【正文】 34 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 5 頁 共 34 頁 第一章 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求 設(shè)計(jì)的目標(biāo)： 本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)一套具有計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能的高層建筑物恒壓供水系統(tǒng)的 控制部分，該設(shè)計(jì)主要針對高層建筑物供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水量隨著用戶用水量的增減而實(shí)時(shí)增減，但須保持供水水壓恒定。計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分，主要實(shí)現(xiàn)供水水壓設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)顯示。 任務(wù)要求： 供水對象為一棟 45米高、 180戶居民的住宅樓，需考慮生活、消防用水； 當(dāng)用戶用水量變化時(shí)，要求系統(tǒng)供水壓力波動(dòng)在177。 2％之內(nèi)； 在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上可以設(shè)定系統(tǒng)供水壓力，可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。 控制方案 控制方案 根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求 ,本系統(tǒng)采用目前較為先進(jìn)的交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方 案。控制系統(tǒng)組成框圖如圖 。系統(tǒng)由 PLC、變頻器、水箱、供水機(jī)組、供水管網(wǎng)和各種傳感器、儀表組成。 圖 11 控制示意圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 6 頁 共 34 頁 P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 22 系統(tǒng)整體 示意圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵 M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用 水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 (2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制 下自動(dòng)投入水泵 M2(變速運(yùn)行 )，同時(shí)變頻泵 M1 做工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。 (4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將工頻泵 M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的 條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3關(guān)掉。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 7 頁 共 34 頁 第二章 硬件設(shè)計(jì)和選型 硬件設(shè)計(jì) PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則： （ 1）應(yīng)最大限度地滿足機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制要求； （ 2）確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠； （ 3）力求控制簡單、實(shí)用、合理； （ 4）系統(tǒng)應(yīng)留有一定余量。 ： （ 1）根據(jù)被控對象的工藝擬定控制系統(tǒng)的控制功能及目標(biāo)； （ 2）細(xì)化控制系統(tǒng)的各類技術(shù)要求； （ 3）選型及硬件配置； （ 4）編制 I/O分配表，繪制 PLC系統(tǒng)及其現(xiàn)場設(shè)備的接線圖； （ 5）依據(jù)軟 件說明書，編制 PLC應(yīng)用程序； （ 6）編寫設(shè)計(jì)說明書和系統(tǒng)使用說明書、操作規(guī)則等； （ 7）系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和投運(yùn)。 ： （ 1）分析被控對象并提出控制要求； （ 2）確定輸入輸出設(shè)備； （ 3）選擇 PLC機(jī)型； （ 4）分配 I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì) PLC外圍硬件電路； （ 5）程序設(shè)計(jì)和程序模擬調(diào)試； （ 6）硬件實(shí)施主要進(jìn)行控制臺等硬件的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場施工； （ 7）聯(lián)機(jī)調(diào)試； （ 8）根據(jù)調(diào)試的最終結(jié)果編制技術(shù)文件。 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)按以下流程進(jìn)行： 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 8 頁 共 34 頁 圖 21控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流 程圖 PLC 控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)： 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺電機(jī)分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。接觸器 KM KM KM5分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KMKM6分別控制 M M M3的變頻運(yùn)行； FR FR FR3分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS QS QS QS4分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3臺水泵中只有 1臺水泵 在變頻器控制下作 變速運(yùn)行，其余水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 。 PLC中的模擬量模塊輸出模擬量 ,使變頻器變頻啟動(dòng)第一臺泵，即開關(guān)量 KM2 閉合。當(dāng)壓力變送器檢測到供水管網(wǎng)內(nèi)水壓持續(xù)達(dá)不到供水要求，即變頻器頻率大于等于45Hz且持續(xù)兩分鐘，則 KM2斷開、 KM1接通、 KM4接通，第一臺泵公頻運(yùn)行， 變頻啟動(dòng)第二臺泵。當(dāng)公頻泵連續(xù)運(yùn)行達(dá) 24小時(shí)， PLC自動(dòng)停止該泵的運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)第三臺泵。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 9 頁 共 34 頁 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器 的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、 V、 W 通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1 和 KM KM3 和 KM KM5 和 KM6絕對不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將 4~20mA電流信號送至上位機(jī)來顯示。同時(shí)可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路 (如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開 )，而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。為提高變頻器的 功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。 PLC 的選型 可編程控制器（ Programmable Logic Controller）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。 PL C是該控制系統(tǒng) 的核心部件，合理選擇 PLC對于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量至關(guān)重要的。選擇 PLC應(yīng)包括 PLC機(jī)型、容量等的選擇。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙 第 10 頁 共 34 頁 PLC機(jī)型選擇 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比。 （ 1）結(jié)構(gòu)合理 對于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)的 PLC。 （ 2）功能強(qiáng)弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的 PLC。 PLC容量的選擇 PLC容量主要是指是 PLC的 I/O點(diǎn)數(shù)， I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。 由于目前 I/O點(diǎn)數(shù)較多的 PLC價(jià)格也較高，若備用的 1/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 1/0點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留 10%15%點(diǎn)數(shù)備用量。 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能， PLC選用三菱公司的 FX2N系列 FX2N48MR001， FX2N48MR具有豐富的可靈活配置的硬件資源：內(nèi)含時(shí)鐘、 PID運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)器、顯示器、 AC/DC/繼電器內(nèi)置數(shù)字 I/O（ 24路開關(guān)量輸入， 24路繼電器輸出），另配置 FX0N4AD模擬量模塊， FX2N485BD通信模塊。 SC