基于PLC与触摸屏的恒压供水电气系统设计.docx
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基于PLC与触摸屏的恒压供水电气系统设计
学士学位论文(设计)
题目:
基于PLC与触摸屏的恒压供水电气系
统设计
姓名:
学号:
2011015049
学院:
工学院
专业/届别:
电气工程及其自动化专业/2015届
指导教师:
陈玉强
职称:
副教授
表1
牡丹江师范学院学士学位论文(设计)
选题论证报告
姓名
专业/年级
电气工程及其自动化/2011
题目
基于PLC与触摸屏的恒压供水电气系统设计
选题的目的和意义
恒压供水系统以其所特有的优点,如高效的适应性和高可靠性等,已经在人们生产和生活中占据了无法代替的作用.恒压供水的背景是传统人供水方式以及不能满足现代化的要求,达不到节能稳定的效果。
因此,本次对恒压供水系统的研究和设计很具有现实意义,同时也是为适应当今高科技发展的潮流,解决传统方式不能恒压供水的难题。
研究内容与方法
研究内容:
本次论文研究的是基于PLC与触摸屏的恒压供水电气系统,主要研究变频器的变频调速方法,分析恒压供水的系统结构与组成,硬件系统采用的元件,软件系统采用的程序。
研究方法:
满足需要的控制特点及需求,需要结合可编程控制器的编程技术,设计方案的整体结构,确定技术方案,画出软件控制流程图,以及系统硬件的原理图,结合原理图和实际的需要,确定I/O接口的数量及配置方式,画出梯形图。
研究进度安排
11、选择论文题目:
2014年6月20日;
2、确定论文提纲,查阅资料:
2014年10月5日;
3、形成初稿:
2014年12月19日;
4、形成修订稿:
2014年12月25日;
5、形成论文定稿:
2015年4月15日;
6、论文答辩:
2015年4月21日。
指导教师意见:
指导教师(签名):
年月日
开题报告专家论证意见:
专家组长(签名):
年月日
摘要
本论文通过分析变频恒压供水系统的工作原理及系统的组成结构,决定采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输,然后使用数字PID对系统中的恒压控制进行设计,最后通过触摸屏实现人机控制。
论文的末尾详细的说明了的系统的软件设计和硬件设计,从多方面来介绍系统的总体设计与软件的实现,并详细地说明了系统措施的可靠性与稳定性。
本论文的变频恒压供水系统已经广泛应用到了很多国内外的供水系统中,而且得到了较好的经济效益与社会效益,一方面提高了供水质量,另一面还节省了能源.
关键字:
变频调速;恒压供水;PLC;触摸屏
Abstract
Inthispaper,byanalyzingtheconstantpressurewatersupplyprincipleandsystemcompositionstructure,decidedtoadoptthetextconverterandPLCconstantpressurewatersupplyanddatatransmission,andthenuseadigitalPIDcontrolsystemdesignofconstantpressureandfinallyrealizepeoplethroughthetouchscreenmachinecontrol。
Theendofthedetailedsoftwareandhardwaredesignpaperdescribesthesystem。
Specificabouttheoveralldesignandimplementationofthesystemsoftware,andthereliabilityofthemeasurestakenbythesystemaredescribed.Inthispaper,constantpressurewatersupplysystemhasbeenwidelyappliedtomanydomesticandinternationalwatersupplysystem,andgetabettereconomicandsocialbenefits,ontheonehandtoimprovethewaterquality,theothersidealsosavesenergy.
