【正文】 西南科技大學本科生畢業(yè)論文基于PLC的樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文第 1 章 緒 論我國的“十一五計劃”提出了節(jié)能減排，是我國未來發(fā)展的長遠規(guī)劃，是社會主義發(fā)展的長遠規(guī)劃，是造福子孫后代，利國利民的一項偉大舉措，節(jié)能減排 工作，利在當代，功在千秋，不僅關系到我國人民的生活質量，同時也與全世界人民的生活息息相關[7]。然而，當節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實時，中國這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，水資源浪費嚴重。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過不同的供水方式。以下作就逐一分析。(1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng)這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質量極差。(2) 恒速泵+水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。此方式較之前者供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大。水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。(3)射流泵十水箱的供水方式這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進行工作，利用壓差和來水管粗，出水管細的變徑工藝來實現(xiàn)供水，但是由于其技術和工藝的不完善，加之該方式會出現(xiàn)有壓無量(流量)的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人工操作，使系統(tǒng)的供水質量下降能耗增加。(5)恒速泵十氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點，在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者作一比較[14]。 課題研究的背景及意義由于以前采用的供水方式存在很多缺點。比如可靠性比較差，運行的效率普遍不高，基本上沒有實現(xiàn)自動化，已經(jīng)跟不上飛速發(fā)展的經(jīng)濟建設腳步，勢必逃脫不了被淘汰的命運。為了改變這一現(xiàn)狀，提高其自動化是必由之路。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，這就使變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現(xiàn)代控制、遠程監(jiān)控技術于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。且具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。 國內外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應商之一)后，隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn)。有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團〔森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器()，無需外接PLC和PID調節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)(月麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所[4]。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。 設計內容概況本次研究設計對象是針對樓宇用水，面向廣大普通住宅用戶并根據(jù)實驗室已有設備設計的一個恒壓供水系統(tǒng)。研究內容主要有：了解恒壓供水系統(tǒng)的運行工藝情況，以 PLC 和變頻器為主，結合水泵機組和壓力表等設備，組成一個恒壓供水系統(tǒng)；確定工況的轉換方式，完成上下位機程序的編寫；對PID調節(jié)參數(shù)進行設定，實驗變頻恒壓供水；解 PLC 與計算機如何通信，選擇通信方式并且確定通信協(xié)議，開發(fā)基于OPC組態(tài)軟件的監(jiān)控界面，完成系統(tǒng)監(jiān)控調試，實現(xiàn)對供水系統(tǒng)遠程啟停、監(jiān)控和管理。從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和節(jié)能性，更大強度的滿足樓宇內用戶各方面長期用水需求。 論文結構安排 本論文總體結構分為五章 第1章 緒論 本章主要介紹了恒壓供水系統(tǒng)的重要性，課題的研究背景，以及本次課題的研究背景和主要內容。第2章 系統(tǒng)總體分析 本章主要介紹了供水系統(tǒng)的需求分析，如何滿足這些需求，通過變頻器來調節(jié)水泵工作速度的理論依據(jù)，以及本系統(tǒng)各個部分的總體控制結構。第3章 系統(tǒng)硬件設計 本章詳細介紹了本系統(tǒng)所構成器件的選型及介紹。第4章 系統(tǒng)運行的軟件設計 本章詳細分析了PLC軟件設計以及PID的參數(shù)整定。第5章 系統(tǒng)監(jiān)控的軟件設計 本章詳細分析了OPC監(jiān)控組態(tài)軟件的設計，系統(tǒng)運行結果的監(jiān)控分析。第6章 項目分析 本章分析了該系統(tǒng)投入使用的可行性分析及如何加強系統(tǒng)的抗干擾能力。 第2章 系統(tǒng)總體分析 在我們通常所說的供水系統(tǒng)中，廣為使用的一種方式就是恒壓供水系統(tǒng)。但是人們用水的習慣是不規(guī)律的，用水量每時每刻都在不停的發(fā)生變化。采用恒速泵供水的方式，管道網(wǎng)絡內的壓力是可以通過切換水泵來進行控制的，但是想讓管道內的水壓保持穩(wěn)定是不可能的。