plc在恒压供水系统中的应用毕业论文

1、 江苏省无锡交通高等职业技术学校江苏省无锡交通高等职业技术学校毕 业 论 文PLCPLC 在恒压供水系统中的应用在恒压供水系统中的应用 系系 部：机电工程系部：机电工程系 专专 业：机电一体化业：机电一体化 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师：20132013 年年 3 3 月月PLCPLC 在恒压供水系统中应用在恒压供水系统中应用摘摘 要要用 PLC 控制恒压供水的方法, 通过设计 PID 控制程序, 实现系统的PID 控制,从而提高供水质量和供水的可靠性。这种方法在任何需要流量控制的系统中,具有推广意义。关键词：关键词：PLC，恒压供水系统，PID，控制目目

2、 录录第一章第一章 可编程控制器可编程控制器 .1 11.1 PLC 可编程控制器简介 .11.2 PLC 的应用特点 .11.3 可编程控制器与继电器控制逻辑的比较 .21.4 小结.2第二章第二章 PLCPLC 恒压供水系统介绍恒压供水系统介绍.3 32.1 PLC 恒压供水控制系统 .32.2 系统的结构功能 .32.2.1 闭环恒压供水 PID 调节.32.2.2 恒压供水系统的结构及功能.42.3 系统设计要求及原理 .42.3.1 供水过程.42.3.2 加氯过程.42.3.3 变频柜开关过程.42.3.4 远程监控.52.3.5 高速历史数据的存储和查询功能.52.3.6 分布式

3、多媒体报警.52.3.7 系统概貌.52.3.8 系统设计原理及框图.62.3.9 控制方式.62.4 恒压供水 PLC 自动控制系统的设计 .72.4.1 PLC 及输入，输出模块的选择 .72.4.2 整体工艺流程.82.4.3 控制系统.102.5 小结.11第三章第三章 全文总结全文总结 .1212参参 考考 文文 献献 .1313致致 谢谢 .1414第第 1 1 章章 可编程控制器可编程控制器1.11.1 PLCPLC 可编程控制器简介可编程控制器简介自 60 年代末第一台 PLC 问世以来,已很快被应用到机械制造,冶金,矿业,轻工等各个领域,大大推进了机电一体化进程,被人们称为现

4、代工业控制三大支柱之一.可编程序控制器(Programmable Logic Controller),简称 PLC,是采用微电脑技术制造的通用的自动控制设备,它具有高可靠性,能适应工业现场的高温,冲击震动等恶劣环境,广泛应用于机械设备,生产流水线和生产过程的自动控制。经过长时间的发展和完善,PLC 的编程概念和控制思想已为广大的自动化行业人员所熟悉,可以说在目前它已成为任何其他工业控制器都无法与之相提并论的巨大知识资源。PLC 主要具有逻辑运行的功能,可以代替继电器进行开关控制,具有定时控制功能,计数控制功能,步进控制功能,A/D,D/A 转换功能(对模拟量控制),数据处理功能,通信,联网功能

5、,并配置了较强的监控功能.这些功能造就了 PLC 的旺盛生命力。1.21.2 PLCPLC 的应用特点的应用特点1 1、 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC 以外的电路及设备

6、也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。2 2、 配套齐全，功能完善，适用性强配套齐全，功能完善，适用性强PLC 发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。3 3、 易学易用，深受工程技术人员欢迎易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC 是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为

7、工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。4 4、 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。1.31.3 可编程控制器与继电器控制逻辑的比较可编程控制器与继电器控制逻辑的比较最初的工厂自动化控制主要是以继电器回路控制占据主导地位,电气控制

8、人员常常抱怨这种控制系统体积大,耗电多,寿命短,可靠性差以及运行速度慢等缺点.而采用微电脑技术的可编程序控制器的出现,使得继电器控制逻辑更加逊色,它的出现,在技术角度大大方便了电控设计人员,软硬件设计简便,维护方便,在体积,可靠性,耗电量有很大程度的提高,从而带动成本的节约,而且可以通过计算机进行数据的传输和监控,一系列的优点使PLC 很快被接受并代替继电器控制回路广泛应用于工厂自动控制中.试比较如下:1 1、 控制逻辑控制逻辑继电器控制系统采用硬接线逻辑,连线复杂,体积大,功耗大,修改困难,灵活性和扩展性较差;PLC 采用存储逻辑,连线少,体积小,功耗小,修改简单,灵活性和扩展性强。2 2、

