基于PLC的恒压供水系统.doc

基于PLC的恒压供水系统电气工程学院课程设计任务书课程名称： 电气控制与PLC课程设计 基层教学单位：电气工程及自动化系 指导教师： 郭忠南等学号090103030094学生姓名任世长（专业）班级09应电2 班设计题目基于PLC的恒压供水系统设计设计技术参数采用PLC构成恒压供水电气控制系统。控制要求查阅相关文献。设计要求1) 根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括PLC硬件配置电路。2) 根据控制要求，编制PLC控制程序3) 按要求编写设计说明书并绘制A1幅面图纸一张。参考资料1、PLC电气控制技术 漆汉宏主编 机械工业出版社 20082、图书馆各类期刊文献相关数据库3、相关电气设计手册周次第一周第二周应完成内容完成全部方案设计：周一、二：查、阅相关参考资料周二至周五：方案设计周六、日：设计方案完善周一、二：完成设计说明书周三、四：绘制A1设计图纸周五：答辩考核指导教师签字基层教学单位主任签字摘 要随着城市人口和城镇建设规模的不断扩大，人们的生活水平越来越高，人们对城市集中供水的规模、质量、安全性及稳定性等也提出了越来越高的要求；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本文分析变频恒压供水的原理以及系统的组成结构。在比较各种供水方案后，采用了变频器和PLC实现恒压供水。变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、水池、智能PID调节器、压力变感器、PLC控制单元等部分组成。文中说明了系统组成、工作原理和控制要求，详细介绍了PID特点和控制原理，PLC的选型，压力传感器的选择，对变频器做了简要介绍。绘制了电气控制系统图，包括主电路图和PLC硬件接线图。设计了初始化程序，中断程序以及主程序流程图，并对系统的程序设计做了简要说明，用GX软件进行了编程和仿真。最后在附录中给出了梯形图的程序。关键字 变频调速 恒压供水 PID PLC目 录一.系统的组成、结构及控制要求41.1 系统的结构及原理.41.2 系统的控制要求51.3 PID的控制原理及特点5二系统的硬件选型与设计62.1 变频器62.2 FX2N系列可编程控制器的基本组成72.3 系统的模拟量输入输出模块72.4 压力传感器TPT5037三控制系统的I/O点及地址分配8四恒压供水系统的电气控制系统114.1 主电路图114.2 系统的控制电路及PLC外部系统接线图12五恒压供水系统的程序设计135.1 初始化子程序.13.5.2 定时中断子程序145.3 系统主程序155.4 对系统程序的一些说明175.5 程序中使用的编程组件及含义185.6恒压供水系统器件目录简表19六总结与致谢20附录.PLC梯形图程序.20参考文献30一 系统的原理、结构及控制要求1.1 系统的结构及原理本设计为以三台泵组构成的生活/消防或者其他紧急状态下的双恒压无塔供水泵站控制系统的实例。此供水泵站为双恒压供水系统，系统的构成示意图如图所示。如图所示，市网自来水用高低水位控制器来控制YV1，自动把水池注满。当水位低于高水位，则自动往水池注水。水池的高低水位信号传送至PLC，当水位低于水位下限值时，会发出低水位报警。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用1.2 系统的主要控制要求对三台泵用于生活/消防供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。（2）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有倒泵功能，避免某一台泵工作时间过长。（3）三台泵根据恒压的需要，采取先开先停的原则接入和退出。（4）要有完善的报警功能。（5）三台泵在启动时都要有软启动功能。1.3 PID 的控制原理及特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当我们不能完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1 比例（P）控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2 积分（I）控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项会随着时间的增加而增大，推动控制器的输出增大使稳态误差减小，直到等于零。