机械毕业设计235PLC在高楼供水系统中的应用副本.docx

1、机械毕业设计235PLC在高楼供水系统中的应用 副本第一章 绪论随着城市建筑供水问题的日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的；同时要求供水的可靠性和安全性。本次设计是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由主回路，备用回路，一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有1#3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀控制各供水回路和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。本次设

2、计内容包括PLC设计常用标准和规范，设计内容力求做到简明扼要，严格按照设计标准进行设计，从而设计出复合设计要求，适合实际生产情况的PLC供水系统，真正做到使生产效率大大提高，节约了生产成本，节省生产成本。 本次设计介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。优缺点： 本系统的优点可以归纳为以下几个方面:(1) 系统造价经济性由于采用“一拖多”控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高的价格竞争优势;(2) 系统构造

3、简单和易维护性系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换;(3) 通用性和灵活性系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制，可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的供水应用场合，具有较强的灵活性;(4) 智能性系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按“优美降级使用”方案处理，减少了系统停机断水现象;(5) 保护功能全面性 系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加功能性保护。当然，本次设计的供水系统也并非完美无缺，比如在某台电机变频运行向工频运行切换的过程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，

4、此时，电机处于感应发电状态，存在着感应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性，容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。为避免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。在实际应用中，对于380V/110kW以下容量的电机，只要缩短电机自由滑停段的时间(一般控制在200ms以内)，就可以减少感应发电状态下的非同期相位的电量累积，减小工频切换时的冲击影响。1.1 PLC的用途与特点一.PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广

5、泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计

6、算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为

7、了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。预计今后几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。二. PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能

8、力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，

9、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入

10、、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个PLC装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。（3）编程方便，易于使用 PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。（4）功

11、能完善，扩展能力强 PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。（5）PLC控制系统设计、安装、调试方便 PLC中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。

12、又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台PLC就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。（6）维修方便，维修工作量小 PLC具有完善的自诊断，履历情况存储及监视功能。对于内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。（7）结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得PLC获得极为广泛的应用。第二章 系统组成及控制要求2.1系统简介为改善生产环境，某公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了

13、抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的2.2系统组成系统主要由电动机，变频器，PLC控制器，软起动器，电机保护器数据采集及其辅助设备

14、组成。2.3控制要求及技术指标1：供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。2：三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则。3：为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切换到下一抬泵，以防止泵长时间不用而锈死。4：要有完善的保护和报警功能。5：为了检修和应急要设有手动功能。6：需要有水池防抽空功能。技术指标 供水扬程： 4120 m 供水流量： 22000 m3/h 水泵功率： 0.5575 KW 平均节电率： 3060% 压力调节精度：0.01Mpa 预定压力设定数：第1、2压力。其中第2压力设定值为消防用水压力。 水泵数量及功率可根据用户实际情况来选定。2.4变频器

15、的技术参数ABB ACS400是具有多种功能的变频器，在本例中由于已选PID调节器，因此就不用变频器的内部PID调节，而只用变频器的工厂宏FACTORY（0）就可以了。压力传感器将压力信号传给PID调节器，PID调节器根据压力设定，输出420MA给变频器以调节电机的速度，变频器的运行要根据可编程序控制器输出Q1.0（DCOM1-DI2）是否闭合来确定，变频器的停止要根据 编程序控制器输出Q0.7（DCOM1-DI1）是否闭合来确定。将变频器内部可编程继电器RO1，RO2设定成频率到达。相关参数设定如下： 代码 功能 设定值 代码 功能 设定值 9902 APPLIC MACRO 0 2102

16、STOP FUNCTION 1 1001 EXICOMMANDS 3 3201 SUPERV1 PARAM 0103 1003 DIRECTION 1 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ 1102 EXT1/EXT2 6 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ 1103 EXT REF1 SEL 0 3204 SUPERV1V2PARAM0103第三章 控制系统设计3.1确定控制方案1） 工频手动方式系统设计了手动工频的操作方式，将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方式下，PLC、PID、变频器等均不参加控制，因此

17、，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式主要供PLC、变频器、PID仪表、压力变送器等设备故障检修时使用。 2） 变频自动方式将转换开关打到“变频”档位，按下变频起动按钮，系统将自动判断并选择起始变频运行泵入口，进入自动运行。3） 工作原理(1) 当某台电机故障或需要检修某台电机水泵时，控制系统将退减到3泵循环方式自动工作;(2) 当变频器出现故障时，控制系统将采用工频驱动方式控制泵的运行与停止，来保证供水的压力在一定的范围内，但系统无法达到压力值的恒定，同时发出报警蜂鸣声响，通知操作人员进行处理;(3) 当无水接点信号来临时，PLC将关断所有变频和工频

18、输出，直到无水接点信号消失，PLC将自动恢复控制输出;(4) 当消防信号到来时，PLC控制将转入子程序段执行，关断生活用水，打开消防供水阀，实现对消防管道补充供水目的，系统将根据在PLC程序中设置的消防供水压力设定值自动地完成恒定稳压消防供水。当消防信号解除后，系统自动恢复到变频恒压供水工作状态;(5) 仅单台泵变频运行，且处于最低输出频率状态和较长时间无压力上下限出现时(可以认为此时的系统供水需求量接近为零)，控制系统将以变频50Hz运行30s或使管网压力达到设定值的1.2倍左右后，立即停止运行，进入休眠状态，直到管网实际压力为压力设定值的80%左右，控制系统重新自动恢复变频运行，即休眠唤醒