9、 控制速度控制速度继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作(闭合或断开)来实现的,工作频率低,反应速度慢,容易出现触点抖动问题;PLC 是由程序指令控制半导体电路来实现的,速度相当快,不会出现抖动问题。3 3、 限时控制限时控制继电器控制逻辑利用时间继电器的滞后动作进行限时控制,定时时间易受环境的湿度和温度变化的影响,维护不便。PLC 使用半导体集成电路作为定时器,精度相当高,定时时间不受环境影响,一旦调好不会改变。PLC 还能完成计数功能,而继电器控制逻辑一般没有计数功能。4 4、 设计与施工设计与施工继电器控制逻辑完成一项控制工作,设计施工,调试必须顺序进行,周期长,而且修改困难;PLC 完成一

10、项控制工程,在系统设计完成后,现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行,周期短,调试,维修也很方便。5 5、 可靠性和可维护性可靠性和可维护性继电器控制逻辑使用了大量的机械触点,连线也多,触点在开闭时会受到电弧的损坏,寿命短,因此可靠性和可维护性差;PLC 采用微电子技术,体积小,功耗小,寿命长,可靠性高,还配备了自检和监控功能,能检查出自身的故障,并随时显示给操作人员,还能动态监视控制程序的执行情况,为现场调试和维护提供了方便。1.41.4 小结小结 本章主要介绍了可编程控制器的发展前景，它在现代的电气控制系统中已经变成一种主流的趋势，它具有控制稳定，抗干扰能力强等优点。还将可编程控制器与继电器

11、控制进行了比较。在工业现场对复杂模型进行控制时，可以借助上位机 PC 来建立生产模型，通过构建 SCC 监督式控制系统，让下位机 PC 为一 DCC 直接数字控制系统，实现复杂系统的控制。总之，可编程控制器具有较好的前景与发展势态。第二章第二章 PLCPLC 恒压供水系统介绍恒压供水系统介绍2.12.1 PLCPLC 恒压供水控制系统恒压供水控制系统 该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC） 、变频器、压力传感器、PID 控制器、动力控制线路以及相关软件控制单元。用户通过控制柜面板上的只是灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成 4-

12、20mA 的标准信号送入 PID 调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的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。根据用水量的大小由PLC 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，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。同时系统配备的时间控制器和 PID 控制器，使其具有定时换泵运行功能（即钟控功能，由时间控制器实现）和双工作压力设定功能（PID 控制器和时间控制器实现） 。此外，系统还设有多种保护功能，

13、尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。2.22.2 系统的结构功能系统的结构功能2.2.12.2.1 闭环恒压供水闭环恒压供水 PIDPID 调节调节在供水过程中，水泵转速的变化可以调节水量,但是转速降低,流量减小，为了保证流量并维持一定的供水压力，最大限度地节约电能,我们必须建立闭环自动调节系统。在水泵的出口侧，一旦偏离设定压力，系统就自动响应，调节转速，维持相应压力下的供水量。该闭环恒压供水系统,主要由变频器、可编程序控制器及传感器组成。设定值 E变频器电机水泵水压压力传感器图2-1 PID调节原理图在供水系统中使用水泵的目的,是向各末端水龙头连续稳定地供

14、给适当水压的水。因此,不论供水量多少,必须控制水泵的压力恒定。使用变频调速的水泵,其压力控制常采用出口水压一定控制。压力传感器装在水泵附近的主出水管内,将感受到的压力转化为电信号作为反馈信号。变频器内置PID 调节器作为压力调节器。PID 调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算,其结果作为频率指令输送给变频器,调节水泵的转速使出口压力保持一定。根据供水管网压力的变化,通过变频器实现自动跟踪来控制水泵电机的转速,使供水管网中保持恒定的压力,以达到高效供水及高效节能目的。2.2.22.2.2 恒压供水系统的结构及功能恒压供水系统的结构及功能本系统采用两套电机水泵对水网进行恒压