因此，比例积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3微分（D）控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。具有比例微分的控制器，能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，因此比例微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令，它实际上是用于PID控制的子程序，与ADDA模块一起使用，可以得到过程控制模块的效果。FX2N的PID功能指令说明如图所示。 二 系统的硬件选型与设计在本系统中，水压的恒定是对水泵电动机进行变频调速和改变水泵的运行台数实现的。压力传感器监测系统的压力，输出的模拟信号经A/D转换，转换后的数字信号送入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，并相应的输出大小适当的控制信号，该控制信号通过D/A转换成模拟信号送给变频器，对水泵电动机进行变频调速，达到控制管网恒压的目的。如果电动机转速无法进一步改变，则通过改变水泵的运行台数来稳定压力。2.1 变频器简要介绍变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，对于异步电动机，其转速为：改变电源频率时，电动机的同步转速和转子转速将随之变化，如果电源频率可以连续调节，则电动机的转速就可以连续，平滑的调节。根据设计要求，选用通用变频器。U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。2.2 FX2N系列可编程控制器的基本组成PLC采用循环扫描的工作方式，三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、FX1、FX2、FX2C、FX2N等系列。其中F系列已经停产，取而代之的是FX2系列机型，属于高性能叠装式机型，是三菱公司的典型产品。FX2N系列PLC的主机称为基本单元，包括CPU,存储器，输入输出端口以及电源，是PLC的主要部分。FX2N系列是FX家族中高功能型的子系列，经过扩展适当的特殊功能模块并使用PID指令，完全可以满足对中等规模恒压供水系统死循环模拟量的控制要求。根据系统的控制规模和对I/O点数的要求，系统的控制器选择FX2n32MR(16点开关量输入，16点开关量输出)。即继电器输出型，PLC自身配有24V直流电源，外接负载时考虑其供电容量。PLC接地端采用第三种接地方式，提高抗干扰能力。2.3 系统的模拟量输入、输出模块模拟量输入模块FX2N-4AD 该模块有四个输入通道，其分辨率为12位。可选择电流或电压输入，如果是电流输入，应将端子V+和I+连接。可选为模拟值范围为-10V10VDC或420mA。FX2N-4AD模块占用八个I/O点。模拟量输出模块FX2n2DA 该模块用于将12位的数字量转换成2点模拟量输出。输出的形式可以是电压，也可以是电流。电压输出时，两个模拟输出通道的输出信号为010VDC，05VDC;电流输出时为420mADC。FX2n2DA模块需要占用8个I/O点。2.4 压力传感器 TPT503压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器，通常又把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。它一般由弹性敏感元件和位移敏感元件组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变记转换为压力成一定关系的电信号。TPT503压力传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及较好的介质兼容性。TPT503压力传感的主要性能指针如下：量程：01-450MP；综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；输出型式：420mA/05V/15V/010V;工作温度：-1080-150；供电电压：9；长期稳定性：./年;负载阻抗:电流型最大800A，电压型50KV以上。综上所述，本系统设计采用三菱FX2N-32MR，模拟量输入模块选用FX2N-4AD，模拟量输出模块选用FX2n2DA，变频器选用通用变频器，内置PID调节器，压力传感器选用TPT503.