PLC控制水泵机组群控系统设计.docx
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PLC控制水泵机组群控系统设计
摘要
供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。
任何时候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大,人口的增多以及人们生活水平的提高,对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求,我国中小城市供水的自动化配置相对落后,机组的控制主要依靠值班人员的手操作,控制过程烦琐,而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
所以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术,设计高性能、高节能、能适应不同领域的供水系统成为必然趋势。
本文详细研究设计了一种基于PLC技术控制水泵组合供水系统,说明了可编程控制器(PLC)在供水系统中所担任的角色。
从系统的整体设计方案和实际需求分析开始,紧密的联系实际生活的需要,力求做到使系统运行稳定,操作简便,解决实际中问题,保证供水安全、快捷、可靠。
PLC技术控制水泵组合供水保证了供水质量,以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能,提高了系统的可靠性。
关键词:
继电器,接触器,PLC,供水
ABSTRACT
Thewatersupplyprojectoftenbecomesoneofmostimportantinfrastructuresinthehigh-riseconstructionortheIndustrialandminingestablishmentandtheSmallbusinesses.Providingtheenoughwatervolumeatanytime,thesteadyhydraulicpressure,thequalifiedwaterqualityistheessentialrequirementswhichproposedtotheaqueoussystem.Withtheprogressdevelopmentofsocialeconomicandtheconstructscaleofcitycontinuouslyenlarge.increasingofpopulationandstandardoflivingofpeoplecontinuouslyimproved,moreandmoredemandingtoquantity,qualityandstabilityofwatersupplybringforwardincity.
Theautomaticdegreeofwaterworks,thetownismuchlowerthanthecorrespondenceincity.Especiallyinsomeoldwaterworks,theequipmentofautomaticcontrolsystemisdroppedbehind.Thecontrolofunitismainlydependedonmanualoperatingofwatches.Theprogressofcontrolisverycomplicatedandthatmanualcontrolcan’tmeetthechangeofpressureinthepipesandthewaterlevelofthepond. Italsocan’tacttheproperfeedbackintime.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.
ThisarticledissectdesignainverterwatersupplysystembaseonPLCtechnologytocontrol,havestatedtheroleservedasoftheprogrammablecontroller(PLC)inthewater-supplysystemofconstantvoltage.Sincethewholedesignplanofthesystemandactualdemandareanalyzed,theneedofcloselifeofintegratingwithpractice,makeeveryefforttomakesuretomakethesystemrunsteadily,easyandsimpletohandle,solveandhittheproblemactually,guaranteetosupplywaterofthesecurity,swift,reliable.Constantvoltagehassuppliedwaterandguaranteedtosupportthewaterqualityamount,thecontrolsystemtakingPLCashostcomputerhasenrichedthesystematiccontrolfunction,haveimprovedsystematicdependability.
KEYWORDS:
Relay,Contactor,PLC,Watersupply
前言
在当前应用较普遍的是变频恒压供水系统具有供水压力稳定,能实现水泵电机的软启动、软停止和高效节能等特点。
但也有其缺点:
①变频器及配套器件价格昂贵,其配套器件通常占供水设备总投资很大份额;②对用户的使用,维护要求高;③变频器的下调频率只有在100%到30%的范围内才具有明显的节能效果。
如果再下调频率,就会出现水泵运转而不出水的工况,也就是说,在用水低峰期不仅不能变频恒压供水,而且水泵工况恶化,发热造成的损耗也会比额定功率提高25%;④变频器产生的高次谐波对附近的电子类电器设备(如电视机、收音机、手机等)的干扰较大。
要抑制这种干扰,必须配置高性能的噪声滤波器,但这样又会使本来就比较昂贵的变频器投资更大,工作可靠性也会相应降低。
由于变频恒压供水的优缺点兼而有之,因此比较适用于大容量的恒压供水系统,对一般用户而言,采用变频恒压供水是否最佳,值得研究和有待实践。
文中将详细介绍一种既经济又可靠的水控制系统。
这种供水方式与变频恒压供水方式相比,具有以下优点:
1.控制系统简单,价格低,投资少,设备折旧费低;2.工作可靠,寿命长;3.对使用、维护的技术要求低;4.节能效果比变频恒压供水差一些,但比传统供水方式好得多;5.对泵站周围电子类电器等无噪声干扰;6.在供水系统控制系统的整个寿命期中,从投资、折旧、节能、维修等方面衡量,本系统综合效益优于同容量的变频恒压供水系统。
但主要缺点是水泵启停频繁,所以本文设计的系统只适用于供水量较小的场合,对市政等大型泵站不适用。
第一章供水技术背景
近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。
据统计,从1995年到2000年,我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有201.8.7升增加到281.1升,增长了37.2%,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。
供水量的增加给小区居民的供水提出了更高的服务要求.在用水量高峰期时供水量普遍不足,造成城市公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大,仅仅靠值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时供水压力不足,用水低峰期时供水压力过高,不仅十分浪费能源而且存在事故隐患.
