恒压供水控制系统---课程设计

大 庆 石 油 学 院 自动控制系统综合实 验 2009 年 7 月 31 日 课 程 自动控制系统综合实验 题 目 恒压供水控制系统 院 系 电气信息工程学院 专业班级 自动化 07-3 班 学生姓名 田英琦 学生学号 9 指导教师 霍凤财 关学忠 课程名称自动控制系统综合实验 题目名称恒压供水控制系统 学生姓名田英琦学号9 指导教 师姓名 霍凤财 关学忠 职称 讲师 教授 序号评价项目指 标满分 评分 1 工作量、工作 态度和出勤率 按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和 工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律， 出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 20 2课程设计质量 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分 析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰 写规范，图表完备正确。 45 3创新 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进 或有一定应用价值。 5 4答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30 总分 评语： 指导教师： 年 月 日 目 录 第 1 章 组态软件的介绍.1 第 2 章 国内恒压供水系统的现状.2 第 3 章 恒压供水系统介绍.3 第 4 章 恒压供水的基本原理.4 第 5 章 双恒压无塔供水系统原理.6 5.1 下位机控制原理.6 5.2 上位机监控原理.6 第 6 章 恒压供水系统的组态过程.7 6.1 定义变量.7 6.2 简单画面的设计、编辑与动画连接.7 6.3 命令语言程序编写.8 第 7 章 总结与体会.10 参考文献.11 第第 1 章章 组态软件的介绍组态软件的介绍 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系 统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速 构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支 持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功 能。组态（configuration）意思就是模块的任意组合，采用组态技术构成的计算 机系统在硬件设计上，除采用工业 PC 机外，系统大量采用各种成熟通用的 I/O 接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。这不仅节约了硬 件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟的工控 开发的工具软件，它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的 编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求 的所有功能。 工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术、 网络与通信技术，使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语言，只需 通过可视化的组态方式，就可完成监控程序设计，降低了监控程序开发的难度。 组态软件均具有良好的扩展性、兼容性，软件结构开放，可接受各种形式的数 据格式。同时，支持的硬件类型也十分广泛1。工控组态软件的出现，使得大 型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易，工程设计人员不用再设计 那些复杂的应用程序（如 I/O driver 等）。工控组态软件的功能 包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连 续调节功能。目前有许多工控组态软件。例如： Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx(开物)、Force control(力控)、组态王。 第第 2 章章 国内恒压供水系统的现状国内恒压供水系统的现状 目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法: （1）水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点 这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的 建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压 变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一 般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本 不变。 恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变 ，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电 压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的 水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统 能自动跳过故障泵运行。 （2）水池水泵高位水箱用水点 此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种 方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至 高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱 供水方式。 （3）单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点 此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整 体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时 启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应， 用水有了保障，社会效益较好。 变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得 到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变 化（实际上为供水管网的压力变化）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先进、合理的节能型供水系统。在 实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压 供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。 第第 3 章章 恒压供水系统介绍恒压供水系统介绍 下面以一个三台泵生活/消防双恒压供水系统为例来说明其工艺过程（已做 过简化），它主要是由 PLC、变频器、压力传感器、水泵断路器、接触器、中 间继电器以及水泵等组成。用户通过控制柜上的指示操作面板上的指示灯、TD -200 显示屏及按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。