15、供水,每台电机均可工作在变频方式或工频方式,但变频调速器每次仅驱动一台电机。变频调速器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节流量达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换,实现最佳匹配。本PLC变频调速恒压供水系统主要可以完成的功能有:手动和自动切换功能,水泵投入运行方式任选功能,对电机水泵实现软启动,定时倒泵功能。图2-2 恒压供水系统结构图2.32.3 系统设计要求及原理系统设计要求及原理2.3.12.3.1 供水过程供水过程a开机检测水的压力（入水） 。b当入水压力低于设定压力时开启电动蝶阀1，关闭电动蝶阀2。c当入水压力高于设定值时，关闭电

16、动蝶阀1，开启电动蝶阀2，启用超越管。d根据液位计测量的水位，控制电动调节阀开启大小，使水池水位保持一定。2.3.22.3.2 加氯过程加氯过程a入水Clo2每10分钟显示。b出水设置加氯值，如果余氯检测计设计测得的值大于出水设置加氯值，则减少加氯量，否则增加投加量。2.3.32.3.3 变频柜开关过程变频柜开关过程a当1号变频柜达到50Hz，等待5分钟（可调）后两个泵同时工作，并且变频泵工作在50Hz，启动2号变频柜。b当2号变频柜的第二台泵不工作，第一台泵频率为0Hz，延时15分钟（可调）关闭2号控制柜。c当1号变频柜工作72小时（可调）关闭1号变频柜后，启动2号变频柜，循环。d只要1号变

17、频柜有一台负载有问题，自动转换到2号变频柜，循环。2.3.42.3.4 远程监控远程监控 本系统监控站设操作员站和工程师站。工程师工作站、进行系统组态软件开发和警报顺序事件记录；工程师站将能够作为操作员站完成相关控制监测功能。工程师站。操作员站及PLC之间可以进行互连通讯，操作员可通过现场监控机，通过选择手动方式来实现手动操作。本系统要求在上位监控工控机实时显示各各变频柜及水泵的开启或关闭状态，及各水泵是否出现故障；同时显示水流量、官网压力、水位、出水余氯值等参数。同时，本系统要求在上位监控工控机通过点动火手动方式用鼠标单击界面图标来实现控制各变频柜及水泵的开启或关闭，以及两个电动蝶阀的开启或

18、关闭。2.3.52.3.5 高速历史数据的存储和查询功能高速历史数据的存储和查询功能本系统要求在上位监控工控机对各变频柜及各水泵的开启或关闭，及各水泵是否出现故障等实时状态，和水流量、官网压力、水位、出水余氯量实时数据的进行存储，并可进行快速报表查询，报表包括年报表、月报表、填报表，同时实现报表打印。2.3.62.3.6 分布式多媒体报警分布式多媒体报警本系统要求对关键参数（各变频柜及各水泵的开启或关闭，及各水泵是否出现故障等实时状态，和水流量、管网压力、水位、出水余氯值等）进行实时跟踪，当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明改量的值已经超限，提醒操作人员。本系

19、统采用视频：即记录现场实时生产过程画面，支持本地或远程实时播放、保存、多画面、回放、同时可以对云台和摄像头进行远程控制。2.3.72.3.7 系统概貌系统概貌恒压供水是指用户段不管用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。为实现上述目标，本系统利用PLC和数据采集模块根据给定压力信号和反馈压力信号，通过模糊PID控制算法控制变频器调节水泵转速，从而达到控制管网水压的目的。同时，本文也讨论了自整定模糊PID控制算法对PID参数的控制。本系统采用总线分布式控制模式，实现对2台变频柜，4个水泵，Clo2投放器，絮凝剂投放器等的远程集中

20、控制。本系统最高层为计算机监控系统，它包括监控计算机，管理计算机，服务器，集线器，通过英特网，实现各计算机之间的通讯。控制层内的功能由一台PLC来完成，PLC与EM235（模拟量采集模块）负责水池水位，流量，用户量和余氯等数据的实时采集，通过RS-485转RS-232方式，将采集数据传输给监控计算机，输出模块调解电动蝶阀的开启或关闭动作和各变频柜及水泵的开启或关闭。2.3.82.3.8 系统设计原理及框图系统设计原理及框图计采用UFLO2000超声波流量计，它可以把正累计流量以OTC脉冲信号的形式输出，此脉冲信号输入到CPU224的I口后由CPU224中的程序进行累加处理，处理后送上位机显示，

