毕业设计污水处理厂PLC变频恒压供水系统.docx

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毕业设计污水处理厂PLC变频恒压供水系统

1引言…………………………………………………………………………………1

1.1课题简述………………………………………………………………………………1

1.2可编程控制器简述……………………………………………………………………………3

1.3本课题设计的主要内容……………………………………………………………………4

2系统设计的理论研究及控制方案的分析……………………………………………………4

2.1该系统的理论研究分析…………………………………………………………………………4

2.2变频恒压供水控制系统设计方案的分析……………………………………………………6

3恒压供水系统硬件部分设计…………………………………………………………………12

3.1系统设备选型…………………………………………………………………………………12

3.2恒压供水系统主电路设计与分析…………………………………………………………15

3.3恒压供水系统控制电路设计与分析………………………………………………………17

3.4可编程控制器的外围扩展接线图及I/O口分配………………………………………20

4恒压供水系统的软件设计……………………………………………………………………23

4.1PLC程序设计软件及编程语言介绍………………………………………………………23

4.2恒压供水控制系统主程序………………………………………………………………23

4.3变频恒压供水系统PID控制………………………………………………………………29

5结论…………………………………………………………………………………………………32

6致谢…………………………………………………………………………………………………33

7参考文献………………………………………………………………………………34

1引言

1.1课题简述

水、电一直以来在人类社会发展中起着无比重要的作用，在人类的生产生活中，可以说无处没有二者的存在，而随着人类社会的不断进步，水和电将会越来越为我们所重视。

在如今这个以节能节水为主题的社会情况下，我国在这些方面的技术水平还远远不够，自动化程度也比较低，与发达国家相比还有一定的差距。

而伴随着我国在经济体制不断的进步与完善，生活、工业等对水的污染却不断加大，尽管我国各地建立了一些中小型污水处理厂，可以对水资源的节省做出一定的贡献，但伴随着科学技术的进步，人们对这些基础设施的完善有了更进一步需求。

其中，经过污水处理厂处理后的污水即中水的供用就是其中重要的组成部分，各类工厂对污水处理厂供水的稳定性、经济性、可靠性有了更加精确的需求，这会直接影响到工厂的工业生产，也直接体现了我国在污水处理方面技术水平的先进程度。

以下是一些传统的供水方式：

水塔高位水箱供水方式、恒速泵加压供水方式、气压罐供水当时、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，其中各供水方式的优点、缺点如下[1]：

（1）水塔高位水箱供水的优点为控制方式相对来说比较简便、出现故障时需要的维修时间比较短、运行经济合理以及停电之后可以实现不停止供水等，而相对缺点也较大，例如基础建设需要较大投资、占地面积也较大、维护不太方便，水泵电机在启动时采用硬启动的启动方式，起动电流很大，会对水泵电机造成较大的磨损，减少水泵电机的使用寿命等，现在在高层建筑的应用较多，不太适合其它的应用场合。

（2）恒速泵加压供水方式则比较原始，优点也不明显，相对来说，缺点却较大，例如，当供水管网的水压发生变化时，系统不能尽快的做出相应的动作，而且该系统中没有用到自动化控制技术，在需要增减水泵时，需要工作人员手动操作才能实现，并且为了保证供水质量，水泵机组需要经常在满负荷状态下工作，不但功率很低、耗电量很大，而且当用户需要的水量不多时，管网由于长时间在超压状态下运行，电机的爆损现象会非常严重，同时电机硬启动会导致非常严重的水锤效应发生，对水泵电机的破坏较大。

鉴于以上缺点，目前各地已基本停止使用。

（3）气压罐供水的优点则相对比较明显，和水塔高位水箱供水方式相比，不受高度的限制，而且技术简单，占地面积较小，体积小等。

其缺点为水泵电机的启动方式依然为硬启动且启动频繁、调节量相对较小，对电器设备有很高的要求、系统维护起来比较繁琐，并且为减少水泵电机的启动次数，停泵压力比其他供水方式高，从而导致水泵会工作在低效区域，而且出水压力也会随之增加，大大增加了水、电资源的严重浪费，因此，目前没有较大的发展空间。

