课程设计（论文）-高楼恒压供水的PLC控制系统设计.doc

课程设计(论文)题目名称高楼恒压供水的plc控制系统设计课程名称 plc原理及应用学生姓名学号1241202069 系、专业电气工程系自动化指导教师2014年11月14日邵阳学院课程设计（论文）评阅表学生姓名焱学号1241201069 系电气工程系专业班级自动化题目名称高楼恒压供水的plc控制系统设计课程名称plc原理及应用一、学生自我总结它充分利用了变频软启动和plc技术的相结合实现一拖多泵的供水系统。plc编程在工业领域更适用，它通过梯形图编程、它更容易被人们理解。pid调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于pid运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对pid算法的编程，而且pid参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。学生签名：年月日二、指导教师评定评分项目平时成绩论文答辩综合成绩权重304030单项成绩指导教师评语：指导教师（签名）：年月日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。邵阳学院课程设计（论文）任务书年级专业12自动化学生姓名潘鑫焱学号1241202069题目名称高楼恒压供水的plc控制系统设计设计时间2014年11月14号课程名称plc原理及应用课程编号121200107设计地点数字控制与plc实验室（306）一、 课程设计（论文）目的plc原理及应用课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之一，主要以小型实用性plc控制系统的软、硬件设计为主。课程设计的目的和任务：全面熟练掌握plc的硬件组成以及各种指令的应用，使学生掌握小型plc应用系统设计的步骤，熟悉和掌握plc开发系统的应用和软件调试过程，通过设计过程中对故障的分析、判断、检修进一步锻炼和培养学生的动手能力。二、 已知技术参数和条件利用plc控制高楼恒压供水，实现全自动运行。系统由低水池、高水箱、水泵电机组成。低水池有3个液位开关ka, kb, kc,，高水箱也有3个液位开关kd, ke, kf, 其中ka为低水位， kb为中水位，kc为高水位, kd为水箱低水位， kb为水箱中水位，kc为水箱高水位, 1台抽水泵，由电动机m1控制。1、当水箱水位到达kd时，且水池水位到达kb时，启动水泵，plc输出启动信号给km12、当水箱水位到达ke时，水泵停止3、当水池水位到达ka时，水泵停止4、当水池水位到达kc时，当水箱水位到达kf时，声光报警，启动蜂鸣器ha1,指示灯hl1。按下复位按钮sb5，声光报警消失5、系统设启动按钮sb1，启动后，系统自动恒压供水，另设停止按钮sb2三、 任务和要求1、设计系统的plc外部接线图2、系统的操作面板3、设计好顺序功能图3、系统的t形图了解控制系统，实验室现场调试演示程序结果，按照要求书写课程设计报告注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）实验室有el型plc实验系统4套，fxzn系列实验装置8台，以及相关的软件。 fx2n系列、s7系列产品说明书；fxzn系列实验装置实验指导书；五、进度安排六、教研室审批意见教研室主任（签字）：年月日七|、主管教学主任意见主管主任（签字）：年月日八、备注指导教师（签字）：学生（签字）：摘要随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用，使给供水设计得到了发展的机遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。本系统采用plc 进行逻辑控制，采用带pid 功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击等优越性。本设计恒压变频供水设备由plc、变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过plc、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入plc,经plc运算处理后,获得最佳控制参数,通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高/低水压位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预警等。文中详细介绍了所选plc 机、变频器、传感器的特点、各高级单元的使用及设定情况，给出了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。关键词：plc可编程控制器；变频器；恒压；传感器目录1 前言11.1 供水系统发展过程及现状1.2 供水系统的概述2 系统总体设计方案2.1 系统设计方案2.2 可编程控制器(plc)的特点及选型3供水系统实际模拟实验3.1系统的顺序功能图3.2系统t型图与指令表4.结论致谢参考文献1 前言1.1 供水系统发展过程及现状一般规定城市管网的水压只保证6 层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。自从变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1.2 供水系统的概述1.2.1 变频恒压供水系统主要特点：1、节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2、占地面积小，投入少，效率高。3、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4、运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6、通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。1.2.2 传统定压方式的弊病：1、管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。2.由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。3.定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。4.高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。5.系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。6.使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户资用压头不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。7.在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。1.2.3 恒压供水设备的主要应用场合：1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。2.各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。3.中央空调系统。4.自来水厂增压系统。5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。6.各种流体恒压控制系统。1.2.4 恒压供水技术实现：通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成420ma的模拟信号，通过变频器内置的pid控制器，来改变电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。目前交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。