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plc课程设计.docx
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plc课程设计
电气控制与PLC课程设计
课设题目:
PLC控制双恒压供水系统设计
学院:
电气信息学院
专业班级:
自动化01班
学号:
1404200421
姓名:
夏苏
指导教师:
胡学军
完成日期:
2016年12月27日
电气控制与PLC课程设计任务书
课程设计题目
PLC控制双恒压供水系统设计
学生姓名及学号
夏苏1404200421
专业及班级
自动化01班
指导教师姓名
胡学军
指导教师职称
副教授
一、设计(论文)的基本要求(任务)
1.工作流程
PLC控制双恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,有1个贮水池,3台水泵,采用部分流量调节方法,即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行,其余水泵停止。
PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换,并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算,输出给变频器控制其输出频率,调节流量,使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
PLC控制双恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制工艺流程图如下图所示。
双恒压供水控制系统工艺流程图
从图中可看出,系统可分为:
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具体为:
(l)执行机构:
执行机构是由三台水泵组成,它们用于将水供入用户管网三台水泵可以进行变频调整,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定。
(2)信号检测机构:
在系统控制过程中,需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号反映的是用户管网/消防管网的水压值,它是双恒压供水控制的主要反馈信号。
此信号是模拟信号,读入PLC时,需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性,还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测,检测结果可以送给PLC,作为数字量输入;水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时,控制系统要对系统实施保护控制,以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器;报警信号反映系统是否正常运行,水泵电机是否过载、变频器是否有异常,该信号为开关量信号。
(3)控制机构:
供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括可编程控制器、变频器和电控设备三个部分。
可编程控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集,对来自通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制;变频器是对水泵进行转速控制的单元,其跟踪供水控制器送来的控制信号改变水泵的运行频率,完成对水泵的转速控制。
2.系统设计的主要内容
(一)根据以上控制要求,进行系统总体控制方案设计。
(二)硬件设备选型、PLC选型,估算所需I/O点数,进行I/O模块选型,
(三)绘制系统硬件连接图:
包括系统硬件配置图、I/O连接图,分配I/O点数,
(四)列出I/O分配表,熟练使用相关软件,设计梯形图控制程序,
(五)编写设计说明书。
二、课程设计报告内容要求
1、摘要(300字)
基于何种原理,采用什么方法,达到什么目的,得到什么结果。
2、正文(有图有文):
①方案论证与比较
系统设计(或设计原理)与理论分析(或测控)方法和计算。
包括系统设计、总体框图,框图中每一个模块的功能说明等。
②电气线路设计及参数计算,包括线路图、线路图说明、主要参数计算。
软件设计,包括PLC的接线图,I/O地址分配表,流程图及叙述、核心算法的描述,源程序等。
3、调试与数据分析
①测试原理(方法),有硬件设计、软件调试、联调。
②使用仪器和工具(型号)。
测试结果(采用多张表格或图形表示)或现象。
4、结论
通过设计实现了那些功能,尚有哪些不足。
并对某些问题进行分析,提出改进方法。
5、参考文献(至少5篇)
附录电气线路图及程序清单
2016年9月24日
摘要
近些年来随着可编程控制器快速发展,可编程控制器已广泛应用于各个领域。
本论文设计了一种基于PLC的双恒压供水系统,该系统由一台PLC、一台水泵、一个水塔、六个液位传感器等构成。
PLC控制双恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,有1个贮水池,3台水泵,采用部分流量调节方法,即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行,其余水泵停止。
PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换,并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算,输出给变频器控制其输出频率,调节流量,使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
根据恒压供水系统设计的需求,力求做到使系统运行稳定,操作简便,解决水塔的双恒压供水的问题,保证供水安全、快捷、可靠。
恒压供水保证了供水质量,PLC控制系统丰富了供水系统的控制功能,提高了系统的可靠性。
关键词:
PLC;恒压供水系统;液位传感器;水塔
ABSTRACT
Inrecentyearswiththerapiddevelopmentofprogrammablecontroller,PLChasbeenwidelyusedinvariousfields.ThispaperdesignedakindofdoubleconstantpressurewatersupplysystembasedonPLC,thesystemconsistsofaPLC,awaterpump,awatertower,sixliquidlevelsensor,etc. PLCcontroldoubleconstantpressurewatersupplysystemaremainlyfrequencyconverter,programmablecontroller,pressuretransmitter,andthesceneofthepumpunittogethertoformacompleteclosedloopcontrolsystem,onecisterns,threepumps,partoftheflowcontrolmethods,namelyonly1ofthe3pumpspumpsininvertercontroloperatingvariablespeedoperation,therestofthewaterpumpstops.
