基于PLC的恒压供水控制系统设计.doc

1、2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） 湖北汽车工业学院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 毕业设计总论文 课题名称 基于 PLC 的恒压供水控制系统设计 系 部 电气工程 专 业 自动化 班 级 T1123-5 学 号 2011XXXXXXX 姓 名 XXX 指导教师 XXX 2015 年 6 月 4 日 目录 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） 第一章 课题的研究背景及意义 1 1.1 变频恒压供水概论 1 1.2 本课题产生的背景和意义 1 1.3 变频恒压供水现况 2 1.3.1 变频恒压控制系统的应用范围 2 1.4 本文的主要内容 2 第二章 变频恒压

2、供水的理论分析 4 2.1 水泵的工作原理 4 2.2 电动机的调速原理 5 2.3 变频恒压供水的能耗分析 6 2.4 变频恒压供水系统组成及原理图 6 2.4.1 变频恒压供水系统的组成及原理图 7 2.4.2 水泵切换条件分析 8 第三章 系统的硬件设计 9 3.1PLC 的概述 9 3.1.1 可编程控制器 9 3.1.2 PLC 的特点 10 3.1.3 PLC 的工作过程 10 3.2 变频器的概述 11 3.2.1 变频器的构成 11 3.2.2 变频器的特点 12 3.3 设备的选型 13 3.4 系统主电路设计 14 3.5 系统统控制电路设计 15 3.6 PLC 的 I

3、O 端口分配及外围接线图 16 第四章 系统的软件设计 17 4.1 软件设计分析 17 4.2 PLC 程序设计 21 4.2.1 控制系统主程序设计 22 4.2.2 控制系统子程序设计 25 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） 第五章 总结与展望 26 参考文献 27 致谢 28 附录 (控制梯形图 ) 35 摘 要 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） 众所周知 ,水是我们日常生活中不可缺少的能源之一 ,我们生活范围的高度集中使得水的供给需求增大 ,而日常生活中对水的需求也随着时间的变化而变化 ,为了保障对水的供给需求 ,也是时代的发展要求 就必须有一

4、些辅助装置来确保 ,在我们居住的环境有稳定的水源供应 ,根据需要的多少来自行调节水源的供给 ,从而 ,既充分利用了水源 ,又节约了相应的能源 ,本文是针对某生活小区实际供水需求情况，结合用户生活用水和消防用水的需要 ,拟定为社区恒压供水。 随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。现将其中的改造情况介绍如下。恒压供水系统对于生活小区是非常重要的，例如在生活小区供水 过程中，若自来水供水因故压力不够或间歇性时断水，可能影响居民生活。着火时，若供水

5、压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成严重后果。所以，生活小区采用生活 /消防双恒压供水系统，很有意义。日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，这里也需要本系统 1。 基于上述情况，对某生活小区供水系统进行改造，采用西门子 PLC 作为主控单元。并充分利用变频器的变频作用，根据系统状态可快速调整供水系统的供给需要，达到恒压供水的目的 2。改造提高了系统的 工作稳定性，得到了良好的控制效 本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统 ,变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传

6、感器等构成。 本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用 “ 先启先停 ” 的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。 关键词： 恒压供水、 PLC、变频调速。 ABSTRACT 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） The community of life, thus to ensure that the requirements of the developmen

7、t of highly concentrated energy as we all know, water is our daily life indispensable one of our life makes the water supply and demand increased, and daily life of water demand along with the time change and change, in order to protect the water supply and demand, but also the era must have some au

8、xiliary device, in our living environment has a stable water supply, according to the need of self regulating water supply, not only make full use of the water, but also save the corresponding energy, this paper is aimed at a small living area of the actual water demand, combined with the user water

9、 and fire water, intended for the constant pressure water supply. Along with the rapid development of social economy, peoples increasing demands on the quality and reliability of water supply system, and currently the shortage of energy using advanced automation technology, control technology and co

