【正文】 URE WATER SUPPLY CONTROL SYSTEM BASED ON PLC 學(xué)生姓名 * 學(xué)生學(xué)號 * 學(xué)院名稱 信電工程學(xué)院 專業(yè)名稱 電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師 * 2020 年 12 月 25 日 電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計 (論文 ) I 摘要 本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓 供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)等構(gòu)成。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對四相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速。通過工控機(jī)與 PLC 的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。由于居民日常用水和工業(yè)用水會隨季節(jié)、晝夜等變化而隨之發(fā)生變化，如采取傳統(tǒng)的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優(yōu)化配置。 本文介紹的是關(guān)于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計，它采用了微機(jī)控制技術(shù) ，電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無極調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計系統(tǒng)，對于調(diào)高企業(yè)效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求的不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。 本課題的主要研究內(nèi)容 設(shè)計是以供水系統(tǒng)為設(shè)計對象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，并引用計算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證供水系統(tǒng)安全 可靠的運(yùn)行。所有泵可設(shè)計成變頻循環(huán)軟啟動的工作方式；采用 PID 算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制；西門子 S7200 型系列 PLC 控制變頻及現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行；系統(tǒng)具有自動 /手動操作功能；具有故障自診和自處理能力，對過流，欠壓，過壓等變頻器故障均能自行診斷，并發(fā)出報警信號。硬件設(shè)備選型、 PLC 選型、估算 所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O 連接圖、分配 I/O 點(diǎn)數(shù)， 列出 I/O 分配表，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實(shí)現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。 (2) 通用變頻器 +單片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運(yùn)行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制 、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 21變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出 ，系統(tǒng)可分為 ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為 ： (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由 一臺 變頻泵和 兩臺工頻 泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定 ；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時） 的情況下 投入工作 。 管網(wǎng) 水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系 統(tǒng) 的核心。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加 水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī) ； 變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可 以選擇， 本 設(shè)計中采用前者 。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此 系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 見 圖 22。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計 (論文 ) 6 實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。這個頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率 。 所以選擇 50HZ和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。主要設(shè)備選型 見 表 31。在 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體 ，易于擴(kuò)展其功能的電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設(shè)計 (論文 ) 8 原則而設(shè)計 。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC， S7200屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2020 年升級為第三代產(chǎn)品 。因此我們在選擇 PLC時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。 PLC 和上位機(jī)的通信采用PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口 (PPI)協(xié)議， PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1個，模擬量輸出點(diǎn) 1個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235，該模塊有 4 個模擬輸入 (AIW)， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。 EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。 由于本設(shè)計中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 MicroMaster440變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、 功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市 給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)