1、0滁州职业技术学院毕 业 设 计课 题：高层水压的 PLC 控制 设计时间： 2016 年 11 月 19 日 系 别： 机电工程系 班 级： 14 级机电 2 班 学 号： 20141401256 姓 名： 张越 指导教师： 周华龙 2016 年 11 月 19 日论文1摘 要随着现代社会经济的高速发展，城市建设规模发展迅速，面对土地资源日益紧缺的现状，高层楼宇的建设具有很重要的意义。随着人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，传统的供水系统已经难以满足高层楼宇的供水需求。在国际社会倡导节能降耗，发展低碳经济的背景下，利用先进的自动控制技术、检测与传感器技术以及通信技术，设计高性能、低
2、能耗、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。通过研究和比较本论文设计了一套高层楼宇基于 PLC 的变频恒压供水系统。该系统是一种节能环保、系统稳定安全、使用维护方便的供水控制系统，主要由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成，实现楼宇供水的自动化控制。该系统能通过不同的反馈压力值，自行调整水泵输出水量，这既能节省传统的采用调节阀门开度而消耗在管道阻力和截流损失的能量，也节省由于恒速泵的频繁启停对管网系统的冲击能量和对电网电压造成波动的影响，避 免 了 电 动 机 突 然 加 速 造 成 泵 系 统 的 喘 振 ， 能 够 彻 底 消 除 水 锤 现 象 2目 录摘 要 .2第一
3、章 绪论 .41.1 高层楼宇常用供水模式 .41.2 本课题的总体方案 .51.2.1 供水系统的方案选取 .5第二章 主电路图设计 .82.2 电气原理图设计 .82.2.1 主电路设计 .82.2.2 变频器电路设计 .8第三章 变频恒压供水控制系统硬件设计 .103.1 系统主要器件的选配 .103.1.1 供水泵的选型 .103.1.2 变频器的选型 .103.1.3 PLC 的选型 .114.1.4 压力传感器的选型 .114.2.5 PLC 输入输出引脚分配 .13第四章 变频恒压供水控制系统研究 .143.1 变频恒压控制的原理 .143.2 变频恒压供水系统方案设计 .143
4、.2.1 变频恒压供水系统的组成 .143.2.2 系统的控制方案的选择和论证 .153.3 变频恒压供水系统变频控制方案 .153.4 系统工作原理概述 .163.5 恒压供水系统的工艺要求 .16第五章 恒压供水系统软件设计 .175.1 系统工作流程图 .17第六章 PLC 选型 .205.2 PLC 的程序设计流程图 .20PLC 控制电路接线设计 .21第七章 PLC 梯形图 .23第 2.2.2 程序梯形图 .232.2.3 程序分析 .28第八章 指令语句表程序 .295.3.1 主程序 .295.3.2 子程序 .29第九章 设计心得 .33第十章 致 谢 .34第十一章 参考
5、文献 .35论文3第一章 绪论1.1 高层楼宇常用供水模式示在深入研究发展变频恒压供水技术之前，对于高层楼宇的供水系统设计，供水方式一般采用以下方式。1、恒速泵直接供水方式在这种供水方式中，水泵直接从市政管网或蓄水池中抽水然后直接供给用户使用。在这种供水方式下水泵往往需要日夜不停的运转，以保证供水水压。但是这种供水方式虽然简单，投资成本低，但其能耗大，造成水资源的巨大浪费，供水质量很差，会严重影响市政公用管网压力的稳定性。由于其适应性差，目前将逐步面临淘汰。2、水塔的供水方式这种供水方式首先是由水泵向水塔供水，再由水塔向用户供水。当水塔注满水后，水泵停止运转，但是水塔水位低于某一位置的时候水泵
6、又将启动。因此水泵的工作状态是断续的。由于水泵始终是工作在高效区，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、水泵开停比等有关。所以比前一种的供水方式节电。供水水压也比较稳定。但是这种供水方式基础设施建设投资大、占地面积大、存在能量的损失和二次污染问题。如果出现故障不能自行开停水泵，将造成能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3、高位水箱供水方式采用楼顶设高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。存在水质的二次污染问题，同时屋顶高位水箱的有效容积也受建筑负荷限制。高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这
7、个压力就是水位的高度。而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时(也即打开阀门，放水的支路多时)，管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等缺点。4、气压罐供水方式气压罐供水方式在工程主要用于消防供水。在消防工程中的用途主要用于调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱、同时作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启4动消防泵并发出火警讯号用。上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求
8、的消防用水量。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。（5）变频恒压供水方式变频恒压供水系统是由压力传感器将压力信号转变为一定的电流或电压信号，在某压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，供水增加，压力恢复。反之，用水量减少，工作机理同上所述。由于整个过程压力偏差较小，调节时间短，系统表现为恒压。此系统随着变频器与 PLC 应用技术的不断推广，已经成为一种新型的供水系统
9、。它在节能、保持水质、水压平稳性及操作的方便性和稳定的可靠性等方面大大优于传统的供水方式。它已经成为现代高楼供水的主要方式。本设计原理图如下图 1.1 所。图 1.1 变频恒压供水原理图1.2 本课题的总体方案1.2.1 供水系统的方案选取通过对现有高层楼宇供水方式的分析和比较，可知变频恒压供水系统具有明显的优势，在供水质量及控制技术等各方面都有很好的先进性。其供水方式节约能源、节省占地、节约投资，调节能力大、系统运行稳定可靠，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。因此本设计中采用变频恒压供水系统方案作为对高层楼宇的供水方式。论文5图1.2 系统总布局图该系统是将水泵通过稳流调节罐直接