（4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式优点是价格低廉，结构相对来说比较简单，操作简便，维修相对来说比较方便。

缺点是发热较高，需要冷却，且容易漏油，效率较低，系统建立以后，不容易扩展和改造，并只能是一对一驱动。

（5）单片机变频调速供水系统可以进行变频调速，实现恒压供水，对电机损害较小，且节约电能，自动化程度高，在各方面要比以上四种供水方式先进。

但是，该系统仍然具有一定的缺点，例如系统的开发需要较长时间，且操作繁琐，需要对操作人员进行长时间培训才能操作，由于单片机的一些特点，系统较容易受到干扰，没有较好的稳定性，因此不适合在恶劣环境使用，和前几种相比，维修也比较麻烦。

由上可知，以往的的供水方式都不同程度的存在一些相同的缺点，如没有较好的稳定性能，效率达不到要求，造成水电资源的严重浪费等，且大多数的供水方式自动化程度都偏低，需要大量人工操作，使工业、生活用水受到较大影响[2]。

伴随着人类社会的不断发展，对于供水系统的稳定性和供水质量，人们的要求不断提高，再加上资源越来越稀少，利用更加先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计效率更高、节能更明显、更加智能化并且能适应不同领域的恒压供水系统越来越受到人们的关注。

而目前，变频调速技术具有相当可靠的稳定性控制方式且节能效果非常明显，已经普遍应用在电机、水泵、空气压缩机、风机、制冷压缩机等消耗能量较多的设备中，而在恒压供水系统中，变频调速技术的优点更加突出，主要有：

一、具有显著的节能效果；二、减小电机、水泵对自己本身的机械冲击损耗；三、在启动、停止时，能明显的削弱供水压力对供水管网的冲击以及电流对电网的冲击。

PLC、变频器恒压供水系统包含现代控制技术、电气技术以及变频技术，对供水的可靠性及稳定性都有很高的保证，并且具有很明显的节能效果，因此，能够研究设计好该系统，具有非常大的实用意义。

1.2可编程控制器简述

1.21PLC定义

PLC（ProgrammablelogicController）即可编程控制器，主要是通过数字逻辑运算来实现人们日常需求的电子系统，该器件是专门为工业环境而设计的。

该器件拥有自己的存储器，可以用来存储人们根据需要写好的程序，还可以在其内部存储数序控制、计算、定时、逻辑运算以及数字运算的操作指令，通过数字量和模拟量的输入输出，控制各类工业生产过程，同时该器件还可以扩展各式各样的外围设备，与可编程控制器及其它外部端口连接，从而可以根据需要对各种系统进行扩展[3]。

1.22PLC的发展历史

可编程控制器的发展历史主要分为以下五个阶段[4]：

1.初始

二十世纪七十年代初期之前，这一时期的PLC功能非常简单，主要是用来

完成一般的继电器控制系统功能，即逻辑控制、顺序控制、定时计数等，用梯形图作为编程语言。

2.崛起

二十世纪七十年代中期至八十年代初期，由于可编程控制器在取代继电气控制系

统之后各方面表现良好，在电气自动控制领域，PLC开始普及并达到飞速发展，此时PLC在模拟量的控制及数据处理方面得到很大加强。

3.成熟

八十年代初期到九十年代初期，伴随着工厂工业对系统自动化程度以及控制性能和范围的要求不断的加大，可编程控制器在大中型控制系统如冶金、造纸以及污水处理中，展现了其强大的实力，在这一阶段，一些大型的可编程控制器都增加了遵守一定协议的通信接口。