三 控制系统的I/O点及地址分配根据系统图及控制要求，统计需要输入输出的信号名称、个数、代码、地址编号，做表如下。水位上下限信号分别为X001和X002。在达到信号指示值时为0，未达到指示值时为1。输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号输入信号手动和自动消防信号SA1X000水池水位下限信号SL-LX001水池水位下限信号SL-HX002变频器报警信号SUX003消铃按钮SB9X004试灯按钮SB10X005压力传感器模拟量值Up模拟量输入模块1信道输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1,HL1Y0001#泵变频运行接触器及指示灯KM2,HL2Y0012#泵工频运行接触器及指示灯KM3,HL3Y0022#泵变频运行接触器及指示灯KM4,HL4Y0033#泵工频运行接触器及指示灯KM5,HL5Y0043#泵变频运行接触器及指示灯KM6,HL6Y005生活/消防供水转换电磁阀YV2Y010水池水位下限报警指示灯HL7Y011变频器故障报警指示灯HL8Y012火灾报警指示灯HL9Y013报警电铃HAY014变频器频率复位控制KAY015控制变频器频率用电压信号Vf模拟量输出模块电压信道从以上分析可知，系统开关量输入点数为6，开关量输出点数为12，模拟量输入输出点数都是1，因此选用三菱FX2N-32MR一台，加上模拟量输入模块FX2N-4AD以及模拟量输入模块FX2n2DA可以满足系统配置要求。四 恒压供水系统的电气控制系统系统的电气控制系统原理图包括主电路图、PLC系统的控制电路及PLC外部系统接线图4.1 主电路图在主电路中，M1M3分别为1号3号水泵的电动机，控制三台电动机M1、M2、M3的交流接触器为KM1、KM3、 KM5和 KM2、 KM4、 KM6.前者控制1号3号水泵的电动机在工频下运行，而后者则控制1号3号水泵的电动机在变频下运行。FR1、FR2 、FR3分别为三台水泵的电动机热继电器。QS1、QS2 、QS3、QS4分别为电机主电路和变频器的隔离开关。FU1为主电路的熔断器，UF为变频器。首先由M1在变频器UF控制下工作，当用水量增大时，M1已经达到额定频率而水压不足时，经过短暂的延时后，将M1切换至工频工作。同时，UF输出频率迅速降为0；然后是M2投入变频运行。当2号水泵也达到额定频率而水压不足时，又使M2切换为工频运行，使M3投入变频运行。相反，当用水量减少时，则一号水泵先退出，完成一次加减泵的循环。在补泵时，因水泵电动机功率较大，不能直接启动，应该将原变频泵切换至工频运行，而用变频器对所补的水泵电动机进行软启动，并控制其变频运行。 4.2 系统的控制电路及PLC外部系统接线图五 恒压供水系统的程序设计整个程序主要分为三大部分，即初始化子程序、中断程序及主程序。5.1 初始化子程序系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。初始化子程序的流程图如图所示。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其目的是大量节省扫描时间以加快整个程序的运行效率，提高PID中断的精确度。 通过初始化子程序，使用一系列的传送指令，传送用水频率的上 下限值，再传送与PID调节指令参数表位元址相关的数据寄存器的初始值，然后复位PID输出值数据寄存器，最后使用写入指令（TO）设定模拟输入模块FX2n4AD 工作模式。5.2 定时中断子程序用来实现PID调节指令测量值的采样及输出值的控制，定时中断程序的流程图如图。 定时中断程序的作用主要是进行PID控制的相应计算，它在PLC的特殊辅助器M8000（运行常为ON）触点的作用下执行。通过定时中断程序，可以传送PID指令调节结果输出值，并完成D/A转换，返回主程序。5.3 系统主程序主程序流程图如图所示，主程序实现的功能最多，如初始化及中断子程序的调用，泵的切换信号，泵的工变频运行以及报警故障处理都需要在主程序中实现。生活及消防的两个恒压值是直接设置的。本系统设定生活用水时系统为满量程的75%，消防用水时系统设定值为满量程的90%。本系统PID调节中，只是使用了比例和积分控制。其时间参数及增益需要工程实际操作确定。而且应该不断优化。在本说明中，暂定增益及时间常数为:Kc=0.25，采样时间Ts=0.5s，积分时间T1=60s。