機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

1湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：PLC恒壓供水系統(tǒng)專業(yè)機(jī)電一體化技術(shù)班級(jí)姓名指導(dǎo)教師2011年05月14日2摘要隨著人們對(duì)生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求；再加上目前能源緊缺，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢(shì)。本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，通過(guò)PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)。而本設(shè)計(jì)是針對(duì)居民生活用水而設(shè)計(jì)的。電動(dòng)機(jī)泵組成由三臺(tái)水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出水口的壓力和流量來(lái)控制變頻器電動(dòng)機(jī)泵的速度和切換，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。關(guān)鍵詞：變頻器；恒壓供水；PLC3目錄摘要.2第一章緒論.41.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.41.2課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容.51.3本論文中所做的工作.51.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成.5第二章PLC功能選擇及應(yīng)用.72.1PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置及應(yīng)用.72.1.1模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統(tǒng)的連接.72.1.2模擬量輸入模塊緩沖存儲(chǔ)器（BFM）的分配.82.1.3模擬量輸出模塊的功能及PLC系統(tǒng)連接.8第三章變頻器和壓力傳感器.93.1變頻器的分類及工作原理.93.2變頻器硬件選擇.103.3壓力傳感器.11第四章系統(tǒng)的設(shè)計(jì).124.1系統(tǒng)要求.124.2控制系統(tǒng)的I/O及地址分配.124.3PLC系統(tǒng)選型.134.4電氣控制系統(tǒng)原理圖.134.4.1主電路圖.134.4.2控制電路圖.144.5.系統(tǒng)的運(yùn)行分析.154.6系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).164.6.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理.174.6.2多泵組泵站泵組管理規(guī)范.174.6.4程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn).174.6.5系統(tǒng)的運(yùn)行分析.18致謝.20參考文獻(xiàn).214第一章緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本三菱公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)5及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5。5kW-22kW)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所?？梢钥闯?，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。1.2課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容1、課題來(lái)源本課題來(lái)源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。2、研究的主要內(nèi)容本系統(tǒng)是三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開(kāi)放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以生活供水和消防供水的雙用供水系統(tǒng)。1.3本論文中所做的工作根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)出滿足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對(duì)PLC、變頻器、壓力傳感器進(jìn)行選型，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)出能滿足控制要求的控制電路和控制程序。1.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成恒壓供水泵站一般需沒(méi)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時(shí)開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水會(huì)不足。而且水泵與電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化6而變化，這就要用變頻器為水泵電機(jī)供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但購(gòu)變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同用水量的需求。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，在系統(tǒng)中完成以下幾種功能：(1)設(shè)定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。供水距離越遠(yuǎn)，用水地點(diǎn)越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時(shí)的恒壓值。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個(gè)，一般消防用水的水壓要高一些。也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。(2)接收傳感器送來(lái)的管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值。管網(wǎng)實(shí)測(cè)水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點(diǎn)。(3)根據(jù)結(jié)定值與實(shí)測(cè)值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實(shí)測(cè)反饋信號(hào)后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。如給定位大于實(shí)際值，說(shuō)明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律問(wèn)題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱PID調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如P、I、D參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的。PID調(diào)節(jié)過(guò)程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成有數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微計(jì)算機(jī)為核心的調(diào)節(jié)器多為數(shù)字式調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一般是模擬信號(hào)，420mA變化的電流信號(hào)或010V間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。7第二章PLC功能選擇及應(yīng)用2.1PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置及應(yīng)用PLC的普通輸入輸出端口均為開(kāi)關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見(jiàn)的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為機(jī)外所需的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)/模兩種功能的。以下介紹三菱FXN2系列PLC的模擬量模塊以及，它們分別具有FXN2-4AD及FXN2-2DA，它們分別具有4路模擬量輸入及2路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。2.1.1模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統(tǒng)的連接FXN2-4AD4模擬量輸入模塊具有4個(gè)通道，可同時(shí)接受并處理4路模擬量輸入信號(hào)，最大分辨率為12位。輸入信號(hào)可以是-10+10V的電壓信號(hào)（分辨率為5Mv），也可以420mV（分辨率為16A）或-20+20mA（分辨20A）的電流信號(hào)。模擬量信號(hào)可通過(guò)雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖2-1所示，當(dāng)使用電流輸入時(shí)，需將V+及I+端短接。圖2-1FXN2-4AD模塊的連接圖FXN2