而且水泵的電機如果一直處于啟動和停止切換的狀態(tài)，勢必增大設備損壞的可能性，減短設備使用壽命，而且不節(jié)能，對人們的供水也不穩(wěn)定。如果是通過調節(jié)閥門，控制水流量的方法來保證管道的壓力，不僅會增大機械的損耗，讓設備維護的工作量變大，增大設備的維護成本，而且這種方式不夠精確，還容易造成能源的無謂損耗。不斷啟動和停止水泵的電機，肯定會引起水錘效應，從而給整個管道網(wǎng)絡和閥門等帶來損耗和破壞。我們從系統(tǒng)的實際應用來分析，確定本研究的需求以及功能的實現(xiàn)[8]。根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備，可確定本供水系統(tǒng)內含有3臺水泵，一臺主生活水泵，一臺副生活水泵，一臺消防水泵。我們控制的目標一般都選擇管道出口處的壓力信號，比較我們設定的壓力值和采樣值，通過計算后結合 PID 調節(jié)的方式來保證壓力值在管道出口處是穩(wěn)定不變的，這就可以稱之為恒壓供水。整個系統(tǒng)中，水泵工作的臺數(shù)、工頻工作還是變頻工作，均需要我們根據(jù)實際的情況來決定，這樣就確定了主回路的控制方式，再通過 PLC的控制來滿足用戶的實際需求。所以我們首先要做的就是了解用戶有哪些實際需求。 在供水系統(tǒng)工作時，通過水網(wǎng)端口壓力傳感器反饋的信號，經(jīng)過變頻器中內置的PID控制器運算后必須要能及時準確反饋信號至PLC，然后由PLC來控制電動機的啟動和停止，即控制工作水泵的臺數(shù)，以來達到恒壓的效果?？刂品绞奖仨氁谧冾l和工頻之間可以進行轉換。這樣做是為了讓系統(tǒng)更加可靠，一旦變頻器發(fā)生了故障，或者設備需要進行維護，需要關閉變頻器時候，及時切換到工頻就不會對供水造成影響。 遇到火災的時候，要求我們的系統(tǒng)對消防報警的信號也要能夠做出反應。供水系統(tǒng)遇到火災，收到消防信號的時候，必須馬上停止正常的運行，將供水的重點放到消防系統(tǒng)中來，幫助消防撲滅火災。這樣就要求我們的 PLC 在控制的時候，程序中要實現(xiàn)平時正常的供水和緊急情況下對消防進行供水兩種供水模式。消防的信號作為這兩種供水模式切換的判斷依據(jù)。因為本次設計是針對樓宇供水，所以所用水泵主要是離心泵。普通的離心泵的構造如圖21所示。 圖21 水泵構造圖 在開動水泵前，泵里灌滿了水，當水泵轉動時，葉輪旋轉，水在離心力的作用下被甩出去，獲得一定的速度。利用蝸殼后端的擴散管或導葉的截面逐漸擴大，將速度能轉換為壓力能，順著水管把水送出去，這就是離心泵的壓水原理。在離心泵內充滿液體的情況下，葉輪旋轉產(chǎn)生離心力，葉輪槽道中的液體的離心力的作用下甩向外轉流進泵殼。葉輪中心原來被水占有的地方就變成真空，壓力降低，而泵吸入口液面有大氣壓力的作用，葉輪中心的壓力低于吸入管內的壓力，液體就在這個壓力差的作用下由吸入管流入葉輪。液體在離心力的作用下，又被甩出去，并通過蝸殼、擴散管等的作用將其速度能轉換為壓力能把液體送出。這樣，連續(xù)不斷地把液體壓出去又吸上來，使液體增加能量，達到提升、輸送液體的作用。這就是離心泵的工作原理。 電動機的調速原理水泵一般采用的是三相異步電動機，電機轉速公式為 n=60f（1s）/p （21）在公式（21）中， f是交流電頻率，通常為50hz；s為轉差率，；p為電機的電磁極對數(shù)，2極電機p為1，4極p為2。根據(jù)公式，很容易得知調速，其實就是調節(jié)電機轉速公式里的那幾個參數(shù)。變極調速的基本原理是:如果電網(wǎng)頻率不變，電動機的同步轉速與它的極對數(shù)成反比。因此，變更電動機繞組的結線方式，使其在不同的極對數(shù)下運行，其同步轉速便會隨之改變。 變壓調速是異步電機調速系統(tǒng)中比較簡便的一種。由電氣傳動原理可知，當異步電機的等效電路參數(shù)不變時，在相同的轉速下，電磁轉矩與定子電壓的二次方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以改變機械特性的函數(shù)關系，從而改變電機在一定輸出轉矩下的轉速。 轉子串電阻調速是在繞線轉子異步電動機轉子外電路上接入可變電阻，通過對可變電阻的調節(jié)，改變電動機機械特性斜率來實現(xiàn)調速的一種方式。 串級調速的基本原理是在繞線轉子異步電動機轉子側通過二極管或晶閘管整流橋，將轉差頻率交流電變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)可控逆變器獲得可調的直流電壓作為調速所需的附加直流電動勢，將轉差功率變換為機械能加以利用或使其反饋回電源而進行調速的一種方式。變頻調速是利用電動機的同步轉速隨頻率變化的特性，通過改變電動機的供電頻率進行調速的方法。當轉速變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比，連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑的改變電動機的轉速。但是，單一的調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了各種性能好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用[9]。 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤岬?，由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系 H=f（Qu）。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表面閥門在某一開度下?lián)P程H與流量Q之間的關系，如圖22所示。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實際上市改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f（Qc）。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交叉點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖A點所示。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供述系統(tǒng)既滿足了揚程特性，