【正文】 自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 基于PLC的恒壓供水泵站系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 自動化 摘 要本設(shè)計以一個城市小區(qū)供水系統(tǒng)作為被控對象，研究基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)，使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)，力求做到使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單，解決實際供水中問題，保證供水安全、快捷、可靠，目前變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)外實際供水控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。此變頻恒壓供水系統(tǒng)由水泵機組，共包括四臺水泵電機，其中三臺為常規(guī)水泵，一臺為輔助水泵，其與可編程序控制器、變頻器、壓力傳感器等相關(guān)器件組成了一個變頻循環(huán)運行系統(tǒng) 。系統(tǒng)實時比較管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值偏差的變化情況，經(jīng)PLC進(jìn)行PID運算，由PLC控制水泵電機的變頻、工頻切換，自動控制水泵電機投運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。經(jīng)軟件仿真及實驗室調(diào)試，證明系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞： PLC；PID；變頻器；恒壓供水 ABSTRACTThe design of a city district water supply system as a controlled object, the study is based on the PLC constant pressure water supply system, allowing the system to obtain better performance indicators, and strive to make sure that the system is stable and easy to operate, to correct the problem that is the actual water supply to ensure water supply safe, fast, reliable, constant pressure water supply system has been widely used in domestic and foreign real water supply control system.Constant pressure water supply system consists of a pump unit, including a total of four pump motor, three conventional pumps, one for the auxiliary water pump, a variable frequency with a programmable logic controller, inverter, pressure sensors and other related devices cycle operation system. Realtime parison system pipe network pressure and pressure setpoint deviation changes, the PID operation by the PLC, the PLC controlled pump motor frequency, frequency switching, automatic control of the number of units put into operation the pump motor and the motor speed to achieve constant loop automatic adjustment pressure water supply. The software simulation and laboratory testing, proof system could meet the design requirements. Keywords: PLC。 PID。 inverter。 constant pressure water supply II 目 錄 第一章 緒論 1 引言 1 供水系統(tǒng)發(fā)展歷程 1 恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 本文的結(jié)構(gòu) 3第二章 恒壓供水系統(tǒng)控制方案確定 4 系統(tǒng)設(shè)計要求 4 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 5 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 7第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理分析 8 電動機的調(diào)速原理 8 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 9 變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻原理 11 變頻調(diào)速的優(yōu)點及應(yīng)用 11 變頻器頻率給定方式 12 控制系統(tǒng)PID原理及整定 12 PID控制原理 12 參數(shù)整定方法 13第四章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 16 PLC及其擴(kuò)展模塊選型 16 PLC特點及性能指標(biāo) 16 可編程序控制器（PLC）的選型 17 擴(kuò)展模塊選型 18 變頻器的選型 19 變頻器的具體選型 19 變頻器與模擬量擴(kuò)展擴(kuò)展的連接 19 變頻器參數(shù)設(shè)定 20 水泵機組的選型 21 水泵機組的選型原則 21 水泵機組選型 22 供水壓力傳感器的選型 23 壓力傳感器的性能參數(shù) 23 壓力傳感器的選型 23 系統(tǒng)主電路設(shè)計及分析 25 系統(tǒng)軟件的I/O口分配及外圍接線圖 26第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 29 恒壓供水系統(tǒng)軟件部分總體分析設(shè)計 29 系統(tǒng)軟件部分分析 29 系統(tǒng)軟件部分總體設(shè)計 29 恒壓供水系統(tǒng)程序流程圖 31 子程序和中斷程序 33 子程序的調(diào)用指令和返回指令 33 子程序調(diào)用過程的特點 33 中斷程序的調(diào)用原則 34 中斷調(diào)用指令 34 供水壓力采集程序 35 壓力采集的平移式平均值濾波法 35 壓力采集程序的編制 37 控制系統(tǒng)PID整定部分程序設(shè)計 39 PID回路指令及使用 39 PID指令在系統(tǒng)中的使用 39第六章 PLC程序仿真及調(diào)試 41 仿真軟件調(diào)試 41 實驗室調(diào)試 45第七章 結(jié)論 48 論文總結(jié) 48 48 存在的問題 48 個人收獲 49致謝 50參考文獻(xiàn) 51附錄A：電氣接線圖 52附錄B：PLC外圍接線圖 53附錄C PLC梯形圖 54 IV第一章 緒論水是人類最寶貴的資源，是人類賴以生存的基本條件，也是國民經(jīng)濟(jì)的生命線。在節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，較長階段以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直較為落后，自動化程度不高，水資源浪費現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。 伴隨著住房政策改革的不斷深入，城市中各種類型小區(qū)建設(shè)發(fā)展非常迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)作為其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性將直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平。日常的生產(chǎn)生活用水需求通常是隨時間變化的，因季節(jié)、晝夜相差很大，因此用水和供水的不平衡主要表現(xiàn)為在用水高峰期，水的供應(yīng)量往往低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低谷期，水的供給量往往高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，這將會造成能量的浪費，同時有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。所以 保持供水壓力恒定可以實現(xiàn)供、用水的平衡[1]。而變頻恒壓供水系統(tǒng)的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。 供水系統(tǒng)發(fā)展歷程恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)了水箱和水塔或氣罐式增壓設(shè)備等供水方式時，在造成水的二次污染、造成水質(zhì)變差的同時，由于它們必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來提升水量，結(jié)果造成了水泵電機的軸功率和能量損耗。