如图 1-1 所示，市网 自来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 YV1，它们自动把水注满储水水池 ，只要水位低于高水位，则自动往水箱内注水。水池的高/低水位信号也接送给 PLC，作为低水位报警用。通过安装在出水管网上的远传压力传感器将压力信 号转化为 4-20mA 的标准信号送入 PLC，经 PID 运算与给定压力参数进行比较 ，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵转速，调节系统供水量，使 系统的供水管网压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通 过 PLC 控制器加泵。根据用户用水量的大小来控制工作泵数量的增减及变频器 对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也 随之变化，这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控制系统2。 为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是很大。生活用水 和消防用水共六台泵，其中三台消防泵，另外三台是生活泵，平时由三台生活 泵负责生活用水，当消防系统启动时，生活用水水泵立即停止运行，消防泵立 即投入运行，并按设定压力对消防水泵进行变频调速。消防系统警报解除后， 生活泵再投入运行。 第第 4 章章 恒压供水的基本原理恒压供水的基本原理 恒压供水指的是主管出口压力恒定的供水方式。变频调速恒压供水系统通 过实时检测供水主管出口压力，然后与设定值进行比较,经压力调节器运算处理 后,在线自动调节变频器,控制泵的转速随压力变化而变化,最终达到主管出口压 力稳定在设定值上的目的。原理图见图 1 图图 1 恒压供水原理图恒压供水原理图 首先我们要清楚变频调速的原理，由交流感应电动机转速公式 =60f1/p *(1-s) （式中 n电机转速;f定子供电频率;s转差率;p电机极对数）可知： 如均匀地改变电机定子的供电频率1,就可平滑改变电机转速.对于异步电动机 的变频传动,为了避免电机过磁饱和,同时抑制启动电流,产生必需的转矩进行安 全运转,在改变频率的同时,对定子电压也应作相应调节.逆变器主回路把三相 50 交流电整流滤波为直流,再通过脉宽调制器触发大功率晶体管,把直流 变为电压和频率可调的三相交流电，由此可实现变频调速。那么下面我们就关 心的问题就是水流量与转速及轴功率的关系。由流体力学的原理可得下列表达 式: Q1/Q2=n1/n2; H1/ H2= (n1/n2) 2; P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q 代表流量；H 代表扬程（水压）；P 代表轴功率；n 代表转速） ，当流量减小，水泵转速下降，其电机输出功率则大幅度下降。例如：当流量 下降到 80，转速也下降到 80时，其轴功率则下降到额定功率的 51；当 流量降到 50，轴功率将下降到额定功率的 13，即使考虑到由于转速降低引 起效率下降等附加控制装置的效率等因素，其节能效果也是很明显的。 总设计原理图如下图所示 图图 2 恒压供水总设计原理图恒压供水总设计原理图 第第 5 章章 双恒压无塔供水系统原理双恒压无塔供水系统原理 5.1 下位机控制原理下位机控制原理 恒压供水控制系统的基本控制原理是：采用电动机调速装置与可编程控制 器构成控制系统，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。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交 流变频技术，而系统的控制装置采用 PLC 控制器，因 PLC 不仅可实现泵组、 阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字 PID 调节功能，可对系统中的各种运行 参数、控制点的实时监控。 5.2 上位机监控原理上位机监控原理 上位机即是我们通常用的计算机，它也可以对系统进行监控，但是要在组 态以后，才能对系统进行监控。这是一个数据进行交换的过程。我们要利用组 态软件有数据交换的功能。通过一根电缆，使它与 PLC 进行数据。这样的情况 与才能用组态软件进行监控系统。并完成系统运行工况的 CRT 画面显示、故障 报警及打印报表等功能。能够对系统运行进行操作，具用实时报警、报警记录 和历史数据记录功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水 系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现 代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。这样的监控更加的简单，人们一 看就能够理解。 第第 6 章章 恒压供水系统的组态过程恒压供水系统的组态过程 组态王组态过程要经过定义变量、简单画面设计、编辑与动画连接和命令 语言程序编写。下面介绍一下这几个过程。 6.1 定义变量定义变量 要组态王知道外部设备的状态，以及能够输出控制信号，需要建立相应的 变量。根据 I/O 变量表，我们需要建立 3 个 I/O 输入变量，12 个 I/O 输出变量。 同时也要建立一些相应的内存变量。以便组态王能够与 S7-200 进行数据交换。 单击“数据库”大纲项下面的“数据词典”成员名，然后在目录内容显示区双击“新 建”图标，出现“定义变量”窗口。在“基本属性”页中输入变量名“生活/消防控制 信号”，变量类型设置为“I/O 离散”，连接设备设置为“新 I/O 设备”，寄存器设 置为“I0.0”，数据类型设置为“bit”,读写属性设置为“只读”，采集频率设置为 “100ms”。 6.2 简单画面的设计、编辑与动画连接简单画面的设计、编辑与动画连接 用户可以充分利用组态提供的各种绘图工具、图库来制作画面，使得画面 能够逼真地反映控制系统的工作状况，并且可以通过画面操作控制系统的运行 状况。动画连接建立了数据中的变量与图形画面中的图素之间的关系。只有建 立了动画连接，才能将数据中的变量信息反映到图形画面中来，或者从图形画 面控制这变量。 设置画面属性如下图所示。 图图 3 画面属性画面属性 6.3 命令语言程序编写命令语言程序编写 组态王需要在运行时根据现场设备的情况来进行监控。同时给下位机写入 运行参数。具体的控制要求如下,我们根据控制要求编写应用程序。对总数为六 台泵的生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： （1）生活供水时系统低恒压值运行，消防供水时系统高恒压值运行，生活 用水时用生活管道，消防用水时用消防管道，两种供水方式走不一样的管道； （2）生活/消防各使用三台泵，并根据各自的需要设定压力，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设定的切换时间， 则要切换到下一台泵，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。手动只在应急或调试时临时使用； （7）如果水位低于下限，则打开开水阀，使市网水管的水流入水箱，对水 箱进行注水； （8）水位上升到上限，则关闭开水阀； （9）水位从上限下降到下限之前，开水阀不工作； （10）采用组态王设计的监控程序能显示和设定系统工作状态、参数，能 对系统进行操作，具有实时报警记录和历史数据记录功能； 经过这几个步骤，基本上完成了系统组态，但要对其进行调试。在组态王 运行系统里，仔细观察各个信号是否正常，如果有不正常的情况出现，分析可 能存在的原因，如果变量设置错误，对象参数设置错误，动画连接错误，表达 式错误，命令语言错误等。通过“画面-退出 ”菜单项，可以退出组态王运行系 统，同时也可以通过“系统设置”退出系统。回到工程浏览器或者组态王开发系 统，做出相应的修改后再次进入组态王运行系统进行观察，这需要反复多次才 能使得系统工作完全正常。 设置程序如下图所示 图图 4 画面命令语言画面命令语言 第第 7 章章 总结总结与体会与体会 本论文完成了用组态王软件对恒压供水系统上位机监