5.4 对系统主程序的一些说明为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵达到频率上限仍不能满足系统要求时，需要启动第二台泵。甚至是第三台泵。这一功能需要通过比较指令实现，即实际压力值与给定压力值进行比较，再确定下一步系统运转状态。为了去除偶然性，还需要增加延时环节，于是在程序中加入了延时程序。在本设计中，一台泵的运行时间不允许超过三个小时，而且每一台启动时应该是软启动，避免应较大的启动电流使电机损坏。因此在需要增泵时，首先把当前泵从变频器切除，换至工频运转，同时把变频器复位，然后变频启动下一台泵。关于泵的循环控制，在本设计中采用的是泵号加1的方法来实现变频器的循环控制，即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。变频器具有短路、超载等保护功能。当变频器所驱动的水泵电机发生短路、超载等故障时，变频器将自动切断一次供电电路，进入保护状态并输出报警信号。系统把各故障点相应的接触器、断路器等组件的辅助触点接到PLC，PLC扫描输入这些触点的状态，再结合控制程序和设备预置状态进行逻辑分析，判断设备或组件是否出了故障。如果发生故障，则切断该泵接触器的主触点，然后对变频器复位，再将备用水泵的接触器主触点接通，启动变频器运行备用泵，同时输出该泵故障报警信号，如电动机故障时指示灯亮等。5.5 程序中使用的编程组件及其含义编程组件号含义编程组件号含义D100目标值T37工频泵增泵滤波时间控制D102测定值T38工频泵增泵滤波时间控制D110采样时间T39工频/变频转换逻辑控制D111动作方向M10故障结束脉冲信号D112输入滤波常数M11泵变频启动脉冲D113比例增益M12减泵脉冲D114积分时间M13倒泵变频启动脉冲D115微分增益M14复位当前变频泵运行脉冲D116微分时间M15当前泵工频运行启动脉冲D150变频运行频率下限值M16新泵变频启动脉冲D160生活供水变频运行频率上限值M20泵工频/变频转换逻辑控制D162消防供水变频运行频率上限值M21泵工频/变频转换逻辑控制D180PI调节结果存储单元M22泵工频/变频转换逻辑控制D182变频工作泵的泵号M30故障信号汇总D184工频运行泵的总台数M31水池水位下限故障逻辑D190倒泵时间内存M32水位下限故障消铃障逻辑T33工频/变频转换逻辑控制M33变频器故障消铃逻辑T34工频/变频转换逻辑控制M34火灾消铃逻辑序号文字符号名称数量规格型号备注1M1M3电动机3Y系列三相交流异步电动机2FR1FR3热继电器3JR16B-20/33FU熔断器4RL1-15熔体电流210A4QS隔离开关45UF变频器1VVVF6KM1KM6交流接触器6DJX-9线圈电压 AC220V7HL1HL9指示灯9AD16-22AC220V8YV1YV2电磁阀2ZCT-50A线圈电压220V9PLC可编程序控制器1FX2N-32MR继电器输出10SB按钮6LAY3711HA电铃112FX2N-4AD模拟量扩展模块1模拟量输入13FX2N-2DA模拟量扩张模块1模拟量输出六 总结与致谢该系统采用PLC和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人职守的全自动循环切泵、工变频运行，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转启动平稳，消除了启动大电流冲击，由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵的使用寿命，这种水处理技术未来发展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水发展方向，是现代人们生活所要求的并且前景光明。本次课程设计历时两周，两周的时间里，同学们首先通过查找相关文献资料，了解了自己所要设计系统的控制要求，然后就是根据自己的设想，设计系统，选择系统所需的硬件，计算参数。期间得到了老师的悉心指导和同学们的热情帮助，在此表示感谢。通过两周的课设以及我所设计的系统，使我初步认识到自动控制系统在现当代工农业中的巨大运用前景。相信这次的课设会使自己的学到的理论知识深深根植于大脑， 并为我将来的发展奠定一个坚实的基础。附录 PLC梯形图程序图1 0上电初始化，调试初始化子程序；4消防生活用水压力给定值；. 16上电和故障结束时重新激活变频器泵号内存图2 21 变频器频率上限时，启动增泵延时；46 符合增泵条件时，工频泵运行数目加1；图3 50 频率下限时，启动减泵延时；67 符合减泵条件时，工频泵运行数目减1