PLC在高樓供水應用

1、紫瑯職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）題 目：PLC在高樓供水系統(tǒng)中的運用副 標 題：學 生 姓 名：所在系、專業(yè)：機電系班 級：機電101指 導 教 師：日 期：I目 錄摘 要隨著城市建筑供水問題的日益突出，保持供水壓力的恒定，提高供水質量是相當重要的；同時要求供水的可靠性和安全性。本次設計是針對上述問題設計的供水方式和控制系統(tǒng)，由主回路，備用回路，一個清水池及泵房組成。其中，泵房裝有1#3#共3臺泵機，還有多個電動閘閥或蝶閥控制各供水回路和水流量。控制系統(tǒng)采用了以具有豐富功能的PLC為核心的多功能高可靠性控制系統(tǒng)。水泵作為供水工程中的通用機械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，在

2、我國，每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節(jié)約降耗，必須采取調節(jié)措施使泵站適應負荷變化的運行。論文設計了關于PLC在高樓供水系統(tǒng)中的一些運用。有關于控制的方案、各種控制的類型。還有一些變頻器的使用、操作要求和安全方面都做了詳細的介紹。目 錄摘 要I目 錄II第一章 緒論11.1 研究背景11.2 可編程器件（PLC）1第二章 系統(tǒng)組成及控制要求32.1 系統(tǒng)簡介32.2 控制組成32.3 控制要求及技術指標3第三章 系統(tǒng)硬件設計53.1 PLC擴展模塊選型53.2系統(tǒng)主電路分析及其設計53.3系統(tǒng)控制電路分析及其設計63.4 PLC的I/O端子設計及外圍接線圖7第四章 供水系統(tǒng)的的軟件

3、設計114.1 供水系統(tǒng)運行狀態(tài)及轉換分析114.2控制系統(tǒng)子程序設計12第五章 總結16致 謝17參考文獻18IIPLC在高樓供水系統(tǒng)中的運用第一章 緒論1.1 研究背景人類在生活、生產(chǎn)中的比不可缺少的重要的物質是水和電，在節(jié)能節(jié)水已成為時代主要特征的現(xiàn)實條件趨勢下，我們這個水、電能源非常短缺的國家，長期以來在高層建筑供水、市政供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直處于較落后，自動化程度低的狀態(tài)，而隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的逐步提高，城市中小區(qū)建設的發(fā)展十分迅猛，同時也對小區(qū)基礎設施的建設提出了更高的要求。而小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要的方面，供水的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性直接影響到小

4、區(qū)居民的正常的工作、生活，也直接說明了小區(qū)物業(yè)管理水平的低下。傳統(tǒng)的小區(qū)供水模式有：氣壓罐方式供水、恒速泵加壓方式供水、水塔高位水箱供水、單片機變頻調速方式供水系統(tǒng)、液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式等方式，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。今年來，供水模式朝向自動可靠和高效節(jié)能的方向上發(fā)展，擁有顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式的變頻調速技術，以其在風機、空氣壓縮機、水泵、制冷壓縮機等設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的效果尤為突出。 基于

5、PLC（可編程器件）高樓供水系統(tǒng)集電氣技術、變頻技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)可以大幅度提高高樓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并具有較好的節(jié)能性，在能源日益緊缺的今天該應用方式尤為重要，因此研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)產(chǎn)品效率、人民生活水平以及降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.2 可編程器件（PLC）可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。PLC做了定義的是國際電工委員會(International Electrical Committee) 在1987年頒布的PLC標準草案中:“PLC是一種專門為

6、在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類：開關量控制、模擬量控制、數(shù)字量控制、數(shù)據(jù)采集、用于進行監(jiān)控、用于聯(lián)網(wǎng)、通訊。第二章 系統(tǒng)組成及控制要求2.1 系統(tǒng)簡介在供水系統(tǒng)中，通常以流量

7、為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減

8、小時電機減速。2.2 控制組成系統(tǒng)主要由電動機，變頻器，PLC控制器，軟起動器，電機保護器數(shù)據(jù)采集及其輔助設備組成。2.3 控制要求及技術指標1、供水壓力要求恒定，波動要小，尤其在換泵下。2、需設定運行時間，為了防止一臺泵長時間運行。當泵機運行時間到時，自動切換到下一抬泵，以防止泵機銹死。3、三臺泵機根據(jù)壓力的設定值，采用“先開先?！钡脑瓌t。4、要有完善的保護和報警功能。5、要有水池防抽空的功能。6、為了檢修和應急要設有手動功能。技術指標：CDLF系列輕型不銹鋼立式多級泵：流量：4.2-504m3/h；揚程：24-240m；功率：1.5-450kw；轉速：2900r/min；口徑：40-250

