基于三菱PLC的恒压供水系统.docx

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基于三菱PLC的恒压供水系统

摘要

随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高,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,供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作,也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,难以满足当前经济生活的需要。

本论文针对某住宅小区的供水要求,设计了一套由PLC、变频器、压力变送器、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其监控系统,具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。

系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题,并具有多种辅助功能,增强了系统的可靠性。

基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比,论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。

通过对变频器内置PID模块参数的预置,利用压力变送器的水压反馈量,构成闭环系统,根据用水量的变化,采取PID调节方式,在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合,实现恒压供水且有效节能。

论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性,分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件,分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。

关键词:

恒压供水；PLC；变频调速

Abstract

Longwiththedevelopmentofthesocio-economyofourcountry,thehousingsystemisgoingdeepintoreforms,andpeople’slivingstandardisbeingimproved.Atthesametime,inthecity,eachkindofsub-districtconstructionisdevelopingveryquickly,whichputsforwardhigherrequirementfortheinfrastructureconstructionofsub-district.Andtheconstructionofsub-districtwatersupplysystemisanimportantaspectinwhich.Thereliability,stabilityandeconomyofwatersupplydirectlyaffectssub-districthousehold’snormallifeandworkandalsoembodiesthedifferenceinthelevelofsub-districtpropertymanagement.Thetraditionalmeansofwatersupplysuchasthepumppressurizationwatersupplyatconstantspeed,watertowerofuppercistern,thejaretc.arehardtosatisfytheneedsofcurrenteconomiclife,becauselowefficiency,reliabilityandautomationlevelareallcommonlyexistinginthesemeans.

Accordingtotherequirementofwatersupplyinasetofautomaticsystemofconstantpressurewatersupplybyusingvariablefrequencyandremotemonitoringandcontrolling,whichiscomposedofPLC,transducer,Pressuresensor,pumpsandelectro-motors.Thissetofsystemhasthefunctionslikeautomaticconstantpressureoperationbyusingvariablefrequency,automaticworkfrequencyoperationandtheon-the-spotcontrolbyhandetc.Thesystemhassolvedefficientlytheproblemexistinginthetraditionalwayofwatersupply,whichhasvarioussupplementaryfunctionstostrengthenthereliability.

Basedonthatthethreesideofthepumpwaterdeliveryrateandthepumprotationalspeedbecomedirectratio,thepaperanalysesthemechanismofenergysavingthatthewayofwatersupplybyusingthemethodofvariablevelocityvariablefrequencyissuperiortothetraditionalwayofconstantpressurewatersupplycontrolledbyvalve.SettingupinadvancetheparameterofthePIDmodularbuilt-inthetransducer,asystemofclosedcircuitusingthefeedbackofhydraulicpressureoffarbiographypressuretablehasformed.Accordingtothechangeofwaterconsumption,withPID,inthesphereofwholerateofflow,combiningtheconstantregulationofthepumpoffrequencyconversionwiththeworkfrequencypumpgraderegulation,thesystemofclosedcircuitcanrealizetheconstantpressurewatersupplyandsaveenergyefficiently.

Keywords:

Constantpressurewater-supply;PLC;VariablevelocityVariablefrequency

第1章绪论

1.1课题的来源及背景

众所周知，河北省地区水资源相对匮乏，城市生活用水紧张，长期以来在供水技术方面也一直比较落后，自动化程度不高，而随着社会经济发展，城市化进程加快的需求，对于供水系统提出了更高的要求。

因此在供水网络中需要采用供水优化调整方案，引入计算机、变频器、可编程控制器等先进技术，使供水网络在最佳状态下运行，具有重要的现实意义。

传统的供水方式主要有：

恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、单片机变频调速供水系统等，其优、缺点如下：

恒速泵加压供水方式采用人工手动方式控制水泵的启停，无法对供水管网的压力变化做出快速响应，效率低，可靠性差，在用水量较小时，管网长期处于高压状态，爆损现象严重，目前已较少采用。

水塔高位水箱供水方式控制简单，运行经济，但基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机启动电流大，频繁启动易损坏，易对水质造成二次污染。

气压罐供水方式具有体积小，技术简单等特点，但调节量小，水泵电机为硬启动、且启动频繁，对电气设备要求较高。

这些方式采用人工控制方式，效率低，可靠性差，自动化程度不高。

单片机变频调速供水系统已能够做到变频调速，自动化程度也明显高于其他供水方式，但是系统开发周期长，对操作员素质要求高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣环境。

