PLC无塔供水毕业设计无塔供水系统的设计.docx
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PLC无塔供水毕业设计无塔供水系统的设计
中文摘要··········································Ⅰ
英文摘要··········································Ⅱ
前言
第一章课题设计任务及要求·························1
§1.1设计主要内容······························1
§1.2设计要求··································1
§1.3设计主要工作······························1
第二章无塔供水系统的介绍·························3
§2.1变频调速恒压供水系统简介·················3
§2.2变频调速的节能、调速原理··················4
第三章无塔供水系统的设计·························6
§3.1系统的设计方案论证························6
§3.2工艺过程分析······························6
§3.3主电路的设计······························10
§3.4控制柜的设计······························12
第四章PLC控制的设计·····························14
§4.1PLC的基本组成····························14
§4.2可编程控制器的特点及应用··················15
§4.3PLC的工作原理····························15
§4.4PLC程序的设计····························16
§4.5PLC程序的解释····························24
第五章器件选择···································27
§5.1可编程控制器PLC的选择····················27
§5.2变频器的选择······························27
§5.3压力传感器的选择··························29
§5.4压力调节器的选择··························30
§5.4其它器件的选择····························30
结论·············································32
参考文献········································33
致谢·············································34
无塔供水系统的设计
摘要
本论文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色，在分析了供水自动控制系统的发展现状和优点的基础上，结合我国中小城市楼宇供水的现状，从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。
基于上述分析设计了一套变频调速技术为基础的恒压供水系统。
该系统综合运用了变频调速技术以及自动控制技术，为了提高恒压供水系统的控制精度和可靠性，所以设计中采用三台大功率电机驱动水泵在用水高峰期运行供水，在用水低谷时转化为两台小功率电机驱动水泵运行供水。
供水方式为分组控制﹑轮流变频的控制策略。
变频恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
因为此设计是基于用水量的变化，所以很可观的节省了水资源。
关键词：
PLC，恒压供水系统，变频调速，节能
ABSTRACT
Thispaperintroducedtheconstantpressurewatersupplysystemandthebasicprinciplesconstitutethebasisthattheprogrammablelogiccontroller（PLC）inWaterSupplySystemintherole,theanalysisofwatersupplydevelopmentoftheautomaticcontrolsystemAndonthebasisofmerit,smallandmedium-sizedcitiesinChinawiththestatusofbuildingwatersupply,fromthesystem'soveralldesignandanalysisofactualdemand,closertieswiththeneedsofreallife,tomakesurethatthesystemisrunningstable,simpleandpracticalsolutionIntheissue,andensurewatersupplysafety,efficiencyandreliability.
BasedontheaboveanalysisanddesignasetofVVVFtechnology-basedWaterSupplySystem.ThesystemintegrateduseoftheVVVFtechnologyandautomaticcontroltechnology,inordertoimprovetheconstantpressureofthewatersupplysystemcontrolaccuracyandreliability,sothedesignofhigh-powermotordriveusingthreewaterpumpsatthepeakofrunningwater,inwaterLowebbwhenconvertedintotwosmallpowermotor-drivenpumpsrunningwater.Watersupplyforthecontrolgroup﹑rotationfrequencyofthecontrolstrategy.
FrequencyWaterSupplyguaranteethequalityofthewatersupplytothePLCforthehostcontrolsystemenrichesthesystemcontrolfunctions,improvethereliabilityofthesystem.Becausethisdesignisbasedonchangesinwaterconsumption,sotheverysubstantialsavingsinwaterresources.
KEYWORDS:
PLC,WaterSupplySystem,FrequencyControl,energysaving
前言
近年来随着控制技术的发展与完善，变频器以广泛地应用于工农业生产的各个领域之中。
但在城市供水系统中，有很多仍采用高位水塔方式供水。
这种非匹配方式供水经常会因为用水量的变化而出现用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），且建造水塔需花费大量财力。