PLCautomaticcontrolaccordingtothepipenetworkpressureswitchbetweeneachpump,andaccordingtothestressvaluesanddeviationbetweenagivenvalueofPIDarithmetic,outputtotheinvertertocontroltheoutputfrequency,flowadjustment,watersupplypipenetworkpressureconstant.Thewaterpumpswitchfollowtheprincipleoffirstcommonly,firstpauseatfirst.
Accordingtothedemandoftheconstantpressurewatersupplysystemdesign,makeseveryefforttomakethesystemstablerunning,simpleoperationandsolvetheproblemsofthewatertowerofdoubleconstantpressurewatersupply,ensurethesafetyofwatersupply,fastandreliable.ConstantpressurewatersupplytoensurethequalityofwatersupplyandenrichedwatersystemcontrolfunctionsofPLCcontrolsystem,improvethereliabilityofthesystem.
Keywords:
PLC;Constantpressurewatersupplysystem;Liquidlevelsensor;Thewatertower
摘 要……………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………Ⅱ
1前言………………………………………………………………………………4
1.1双恒压供水的目的和意义…………………………………………………4
1.2消防、生活供水的特点…………………………………………………………4
1.3消防、生活供水的实现…………………………………………………………5
1.4论文的主要工作…………………………………………………………………7
1.5本章小结…………………………………………………………………………7
2总体方案设计…………………………………………………………………8
2.1系统总述……………………………………………………………………8
2.2压供水控制系统的基本控制策略………………………………………8
2.3压供水系统的基本构成…………………………………………………9
2.4总体设计框架………………………………………………………………10
2.5本章小结……………………………………………………………………12
3硬件系统设计…………………………………………………………………13
3.1设备选择………………………………………………………………………13
3.2外部电路设计…………………………………………………………………19
3.3控制电路设计…………………………………………………………………20
3.4变频器参数设定………………………………………………………………22
3.5本章小结………………………………………………………………………24
4软件系统设计…………………………………………………………………25
4.1泵站软件的设计分析…………………………………………………………25
4.2程序结构………………………………………………………………………25
4.3程序功能实现…………………………………………………………………25
4.4控制程序设计…………………………………………………………………28
4.5本章小结………………………………………………………………………28
5系统调试………………………………………………………………………29
5.1变频器调试……………………………………………………………………29
5.2PLC的调试……………………………………………………………………30
5.3本章小结………………………………………………………………………31
结论…………………………………………………………………………………33
参考文献…………………………………………………………………………34
1前言
传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。
但是,建造水塔需要花费财力,水塔还会造成水的二次污染。
那么,可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢?
当然可以,但是要解决水压随用水量的大小变化的问题,通常的办法是:
用水量大时,增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变,用水量小时又需做出相反的调节。
这就是恒压供水的基本思路。
交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。
1.1双恒压供水系统的目的和意义
变频调速双恒压系统,是现今社会供水的一个新兴的课题。
首先,它把传统的消防、生活两套供水系统综合在一个系统中,通过特殊的方法,兼顾生活、消防各自供水的特点和差异性,既能保证正常情况下高质量生活供水,又能保证消防状态下可靠的消防水源。
其次,双恒压供水系统,能根据不同的季节,不同的供水时段,以及各种意外的情况作出反应,保证系统管网的恒压,减少供水欠压和过压两种不合理现象。
改变了传统的恒速泵,或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能,使设备和系统平稳和可靠,同时节能显著。
此外,构造这样一个控制系统可减小占地面积,降低一次性投资,系统安全可靠,维修管理方便。