KeyWords:
VFspeed;constantpressurewatersupply;PLC;touchscreen
1绪论
正如大家所知道的,我们的日常生活是不能离开水的,它是我们必不可少的能源之一。
随着人们居住的地方越来越集中,这样就使得供水的需求越来越大。
同时日常生活中用水是随着时间的变化而变化的,这就对我们供水提出了很大的要求。
为了保障供水,这就需要一些辅助设备来实现了。
在人们生活的周边一般有稳定的水源供应,居民只需要根据用水量来自行调节水源的供应。
这样,一方面充分利用了水资源,另一方面又保证了水资源的不浪费。
本文根据某小区的实际供水需求,同时针对用户生活用水和消防用水的要求设置为恒压供水。
下面我就对恒压供水的重要性进行一下说明.例如:
在我们平时生活中,经常会出现短时断水,或者因为水压不足而无法供水而打断我们正常生活的情况。
又如出现火灾的时候,我们必须要保证恒压供水,只有这样才能快速的消除火情,保证人民的财产安全和人身安全。
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化,这就导致了供水的不稳定,主要表现在水压上,当用水量较高而供水量低时则水压低,反之,当用水少而供水多则水压高。
当生活小区的自来水管管网的水压较低时,水就很难到达较高的楼层。
在以前为了解决这个问题是通过利用高位水箱来解决的.主要步骤是,首先用蓄水池蓄水,接着通过水泵把水送到足够高的高位水箱,最后通过水箱给用户供水.而我们蓄水池中的水通常是市政自来水管网提供,这就使有压力的水进入水池变成了无压力,让资原无故的消耗了。
同时在通过水池和水箱时无可避免地带来了二次污染,给居民带来了不健康的因素。
基于上述情况,我们对传统供水系统进行了改造,采用PLC作为主控单元,触摸屏为控制系统,并充分利用变频器的变频作用,根据实际情况可以很快地调整供水系统的供给需要,达到恒压供水的目的.改造后的供水系统提高其工作的稳定性,取得到了良好的控制效果.
2恒压供水系统的概况
2。
1恒压供水系统概述
供水系统是国民生产生活中的重要组成部分。
传统供水所需的土地面积比较大,导致基础建设投资也会比较高,同时水质也更容易受到污染,但其最主要的缺点是不能保证水压的恒定,导致部分设备不能正常运行。
变频调速技术是一种新型但比较成熟的交流电机无极调速技术,其优异的控制性能被广泛应用在速度控制领域发中,特别是供水行业中。
由于生产安全和水质的特殊要求,恒压供水有严格的要求,所以变频调速技术获得了进一步的发展.恒压供水具有技术先进,压力恒定,操作方便,可靠,节能,自动化程度高等优势.
2.2变频恒压供水产生的背景和意义
泵站肩负着供应工农业和生活用水的重任,泵站供水需要电机将水增压从而驱动水的传送,电机的运行需消耗大量能量。
电机的恒速运行虽然能保证水压在泵站的恒定,但由于前端的用水需求不同会导致前端水压不恒定,这就降低了泵站能源浪费。
因此提高泵站电机工作效率、降低能源消耗非常重要。
我国泵站数量大、范围广、类型多、发展速度快,但基本都是采用传统的供水方式。
我国用水需求量大,因此消耗在水泵、风机负载上,城乡居民用水设备上的电能消耗非常大。
此外我国供水设备工作效率低,控制方式不够科学合理也造成了不必要的能量浪费。
如何找到新型低能耗供水系统及研究出节能的控制策略方法是人们一直探索的问题。
在这种情况下只有利用先进的科学技术才能解决这个问题,而我们利用变频技术和PLC相结合组成新的控制系统就可以了。
这个系统集合了各种现代科技,比如:
电气技术、自动控制与变频技术。
这样系统就具有了高效率、高抗扰、高平稳、高灵活等优点。
只有这样我国才能由传统农业国家发展为先进农业国家,同时响应国家建设节约型社会的号召。
2。
3国内外研究概况
频恒压供水得益于变频调速技术的发展变频恒压供水逐渐发展起来。
在变频技术发展初期,国外变频器主要应用定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护。
而在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构。
为了保证管网压力在水量变化时还是恒定的,我们就要在变频器外部加上压力控制器和传感器,实现闭环控制。
国外早期设计的恒压供水系统是运用一台变频器只带一台水泵的运行方式.到了上世纪七十年代初,变频技术得到了很大的发展,大家都认可了变频恒压供水系统的稳定、可靠和自动化程度高的优点。
很多公司开发出了恒压供水基板,具备“变频泵固定方式"和“变频泵循环方式”.其功能原理是将将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,通过指令代码的设置达到PLC和PID等电控系统的功能,仅需搭载相应的恒压供水单元,就能够控制多个内置的电磁接触器工作,这样的供水系统可以搭载七台以下的电机。
这种系统的优点是电路结构得到了简化,设备投入得到了较少。
但它的缺点是系统的输出接口的扩展功能不够灵活,动态性能和稳定性不高,难与别的监控系统和组态软件实现数据通信,限制了带负载的容量,从而限制了其使用范围。
目前我国也有很多企业在研究变频恒压供水的项目,但是基本是采用国外品牌的变频器控制水泵的转速,通过PLC和对应的软件达到水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制.而且距离用户所追求的高稳定性、高抗扰性等多方面综合技术要求都还有一地距离。
综上所述,现今无论国内、国外对变频恒压供水的研究,对于可以适应不同用水情况,并且把现代控制技术、网络和通讯技术结合还能够兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统还有待进一步的研究.