9、；溫度范圍：0-+90；工作壓力：2.4Mpa 預定壓力設定數(shù)值：第一，二壓力設定。其中第二壓力為消防用水壓力。高樓水泵數(shù)量根據(jù)用戶的實際情況決定。第三章 系統(tǒng)硬件設計3.1 PLC擴展模塊選型圖 3.1 電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括：（1） PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。我們以三菱的FX2N-32MR及擴展輸出模塊FX2N-16EYR為例，其中三菱FX2N-32MR

10、的主要參數(shù)為：IO點數(shù)： 1616；基本指令： 27條；功能指令： 298條；基本指令執(zhí)行時間： 0.08微秒；用戶程序步驟： 4K；通信功能： 強；輸出形式： 繼電型；輸出能力： 2A點；擴展輸出模塊FX2N-16EYR有16個輸出點。3.2系統(tǒng)主電路分析及其設計圖3.2所示是基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、Q

11、S4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。圖3.2 供水系統(tǒng)主電路圖本系統(tǒng)中3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵機在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，避免某一臺水泵工作時間過長。3.3系統(tǒng)控制電路分析及其設計系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統(tǒng)的運行性能。PLC主要完成以下功能：(1) 自動控制三臺水泵的投入運行；(2) 能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；(3) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；(4)對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動

12、只在應急或檢修時臨時使用；(5)系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。如圖3.3所示是電控系統(tǒng)控制電路圖。圖3.3 供水系統(tǒng)控制電路圖圖中SA為手動/自動轉換開關，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號。3.4 PLC的I/O端子設計及外

13、圍接線圖型號為三菱FX2N-32MR的PLC，它表示的含義如下：它是基本單元，內部包括CPU、存儲器、輸入輸出口及電源；其輸入輸出總點數(shù)為32點，其中輸入點數(shù)為16點，輸出點數(shù)為16點；輸出類型為繼電器型，其擴展輸出模塊FX2N-16EYR有16個輸出點。PLC具體的端子分配情況如表3.1所示。表3.1 水泵機組型號及參數(shù)接線端子及硬件器件I/O地址功能注釋輸入中間繼電器KA常開觸點X0自動/手動功能轉換變頻器Y2端子X1變頻器輸出頻率極限信號遠傳壓力表壓力上限電節(jié)點X2壓力下限到達信號遠傳壓力表壓力下限電節(jié)點X3壓力上限到達信號水池水位下限信號X4水池水位下限信號變頻器輸出報警繼電器30AX

14、5變頻器故障報警信號FR1常開觸點X61#電機過載信號FR2常開觸點X72#電機過載信號FR3常開觸點X103#電機過載信號FR4常開觸點X114#電機過載信號KM1常開輔助觸點X121#電機變頻運行故障信號KM3常開輔助觸點X132#電機變頻運行故障信號KM5常開輔助觸點X143#電機變頻運行故障信號KA25常開輔助觸點X151#電機跳空開故障信號KA26常開輔助觸點X162#電機跳空開故障信號KA27常開輔助觸點X173#電機跳空開故障信號輸出接變頻器FWD端Y0實現(xiàn)復位/運行控制KA1線圈Y11#變頻運行控制及指示KA2線圈Y21#工頻運行控制及指示KA3線圈Y32#變頻運行控制及指示K

15、A4線圈Y42#工頻運行控制及指示KA5線圈Y53#變頻運行控制及指示KA6線圈Y63#變頻運行控制及指示KA7線圈Y7輔助泵工頻運行控制及指示KA10線圈Y10水池水位下限報警指示KA11線圈Y11變頻器故障報警指示KA12線圈Y12現(xiàn)場手動控制指示KA13線圈Y13自動變頻運行指示KA14線圈Y14自動工頻運行指示KA15線圈Y15遠程手動運行指示KA16線圈Y16變頻器X1端子功能有效。實現(xiàn)自由停車KA17線圈Y17無人值守電話自動報警KA20線圈Y201#水泵電動蝶閥控制信號KA21線圈Y212#水泵電動蝶閥控制信號KA22線圈Y223#水泵電動蝶閥控制信號KA23線圈Y234#水泵電

