PLC和變頻器在城市節(jié)能供水系統(tǒng)中的應用畢業(yè)論文.doc

目錄1緒論.12設計功能及方案論證.12.1設計功能.12.2系統(tǒng)設計方案分析及方案論證.12.3系統(tǒng)控制方框圖.23.系統(tǒng)硬件選型.33.1PLC可編程控制器部分.33.1.1PLC概述.33.1.2PLC選型和性能指標.53.1.3PLC內部分配.53.2變頻器的概述及選型.63.3傳感器的介紹及選型.73.4模數轉換模塊.83.5觸摸屏顯示器.93.6軟起動器.94硬件電路設計.104.1主電路控制電路圖.105軟件設計.115.1水位控制部分.115.2壓力控制部分.135.3機械故障處理部分.176結束語.17致謝.17參考文獻.1911緒論目前，在城市供水系統(tǒng)中，還有很多高樓、生活小區(qū)、邊郊企業(yè)等采用高位水塔或直接水泵加壓供水方式，在用水量大時電機滿負荷運行，而在用水量小時則會停機或切換到空運行狀態(tài)。這種情況下，一方面要消耗大量的電能，造成能源的浪費；另一方面由于用水量具有很大隨機性，傳統(tǒng)方式在用水波動時難以保持其實時性。針對這一情況，設計了一套變頻恒壓供水系統(tǒng)，將模糊控制技術應用到系統(tǒng)的控制過程中，采用了PLC控制及交流變頻調速技術，并在控制算法的實現上提出了一種利用PLC梯形圖編程語言實現模糊控制的新方法，徹底取代了高位水塔或直接水泵加壓供水方式，為城市供水系統(tǒng)的建設提出了一條極具推廣應用的新途徑。當前國內多數企業(yè)中仍使用傳統(tǒng)的恒速泵組切換加壓的供水方式，其水壓不穩(wěn)且浪費電能。有文獻介紹，我國每年水泵消耗的電能約占電能總耗的20%以上，而電耗又占水費成本的60%以上，故如何優(yōu)化對水泵的控制具有重要的意義，很多文獻曾做過有益的探索，本文針對小區(qū)的工況開發(fā)出以可編程控制器，和變頻調速為核心的恒壓供水控制系統(tǒng)其結構簡易緊湊水壓波動小、運行平穩(wěn)可靠，運行一年節(jié)約的電費就為該企業(yè)收回技改設備投資。2設計功能及方案論證2.1設計功能本控制系統(tǒng)具有供水機組的啟動、變頻運行、工頻運行和過熱保護手動/自動轉換、在線監(jiān)控及在現場調試、驅動通風機的電機過熱保護，故障報警等功能。其具體控制要求如下：(1)本系統(tǒng)提供手動自動兩種工作模式，具有狀態(tài)顯示以及故障報警等功能。(2)模擬量壓力輸入經PID運算，輸出模擬量控制變頻器（3）在自動方式下，當系統(tǒng)水壓力低于設定壓力下限時，三組電機將根據系統(tǒng)水壓與設定水壓的比較投入工作運行，分為工頻運行、變頻運行和停止三種工作狀態(tài)（4）根據水位限制和壓力限制來確定系統(tǒng)的故障現象，并能夠實時報警。（5）根據壓力的變化能夠確定用水量是否超過供水負荷，并能夠及時的預警和報警。（6）系統(tǒng)可以在線調試及現場在線監(jiān)控。2.2系統(tǒng)設計方案分析及方案論證目前國內多數供水企業(yè)水泵類機械的典型電氣傳動仍是用鼠籠式異步電動2機驅動，因為它具有結構簡單、運行可靠、維修方便、價格低廉等優(yōu)點。但其本身調速較難，故常為恒速運轉；當需要調節(jié)流量時，則采用調節(jié)閥門的方法，這至少浪費20%的能源。統(tǒng)計表明，我國每年水泵消耗的電能約占電能總耗的20%以上，而電耗又占水費成本的60%以上。隨著變頻調速控制技術日益完善，采用變頻調速控制方式來調節(jié)流量，在節(jié)電方面是有效的方法，因為流量與轉速成正比，而電動機的消耗功率與轉速的立方成正比。因此，當電動機轉速降低使泵出口流量減少時，消耗功率會大幅度下降，從而達到節(jié)電目的。例如轉速降低20%50%，可節(jié)電50%80%，經濟效益顯著。由于居民區(qū)用水量變化大，電氣傳動方案宜采用多臺拖動水泵的電機并聯傳動取代拖動1臺大水泵的電機傳動，這樣可以根據不同用水情況合理地增加或切掉水泵，從而提高水泵工作效率，增加靈活性。