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，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。
为保证某小区的供水正常，我们利用PLC，配以不同功能的传感器，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。
采用变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。
另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显。
恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
第一章课题设计任务及要求
§1.1设计主要内容
某居民小区内生活用水泵站采用变频调速系统进行控制。
主要设备为三台笼型电机和一台变频器拖动，在用水较少的夜间由两台辅助电机拖动。
电气控制部分用PLC作为主控制器。
其中，三台33KW主电机在正常情况下要两台运行一台备用，为防止备用泵长期闲置锈蚀，要求备用机组可在操作台上用开关按钮任意切换，运行中任意一组出现故障，备用机组应立即投入运行。
两台7.5KW辅助电机在用水量特别少的时候驱动水泵供水，此时拖动电机均工频运行。
当供水量仍大于用水量时，多余的供水需通过溢流阀返回水源处。
§1.2设计要求
要求设计手动﹑自动两种工作方式。
在手动方式时，可由操作人员分别起动每台水泵，各台水泵不进行联动；在自动方式时，根据压力大小实时调节，且起动时要求联动。
控制方案能根据用水量的需求来自动调整拖动水泵运行的电机的方式，并且工作机组和备用机组需要经常更换。
§1.3设计主要工作
§1.3.1变频调速恒压供水系统的介绍
主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理；介绍变频器的节能、调速原理；详细叙述恒压无塔供水系统的组成以及各个器件的作用；仔细分析设计方案。
§1.3.2变频调速恒压供水系统的设计
根据设计任务书的内容及要求，详细论证变频恒压供水系统的在供水系统中的优点，分析工艺流程及供水系统的工作方式。
根据分析的结果，由S7-200系列的编程软件绘制本设计的梯形图语句，并仿真出结果。
§1.3.3图纸绘制
根据设计的要求及控制方式绘制图纸。
完成设计后需提交以下图纸：
系统主电路图﹑工作流程图﹑设计控制柜﹑PLC外部接线图﹑I/O表及地址分配表﹑梯形图。
§1.3.4元器件的选择
根据所涉及内容的要求，分析计算出本设计所需的最佳元器件，例写出一些主要元器件的技术参数。
第二章无塔供水系统的介绍
§2.1变频调速恒压供水系统简介
变频调速恒压供水系统由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。
电动机泵组多由同型号的水泵并联而成。
电机由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。
恒压供水泵的系统简图的构成如图2-1。
图2－1
其主要优点：
①对电网冲击小，保护功能完善。
消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。
②当变频器发生故障时，能够转换至工频运行，确保供水不间断。
③因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作节省了人力。
④由于变量泵工作在变频运行状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。
由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。
⑤无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。
⑥建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。
§2.2变频调速的节能、调速原理
§2.2.1变频调速系统的调速原理
由电机学的基本公式
（2-1）
式中电动机定子绕组的磁极对数
一定，改变电源频率
，即可改变电动机同步转速。
异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。
电源频率增加，同步转速
增加，实际转速也增加；电源频率下降，电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现的速度调解过程称为变频调速。
§2.2.2变频调速系统的节能原理
变频调速技术的通常意义旨在：
使用变频调速器（简称变频器）去拖动电机。
主要运行特点：
实现电动机的无级调速；电动机的启动电流小，即实现软启动；方便地进行加减速控制；使鼠笼式异步电动机获得高性能却基本上不需对电机进行维护。
变频调速运行的节能原理
图1为水泵用阀门控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，必须关小阀门。
这时阀门的磨擦阻力变大，管路曲线从R移到R′，扬程则从Ha上升到Hb，运行工况点从a点移到b点。
图2为调速控制时，当流量要求从Q1减小到Q2，由于阻力曲线R不变，泵的特性取决于转速。
如果把速度从n降到n′，性能曲线由（Q-H）变为（Q-H）′,运行工况点则从a点移到c点，扬程从Ha下降到Hc。
根据离心泵的特性曲线公式：
N＝RQH／102η
式中：
N——水泵使用工况轴功率（kw）
Q——使用工况点的流量（m3／s）；
H——使用工况点的扬程（m）；
R——输出介质单位体积重量（kg／m3）；
η——使用工况点的泵效率（%）。
可求出运行在b点泵的轴功率和c点泵的轴功率分别为：
Nb＝RQ2Hb／102η
Nc＝RQ2Hc／102η
两者之差为：
ΔN＝Nc—Nb=R×Q2×（Hb－Hc）／102η
也就是说，用阀门控制流量时，有ΔN功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。
而用转速控制时，由于流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；轴功率P与转速n的立方成正比，即功率与转速n成3次方的关系下降。
如果不是用关小阀门的方法，而是把电机转速降下来，那么在转运同样流量的情况下，原来消耗在阀门的功率就可以全避免，取得良好的节能效果，这就是水泵调速节能原理。
第三章无塔供水系统的设计
§3.1系统的设计方案论证
我们采用高性能、模块化结构、带模拟量通道功能的西门子S7-200可编程控制器，配合变频器，完成无塔供水自动控制。
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。
而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，一台水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。
压力传感器将水压的变化转变为电信号的变化送给调节器。
压力变送器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。
§3.2工艺过程分析
§3.2.1系统工作过程
首先开机，压力继电器自动输出信号，如果压力比较低，不能满足泵运行的要求，则整个系统不能工作。
当压力满足要求时，开始选择操作方式，一般先选用自动操作，当自动操作方式无故障时，变频器开始工作，电机开始驱动水泵供水，在压力不能满足要求时，根据压力来改变电机的转速或投入﹑切断电机。