21、存储幷形成报表。各泵的开关状态由继电器把高低电平送入CPU224的I口，同时CPU224再把各泵的开关状态发送给上位监控计算机，操作者就可以获知各泵的工作状态。各泵的工作电流可以通过套装在各泵电流输入线路上的电流互感器和变送器把工作电流转换为对应的4-20mA的信号送入EM235的输入接口，EM235内部的DAC把输入的4-20mA的模拟信号转换为数字信号，幷通过I/O拓展线把数据送到CPU224中，数据经过CPU224中的程序处理发送给上位监控计算机，操作者就可以实时动态掌握各泵的工作电流。电动调节阀输出隔离的4-20mA阀位反馈信号给EM235模块，EM235内部的DAC把输入的4-20m

22、A的模拟信号转换为数字信号，幷通过I/O拓展线把数据送到CPU224中。变频恒压供水就是采用PID控制原理，所谓的恒压就是设定压力为用户所需要的压力，反馈压力为供水管网上实际测到的压力，通过变频器来调节水泵出口的管网压力，图2-3 设计总体原理框图通过变频器来调节水泵出口的管网压力，使管网压力维持在设定压力左右。本系统可在上位监控计算机输入压力设定值，利用上位机编程软件建立模糊PID控制器，幷与变频器进行通信来控制水泵，实现全方位的自动，节能运行。2.3.92.3.9 控制方式控制方式1、 场手动方式现场手动方式为控制模式的最高级，任何情况下，当现场控制箱上选择现场手动操作时，远程对此泵站的操

23、作无效，此泵站只相应现场控制箱上操作按钮的动作，通过按下启动或停止按钮来控制两个电动蝶阀的开启或关闭和各变频柜及各水泵的开启或关闭。2、远程点方式现场控制模式选择远程控制方式，在监控计算机选择点动操作，用鼠标单击界面图标实现电动调节阀开度增大或减小。3、远程手动方式 现场控制模式选择远程控制方式，在监控计算机选择手动操作，用鼠标单击界面图标来实现两个电功蝶阀的开启或关闭和各变频柜及各水泵的开启或关闭，通过键盘输入各项设置参数（管网压力，报警水位，含氯设定值等）。4、泵站全自动方式现场控制模式选择远程控制方式，早监控计算机上选择自动方式，通过键盘输入各项设置参数（管网压力，报警水位，含氯设定值等

24、），鼠标单击自动运行后，泵站进入由PLC控制的全自动运行状态。2.42.4 恒压供水恒压供水PLCPLC自动控制系统的设计自动控制系统的设计2.4.12.4.1 PLCPLC 及输入，输出模块的选择及输入，输出模块的选择根据第2章所述系统设计要求，确定本系统所需采集和控制的参数的I/O分配表如下表1-1、表1-2所示。 表 1-1离散量I/O分配表一泵工作I0.0一泵故障I0.1二泵工作I0.2二泵故障I0.3三泵工作I0.4三泵故障I0.5四泵工作I0.6四泵故障I0.7入水流量I1.0出水流量I1.1变频柜1开I1.2变频柜2开I1.3污水泵开I1.4输入信号污水泵关I1.5电动蝶阀1的开

25、启Q0.0电动蝶阀2的开启Q0.1变频柜1启动/停止Q0.3输出信号变频柜2启动/停止Q0.4在最大限度地地满足本系统自动控制要求的前提下，为了使系统简单、经济、安全可靠;并考虑到今后工艺的改进，本系统选择了西门子S7-224CPU以及HM235模块(4模拟输入1模拟输出组合模块)，其中S7-224CPU一块，EM235四块。表4-1中列有离散输入量14个，分别接在S7-224CPU的10.0-11.5口上;离散输出量4个，分别接在S7-224CPU的Q0.0- Q0.3上。表1-2 模拟量I/O分配表输入模拟量一泵电流A+（1#）二泵电流B+（1#）三泵电流C+（1#）四泵电流D+（1#）总

