【基于PLC的变频恒压供水系统设计6000字（论文）】

基于PLC的变频恒压供水系统设计目录1引言 12系统组成及工作原理 22.1系统组成 22.2系统工作原理 33系统硬件设计 33.1PLC的选型 34系统软件设计 44.1系统运行模式 45变频调速恒压供水系统的研究 55.1PLC的变频调速恒压供水系统的特点 65.2PLC的变频调速恒压供水系统设计考虑的因素 65.3PLC的变频调速恒压供水系统设计的运行工作流程 75.4PLC的变频调速恒压供水系统的特点 7结论 8参考文献 111引言1.1PLC的简介西门子S7-200系列PLC在小型化和专业化控制领域具有很强优势,由微处理器(CPU)、I/O模块、存储器(EPROM.RAM)、通信口和电源组成,各组成部分之间通过总线连接。PLC是一种数字运算的电子系统,类似于一种工业计算机。主要通过用户程序来实现不同的控制功能:逻辑控制、定时计数控制、步进控制、数据处理通信联网等。由于在元器件、工作方式、触点数量和控制电路实施方式方面相比于继电器控制有很大优势,PLC有可靠性高、控制功能强、组成灵活、操作方便等特点,具有较强的环境适应性和较高的抗干扰能力,相对于继电接触器控制或单片机控制,工作人员只需要通过改变程序,可以实现各种控制要求,非常适合恒压供水的环境要求。执行单元，执行单元由一组水泵组成,用于将水供入用户管网系统,分为两种类型:调速泵和恒速泵。调速泵由变频器调速控制、进行频率的调整,根据用户用水量的变化调节电机的转速,维持管网的水压恒定[2]。信号检测，在恒压供水系统的信号主要包括自来水的报警和出水水压两种信号。系统非正常运行,变频器异常、水泵电机过载等故障信息通过报警信号反应。而出水水压信号是用户管网的水压值的重要参考值,是恒压供水系统的主要反馈信号。人机界面(HumanMachineInteraction)，人机界面是人和机器的信息交流设备,是人和计算机实现远距离的信息传递的媒介。对于没有梯形图编程基础的非专业人士来说,通过人机界面将PLC内部程序实现的控制功能外观化是一种很好的方式。使用者可以更改压力设定值,修改系统的设定值来满足不同工艺的要求。在操作人员和PLC设备之间做反向沟通,用户可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的状态。实时处理或监控管理随时可能变化信息。变频器，选用三菱FR-E740系列变频器,调节水压只需要改变水泵电动机的额定频率即可。在外部操作模式或组合操作模式下,可以通过外接的开关器件的组合通断改变输入端子的状态来实现变频。它通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能[3]。可编程逻辑控制器（PLC）及其网络是现代工业自动化的支柱之一，近年来PLC的数据运算处理、图形显示、网络通信功能得到了极大的强化，PLC能够渗透和发展过程控制。过程控制通常是指工业生产中连续或一定周期的生产过程的自动控制。在过程控制方面，PID是最主要的调整器之一，其原理简单，适用性和鲁棒性强，最显著的特征不依赖于对象的精确数学模型，因此可以解决工业过程的精确建模中的困难。1.2本文目的和意义恒压供水是指用水用户在任何时间,无论用水量的大小总保持管网中的水压基本恒定。在城市自来水管网系统、楼宇中央空调冷却系统、生活商业消防用水系统等众多领域中均有应用。本文模拟设计一栋9层楼高的居民楼房供水系统。由于高楼层对水压的要求极高,在水压较低或不稳定时,会出现无法正常用水甚至无法将水压出的情况;而水压过高则会造成能源的浪费。基于PLC的变频恒压供水系统能够自动维持恒定压力,并且可以按照压力信号自动启动备用泵,及时调整管网水压,满足用户的供水要求。它的主要特点是:维持水压恒定、控制系统可手动、自动运行。