基于三菱PLC的水塔供水控制系统设计

毕业设计(论文)图书分类号：密级：毕业设计(论文)基于三菱PLC的水塔供水控制系统设计DESIGN

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WATER

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BASED

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MITSUBISHIPLCPAGEPAGEI学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日毕业设计(论文)PAGEIV摘要目前，我国的大多数城市普遍使用水塔供水，依靠人工操作来控制相应机组，不仅不能节约资源还存在着浪费资源、浪费劳动力的现象。本设计采用三菱可编程控制器设计一套具有手动/自动两套控制方式的小区供水自动控制系统。本系统设计自动控制采用三菱FX2N-48MR型号PLC以及三菱FR-F740变频器实现水泵机组变频启动。设立警戒水位线，根据水塔内4个电子式水位开关检测水塔液位，根据不同液位，控制水泵“高速-中速-低速”运转，保持水塔水位。系统设计多种故障应对措施，能迅速处理水泵机组故障、变频器故障以及PLC故障。手动控制由2个水位开关和交流接触器控制水泵机组启停，能够脱离PLC单独运行，以保证供水可靠性。PLC合理有序的控制水泵供水，不仅提高了系统的可靠性和稳定性还节省了资源，符合当下低碳生活的指导方针。关键词水塔水位； PLC；变频器；传感器AbstractAtpresent,China'smostwidelyusedcitywatertowers,relyingonmanualoperationtocontroltherespectiveunits,notonlycannotsaveresources,therearestillawasteofresources,wasteoflaborphenomenon.ThisdesignusesaMitsubishiprogrammablecontrollerdesignwithmanual/automatictwocontrolmodesdistrictwatersupplyautomaticcontrolsystem.TheautomaticcontrolsystemdesignMitsubishiFX2N-48MRPLCandMitsubishimodelsFR-F740frequencyconverterpumpunitfrequencyconversion.Setupthewarninglevelline,accordingtointernaltowersfourtowersofelectroniclevelswitchdetectsliquidlevel,dependingonthelevelofcontrolthepump"highspeed-speed-lowspeed"operation,keepthewatertower.Systemresponsetomultiplefailures,canquicklydealwithwaterpumpfailure,drivefailureandPLCfault.ManuallycontrolledbytwolevelswitchesandACcontactorcontrolwaterpumpstartandstop,itcanberunseparatelyfromthePLCtoensurewatersupplyreliability.PLCreasonableandorderlycontrolpumpwater,notonlytoimprovethereliabilityandstabilityofthesystemalsosavesresources,inlinewiththeguidelinesofthecurrentlow-carbonlife.KeywordsWatertowerPLCConverter目录28432摘要 I29144Abstract II38991绪论 1258081.1本设计研究的背景和意义 1158761.2国内外供水控制系统的发展状况 2151021.3各种供水方式介绍 399781.4供水机组启动方式的介绍 410811.5相关研究成果分析 6274141.6本课题主要研究的问题 7215442供水系统的综合分析 8132232.1变速泵-水塔的供水方式分析 8107482.2系统的主要工作原理 865812.3系统的主要结构及组成 9242732.4供水工艺要求以及能耗分析 10279903供水系统硬件设计 1261833.1PLC控制器部分设计 1212263.1.1PLC的简介 