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2【大学本科毕业设计】基于PLC的变频调速恒压供水系统-----自动化等专业.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.37M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 绪论
    1.1 课题的提出
    1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状
    1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状
    1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状
    1.3 PLC概述
    1.3.1 可编程控制器的定义
    1.3.2 PLC的发展和应用
    1.3.3 西门子S7-200PLC简介
    1.4 本课题的主要研究内容
    2 系统的理论分析及控制方案确定
    2.1 变频恒压供水系统的理论分析
    2.1.1 电动机的调速原理
    2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理
    2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定
    2.2.1控制方案的比较和确定
    2.2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图
    2.2.3 变频恒压供水系统控制流程
    2.2.4 水泵切换条件分析
    3 系统的硬件设计
    3.1 系统主要设备的选型
    3.1.1 PLC及其扩展模块的选型
    3.1.2 变频器的选型
    3.1.3 水泵机组的选型
    3.1.4 压力变送器的选型
    3.1.5 液位变送器选型
    3.2 系统主电路分析及其设计
    3.3 系统控制电路分析及其设计
    3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图
    4 系统的软件设计
    4.1 系统软件设计分析
    4.2 PLC程序设计
    4.2.1控制系统主程序设计
    4.2.2 控制系统子程序设计
    4.3 PID控制器参数整定
    4.3.1 PID控制及其控制算法
    4.3.2 变频恒压供水系统的近似数学模型
    4.3.3 PID参数整定
    5 监控系统的设计
    5.1 组态软件简介
    5.2 监控系统的设计
    5.2.1 组态王的通信参数设置
    5.2.2 新建工程与组态变量
    5.2.3 组态画面
    5.2.4 监控系统界面
    6 结束语
    参考文献
    5.Cynthia Cooper.Programmable Logic Controller[J],
    致谢
    附录
    附录A 英文文献
    Cynthia Cooper
    From Wikipedia, the free encyclopedia
    A programmable logic controller or simply programm
    Features
    Control panel with PLC (grey elements in the cente
    The main difference from other computers is that P
    PLCs were invented as replacements for automated s
    Many of the earliest PLCs expressed all decision m
    The functionality of the PLC has evolved over the
    Under the
    PLC compared with other control systems
    PLCs are well-adapted to a range of
    For high volume or very simple fixed automation t
    A
    Very complex process control, such as used in the
    PLCs may include logic for single-variable feedbac
    Digital and analog signals
    Digital or discrete signals behave as binary switc
    Analog signals are like volume controls, with a ra
    Example
    As an example, say a facility needs to store water
    Using only digital signals, the PLC has two digita
    When the water level drops enough so that the tank
    An analog system might use a water
    In this system, to avoid 'flutter' adjustments tha
    A real system might combine both approaches, using
    System scale
    A small PLC will have a fixed number of connection
    PLCs used in larger I/O systems may have peer-to-p
    Programming
    Early PLCs, up to the mid-1980s, were programmed u
    Recently, the International standard
    While the fundamental concepts of PLC programming
    User interface
    PLCs may need to interact with people for the purp
    A simple system may use buttons and lights to inte
    Communications
    PLCs usually have built in communications ports us
    History
    The PLC was invented in response to the needs of t
    The winning proposal came from Bedford Associates
    The automotive industry is still one of the larges
    附录B 中文翻译
    附录C 主程序梯形图
    摘要 本论文根据中国城市小区的供水要求，设计了一套基于 PLC 的变频调 速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水 系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。 本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器 实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原 则。压力传感器检测当前水压信号，送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运 算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变 供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与 PLC 的连接， 采用组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查 询。 关键词：变频调速，恒压供水，PLC，组态软件
    ABSTRACT According to the requirement of China's urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. for three soft pump generator phase start with This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC,with group form software consummately systematic monitoring,have realized operation state development to show and data,report to the police inquiry. Keywords: variable frequency speed-regulating, supply, PLC, supervision control and data acquisition. constant-pressure water
    目录 1 绪论................................................................................................................ 1 1.1 课题的提出............................................................................................ 1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状................................................ 3 1.3 PLC 概述.................................................................................................5 1.4 本课题的主要研究内容........................................................................ 7 2 系统的理论分析及控制方案确定........................................................ 8 2.1 变频恒压供水系统的理论分析............................................................ 8 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定.................................................. 11 3 系统的硬件设计.......................................................................................19 3.1 系统主要设备的选型.......................................................................... 19 3.2 系统主电路分析及其设计.................................................................. 23 3.3 系统控制电路分析及其设计.............................................................. 25 3.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图....................................................27 4 系统的软件设计.......................................................................................31 4.1 系统软件设计分析.............................................................................. 31 4.2 PLC 程序设计.......................................................................................33 4.3 PID 控制器参数整定............................................................................40 5 监控系统的设计.......................................................................................46 5.1 组态软件简介...................................................................................... 46 5.2 监控系统的设计.................................................................................. 46 6 结束语..........................................................................................................51
    参考文献..........................................................................................................53 致谢...................................................................................................................55 附录...................................................................................................................56 附录 A 英文文献....................................................................................... 56 附录 B 中文翻译........................................................................................65 附录 C 主程序梯形图................................................................................71
    1 绪论 1.1 课题的提出 水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为 时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来 在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后， 自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，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发展十分迅速，同时 也对小区的基础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，也直接体现了小区物业管理水平的高低。 传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水 箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速 供水系统等方式，其优、缺点如下[1]： (1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵 的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组 常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网 长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破 坏性大，目前较少采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方 式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统 维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水 泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其 发展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修 1
    或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便， 水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主 要应用于高层建筑。 (4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷 却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低 廉，结构简单明了，维修方便。 (5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上 面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高， 可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源； 效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工 业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展， 变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、 空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用 水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能 效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减 小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、 电机自身的机械冲击损耗[2]。 基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控 制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性， 同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研 究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面 具有重要的现实意义。 2
    1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状 1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术 及电机控制理论的发展。1964 年，最先提出把通信技术中的脉宽调制 PWM 技术应用到交流传动中的是德国人。20 世纪 80 年代初，日本学者提出了基 于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。从 20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、 德、英等发达国家的基于 VVVF 技术的通用变频器已商品化并广泛应用。 在我国，60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术 进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。 现在，我国约有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工 作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有 比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接 从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造 的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开 发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统 的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较 好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱， 对国外公司的依赖还很严重。 1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期， 由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转 控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变 频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不 3
    同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器， 对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、 可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和 认可后，国外许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，像日本 Samco 公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定 方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将 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 7 台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了 电路结构，降低了设备成本，但其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，与别的监控系统(如 BA 系统)和组态软件难以实 现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受 到限制[3]。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的 变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制， 有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相 应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放 性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深 圳 华 为 电 气 公 司 和 成 都 希 望 集 团 也 推 出 了 恒 压 供 水 专 用 变 频 器 (5.5kw~22kw)，无需外接 PLC 和 PID 调节器，可完成最多 4 台水泵的循环 切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制 功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作 不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供 水场所。可以看出，目前在国内外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、网络和通讯技术同 时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究 4
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