目前国内高层建筑主要供水方式有两种:
高位水箱供水和变频调速泵供水。
1.高位水箱供水方式
这种供水方式又可分为:
并联供水、串联供水、减压水箱供水、减压阀供水方式。
(1)高位水箱并联供水
此种供水方式优点有:
(1)各区独立给水系统,互不影响,供水安全可靠;
(2)水泵可集中设在地下室,管理维护方便;(3)运行动力费用经济。
缺点:
(1)水泵台数多,上区高压管线长,设备费用增加;
(2)分区水箱占用楼层面积,减少了有效使用面积;(3)水箱进水噪声易对周围房间环境造成影响。
(2)高位水箱串联供水
该供水方式水泵分散设置在各区的楼层中,低区水箱兼作上一区水箱的水池。
其优点:
(1)无高压水泵和高压管线;
(2)运行动力费用经济。
缺点:
(1)水泵分散设置,连同水箱所占楼层面积较大;
(2)水泵设在楼层,防震噪音要求高;(3)水泵分散,维护管理不便;(4)若下区发生事故,上区供水受影响,供水可靠性差。
(3)减压水箱供水
整个建筑用水量(不包括室外管网直接供水部分)全部由设在底部的水泵提升至屋顶水箱,然后再分送至各分区水箱。
其优点有:
(1)水泵数量少,设备费降低,管理维护方便;
(2)水泵房面积小,各分区水箱调节容积减小。
缺点:
(1)水泵运行动力费用高;
(2)屋顶总水箱容积大,对建筑的造型,抗震不利;(3)供水可靠性较差。
(4)减压阀供水
工作原理同减压水箱。
其优点:
不占楼层面积。
缺点也是运行动力费用高。
目前工程中一般采用进口减压阀。
2.变频调速泵供水方式
变频供水方式也分为并联和减压阀供水方式两种,其工作原理是水泵启动后,压力传感器向微机控制器输入水泵出口或最不利用水点管内压力h的信号,当h低于设计压力h0时,微机控制器向变频器发出提高电流频率的信号,变频器将电机电流频率提高后,水泵转速相应提高,出水量增大,管内压力h升高。
当h高于h0时,则水泵转速n、流量Q、压力h降低。
水泵转速的提高与降低完全根据水泵出口压力是低于设计压力还是高于设计压力来调节,故供水压力始终恒定在设计压力h0上下很小的范围内。
其最大优点是省去高位水箱,根据用水量变化自动改变水泵转速,从而保证供水压力的恒定。
其次是运行可靠稳定,装置采用软启动方式,不存在电气、机械冲击,启动功率小。
缺点是变频设备进口价格较贵、维修复杂。
一旦停电,则断水。
随着这种供水方式在国内逐渐推广使用,目前全国已有数十家厂家生产变频调速供水设备。
总之:
1.在相同分区情况下,高层建筑各种供水方式中,以高位水箱并联或串联供水方式动力消耗最低。
2.一栋高层建筑采用何种供水方式,应结合设备投资、动力消耗、供水安全性以及管理方便程度等因素综合考虑。
目前使用比较多的供水方式仍然是传统的高位水箱并联供水或减压阀供水方式,变频调速水泵由于受一次设备投资较大,关键部件仍需进口,维修管理不便等制约,设计使用还不太普遍。
第二章技术方案的制定
2.1设计内容和要求
2.1.1设计内容
可编程控制器作为一种新型的工业自动化控制装置,因其功能强、可靠性高、操作使用方便,广泛应用于各个行业中。
将可编程控制器应用于高低位水箱双为式控制系统中,使系统的可靠性提高,功能增强,通用灵活,保证了高质量的供水。
本系统采用群泵控制的工作方式,根据实际需要,灵活选择工作方式。
系统应包括自动、手动运行,各种保护。
通过对此控制系统的设计,加深对所学知识的理解和应用,增强电气控制系统的设计与开发能力,并初步掌握电气控制系统的工程设计方法。
2.1.2设计要求
现有一小区供水系统。
供水系统由四台水泵组成,每台水泵功率22KW。
由PLC作为中心控制器件组成控制系统。
其控制要求如下:
1.在自动工作方式下,当达到高位水箱的低位和低位水箱的高位时,水泵起动;当达到高位水箱高位或低位水箱的低位时,水泵停止。
2.四台电机均为降压起动,每台电机均有过载保护。
3.水泵工作方式为
可任意确定工作水泵的台数,即一台、二台、三台、四台泵工作。
每台泵的启动时间错开,备用机组可在操作台上任意切换。
当工作水泵有故障时,备用泵自投。
4.设二台消防泵(45KW),当有火灾时,起动二台消防泵。
5.系统设有自动、手动工作方式,各种保护,并有显示。
任选一型号PLC,实现控制系统的设计。
2.2技术方案选择
设计方案:
采用PLC技术控制水泵组合供水系统,由PLC实现对高低位水箱液位的控制和水泵的启停切换。
当工作水泵台数按钮打到一台泵工作时,4#泵起动;当工作水泵台数按钮打到两台泵工作时,3#泵先起动,最后起动4#泵;当工作水泵台数按钮打到三台泵工作时,2#泵先起动,3#和4#泵依次顺序起动;当工作水泵台数按钮打到四台泵工作时,1#泵先起动,2#、3#和4#依次顺序起动。
设计步骤:
1.初步了解系统设计要求,阅读各种有关资料,做出总体计划。
2.在充分研究系统要求后,分析各个单元的控制要求。
3.进行分配下拉PLC资源,完成各单元控制的编程,反复试验做出最优化的系统。
在完成以下步骤后,最后完成毕业论文。
2.3方案论证
(1) 供水需可靠保证,首先给水设备要可靠,由合适选择运行可靠性能优良的泵保证,其次采取某些措施保证供水不间断高质量供水(例如有手动控制,保证自动控制失灵时的供水,各种故障保护动作时能及时停止相关供水泵。
同时转为手动检修状态以检修出故障处实施维护修理)防止因设备故障而断水等。
接触器与PLC控制器配合,即可实现多泵并联组合供水。
(2)课题研究对象必须要清楚:
由于研究的是小区供水系统设计,就不能泛泛而谈,必须以一个具体的研究对象来进行研究设计,这点可以通过考察市内某处高层建筑的居民区的供水用水状况数据分析后再对其供水系统进行具体的设计。
第三章可编程逻辑控制器概述
3.1PLC的定义
最初,可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC。
只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。
