毕业论文-基于PLC的恒压供水系统

西南科技大学本科生毕业论文基于PLC的楼宇恒压供水控制系统设计摘要：近年来，随着我国的社会主义市场经济的发展越来越快，人们对供水质量和可靠性的要求不断提高；并且水资源的依赖程度也越来越高。然而传统的供水系统普遍存在着一下缺点：供水系统的自动化程度低、可靠性差、水电资源浪费严重、供水效率低,同时，水泵长期高速运转后轴承可能发热磨损严重，将会影响到水泵使用寿命，也使系统的维护工作变得更加复杂.本次设计是基于PLC恒压供水系统，为了改善上述传统供水系统的缺陷，以恒定管网末端供水压力作为目标，运用现代变频技术来实现恒压供水。本次设计的供水系统主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路、水泵以及整个过程的监控组态系统组成,用户可通过实验设备控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来控制系统的运行.此系统能提升动态供水的可靠性和稳定性，真正做到了供水和用水的动态平衡。关键词：恒压供水;PLC；变频调速；OPC监控组态系统DesignofConstantPressureWaterofBuildingsSupplyingsystemBasedonPLCAbstract：Inrecentyears,asChina'sdevelopmentofthesocialistmarketeconomy,fasterandfaster,itrequireswatertocontinuouslyimprovethequalityandreliability;anddependenceonwaterresourcesisincreasing.However,theprevalenceofconventionalwatersupplysystemaboutdisadvantages：lowdegreeofautomationofwatersupplysystems，poorreliability，hydropowerseriouswasteofresources,lowwaterefficiency,whilethehigh—speedoperationlongafterthewaterpumpbearingsmaywearseriousheatwillaffectthelifeofthepump，alsomakessystemmaintenanceworkhasbecomemorecomplex.ThisdesignisbasedonPLCconstantpressurewatersupplysysteminordertoimprovetheabove-mentioneddefectsoftraditionalwatersupplysystemstotheendofthepipenetworkwaterpressureconstantasthetarget，theuseofmoderntechnologytoachievefrequencyconversionconstantpressurewatersupply。ThedesignofthewatersupplysystemconsistsofPLC，inverter，pressuretransmitters，levelsensors,powerandcontrollines，pumpsandmonitoringconfigurationsystemconsistingoftheentireprocess，theusercancontrollightslaboratoryequipmentincaseboardandbuttons,switchestocontroltheoperationofthesystem。Thissystemcanimprovethereliabilityandstabilityofdynamicwatersupply，watersupplyandtrulydynamicequilibriumofwater.Keywords:constantpressurewatersupply;PLC;frequencycontrolofmotorspeed;OPCconfigurationsoftware第1章绪论1.1课题的提出我国的“十一五计划”提出了节能减排，是我国未来发展的长远规划，是社会主义发展的长远规划，是造福子孙后代,利国利民的一项伟大举措，节能减排工作，利在当代，功在千秋，不仅关系到我国人民的生活质量,同时也与全世界人民的生活息息相关［7］。然而，当节水节能己成为时代特征的现实时，中国这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低，水资源浪费严重。主要表现在用水高峰期，水供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水供给量常常高于需求量,出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏.在恒压供水技术出现以前，出现过不同的供水方式.以下作就逐一分析。（1）一台恒速泵直接供水系统这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。(2)恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。此方式较之前者供水压力比较稳定.但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。（3）射流泵十水箱的供水方式这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量)的现象，无法满足高层供水的需要。（4)恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层.高层建筑还可分层设立水箱.