19、。当然，管网中若有气压罐，系统应以气压罐的压力控制器的上下限接点作为休眠与唤醒的条件进行控制3.1.1抽水泵系统整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作50HZ，管网压力仍然低于系统设定的下限时，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频运行电机。系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也

20、不能保证管网的压和稳定时，控制器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泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的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。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。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首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。另外，控制系统设计六台泵为两组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小

21、时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。3.1.2半自动运行当PLC系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。3.1.3手动当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，六台泵可分别以手动工频方式运行。实施效果实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的最经济结构，在软件设计中充分考虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用软起动是解决该问题关键。变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有

22、不可忽视的作用。采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。另外：采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。 过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。系统配备

23、水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。3.1.4加压泵系统由于抽水泵房距离高位水池较远，直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足，为此在距离高位水池落差为36米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为75KW，扬程36米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件：（1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀

24、和起动加压泵向高位水池供水；（2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀；（3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必须开启出水电动蝶阀由高位水池向主管补充不。像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期可靠地运转，同时配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。为保证整个主水管网的恒压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时主管压力将“憋压”，最终导致主管压力上升，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。3.1.5系统实现功能自

25、动平稳切换，恒压控制主水管网压力传感器的压力信号420mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与总调度室计算机网络。3.2主电路设计主电路主要由M1、M2、M3三台电机、交流接触器KM1KM6控制三台电机的运行，KM1、KM2、KM3为电机M1、M2、M3过载保护用的热继电器，QF1，QF2，QF3，QF4，QF5分别为主电路、变频器和

26、三台泵的工频运行空气开关。KM1、KM3、KM5实现自动功能，KM2、KM4、KM6实现手动功能。3.3PLC的接线图CPU224的传感器电源24V（DC）可以输出600MA电流，通过核算在本例中容易满足要求，CPU224的输出继电器触点容量为2A，电压范围为530V（DC）或5250V（AC），如果用在较大容量的系统中，一定要注意PLC的输出保护。I01I06接控制电路图中虚线筐内相对应的控制线，201接变频器的DCOM1，202203接变频器的DI1DI2，变频器的RO1的常开点接到PLC的I0.0，R02的常开触点接到PLC的I0.1。3.4控制电路图本系统的电气控制线路的电路图中，SA

27、为手动/自动转换开关，KA为手动/自动中间继电器，打开1位置为手动状态，打开2位置为自动状态，同时KA吸合。在手动状态，可以按动SB1SB6控制三台泵的起停。在自动状态时，系统根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。HL1HL8为各种运行指示灯。中间继电器KA的常开触点接I03，控制自动状态时的起动。中间继电器的KA的三个常闭触点接在三台泵的手动控制电路上，控制三台泵的手动运行。在自动状态时，三台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。KH1，KH2，KH3为三台泵的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。3.5程序设计在主程序中，T56，T57为变频器频率上、下限到达滤波时间继电器，

28、主要用于稳定系统，VB200为变频泵的泵号，VB201为工频运行泵的总台数，VD260为倒泵时间存储器。第四章 PLC选型分析4.1硬件设计 系统选用了西门子公司的S7-200PLC，辅以输入/输出扩展模块组成，主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。执行部件有电机、变频挑速器、声光报警器，共3个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时。PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按狃和开关进行水泵的起、停和

29、切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。4.2系统软件 为方便调试的编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。 （1）手动运行模块 当系统处于手动运行时，PLC只接收个电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按狃和开关来实现。 （2）自动运行模块 自动运行模块包括系统的初始话、开关命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。 电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接

30、相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运水速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运水速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到50HZ（即水泵全速运转时）仍不能满足供水需要时，则PLC自动将第一台泵切换到工频运行；第2台由变频器供电投入运行，如果第二台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将第二台泵切换到工频运行，第3台泵由变频器供电投入运行，依次规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，第3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin时，供水量仍大于用水量，则系统自动将第二

31、台泵停止运行，依次类推。4.3PLC的I/O分配输 入 功 能输 出 功 能I0.0变频器高频到达R01Q0.0KM1（1#电机接变频器）I0.1变频器低频到达R02Q0.1KM2（1#电机接工频电源）I0.3起动Q0.2KM3（1#电机接变频器）Q0.3KM4（2#电机接工频电源）Q0.4KM5（3#电机接工频电源）Q0.5KM6（3#电机接工频电源）I0.7水池水位下限信号Q0.7DCOM1DI1Q1.0DCOM1DI2 4.4 PLC的主要技术条件分析本系统由SEIMENSS7-200的CPU224，ABB ACS400系列7.5KW变频器和具有压力显示的PID调节器组成。利用变频器的两

32、个可编程继电器输出端口R01和R02进行功能设定。当变频器达到最高频率时，R01的常开触点RO1B-RO1C闭合：当变频器达到最低频率时，RO2的常开触点RO2B-RO2C闭合。可以此作为CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。为了节省成本，不采用SEIMEN的EM235扩展模块，而采用具有模拟量输入和模拟量输出的PID调节器，将压力传感器的信号（420mA或05V）送给调节器，调节器再将模拟量输出给变频器进行频率调节。 4.5 PID应用及介绍变频器的运转频率是如何确定的呢？首先，通过安装在出水管网上的压力变送器，将压力信号转换成标准的DC420mA的模拟量信号送入PID调节器;然后，经PI