当自动操作有故障不能运行时，采用手动操作供水。
§3.2.2系统工作原理
系统中由压力传感器将水压的变化转换为电信号通过电压调节器送给变频器，变频器则根据传感器的采样值与变频器的设定值进行比较，通过内置的PID功能进行数据处理，将数据处理的结果以频率的形式输出（0～50HZ之间变化）。
压力传感器常装设在泵站的出口。
现代的变频器一般都具有PID调节功能。
压力传感器与整个变频供水系统的具体接法的具体接法见图3-1：
图3-1
由图可知：
变频器有两个控制信号：
（1）目标信号XT即给定端VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值。
目标信号可以直接由键盘给定，而不必通过外电路来给定。
（2）反馈信号XF是压力传感器BP反馈回来的信号，该信号是一个反应实际压力的信号。
XT和XF两者是相减的，其合成信号XD＝XT－XF,经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率fx。
当用水流量减少时，供水能力＞用水流量，则供水压力上升，XF↑→合成信号（XT－XF）↓→变频器输出频率fx↓→电动机转速nx↓→供水能力↓→直至压力大小回复到目标值﹑供水能力于用水流量重又平衡时为止；反之亦然。
§3.2.3工艺过程
在本设计系统运行的过程中会发生以下情况：
①由一台大电机供水时，用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力稳定时，PLC根据变频器的频率上限信号自动将原工作在变频状态下的泵投入工频运行状态。
同时，将下一台水泵用变频器起动投入变频运行以加大管网的供水量来保证恒压供水的目的。
②由一台大电机工频运行另一台大电机变频运行同时供水时，当供水量大于用水量，PLC根据变频器的频率下限信号自动将变频运行水泵切除，同时使另一台水泵进入变频运行供水。
③当只有一台大电机变频运行时，供水量仍大于用水量时，PLC根据变频器的频率设定最小值到达输出信号，将大电机退出运行，同时起动小电机进入工频运行。
此时若供水量大于用水量时，多余的水通过溢流阀返回水源处；若供水量不足时，启动另一台小电机进入工频运行供水。
④当由两台小电机供水时，若供水量大于用水量时，多余的水通过溢流阀返回水源处；若供水量不能满足要求时，切断小电机，同时起动大电机驱动的水泵运行。
之后，重复上述操作。
若电机发生故障,立即投入备用电机。
以1M﹑2M运行3M备用为例，流程图见3-2：
图3-2
§3.3主电路的设计
§3.3.1主电机的控制分析
根据现场实际情况，一天之中用水量会有若干个高峰，变频器会根据出水口的压力调节水泵的转速与投切。
在本设计中采用三台功率为33KW的主电机在用水高峰期驱动水泵提供用水,且在工作过程中要求两台运行一台备用。
在实际控制中，避免备用电机长期不用而锈蚀，所以要定期更换备用电机。
对主电机进行分组控制：
第一组：
1M﹑2M运行3M备用
第二组：
2M﹑3M运行1M备用
第三组：
1M﹑3M运行2M备用
本设计中是通过工作备用组合选择开关K1﹑K2来选择工作机组和备用机组。
根据设计任务的要求，在供水过程中要求根据用水量的多少自动调节电机的转速来改变供水量的大小，使供水量和用水量始终保持平衡，所以在驱动电机前必须加一个能够实现驱动电机无级调速的设备。
又由于三台主驱动电机需工作在工频恒速方式下，所以主驱动电机必须有两路通电，一路通过开关﹑保护设备﹑控制设备和调速设备接至电源，另一路通过开关﹑保护设备﹑控制设备接至电源处。
§3.3.2辅助电机的控制分析
为了达到经济运行的目的，在用水低谷时采用两台7.5KW的辅助电机驱动水泵供水，他们始终工作在工频恒速状态下，所以它们只通过断路器﹑控制设备及保护设备接到电源处。
§3.3.3系统主电路图
由上述分析可画主电路图：
如图3－3
图3－3
§3.4控制柜的设计
§3.4.1控制方式分析
根据设计任务的要求，为了满足PLC或中间继电器故障时仍然可以为用户提供水，在设计中需要选择两种控制方式相结合的方法，及手动和自动方式相结合的方法。
通过万能转换开关来选择控制方式。
在自动控制方式时，PLC启动后，根据程序设定来自动控制供水的压力，对压力进行适时地调整。
当PLC发生故障时就通过采用手动的控制方式，在按手动按钮发出控制命令给控制回路来实现用户的需水量。
控制回路接法见图3－4
图3－4
§3.4.2控制过程分析：
自动方式下，通过中间继电器常开触点KA1﹑KA2分别控制电机工作运行状态，为保护水泵和变频器，每台电机驱动的水泵KM1﹑KM2之间进行了电气互锁。
手动方式下，通过按钮SB1来控制电动机工作运行状态，并设置了电机运行的自锁。
§3.4.3控制电路的设计如图3-5：
图3－5
第四章PLC控制的设计
§4.1PLC的基本组成
§4.1.1PLC的硬件组成
一﹑中央处理单元（CPU）
CPU是PLC的核心,PLC中所配置的CPU随机型不同而不同。
二﹑存储器
存储器主要有两种：
一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。
在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
三﹑输入/输出单元
输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。
PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控对象控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控对象，以实现控制目的。
PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。
I/O点数是选择PLC的重要依据之一。
当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。
四﹑通信接口
五﹑智能接口模块
六﹑编程装置
七﹑电源
PLC配有开关电源，以供内部电路使用。
与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。
§4.1.2PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。
§4.2可编程控制器的特点及应用
早期的可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC），主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：
1．可靠性高。
2．具有丰富的I/O接口模块。
3．采用模块化结构。
4．易学易用，深受工程技术人员欢迎。
5．安装简单，维修方便。
§4.3PLC的工作原理
扫描工作原理:
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。
由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。
这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。
用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情
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