畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、1前言1.1供水系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程及現(xiàn)狀一般規(guī)定城市管網(wǎng)的水壓只保證6層以下樓房的用水，其余上部各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱，或氣壓罐式增壓設(shè)備，但它們都必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來(lái)“提升”水量，其結(jié)果增大了水泵的軸功率和能量損耗。自從變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開(kāi)始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2、的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)

3、字化微機(jī)控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開(kāi)發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過(guò)程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵型產(chǎn)品投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。1.2供水系統(tǒng)的概述1.2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)：1、 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%-40%，能實(shí)現(xiàn)綠色用電。2、 占地面積小，投入少，效率高。3、 配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊

4、全，靈活可靠。4、 運(yùn)行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。5、 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。6、 通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)約了人力物力。1.2.2傳統(tǒng)定壓方式的弊?。?、管理不便、因與大氣連通易引起的管道腐蝕。2.由于水箱內(nèi)微生物、藻類孳生，還可能對(duì)系統(tǒng)造成二次污染，所以每年定壓水箱都需定期維護(hù)，并由衛(wèi)生防疫部門(mén)檢驗(yàn)。3.定壓水箱需占用較大空間，需要專門(mén)的地點(diǎn)來(lái)放置。4.高位定壓水箱系統(tǒng)的控制靠投入泵的臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，但這種調(diào)節(jié)方式

5、不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵長(zhǎng)期偏離高效區(qū)工作，效率低下。5.系統(tǒng)頻繁的起停泵，對(duì)水泵、電機(jī)及開(kāi)關(guān)器件都會(huì)縮短使用壽命。6.使用高位水箱供水，在系統(tǒng)流量較大時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)有較大的變化，造成部分用戶資用壓頭不夠，出現(xiàn)諸如流量不足、冷熱不均等情況。7.在供水泵的選型上，設(shè)計(jì)人員為了提高系統(tǒng)安全系數(shù)，電機(jī)選型都較大；在用水負(fù)荷較小或低區(qū)采用減壓閥、節(jié)流孔板等來(lái)調(diào)節(jié)剩余水頭時(shí)，大量的能量消耗在閥上，都造成電能的浪費(fèi)。1.2.3恒壓供水設(shè)備的主要應(yīng)用場(chǎng)合：1.高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。2.各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等。3.中央空調(diào)系統(tǒng)。4.自

6、來(lái)水廠增壓系統(tǒng)。5.農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。6.各種流體恒壓控制系。1.2.4恒壓供水技術(shù)實(shí)現(xiàn)：通過(guò)安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水壓轉(zhuǎn)換成420ma的模擬信號(hào)，通過(guò)變頻器內(nèi)置的pid控制器，來(lái)改變電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速不在變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。目前交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。長(zhǎng)

7、期以來(lái)區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和水塔或天面水池來(lái)滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在小區(qū)供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點(diǎn)的水壓要求來(lái)確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來(lái)選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開(kāi)度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問(wèn)題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案21系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1.1系統(tǒng)控制要求恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制要求是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(plc)構(gòu)成控制

8、系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入cpu運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。2.1.2控制方案在住宅小區(qū)水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失p和流量q之間存在著如下關(guān)系：p=kq2；式中k一為系數(shù)設(shè)pl為壓力最不利點(diǎn)所需的最低壓力，則泵站

9、出口總管壓力p應(yīng)按下式關(guān)系供水，則可滿足用戶用水的要求壓力值，又有最佳的節(jié)能效果。p=pl+p=pl+kq2因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值，這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水，即供水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的供水壓力為恒值而泵站出口總管壓力連續(xù)可調(diào)。典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示；系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能，系統(tǒng)通過(guò)安裝在出水總管上的壓力傳感器、流量傳感器，實(shí)時(shí)將壓力、流量非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸入至可編程控制器(plc)的輸入模塊，信號(hào)經(jīng)cpu運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻

10、率設(shè)定值，控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵的調(diào)節(jié)控制。2.1.3運(yùn)行特征以4臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行方式下，可編程控制器控制變頻器、軟啟動(dòng)1#泵，此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)供水量q1/3qmax時(shí)(qmax為4臺(tái)水泵全部工頻運(yùn)行時(shí)的最大流量)，可編程控制器cpu根據(jù)供水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)1#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以保證所需的供水壓力。當(dāng)用水量q在13qmaxq23qmax之間時(shí)，1#泵已不能滿足用戶所需的用水量，這時(shí)可編程控制器發(fā)出指令將1#泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，并軟啟動(dòng)2#泵，使2#泵進(jìn)入變頻運(yùn)行工況，2#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速由用戶用水量決定，以保證供水