本论文就如何构筑这样一个系统提出了一套较完备的方案,对此方案的实际运用,做了较深入的理论探讨,并结合工作实际,做了一套切实可行的系统。
1.2消防、生活供水的特点
传统的消防、生活供水方式是分别独立的两套系统,这样既不经济又不合理,而且在真正发生火灾时,系统的可靠性使人置疑,并且人为地增加投资成本和运行费用。
合理选择给水系统对住宅给排水的设计尤为重要。
中国工程建设标准化协会标准《居住小区给排水设计规范》(CECS57:
94)中明确规定:
多层建筑居住小区,应采用生活消防共用的给水系统。
同样,对于多层住宅建筑内的生活给水与室内消火栓给水系统的共用,则有利于给水系统的技术和经济优化
多层住宅建筑的生活、消防给水系统的设置目的和运行方式不同。
消防用水必备但不常用,是应急使用系统,力求简单,应尽可能减少设备:
生产(生活)用水是常用系统,但所需水量时大时小。
如合理地采用加压供水系统,并使消防、生活供水系统有机结合,则不仅可以大大减少不必要的投资,而且能省去日常的维护费用
1.3生活、消防供水的实现
给水系统由三台工频水泵和一套变频控制系统组成,工频泵组各根据负荷情况选定不同台数的水泵及电机。
三台泵轮流备用。
这样就避免了长期不使用水泵,发生水泵锈死的现象。
平时生活用水由一台泵组供给,工作在低压状态下,保证给水管网末端用户所需要的水压和水量,同时保持消防管网的一定水压和水量。
保证了水质的卫生标准和水量的稳定性。
火灾时,根据消火栓的紧急按钮指令或消防指令信号启动(手动或自动)消防供水系统,三台泵启动加频工作保证消防管网消防所需要的水压和水量。
但为使此供水系统安全可靠,此供水系统要求有独立的供电电源或独立的供电回路,保证泵房给水的安全可靠,以保证火灾区断电不断水,同时该系统应该用双路自动切换电源,以确保消防水泵的用电可靠安全。
变频调速恒压供水用于高层建筑群和住宅小区,可节约设备投资,而且集中管理维护较为方便,既可靠又经济。
此外,此供水方式和每幢楼有屋顶水箱或用气压罐给水方法比较,有许多优点。
用此方式供水,随时都能保证消防管网所需要的水压和水量,根据用水量大小自动调节给水量、自动增加或减少运行工作泵,节省电力,压力稳定,不会有超压或欠压运行的现象。
备用泵参与运行,可避免长期不运行而锈死。
在变频器发生故障时,能自动切换到工频供电继续维持供水。
水泵发生故障时,故障泵退出,备用泵自动投入。
不仅可以全自动运行,而且可以无人值守,方便维修管理。
它还避免了原屋顶水箱里水质的二次污染,减轻了建筑负荷,节省建筑造价,保持建筑结构完美,节省使用空间等等。
有利于开发建设行业统一规划,综合管理,提高经济效益。
1.3.1目前供水系统的模式
对于居住住宅楼的给水系统设计,传统的供水方式一般采用①恒速泵直接供水;②采用高位水箱供水;③气压罐供水。
1.3.1恒速泵供水
此方式是一种传统的水系统供给方式,对于离心式机泵,过去常采用手动或自动调节控制阀、调节阀的开度来改变和调节流量,即用人为增减阻力的办法来实现调节。
当工艺需要小流量时,调小调节阀开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上,浪费了许多能量。
而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。
但若备用机组频繁启停,可能会导致工况的振荡,同时也会影响设备寿命和电网电压。
改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段,因为转速降低后,流量成比例下降,而功耗的下降是大于该比例
的。
但是转速调节受驱动机的限制,采用直流电动机调速较为方便,但增加了整流装置,而且直流电动机价格昂贵。
且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点。
恒速泵由于耗能不合理,控制方法的不足,适应性差将逐渐被淘汰。
1.3.2高位水箱供水
采用楼顶设高位水箱供生活用水的方式,虽较为安全可靠,设备、技术等方面也较成熟。
然而,在后期给水系统的运行、维护和管理过程中,此供水方式存在一些问题。
例如,由于屋顶水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同,造成水质严重的二次污染;目前对水箱内存水的消毒问题并未得到较好的解决,水箱内经常还发现有死老鼠的情况;加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制,一般考虑只贮存10分钟的消防用水量,高层建筑一旦发生为灾,靠水箱供应扑灭火灾的消防水量,是远不够的。
如对于消防水泵长期不使用,经常发生锈死现象,消防管网中长期存水而形成死水,对发生火灾时不利。
故高层建筑的二次加压供水设施—高位水箱,给人们的生活和物业管理者带来的问题急需解决。
高位水箱的供水系统,虽实际是一个压力大致恒定的系统,这个压力就是水位的高度。
而管道的阻力特性却是变化的,当水的用户多时(也即打开阀门,放水的支路多时),管道的阻力就相应减少,反之则阻力增大,大大降低了生活供水质量。
虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用,目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水,但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等豁占。
1.3.3气压罐供水
气压罐给水设备用于消防供水系统,在工程实践中已屡见不鲜。
气压罐在消防工程中的用途不外乎:
一、其调节水量可满足十分钟消防初期用水量,从而替代屋顶水箱;二、作为增压设施,以弥补高位水箱设置高度之不足—即满足大楼顶层消火栓处7m静水压要求;三、作为消防系统稳压用,启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。
上述三种用途有一共同点,即均需贮存满足规范要求的消防用水量。
