毕业论文 基于PLC的恒压供水系统.docx
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毕业论文基于PLC的恒压供水系统
基于PLC的楼宇恒压供水控制系统设计
摘要:
近年来,随着我国的社会主义市场经济的发展越来越快,人们对供水质量和可靠性的要求不断提高;并且水资源的依赖程度也越来越高。
然而传统的供水系统普遍存在着一下缺点:
供水系统的自动化程度低、可靠性差、水电资源浪费严重、供水效率低,同时,水泵长期高速运转后轴承可能发热磨损严重,将会影响到水泵使用寿命,也使系统的维护工作变得更加复杂.本次设计是基于PLC恒压供水系统,为了改善上述传统供水系统的缺陷,以恒定管网末端供水压力作为目标,运用现代变频技术来实现恒压供水。
本次设计的供水系统主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路、水泵以及整个过程的监控组态系统组成,用户可通过实验设备控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来控制系统的运行.此系统能提升动态供水的可靠性和稳定性,真正做到了供水和用水的动态平衡。
关键词:
恒压供水;PLC;变频调速;OPC监控组态系统
DesignofConstantPressureWaterofBuildingsSupplyingsystemBasedonPLC
Abstract:
Inrecentyears,asChina'sdevelopmentofthesocialistmarketeconomy,fasterandfaster,itrequireswatertocontinuouslyimprovethequalityandreliability;anddependenceonwaterresourcesisincreasing.However,theprevalenceofconventionalwatersupplysystemaboutdisadvantages:
lowdegreeofautomationofwatersupplysystems,poorreliability,hydropowerseriouswasteofresources,lowwaterefficiency,whilethehigh—speedoperationlongafterthewaterpumpbearingsmaywearseriousheatwillaffectthelifeofthepump,alsomakessystemmaintenanceworkhasbecomemorecomplex.ThisdesignisbasedonPLCconstantpressurewatersupplysysteminordertoimprovetheabove-mentioneddefectsoftraditionalwatersupplysystemstotheendofthepipenetworkwaterpressureconstantasthetarget,theuseofmoderntechnologytoachievefrequencyconversionconstantpressurewatersupply。
ThedesignofthewatersupplysystemconsistsofPLC,inverter,pressuretransmitters,levelsensors,powerandcontrollines,pumpsandmonitoringconfigurationsystemconsistingoftheentireprocess,theusercancontrollightslaboratoryequipmentincaseboardandbuttons,switchestocontroltheoperationofthesystem。
Thissystemcanimprovethereliabilityandstabilityofdynamicwatersupply,watersupplyandtrulydynamicequilibriumofwater.
Keywords:
constantpressurewatersupply;PLC;frequencycontrolofmotorspeed;OPCconfigurationsoftware
第1章绪论
1.1课题的提出
我国的“十一五计划”提出了节能减排,是我国未来发展的长远规划,是社会主义发展的长远规划,是造福子孙后代,利国利民的一项伟大举措,节能减排工作,利在当代,功在千秋,不仅关系到我国人民的生活质量,同时也与全世界人民的生活息息相关[7]。
然而,当节水节能己成为时代特征的现实时,中国这个水资源和电能短缺的国家,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,自动化程度低,水资源浪费严重。
主要表现在用水高峰期,水供给量常常低于需求量,出现水压降低供不应求的现象,而在用水低峰期,水供给量常常高于需求量,出现水压升高供过于求的情况,此时将会造成能量的浪费,同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏.在恒压供水技术出现以前,出现过不同的供水方式.以下作就逐一分析。
(1)一台恒速泵直接供水系统
这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户,有的甚至连蓄水池也没有,直接从城市公用水网中抽水,严重影响城市公用管网压力的稳定。
这种供水方式,水泵整日不停运转,有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。
这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重,水压不稳,供水质量极差。
(2)恒速泵+水塔的供水方式
这种方式是水泵先向水塔供水,再由水塔向用户供水。
此方式较之前者供水压力比较稳定.但这种供水方式基建设备投资最大,占地面积也最大;水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题。
而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话,水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停,将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。
(3)射流泵十水箱的供水方式
这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作,利用压差和来水管粗,出水管细的变径工艺来实现供水,但是由于其技术和工艺的不完善,加之该方式会出现有压无量(流量)的现象,无法满足高层供水的需要。