3变频恒压供水的理论分析
3.1变频调速技术的特点及应用
在工业早期阶段,电机是不能调速的,一旦启动运行它就会以一个恒定的速度运行下去直到停止。
但是到了上世纪八十年代末,变频调速技术已经发展
成熟,它可以将电机的工频交流电源变成另一种频率可以调节的交流电源,让这种可调电源再驱动电机,这样电机就可以在变速或者负荷的情况下运行。
相对传统电机从始至终以额定功率运行,可以调速的电机运行方面更加节约能源和经济成本.而变频调速技术在供水系统中运用的比较多。
传统供水系统一般是使用多台水泵,当用水量增大时就开动多台水泵,用水量减少时就开两台或一台水泵。
而运用变频调速技术,就是给每台水泵都配上一台变频器或者是用一台变频器调控所有水泵.通俗地讲就是一拖多或者一拖一方式。
一拖一的方式电路比较简单,但是因为用的变频器比较多,导致成本比较高。
而一拖多的方式的方式在性能方面不比一拖一方式差,而成本却比一拖一低得多,但是对控制的程序要求比较高。
一拖多的方式是未来的发展趋势。
系统运用了变频调节之后,整个系统是软启动的方式,电机的启动电流是平缓升高的,这样的启动方使得电机的机械损伤降低了很多,电机得到了很好的保护。
另外,变频调节和其他任何调节方法比较都具有显著的优势,它是目前世界上使用范围最广、效果最好、最具发展前景的调速技术.它与电力电子技术、控制技术相结合,在各种领域都能达到无极调速。
3。
2节能原理
水泵为平方转矩负载,也就是说水泵的负载转矩与转速的平方成正比关系,而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比,所以,水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。
由此可知,当需要出水量减少时,可以通过减少电机的转速,随着电机转速微量减少,功率将会大幅下降,节能效果非常明显。
变频控制系统的优化设计,精心选择设备,合理编程,加上正确的信号给定,使电机始终运行在最好的状态,使得能源得到了最大的发挥。
3。
3设计思想
恒压供水系统如图3—3所示,由电机、热继电器、接触器、PLC、触摸屏等部分组成.控制面板包括启动、停止、每个电机的点动及停止按钮等;MT510T触摸屏提供友好的人机界面,不但能够完成控制面板功能,而且能监视系统的运行时间及运行状态。
日本欧姆龙CP1HPLC是系统的控制中心;隔离板的作用是保护PLC先由PLC驱动24V的小继电器,然后驱动交流接触器;热继电器的作用是过流保护。
本系统可以通过触摸屏进行操作,具有自动和手动操作,测试过程中,设恒压供水系统的拖动电机分别为:
主泵M1、备用泵M2。
设定启动时主泵M1顺序启动先工作100小时后停止,同时备用泵M2启动,运行100小时后M2停止;泵M1再启动,依次反复,设有停止按钮,并设有应急控制(急停)按钮,急停时切断控制回路的电源;还可以通过触摸屏监视系统的运行状态。
图3-3恒压供水系统图
Figure3-3WaterSupplySystemFigure
4系统的硬件设计
本系统采用压力传感器、PLC和变频器作为中心控制装置,实现所需功能。
来源:
输配电设备网安装在管网干线上的压力传感器,用于检测管网的水压,将压力转化为4~20mA的电流或者是0~10V的电压信号,提供给变频器。
4。
1系统电路
系统主要由一台欧姆龙CP1H-X40DT1-D、一台西门子MICROMASTER440变频器、接触器、空气开关、热继电器、2台水泵等构成。
该系统主路、回路采用一拖2的形式,如图4—1
图4—1恒压供水系统电气原理图
Figure4—1WaterSupplySystemelectricalschematics
4。
2元器件的介绍
4。
2.1可编程逻辑控制器(PLC)简介
可编程控制器(简称PLC)是计算机技术与继电器逻辑控制概念相结合的一种新型控制器,其实质是一种专用于工业控制的计算机。
相对于传统的继电接触器控制,PLC结构简更单易懂,使用更方便,价格更低廉,因此在工业控制领域得到广泛应用。
可编程控制器具有应用简便、可靠性高、抗电磁干扰性能好,环境适应强、多电子式继电器、定时器和计数器的组合体,其基本结构由中央处理机、电源部功能完善、成熟的工控网络体系,通信便捷,易于远程实时监控等特点。