12263853.1.2PLC定义及工作特点 12146813.1.3PLC的选型 13169193.2水泵机组部分设计 15103153.2.1水泵的主要参数 15140393.2.2水泵机组的选型 15164953.3传感器的选择 16230093.4变频器部分设计 19105083.4.1变频器的概述 19282743.4.2变频器的选型 19136243.4.3变频器参数设定以及接线端口分配 20196973.5其他硬件设备的选型 21283773.6PLC外部接线图 2316233.7主电路的设计 24243003.8控制电路的设计 24296813.9本设计硬设备件明细表 2694114系统软件设计 2777104.1系统控制流程 27154374.2PLC编程软件介绍 27312134.3供水系统程序说明 2850474.4程序仿真调试 32155654.4.1仿真软件的介绍 32212104.4.2PLC程序的仿真过程 3316052结论 372901致谢 3826201参考文献 3932326附录 4114465附录1 4119710附录2 43PAGEPAGE111绪论1.1本设计研究的背景和意义近年来，在我国的经济不断发展的同时，人们更加注意到资源短缺对经济发展的影响。煤炭、石油、水等必不可少的资源正大幅度减少。人们正面临着资源匮乏的挑战，特别是近些年，许多省市都在拉闸限电，这不仅影响人们的正常生活还给企业工厂带来巨大损失。1996年在全国的666个建制市中,有330个不同程度缺水,其中严重缺水的达108个,在32个百万人口以上的特大城市中,有30个长期受缺水的困扰。值得注意的是,在我国经济比较发达、人口比较集中的地区,特别是水资源短缺地区(如海河及黄河下游平源、辽河平原及辽东半岛、四川盆地等)的城市,水的供需矛盾尤为突出[1]。相关研究显示，近几年我国平均每天每人生活用水量高至240余升。我们必须在研发可再生能源的同时，节约能源，提高现有能源使用率。我们国家的给水技术迅速发展与国际先进技术的差距正在缩小，已经初步形成给水科学技术体系，在给水行业中具有基础研究、应用研究、产业发展的科技团队。不过，在供水方面普遍存在实用性差、转化率低的现象。目前，我国的供水自动化系统开发有了新的进展。给水自动化体系包含给水管网调度自动化和水厂自动化两种形式。我国供水行业是促进给水科技产业化进程的领导者。城市供水设施建设是城市基础建设的重中之重。在体制上，市场经济的发展大潮催促着供水企业的体制改革；技术上，给水行业正面临着供水设备国产化，工艺技术设备化，控制方式自动化的技术要求。高质量供水是供水工业市场发展的一个新的标准。以往的给水排水工程体制已经很难包含现代化给水工业多变的内涵，已不能很好地满足当下给水工业的成长的需要。至今，我国的大多数水厂生产体系相对落后，多采用交流接触器手动控制启停，人工操控全部生产机组，步骤复杂，工作量大，并不能很好的控制水压做到安全可靠供水。其次，人工操作不能实时的掌控水位高度以及管网压力状态，很容易造成事故。此外，接触器控制电机启动，依靠机组自耦合完成降压，频繁的启停，电机开动时的电流会经常的冲击供电电网，对整个水泵机组都产生相当大的冲击力，不仅缩短电机寿命严重时还可能烧毁电机。这样的控制方式简单粗放，能耗较大，很大程度上浪费了资源。据统计数据显示，水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，在我国，每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的变化来运行[2]。为了改变这一现状，改进控制方式，完善控制体系，用科学的方法降低供水系统的能耗，实现安全可靠的供给水源。本设计针对大多数小区水塔水位粗放的控制方式做出改进。采用先进的PLC作为系统的控制核心。依靠PLC、辅助控制元件、液位传感器等相关元件构成一个稳定可靠的闭环控制系统。采用变频器装置实现电机的变频启动可以让电机平稳启动，控制启动电流从0开始增长到额定电流，变频器可以减少电机启动时对电网的冲击，避免电机烧坏[3]，在电机运行过程中提供相应的电机保护器，对节约能源，保护设备运行有很重要的意义。1.2国内外供水控制系统的发展状况国内外供水方式有很多，无论是水塔还是水箱或者是气压水罐等等各种供水方式，其目的就是维持供水压力稳定，实现流畅持续的供水。发展至今，PLC技术和变频器技术越来越成熟，很大程度的推进了变频恒压供水的发展历程。资料显示，国外的恒压供水工程设计都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，这种方式不但投资成本较高，且功能单一[4]。近些年，大多数国家包括中国都在大范围的推广恒压供水系统，其发展速度越来越快、功能也越来越强大。在国外很多厂家如ABB、华为等，为了弥补变频器在调速供水设备方面的空缺，专门研制了供水专业变频器。