气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点,近几年来己在高层建筑中采用,但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点,因而使这种供水系统的发展受到限制。
事实上要制造满足贮存调节水量为18,12.6m
的气压水罐,在技术上是可以做得到的。
但在实际工程中,由于受到建筑物内场地限制而很难实现。
为此广大设计人员对气压水罐只用作增压及稳压设施
1.4论文的主要工作
本论文的主要工作是城镇小区供水系统(包括生活和消防)的实施和控制,采用无塔和无箱供水方式进行设计和实施,其实施结果证明是可行的,具体而言,本论文的主要工作如下:
·构筑城镇小区的双恒压供水系统(设计、论证)。
·系统详细构件组成(变频器、PLC、水泵、电机及电器辅助驱动器件等),及这些构件选用的理论依据。
·整个系统调速过程和节能的理论分析。
·系统通讯实现(包括变频器、PLC通讯的硬件实现和软件实现)。
·PLC、变频器、外围接口的连接及PLC的编程。
·系统的总体调试(关键设备参数的设定,调试遇到问题及解决办法和措施)。
本论文是用理论去分析,解决实际工程问题来实施设计的一个完整控制系统,证明是可行的,它为以后的城镇供水系统的设计和实施提供了一个范例。
1.5本章小结
综上所述,城镇社区生活、消防给水人用系统,在解决了常规性技术问题后优点凸现。
①生活消防共用给水系统是一种经济可行的给水方式,减少了投资的成本。
对于集中水泵层,在室外总体上仅设一路生活给水管,节省了建设费用,且便于管理维护。
②设置屋顶水箱能满足消防初期给水的要求,符合现行的防火计规范;通过紧急关闭阀的采用,保证了消防给水系统的可靠,适合于住宅物业的维护管理。
但是,消防水箱的设置并不一定能满足最不利消火栓水压和水量的需求,而且水箱设置高度还需满足住宅设计规范对室内分户水表前的给水静水压力要求。
同时,屋顶水箱的设置也增加了给水二次污染的机会。
不设屋顶水箱的给水方式有利于生活给水,既能保证生活给水的水量、水压,又能保证水质的卫生。
2总体方案设计
2.1系统总述
此系统是针对某生活小区的实际情况,结合用户生活/消防双恒压供水的控制要求,设计的一个三泵、恒压无塔供水系统。
众所周知,恒压供水系统对于生活小区是非常重要的,例如在生活小区供水过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响居民生活。
又如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大损失和人员伤亡。
所以,生活小区采用生活/消防双恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。
2.1.1用户的现场情况
如图1所示,市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1,自动把水注满储水水池,只要水位低于高水位,则自动向水箱注水。
水池的高低水位信号也直接送给PLC,作为水位报警。
为了保持供水的连续性,水位上、下限传感器高低距离较少。
生活用水和消防用水共用三台泵,平时电磁阀YV2处于失电状态,关闭消防管网,三台泵根据生活用水的多少,按一定的控制逻辑运行,维持生活用水低恒压。
当有火灾发生时,电磁阀YV2得电,打开消防用水管网,三台泵供生活/消防用水使用,并维持消防用水的高恒压值。
火灾结束后,三台泵改为生活供水使用。
图3.1供水现场图
2.2恒压供水控制系统的基本控制策略
采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力,系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较,其差值输入CPU运算处理后,发出控制指令,控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用PLC的PID计算功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号(4-20mA)输入到PLC中,由PLC将其与用户设定的压力值进行比较,并通过PLC内置PID运算将结果转换为频率调节信号输出到变频器调整水泵电机的电源频率,从而实现控制水泵转速。
供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度,水泵流量总和应大于实际最大供水量。
2.3恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机,这比设单台水泵电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时,它们的功率必须足够大,在用水量少时来开一台电机肯定是浪费的,电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。
而且水泵与电机维修的时候,备用泵是必要的。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定,水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的,那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案,一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器,从解决问题方案这个比较简单和方便,电机与变频器间不须切换,但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器,变频器与电机间可以切换的,供水运行时,一台水泵变频运行,其余的水泵工频
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