PLC是许件、输入/输出部分组成.PLC有两种编程方式:
一种是手持编程器,另一种是利用上位计算机中的专业编程软件.它采用一类可编程的存储器。
用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC的硬件结构跟微机是基本一样的,具体结构如图4。
2.1所示
图4。
2。
1PLC的硬件系统结构
Figure4-2-1ThestructureofthePLChardwaresystem
4。
2。
2PLC的发展和应用
作为公认的世界上第一台PLC,它是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。
由于当时计算机技术比较落后,加上元器件发展水平跟不上,这台PLC只能够做到比较简单的逻辑控制以及计和定时功能。
后来到了七十年代初期,出现了大规模的集成电路,使得PLC技术得到了飞跃的发展.这个阶段的PLC真正达到了继电器与微机技术想结合。
再往后退,到了上世纪70年代中末期,出现了大规模的集成电路,这是PLC的实用发展时期,先进的微机技术应用到了PLC中,使得PLC获得更高的性能和速度,也因此它在现代的生产生活中更加重要。
接着,进入PLC的第三阶段,这时候社会生产以及广泛运用了PLC,而且生产PLC的生产商以及遍布全世界,这是可编程控制器的通信阶段.从二十世纪八十年代中期到现在,可编程控制器以一个非常高的速度向系统控制化控制方向发展,这时期的PLC系统已经可以实现网际联控,以及可以与管理机进行数据交换。
现在,石油化工、水利水电、交通运输等各行各业都以及运用了PLC,成为了现代技术的三大支柱之一。
4.2。
3可编程控制器的工作原理
1。
可编程序控制器的构成:
可控编程器只要分为三部分:
输入部分、内部控制部分、输出部分.输入部分,这部分主要由常开触点、常闭触点、行程开关、按钮等元件组成。
控制部分主要是按要求编制的程序。
输出部分主要是继电器、常闭软触点等。
2.可编程序控制器的工作方式
可编程序控制器的工作方式采用串行循环扫描的工作方式,主要分为三部
(1)输入采样部分
(2)用户程序执行部分(3)输出刷新部分.具体工作工程如图4。
2。
3所示
图4。
2.3.1CP1HPLC的工作工程框图
Figure4-2-3-1EngineeringworkblockdiagramCP1HPLC's
总而言之,本系统采用的PLC的优点是功能特强、体积非常小、速度特别快、使用范围较小.其CPU的基本指标如图4-2-3-2所示
表4—2—3-2CP1HCPU单元的基本指标表
Figure4—2—3—2CP1HCPUBasicindicatorstableunit
型号
电压
输出特性
输入特性
扩展I/O单元最大连接数
最大扩展点数
X40DT1-D
DC24V
晶体管输出漏型16点
DC24V24点
7
280点(最多7单元)
晶体管输出源型16点
X40DT1—D是CP1H系列的标注型,其CPU单元有以下几个突出特点:
它的每个I/O点可以利用系统设定它的使用状态。
它4的内部包含24个输入点、16个输出点,到达四轴高速计数四轴脉冲输出的作用。
4.2.4触摸屏
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是目前世界上最简单、最方便、最自然的一种人机交互方式。
有了它,人们不再需要手动去操作机器设备启动或停止等按钮.现在人们已经用触摸屏来代替鼠标或键盘,使得操作更方便。
触摸屏以一种全新的多媒体面貌出现在国民生产生活中,是一种非常有吸引力的全新多媒体交互设备。
它主要应用于工业控制、歌厅点歌、餐厅点菜、学校多媒体教学、市政的公共信息查询等。
本系统采用的是MT510T触摸屏,它的工作原理如图4-2-4所示,它具有和其他触摸屏同样具有的优点就是良好的隔绝性:
无论在什么工作环境它都能与外界隔绝,避免灰尘、油污的污染。
快速的反应,用任何物体触摸,都能快速反应。
而MT510T还具有它独特的功能特点:
界面美观,液晶寿命长.