(4)恒速泵十高位水箱的供水方式
这种方式原理与水塔是相同的,只是水箱设在建筑物的顶层.高层建筑还可分层设立水箱.占地面积与设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价与设计都有影响,同时水箱受建筑物的限制,容积不能过大,所以供水范围较小。
一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质.水箱的水位监控装置也容易损坏,这样系统的开、停,将完全由人工操作,使系统的供水质量下降能耗增加。
(5)恒速泵十气压罐供水方式
这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制泵的开、停。
罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小,而且可以放在地上,设备的成本比水塔要低得多.而且气压罐是密封的,所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。
但气压罐供水的方式也存在着许多缺点,在介绍完变频调速供水方式后,再将二者作一比较[14]。
1.2课题研究的背景及意义
由于以前采用的供水方式存在很多缺点。
比如可靠性比较差,运行的效率普
遍不高,基本上没有实现自动化,已经跟不上飞速发展的经济建设脚步,势必逃
脱不了被淘汰的命运。
为了改变这一现状,提高其自动化是必由之路。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点,这就使变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。
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,方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性,这在能量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。
且具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.3国内外研究现状
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、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。
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。
从查阅的资料的情况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。
即1968年,丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后,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,像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”,“变频泵循坏方式”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,可构成最多七台电机(泵)的供水系统.这类设备虽然说是微化了电路结构,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。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速,水管的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、抗干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(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw),无需外接PLC和PID调节器,可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。
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[4].
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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。
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、生产实践中。
1.4设计内容概况
本次研究设计对象是针对楼宇用水,面向广大普通住宅用户并根据实验室已有设备设计的一个恒压供水系统.研究内容主要有:
了解恒压供水系统的运行工艺情况,以PLC和变频器为主,结合水泵机组和压力表等设备,组成一个恒压供水系统;确定工况的转换方式,完成上下位机程序的编写;对PID调节参数进行设定,实验变频恒压供水;解PLC与计算机如何通信,选择通信方式并且确定通信协议,开发基于OPC组态软件的监控界面,完成系统监控调试,实现对供水系统远程启停、监控和管理。
从而保证了系统的稳定性、可靠性和节能性,更大强度的满足楼宇内用户各方面长期用水需求。
1.5论文结构安排
本论文总体结构分为五章
第1章绪论本章主要介绍了恒压供水系统的重要性,课题的研究背景,以及本次课题的研究背景和主要内容.
第2章系统总体分析本章主要介绍了供水系统的需求分析,如何满足这些需求,通过变频器来调节水泵工作速度的理论依据,以及本系统各个部分的总体控制结构。
第3章系统硬件设计本章详细介绍了本系统所构成器件的选型及介绍.
第4章系统运行的软件设计本章详细分析了PLC软件设计以及PID的参数整定。
第5章系统监控的软件设计本章详细分析了OPC监控组态软件的设计,系统运行结果的监控分析。
第6章项目分析本章分析了该系统投入使用的可行性分析及如何加强系统的抗干扰能力。
第2章系统总体分析
2.1变频恒压供水系统概论
在我们通常所说的供水系统中,广为使用的一种方式就是恒压供水系统。
但
是人们用水的习惯是不规律的,用水量每时每刻都在不停的发生变化。
采用恒速
泵供水的方式,管道网络内的压力是可以通过切换水泵来进行控制的,但是想让
管道内的水压保持稳定是不可能的.而且水泵的电机如果一直处于启动和停止切
换的状态,势必增大设备损坏的可能性,减短设备使用寿命,而且不节能,对人
们的供水也不稳定.如果是通过调节阀门,控制水流量的方法来保证管道的压力,
不仅会增大机械的损耗,让设备维护的工作量变大,增大设备的维护成本,而且
这种方式不够精确,还容易造成能源的无谓损耗。
不断启动和停止水泵的电机,
肯定会引起水锤效应,从而给整个管道网络和阀门等带来损耗和破坏。
我们从系
统的实际应用来分析,确定本研究的需求以及功能的实现[8].