占地面积与设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制,容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质.水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停,将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。（5)恒速泵十气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多.而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较［14]。1.2课题研究的背景及意义由于以前采用的供水方式存在很多缺点。比如可靠性比较差,运行的效率普遍不高，基本上没有实现自动化，已经跟不上飞速发展的经济建设脚步，势必逃脱不了被淘汰的命运。为了改变这一现状，提高其自动化是必由之路。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，这就使变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。且具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.3国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时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，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”,“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统.这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程控制器(PLC）及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说,还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器（2.2kw-30kw),无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所[4].可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使其能被更好的应用于生活、生产实践中。1.4设计内容概况本次研究设计对象是针对楼宇用水,面向广大普通住宅用户并根据实验室已有设备设计的一个恒压供水系统.研究内容主要有：了解恒压供水系统的运行工艺情况，以PLC和变频器为主，结合水泵机组和压力表等设备，组成一个恒压供水系统；确定工况的转换方式，完成上下位机程序的编写；对PID调节参数进行设定，实验变频恒压供水；解PLC与计算机如何通信，选择通信方式并且确定通信协议，开发基于OPC组态软件的监控界面，完成系统监控调试,实现对供水系统远程启停、监控和管理。从而保证了系统的稳定性、可靠性和节能性，更大强度的满足楼宇内用户各方面长期用水需求。1.5论文结构安排本论文总体结构分为五章第1章绪论本章主要介绍了恒压供水系统的重要性，课题的研究背景，以及本次课题的研究背景和主要内容.第2章系统总体分析本章主要介绍了供水系统的需求分析,如何满足这些需求，通过变频器来调节水泵工作速度的理论依据，以及本系统各个部分的总体控制结构。第3章系统硬件设计本章详细介绍了本系统所构成器件的选型及介绍.第4章系统运行的软件设计本章详细分析了PLC软件设计以及PID的参数整定。第5章系统监控的软件设计本章详细分析了OPC监控组态软件的设计,系统运行结果的监控分析。第6章项目分析本章分析了该系统投入使用的可行性分析及如何加强系统的抗干扰能力。第2章系统总体分析2.1变频恒压供水系统概论在我们通常所说的供水系统中，广为使用的一种方式就是恒压供水系统。但是人们用水的习惯是不规律的，用水量每时每刻都在不停的发生变化。采用恒速泵供水的方式，管道网络内的压力是可以通过切换水泵来进行控制的,但是想让管道内的水压保持稳定是不可能的.而且水泵的电机如果一直处于启动和停止切换的状态,势必增大设备损坏的可能性,减短设备使用寿命,而且不节能，对人们的供水也不稳定.如果是通过调节阀门，控制水流量的方法来保证管道的压力，不仅会增大机械的损耗，让设备维护的工作量变大，增大设备的维护成本，而且这种方式不够精确，还容易造成能源的无谓损耗。不断启动和停止水泵的电机，肯定会引起水锤效应，从而给整个管道网络和阀门等带来损耗和破坏。我们从系统的实际应用来分析，确定本研究的需求以及功能的实现［8］.2。2供水系统的基本需求分析根据实验室现有设备，可确定本供水系统内含有3台水泵，一台主生活水泵，一台副生活水泵，一台消防水泵.我们控制的目标一般都选择管道出口处的压力信号，比较我们设定的压力值和采样值,通过计算后结合PID调节的方式来保证压力值在管道出口处是稳定不变的，这就可以称之为恒压供水.整个系统中,水泵工作的台数、工频工作还是变频工作，均需要我们根据实际的情况来决定，这样就确定了主回路的控制方式,再通过PLC的控制来满足用户的实际需求。所以我们首先要做的就是了解用户有哪些实际需求。2.2.1工作水泵台数在供水系统工作时,通过水网端口压力传感器反馈的信号,经过变频器中内置的PID控制器运算后必须要能及时准确反馈信号至PLC,然后由PLC来控制电动机的启动和停止，即控制工作水泵的台数，以来达到恒压的效果.2.2。2工作频率控制方式必须要在变频和工频之间可以进行转换。这样做是为了让系统更加可靠，一旦变频器发生了故障，或者设备需要进行维护,需要关闭变频器时候，及时切换到工频就不会对供水造成影响。2.2.3火灾时要求遇到火灾的时候，要求我们的系统对消防报警的信号也要能够做出反应。供水系统遇到火灾，收到消防信号的时候，必须马上停止正常的运行,将供水的重点放到消防系统中来，帮助消防扑灭火灾。