PLC在高楼供水的应用(共21页)

1、紫琅职业技术学院毕业设计（论文）题 目：PLC在高楼供水系统中的运用副 标 题：学 生 姓 名：所在系、专业：机电系班 级：机电101指 导 教 师：日 期：摘 要随着城市建筑供水问题的日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的；同时要求供水的可靠性和安全性。本次设计是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由主回路，备用回路，一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有1#3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀控制各供水回路和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每

2、年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。论文设计了关于PLC在高楼供水系统中的一些运用。有关于控制的方案、各种控制的类型。还有一些变频器的使用、操作要求和安全方面都做了详细的介绍。目 录摘 要I目 录II第一章 绪论11.1 研究背景11.2 可编程器件（PLC）1第二章 系统组成及控制要求32.1 系统简介32.2 控制组成32.3 控制要求及技术指标3第三章 系统硬件设计53.1 PLC扩展模块选型53.2系统主电路分析及其设计53.3系统控制电路分析及其设计63.4 PLC的I/O端子设计及外围接线图7第四章 供水系统的的软件设计11

3、4.1 供水系统运行状态及转换分析114.2控制系统子程序设计12第五章 总结16致 谢17参考文献18第一章 绪论1.1 研究背景人类在生活、生产中的比不可缺少的重要的物质是水和电，在节能节水已成为时代主要特征的现实条件趋势下，我们这个水、电能源非常短缺的国家，长期以来在高层建筑供水、市政供水、工业生产循环供水等方面技术一直处于较落后，自动化程度低的状态，而随着经济的发展，人们生活水平的逐步提高，城市中小区建设的发展十分迅猛，同时也对小区基础设施的建设提出了更高的要求。而小区供水系统的建设是其中的一个重要的方面，供水的稳定性、可靠性、经济性直接影响到小区居民的正常的工作、生活，也直接说明了小

4、区物业管理水平的低下。传统的小区供水模式有：气压罐方式供水、恒速泵加压方式供水、水塔高位水箱供水、单片机变频调速方式供水系统、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式等方式，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。今年来，供水模式朝向自动可靠和高效节能的方向上发展，拥有显着的节能效果和稳定可靠的控制方式的变频调速技术，以其在风机、空气压缩机、水泵、制冷压缩机等设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，该系统的效果尤为突出。 基于PLC（可编程器件）高楼供水系统集电气技

5、术、变频技术、现代控制技术于一体。采用该系统可以大幅度提高高楼供水系统的稳定性和可靠性，并具有较好的节能性，在能源日益紧缺的今天该应用方式尤为重要，因此研究设计该系统，对于提高企业产品效率、人民生活水平以及降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 可编程器件（PLC）可编程控制器，简称PLC(Programmable logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC做了定义的是国际电工委员会(International Electrical Committee) 在1987年颁布的PLC标准草案中:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电

6、子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量控制、模拟量控制、数字量控制、数据采集、用于进行监控、用于联网、通讯。第二章 系统组成及控制要求2.1 系统简介在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和

7、转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。2.2 控制组成系统主要由

8、电动机，变频器，PLC控制器，软起动器，电机保护器数据采集及其辅助设备组成。2.3 控制要求及技术指标1、供水压力要求恒定，波动要小，尤其在换泵下。2、需设定运行时间，为了防止一台泵长时间运行。当泵机运行时间到时，自动切换到下一抬泵，以防止泵机锈死。3、三台泵机根据压力的设定值，采用“先开先停”的原则。4、要有完善的保护和报警功能。5、要有水池防抽空的功能。6、为了检修和应急要设有手动功能。技术指标：CDLF系列轻型不锈钢立式多级泵：流量：4.2-504m3/h；扬程：24-240m；功率：1.5-450kw；转速：2900r/min；口径：40-250；温度范围：0-+90；工作压力：2.4

9、Mpa 预定压力设定数值：第一，二压力设定。其中第二压力为消防用水压力。高楼水泵数量根据用户的实际情况决定。第三章 系统硬件设计3.1 PLC扩展模块选型图 3.1 电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括：（1） PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。我们以三菱的FX2N-32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR为例，其中三菱FX2N-32MR的主要参数为：IO点数： 1616；基本

10、指令： 27条；功能指令： 298条；基本指令执行时间： 0.08微秒；用户程序步骤： 4K；通信功能： 强；输出形式： 继电型；输出能力： 2A点；扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点。3.2系统主电路分析及其设计图3.2所示是基于PLC的变频恒压供水系统主电路图：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔

11、离开关；FU为主电路的熔断器。图3.2 供水系统主电路图本系统中3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵机在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，避免某一台水泵工作时间过长。3.3系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。PLC主要完成以下功能：(1) 自动控制三台水泵的投入运行；(2) 能在三台水泵之间实现变频泵的切换；(3) 三台水泵在启动时要有软启动功能；(4)对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；(5)系统要有

12、完善的报警功能并能显示运行状况。如图3.3所示是电控系统控制电路图。图3.3 供水系统控制电路图图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号。3.4 PLC的I/O端子设计及外围接线图型号为三菱FX2N-32MR的P

