PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用毕业论文.doc

目录1绪论.12设计功能及方案论证.12.1设计功能.12.2系统设计方案分析及方案论证.12.3系统控制方框图.23.系统硬件选型.33.1PLC可编程控制器部分.33.1.1PLC概述.33.1.2PLC选型和性能指标.53.1.3PLC内部分配.53.2变频器的概述及选型.63.3传感器的介绍及选型.73.4模数转换模块.83.5触摸屏显示器.93.6软起动器.94硬件电路设计.104.1主电路控制电路图.105软件设计.115.1水位控制部分.115.2压力控制部分.135.3机械故障处理部分.176结束语.17致谢.17参考文献.1911绪论目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活小区、边郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。这种情况下，一方面要消耗大量的电能，造成能源的浪费；另一方面由于用水量具有很大随机性，传统方式在用水波动时难以保持其实时性。针对这一情况，设计了一套变频恒压供水系统，将模糊控制技术应用到系统的控制过程中，采用了PLC控制及交流变频调速技术，并在控制算法的实现上提出了一种利用PLC梯形图编程语言实现模糊控制的新方法，彻底取代了高位水塔或直接水泵加压供水方式，为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式，其水压不稳且浪费电能。有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上，故如何优化对水泵的控制具有重要的意义，很多文献曾做过有益的探索，本文针对小区的工况开发出以可编程控制器，和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小、运行平稳可靠，运行一年节约的电费就为该企业收回技改设备投资。2设计功能及方案论证2.1设计功能本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动/自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。其具体控制要求如下：(1)本系统提供手动自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。(2)模拟量压力输入经PID运算，输出模拟量控制变频器（3）在自动方式下，当系统水压力低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行和停止三种工作状态（4）根据水位限制和压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。（5）根据压力的变化能够确定用水量是否超过供水负荷，并能够及时的预警和报警。（6）系统可以在线调试及现场在线监控。2.2系统设计方案分析及方案论证目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电动2机驱动，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本身调速较难，故常为恒速运转；当需要调节流量时，则采用调节阀门的方法，这至少浪费20%的能源。统计表明，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的20%以上，而电耗又占水费成本的60%以上。随着变频调速控制技术日益完善，采用变频调速控制方式来调节流量，在节电方面是有效的方法，因为流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此，当电动机转速降低使泵出口流量减少时，消耗功率会大幅度下降，从而达到节电目的。例如转速降低20%50%，可节电50%80%，经济效益显著。由于居民区用水量变化大，电气传动方案宜采用多台拖动水泵的电机并联传动取代拖动1台大水泵的电机传动，这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是13台泵和1台辅助小泵。如果只采用一台变频调速器(VVVF)顺序拖动各台泵的电机，那么可减少投资，因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由PLC控制四台拖动水泵的电机启动和停止，及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现(任意一台泵连续运行超过规定时间)停机轮休，防止烧坏变频器，以延长泵组的使用寿命。以上系统功能的实现有以下方案可供选择：（1）单片机控制，利用压力变送器和水位限制器、及A/D转换和D/A转换电路，89C51、变频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能，利用单片机控制具有控制单元小、，占地面积小、成本低、控制电路电耗小等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境，具有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元器件老化比较快，因此，利用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。（2）恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路和相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能，但是恒压供水控制器具有不可编程性，因此在现场调试和现场监控性能差，不易实现PID运算，控制的精度不够高，相关的报警、故障诊断电路比较复杂。（3）PLC控制，利用PLC、变频器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低等一系列的优势。因此，经过慎重的论证，本设计采用PLC控制作为核心的控制单元。2.3系统控制方框图本控制系统有可编程控制器（PLC）、A/D转换模块、D/A转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框架图如图1所示。3图1恒压供水控制系统示意图3系统硬件选型3.1PLC可编程控制器部分3.1.1PLC概述PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机1，其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。CPU单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是PLC的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存5年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是