10、mmunication technology, high performance, high energy saving design, adapt to different areas of constant pressure water supply system has become an inevitable trend. Now the transformation of the situation as follows. Constant pressure water supply system for residential living is very important, s

11、uch as in the living area in the process of water supply, if insufficient water supply pressure is for some reason or intermittent water may affect the lives of the residents. When the water shortage or supply of water, can not quickly fire, will cause serious consequences. Therefore, the living are

12、a of residential use of life / fire dual constant pressure water supply system, very meaningful. Daily life water, with the seasons, day and night, commuting time different and has great changes, which often appear the imbalance of water supply and water, mainly in the water pressure, there is also

13、need for the system. Based on the above situation, the water supply system of a residential district is transformed, using SIEMENS PLC as the main control unit. And take full advantage of frequency converter function, according to the system state can adjust the supply of water supply system quickly

14、, and achieve the purpose of constant pressure water supply. According to the thesis of Chinese city community water supply requirements, design a set of PLC based frequency control constant pressure water supply system, variable frequency constant pressure water supply system by programmable contro

15、ller. The system includes three sets of water pump motors, they are composed of variable 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） frequency circulating operation. Using frequency converter to realize three-phase pump motor soft start with frequency control, operation switch adopts the“ start first stop first “ pr

16、inciple. The pressure sensor detects the pressure signal, into the PLC and compared with a predetermined value after PID operation, thereby controlling the inverter output voltage and frequency, and then change the pump motor speed to change the quantity of water supply pipe net work pressure, ult i

17、mate ly to keep stable in a set va lue near. Key words: constant pressure water supply, PLC, variable frequency speed regulation 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） - 1 - 第一章 课题的研究背景及意义 相对于很多企业，如何用最有性价比的方式供水是最重要的，而利用恒压供水系统进行整体控制，就是最好的解决方案。 1.1 变频恒压供水概论 蓄 水池电 机水 泵阀 门供水主管网蓄 水池电 机水 泵阀 门供水主管网变 频 器P L C 图 1.1 传统供

18、水机示意图 图 1.2 变频供水机示意图 1.2 本课题产生的背景和意义 我国长期以来在市政供水，循环性供水等方面技术一直比较落后，自动化程度不高。传统的方式，会影响设备寿命等多 种患处，而变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 以变频器为核心结合 PLC 组成的控制系统具有编程较简单、高可靠性、组合较灵活、强抗干扰能力很强、维修方便和低成本等诸多特点 ;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具

19、有重要的现实意义。 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） - 2 - 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可 靠性差；自动化程度不高等缺点。 基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统，采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，对于环保和节约很重要，所以研究设计该系统，对于企业和个人都有有重要的现实意义。 1.3 变频恒压供水现况 1.3.1 变频恒压控制系统的应用范围 PLC 恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围基本分为二类 : (1) 加压泵站变频 PLC 恒压供水系统 这种系统主要包含小区，建筑，

20、乡村等加压站，变频控制的电机功率小是特色，大概在135kW 以下。这一范围是目前国内研 究和推广最多的方式。 (2) 供水厂 PLC 恒压供水系统 这类用于供水厂，这一类变频器、电机功率在 135 320kW 之间，电网电压一般为 220V或 380V。目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 变频恒压供水的变频技术的发展逐渐发展后。在早期，逆变器的功能主要是在有限的频率控制，升降速控制，反控制，制动控制，变频转化率的控制和保护功能。在变频恒压供水系统中的应用，变频器作为执行机构，为了满足供水规模的需求和确保恒定的压力管道，压力传感器和变频器的外部控制器，压力闭环控制。从数据来看，国外的恒压