在他们新生产的供水变频器中都添加了PID调节器和一些简单的可编程控制器，使其功能更加强大具备各种应用宏。除了这些外还可以直接在线对PID参数进行调试。大大减少了使用者的工作量。但是要对采集的信号进行换算，设置滤波参数，保证接收到精准的信号，才能使调试系统运用起来简单。此外如果选用新型的带有PID功能的供水变频器，其投资成本将大大提高。对此，日本的三垦公司，研发了一种恒压供水基板的设备。该产品基板上包含了PID和PLC等多种调节控制硬件，方便使用者对其设置或编程实现自动化控制。在国外，还有一种功能强大，使用方便的供水控制系统，这种供水专业控制系统大多采用FPGA、单片机和ARM等作为系统核心，结合传感器等元件实现闭环高效的控制体系。借助PID算法或者模糊控制等方式进行闭环控制。在我国，自行开发生产的供水系统也很多，和国外市场上同类技术差距在不断缩小。北京博格朗公司研发了一款供水专用控制器—DB4000，功能强大，配置一流，双核CPU，依靠模糊算法，可一次做出9种控制方式。并在国内大规模的推广使用，被运用到各个行业，不仅可以运用到居民生活供水，也可以运用到消防应急供水，还可以实现分段供水。随着科技水平的不断提高，虽然国内供水变频设备也取得了一些进步，但总体上讲国内的技术还需改进。国内交流变频器调速技术产业状况表现如下[5]：1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。3)相关配套产业及行业落后。4)产品可靠性及工艺水平低。1.3各种供水方式介绍随着城市化进程的不断推进，城镇规模不断膨胀，城镇居民的收入也大幅度提高，人们更加注重高物质生活享受，对生活水的要求也有了新要求，无形中加重了城市供水的压力。城市供水最佳的方式是直接采用城市管网供水，可是随着人口数量的增加，高层建筑的出现，市政管网的供水压力明显不能满足居民人用水需求。对此，诞生了二次加压的供水方式。当前国内城市普遍采用二次加压的方式供水，这样的供水方式有很多形式：无负压（叠压）变速泵供水方式，水池、变速泵供水方式，气压罐供水方式，水池、水塔、水泵供水方式等等[6]。各种供水方式都存在优缺点：（1）、无负压（叠压）变速泵供水如图1-1所示，为无负压变速泵。该方式是随着变频器发展调速泵兴起新生的一种供水方式，变速加压保持管网恒压供水，不需要蓄水池，不宜产生二次污染，持续、高效、安全、可靠。但是变速泵的持续工作对市政给水管网和电网的要求较高，断电则断水，其次维修工作复杂。图1-1无负压变速泵（2）、水池、加压泵（变速泵）供水如图1-2所示，为加压泵。该方式相对来说比较传统，可靠性高，对市政给水管网要求较低，维修方便。但是，需要修建水池，容易造成二次污染，停电则断水。图1-2加压泵（3）、气压罐供水该方式借助压力表间接控制继电器控制供水水泵加压，该供水方式供给水压由自身气压决定不受建筑物高度的影响。但是，该方式运行稳定性差、补气效果难以保证、水泵启闭频繁、水压不稳定、不能流畅供水、噪音大等问题，目前已经很少使用[7]。其次，该系统必须维持低压与高压之间存在一定比例，所以其能耗较大。气压罐设备如图1-3所示。图1-3气压罐供水（4）、水池、水塔、水泵供水最为传统的方式就是水池、水塔、水泵供水方式。该方式运行稳定，依靠水的重力势能供水，对市政电网、管网的依赖都很小，可以实现停电不停水。但是，水塔的建筑需要占用空间，投资成本高。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控制方式存在控制精度低、能耗大的缺点[8]。其次，传统的控制水泵启停的方式欠妥当，大量的浪费电力、人力。1.4供水机组启动方式的介绍19世纪初期，英国科学家法拉第偶然间发现磁棒能使闭合绕组产生电流，这一巨大发现表明机械能和电能可以互相转换，也证实了电和磁之间互相转化的事实。在这一理论的引导下，很快人类进入电气时代。到了19世纪末，美国伟大科学家特斯拉依据法拉利电感原理发明了交流电动机。发展至今，电动机的种类数不胜数，电动机在生产生活中也不可或缺。随着电动机的兴起，怎样运用好、控制好电动机成了人们研究的一个新问题。工业中最常见的水泵机组都是由三相异步电动机作为动力元件，可是由电机启动所带来的一系列问题一直困扰着人们。很好的将水泵的电动机功能发挥到极致的前提便是很好的启动电动机，水泵机组的启动方法有很多种：1、水泵机组直接启动水泵机组直接启动的方式具有设备需求简单，启动便利，成本低的优点。但是，直接启动带来的电流冲击是平时的数倍之多。经常启动的电动机，要求供电电源的线路容量高于电机容量的数倍以上；频繁启动的电动机，供电电源的线路的容量要达到电动机容量的3倍以上。小电机可以实现这个特性，所以大部分的小电机直接启动。但是很难有如此大容量的电网来满足大型电动机的需求，所以直接启动的方式在大容量的电机启动方面是不可行的。