13、LC，它表示的含义如下：它是基本单元，内部包括CPU、存储器、输入输出口及电源；其输入输出总点数为32点，其中输入点数为16点，输出点数为16点；输出类型为继电器型，其扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点。PLC具体的端子分配情况如表3.1所示。表3.1 水泵机组型号及参数接线端子及硬件器件I/O地址功能注释输入中间继电器KA常开触点X0自动/手动功能转换变频器Y2端子X1变频器输出频率极限信号远传压力表压力上限电节点X2压力下限到达信号远传压力表压力下限电节点X3压力上限到达信号水池水位下限信号X4水池水位下限信号变频器输出报警继电器30AX5变频器故障报警信号FR1常开触点X61

14、#电机过载信号FR2常开触点X72#电机过载信号FR3常开触点X103#电机过载信号FR4常开触点X114#电机过载信号KM1常开辅助触点X121#电机变频运行故障信号KM3常开辅助触点X132#电机变频运行故障信号KM5常开辅助触点X143#电机变频运行故障信号KA25常开辅助触点X151#电机跳空开故障信号KA26常开辅助触点X162#电机跳空开故障信号KA27常开辅助触点X173#电机跳空开故障信号输出接变频器FWD端Y0实现复位/运行控制KA1线圈Y11#变频运行控制及指示KA2线圈Y21#工频运行控制及指示KA3线圈Y32#变频运行控制及指示KA4线圈Y42#工频运行控制及指示KA5

15、线圈Y53#变频运行控制及指示KA6线圈Y63#变频运行控制及指示KA7线圈Y7辅助泵工频运行控制及指示KA10线圈Y10水池水位下限报警指示KA11线圈Y11变频器故障报警指示KA12线圈Y12现场手动控制指示KA13线圈Y13自动变频运行指示KA14线圈Y14自动工频运行指示KA15线圈Y15远程手动运行指示KA16线圈Y16变频器X1端子功能有效。实现自由停车KA17线圈Y17无人值守电话自动报警KA20线圈Y201#水泵电动蝶阀控制信号KA21线圈Y212#水泵电动蝶阀控制信号KA22线圈Y223#水泵电动蝶阀控制信号KA23线圈Y234#水泵电动蝶阀控制信号说明：1#、 2#、 3#

16、分别代表I号主水泵、2号主水泵、3号主水泵。结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3.1，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图3.4所示：图3.4 PLC及扩展模块外围接线图图3.4 只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施；(4) 系统的保护措施等。第四章 供水系统的的软件设计4.1 供水系统运行状态及转换分析启动自动变频运行方式时，首先启动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频

17、器启动1#主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在l#主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整l#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时1分钟，由PLC给出控制信号，将1#主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2#主水泵软启动。系统工作于l#工频、2#变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数，直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状

18、态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现锈死

19、现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。若有N台水泵参与变频调速，则满足“先起先停”的原则的最大有效状态数为N2+1。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，见表4.1。表4.1 系统有效供水状态状态符号供水状态S0辅助泵运行，1#、2#、3#主泵停机S20辅助泵停机，1#主泵变频运行，2#、3#主泵停机S21辅助泵、1#主泵停机，2#变频运行，3#停机S22辅助泵、1#、2#主泵停机，3#变频运行S23辅助泵停机，1#主泵工频运行，2#变频运行，3#停机S24辅助

20、泵停机，1#、2#主泵工频运行，3#变频运行S25辅助泵停机，1#主泵停机，2#工频运行，3#变频S26辅助泵停机，1#主泵变频，2#、3#工频S27辅助泵停机，1#变频，2#停机，3#工频S28辅助泵停机，1#工频，2#变频，3#工频各状态的转换如图4.1所示图4.1 供水系统状态转换图4.2控制系统子程序设计(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。假设所选变频器的输出频率范围为0100HZ，则上下限给定值分别为16000和6400。在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数

21、的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中断连接。具体程序梯形图如图4.2所示。图4.2初始化子程序SBR_0梯形图(2) PID控制中断子程序首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。具体程序梯形图如图4.3所示。图4.3 PID控制中断子程序INT_0梯形图第五章 总结通过以上各部分的分析与描述可知，在进行控制系统设计之前，必须调查清楚用户的需求，然后综合考虑各需求之间的关系和处理方法。变频器选择ABB公司的产品，IG5或IS5或IH等，它不仅完全具备控制系统对其功能的需求，而且具有较高的可靠性和性价比。基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统采用PLC的开关量输入/输出方式来控制电机的起动与停止、状态迁移、检修与故障处理等功能，通过PID仪表、压力变送器来实现变频驱动电机水泵的速度调节(当然也可以通过触摸屏和模拟量输入输出混合模块来实现变频速度调节)，从而达到恒压供水的目的。控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则，采取“先开先停”的排队策略，执行变频方式轮值，确保各泵使用率基本均衡。通过这几个月毕业设计的学习，我深深的感受到PLC在社会上的应用，也充分的让我明白在当今这个竞争激烈的社会，只有自己不断的学习，你才不会被这个社会所淘汰，只有我们坚持一个信念-要勇往直前，不怕艰苦，不断