多台泵自动切换运行、泵组及线路保护检测报警与信号显示,系统睡眠与唤醒等。泵电机的工作效率低，不仅寿命短，而且对电机频繁启动和停止也会产生巨大冲击，设备故障率也会提高。这些泵都以高于实际水的高度的压力提高了水压，从而增加了泵的轴功率和能量损失。针对存在的问题，结合工业控制行业的发展，设计了频率转换器的恒压供水系统。本系统使用PLC、传感器、频率转换器及泵单元等构成闭环控制系统，使管网的压力保持恒定，通过使用该系统进行供水，提高供水系统的稳定性和可靠性，节能性也很好[1]。文章主要对基于PLC的频率变换恒压供水系统及其应用进行了简单的研究分析。频率转换技术是相对先进的恒压供水系统。变换压力调速是更重要的基础。供水业系统正在运行中，通过传统的人工控制逐渐变成自动化控制系统。可以实现系统化的控制模式，自动化控制系统可以在运行中有效地提高工作效率。有效减少系统控制的工作效率和质量，达到降低设备损失的效果，进一步满足城市建设发展的实际需要。2系统组成及工作原理2.1系统组成变频恒压供水系统如图l所示,它主要是由PLC、文本显示器、变频器、PID调节器、压力传感器、动力控制线路以及3台水泵等组成。用户通过TD400C文本显示器完成人机对话功能,进行运行方式、管网压力等参数的设定。系统还可动态显示各种参数,如:设定压力、运行压力、水位高度、运行方式、实时时间、日历、各个泵的运行时间累计(精确到秒)、运行状态、故障信息等等。PLC变频器PLC变频器工频管网压力传感器TD400文本显示器工频管网压力传感器TD400文本显示器接触器组接触器组mmmmmmmmmmmm管网图1恒压供水系统原理2.2系统工作原理系统采用3台泵的并联运行方式，在图1的恒压供水系统原理图中，通过设置水管网络上的压力传感器，将输出压力信号转换为4～20mA的标准信号和给定的压力参数进行比较，传送给PID调整器。给供水系统的管网施加压力。使用水量超过1台泵的供水量时，通过PLC控制追加泵。根据使用水量的大小PLC控制泵数量的增减和变频器对泵的速度，实现恒压供水。当供水负荷变化时，输入马达的频率也变化，由此构成以设定压力为基准的闭环控制系统。3系统硬件设计3.1PLC的选型控制电路采用PLC为核心的控制系统。可编程控制器选用西门子S7-200系列CPU224型主机,模拟量输入采用4路输入的EM235扩展模块,具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件,它能提供一个完整的编程环境,可进行离线编程和在线连接、调试,并能实现语句表与梯形图的相互转换,PLC的输入/输出地址分配见表1。表1PLC输入/输出地址分配表输入功能输出功能I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I1.0I1.1变频器故障手动模式自动模式1号泵过载2号泵过载3号泵过载启动变频器水位上限水位下限Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.01号泵变频运行1号泵工频运行2号泵变频运行2号泵工频运行3号泵变频运行3号泵工频运行变频器运行故障报警4系统软件设计PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部交换量信号的输入，判断当前的供水状态，输出信号来控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整泵的运转，发出相应的指示和警报。为了便于调整和编辑，系统采用了模块化的程序。主要由手动模块、自动运转模块、故障诊断和警报模块构成。包含子程序、控制程序等。4.1系统运行模式选择手动运行方式时,根据需要通过按启动和停止按钮,来控制各水泵,这种方式只在检修和系统出现故障时使用。