11、系統(tǒng)最不利點(diǎn)所需的供水壓力。當(dāng)外需供水量q為23qmaxq設(shè)定值第k-1臺(tái)泵切換為市電運(yùn)行k=k-1n大于3.4 程序設(shè)計(jì)：首先，對(duì)模擬量模塊進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。在plc運(yùn)行的第一個(gè)周期里，將數(shù)值#c2f3送入13ch。其中，#c2f3是對(duì)模擬量參數(shù)進(jìn)行規(guī)定后的代碼。 處理002ch通道中的數(shù)值，利用常on指令，將002ch的內(nèi)容與數(shù)值#00ff進(jìn)行邏輯與操作，目的是屏蔽高八位，保留低八位。并將結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)區(qū)dm210（p1當(dāng)前值）中。 處理002ch通道中的數(shù)值，利用常on指令，將002ch的內(nèi)容與數(shù)值#ff00進(jìn)行邏輯與操作，目的是屏蔽低八位，保留高八位。并將結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)區(qū)dm220（p2

12、當(dāng)前值）中。 將dm220中的高八位傳送到dm230的低八位中，再將dm230中的二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成bcd嗎后傳送到dm240中。 處理003ch通道中的數(shù)值，利用常on指令，將003ch的內(nèi)容與數(shù)值#00ff進(jìn)行邏輯與操作，目的是屏蔽高八位，保留低八位。并將結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)區(qū)dm310（f當(dāng)前值）中。 處理003ch通道中的數(shù)值，利用常on指令，將003ch的內(nèi)容與數(shù)值#ff00進(jìn)行邏輯與操作，目的是屏蔽低八位，保留高八位。并將結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)區(qū)dm320（備用）中。 將dm320中的高八位傳送到dm330的低八位中，再將dm330中的二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成bcd嗎后傳送到dm340中。 將dm210的

13、內(nèi)容傳送給12ch通道，即將p1的內(nèi)容傳送給p11，為變頻器提供管網(wǎng)壓力值。手動(dòng)或電機(jī)過(guò)載的信號(hào)處理程序： 當(dāng)1號(hào)泵手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)在手動(dòng)位置或1號(hào)泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，輸出一個(gè)手動(dòng)或故障標(biāo)志。 當(dāng)2號(hào)泵手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)在手動(dòng)位置或2號(hào)泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，輸出一個(gè)手動(dòng)或故障標(biāo)志。 ka1rf1ka1gka2rf2ka2g001001011011101101110110當(dāng)3號(hào)泵手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)在手動(dòng)位置或3號(hào)泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，輸出一個(gè)手動(dòng)或故障標(biāo)志。 當(dāng)4號(hào)泵手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)在手動(dòng)位置或4號(hào)泵電機(jī)過(guò)載時(shí)，輸出一個(gè)手動(dòng)或故障標(biāo)志。ka1rf1ka1gka2rf2ka2g0010010110111011011

14、10110分別取ka1gka4g的上升沿操作并放置于中間標(biāo)志35.0135.04中，分別將上升沿信號(hào)與變頻器控制信號(hào)進(jìn)行與操作，即在供水泵處于變頻工作時(shí)，改變頻泵換到手動(dòng)控制或電機(jī)過(guò)載，則視為變頻泵故障，該信號(hào)在后面用來(lái)關(guān)閉變頻器的運(yùn)行。市供水壓力超低（t80經(jīng)延時(shí)后）、循環(huán)倒泵的上升沿（35.07）、變頻泵故障的上升沿（35.09）、出現(xiàn)任意信號(hào)時(shí)，將輸出一個(gè)禁止變頻泵工作信號(hào)。經(jīng)過(guò)2秒后解鎖。設(shè)定循環(huán)倒泵時(shí)間為24小時(shí)，到達(dá)時(shí)間后輸出倒泵信號(hào)，禁止變頻泵運(yùn)行，對(duì)變頻運(yùn)行標(biāo)志實(shí)施左移操作，將變頻運(yùn)行權(quán)移交到下一臺(tái)泵上。plc第一次運(yùn)行或變頻運(yùn)行標(biāo)志超界時(shí)，設(shè)定第一臺(tái)泵為變頻泵。 在變頻狀態(tài)下

