王晓龙-城市供水系统-开题报告.doc

沈阳工业大学工程学院本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目： 基于PLC的城市供水 控制系统设计 院 系： 自动化系 专业班级：电气工程及其自动化0701班 学生姓名： 王晓龙 指导教师： 佟维妍 开题时间： 2011年3月15日1.课题的目的和意义1.1课题的目的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，难以适应当前的经济生活的需要。目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展。随着控制技术的不断进步，变频器得到了广泛应用，采用变频调速供水系统克服了种种传统供水方式的缺点。日常生活用水随季节、昼夜、上下班的时间的变化而变化，供水不足或供水过剩的情况时有发生，用水和供水的平衡主要表现在水压上，用水多时则供水少则压力低，用水少时供水多则压力高，需要维持压力稳定，可使用水和供水之间平衡。进而提到用水质量，保证用水正常且节约用水，因此开发设计变频调速供水系统越来越受到人们的重视和青睐1。1.2课题的意义随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，建筑物高度的增加，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺。传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。因此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趋势。本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、电动机以及控制柜等构成。本系统采用一台变频器拖动3台电动机的启动、运行与调速，其中三台电动机分别采用循环使用的方式运行。通过PLC连接，开发出了根据信号输入的变化启动多台电动机提升水压的作用。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，使城市供水系统的数据传输与通信变得可能，并且也可实现其远程监控2。2.国内、外现状及发展趋势 2.1 国内、外现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频器数量一样多，因而投资成本高。国外成产的变频器，特别是供水厂用的变频器，相对于国产变频器而言，价格明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国内变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待进一步改进和完善3。2.2 发展趋势变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC和PID，甚至将压力传感器也融入变频器组建。同时维护操作也越来越简单明显偏高，维护成本也高于国内产品4。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善5。3.课题的主要工作 3.1设计思想PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程序控制器、压力传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统6，该系统的控制流程如图1所示：图1 城市供水系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(1)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，由三台交流电动机牵引的水泵构成，用三台泵的工频或变频运行达到管内压力恒定的效果。变频运行的水泵是由变频器调速控制、可以进行变频调整，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；三台水泵依次工作，每台泵的工作状态由停止启动变频工频切除工作。(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括按钮输入信号、管道水压信号和水池水位信号。按钮输入信号大多数为人工方式控制输入信号，用于手动控制工作。管道水压信号反映的是用户管道的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。此信号来自安装于水池中的高低液位传感器。(3)控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制7。图2 城市供水电气控制系统总体框图83.2方案工作过程根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者9。设定的供水压力是一个常数。变频恒压供水系统的结构框图如图2所示，变频恒压供水系统以供水出口管道水压为控制目标，在控制上实现出口总管道的实际供水压力跟随设定的供水压力10。图3 城市供水系统主要工作过程恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管道出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的EM235模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的信号通过RS-485作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水11。3.3完成课题所需条件及落实措施设计所需的设备的具体参考数据。设计所用到的各种参考文献及相关翻译文献。设计所需的相关软件（Auto CAD、STEP 7-MicroWIN-V40等）。生活供水时，系统应低恒压值运行。三台泵根据恒压需要，应采取先开始先停止的原则进行接入与退出。每一台泵应都具有软启动功能。整个控制系统要有完善的报警功能。4.完成课题所需的条件CAD制图软件、PLC编程软件、水泵、变频器等。5.课题的进度安排1、第一周：布置毕业设计。2、第二周：查找相关资料。3、第三周：根据设计要求，结合相关资料，编写设计大纲。4、第四周：查阅与设计题目相关的外文资料，完成外文翻译。5、第五周：撰写开题报告。6、第六周：认真分析该系统的工作原理。7、第七周：根据控制系统的功能要求，完成系统总体设计。8、第八周：进行硬件系统配置选择PLC、变频器的型号。9、第九周：对PLC的I/O资源进行配置。10、第十周：绘制系统的电气原理图。11、第十一周：进一步完善、修改开题报告和外文翻译。12、第十二周：根据控制要求设计出控制系统的功能流程图。13、第十三周：根据具体的控制要求，逐步细化控制框图。14、第十四周：完成每个功能模块的设计。15、第十五周：进行程序的编译、调试、修改。16、第十六周：撰写毕业设计说明书。17、第十七周：整理毕业设计相关材料。18、第十八周：准备答辩、答辩。6.主要参考文献1 谢仕宏.恒压供水软启动节能控制系统设计J.北京：中国给排水，2004.6.2 林俊赞，李雄松，尹元日.PLC在恒压供水控制系统中的应用J.电机电器技术，1999，3.3 廖常初.PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2005.4 廖常初.S7-200PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2007.5常晓玲.电气控制系统与可编程控制器M.北京：机械工业出版社，2007.6 金发庆.传感器技术与应用M.北京：机械工业出版社，2000. 7 侯崇升.现代调速控制系统M.北京：机械工业出版社