以自动运转方式开始运转时，首先测量池的水位，如果池的水位符合设定的水位，则启动1号泵，频率转换器的输出频率从OHz上升。此时，压力传感器检测到压力信号并反馈给PLC，PLC通过PID运算控制频率转换器的频率输出。延迟一定时间后，将1号泵切换到频率，2号泵启动，频率逐渐上升，依次类推增加泵，直至水的压力达到设定压力。PLC功能图如图2所示。S0初始S0初始初始状态M1变频S1初始开始M1变频S1初始M1工频、M2变频S2初始M1工频、M2变频S2初始f≥50HzM1、M2工频，M3变频S3初始f≥50HzM1、M2工频，M3变频S3初始M1停止M2工频M3变频S4初始f≤fminM1停止M2工频M3变频S4初始M1、M2停止，M3变频S5初始f≤fminM1、M2停止，M3变频S5初始f≥50Hz图2PLC功能图5变频调速恒压供水系统的研究使用水量减少，超过设定压力时，PLC降低输出频率，减少水量，稳定出水压力。当频率变换器的输出频率低于某一设定值fmin时，当水的压力高于设定值时，PLC开始时间测量，当压力水在一定时间内降低到设定压力时，PLC放弃时间测量，频率变换器继续运转频率变换速度开始。在一定时间内，水的压力比设定压力高，基于先停止运转的原则，PLC停止运转中的泵中最长时间的工作频率泵，停止到水的压力达到设定值为止。频率变换速度恒压供水系统是由频率变换速度调整技术的发展和人们节能意识的不断强化而产生的，广泛应用于现代建筑的中水处理系统的形式。PLC是一种基于电气设备的逻辑控制系统发展和使用，将自动控制技术、计算机技术和通信技术一体化的新型工业控制装置，在数学处理、顺序控制等方面具有优势，因此在工业自动化三大支柱中占有最重要的地位。在控制系统中，继电器具有逻辑运算和弱电控制的强电优势[4]。PLC在可靠性、抗干扰性、功能性、通用性的安装性、维护性等方面具有无可比拟的优点，此外由于其小型、轻量、耗电小、开发周期短等优点，被广泛应用于自动化控制的各个领域，以实现工业生产自动化成为柱子[5]。因此，PLC进行频率变换速恒压供水系统的设计，可以促进频率变换器恒压供水系统行业的快速化和产业化的发展。同时，PLC是在自动控制领域中重要的节能性的应用。在供水系统中采用PLC和频率变换技术的组合方式，通过引用计算机远程监视和管理供水系统，能够保证供水系统的安全可靠性的运行[6]。5.1PLC的变频调速恒压供水系统的特点由于供水系统的控制对象是用户管网的水压，所以与其它处理控制量相同，用户管网的控制量也有滞回性。频率变换速度的恒压供水系统是线性系统，这是因为用户的管网有管电阻、锤子等要素和泵自身的特征等。频率变换速度恒压供水系统是适合于各种各样的供水系统的通用系统，但是控制对象模型具有多变性的特征。频率变换速度恒压供水系统的控制对象在定量泵的工作状态中不确定性，因此存在不确定性[7]。如果突然出现断水、断电、泵、变频器、软启动器等故障，该系统的独特设计仍能保证正常供水。泵的控制盘实现了供水数据的实时传输等各种各样的功能。通过调整频率转换器的速度，供水中的节能效果变得显著，该系统中的各种设备的寿命也被延长。由于上述特征，PLC控制转换器恒压供水系统在实际运用中广泛实用。对于控制系统来说，我们在设计时可以采用手动式和自动式两种不同的方式，它们各有优势[8]。手动控制系统的优点在于，首先，能够确保在自动控制装置发生故障时系统正常工作。5.2PLC的变频调速恒压供水系统设计考虑的因素系统中各种主要设备的类型和型号、PLC和模块的类型和型号、频率转换器的类型和型号、系统的主电路和系统控制电路设计PLC的I/0端口的分配和周边布线的选择和安装台，系统软件的设计和最佳组套合、PIC的相关程序的设计实施以及PID参数的调整等各内容，主电路向异步电动机提供电压调整的电力转换部分，因此频率变换器的主电路一般以电压型和电流型为主[9]。