这样就要求我们的PLC在控制的时候，程序中要实现平时正常的供水和紧急情况下对消防进行供水两种供水模式.消防的信号作为这两种供水模式切换的判断依据。2.3恒压供水系统的理论分析2。3.1水泵的工作原理因为本次设计是针对楼宇供水，所以所用水泵主要是离心泵。普通的离心泵的构造如图2—1所示.图2—1水泵构造图在开动水泵前,泵里灌满了水，当水泵转动时，叶轮旋转,水在离心力的作用下被甩出去，获得一定的速度.利用蜗壳后端的扩散管或导叶的截面逐渐扩大，将速度能转换为压力能，顺着水管把水送出去，这就是离心泵的压水原理。在离心泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，叶轮槽道中的液体的离心力的作用下甩向外转流进泵壳。叶轮中心原来被水占有的地方就变成真空，压力降低，而泵吸入口液面有大气压力的作用，叶轮中心的压力低于吸入管内的压力，液体就在这个压力差的作用下由吸入管流入叶轮。液体在离心力的作用下，又被甩出去，并通过蜗壳、扩散管等的作用将其速度能转换为压力能把液体送出。这样，连续不断地把液体压出去又吸上来，使液体增加能量，达到提升、输送液体的作用.这就是离心泵的工作原理。2.3.2电动机的调速原理水泵一般采用的是三相异步电动机，电机转速公式为n=60f×（1-s)/p（2-1)在公式（2-1)中，f是HYPERLINK”http：///z/Search。e？sp=S交流电＆ch=w.search。yjjlink＆cid=w.search。yjjlink”交流电频率，通常为50hz；s为HYPERLINK”http：///z/Search。e？sp=S转差率&ch=w。search。yjjlink&cid=w.search.yjjlink”转差率，一般取0.01-0。02；p为电机的电磁极对数,2极电机p为1，4极p为2.根据公式，很容易得知调速，其实就是调节电机转速公式里的那几个参数。变极调速的基本原理是:如果电网频率不变，电动机的同步转速与它的极对数成反比。因此，变更电动机绕组的结线方式，使其在不同的极对数下运行，其同步转速便会随之改变。

变压调速是异步电机调速系统中比较简便的一种。由电气传动原理可知，当异步电机的等效电路参数不变时，在相同的转速下,电磁转矩与定子电压的二次方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系,从而改变电机在一定输出转矩下的转速。

转子串电阻调速是在绕线转子异步电动机转子外电路上接入可变电阻，通过对可变电阻的调节，改变电动机机械特性斜率来实现调速的一种方式。

串级调速的基本原理是在绕线转子异步电动机转子侧通过二极管或晶闸管整流桥，将转差频率交流电变为直流电,再经可控逆变器获得可调的直流电压作为调速所需的附加直流电动势，将转差功率变换为机械能加以利用或使其反馈回电源而进行调速的一种方式。变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。当转速变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比，连续调节电源频率，就可以平滑的改变电动机的转速.但是，单一的调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已经出现了各种性能好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用［9］。2.3。3恒压供水系统的节能原理供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提的，由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量大小主要取决于用户的用水情况，因此,扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f（Qu）.而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表面阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系，如图2—2所示。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由于阀门开度的改变，实际上市改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交叉点,称为供水系统的工作点，如图A点所示.在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供述系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统得以稳定运行。图2-2供水系统的基本特征图2。4变频恒压供水系统控制方案的确定2。4。1供水系统方案的选择根据恒压供水的相关原理，我们可以知道这个系统包含了压力变送器及传感器,恒压控制单元,变频器，水泵机组和低压电器等部分.而对于恒压供水设计的主要目的是，通过对恒定电压的控制单元的使用,使得变频器有效地控制着一台水泵或者是闭环控制多台水泵,管网和水泵电机的软启动,工作状态在工频和变频之间转换,最后需要能够运行数据传输。根据有关任务的需要,以及考虑到对于该系统的设计同现场的环境等因素,则出现以下有效途径可以作为参考。一、压力传感器，水泵机组以及含供水基板的变频器相组合这个相对单一的组合控制系统,主要是采用在一个变频器供水基板上同时融合Pm调节器以及可进行设计的控制器等硬件，而电子控制系统如PLC，PID等功能，通过设定的指令代码来控制。这个系统确实简化了电路的结构，让设备的成本得到了有效的控制，但是比较麻烦的地方在于压力设定和显示压力的反馈值，而且不是自动在不同时期实现不同的恒定电压的要求。要保证系统的稳态，动态性能很困难，PID调节器的参数优化难度也比较大，调整的范围是很小的。而且其输出的接口缺乏灵活的扩展功能，难以进行数据的通信，其负载的容量也受到了限制。