PLC水塔水位控制系统的设计说明.docx
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PLC水塔水位控制系统的设计说明
信息职业技术学院
学生毕业设计（毕业论文）
系别：
机电工程系
专业：
机电一体化
班级：
机电061
学生姓名：
靖尧
学生学号：
0604053125
设计（论文）题目：
PLC水塔水位控制系统的设计
指导教师：
岳东海
设计地点：
信息职业技术学院
起迄日期：
2008-8-4——2008-8-25
毕业设计（论文）任务书
专业机电一体化班级机电061靖尧
一、课题名称：
PLC水塔水位控制系统的设计
二、主要技术指标：
1、PLC能提供可编程逻辑分析和PID功能（SATTCONTORL公司生产PLC5的可编程逻辑控制器）
2、变频器的工作电压为380V，随机容量为24kwA（IPF-24变频器）
三、工作容和要求：
通过出水母管中安装压力变送器，将水压值转换为5-25mA电流信号输入PLC，把该信号与水位设定值相比较，并经PID运算后，由PLC把计算结果作为输出信号送往变频器，控制变频器的输出频率，从而调整水泵电机的转速，使出水母管水压稳定，即水塔中的水位高度稳定在设定值上。
系统设有备用泵和消防功能，水位显示与报等功能。
四、主要参考文献：
[1]又成，章棘.PLC在恒压供水自动控制系统中的应用（J）l.电工技术杂志，2003,
（2）:
36-37.
[2]戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].:
，1999.89-106.
[3]何衍庆，戴自样，俞金寿.可编程序控制器原理与应用技巧[M].:
化学工业，1998.6-16.
[4]萍.现代电气控制技术[M].:
大学，2001.1
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文题目）
一、选题的背景和意义：
一、选题的背景和意义：
在上个世纪60年代末期，PLC第一次被提出。
设计这样一个器件的主要目的是为了降低当时使用复杂的继电器控制的电机控制系统的巨额成本。
上世纪70年代中期，占支配地位的PLC技术是序列发生器状态机（sequencerstate-machines）和基于CPU的位片（bit-slice）技术。
80年代，人们试图用通用电机（GeneralMotor）的生产自动控制协议（manufacturingautomationprotocol,MAP）来将PLC的通信标准化。
90年代，新协议的产生和80年代幸存的一些较流行协议的物理层的现代化逐渐减少。
最新的标准（IEC1131-3）已经尽量将PLC编程语言融合为一个国际标准。
水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统,传统供水系统大多采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备,用水泵以高出实际用水高度的扬程来“提升”水量,其结果增大了水泵的轴功率和能耗。
现研究设计的水塔水位控制系统采用变频调速恒压供水系统,实现水泵无级调速。
依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,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
二、课题研究的主要容：
1．掌握水塔水位的组成与工作原理；
2．了解和熟悉PLC的结构和作用，以与其工作原理，掌握PLC的编程方法；
3．设计PLC控制水塔水位的住电路和控制程序；
4．设计PLC控制系统安全稳定。
三、主要研究（设计）方法论述：
（一）依据课本所学的知识；
（二）通过老师知道;
（三）到图书管查阅相关书籍;
（四）上网查询相关资料;
（五）向一些有经验的学长请教;
四、设计（论文）进度安排：
时间
工作容
8月６日――８月８日
绪论
８月９日――８月１２日
系统的方案设计
８月１３日――８月１５日
变频器的节能原理
８月１６日――８月１８日
控制系统硬件设
８月１９日――８月２０日
各种元器件的选择
８月２１日――８月２４日
恒压供水系统软件设计
８月２５日
设计总结与答辩
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
0绪论……………………………………………………5
0.1双恒压供水系统的目的与研究意义……………….5
0.2交流变频调速的优势与应用……………………….7
0.3可编程序控制器的特点与应用……………………10
1变频器的节能原理……………………………………17
1.1变频器的控制方式…………………………………17
1.2变频调速的调速与节能原理………………………17
2控制系统硬件设计……………………………………19
2.1主电路设计…………………………………………19
2.2控制电路设计………………………………………19
3各种元器件的选择……………………………………21
3.1PLC的选择……………………………………………21
3.2变频器的选择………………………………………21
3.3压力传感器的选择…………………………………21
3.4触摸屏的选择………………………………………22
3.5软启动的选择………………………………………23