电压型将直流电压源转换为交流电压，电流型将直流电流源转换为交流电压源。它们的直流电路不同，对于电压型来说，其直流电路是容量。对于电流型来说，直流电路是电感。由于控制电路部分主要是向异步马达供给的主电路供给控制信号的电路，所以多包括“运算电路”、“电压及电流检测电路”、“速度检测电路”、“驱动电路”、“保护电路”等。5.3PLC的变频调速恒压供水系统设计的运行工作流程PLC转换器恒压供水控制系统以PLC为控制核心，由PLC控制器、频率转换速度调整器、压力传感器、泵等必要的电气控制装置构成。这个基于PLC的频率变换速度恒压供水系统的设计流程主要如下。（1）设置固定水压值。（2）在供水管的网络上设置压力传感器。（3）利用频率转换器的恒压供水原理，连续地采集供水管网的水压，由此取得水压的变化率的信号。（4）将水压信号转换成电信号，通过PLC的I/0模块转换成数字量，传送给PLC，取得实际的水压值。（5）将取得的实际水压值与最初设定的水压值进行比较，用PID进行运算。（6）将计算结果作为电信号输出到频率转换器的信号给定端。（7）频率转换器基于给定端的数值信号来调整泵的电源频率，进而达到调整泵的旋转数的目的，使供水管的水压值始终处于设定的水压范围内。通过以上的工作流程和原理，形成了一个闭环控制的恒压供水系统。5.4PLC的变频调速恒压供水系统的特点首先，该系统的泵具有自动转换软件启动装置，能够根据使用水的大小自动调整泵的台数。其次，该系统允许自动和人工之间的转换。这个系统的数台泵，实现交替变换运转。第三，该系统的设备例如具有缺相、残压、过压、短路、过载、水位恢复等保护功能，也可以避免泵的反相抽气。第四，系统工作设备具有报警指示和自动停止的优势[10-13]。在PLC频率变换恒压供水系统中，因为实现了给水压，所以决定供水压力与输出频率之间的关系是控制环节的设计和控制算法的原则[14-17]。在这个系统中，送水泵采用离心泵，有一个原理是可以通过叶子的高速旋转来输送水的流动，并且可以利用水流产生的离心力来挤压水。关于这个系统的分析和设计，需要考虑整体性而不是单独的泵。因为泵的工作是将外部各种管道和控制组合起来进行的。如上所述，该系统主要有压力传感器、压力发射器、频率转换器、恒压控制单元、泵单元、低压电器等。这些系统是完整的。该系统的主要设计任务是使用恒压控制单元，通过使用一台或多台泵使频率转换器工作和循环，实现管网水压的恒定不变性和所需的各种转换等[18]。当然，在该系统的实施中，必要的数据传输和计算需要在设计时给予充分的考虑。结论采用基于PLC的变频恒压供水系统能够帮助水厂降低生产成本,提高管理效率,无论是大水量还是日常水量,都能够表现出稳定的调控性能。使用自动控制技术和设施调控供水系统是当前水厂建设的主要要求,而建设时间较早的水厂也终究会对传统的供水系统进行改造,改造成为能够自动调控、人工监护的系统运行模式。本文对一个基于PLC的变频恒压供水系统进行研究,采用西门子可编程控制器设计,实现了自动调控供水的功能,保证了供水系统管网水压的稳定,系统使用灵活可靠、经济合理。该系统可以根据设定水压来自动调节水泵电机的运行速度和水泵运行的数量,使供水系统管网中的压力保持在给定的值,以求最大限度地节能、节水,该系统能处于可靠运行状态,来实现变频恒压供水。参考文献[1]马莉,王超,宋莉莉PLC+变频器的自来水厂循环投切恒压供水控制系统设计.数字技术与应用2018.36(05):16-19[2]杨晓珍,基于PLC的变频恒压供水系统设计.计算机产品与流通2018(08):252.[3]钟丽娟.PLC实现恒压变频供水系统的设计[D],呼和浩特:内蒙古大学2015.[4]郭志冬,基于PLC和触摸屏的恒压供水系统的实训平台设计.安徽电子信息职业技术学院学报,2018.17(05):15-18.[5]李显君,解占孝,李斌寿,基于先进控制技术构建智能化水泵房电气及自控系