16、動蝶閥控制信號說明：1#、 2#、 3#分別代表I號主水泵、2號主水泵、3號主水泵。結合系統(tǒng)控制電路圖3.3和PLC的I/O端口分配表3.1，畫出PLC及擴展模塊外圍接線圖，如圖3.4所示：圖3.4 PLC及擴展模塊外圍接線圖圖3.4 只是簡單的表明PLC及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護措施；(4) 系統(tǒng)的保護措施等。第四章 供水系統(tǒng)的的軟件設計4.1 供水系統(tǒng)運行狀態(tài)及轉換分析啟動自動變頻運行方式時，首先啟動輔助穩(wěn)壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維

17、持管道內水壓時，延時1分鐘PLC通過變頻器啟動1#主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在l#主水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過PID調節(jié)器調整l#主水泵的轉速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時1分鐘，由PLC給出控制信號，將1#主水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，同時變頻器對2#主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于l#工頻、2#變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，將按上述過程繼續(xù)增開水泵臺數(shù)，直到滿足水壓要求。整個加泵過程中，總是保證原來工作于變頻運行狀態(tài)的水泵轉入工頻恒速運行，新開泵軟啟動并運行

18、在變頻狀態(tài)，保證只有一臺水泵運行在變頻狀態(tài)。當用水量減少時，變頻器通過PID調節(jié)器降低水泵轉速來維持水壓。若變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高，延時1分鐘，按“先起先?！钡脑瓌t，由PLC給出控制信號，將當前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關閉，同時PID調節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先?！痹瓌t逐臺關閉處于工頻運行的水泵。當系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高時，延時5分鐘后，關閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。為保證在一個較長的時間周期內，各臺水泵運行時間基本均

19、等，避免某臺電機長期得不到運行而出現(xiàn)銹死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先停”的原則操作。若有N臺水泵參與變頻調速，則滿足“先起先停”的原則的最大有效狀態(tài)數(shù)為N2+1。將來的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內來回循環(huán)。本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態(tài)，見表4.1。表4.1 系統(tǒng)有效供水狀態(tài)狀態(tài)符號供水狀態(tài)S0輔助泵運行，1#、2#、3#主泵停機S20輔助泵停機，1#主泵變頻運行，2#、3#主泵停機S21輔助泵、1#主泵停機，2#變頻運行，3#停機S22輔助泵、1#、2#主泵停機，3#變頻運行S23輔助泵停機，1#主泵工

20、頻運行，2#變頻運行，3#停機S24輔助泵停機，1#、2#主泵工頻運行，3#變頻運行S25輔助泵停機，1#主泵停機，2#工頻運行，3#變頻S26輔助泵停機，1#主泵變頻，2#、3#工頻S27輔助泵停機，1#變頻，2#停機，3#工頻S28輔助泵停機，1#工頻，2#變頻，3#工頻各狀態(tài)的轉換如圖4.1所示圖4.1 供水系統(tǒng)狀態(tài)轉換圖4.2控制系統(tǒng)子程序設計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設所選變頻器的輸出頻率范圍為0100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的

21、各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖4.2所示。圖4.2初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉換，經(jīng)過PID運算后，再將標準值轉化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖4.3所示。圖4.3 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖第五章 總結通過以上各部分的分析與描述可知，在進行控制系統(tǒng)設計之前，必須調查清楚用戶的需求，然后綜合考慮各需求之間的關系和處理方法。變頻器選擇ABB公司的產(chǎn)品，IG5或IS5或IH等，它不僅完全具備控制系統(tǒng)對其功能的需求

22、，而且具有較高的可靠性和性價比?；赑LC控制的多泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用PLC的開關量輸入/輸出方式來控制電機的起動與停止、狀態(tài)遷移、檢修與故障處理等功能，通過PID儀表、壓力變送器來實現(xiàn)變頻驅動電機水泵的速度調節(jié)(當然也可以通過觸摸屏和模擬量輸入輸出混合模塊來實現(xiàn)變頻速度調節(jié))，從而達到恒壓供水的目的。控制系統(tǒng)在程序設計時充分考慮到負載均衡性原則，采取“先開先?！钡呐抨牪呗?，執(zhí)行變頻方式輪值，確保各泵使用率基本均衡。通過這幾個月畢業(yè)設計的學習，我深深的感受到PLC在社會上的應用，也充分的讓我明白在當今這個競爭激烈的社會，只有自己不斷的學習，你才不會被這個社會所淘汰，只有我們堅持一個信念-要勇往直前，不怕艱苦，不斷的提升自己，超越自己