1987年2月,国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是:
可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统,专为在工业环境下的应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向拥护的指令,并通过数字式和模块式输入/输出,控制各种类型的机械和生产过程。
可编程序控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。
3.2PLC的特点
(1)可靠性高。
在I/O环节,PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。
系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储,一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。
(2)控制功能强。
PLC采用的CUP一般是具有较强位处理功能的为处理机,为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能,可以采用双CPU的运行方式,使其功能得到极大的增强。
(3)编程方便易学。
第一编程语言(梯形图)是一种图形编程语言,与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似,理解方式也相同,非常适合现场人员学习。
(4)使用于恶劣的工作环境。
采用封装的方式,适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。
(5)与外部设备连接方便。
采用统一接线方式的可拆装的活动端子排,提供不同的端子功能适合于多种电器规格。
(6)体积小、重量轻、功耗底。
(7)性价比高。
(8)模块化结构,扩展能力强。
根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装,一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。
(9)维修方便,功能更灵活。
程序的修改就以意味着功能的修改,因此功能的改变非常灵活。
3.3PLC工作原理
3.3.1循环扫描
CUP连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。
CUP的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CUP自诊断测试及写输出等等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
他意识周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。
典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。
(1)自诊断测试扫描过程。
为保证设备的可靠行,及时放映所出现的故障,PLC都具有自监视功能。
(2)与网络进行通讯的扫描过程。
一般小型系统没有这一扫描过程,配有网络的PLC系统才有通讯扫描过程,这一过程用于PLC之间及PLC与上位计算机或终端设备之间的通信。
(3)用户程序扫描过程。
机器处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。
该过程在机器运行中是否执行是可控的,即用户可以通过软件进行设定。
用户程序的长短会影响过程所用的时间。
(4)读输入、写输出扫描过程。
机器在正常运行状态下,每一个扫描周期都包含这个扫描过程。
该过程在机器运行中是否被执行是可控的。
CUP在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的,运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映像寄存器:
一个为输入映像寄存器,另一个为输出映像寄存器。
用户程序所用的输入值是输入映像寄存器的值,运算结果也放在输出映像寄存器。
在输入扫描过程中,CUP把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器:
在输出扫描过程中CUP把输出映像寄存器的值的输出点。
循环扫描有如下特点:
(1)扫描周期周而复始地进行,读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。
(2)输入映像寄存器的内容是由设备驱动的,在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变,CUP采用集中输入的控制思想,只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。
(3)对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。
(4)各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟,这是PLC的主要缺点。
在读输入阶段,CUP对各个输入端子进行扫描,通过输入电路将各输入点的状态锁入映像寄存器中。
紧接着转入用户程序执行阶段,CUP按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描,根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序,同时将执行结果写入输出映像寄存器。
在程序执行期间,即使输入端子状态发生变化,输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。
