在檢修和系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。以自動運轉(zhuǎn)方式開始運轉(zhuǎn)時，首先測量池的水位，如果池的水位符合設(shè)定的水位，則啟動1號泵，頻率轉(zhuǎn)換器的輸出頻率從OHz上升。此時，壓力傳感器檢測到壓力信號并反饋給PLC，PLC通過PID運算控制頻率轉(zhuǎn)換器的頻率輸出。延遲一定時間后，將1號泵切換到頻率，2號泵啟動，頻率逐漸上升，依次類推增加泵，直至水的壓力達(dá)到設(shè)定壓力。PLC功能圖如圖2所示。S0初始S0初始初始狀態(tài)M1變頻S1初始開始M1變頻S1初始M1工頻、M2變頻S2初始M1工頻、M2變頻S2初始f≥50HzM1、M2工頻，M3變頻S3初始f≥50HzM1、M2工頻，M3變頻S3初始M1停止M2工頻M3變頻S4初始f≤fminM1停止M2工頻M3變頻S4初始M1、M2停止，M3變頻S5初始f≤fminM1、M2停止，M3變頻S5初始f≥50Hz圖2PLC功能圖5變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究使用水量減少，超過設(shè)定壓力時，PLC降低輸出頻率，減少水量，穩(wěn)定出水壓力。當(dāng)頻率變換器的輸出頻率低于某一設(shè)定值fmin時，當(dāng)水的壓力高于設(shè)定值時，PLC開始時間測量，當(dāng)壓力水在一定時間內(nèi)降低到設(shè)定壓力時，PLC放棄時間測量，頻率變換器繼續(xù)運轉(zhuǎn)頻率變換速度開始。在一定時間內(nèi)，水的壓力比設(shè)定壓力高，基于先停止運轉(zhuǎn)的原則，PLC停止運轉(zhuǎn)中的泵中最長時間的工作頻率泵，停止到水的壓力達(dá)到設(shè)定值為止。頻率變換速度恒壓供水系統(tǒng)是由頻率變換速度調(diào)整技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能意識的不斷強(qiáng)化而產(chǎn)生的，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑的中水處理系統(tǒng)的形式。PLC是一種基于電氣設(shè)備的邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展和使用，將自動控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)一體化的新型工業(yè)控制裝置，在數(shù)學(xué)處理、順序控制等方面具有優(yōu)勢，因此在工業(yè)自動化三大支柱中占有最重要的地位。在控制系統(tǒng)中，繼電器具有邏輯運算和弱電控制的強(qiáng)電優(yōu)勢[4]。PLC在可靠性、抗干擾性、功能性、通用性的安裝性、維護(hù)性等方面具有無可比擬的優(yōu)點，此外由于其小型、輕量、耗電小、開發(fā)周期短等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(lǐng)域，以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化成為柱子[5]。因此，PLC進(jìn)行頻率變換速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計，可以促進(jìn)頻率變換器恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)的快速化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。同時，PLC是在自動控制領(lǐng)域中重要的節(jié)能性的應(yīng)用。在供水系統(tǒng)中采用PLC和頻率變換技術(shù)的組合方式，通過引用計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)視和管理供水系統(tǒng)，能夠保證供水系統(tǒng)的安全可靠性的運行[6]。5.1PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點由于供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，所以與其它處理控制量相同，用戶管網(wǎng)的控制量也有滯回性。頻率變換速度的恒壓供水系統(tǒng)是線性系統(tǒng)，這是因為用戶的管網(wǎng)有管電阻、錘子等要素和泵自身的特征等。頻率變換速度恒壓供水系統(tǒng)是適合于各種各樣的供水系統(tǒng)的通用系統(tǒng)，但是控制對象模型具有多變性的特征。頻率變換速度恒壓供水系統(tǒng)的控制對象在定量泵的工作狀態(tài)中不確定性，因此存在不確定性[7]。如果突然出現(xiàn)斷水、斷電、泵、變頻器、軟啟動器等故障，該系統(tǒng)的獨特設(shè)計仍能保證正常供水。泵的控制盤實現(xiàn)了供水?dāng)?shù)據(jù)的實時傳輸?shù)雀鞣N各樣的功能。通過調(diào)整頻率轉(zhuǎn)換器的速度，供水中的節(jié)能效果變得顯著，該系統(tǒng)中的各種設(shè)備的壽命也被延長。由于上述特征，PLC控制轉(zhuǎn)換器恒壓供水系統(tǒng)在實際運用中廣泛實用。對于控制系統(tǒng)來說，我們在設(shè)計時可以采用手動式和自動式兩種不同的方式，它們各有優(yōu)勢[8]。手動控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于，首先，能夠確保在自動控制裝置發(fā)生故障時系統(tǒng)正常工作。5.2PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素系統(tǒng)中各種主要設(shè)備的類型和型號、PLC和模塊的類型和型號、頻率轉(zhuǎn)換器的類型和型號、系統(tǒng)的主電路和系統(tǒng)控制電路設(shè)計PLC的I/0端口的分配和周邊布線的選擇和安裝臺，系統(tǒng)軟件的設(shè)計和最佳組套合、PIC的相關(guān)程序的設(shè)計實施以及PID參數(shù)的調(diào)整等各內(nèi)容，主電路向異步電動機(jī)提供電壓調(diào)整的電力轉(zhuǎn)換部分，因此頻率變換器的主電路一般以電壓型和電流型為主[9]。電壓型將直流電壓源轉(zhuǎn)換為交流電壓，電流型將直流電流源轉(zhuǎn)換為交流電壓源。它們的直流電路不同，對于電壓型來說，其直流電路是容量。對于電流型來說，直流電路是電感。由于控制電路部分主要是向異步馬達(dá)供給的主電路供給控制信號的電路，所以多包括“運算電路”、“電壓及電流檢測電路”、“速度檢測電路”、“驅(qū)動電路”、“保護(hù)電路”等。