下面對幾種供水方式進(jìn)行介紹 (1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng)：這種供水方式下，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，但耗電、耗水嚴(yán)重、水壓不穩(wěn)、供水質(zhì)量不佳，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。(2) 恒速泵+水塔的供水方式：這種方式是水泵首先向水塔供水，然后由水塔向用戶供水。這種供水方式 ，供水壓力相對穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)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，同時還存在一些能量損失和二次污染問題。 (3) 射流泵十水箱的供水方式：這種方式是根據(jù)射流泵本身的特有結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作。是利用壓差和來水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝實現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不健全，再加上該供水方式會出現(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 ：這種供水方式原理與水塔供水方式是相同的，區(qū)別僅在于水箱設(shè)在建筑物的頂層。 相對于水塔供水方式，高位水箱供水方式占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但其必然提高建筑物的總體造價，且影響設(shè)計風(fēng)格對，同時水箱受到建筑物的限制，容積不能太大，所以供水的范圍必然較小。同時一些污染源有可能進(jìn)入水箱帶來水質(zhì)的污染。 (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替代高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力以控制泵的開、停。氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點，如氣壓罐方式的運行不穩(wěn)定突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動，頻繁啟動將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。 以上幾種供水方式都曾經(jīng)在一定歷史階段和某些生產(chǎn)生活領(lǐng)域發(fā)揮了舉足輕重的作用，但是，隨著人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，以上供水方式顯示出越來越多的弊病，再加上目前能源緊缺，供水方式必將朝著高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展 。 變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、安全性高、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。變頻恒壓供水系統(tǒng)必將在將來的生產(chǎn)生活中成為新興主流供水方式[2]。 恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水方式是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展以后逐漸發(fā)展起來的。在早期，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時均采用一臺變頻器帶動一臺水泵機組的方式，幾乎沒有一臺變頻器拖動多臺水泵機組工作的情況，因而投資成本很高。1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度等方面的提高以及其顯著的節(jié)能效果被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外眾多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并生產(chǎn)出一系列具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，其推出的恒壓供水基板，具有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等相關(guān)硬件集成到變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼就可以實現(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，就可以直接控制各個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成多達(dá)7臺電機(水泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖說微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是其輸出接口的擴(kuò)展功能缺少靈活性，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)軟件很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，且限制了帶負(fù)載的容量所以在實際使用時其范圍將會受到局限[3]。 目前國內(nèi)很多公司在做變頻恒壓供水工程，大多數(shù)采用國外品牌的變頻器控制基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計，水泵的轉(zhuǎn)速，供水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)以及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用PLC（可編程控制器）及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機及相關(guān)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諸多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)未達(dá)到所有用戶的要求，只適用于小容量，控制要求不高的供水場所[4]。雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵恒壓系統(tǒng)正在被多泵恒壓系統(tǒng)取代。雖然說單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計簡單可靠，但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、電機運行效率偏低，而多泵型產(chǎn)品因投資更為節(jié)省，運行效率更高，經(jīng)實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計，必將快速發(fā)展成為供水的主導(dǎo)產(chǎn)品。該產(chǎn)品正在向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化等方向發(fā)展。追求高度的智能化、系列的標(biāo)準(zhǔn)化將是未來供水設(shè)備滿足城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 本文的結(jié)構(gòu) 本文以普通城市小區(qū)恒壓供水作為應(yīng)用背景，對基于PLC的變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究。全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章簡略的介紹了供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及相關(guān)背景； 第二章主要通過分析系統(tǒng)的控制要求，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析； 第三章對變頻恒壓供水進(jìn)行了原理性分析，為系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計，并對所需元件進(jìn)行選型，設(shè)計出系統(tǒng)的電氣原理圖與I/O口外圍接線圖； 第五章對系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行總體設(shè)計，介紹了各軟件程序部分設(shè)計過程，重點研究壓力采集程序與PID部分，并列舉典型程序； 第六章主要對PLC程序進(jìn)行仿真軟件調(diào)試和實驗室調(diào)試，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證分析，并總結(jié)不足之處； 第七章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。第2章 恒壓供水系統(tǒng)控制方案確定 系統(tǒng)設(shè)計要求本設(shè)計是以普通小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)， 保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總