2023年基于PLC的变频恒压供水系统.doc

毕业论文〔设计〕 变频恒压供水PLC控制器的设计 学 生 姓 名： 赵 阳 指导教师： 高艳萍 专业名称： 自动化 所在学院： 信息工程学院 2023 年 6 月 目 录 摘 要 III Abstract IV 第一章 前言 1 1.1本课题研究的目的和意义 1 1.2供水系统国内外研究现状 1 1.3本课题的主要研究内容 1 第二章 系统的整体分析 2 2.1 供水系统的要求 2 2.2 供水系统的结构 3 2.3 供水系统控制方案的设计与选择 3 2.4 供水系统的工作原理 4 第三章 系统硬件设计 7 3.1 可编程控制器〔PLC〕概述 7 3.2 PLC的选择 9 3.3 变频器技术概述 11 3.4 变频器的选择 12 3.5水泵的选择 14 3.6其他相关设备的选择 15 3.7系统硬件连接图 16 第四章 软件系统的设计 18 4.1 总体流程设计 18 4.2 各个模块梯形图设计 25 4.3 系统的测试与运行分析 41 第五章 结束语 44 5.1 论文完成情况 44 5.2 存在的缺乏 44 致谢 45 参考文献 46 摘 要 随着社会经济的迅速开展，人们对供水质量和供水系统的可靠性的要求不断提高，但供水系统本身却存在着水电供给缺乏的压力。 本文在介绍了变频供水系统的节能原理、系统构成和工作原理的根底上。设计了基于西门子S7-200系列PLC控制系统，通过PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，经PID运算，PLC进行控制变频和工频切换，从而实现闭环自动调节恒压，进行变量供水。本文详细地说明了此设计的硬件选型和配置、软件的流程以及梯形图，并分析了运行中存在的问题并予以改正。 该供水系统对水压实时控制性能良好，硬件模块工作稳定、可靠，变频器的控制方式采用模拟量输入，通信输出控制，通过PID指令实现闭环控制正确有效，到达了恒压供水系统的控制要求，满足城区居民工作和生活的日常用水需要。 关键词：PLC,变频,恒压,供水 Abstract With the rapid development social economy, on one hand, people’s request to enhance the quality of water supply and the water supply system reliability is increased continuously, foe the other hand, there is also a great pressure of the insufficient water and electricity supply. The design of the system is the VF water supply systems that controlled by PLC of Siemens S7-200 series. The paper introduced the principle of energy saving, system structure and working principle of this control system. By the logic control of PLC, pressure adjustment of the frequency converter, operation of PID, PLC controls the switchover between variable frequency and power frequency, which automatically makes the closed-loop adjust constant pressure and conduct the variable water supply. Of the system design, it gives a comprehensive introduction of hardware system configuration, selection, software system process design, and process design. It also points out the problems that existed in design process and gives the related solutions. The constant pressure water supply system has good performance in real—time water pressure control. The hardware module is stable and reliable. The control mode of frequency converter is analog quantity input and through the PID order to realize valid control of closed loop, which achieves the control requirements of water supply system and satisfies the work and daily water needs of urban residents. Key words: PLC, Variable frequency, Constant pressure, Water supply 第一章 前言 1.1本课题研究的目的和意义 随着我国社会经济的开展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设开展十分迅速，同时也对小区的根底设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活。 1.2供水系统国内外研究现状 从查阅的资料情况来看，以前国外的恒压供水系统在设计时大都采用单台变频器控制单台水泵机组的方式，很少采用单台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资本钱高。随着变频调速技术的开展，变频器的功能也在不断完善，特别是应用于供水系统中的变频器，工作时的稳定性、安全性和可靠性得到提高，而且其高效节能的效果越来越受用户欢送。国外很多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，比方日本SAMCO公司，就推出了恒压供水基板，备有变频泵循环方式和固定方式两种工作模式；还有基于PLC的变频恒压供水系统的设计将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多控制七台水泵工作的供水系统。这类设备虽然使用本钱不是很高，同时也集成化了电路结构，但变频器输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与很多组态监控软件很难实现数据通信，并且限制了拖动电机的容量，因此在实际使用过程中，其使用范围还是具有一定局限性。 通过国内外情况的分析，可以发现在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、计算机技术、网络通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还需深入。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践[1]。 1.3本课题的主要研究内容 本设计在分析我国城市供水的实际要求根底上，依托PLC控制系统的开展，设计一种变频恒压供水PLC控制器。在中小型恒压供水系统中，变频调速恒压供水系统由三台水泵〔12.5KW〕组成。一台变频器通过PLC控制器的切换和控制，使任一台电动机处于工频或变频状态下运行，能依次进行软启动。变频调速主回路的接触器KM1、KM2和KM3分别控制三台水泵工频运行，接触器KM4、KM5和KM6分别控制三台水泵变频运行，该系统通过变频器对电机的控制调整水泵电机的转速，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，实现恒压供水。 第二章 系统的整体分析 2.1 供水系统的要求 2.1.1供水系统电机运行分析 变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机，它是整个供水系统的动力源泉。一般是由三项异步电动机拖动水泵旋转实现供水，并且把电动机和水泵做成一个整体，通过改变变频器供电频率，可以调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。当然，三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数p和改变电动机的转差率s这两种方式来实现，这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种，它是变频器改变电动机定子的供电频率，从而改变同步转速实现调速的。由异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的转速公式为[2]： 其公式中为异步电机的同步转速，它是60倍的工频与电动机磁极对数的比值；为异步电动机转差率，它是异步电动机的同步转速跟电动机转子转速n的差值与同步转速的比值。 从上式可知，当磁极对数和转差率固定不变时，电机转子转速与只定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速，从而控制水泵循环工作实现恒压供水。 2.1.2供水系统的特性分析 图1 供水系统的根本特性 图1所示为离心式水泵供水的根本特性，其中和分别表示供水系统扬程和流量。图中两条曲线均是在供水管路中的阀门开度固定的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线。 从上图曲线可以看出，供水系统的扬程值越小，管路供水流量越大。由于管阻特性是以水泵转速不变为前提，说明阀门在某一开度下，系统扬程与流量之间的关系，管阻特性反映了水泵的能量用来克服水体在管道中的流动阻力、水泵系统的水位及压力差的变化规律。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量之间的关系。而在水泵的转速和阀门开合程度都固定的情况下，流量的大小主要取决于用户在不同时间段的用水情况，因此，扬程特性所反映的是用水流量与扬程之间的关系。由于阀门开和程度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称之为供水系统的工作点，如图1中点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 2.2 供水系统的结构 供水控制系统的结构总的来讲包括两个局部：一个是机械机构局部；另一局部就是电气控制系统。其中系统的机械局部主要是供水系统管网系统，它构成了一个立体的管道网络，设计相对简单，其设备、结构组成都比拟固定，是实现控制功能的前提和根底，而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心局部，它包括如下组成局部。 2.2.1 主要组成局部 从系统组成来讲，恒压供水系统可由三局部组成。分别是控制电路--PLC、变频器；信号检测电路--压力传感器、压力控制器；执行电路--水泵机组。 供水控制系统一般安装在集控室的控制柜内，具体包括PLC、变频器和电控设备局部；信号检测机构是由压力传感器和压力