基于三菱plc的恒壓供水系統畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 塊種類很多 ,例如高速技術模塊、 PLCA 控制模塊、數字位置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能 I/O 模塊等。 ⑸ 編程器 :它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調試和監視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連 ,以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上 ,磁帶上的信息可以重新裝入 PLC。目前編程器主要有以下三種類型 :便攜式編程器 (也 叫簡易編程器 )。圖形編程器 。用于 IBM 一 PC 及其兼容機的編程器。 便于攜帶的特點 ,一般只能用指令形式編程 ,通過按鍵輸入指令 ,通過數碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。 圖形編程器以液晶顯示器 (LCD)或陰極射線管 (CRT)作屏幕 ,用來顯示編程內容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息 ,還可在調試程序、檢查程序執行時顯示各種信號狀態、出錯提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程 ,梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機、錄音機、繪畫儀等設備連 接 ,有較強的監控功能。但它的價格高 ,適用于中、大型可編程控制器的編程要求。 用于 IBM PC 及其兼容機的編程器是個人計算機加上適當的硬件接口和軟件包作為編程器 ,也可直接編制成梯形圖 ,其監控功能也很強。編程器工作方式主要有編程和監控兩種 ,編程工作方式是在 PLC 機處于停機狀態時可以進行編程 ,它的功能主要是輸入新的程序 ,或者對已有的程序予以編輯和修改。 監控工作方式可以對運行中的控制器工作狀態進行監視和跟蹤 ,一般可以對某一線圈或觸點的工作狀態進行監視 ,也可以對成組器件 的工作狀態進行監視 ,還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態 ,除搜索、監視、跟蹤外 ,還可以對一些器件進行操作。因此編程器的監控方式對控制器中新輸入程序的調試與試運行是非常有用和方便的。 編程器的結構一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器 ,主要的顯示內容包括地址、數據、工作方式、指令執行情況及系統工作狀態等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵 ,在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一個選擇鍵 ,以選第 1 章 緒論 7 擇其中一種方式工作。 現在產品越來越模塊化 ,可編程控制器也不例外 ,它的結構緊密、堅固 ,外形小巧 ,CPU 本身只提供了一定數量 的數字輸入和輸出點數。不同廠家、不同型號的 PLC的輸入 /輸出點數也不同 ,有的大型機輸入 /輸出點數可達 16K,而很多小型機僅有十來點 ,而且 CPU 本身不帶模擬輸入與輸出 ,但 CPU 一般都帶有擴展接口。因此 ,用戶選型后 ,所需的輸入或輸出點數不夠時 ,就需對系統做出必要的擴展 ,各個廠家也生產了專用于擴展用的各模板供用戶選用。擴展模板的外形一般也小巧、堅固 ,有易于接線的端子排 ,帶有擴展總線或通過總線連接器與 CPU 相連。主要有數字輸入 /輸出模板 ,模擬輸入 /輸出模板 ,熱電阻、熱電偶擴展模板 ,還有智能模板等許多具有專用功能的特 殊模板。用擴展模板來擴展系統具有以下的優點 : 用戶可根據自己時間控制系統的要求 ,選用各種合適的擴展模塊對 PLC 作硬 件組態 ,以求達到各種功能或控制精度 ,同時節省開支 ,減少不必要的投資。 當已運行的系統需要改造或擴充時 ,PLC可以隨時進行升級或改版 ,所作的工作僅僅是替換或增加擴展模板和修改相應的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發將進一步擴展可編程控制的功能 ,專用模板的開發不僅擴大了可編程控制系統的控制功能 ,而且將進一步提高控制質量與可靠性。 PLC 的軟件可分為系統軟件和用戶程序兩大部分 : ⑴ 系統軟件 :也稱之為常駐的操作系統軟件。它又包括基本控制單元軟件和編程軟件兩部分。另外 ,一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統軟件。通常 ,一個 PLC 機架只能容納一定數量的模塊插件 ,這種包含主機模塊和部分 I/O 模塊的機架稱為基本控制單元。