工作原理:
触摸屏工作时,首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。
图4-2-4触摸屏工作原理图
Figure4—2—4TouchscreenworksFigure
4.2。
5变频器
变频器(Variable-frequencyDrive,VFD)是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。
变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,除此之外,随着工业自动化程度的不断提高,变频器也得到了非常广泛的应用.
本系统采用的是西门子440变频器工作原理如图4-2—5—1所示,具体参数见表4-2-5-2。
西门子MM440是西门子最新推出的新型变频器,它的控制方式有很多种,都与其输出电压和电机的转速有关联。
它具有很多特点变频器所具有的功能,这就很大程度地拓宽了它的使用空间,能够实用于多种行业.而且西门子440变频器为了让配置更灵活就采用了模块设计。
这样的变频器具有先进的二进制互联接技术以及多个模拟量输出,能够让客户通过端子自定义功能来实现一些特定要求。
此外,MM440的通讯能力也比一般变频器要强,这样它就能够更好地集成到自动控制系统中。
图4—2—5-1西门子440变频器内部电路图
Figure4-2-5—1Siemensinverter440
表4—2—5—2变频器440参数表
Table4—2-5—2Inverter440parametertable
电源电压及功率范围3AC380至480V±10%,47Hz—63Hz
频率设定分辨率数字输入和串行通讯输入0。
01Hz,10位二进制模拟输入
功率因数〉0。
95
效率96%-98%
通讯接口RS485标配,RS232选件,其它通讯模板选件
保护功能过压保护,欠压保护,过温保护,短路保护
防护等级IP20
控制方式V/F控制、抛物线V/F控制、可编程V/F控制、磁通电流控制
4。
2。
6水泵电机
水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为
n=60f/p(1—s)(4.2。
6)
式中:
f表示电源频率,p表示电动机极对数,s表示转差率.从上式可知,三相异步电动机的调速方法有
(1)改变电源频率
(2)改变电机极对数
(3)改变转差率
我们知道通过改变极对数来达到调速的方法比较简单,而且成本低,效率却相当高,但这种调控方式需要特定的变极电机,而且是有级调速,带来的后果是变速时转速n就变大了,这样转矩也跟着变大,不适合所有电机.
而我们通过改变转差率来达到调控转速,这种方式最大优点是转差功率可以回收,这样一方面达到了节能的目的,另一方面调速性能也好,但是这种方式也有它的缺点:
大量的电能损耗在了复杂的线路上,提高了它的投入成本,也就影响了它的大范围使用。
根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比.电源频率的连续调节,平滑改变电机转速。
然而,单一地调节电源频率,电机运行性能将恶化。
随着电力电子技术的发展,出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。
5系统的软件设计
5.1PLC程序控制
1。
PLC程序的I/O分配表见图5-1-1
表5—1-1PLCI/O分配表
Table5—1—1PLCI/Oallocationtable
元件地址注释
SB1X1启动按钮
SB2X2停止按钮
SB3X3模拟减压按钮
SB4X4模拟升压按钮
SB5X5备用停止按钮
FR1X6主泵过载保护
FR2X7备用泵过载保护
KM1Y0主泵运行(30HZ)
KM2Y1备用泵运行(30HZ)
变频器输入7端Y4变频器高速信号(50HZ)
变频器输入8端Y5变频器低俗信号(20HZ)
2、恒压供水系统控制流程图如图5—1—2所示:
图5—1—2恒压供水系统流程图
Figure5-1-2WaterSupplySystemflowchart
5。
2供水系统程序T型图
图5—2供水程序T型图
Figure5—2WaterprogramT-chart
5.3恒压供水系统PLC程序指令表
表5-3恒压供水系统PLC程序指令表
Table5-3WaterSupplySystemPLCprograminstructionlist
顺序助记符地址参数顺序助记符地址参数
0LDX00118LDITO
1ORM119ADIY001
2ORM1020ANDM10
3ANIX00221OUTY000
4A
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