4恒压供水系统软件设计………………………………24
4.1程序功能图的设计…………………………………24
4.2置PID功能与其编程……………………………25
4.3系统程序设计与说明………………………………26
4.4输入输出地址分配表如下…………………………
6小结……………………………………………………
7致……………………………………………………
8参考文献………………………………………………
PLC水塔水位控制系统的设计
摘要:
该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。
从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。
以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理与PLC控制系统。
在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
智能水压控制系统的基本控制策略是：
采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制,完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压
力稳定在设定的压力值上。
关键词:
恒压供水，FX2N-PLC可编程序控制器、压力传感器、变频器PID运算、PLC控制、恒压供水。
Abstract:
Begraduationpractice'sturntohavefilleduppressuretypewatersupplyequipmentworktoenvironmentalprotection,energyconservation,automationintroducethat.Thefrequencyconversionspeedregulationtechnologyhavingsetofffromenergyconservationscienceandtechnologypractice,expoundinghitsthetargetinhighbuildingwatersupplyequipmentapplying。
IntroducedtheintelligenthydraulicpressurecontrolsystemprincipleofworkandthePLCcontrolsystem.Inintheanalysishydraulicpressurecontrolworkflowfoundation,hasproducedthePLCcontrolsystemhardwareandthesoftwaredesign.Theintelligenthydraulicpressurecontrolsystembasiccontrolstrategyis:
Usestheelectricmotorspeederandtheprogrammablecontroller（PLC）constitutesthecontrolsystem,carriesontheoptimizedcontrol,Completesthewatersupplypressuretheconstantcontrol,whenpipenetworkcurrentcapacitychangeachievedthestablewatersupplypressureandsavestheelectricalenergythegoal.Thesystemcontrolgoalisthepumpingstationmainpipewaterleakagepressure,thesystemhypothesiscarriesonthecomparisonforthehydraulicpressurevalueandthefeedbackmainpipepressureactualvalue,afteritsinterpolationinputsCPUoperationprocessing,sendsoutthecontrolcommand,thecontrolpumpstheelectricmotortothrowtransportstheTaiwannumberandthemovementvariabledisplacementpumpelectricmotorrotationalspeed,thusachievedstabilizesforthewatermainpipepressureinhypothesisPressure.
Keyword:
PLCcontroltheFX2N-PLCprogrammable、Pressuresensor、FrequencytransformerPIDarithmetic、PLCcontrolled、Theconstantvoltagesupplieswater。
0绪论
0.1双恒压供水系统的目的和研究意义
恒温恒压供水系统对于生活是非常重要的,例如在房屋供水工程中,若自来水供水因故压力不足或短时缺水,可能影响居民生活.又如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大损失和人员伤亡,恒温供水则能保证供给用户的水保持在设定的温度围.所以,生活小区采用生活/消防双恒压系统,具有较大的经济和社会意义.