2、用自耦变压器降压启动自耦变压器降压是依靠降低电动机定子电压原理来降低启动电压。该方式启动用户可以直接手动操作，也可以采用接触器自动控制，适用于轻载电动机空载居多。但是，自耦变压器设备较贵，投资成本高。3、转子串电阻启动对于绕组式电动机，在外部串联电阻以增加内部绕组的阻值，达到减小内部绕组感应电流的效果。既降低了启动电流带来的冲击也提高了电机转动力矩。为了使电动机启动平滑，人们对启动电阻划分等级，启动过程中依次断开各级别的电阻。启动电阻愈多，启动过程越平滑，这一特性催生了频敏变阻器的问世。频敏变阻器可以根据电机转速变换其自身阻抗，电动机速度不断变快，频敏变阻器阻抗不断减小，平滑变化，电机平稳运行。4、水泵机组Y－△降压启动将水泵的电动机接成Y型启动，该启动方式所需设备简单，接触器、点动开关就可以实现。但该启动方式使启动电流减小了，导致启动转矩减小，所以这种方式只适用于“△”型接法的电动机，对于启动转矩要求较大的电动机不能使用。5、软启动器启动软启动器是新型的电机启动设备，它是由三相反并联闸管交流调压器构成的，使用时串联到电源和电动机之间，通过不同的方法触发晶闸管，改变输出电压，控制电动机的启动电压。该启动方式可以做到平稳启动，减少启动电流，但是由于软启动器启动时转矩较小，所以这种电机启动方式只适合用于启动空载或者轻载电机。6、变频器启动水泵机组把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器[9]。伴随着科学技术的发展，变频器成本逐渐降低，变频器的使用也越来越普遍。在提倡节能的现代社会，采用变频器控制电动机变频启动，是最佳的选择。既达到了软启动保护电动机的目的，又可以实现变频调速运转，节能高效。在供水系统中选用变频器作为水泵机组的启动控制器，将很大程度上保护电动机，延长电动机使用寿命，解决了在水塔供水中，电动机频繁启停给电机带来的损害。1.5相关研究成果分析库学斌在《城镇小区二次加压供水方式的选定方式》一文中，详细的阐述了城镇小区在选择供水方式时要注意的问题，介绍了不同情况下选择不同供水方式的标准。围绕选定标准、影响因素和选择准则做了研究和说明。文中介绍了多种供水方式，如叠压供水、气压罐供水、水塔供水以及变频恒压供水。文章指出一个地区选择供水方式要考虑多个因素，例如能耗问题、安全可靠性问题、卫生安全问题等等。王阿华在对全国54份函调资料结果分析后发表《居住区供水方式合理性的评价方法》一文。文章根据54名具有代表性的专家了解当地用户用水需求的前提下，综合分析得出我国当前各地供水方式。如果城市市政管网水压允许，尽可能的采用直接供水方式或4～7层夜间屋顶水箱贮水白天供水方式；如果城市管网水压达不到小区供水水压时，需要二次加压，单幢建筑多采用气压供水方式，小区群多采用水池、水泵、水塔供水方式。《基于PLC和组态软件的水塔控制系统》《PLC水塔水位控制系统设计与仿真》一文中以节能为目的[10]，为提高质量，选用西门子S7-200系列PLC，结合传感器技术，设计了一套较为可靠的供水系统，此外借助EM231模块实现程序的仿真模拟。孙平在《水塔水位的自动控制》一文中采用可编程控制器、液位传感器以及计算机监控等技术，设计出一套水位自动控制系统。重点研究组态技术在水位控制方面的运用。李克俭在《水塔水位控制系统的研究与设计》一文重点介绍变频器在供水系统中的运用。在PLC的基础上加上变频器和压力传感器，使用PID控制算法，根据实时水压调整水泵机组转速，形成闭环控制系统。既完善了控制精度，也节约了供水能源。孙金玮在《智能给水控制器设计》一文中采用单片机作为控制核心，结合变频器和PID算法实现恒压变速供水的闭环控制系统。《基于PLC和变频器的水塔水位控制》一文中选用变频器与PLC控制器相配合[11]，解决了水泵机组频繁启动工频运转带来的问题。巧妙的使用变频器多段速运转的功能，通过传感器检测水塔水位，控制实现水泵变速运转，形成闭环控制系统，节能高效，供水稳定，并且程序简单，设备安装简单，便于检查维修。邬丽娜在《基于PLC的水塔水位控制设计》一文中对水塔水位的控制做了详细的说明[12]。文中介绍使用三个液压传感器检测水塔水位，直接输入PLC从而控制水泵对水塔水位进行自动控制。为了满足在恶劣环境下工作，还借助继电器、接触器等器件设计一套手动控制。刘杰《基于PLC控制的水塔供水系统设计》中对部分小区内居民调查得出[13]，高峰期每户每天用水量约24L，水塔高40m，估算出电动机需要40kW，采用降压启动方式启动。伍松乐在《水塔恒压供水的PLC控制》一文中为延长水泵机组寿命采用多台水泵机组顺序启动[14]，逐台运行为水塔供水，并记忆动作顺序。1.6本课题主要研究的问题结论本设计将新型的PLC控制系统与变频器相结合，设计出一套新型、实用的水塔水位自动控制系统，改进了传统水塔供水粗放的控制方式，解决了以往供水方式能源浪费的问题，提高了供水的稳定性与可靠性，还很大程度上提高了供水控制系统的自动化程度。