毕业设计（论文）-基于S7-200PLC的变频调速恒压供水控制系统设计.doc

毕业设计毕业设计 恒压供水系统设计恒压供水系统设计 系系 部：部： 专专 业：业： 班班 级：级： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 联系电话：联系电话： 指导老师：指导老师： - 1 - 目目 录录 摘摘 要要.- 3 - 第一章第一章 绪绪 论论.- 4 - 1.1 课题设计背景 .- 4 - 1.2 课题研究的目的和意义 .- 4 - 第二章第二章 恒压供水基本原理恒压供水基本原理.- 7 - 2.1 供水系统简介 .- 7 - 2.2 恒压供水基本原理 .- 7 - 2.2.1 恒压供水原理- 7 - 2.2.2 系统结构框图设计- 8 - 2.2.3 恒压供水的优点- 9 - 第三章第三章 恒压供水系统元件选择恒压供水系统元件选择.- 11 - 3.1 变频恒压供水系统的组成 .- 11 - 3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构- 11 - 3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案- 12 - 3.1.3 系统主要设备的选型- 13 - 3.2 plc 及其扩展模块的选型- 14 - 3.3 变频器的介绍 .- 15 - 3.3.1 选择变频器规格- 15 - 3.3.2 开关指令信号的输入- 17 - 3.3.3 变频器与 plc 的连接.- 17 - 3.4 传感器 .- 19 - 第四章第四章 恒压供水系统电路设计恒压供水系统电路设计.- 21 - 4.1 系统主电路分析及其设计 .- 21 - - 2 - 4.2 系统控制电路分析及其设计 .- 22 - 4.3 plc 的 i/o 端口分配及外围接线图.- 24 - 4.4 plc 程序设计- 27 - 4.4.1 控制系统主程序设计- 27 - 4.4.2 控制系统子程序设计- 31 - 4.5 pid 设计.- 34 - 4.5.1 pid 控制- 34 - 4.5.2 恒压供水 pid 调节过程分析- 35 - 4.5.3 pid 控制器的应用- 36 - 第五章第五章 总总 结结.- 38 - 5.1 全文总结 .- 38 - 5.2 研究展望 .- 38 - 致致 谢谢.- 39 - 参参 考考 文文 献献.- 40 - - 3 - 摘摘 要要 建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。 由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套 plc 控制的变频调速恒压供水系统。 恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水 方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。共三 台电机，其中由一台变频器拖动两台电动机的起动、运行与调速，一台电机备 用。控制系统中采用德国 siemens 公司的 s7-200 可编程控制器来控制水泵电 机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字 pid 控制器，由 fb41 将压力 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。此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大 大延长了电机的使用寿命。 - 4 - 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题设计背景课题设计背景 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人 们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的 要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区 供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中 的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操 作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出 恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不 应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加 压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有 占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象 频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频 繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水 系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和 电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。 同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术 和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用， 实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现 代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。 利用 plc 控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定, 既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。 1.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成 为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市 政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化 - 5 - 程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制 度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础 设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供 水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接 体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、 液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方 式，其优缺点如下： 1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的 增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于 满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超 压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较 少采用。 2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或 停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电 机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高 层建筑。 3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式 调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工 作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段 工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却， 效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简 单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面 几种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠 性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效 率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统 中的用水。目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术 - 6 - 以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制 冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统， 居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性 表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水 水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗1。 基于 plc 和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技 术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系 统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系 统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实 意义。 - 7 - - 8 - 第二章第二章 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2.1 供水系统供水系统简介简介 自 80 年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水 系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、 气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避 免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。 在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实 际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不 变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水 系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与 给定的压力值比较，从而形成闭环系统。 2.2 恒压供水基本原理恒压供水基本原理 2.2.1 恒压供水原理恒压供水原理 对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统 的基本控制对象。但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控 制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平 衡关系有关： 供水能力 qg用水需求 qu，则压力上升； 供水能力 qg0，变频器输出 频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压 力回复，维持供需平衡。 3）当用水量减小时：当用水量减小时，用水需求小于供水能力，水压上升， 压力反馈信号 y 增大，偏差 e=y-r0，pid 输出的控制增量 u0，变频器输出 频率下降，水泵转速降低，减弱供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压 力回复，维持供需平。 4.5.3 pid 控制器的应用控制器的应用 通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、 压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也 就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、 压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的 pid 控制器的控制 形式主要有两种： - 40 - 1、硬件型，即通用 pid 控制器，在使用时只需要进行线路的连接和 p、i、d 参数及目标值的设定。 2、软件型，使用离散形式的 pid 控制算法在可编程序控制器(或单片机)上 做 pid 控制器。 本设计中选用连续 pid 控制器 fb41，压力设定值与反馈值进行运算，将出 口压力控制到设定值附近。 - 41 - 第五章第五章 总总 结结 5.1 全文总结全文总结 本文针对我国中小城市水厂供水的特点，设计开发了一套基于 plc 的变频 调速恒压供水自动控制系统。系统包括可编程控制器、变频器、水泵电机组、 压力传感器以及接触器控制柜等。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输出点的压力信号，压力传感器输出的是 420ma 的电信号，将这个输出与 plc 的模拟量输入端相连，同时变频器输出电 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，对水泵电机的启动、停止，工频和变频之间的切换进行控制。 采用模块化的编程方式进行了 plc 程序的设计、编写、调试，使系统的动态调 节性能、程序控制算法都基本达到系统工艺的要求。. 5.2 研究展望研究展望 本次设计内容主要包括：恒压供水系统原理、系统的元件选型、系统的硬件 电路设计和 plc 软件编程等。由西门子 s7 - 200 系列 plc、变频器和压力传感 器等组成的恒压供水系统,充分发挥了 plc 内置的 pid 运算模块,自动调节变频 器输出频率、投入使用泵数,达到恒压供水的目的;通过泵号管理程序,实现泵号 自动切换,使每台水泵工作状况基本相同,提高设备利用率并减少维修费用;同时 通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。实际运行情况证明了本系 统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点,具有很大的应用 价值。随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日 益紧缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对 恒压供水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于 gprs 的无线方式进行 数据的传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制 方法完全可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的 能耗大约占整个电能能耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐走向成 熟的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。 - 42 - 致致 谢谢 通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知 识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。经过 这段时间的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。 通过这段时间的实践和学习，我学到了很多课本中无法涉及到的知识，体会到 了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为 即将开始的工作生活打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的 提高、充实自己，争取获得更大的成绩。 对于这次毕业设计的顺利完成，首先