0.2交流变频调速技术的优势与应用
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据电动机电流形式分为直流调速系统和交流调速系统两类。
它们最大的不同之出主要在于交流电力拖动免除了改变直流电机电流流向变化的机械向器——整流子。
20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以与现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速围、高的稳速围、高的稳速精度、快的动态响应以与在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。
在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。
交流变频调速的优异特性
（1）调速时平滑性好，效率高。
低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。
（2）调速围较大，精度高。
（3）起动电流低，对系统与电网无冲击，节电效果明显。
（4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。
（5）易于实现过程自动化。
0.3可编程序控制器的特点与应用
1.可靠性高，抗干扰能力强
如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PLC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小围，使PLC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PLC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PLC的平均修复时间。
为此，各PLC的生产厂商在硬件和软件方面采取了多种措施，使PLC除了本身具有较强的自诊断能力，能与时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PLC具有了很强的抗干扰能力。
·硬件措施：
主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路
·软件措施：
有极强的自检与保护功能。
2.通用性强，控制程序可变，使用方便
PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。
用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。
因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。
3.功能强，适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。
既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。
4.编程简单，容易掌握
目前，PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。
既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯与编程水平，所以非常容易接受和掌握。
梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。
通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC部增加了解释程序）。
与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。
5.减少了控制系统的设计与施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。
同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。
并且，由于PLC的低故障率与很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。
6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备部，是实现机电一体化的理想控制设备。
以三菱公司的F1-40M型PLC为例：
其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。
现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：
面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。
第二章变频器的节能原理
2.1变频器的控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交直交电路。
其控制方式经历了以下四代。
2.1.1 U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式
其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。
但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。
另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。
因此人们又研究出矢量控制变频调速。
2.1.2 电压空间矢量（SVPWM）控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以切多边形逼近圆的方式进行控制的。
经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。
但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。
2.1.3 矢量控制（VC）方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
2.1.4 直接转矩控制（DTC）方式
1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。
该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。
目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
2.1.5 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交－直－交变频中的一种。
其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。
为此，矩阵式交－交变频应运而生。
由于矩阵式交－交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。
它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。
该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。
其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。
具体方法是：
——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现BandBand控制按磁链和转矩的Band－Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。
矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩与高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。
2.2变频调速的调速、节能原理
1、动态功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因为功率因数的降低导致电网有功功率的降低。
由公式S’＝p’＋Q’，Q＝S*SIN￠，P=S*COS￠，其中：
S-视在功率，Q-无功功率，P-有功功率，COS￠-功率因数。
可知，当COS￠越大，有功功率P越大。
普通定量泵注塑机COS￠值在0.6－0.8之间，而使用变频调速节能控制装置后，由于变频器滤波电容的作用，使得COS￠≈1，从而减小了无功损耗，增大了电网的有功功率。
2、软启动节能 由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于（3-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对设备的使用寿命极为不利。
而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和模具的使用寿命。
3、变频调速节能装置的控制系统 根据注塑机的工艺要求，利用注塑机电脑的同步控制信号与电气控制，从注塑机的压力电磁比例阀和流量电磁比例阀分别取出0-1ADC的模拟电流信号，送电流/电压变送器综合处理转变为0-10VDC的模拟电压信号，直接加在变频器的输入端，从而改变变频器的输出频率，即改变油泵电机的转速，来改变油泵电机的输出流量Q,满足注塑机在各个工序中所需的油压大小和流量速度，将传统的定量泵转变为变量泵。
第三章控制系统硬件设计
3.1主电路设计
按变频调速恒压供水系统原理设计的水塔水位控制系统框图如图2所示,市网自来水用水位控制器eq来控制注水阀yv1,只要水位低于高水位,则自动往水池注水。
水池的高/低水位信号也直接送给plc,作为高/低水位报警。
为了保证供水的连续性,水位的上下限距离较小。
生活用水和消防用水共用三台水泵[3],平时电磁阀yv2处于失电状态,关闭消防管网,当火灾发生时,电磁阀yv2得电,关闭生活用水管网,三台水泵供消防用水使用,并维持消防用水的高压值。
火灾解除后,三台水泵改为生活用水使用,并循环运行,维持生活用水的低恒压值。
每台水泵电机既可以变频运行,又可以工频运行。
当用水量较小时,一台水泵在变频器的控制下稳定运行,当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给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被plc检测到,plc自动将原工作在变频状态下的水泵投入到工频运行,以保持压力的连续性,同时将下一台水泵用变频器起动后投入运行,以加大管网的供水量保证压力稳定;若两台水泵运转仍不能满足压力的要求,则依次将变频工作状态下的水泵投入到工频运行,再将一台水泵投入变频运行;当用水量减少时,首先表现为变频器已工作在最低速信号有效,这时压力上限信号如仍出现,plc首先将最先工频运行的水泵停掉,以减少供水量,当上述两个信号仍存在时,plc再停掉第二台工频运行的水泵,直到最后一台泵用变频器恒压供水。
所有水泵电机从停止到启动与从启动到停止都由变频器来控制,实现带载软启动,避免了启动大电流给水泵电机带来冲击,延长了电机的使用寿命。
同时系统供水采用变频运行水泵循环方式,以“先开先关”的顺序关水泵,这样,既保证供水系统有备用水泵,又保证系统水泵有一样的运行时间,有效地防止因为备用水泵长期不用发生锈死现象,提高了设备的综合利用率,降低了维护费用。
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