26、电压A+（2#）变频柜1频率输入B+（2#）变频柜2频率输入C+（2#）Clo2投加D+（2#）进水浊度1A+（3#）出水浊度2B+（3#）进水余氯分析C+（3#）出水余氯分析D+（3#）电动调节阀开度A+（4#）液位B+（4#）入水压力C+（4#）出水压力D+（4#）变频柜1频率输出IO（1#）Clo2投加量VO（2#）变频柜2频率输出IO（3#）输出模拟量电动阀门调节输出VO（4#）2.4.22.4.2 整体工艺流程整体工艺流程整个泵站供水控制系统类似于自来水厂的供水系统，如图4-1所示，上级水厂供水由入水口进入泵站，入水口处有压力计检测入水压力，当入水压力低于设定压力时开启电动蝶阀1，关

27、闭电动蝶阀2根据液位计测量，控制电动调节阀开度，是水池水位保持一定。出水口处每10分钟进行余氛检测，如果检测值大于设定值，则减少0.10.2投加量，否则增加CL02投加量。图2-4 泵站工作工艺流程图 流量计用来检测用水量，如变频拒1控制下的两个泵都已工作，且频率达到50Hz，等待5分钟(可调)后如两个泵同时工作，启动变频拒。当变频柜2第二台泵不工作。第一台泵频率为0时，延时几分钟(可调)关闭二号控制柜。浊度计检测出水浊度，当浊度达到一定值时，可通过精确计量泵将絮凝剂加投到循环泵前，絮凝剂可将水中的悬浮物凝结成块，实现净化水的目的。供水循环主程序开始启动准备自动？手动？子程序1子程序N图2-5

28、 PLC控制系统主程序框图2.4.32.4.3 控制系统控制系统因为本工程涉及到的采集量和控制量较多，为了调试方使，故PLC编程采用多子程序顺序扫描方式.整个泵站供水系统按控制对象的功能来分，可分为下儿个部分:调节变频器控制出水压力部分、调节电动蝶阀控制出水压力部分、调节电动调节阀控制液位部分、检测出水余氛控制CL02投加部分、检测浊度控制絮凝剂投加部分、两台变频柜交替工作部分、检测用水量部分等等。下面简述各部分的设计。1.变频器控制出水压力部分本 系统 压 力拉制采用的是模妆PID控制，执行机构为变频器和水泵电机，这样就可以把给定值预先设定后直接输入到回路表中，过程变量值是来自压力计的单极性

29、模拟量(4- 20MA) ，回路输出值也是一个单极性模拟量4-20MA) ，用来控制变频器，并通过变频器来控制电机转速，进而控制管网压力。S7- 200在本部分中的主要作用是把EM235模拟量输入、模拟量输出模块)接收到的由压力传感器经由互变器传来的模拟信号(4- 20MA)传递到上位监控计算机;在上位机再换算成水位值与设定值进行比较，进行模糊PID运算。2.调节电动调节阀控制液位部分检测液位控制电动调节阀子程序开始液位测量值液位设定值？加大电动调节阀开度减小电动调节阀开度控制电动调节阀子程序开始图2-6 控制电动调节阀子程序框图 3.余氯检测部分由于市政供水中的余氛含量在管道中会发生变化，所

30、以泵站须对入水、出水进行余氛检测。同时，还要对贮水池中的水进行加氯。贮水池中的余氛计不停地对池水进行检测，由于水池较大，每次加氛后需一定时间进行混匀，所以每隔十分钟进行一次取样。然后与设定值进行比较，来确定是增加CL02的投放，还是减小CL02的投放。2.5 小结小结 本章主要介绍了可编程控制器的结构功能，及PLC在恒压供水系统中的应用的设计要求与控制原理，列出了具体的设计程序及原理图，对一些细节问题，如投入氯的控制等进行了详细的介绍。还对泵站的具体制作工艺过程进行了介绍。用PLC对恒压供水系统进行自动化控制比较合理，因为PLC具有自动化程度高，控制稳定等优点。第二章为核心内容，对控制的原理及操作进行了详细的阐述。第三章第三章 全文总结全文总结3.13.1 主要结论主要结论 本文，采用了一种基于模糊PID控制理论的由PLC及组态软件实现的模糊恒压供水控制系统，克服了传统PID拉制设计中的参数调整困难的问题。本供水系统在设计过程中使用模糊PID控制方法，较好的解决了由于用户较多并且用水时间不确定而造成的管网水压波动较大等问题。同时，利用PLC以及目前成熟的网络技术，实现了系统的远程自动化监控。实践证明，本系统能过满足恒压供水系统设计要求，具有维护简单、可靠性好、良好人