基本控制單元軟件固化在主機模塊的 EPROM 中 ,其主要功能為 :進行 PLC 自身的管理和監督 (如開機自檢 ,運行中監督 CPU、電池電壓是否正常 )。循環解釋運行用戶程序 。集中進行輸入信號的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來支持用戶程序的輸入 ,也可以用來監控用戶程序的執行過程。當用戶程序己裝入 PLC 的存儲器 ,編程器就可以被分離 ,基本控制單元將自動進入執行用戶程序狀態。考慮到 PLC 內部結構的復雜性 ,系統軟件應有專業技術人員進行設計 ,一般用戶不允許直接設計系統的內部操作。 ⑵ 用戶程序 :這是用戶應用 PLC 進行控制所需要編制的程序。目前 ,在 PLC 中普遍使用梯形圖編程方法。這種編程方法是在傳統繼電器梯形圖基礎上進行一定演變而形成的 ,突出了各編程原件之間的邏輯關系。與硬接線的梯形圖不同 ,PLC梯形圖邏輯是由軟件實現的 ,因此既形象直觀便于編寫 ,又易于擴展和修改功能。 華北理工大學機械工程學院 8 本課題主要研究內容 本課題是以小區供水系統為控制對象，采用 PLC與變頻技術相結合，設計一套城市小區恒壓供水系統。具體包括以下內容： ⒈ 論文在對課題進行分析和研究的基礎上，提出了系統的設計方案和思路，確定設計的主要研究內容和研究方法。 ⒉ 分析了變頻恒壓供水系統節能的原理，確定變頻恒壓供水系統的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程和工作原理；分析了在變頻恒壓供水中水泵切換的工作狀況。 ⒊ 進行系統總體控制方案的設計 。硬件設備的選型， PLC 選型，估算所需 I/O點數，進行 I/O 模塊選型，繪制硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O 點數，列出I/O分配表，使用相關軟件設計控制程序，并對程序進行調試和修改。 第 2 章 系統理論分 析及控制方案確定 9 第 2 章 系統的理論分析及控制方案確定 變頻恒壓供水系統的理論分析 水泵 電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： n= )1(60 spf ? （式 ） f:電源頻率， p：電動機極對數， s：轉差率。 從式 可知，三相異步電動機的調速方法有： ⑴ 改變 電源頻率； ⑵ 改變電機極對數； ⑶ 改變轉差率； 改變電機極對數調速的調控方式控制簡單，投資省，節能效果顯著，效率高；但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產機械。 改變轉差率調速是為了保證其較大的調速范圍，一般采用串級調速的方式，其最大優點是它可以回收轉差功率，節能效果好，且調速性能好，但由于線路過于復雜，增加了中間環節的電能損耗，成本高而難以推廣。 由公式可知，當轉差率變化不大 時，異步電動機的轉速 n基本上與電源頻率f成正比。而且隨著電力電子技術的發展，已出現了各種性能良好、工 作可靠的變頻調速裝置。目前 風機泵類節能型變頻器大多采用了改變輸出頻率和輸出電壓的比例關系的控制方式。即改變頻率的同時控制變頻器的輸出電壓，使電動機的磁通保持一定弱磁和磁飽和現象的發生，以免電動機發熱燒毀。從而促進了變頻調速的廣泛應用。 變頻恒壓供水控制方案的確定 控制方案的比較和確定 從變頻恒壓供水的原理分析可知 ,該系統主要有壓力傳感器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統 主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵 ,實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換 ,同時還要能對運行數據進行傳輸。根據系統的設計任務要求 ,結合系統的使用場所 ,有以下幾種方案可供選擇 : 華北理工大學機械工程學院 10 ⒈ 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統結構簡單 ,它將 PID 調節器和 PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上 ,通過設置指令代碼實現 PLC 和 PID 等電控系統的功能。它雖然微化了電路結構 ,降低了設備成本 ,但在壓力設定和壓力反饋 值的顯示方面比較麻煩 ,無法自動實現不同時段的不同恒壓要求 ,在調試時 ,PID 調節參數尋優困難 ,調節范圍小 ,系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性 ,數據通信困難 ,并且限制了帶負載的容量 ,因此僅適用于要求不高的小容量場合。 ⒉ 通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調節器控制 )+壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便 ,具有較高的性能價格比 ,但開發周期長 ,程序一旦固化 ,修改較為麻煩 ,因此現場調試的靈活性差 ,同時變頻器在運行時 ,將產生干擾 ,變頻器的功率 越大 ,產生的干擾越大 ,所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。 ⒊ 通用變頻器 +PLC+人機界面 +壓力變送器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口 ,可以方便地與其他的系統進行數據交換 。通用性強 ,由于 PLC 產品的系列化和模塊化 ,用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制系統。在硬件設計上 ,只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線 ,當控制要求發生改變時 ,可以方便地通過 PC 機來改變存貯器中的控制程序 ,所以現場調試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高 ,因此系統的可靠性大大提高。因此該系統能適用于各類不同要求的恒壓供水場合 ,并且與供水機組的容量大小無關。 通過對以上這幾種方案的比較和分析 ,可以看出“通用變頻器 +PLC+人機界面+壓力變送器”的控制方式更適合于本系統。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點 ,又能達到系統穩定性及控制精度的要求。 恒壓供水系統的組成及原理圖 該課題具體是為實現小區恒壓供水。由于現在建筑均較高，故采用分層供水，低水位區（通常為 15層）直接接市政管網，僅以閥門調節水量。而高水 位區選擇使用一臺變頻器對多臺水泵進行循環控制。具體為由壓力傳感器檢測出的水路管網出口端實際水壓與設定水壓進行比較，通過 PID控制算法對變頻器進行實時控制。管網鋪設如圖 所示： 第 2 章 系統理論分 析及控制方案確定 11 圖 管網鋪設圖 華北理工大學機械工程學院 12 供水系統的恒壓通過壓力變送器、 PID調節器和變頻器組成的閉環調節系統控制。根據水壓的變化 ,由變頻器調節電機轉速來實現恒壓。 供水系統框圖如下圖 所示 ： 圖 恒壓供水系統框圖 選用三 臺可調速泵由一臺變頻器控制，在一臺可調速泵可以滿足供水要求時，只開啟一臺水泵，由變頻器調速，當該臺水泵無法滿足供水要求時將其由變頻轉為工頻，變頻器轉而控制另一臺水泵，以此類推，從而實現小區的恒壓供水。在夜間用水量雖小，但由于高水位區供水需要較高壓力，故選擇同型號水泵以滿足供水要求。同時增強設備互換性。同時設一臺備用泵，方便設備輪換，提高硬件可靠性。 為了減少對泵組、管道所產生的水錘 ,泵組配置電動蝶閥 ,開啟水泵后打開電動碟閥 ,當水泵停止時先關電動碟閥后停機。配備穩壓罐來提高系統供水穩定性。 水泵的開啟和關閉，變 頻轉工頻等由 PLC 進行控制。具體為由壓力傳感器檢測出的水路管網出口端實際水壓與設定水壓進行比較， 同時檢測入口處壓力，防止空吸。 通過 PID控制算法對變頻器進行實時控制。控制流程如圖 ： 控制算法 壓力變送器 水泵機組 變頻器 Ps f △ P f Pt Pr 第 2 章 系統理論分 析及控制方案確定 13 圖 本系統的人機界面采用觸摸屏，通過觸摸屏使用者可以直觀看到水泵機組運行狀況，并進行現場手動控制。 由上圖可看出系統可分為 :執行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分 ,具體為 : ⑴ 執行機構 :執行機構是由一組 水泵組成 ,它們用于將水供入用戶管網 ,由變頻泵構成 ,變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵 ,用以根據用水量的變化改變電機的轉速 ,以維持管網的水壓恒定 。在變頻調速恒壓供水系統中 ,這樣構成水泵組有下幾個原因 :用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵 ,使水泵選型容易 ,同時這種結構更適合于大功率的供水系統 。供水系統的增容和減容容易 ,無需更換水泵 ,只要再增加恒速泵即可 。以小功率的變頻器代替大功率的變頻調速器 ,以降低系統成本 ,增加系統運行可靠性 。在用水量不太大時 ,系統中不是所有的水泵在運行 ,這樣可以提高水泵的運行 壽命 ,同時降低系統的功耗 ,達到節能的目的。 ⑵ 信號檢測機構 :在系統控制過程中 ,需要檢測的信號包括水壓信號和報警信號。水壓信號反映的是用戶管網的水壓值 ,它是恒壓供水控制的主要反饋信號。報警裝置 人機界面 通信接口 接觸機組 PLC 變頻器 壓力變送器 M1 M4 M3 M2 穩壓罐 供水管網 工頻電網 華北理工大學機械工程學院 14 此信號是模擬信號 ,由變頻器自帶 A/D 轉換模塊讀入變頻器，并在變頻器中進行PID 運算。另外為加強系統的可靠性 ,還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測 ,檢測結果可以送給 PLC,作為數字量輸入 。報警信號反映系統是否正常運行 ,水泵電機是否過載、變頻器是否有異常 ,該信號為開關量信號。 ⑶ 控制機構 :供水控制系統