2。
2供水系统的基本需求分析
根据实验室现有设备,可确定本供水系统内含有3台水泵,一台主生活水泵,一台副生活水泵,一台消防水泵.我们控制的目标一般都选择管道出口处的压力信号,比较我们设定的压力值和采样值,通过计算后结合PID调节的方式来保证压力值在管道出口处是稳定不变的,这就可以称之为恒压供水.整个系统中,水泵工作的台数、工频工作还是变频工作,均需要我们根据实际的情况来决定,这样就确定了主回路的控制方式,再通过PLC的控制来满足用户的实际需求。
所以我们首先要做的就是了解用户有哪些实际需求。
2.2.1工作水泵台数
在供水系统工作时,通过水网端口压力传感器反馈的信号,经过变频器中内置的PID控制器运算后必须要能及时准确反馈信号至PLC,然后由PLC来控制电动机的启动和停止,即控制工作水泵的台数,以来达到恒压的效果.
2.2。
2工作频率
控制方式必须要在变频和工频之间可以进行转换。
这样做是为了让系统更加可靠,一旦变频器发生了故障,或者设备需要进行维护,需要关闭变频器时候,及时切换到工频就不会对供水造成影响。
2.2.3火灾时要求
遇到火灾的时候,要求我们的系统对消防报警的信号也要能够做出反应。
供水系统遇到火灾,收到消防信号的时候,必须马上停止正常的运行,将供水的重点放到消防系统中来,帮助消防扑灭火灾。
这样就要求我们的PLC在控制的时候,程序中要实现平时正常的供水和紧急情况下对消防进行供水两种供水模式.消防的信号作为这两种供水模式切换的判断依据。
2.3恒压供水系统的理论分析
2。
3.1水泵的工作原理
因为本次设计是针对楼宇供水,所以所用水泵主要是离心泵。
普通的离心泵的构造如图2—1所示.
图2—1水泵构造图
在开动水泵前,泵里灌满了水,当水泵转动时,叶轮旋转,水在离心力的作用下被甩出去,获得一定的速度.利用蜗壳后端的扩散管或导叶的截面逐渐扩大,将速度能转换为压力能,顺着水管把水送出去,这就是离心泵的压水原理。
在离心泵内充满液体的情况下,叶轮旋转产生离心力,叶轮槽道中的液体的离心力的作用下甩向外转流进泵壳。
叶轮中心原来被水占有的地方就变成真空,压力降低,而泵吸入口液面有大气压力的作用,叶轮中心的压力低于吸入管内的压力,液体就在这个压力差的作用下由吸入管流入叶轮。
液体在离心力的作用下,又被甩出去,并通过蜗壳、扩散管等的作用将其速度能转换为压力能把液体送出。
这样,连续不断地把液体压出去又吸上来,使液体增加能量,达到提升、输送液体的作用.这就是离心泵的工作原理。
2.3.2电动机的调速原理
水泵一般采用的是三相异步电动机,电机转速公式为
n=60f×(1-s)/p(2-1)
在公式(2-1)中,f是交流电频率,通常为50hz;s为转差率,一般取0.01-0。
02;p为电机的电磁极对数,2极电机p为1,4极p为2.
根据公式,很容易得知调速,其实就是调节电机转速公式里的那几个参数。
变极调速的基本原理是:
如果电网频率不变,电动机的同步转速与它的极对数成反比。
因此,变更电动机绕组的结线方式,使其在不同的极对数下运行,其同步转速便会随之改变。
变压调速是异步电机调速系统中比较简便的一种。
由电气传动原理可知,当异步电机的等效电路参数不变时,在相同的转速下,电磁转矩与定子电压的二次方成正比,因此,改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系,从而改变电机在一定输出转矩下的转速。
转子串电阻调速是在绕线转子异步电动机转子外电路上接入可变电阻,通过对可变电阻的调节,改变电动机机械特性斜率来实现调速的一种方式。
串级调速的基本原理是在绕线转子异步电动机转子侧通过二极管或晶闸管整流桥,将转差频率交流电变为直流电,再经可控逆变器获得可调的直流电压作为调速所需的附加直流电动势,将转差功率变换为机械能加以利用或使其反馈回电源而进行调速的一种方式。
变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性,通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。
当转速变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比,连续调节电源频率,就可以平滑的改变电动机的转速.但是,单一的调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展,已经出现了各种性能好、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[9]。
2.3。
3恒压供水系统的节能原理
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提的,由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu).而管阻特性是以水泵的转速不变为前提,表面阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系,如图2—2所示。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由于阀门开度的改变,实际上市改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。