不仅更合理的控制供水机制，还大大减少了供水带来的人力、物力的浪费，为实现低碳生活做出贡献。利用PLC控制器和变频器结合，在传感器的辅助下，成功设计出水塔供水自动控制系统。既实现了高低水位报警，也实现了水泵机组变频启动，变速补水的目标。同时，系统能应对多种故障，自动控制状态下，不论是变频器故障还是1#水泵机组故障或者是两者都故障，本系统都能及时的发现故障，并妥善的处理故障，做到不耽误供水，确保供水的可靠性。此外，本设计借助三水位联动控制水位开关和交流接触器等元件设计了单独的脱离PLC控制器的情况下手动控制电路。能应对PLC故障，保证在PLC故障的情况下也能满足供水需求。由于一些主观因素的存在，供水系统并没能设计的十分完美，例如没能使用液位传感器检测水位，通过数字量表达水位高度；没有使用PID算法对供水系统做更严格意义上的闭环控制系统等等。现有设计实现了水塔供水系统的变频启动、变速供水、故障报警、故障排除、手动/自动双控制模式等功能。在以后的工作学习中将继续研究学习进一步完善供水系统的功能，研发具有综合功能的自动化供水控制系统和供水管理系统。致谢参考文献[1]张兵.我国城市给水工程的状况和问题[J].山西建筑,2001,05:127-128.[2]程宝国.基于PLC的水塔自动供水系统方案设计[J].职大学报,2009,04:55-56.[3]谢明雨,陈洁,莘正亮.中压变频调速技术的应用[J].内蒙古电力技术,2004,01:40-44.[4]孙金玮,汪超,魏国.智能给水控制器设计[J].现代电子技术,2010,06:4-7.[5]赵相宾,年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用[J].电气传动,2000,02:3-6.[6]库学斌.城镇小区二次加压供水方式的选定方法[J].中国科技信息,2009,03:78-79.[7]王阿华.居住区供水方式合理性的评价方法[J].中国给水排水,2000,04:29-30.[8]李克俭，饶满和.水塔水位控制系统的研究与设计[J].广西工学院报，2006，4（19）：1004-6410[9]胡江,杨胜发,周华君.基于变频器原理的非恒定流生成技术[J].中国水运(下半月),2008,12:164+166.[10]姚晴洲,赵辰雷.基于PLC和组态软件的水塔控制系统[J].电气时代,2006,08:98-99.[11]熊建国.基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].电子科技大学,2013.[12]邬丽娜.基于PLC的水塔水位控制设计[J].机电产品开发与创新,2007,05:171-172.[13]刘杰.基于PLC控制的水塔供水系统设计[J].价值工程,2014,22:87-89.[14]伍松乐.水塔恒压供水的PLC控制[J].电工技术,2006,07:43-45.[15]樊宝德,王祥,赵水石.应用变频器使多台油泵软启动[J].油气储运,1996,09:41-45+60-7.[16]张少强.PLC水塔水位控制系统设计与仿真[J].可编程控制器与工厂自动化,2011,08:50-52.[17]严煦世，范瑾初主编.《给水工程》（第四版）[M].北京：中国建工出版社，1999.[18]张健.居住小区变频和水塔供水能耗与投资分析[J].低温建筑技术,2003,05:72-73.王万丽,郝庆文.三菱系列PLC原理及应用[M].北京:人民邮电出版社,2009.6[19]Eker,Lyas.Operationandcontrolofawatersupplysystem.ISATransactionsJuly.2003.Vol.2(3):461～473[20]王俊.可编程序控制器(PLC)概述[J].科技资讯,2008,29:24-25[21]张晓燕.引黄济青泵站远程监控系统的设计与实现[D].山东大学,2009.[22]HansBerger.AutomatingwithStep7inSTLandSCL,3rdEdition.PublicisKommunikationsAgenturGmbH.GWA.2004[23]朱思亮.基于PLC的恒压供水监控系统设计与实现[D].电子科技大学,2013.[24]童敏明,唐守锋.传感器原理与应用技术.北京:清华大学出版社,2012.1[25]孙平,盛盈坤,许文凯,吴伟翔.水塔水位的自动控制[J].微计算机信息,2010,25:89-90+85.[26]G.L.Batten.ProgrammableControllers:hardware.softwareandApplication[M].NewYork:MCGraw-Hill.149～152[27]岂兴明.PLC与变频器快速入门与实践[M].北京:人民邮电出版社,2011.1[28]刘美俊.电气控制与PLC工程应用.