1、洛阳理工学院 课程答辩 （论文） I 基于组态王、 PLC及变频器在恒压供水控制系统的设计 摘 要 随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使供水设计得到了新的发展机遇，当前住宅建筑的规划趋向于更具有人性化的多层次住宅组合，人们不再仅仅追去立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。 恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水压力值是根据用户需求确定的，利用变频器、 PID 调节器、传感器、单片机等器件的有机组合，构 成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。 关
2、键字： 恒压变频供水，单片机，恒压供水，自动控制 关键词 ：变频调速，恒压供水， PLC，组态 洛阳理工学院 课程答辩 （论文） II ABSTRACT As peoples living standard is rising to the application of new technologies and advanced equipment, the design of water supply to new development opportunities, the current planning of residential buildings tend to be more
3、user-friendly multi-level residential portfolio, it is no longer just to chase facade and flat appearance and reasonable, but the pursuit of smooth layout and design and implement people-centered concept of space, especially in the tide of market economy, and strive to maximize the land use efficien
4、cy. The constant pressure water supply is the amount of water in the water supply network changes, the outlet pressure to maintain a constant water supply. The water pressure value is determined on the basis of user needs, organic combination of the inverter, the PID regulator, sensors, microcontrol
5、lers and other devices, constitute the control system adjust the pump output flow, constant pressure water supply. Keywords: constant frequency of water supply, microcontroller, constant pressure water supply, automatic control 英文题目 洛阳理工学院 课程答辩 （论文） III 目 录 前 言 . 1 第 1 章 . 2 1.1 . 3 1.1.1 . 错误 !未定义书
6、签。 1.1.2 . 4 1.1.3 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 . 错误 !未定义书签。 2.1 . 7 2.1.1 . 7 2.1.2 . 8 2.2 . 11 2.2.1 . 11 第 3 章 . 3 3.1 . 3 3.1.1 .17 3.1.2 . 3 3.2 . 3 第 4 章 .26 4.1 . 错误 !未定义书签。 4.1.1 . 错误 !未定义书签。 4.1.2 . 错误 !未定义书签。 4.2 .26 第 5 章 .38 5.1 .38 5.1.1 .38 5.1.2 .39 5.2 .46 5.2.1 . 错误 !未定义书签。 洛阳理工学院 课程答辩 （论文）
7、IV 5.2.2 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 6 谢 辞 . 7 参考文献 . 8 附 录 .10 外文资料翻译 . 11 洛阳理工学院 课程答辩 （论文） 1 前 言 【标题上下各空一行， 从这里输入前言 内容，前言格式已设置好，不需要修改 。】 前言 应说明本课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求；简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题；说明本课题的指导思想；阐述本课题应解决的主要问题 和采用的研究方法 ， 要求自然、概括、简洁、确切。 在文字量上要比摘要多。 计算机控制技术课程答辩论文 2 第 1章 绪论 水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要 物质，在节水节能已成为时
8、代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水 、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：
9、(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求 较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济
10、合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 (4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方 便。 (5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 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；可靠计算机控制技术
11、课程答辩论文 3 性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用 水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗 2。 基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系
12、统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源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、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.1 组态软件的介绍 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态（ configuration）意思就是模块的任意组合，采用组态技术构成的计算机系统在硬件设计上，除采用工业 PC 机外，系统大量
13、采用各种成熟通用的 I/O 接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。这不仅节约了硬件开 发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟的工控开发的工具软件，它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。 工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需通过可视化的组态方式，就可完成监控程序设计，降低了监控程序开发的难度。组态软件均具有良好的扩展性、兼容性，软件结构开放，可接受各种形式的数据格式。同时，
14、支持的硬件类型 也十分广泛 1。工控组态软件的出现，使得大型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易，工程设计人员不用再设计那些复杂的应用程序（如 I/O driver 等）。工控组态软件的功能 包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。目前有许多工控组态软件。例如： Intouch、 Fix、 Citech、 WinCC、Controx（开物）、 Force control（力控）、组态王。 目前 ,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法 : 计算机控制技术课程答辩论文 4 （ 1）水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点 这种方式是集中供水。对于一、
15、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。 恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。 （ 2）水池水泵高位水箱用水点 此方式也是集中供水。单幢次高层
16、和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。 （ 3）单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点 此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整 体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这 样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。 变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水 行业 得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变
17、化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用 中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义 。 1.3 PLC 概述 1.3.1 可编程控制器的定义 可编程控制器，简称 PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会 (International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义
18、:“ PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控计算机控制技术课程答辩论文 5 制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 ” 1.3.2 PLC 的发展和应用 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司 (DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的 PLC 主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑
19、控制及定时、计数功能。 20 世纪 70 年代 初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言 5 ，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物 。20 世纪 70 年代中末期， 可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、 PI
20、D 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。 20 世纪 80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样 的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备
21、的配套更加容易 。 目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。 1.3.3 西门子 S7-200PLC 简介 西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。 S7 系列是传统意义的 PLC， S7-200 属于小型 PLC，在 1998 年升级为第二代产品， 2004 年升级为第三代产品，其特点如下 6： (1) 功能强大。 S7-200 有 5种 CPU 模块，最多可扩展 7 个扩展模块，扩展到 248 点数字量 I/O 或 38 路模拟量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存储空间和数据存
22、储空间； (2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件； (3) 灵活方便的寻址方法； 计算机控制技术课程答辩论文 6 (4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面； (5) 有竞争力的价格； (6) 完善的网上技术支持等。 1.4 本课题的主要研究内容 本设计是以小区供水系统为控制对象，采用 PLC 和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系 统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 3 个贮水
23、池， 3 台水泵，采用部分流量调节方法，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。 PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID 运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。 根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计 。硬件设备选型、 PLC 选型，估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、 I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。