21、供水 工程的设计只有一个抽油机使用变频器，几乎没有一个逆变器驱动多台水泵的运行，因此，投资成本高。 1968，丹麦丹麦丹佛斯发明第一逆变器（丹麦丹佛斯传输产品，五个核心的世界各地的供应商），我们发现和认可的变频技术优势，变频恒压供水系统的稳定发展，可靠性和自动化程度高，节能效果显著，许多国外生产的变频器厂商开始关注并推出与变频恒压供水的功能，如瑞典，瑞士 ABB 集团在空调推出的变频技术，法国施耐德公司推出了恒压供水基板，配备固定泵变频模式，“变频泵循环坏的方式”两种模式。 PID 控制器和 PLC 可编程控制器的硬件集成在变 频器控制板，通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 控制系统的功

22、能，只要对恒压供水机组配套装备，多个内置电磁接触器工作的直接控制，多达七个电机（泵）供水系统可以构造。这种设备虽然是电路的微2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） - 3 - 结构，降低设备成本，但其输出接口的扩展，缺乏灵活性，系统的动态响应性能和稳定性不高，和其他监测系统（如 BA 系统）和组态软件很难实现数据通信和极限荷载的能力，所以在实际使用的范围将受到限制。 目前，在变频恒压供水工程的许多公司，大多数变频器控制水泵的转速的外国品牌，管网压力闭环调节和多泵循环控制，一些可编程控制器（ PLC） 和相应的软件实现；实现了利用单片机和相应的软件。然而，在动态性能，稳定性，抗干扰

23、和开放性和综合技术指标等方面，它是远离所有用户的要求。因此，恒压供水控制系统还需要一个成熟、可靠的技术。 采用变频调节后，系统实现了软启动，电机启动电流从零逐渐增加到额定电流，起动时间相应延长。对电网无大的影响，降低起动转矩的机械对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种方式为目的，控制水的压力，各种优化方案是基于母管（市政给水管道）进口压力保持恒定的条件下。事实上，出口压力泵站允许一定范围内的变化。因此，降低的最 佳范围，和所得到的解是局部最优解，而泵站始终工作在最佳状态。 1.4 本次设计的主要工作 本课题主要通过研究 PLC来控制变频器实现恒压供水，通过设计解并熟悉了 PLC的工作

24、原理，编程原理以及编程方法 1。 进行了控制系统的主电路设计 、 控制 1电路设计，系统的控制设备选用 S7-200系列的 PLC（ CPU226） ， 变频器选用西门子泵类专用的变频器 MM440。进行了控制程序（梯形图）的设计。在控制过程中，电控系统由 S7-200完成，PID控制由变频器完成。最后，对变频恒压供水系统进行调试，对该系统在供水中所取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及局限性。 1.刘小春，恒压供水系统控制及组态监控系统设计。 2013 2015 届湖北汽车工业学院科技学院毕业设计（论文） - 4 - 第二章 变频恒压供水的理论分

25、析 2.1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图 2.1 所示，安装叶轮在泵 2内，安在泵轴 3上，电机带动泵轴，泵壳内有液体吸入口 4 与吸入管 5 连接，液体经过底阀 6 和吸入管进入泵内，液体排出口 8 与排出管 9连接。 启动前，液体注满泵壳 :启动后，叶轮高速转动，叶片之间的液体也需随着旋转运动。从叶轮中心处注入液体且被抛向外缘且获得能量，以很高速离开叶轮外缘进入泵 壳内。只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。 123468791 051 - 叶 轮 2 - 泵 壳 3 - 泵 轴4 - 吸 入 口 5 - 吸 入 管6 - 单 顶 底 阀 7 - 滤 网8 - 排 出 口 9 - 输 出 管1 0 - 调 节 阀图 2.1 普通离心泵 2.2 电动机的调速原理 水泵电机一般采用三相异步电动机，转速公式为： 60 (1 )fnsp (2.1) 式中： f 表示电源频率， p表示电动机极对数， s表示转差率。 由此可知道，三相异步电动机调速方法有以下 3法： (l) 改变电源的频率 (2) 改变电机的极对数