输入/输出采用映像寄存器的优点:
(1)集中采用I/O,程序扫描期间输入值固定不变,程序执行完后统一输出。
这种集中I/O的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一,使系统更加稳定可靠。
(2)程序执行时,存取映像寄存器要比读写I/O端点快的多,这样可以加快程序执行速度。
(3)I/O点必须按位存取,而映像寄存器可按位、字节、字、双字灵活的存取,增加了程序的灵活性。
图1PLC信号的传递过程
3.3.2I/O响应时间
由于PLC采用循环扫描的工作方式,而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定时间集中输入/输出,所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。
扫描周期越长,滞后现象越严重。
响应时间有输入延迟、输出延迟和程序执行时间部分决定。
(1)PLC输入电路设置了滤波器,滤波器的常数越大,对输入信号的延迟作用越强。
输入延迟是由硬件决定的,有的PLC滤波器时间常数可调。
(2)从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟,对于不同的输出形式,其值大小不同。
它也是由硬件决定的,对于不同信号的PLC可以通过查表得到。
(3)程序执行时间主要由程序长短来决定,对于一个实际的控制程序,编程人员须对此进行现场测算,使PLC的响应时间控制在系统允许的范围内。
在最有利的情况下,输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间,称为最小I/O响应时间。
在最不利的情况下,输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻,造成在下一个输出锁定才能被响应,这就需要两个扫描周期时间,称为最大I/O响应时间。
它们是由PLC的扫描执行方式决定的,与编程方法无关。
3.3.3PLC中的存储器
PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。
(1)系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序,它决定了PLC的功能,用户不能更改其内容。
(2)用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。
(3)用来存储工作数据的区域称为工作数据区。
3.4PLC的编程语言
PLC的硬件系统中,与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。
计算机运行处理的是数据,数据存储在存储区中,找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。
PLC和其他的计算机一样,为了使用方便,数据存储器都作了分区,为了每个存储单元编排了地址,并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能,形成了专用的存储元件。
这就是前面提到过的编程的“软”元件。
为了理解方便,PLC的编程元件用“继电器”命名,认为它们像继电器一样具有线圈以及触点,并且线圈得电,触点动作。
当然这个线圈和触点只是假象,所谓线圈得电不过是存储单元置1,线圈失电,不过就是存储单元置0,也正因为如此,我们称之为“软”元件。
但是这种“软”继电器也有个突出的好处,可以认为它们具有无数多对动合动断触点,因此每取用一次它的触点,不过是读一次它的存储数据而已。
3.4.1PLC的编程结构功能图
任何语言都有编程的对象和基础,重要介绍梯形图语言和语句表语言,而功能图是理解这两种语言的基础。
输入继电器是由外部输入驱动的,梯形图中只能使用其介入点状态值,用户不能改变输入继电器的状
态。
辅助继电器的种类和多少决定了PLC控制功能的强弱,相当于工作寄存器的多少和功能的强弱。
实际的PLC中并没有图中的物理继电器,用继电器来表示PLC的内部功能结构是为了使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解PLC的功能,更好的使用PLC,就像他在设计继电器控制电路一样。
梯形图语言是一种图形化的语言,是一种面向控制过程的“自然语言”。
梯形图编程语言形象、直观、准确的描述了逻辑控制关系,容易被广大的工程技术人员所掌握。
PLC与被控对象所连接的只是I/O条件,而I/O之间的组合控制关系需要用软件的方法来描述清楚,梯形图是一种描述方法,当然还有语句等表示其他的语言。
语言的支持取决于厂家开发的系统程序只要将其输入PLC的用户程序存储器中,PLC就能够直接解释并实现I/O间的控制关系。
当控制关系发生改变时,只要修改梯形图程序,重新输入到PLC的存储器即可。
3.4.2梯形图编程语言
PLC是通过程序对系统进行控制的,作为一种专用计算机,为了适应其应用领域,一定有其专用的语言。
PLC的编程语言有多种,如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。
梯形图编程语言是一种图形语言,具有继电器控制电路形象、直观的优点;语句表编程语言类似计算机的汇编语言,用助记符来表示各种指令的功能,是PLC用户程序的基础元素。
一般而言,梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件,根据结果决定逻辑输出的允许条件。
逻辑通常被分解成小的容易理解的片,这些片通常被称为“梯级”或网络。
程序一次扫描执行一次网络,按照从做到右、从上到下的
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