根據供水量和揚程量確定水泵的容量和數量，通常是13臺泵和1臺輔助小泵。如果只采用一臺變頻調速器(VVVF)順序拖動各臺泵的電機，那么可減少投資，因為變頻調速裝置的成本一般要占整個調速系統(tǒng)成本的四分之三。由PLC控制四臺拖動水泵的電機啟動和停止，及在工頻電網與變頻器輸出之間進行切換運行，并可通過程序控制自動實現(任意一臺泵連續(xù)運行超過規(guī)定時間)停機輪休，防止燒壞變頻器，以延長泵組的使用壽命。以上系統(tǒng)功能的實現有以下方案可供選擇：（1）單片機控制，利用壓力變送器和水位限制器、及A/D轉換和D/A轉換電路，89C51、變頻器及一些附屬電路和相關參數的繼電器，也可以實現上述功能，利用單片機控制具有控制單元小、，占地面積小、成本低、控制電路電耗小等優(yōu)點，但是，單片機及相關的附屬電路工作在大電流、高沖擊的電磁環(huán)境，具有比較差的穩(wěn)定性，另外，由于長期的連續(xù)運行，元器件老化比較快，因此，利用單片機控制具有故障率高，壽命短的缺點。（2）恒壓供水控制器控制，利用恒壓供水控制器、變頻器及附屬電路和相關參數的繼電器也可以實現恒壓供水功能，但是恒壓供水控制器具有不可編程性，因此在現場調試和現場監(jiān)控性能差，不易實現PID運算，控制的精度不夠高，相關的報警、故障診斷電路比較復雜。（3）PLC控制，利用PLC、變頻器及相關的繼電器控制，可以完全實現上述的控制功能，具有控制精度高，高度節(jié)能、具有良好的人機界面、現場監(jiān)控和現場調試方便、能夠適應復雜的電磁環(huán)境、具有壽命長、故障率低等一系列的優(yōu)勢。因此，經過慎重的論證，本設計采用PLC控制作為核心的控制單元。2.3系統(tǒng)控制方框圖本控制系統(tǒng)有可編程控制器（PLC）、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、變頻器、傳感器部分、監(jiān)控對象和電控回路組成。其硬件功能框架圖如圖1所示。3圖1恒壓供水控制系統(tǒng)示意圖3系統(tǒng)硬件選型3.1PLC可編程控制器部分3.1.1PLC概述PLC是以微處理器為核心的一種特殊的工業(yè)用計算機1，其結構與一般的計算機相類似，由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、輸入接口、輸出接口、I/O擴展接口、外部設備接口以及電源等組成。CPU單元由微處理器、系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序存儲器以及工作數據存儲器等組成，它是PLC的核心部件，是由大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路微處理芯片構成，主要完成運算和控制任務，可以接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。進入運行狀態(tài)后，用掃描的方式接收輸入裝置的狀態(tài)或數據，從內存逐條讀取用戶程序，通過解釋后按指令的規(guī)定產生控制信號。分時、分渠道地執(zhí)行數據的存取、傳送、比較和變換等處理過程，完成用戶程序所設計的邏輯或算術運算任務，并根據運算結果控制輸出設備。存儲器單元按照物理性能分為兩類，隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。隨機存儲器由一系列寄存器陣組成，每位寄存器可以代表一個二進制數，在剛開始工作時，它的狀態(tài)是隨機的，只有經過置“1”或清“0”的操作后，它的狀態(tài)才確定。若關斷電源，狀態(tài)丟失。這種存儲器可以進行讀、寫操作，主要用來存儲輸入輸出狀態(tài)和計數器、定時器以及系統(tǒng)組態(tài)的參數。為防止斷電后數據丟失，可采用后備電池進行數據保護，一般可以保存5年，當電池電壓降低時，欠電壓指示燈發(fā)光，提醒用戶更換電池。只讀存儲器在兩種，一種是