PLC恒压供水设计.doc

PLC恒压供水设计46目 录第1章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 本研究课题的来源及主要技术问题1第2章变频调速恒压供水控制系统总体方案32.1 供水系统总体方案的确定32.2 供水系统的构成及工作原理32.3 供水系统中恒压实现方式5第3章控制系统的硬件设计83.1系统主要配置的选型83.2主电路方案设计14第4章PLC程序设计184.1 泵的软件设计：184.2 PLC程序设计方法194.3供水系统PLC程序设计23第5章PID调节原理在恒压供水系统中的应用245.1 PID控制及其控制算法245.2 恒压供水PID调节过程分析24第6章系统可靠性与安全性研究266.1 提高PLC自动控制可靠性266.2供水系统安全性研究29致谢31参考文献32附表一33附表二43附表三45摘 要随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，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。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。本论文针对住宅区的供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远程压力表、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。并和计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理，通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远程压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。关键词：恒压供水;PLC;变频调速Abstract Along with the development of the socio-economy of our country, the housing system is going deep into reforms, and peoples living standard is being improved. At the same time, in the city, each kind of sub-district construction is developing very quickly, which puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district. And the construction of sub-district water supply system is an important aspect in which. The reliability, stability and economy of water supply directly affects sub-district house-holds normal work and life, and also embodies the differencein the level of sub-district property management. The traditional means of water supply suchas the pump pressurization water supply at constant speed, water tower of upper cistern,the jar etc. are hard to satisfy the needs of current economic life,because low efficiency,reliability and automation level are all commonly existing in these means.According to the requirement of water supply, a set of automatic system of constant pressure water supply by using variable frequency and remote monitoring and controlling, which is composed of PLC,transducer, pressure sensor, pumps and electro-motors is designed to that end. This set of system has the functions like automatic constant pressure operation by using variable frequency, automatic work frequency operation, and the function of long-range control by hand and the on-the-spot control by hand etc. The system has solved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply, which has various supplementary functions to strengthen the reliability. The system has an organic combination with computer and promotes the systematic overall performance.Key Words: PLC;Variable velocity Variable frequency;Constant pressure water-supply.第1章 绪论1.1 选题背景及意义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。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。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。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，致使水泵工作在低效段，同时出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以适应当前经济生活的需要。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展。因此开发全自动的变频调速恒压供水系统，越来越受到人们的重视和青睐。1.2 本研究课题的来源及主要技术问题为满足住宅区对供水质量的要求，降低单位供水能耗，实现全自动、可靠稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对其设备进行自动化改造，并辅以计算机来进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程中主要研究并解决以下问题。(1) 研究并完成利用PLC、变频器、远程压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案;(2) 深入分析变频恒压供水系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成PLC控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、完全的切换;(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分级调节相结合，维持供水压力恒定;(4) 加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理以维持恒压供水。第2章 变频调速恒压供水控制系统总体方案2.1 供水系统总体方案的确定熟悉工业与民用供水系统基本要求与工作过程，在此基础上根据具体要求设计住宅区恒压供水总体方案。基本设计要求：1 生活需水少时，系统恒低压值运行；生活需水多时，恒高压值运行。2 三台水泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。3 在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。4 三台泵在启动时都要有软启动功能。5 要有完善的报警功能。6 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修临时使用。7 系统方案详细设计及原理图，电气原理图，元器件以及设备选择。8 根据系统设计方案进行PLC程序设计。9 系统模拟调试。2.2 供水系统的构成及工作原理供水控制系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：（1）有供水基板的变频器+水泵机组十压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现 PLC和 PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。（2）通用变频器+单片机 (包括变频控制、调节器控制)十压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。（3）通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换;通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和IO的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗千扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出 “变频器主电路+PLC(包括变频控制、调节器控制)十压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.3 供水系统中恒压实现方式对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量Qc表示)和用水需求(由用水流量Qu表示)之间的平衡情况有关。 若:供水能力Qc用水需求Qu，则压力P上升 ; 若:供水能力Qc供水能力Qc，水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-r0，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。这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e,控制增量u均处于变化之中。 (3) 用水量减少时当用水量减少，用水需求Qu0, PID输出的控制增量u0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。第6章 系统可靠性与安全性研究6.1 提高PLC自动控制可靠性1控制系统可靠性降低的主要原因虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：（1）造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，连接处松脱等），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。（2）机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果。（3）现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。影响执行机构出错的主要原因有：（1）控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。（2）控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。（3）各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。2设计完善的故障报警系统：在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作状态显示设备工作状态。2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。3输入信号可靠性研究要提高现场输入给PLC信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。数字信号滤波可采用如下程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用如下程序设计方法，对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在数据寄存器DT10、DT11、DT12中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作为本次采样结果存放在数据寄存器DT0中。在实际应用之中，工具情况还以延长采样的次数，以达到较好的效果。提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。4执行机构可靠性研究当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。我们设计了如下程序来判断接触器是否可靠动作。X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如下所述。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。另外，一般的开关输出都有中间继电器，多于比较重要的控制可以使用中间继电器的其他辅助触点向PLC反馈动作信息。6.2供水系统安全性研究1关于水锤效应的讨论（1）水锤效应 在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。（2）产生水锤效应的原因及消除办法产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大