2 系统总体设计方案2.1 系统设计方案2.1.1 系统控制要求恒压供水控制系统的基本控制要求是：采用电动机调速装置与可编程控制器(plc)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，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cpu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。2.1.2 控制方案在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失p和流量q之间存在着如下关系：p=kq2；式中k一为系数设pl为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力p应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。p=pl+p=pl+kq2因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。典型的自动恒压供水系统的结构框图如图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器(plc)的输入模块，信号经cpu运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵的调节控制。2.1.3 运行特征以4台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器、软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量q1/3qmax时(qmax为4台水泵全部工频运行时的最大流量)，可编程控制器cpu根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量q在13qmaxq23qmax之间时，1#泵已不能满足用户所需的用水量，这时可编程控制器发出指令将1#泵转为工频运行，并软启动2#泵，使2#泵进入变频运行工况，2#泵的运行转速由用户用水量决定，以保证供水系统最不利点所需的供水压力。当外需供水量q为23qmaxqqmax时，可编程控制器发出指令再将2#泵置于工频运行状态，同时软启动3#泵进入变频运行工况，此时3#泵的运行转速由用户的用水量确定，以保证供水系统最不利点的供水压力恒定。2.1.4 系统方案目前，住宅小区变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖n”)的多泵控制系统。随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。“一拖n”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。a.“一拖n”多泵系统的一般控制要求（1）多泵循环运行程序控制以“一拖三”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的动行状态;若变频器再次达到上限值50hz而压力仍低于规定值时，将2#水泵也切换成工频运行，再由变频器去启动3#水泵，供水系统处于“2工1变”的运行状态。反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为2535hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又处于“1工1变”的运行状态;若变频器工作频率又降至下限值而压力仍高于规定值时，令2#水泵停机，系统回复到1台水泵变频运行状态。如此循环不已。其他的“一拖n”程序控制，依此类推。（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值23s。（3）确保触点相互联连锁在电路设计和plc(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者plc内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器uvw输出端与工频电源发生短路而损坏。为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如德力西公司的cjx2-n型联锁接触器等。（4）水泵轮换启动控制可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#、3#或n#水泵先启动。所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。（6）变频器或plc带有pid调节器pid(比例-积分-微分)调节器的积分环节i(即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。b.常用的“一拖n”多泵系统控制方式（1）变频器+plc这种配置不仅可以灵活地实现上述控制，而且可以实现更多复杂的控制。缺点是需要专业技术人员编制并现场调试plc程序，安装调试费工、费时，设备投资也较大。（2）变频器+专业供水控制器最近，有的厂家专门为变频恒压供水研制了能实现上述控制要求的专业供水控制器，操作简单，调试方便，功能齐全，产品价格也与“变频器+plc”接近。2.2 可编程控制器(plc)的特点及选型2.2.1 plc 特点及应用可编程控制器（programmablelogiccontroller）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序(步进)控制，还具有了模拟量控制、闭环过程控制、数据处理和通信联网等功能。由于可编程控制器可通过软件来改变控制过程，并且编程简单，同时采用了模块化结构设计，易于扩展和拆装，因而具有体积小，功耗低，可靠性高，组装维护方便，控制功能完善和抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，成为当今自动化电气控制的主流。2.2.2 可编程控制器的选型1.本设计的主要控制过程是利用可编程控制器的a/d,d/a模块和可编程控制器内置的控制模块来控制水泵电机的切换从而调节供水管中水的压力。整个控制系统除了用到plc逻辑控制、定时控制和计数控制等基本控制功能外，关键是要用到plc的高级控制单元，主要包括a/d、d/a单元等。现代大中型的plc一般都配备了专门的a/d和d/a转换模块，可以将现场需要控制的模拟量通过a/d模块转换为数字量，经微处理器运算处理后，再通过d/a模块转换，变成模拟量去控制被控对象。但现在考虑到系统的安装以及成本问题，故本系统供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的plc，机器型号为cpm2a-30cdr-a和模拟量控制模块cpm1a-mad02。其特性简介如下：2.cpm2a 为系统提供了众多的功能 高速计数器能方便地测量高速运动的加工件。 同步脉冲控制可方便地调整时间。 带高速扫描和高速中断的高速处理。 可方便地与omron 的pt 相连接，为机器操作提供一个可视化界面小机壳内汇集了先进的功能和优异的表现。为食品包装行业，传送设备和紧凑型设备的制造商提供更优越的性能和更高的附加值。 通过脉冲输出可实现许多基本的位置控制。 可进行分散控制和模拟量控制。3.价格低廉 cpm2a 的价值在于它具有非常卓越的性能价格比。4.紧凑型设计能安装在任何地方 机器设备的小型化对安装在控制板或机器内的plc 也提出了节省空间的要求。3供水系统实际模拟实验3.1系统的顺序功能图顺序功能图编写程序的重要工具，也是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。它由步、有向连线、转换条件和动作组成。根据生产工艺预定先规定的顺序，可画出顺序功能图。如图3.1所示。图3.13.2系统t型图与指令表3.2.1系统t型图图3.2.13.2.2系统指令表图3.2.2系统指令表3.3程序调试与分析 我们在plc实验室对此次实验进行了模拟，具体展示如图3.3.13.3.6所示。图3.3.1图3.3.2图3.3.3图3.3.4图3.3.5图3.3.6结论近年来国内高层建筑不断兴建，它的特点是高度高、层数多、体量大。面积可达几万平方米到几十万平方米。这些建筑都是一个个庞然大物，高高的耸立在地面上，这是它的外观，而随之带来的内部的建筑设备也是大量的。为了提高设备利用率，合理地使用能源，加