综上所述，它仅适用于小容量且要求不高的地方。二、通用变频器+单片机+人机界面+压力传感器这种控制系统具有很高的控制精度，其对于算法的控制也具有很高的灵活性，而且易于调整参数，具有较高的性能和较低的成本。可设计时间相对较长，当程序经过固化后会带来相应的问题，对于后期所出现的问题在修改过程中有一定的难度，在现场进行调试时也会出现一些麻烦以及不够灵活的问题。最为重要的是当变频器处于大功率工作的状态之下会产生极大的干扰，因此为了确保该系统的可靠运行，抗干扰的措施必不可少.如果是容量比较小的特定领域变频恒压供水系统,可以考虑使用这个系统.三、通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器第三种控制系统最主要的优点就是操作方便灵活，更为重要的是可以便利的运用通信接口，用户能够较为方便的对其他系统交流信息，适用性高。用户可以通过系列化、模块化的PLC来灵活的控制系统，达到各种规模的组合要求.我们通过对硬件的设计来选择可编程序控制器及其外部的接线形式.假如控制需求一旦发生改变，我们也可以很容易地通过改变计算机内存里面的控制程序以此满足要求，所以具有非常便利的现场调试特性。可编程序控制器具有强烈的抗干扰作用，稳定性强，这个组合在同种状态下使得它的可靠性大大提高。所以，这种组合可以被应用到所有不同要求的恒压供水系统中,并具有与供水单元容量大小无关的优势[9］。从整个系统的在现场适用性、抗干扰性和控制方式的灵活性来综合考虑，选择了通用变频器、PLC、人机界面和压力传感器的方案。供水方式的控制图如下图2-3所示：图2—3供述方式控制图2.4。2恒压供水系统的结构变频恒压供水系统原理如图2—4所示,其主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力机控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器,把出口压力信号变成4—20mA标准信号送入变频器内置的PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4-20mA参数，4-20mA信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量,根据用水量的不同,变频器调节水泵的转速不同、工作频率也不同,在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时,变频器迅速上升到上限频率，此时，变频器输出一个开关信号给PLC；当用水出于低峰时，变频器输出达到下限频率，变频器也输出一个开关信号给PLC;两个信号不会同时产生。当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设置内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协议投入工作的水泵电动机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换.通过调整投入工作的水泵电动机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。PLCPLC变频器(PID)水泵上位机OPC组态监控软件压力传感器上位机手动操作图2—4供水系统结构框图2.4.3恒压供水系统的调节措施变频恒压供水系统的调节措施包括以下两种,分别是单台变频器调节单台水泵以及单台变频器调节多台水泵的方案。1.单台变频器调节单台水泵在国内,通常将一台变频器控制一台水泵成为单台变频器调节单台水泵.由于全部变频系统中，变频器、控制器、电机均无备份设备,出现问题无法切换,故目前多适用于用水量不大,对供水的可靠性要求不高的场合。本系统不予考虑.2.单台变频器调节多台水泵对于大部分供水系统而言,最适合的就是单台变频器同时调节多台水泵的控制方案了,同时也是现如今较为先进的一种方案.结合实验室现有设备，接下来我们就以单台变频器调节2台水泵的方案进行解释.该方案的调节机理如图2—5所示.主水泵变频运行主水泵变频运行副水泵停止运行主水泵工频运行副水泵变频运行主水泵工频运行副水泵变频运行主水泵变频运行副水泵停止运行状态1状态2状态4状态3图2-5调节机理框图调节系统的工作机理如下：按照系统所需水量的变化，调整系统来调节2台水泵按1-2—3—4—1的顺序依次运行，使得正常供水得到有效地保障。在工作初期，该系统所需的水量较少,这时变频器只调节主水泵工作，副水泵停止工作，此时就调节系统到1状态。随着所需水量的扩大，变频器所输出频率也不短加大，故而使得主泵电机的转速也有所提高,变频器输出的频率达到最大时，此时就说明单靠主水泵的运行己完全达不到系统的用水需要，这样,我们就得调整系统，主水泵便由原来的变频电源向平常的交流电源发生转变，此时变频电源启动副水泵，使得系统在状态2运行。系统经过用水高峰以后，用水量便开始下降，变频器所输出频率也随着相应的降低，当降低到之前所设定频率时，就可以说明就只要主水泵工作就完全能够达到所需用水量，这样一来，经系统调节，使得副水泵电机停止运行,主水泵电机继续保持变频电源,这样一来，就将系统调节到状态3之下。如果继续加大用水量,此时变频器的输出频率也要相应加大，这样就加大了主水泵电机的转速,变频器的输出频率达到最大时，说明单靠1台水泵工作已经完全达不到系统的用水需要，这样一来，经系统调节，主水泵便将变频电源变为一般的交流电源，通过变频器电源来使得副水泵电机启动，将系统调节到状态4之下。如果将系统调节到状态4之下时，随着用水量的下降，变频器的输出频率也跟着降低，当降低到之前所设定的频率后,这就说明单靠1台水泵的运行就完全能够达到系统的供水需要,这样一来，经系统调节，终止副水泵电机的运行,此时对主水泵电机的供电还是靠变频器，这样又将系统调节到了状态1。经过这样反反复复的运行，来达到系统的供水需求。当发生火灾时,应及时且能可靠启动消防水泵，但不能停止生活供水。