5.3PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的運行工作流程PLC轉(zhuǎn)換器恒壓供水控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，由PLC控制器、頻率轉(zhuǎn)換速度調(diào)整器、壓力傳感器、泵等必要的電氣控制裝置構(gòu)成。這個基于PLC的頻率變換速度恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計流程主要如下。（1）設(shè)置固定水壓值。（2）在供水管的網(wǎng)絡(luò)上設(shè)置壓力傳感器。（3）利用頻率轉(zhuǎn)換器的恒壓供水原理，連續(xù)地采集供水管網(wǎng)的水壓，由此取得水壓的變化率的信號。（4）將水壓信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過PLC的I/0模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳送給PLC，取得實際的水壓值。（5）將取得的實際水壓值與最初設(shè)定的水壓值進(jìn)行比較，用PID進(jìn)行運算。（6）將計算結(jié)果作為電信號輸出到頻率轉(zhuǎn)換器的信號給定端。（7）頻率轉(zhuǎn)換器基于給定端的數(shù)值信號來調(diào)整泵的電源頻率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整泵的旋轉(zhuǎn)數(shù)的目的，使供水管的水壓值始終處于設(shè)定的水壓范圍內(nèi)。通過以上的工作流程和原理，形成了一個閉環(huán)控制的恒壓供水系統(tǒng)。5.4PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點首先，該系統(tǒng)的泵具有自動轉(zhuǎn)換軟件啟動裝置，能夠根據(jù)使用水的大小自動調(diào)整泵的臺數(shù)。其次，該系統(tǒng)允許自動和人工之間的轉(zhuǎn)換。這個系統(tǒng)的數(shù)臺泵，實現(xiàn)交替變換運轉(zhuǎn)。第三，該系統(tǒng)的設(shè)備例如具有缺相、殘壓、過壓、短路、過載、水位恢復(fù)等保護(hù)功能，也可以避免泵的反相抽氣。第四，系統(tǒng)工作設(shè)備具有報警指示和自動停止的優(yōu)勢[10-13]。在PLC頻率變換恒壓供水系統(tǒng)中，因為實現(xiàn)了給水壓，所以決定供水壓力與輸出頻率之間的關(guān)系是控制環(huán)節(jié)的設(shè)計和控制算法的原則[14-17]。在這個系統(tǒng)中，送水泵采用離心泵，有一個原理是可以通過葉子的高速旋轉(zhuǎn)來輸送水的流動，并且可以利用水流產(chǎn)生的離心力來擠壓水。關(guān)于這個系統(tǒng)的分析和設(shè)計，需要考慮整體性而不是單獨的泵。因為泵的工作是將外部各種管道和控制組合起來進(jìn)行的。如上所述，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力發(fā)射器、頻率轉(zhuǎn)換器、恒壓控制單元、泵單元、低壓電器等。這些系統(tǒng)是完整的。該系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)是使用恒壓控制單元，通過使用一臺或多臺泵使頻率轉(zhuǎn)換器工作和循環(huán)，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定不變性和所需的各種轉(zhuǎn)換等[18]。當(dāng)然，在該系統(tǒng)的實施中，必要的數(shù)據(jù)傳輸和計算需要在設(shè)計時給予充分的考慮。結(jié)論采用基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠幫助水廠降低生產(chǎn)成本,提高管理效率,無論是大水量還是日常水量,都能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的調(diào)控性能。使用自動控制技術(shù)和設(shè)施調(diào)控供水系統(tǒng)是當(dāng)前水廠建設(shè)的主要要求,而建設(shè)時間較早的水廠也終究會對傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)進(jìn)行改造,改造成為能夠自動調(diào)控、人工監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)運行模式。本文對一個基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行研究,采用西門子可編程控制器設(shè)計,實現(xiàn)了自動調(diào)控供水的功能,保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定,系統(tǒng)使用靈活可靠、經(jīng)濟(jì)合理。該系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定水壓來自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運行速度和水泵運行的數(shù)量,使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定的值,以求最大限度地節(jié)能、節(jié)水,該系統(tǒng)能處于可靠運行狀態(tài),來實現(xiàn)變頻恒壓供水。參考文獻(xiàn)[1]馬莉,王超,宋莉莉PLC+變頻器的自來水廠循環(huán)投切恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用2018.36(05):16-19[2]楊曉珍,基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計.計算機(jī)產(chǎn)品與流通2018(08):252.[3]鐘麗娟.PLC實現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計[D],呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué)2015.[4]郭志冬,基于PLC和觸摸屏的恒壓供水系統(tǒng)的實訓(xùn)平臺設(shè)計.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2018.17(05):15-18.[5]李顯君,解占孝,李斌壽,基于先進(jìn)控制技術(shù)構(gòu)建智能化水泵房電氣及自控系