4.飞速发展

上个世纪九十年代初期到九十年代末，伴随着计算机技术、通信技术、芯片技术和控制技术的发展与完善，可编程控制器的功能得到了更广阔的发展。

随着PLC控制系统在过程控制领域的进军，其网络通信功能和模拟量处理功能都有了很大的提高，并且年增长率一直在30%以上。

5.开放标准化

从上个实际九十年代中期以后，伴随着PLC在各个领域功能的不断完善，其开放性也越来越明朗化。

IEC61131即可编程控制器国际标准，目前已逐步实施和完善，尤其是IEC61136-3标准编程语言的发展，使可编程控制器正逐步走向一个开发标准的时代。

1.3本课题设计的主要内容

本设计以污水处理厂中水控制系统为研究对象，采用可编程控制器与变频器结合的技术，设计一套恒压供水系统。

该系统由可编程控制器、变频器、软启动器、压力传感器、液位传感器和水泵机组共同组成，为闭环调节系统。

该系统有一个水池，5台水泵，采用部分流量即所有水泵中只有一台变频运行，其他几台工频运行的调节方法。

PLC根据压力传感器反馈回的信号，与系统给定值比较，进行PID运算，将信号传给变频器控制变频水泵的转速，并实现工频水泵的增减（其中增加工频泵时要求软启动），进而是水泵内的压力保持恒定。

各个水泵的运行遵循先启先停、等时运行的原则。

由以上要求，设计系统的整体控制方案，包括：

硬件设备的选型（PLC、变频器、软启动器的选型，以及I/O模块扩展的选型）、硬件电路图的绘制以及使用相关软件设计梯形图控制程序等。

2系统设计的理论研究及控制方案的分析

2.1该系统的理论研究分析

本设计中的水泵电机采用5个160kw的三相异步电动机，其转速公式如下[5]：

式（2.1）

在公式中：

f代表供电电源的频率，p代表水泵电机的极对数，s代表转差率。

由以上可得，要想改变水泵电机的转速，有以下三种办法：

（1）通过改变水泵电机的极对数

（2）改变转差率

（3）改变供电电源的频率

下面分别介绍以上三种改变水泵电机转速的方法的优缺点：

（1）改变电机极对数调速的控制方式相对比较简单，投资小，并且节能效果明显，效率也高，但是应用范围小，只能用于特定的变极电机，并且属于有极调速，同时因为各级极差变化较大，使得转速变化很大，从而导致转矩也会有很大的变化，不适用于本设计恒压供水，只在一些要求特定转速的工业生产中应用。

（2）改变转差率的调速方法，如果想要有较大范围的调速，需选用串级调速的调速方式，这种调速方法最大的优点是转差功率可以得到回收，进而实现有效的节能，且调速性能良好。

而这种调速方式的成本相对来说比较高，调速系统的线路也很复杂，不便于以后的维修和扩展，且这种调速方式增加了中间环节，进而也增加了电能的损耗，性价比较低。

（3）改变供电电源供电频率的调速方式，由公式可知，当转差率保持恒定或变化较小时，水泵电机的转速基本与供电电源的频率成正比。

当供电电源的频率连续变化时，可以实现水泵电机转速的连续变化，属于无极调速。

改变供电频率，控制电机转速，可以很好的实现节能的效果，效率高，且系统后期的维护和扩展都相对简便。

满足该系统的设计。

缺点是，只是一味的改变电源频率，会使水泵电机性能逐渐变差。

但是，随着可续技术的不断进步与完善，电力电子技术有了很大的发展，越来越多的各方面性能良好且工作稳定的变频电源不断涌现，促进了变频调速技术的发展，并展现了该技术的广阔的扩展空间。

由以上分析可得，变频恒压供水控制系统相对于其他两种控制电机转速来改变供水压力的方式来说，更适合本设计的要求，且具有更大的发展空间。

2.2变频恒压供水控制系统设计方案的设计

2.21恒压供水控制系统方案的比较与确定

变频恒压供水控制系统主要分为以下几部分、：

可编程控制器、变频器、软启动器、压力传感器、液位传感器以及水泵机组六部分。

本设计