15、時(shí)，變頻泵處于自動(dòng)運(yùn)行且無(wú)過(guò)載現(xiàn)象，同時(shí)市供水管網(wǎng)壓力正常、無(wú)循環(huán)倒泵信號(hào)、變頻泵無(wú)故障、變頻器無(wú)故障時(shí)，系統(tǒng)允許變頻器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)各聯(lián)鎖出現(xiàn)其中的某一個(gè)時(shí)，變頻器運(yùn)行允許將進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。從而關(guān)閉變頻器的工作。設(shè)定工頻加泵頻率的區(qū)間和摘泵的區(qū)間。頻率設(shè)定在#00f8#00ff（大約在48hz52hz）時(shí)，為加工頻泵的上限頻率，頻率設(shè)定在#0000#0033（大約在0hz10hz）時(shí)，為減工頻泵的下限頻率。用變頻器輸出頻率的當(dāng)前值（dm310）與dm10至dm40數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行比較，并將對(duì)應(yīng)的結(jié)果放到039通道。當(dāng)變頻器的頻率值低于10hz時(shí)，系統(tǒng)并不時(shí)立刻摘工頻泵，而需要進(jìn)行一定時(shí)間的延時(shí)，摘

16、泵的順序是先投入的工頻泵后摘，而后投入的工頻泵則先摘。下段程序是完成工頻泵在摘泵時(shí)的聯(lián)鎖控制，即在出現(xiàn)摘泵條件時(shí)，應(yīng)在規(guī)定的延時(shí)時(shí)限下方可操作，避免在信號(hào)出現(xiàn)時(shí)連續(xù)摘泵現(xiàn)象的出現(xiàn)。1號(hào)泵變頻組合（1號(hào)泵變頻、2號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻、3號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻、4號(hào)泵作為第三臺(tái)工頻）程序。 1號(hào)泵處于變頻狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)下列任意信號(hào)時(shí)，1號(hào)泵退出變頻運(yùn)行。注：手動(dòng)或電機(jī)故障、禁止開(kāi)泵標(biāo)志、變頻器故障、市供水管網(wǎng)壓力低。 2號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻泵必須在1號(hào)泵變頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)3號(hào)或4號(hào)泵也在工頻運(yùn)行時(shí)，2號(hào)泵不可以退出工頻運(yùn)行。3號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻泵必須在2號(hào)

17、泵工頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)4號(hào)泵也在工頻運(yùn)行時(shí)，3號(hào)泵不可以退出工頻運(yùn)行。當(dāng)2號(hào)泵處于手動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，3號(hào)泵應(yīng)替代2號(hào)泵運(yùn)行。 4號(hào)泵作為第三臺(tái)工頻泵必須在3號(hào)泵工頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)2號(hào)或3號(hào)泵處于手動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，4號(hào)泵應(yīng)替代2號(hào)或3號(hào)泵運(yùn)行。2號(hào)泵變頻組合（2號(hào)泵變頻、3號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻、4號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻、1號(hào)泵作為第三臺(tái)工頻）程序。 2號(hào)泵處于變頻狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)下列任意信號(hào)時(shí)，2號(hào)泵退出變頻運(yùn)行。注：手動(dòng)或電機(jī)故障、禁止開(kāi)泵標(biāo)志、變頻器故障、市供水管網(wǎng)壓力低。 3號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻泵必須

18、在2號(hào)泵變頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)4號(hào)或1號(hào)泵也在工頻運(yùn)行時(shí)，3號(hào)泵不可以退出工頻運(yùn)行。4號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻泵必須在3號(hào)泵工頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)1號(hào)泵也在工頻運(yùn)行時(shí)，4號(hào)泵不可以退出工頻運(yùn)行。當(dāng)3號(hào)泵處于手動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，4號(hào)泵應(yīng)替代3號(hào)泵運(yùn)行。 1號(hào)泵作為第三臺(tái)工頻泵必須在4號(hào)泵工頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)3號(hào)或4號(hào)泵處于手動(dòng)或出現(xiàn)故障時(shí)，1號(hào)泵應(yīng)替代3號(hào)或4號(hào)泵運(yùn)行。3號(hào)泵變頻組合（3號(hào)泵變頻、4號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻、1號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻、2號(hào)泵作為第三臺(tái)工頻）程序。 3號(hào)泵處于變頻狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)下列任意信號(hào)時(shí)，3號(hào)泵退出變頻運(yùn)行。注：手動(dòng)或電機(jī)故障、禁止開(kāi)泵標(biāo)志、變頻器故障、市供水管網(wǎng)壓力低。 4號(hào)泵作為第一臺(tái)工頻泵必須在3號(hào)泵變頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻率來(lái)實(shí)施加泵和摘泵操作。注：當(dāng)1號(hào)或2號(hào)泵也在工頻運(yùn)行時(shí)，4號(hào)泵不可以退出工頻運(yùn)行。 1號(hào)泵作為第二臺(tái)工頻泵必須在4號(hào)泵工頻工作正常下有效，根據(jù)上限頻率和下限頻