基于PLC控制的小区高层集中供水系统的设计.doc

“国家级大学生创新创业训练计划”项目申报书学 院：机械电气化工程学院项目名称：基于plc控制的小区高层集中供水系统的设计项目类型： 创新训练项目 创业训练项目 创新创业训练项目负 责 人：指导教师：李建军塔里木大学教务处二一三年三月填 写 须 知一、项目分类说明：1.创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。2.创业训练项目是本科生团队，在导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、进行一定程度的验证试验，撰写创业报告等工作。3.创新创业训练项目是学生团队，在学校导师和企业导师共同指导下，采用前期创新训练项目（或创新性实验）的成果，提出一项具有市场前景的创新性产品或者服务，以此为基础开展创业实践活动。申报该类项目需额外提交企业导师合作指导协议书作为附件。二、申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。三、申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。四、填写完后用a4纸张双面打印，不得随意涂改。项目名称基于plc控制的小区高层集中供水系统的设计项目起止时间 2013 年 5 月 至 2014 年 12 月负责人姓名年级所在学院、专业联系电话e-mail项目组成员指导教师姓名李建军职务/职称讲师所在学院机械电气化工程学院联系电-导师简介李建军，男，汉族，1972年8月出生，讲师，工学硕士，电力系统及其自动化专业。主要从事电能质量、可再生能源发电的研究。主持塔里木大学校长基金项目基于太阳能的棉花智能节水灌溉控制系统的仿真设计与研究（tdzkss201321）1项，参与兵团基金项目基于计算机视觉变量喷雾机的设计 (2007gg15)和农业剩余物制取木醋液热解工艺与设备的研究 (2008gg17)2项目。发表论文5篇，其中核心期刊2篇。一、项目简介（300字左右）项目在现有生活小区供水管网系统的基础上设计一套基于plc的恒压自动供水控制系统。主要包括西门子plc、变频器以及控制系统等组成。运用西门子step7-micro/win4.0编程软件，进行控制系统编程调试，系统用plc 进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经 pid 运算，plc 进行控制变频和工频切换，从而使闭环系统自动调节管网恒压，进行变量供水。其中系统的硬件配置dc24vs7-200型plc、0.38kv三菱0.55kw变频器模拟小区供水控制系统。二、申请理由（包括自身/团队具备的知识条件、特长、兴趣等）三、项目方案（项目内容、项目目标、技术路线、实验方案）项目内容：1、本项目供水控制系统主要由plc、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器分别拖动多台水泵电机变频运行的方案。2、设计plc控制程序，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换。3、设定pid调节参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定。项目目标：1、使用简单、编程灵活的西门子plc和内置pid调节模块的三菱变频器作为主要控制设备，利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水。2、以闭环控制方式不断采集传感器反馈的管网水压信号，经过 pid运算调节，不断与给定值进行比较，控制变频器输出频率变化，实现变频恒压供水的目的。3、可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警功能。4、根据项目中的理论要求及技术路线写出1-2篇论文（争取有一定的价值并得到发表）。技术路线：如图1所示为生活消防供水系统流程图。系统启动后，系统内部进行参数设定（变频器、时间计数器等的参数），系统进行初始化。之后系统内部进行检测，若是系统内部有故障，则系统中显示装置显示“系统故障，建议使用旁路控制供水泵的工作。系统若无故障，自检没有结束，则系统从新自检，直至自检完成。自检结束后，系统启动生活/消防双恒压供水系统程序。无火灾信号时，系统启动生活供水程序（一水泵供水）。出现火灾信号时，系统停止生活供水功能，转为消防供水。当火灾信号消失后，系统重新转为生活供水程序。图1 供水系统流程实验方案：1、异步电动机调速方法及选择水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式：式中，异步电动机转子转速，r/min；异步电动机磁极对数；异步电动机定子电压频率，即电源频率；转速差可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。由上式可得通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式，这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器，项目拟采用变频调速方式控制恒压供水系统。2、根据上述总体设计方案，泵站恒压供水电气系统可由以下几部分组成（1） 主电路：通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频及变频电源；（2） 电气控制电路：成对主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换；（3） 变频控制电路：根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；提供最高频率、上下限频率及启动频率等信号；并能实现pid调节；（4）plc 控制系统：包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、顺序控制、信号指示报警及与上位机的通讯联络。3、电控系统主电路如图2所示为电控系统主电路图。三台电机分别为m1、m2、m3。接触km1、km3、km5分别控制m1、m2、m3的工频运行；接触器km2、km4、km6分别控制m1、m2、m3的变频运行，bb1、bb2、bb3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；qa1、qa2、qa3、qa4分别为变频器和三台水泵电机主电路的断路器；qa0主电源开断路器，vvvf为一般变频器。正常情况下，系统启动后经过变频器控制水泵的开启。系统按照给定工作情况工作：生活供水时，系统启动一台水泵轮换工作，当水管压不足时，变频器调节电机转速，使得水压升高。当水管压力过高时，变频器频率降低，水压降了下来；消防供水时，系统启动两台水泵供水，当压力不足时，变频器频率增大，使得水泵供水量增大，当压力还不能满足需要时，可以启动第三台水泵。当消防任务完成后，系统水泵开启数逐个退出，直到剩下一台水泵时为止。变频器出现故障时，系统丧失自动供水功能，这时可通过旁路控制来实现生活消防供水，而控制电路可以在此期间检修后投入使用。图2 系统主电路图四、项目特色与创新1、在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵抽水量得以实现的。并且水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。2、变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、计算机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速。压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给plc的pid模块，plc根据这两个信号经pid运算发出指令，对水泵电机进行工频和变频之间的切换。3、根据德国simens公司的s7-200系列cpu中的pid算法的实现。运用step7-micro/win4.0编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的pid控制器，该控制器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。4、管网阀门动作和电机接触器动作都通过中间继电器上接plc输出端口；压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给plc的模拟量输入端口，控制系统根据这两个信号，可以自动实现水泵电机的起停、运行和调速，自动实行变频一工频的切换，自动完成相应阀门的开关。工人操作简单，极大的减轻了工人的劳动强度。五、项目预期成果1、运用西门子软件建立模拟系统模型。2、设计恒压供水控制模拟系统。3、写出出1-2篇论文（争取有一定的价值并得到发表）。六、项目进度安排2013.5-8 根据所收集的资料以及制定的方案，对主电路结构进行模拟试验。2013.8-12 对控制电路进行设计，软件调试，模拟仿真分析；根据试验结果，设计供水装置总体构架，形成技术资料。2014.3-6 继续对其他结构进行现场试验，验证控制系统的可行性。2014.7-9 根据现场试验结果，对设计装置进行改进，使该供水装置达到设计目标。2014.10-12 收集并整理项目所涉及的资料，撰写结题报告准备结题。七、项目经费使用计划1、资料调研及文印（购买书籍，文献检索，资料打印等）：0.15万2、仪器设备费0.35万（接触器6台，空气开关3台，1.5mm导线若干，万能表一台，万用电路板若干；电烙铁2把，锡丝若干以及各种辅助工具等）上述的材料的邮费 。3、用于实验的西门子软件一套0.2万元4、论文发表费用（版面费，审稿费等）：0.35万5、能源及其它：0.15万合计：1.2万元指导教师意见：该项目立意新颖，适合用于城镇小区需求，研究方案合理，项目成员具有良好的思想品德素质，都具备强烈的责