10、串联在市政自来水公司的给水管网上，市政水管网的水直接进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。当自来水管网能够满足用水压力及水量要求时，水泵机组不工作，实行市政管网直接供水；当自来水管网的压力不能满足用水要求时，出水管网上的压力变送器对水压进行采样，将压力信号转变对应的电信号，送入变频器或可编程控制器（PLC）经转换与用户给定的压力值进行比较算，将结果转变为控制变频器输出电源频率的频率调节信号，同时输出控制泵启停信号，通过调节运转泵电源频率，使用户管网的水压稳定于预先设定好的压力值，此时水泵充分得用了市政管网的余压，达到叠压恒压供水的目的。水泵供水时，若自来水管
11、网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水；用水高峰期时，若自来水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了自来水管网的负压；而对出水管网，压力变送器继续对水压进行采样，用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。若自来水管网停水而导致调节罐内的水位不断下降，液位探测器给出水泵停机信号以保护水泵机组。其控制原理如图1.3所示：图 1.3 系统的控制原理图6第二章 主电路图设计2.2 电气原理图设计在硬件系统设计中，整个系统主要由信号检测单元、控制单元、执行机构来组成。所采用的是一台变频器连接三台电动机，都具有变频和工频两种工作状态，每台电机都通过
12、两个接触器与工频电源和变频器输出的电源相联；所选用的接触器都是依据电动机的容量适当的选择。2.2.1 主电路设计系统的主电路采用六个接触器的常开触点的闭合、断开来实现对电机的启动和关闭，如图 4.1 所示。在主电路图中，KM1、KM12 分别控制 1 号水泵的工频与变频运行，KM21、KM22 分别控制 2 号水泵的工频与变频运行，KM31、KM32分别控制 3 号水泵的工频与变频运行.电路的主电路图 4.1 所示。图 4.1 主电路图2.2.2 变频器电路设计在系统中变频器主要是控制三台水泵电机的工频和变频运行状态，其电路接线如图 4.2 所示。论文7图 4.2 变频器接线图8第三章 变频恒
13、压供水控制系统硬件设计3.1 系统主要器件的选配3.1.1 供水泵的选型根据课题设计需要，同时又能确保系统安全、可靠运行，并降低设备长期运行费用，其中水泵的运行参数按各区段全部住户和最高层设计，设计依据建筑给水排水设计规范 （GB50015-2003） 。如表 4.1 所示：表 4.1 水泵及电机选型表最高日用水量： 280L/（p.d）平均每户用水人数： 3.5 人/户小时变化系统： 2.5用水制度： 24 小时连续供水供水设计要求住户总数： 150 户（每层 5 户，共 30 层）水泵生产厂商： 杭州南方特种泵业有限公司水泵型号： CDLF12-12 三台 两用一备水 泵工作参数： Q12
14、 、H121m 、N7.5KWhm/3所配电机厂商： 浙江凯利达防爆机电有限公司电机型号： Y2-160M2-2防护等级： IP55。电 机绝缘等级： F 级3.1.2 变频器的选型根据工艺要求，并保留设备扩展的余量，选配 ABB ACS600 系列变频器。ACS600 系列变频器是 ABB 公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性，完整的保护功能以及灵活的编程功能，牢固的 EMC(电磁兼容性)设计、较高的可靠性和较小的体积。控制软件可以实现专用功能：多泵切换、手动/自动切换、旁路功能、断带及缺水检测、
15、节能运行方式等。主要技术数据：（1）功率范围：2.2-3000KW（2）电源电压：380/400/415/460/480/500VAC 3 相10%（3）电源频率：48-63Hz论文9（4）控制连接：2 个可编程的模拟量输入（AI） ；1 个可编程的模拟量输出（AO） ；5 个可编程的数字量输入（DI） ；2 个可编程的数字量输出(DO)（5）连续负载能力：150% IN，每 10 分钟允许 1 分钟（6）串行通信能力：标准的 RS-485 接口可使变频器方便的与计算机连接（7）保护特性：过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、串行通讯故障保护等
16、。ACS600 变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在其内置的 PID、FPC 等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些应用宏的设置大大节约了调试时间，减少出错。3.1.3 PLC 的选型可编程控制器（Programmable Controller）又简称为 PC 或 PLC，是将逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设
17、备与生产过程进行控制的装置。它是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及 I/O 通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。根据设计选用西门子 S7-200 型。SIMATIC S-700 可编程控制器是模块化中小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动化控制任务，各种单独的模块组合用以扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使之应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展。根据设计选用 S7-200 的 CPU 型号为CPU226 型，其现有的端口能满足系统设计的需要并且具有模块扩展功能。4.1.4 压力传感器的选型在系统中需要对进水管网压力和用户供水压力进行测定和采样，将压力信号转换为 4-20mA 的电信号输入到变频器中，变频器的输出信号将直接控制水泵电机的转速。根据设计需要现选用罗斯蒙特的 3051T 型表压与绝压变送器。它集传感器、电子技术与单隔离膜片设计与一体，实现表压和绝压测量的校验量程从 0.3 到10000psi。3.2、工作原理