因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f(Qc)。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交叉点,称为供水系统的工作点,如图A点所示.在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量
Qc处于平衡状态,供述系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统得以稳定运行。
图2-2供水系统的基本特征图
2。
4变频恒压供水系统控制方案的确定
2。
4。
1供水系统方案的选择
根据恒压供水的相关原理,我们可以知道这个系统包含了压力变送器及传感
器,恒压控制单元,变频器,水泵机组和低压电器等部分.而对于恒压供水设计
的主要目的是,通过对恒定电压的控制单元的使用,使得变频器有效地控制着一
台水泵或者是闭环控制多台水泵,管网和水泵电机的软启动,工作状态在工频和
变频之间转换,最后需要能够运行数据传输。
根据有关任务的需要,以及考虑到
对于该系统的设计同现场的环境等因素,则出现以下有效途径可以作为参考。
一、压力传感器,水泵机组以及含供水基板的变频器相组合
这个相对单一的组合控制系统,主要是采用在一个变频器供水基板上同时融合Pm调节器以及可进行设计的控制器等硬件,而电子控制系统如PLC,PID等功能,通过设定的指令代码来控制。
这个系统确实简化了电路的结构,让设备的成本得到了有效的控制,但是比较麻烦的地方在于压力设定和显示压力的反馈值,而且不是自动在不同时期实现不同的恒定电压的要求。
要保证系统的稳态,动态性能很困难,PID调节器的参数优化难度也比较大,调整的范围是很小的。
而且其输出的接口缺乏灵活的扩展功能,难以进行数据的通信,其负载的容量也受到了限制。
综上所述,它仅适用于小容量且要求不高的地方。
二、通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器
这种控制系统具有很高的控制精度,其对于算法的控制也具有很高的灵活性,而且易于调整参数,具有较高的性能和较低的成本。
可设计时间相对较长,当程序经过固化后会带来相应的问题,对于后期所出现的问题在修改过程中有一定的难度,在现场进行调试时也会出现一些麻烦以及不够灵活的问题。
最为重要的是当变频器处于大功率工作的状态之下会产生极大的干扰,因此为了确保该系统的可靠运行,抗干扰的措施必不可少.如果是容量比较小的特定领域变频恒压供水系统,可以考虑使用这个系统.
三、通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器
第三种控制系统最主要的优点就是操作方便灵活,更为重要的是可以便利的
运用通信接口,用户能够较为方便的对其他系统交流信息,适用性高。
用户可以
通过系列化、模块化的PLC来灵活的控制系统,达到各种规模的组合要求.我们通过对硬件的设计来选择可编程序控制器及其外部的接线形式.假如控制需求一旦发生改变,我们也可以很容易地通过改变计算机内存里面的控制程序以此满足要求,所以具有非常便利的现场调试特性。
可编程序控制器具有强烈的抗干扰作用,稳定性强,这个组合在同种状态下使得它的可靠性大大提高。
所以,这种组合可以被应用到所有不同要求的恒压供水系统中,并具有与供水单元容量大小无关的优势[9]。
从整个系统的在现场适用性、抗干扰性和控制方式的灵活性来综合考虑,选择了通用变频器、PLC、人机界面和压力传感器的方案。
供水方式的控制图如下图2-3所示:
图2—3供述方式控制图
2.4。
2恒压供水系统的结构
变频恒压供水系统原理如图2—4所示,其主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力机控制线路以及泵组组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力变送器,把出口压力信号变成4—20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器,经PID运算与给定压力参数进行比较,得到4-20mA参数,4-20mA信号送至变频器。
控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量,根据用水量的不同,变频器调节水泵的转速不同、工作频率也不同,在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测,当用水量大时,变频器迅速上升到上限频率,此时,变频器输出一个开关信号给PLC;当用水出于低峰时,变频器输出达到下限频率,变频器也输出一个开关信号给PLC;两个信号不会同时产生。
当产生任何一个信号时,信号即反馈给PLC,PLC通过设置内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组,以此协议投入工作的水泵电动机台数,并完成电机的启停、变频与工频的切换.通过调整投入工作的水泵电动机台数和控制电机组中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力稳定,进而达到恒压供水的目的。
图2—4供水系统结构框图
2.4.3恒压供水系统的调节措施
变频恒压供水系统的调节措施包括以下两种,分别是单台变频器调节单台水
泵以及单台变频器调节多台水泵的方案。
1.单台变频器调节单台水泵
在国内,通常将一台变频器控制一台水泵成为单台变频器调节单台水泵.由
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- 毕业论文 基于PLC的恒压供水系统 基于 PLC 供水系统