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。

而随着城市发展进程的加快，传统供水方式已不能满足要求。

恒压供水将PLC和变频技术结合起来，利用由变频器控制的水泵，将市政管网水源或地下水源经蓄水池后直接加压送入供水管网，直至各个用水点。

根据供水管网流量、压力变化，由PLC自动控制变频器输出频率，调节水泵电机的转速，保持供水压力恒定，实现恒压供水。

目前，恒压供水系统已在国内外许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果，是较受欢迎的中小型实用、节能供水系统。

恒压供水系统主要有以下优点：

节电效益高；

运行可靠稳定；

结构简单，操作简便；

自动化程度高，维护量小。

目前，城市化发展的进程越来越快，对于基础设施建设的需求愈加迫切。

供水、供气、供热、污水处理等市政行业都面临快速发展的机遇，尤其是水务行业对新型供水系统的需求大增，新建筑的配套设施与旧建筑的升级改造都会用到该系统。

未来发展前景一片光明。

1.2变频恒压供水系统的发展状况

可编程控制器的产生取代了传统继电器控制，是面向工业控制领域的专用设备，具有以下几个特点：

可靠性高，抗干扰能力强；

功能强大，编程简单，使用方便；

体积小，重量轻，能耗低，性价比高；

控制系统易于实现，开发工作量少，周期短，维护方便，易于改造。

日本三菱系列PLC因廉价、可靠、擅长运动控制从而在国内中小型企业及民用设施中具有广泛应用。

变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换成为可变频率的电能控制装置，用于实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

另外，根据负载的特性，有针对性地产生了专用化的变频器，可对负载的电动机进行经济有效的控制，降低制造成本。

如风机、水泵专用变频器、起重机械专用变频器、空调专用变频器、电梯控制专用变频器等。

总之，变频器技术的发展趋势是朝着智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。

随着计算机技术、自动化技术地不断发展，随着变频技术越来越成熟地应用于各个领域，由计算机、PLC、变频器组成的应用控制系统层出不穷，在风机控制、中央空调等工业应用上已获得很大成功，为民用设备的产生打下了基础。

基于PLC的恒压供水系统能自动根据用水量及时做出快速响应，具有效率高、稳定性高、经济节能等优点，目前已逐渐取代传统供水方式，成为城市供水的重要组成部分。

1.3PLC特点及应用

可编程序控制器（programlogicalcontroller）,简称PLC,是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统,它是以微处理机为基础,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置,是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身,具有高可靠性、强抗千扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求;再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化,使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制,开始进入批量控制和过程控制领域,并迅速成为工业自动化系统的支柱。

目前,PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。

早期的可编程序控制器（PLC）,主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。

1969年,美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器。

早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。

70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强。

在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程1/0模块和各种特殊功能模块。

在软件方面,PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。

进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。

而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了PLC软、硬件功能。

在发达工业国家,PLC己经广泛的应用在所有的工业部门。

据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元,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:

可靠性高。

PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。

具有丰富的I/O接口模块。

PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。

另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。

采用模块化结构。

为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

编程简单易学。

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

安装简单,维修方便。

PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。

由于PLC强大功能和优点,使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。

PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。

其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。

可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机,其本质是一台工业控制专用计算机。

它的软、硬件配置与计算机极为类似,只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。

PLC机硬件主要由中央处理单元（CPU）、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。

PLC可分为以下几个部分:

中央处理单元（CPU）:

同一般微处理机一样,中央处理单元是可编程控制的核心部件,它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理,根据处理结果通过输出装置去控制外设。

常用的CPU有通用微处理器,如MOTOROLA6800,单片机有8031,8051和双极型位式微处理器,如AMD2903。

目前,小型PLC为单CPU系统,而中型及大型PLC则为双CPU甚至多CPU系统。

对于双CPU来说,一般具有一个位处理器和一个字处理器。

字处理器是CPU这个核心的核心,常由通用的8位、16位或32位微处理器担任,位处理器也称布尔处理机,如美国TI公司的TI-530等,它不仅使PLC增加了功能,提高了速度,也加强了PLC的保密性能。

中央处理器的功能是:

CPU按系统程序所赋予的功能,接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据;CPU按扫描方式工作,从存贮器中逐条读取指令,并存入CPU内的指令寄存器中;指令寄存器的指令操作码进行译码,执行指令规定的任务,产生相应的控制信号,启闭有关控制门电路,并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存器的内容,以实现输出控制、制表、打印或数据通讯;行系统诊断程序,诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

存贮器:

可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。

常用的存贮器形式有CMOSROM、EPROM和EEPROM。

系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。

所谓系统程序是指控制和完成PC机各种功能的程序,如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。

机器出厂时,厂家把这些程序存入EPROM存贮器或EEPROM存贮器。

用户不能访问和修改存贮器这部分的内容用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。

所谓用户程序是指使用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。

此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的CMOSRAM存贮器中,以便于用户随时修改。

也可将用户程序存放在EEPROM中。

为确保PLC机控制系统的可靠性,CMOSRAM存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施,以防电源掉电后破坏它的存贮内容。

数据存贮器用来存放PLC的数据。

包括输入、输出、辅助继电器状态的映像区,定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据寄存器和特殊功能寄存器等状态的映像寄存器。

由于数据在控制器应用中是经常变化、经常存取的,因此数据存贮器一般选用CMOSRAM,以满足随机存取的要求。

输入/输出模块:

输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。

现场的输入信号,如按钮开关,行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等,都要通过输入模块送到PLC。

由于这些信号电平各式各样,而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平,所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。

输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号,并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号,以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。

可编程控制器有多种输入/输出模块,其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。

这些模块又分直流和交流、电压和电流类型,每种类型又有不同的参数等级,主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块,部件上都设有输入接线端子排,为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理,这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。

数字量输入模块带有光电耦合电路,其目的是把PLC与外部电路隔离开来,以提高PLC的抗千扰能力。

数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。

模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量-数字量之间的转换,即A/D或D/A转换。

由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量,因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。

模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量,经光电祸合器和输入锁存缓冲器与PLC的1/0总线挂接。

模拟量输出模块D/A转换前的二进制数字量,经光电祸合器和输出锁存器与PLC的I/O总线挂接。

现在标准量程的模拟电压主要是0-5V和O-10V两种,模拟电流主要是0-20mA和4-20mA两种。

另外还有。

0-50mV,0-1V、-5-+5V、-10-+10V,0-10mA等。

模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后,把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号,送给中央处理器进行处理。

模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号,提供给执行机构。

扩展模块:

当一个PLC中心单元的1/0点数不够用时,就要对系统进行扩展,扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。

模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展,各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块,使可编程控制器的功能更加强大和完善。

智能I/O接口模块种类很多,例如高速技术模块、PLCA控制模块、数字位置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能I/O模块等。

编程器:

它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

有的编程器还可与打印机或磁带机相连,以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上,磁带上的信息可以重新装入PLC。

目前编程器主要有以下三种类型:

便携式编程器（也叫简易编程器）;图形编程器;用于IBM一PC及其兼容机的编程器。

便于携带的特点,一般只能用指令形式编程,通过按键输入指令,通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。

图形编程器以液晶显示器（LCD）或阴极射线管（CRT）作屏幕,用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息,还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。

使用图形编程器可以月多种编程语言编程,梯形图显示在屏幕上十分直观。

图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接,有较强的监控功能。

但它的价格高,适用于中、大型可编程控制器的编程要求。

用于IBM-

PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器,也可直接编制成梯形图,其监控功能也很强。

编程器工作方式主要有编程和监控两种,编程工作方式是在PLC机处于停机状态时可以进行编程,它的功能主要是输入新的程序,或者对已有的程序予以编辑和修改。

监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪,一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视,也可以对成组器件的工作状态进行监视,还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态,除搜索、监视、跟踪外,还可以对一些器件进行操作。

因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。

编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。

显示一般用液晶显示器,主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。

键盘有单功能键和双功能键,在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键,以选择其中一种方式工作。

现在产品越来越模块化,可编程控制器也不例外,它的结构紧密、坚固,外形小巧,CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。

不同厂家、不同型号的PLC的输入/输出点数也不同,有的大型机输入/输出点数可达16K,而很多小型机仅有十来点,而且CPU本身不带模拟输入与输出,但CPU一般都带有扩展接口。

因此,用户选型后,所需的输入或输出点数不够时,就需对系统做出必要的扩展,各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。

扩展模板的外形一般也小巧、坚固,有易于接线的端子排,带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。

主要有数字输入/输出模板,模拟输入/输出模板,热电阻、热电偶扩展模板,还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。

用扩展模板来扩展系统具有以下的优点:

用户可根据自己时间控制系统的要求,选用各种合适的扩展模块对PLC作硬

件组态,以求达到各种功能或控制精度,同时节省开支,减少不必要的投资。

当已运行的系统需要改造或扩充时,PLC可以随时进行升级或改版,所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件