系统的硬件设计3.1PLC3.1.1PLC的简介可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，HYPERLINK”http：///view/13561.htm"PLC），它采用一类可存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。3.1。2PLC的组成可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的HYPERLINK”/view/3314.htm"计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：1.电源可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10％（+15％）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。2.中央处理单元（CPU)HYPERLINK”http：///view/363896.htm”中央处理单元（CPU)是可编程逻辑HYPERLINK”http：///view/122229.htm"控制器的控制中枢.它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误.当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入HYPERLINK”/view/300881.htm”I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内.等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此HYPERLINK”http：///subview/556681/10555639。htm”循环运行，直到停止运行。为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。3.存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器.输入输出HYPERLINK”/view/159864.htm"接口电路（1）现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。（2)现场输出接口电路由输出数据HYPERLINK”http：///view/6159.htm"寄存器、选通电路和中断请求电路集成,作用可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号.5。功能模块如计数、定位等功能模块。6。通信模块3.1。3PLC的工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段,即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期.在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段.1。输入采样阶段在输入采样阶段,可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中,即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据/view/2287790。htm"梯形图所规定的,即：变频器。3。2.3本次设计变频器的选型本系统要实现监控,所以变频器应具有通讯功能。根据控制功能的不同,通用变频器种类不同。由于本次设计采用的PLC是浙江中控PAC240型号,为了方便PLC和变频器之间的通信，且充分利用实验室设备,我们选择施耐德ATV312HU15N4变频器。对于此次所选的施耐德ATV312HU15N4变频器,其性能描述如下所示：（1）提供简易型和多功能下载器，方便参数配置;（2）全部涂层,适应各种恶劣环境,变频器顶部提供IP41防护等级；（3）可拆卸端子模块化设计,节省成本，安装方便；（4）同级别最高耐压，标准电压波动-15％～10%，允许电压跌落50%；（5）M2和N4内置EMC滤波器;（6）最宽工作温度,—10℃~+50℃不降容，最高可达+60℃；（7）超强输出特性，内置制动单元，过力矩至170％～200%;（8）并排安装,节省空间.在本设计中变频器用于维持供水系统运行的平稳可靠，实现真正意义上的无人职守的全自动循环倒泵、变频运行,保证各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转启动平稳,消除启动大电流冲击,降低泵的平均转速，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。施耐德ATV312HU15N4变频器的结构框图如下图3—2,端子的功能表如下表3—2和表3—3所示.图3—2变频器结构图表3—2变频器电源端子功能表名称功能R/L1-S/L2—T/L3电源PO直流母线+极性PA/+到制动电阻(+极）的输出PB到制动电阻（+极）的输出PC/—直流母线—极性续表3—2变频器电源端子功能表U/T1—V/T2-W/T3到电机的输出接地端子表3-3变频器产品型号及参数名称功能性能R1A—CR1共用C/O触点带有电阻性负载时的最大开关容量：250VAC和30V时为5A；带有电感性负载时的最大开关容量：250VAC和30V时为1。5AR2AR2C继电器R2N/O触点COM模拟I/O公共端0VAI1模拟输入电压模拟输入0-10V（最高安全电压30V）10V给定电位计电源+10V（8%—0％），最大10mA，防止短路和过载AI2模拟输入电压双极模拟输入0（最高安全电压）AI2极性会影响设定点方向，也影响操作方向AI3模拟输入电流模拟输入X—YmA,X—Y可为0-20mACOM模拟I/O公共端0VAOV模拟输出电压模拟输出0至10V，最低负载阻抗470Ω或模拟输出X-YmA,X和Y可设定为0至20mA；模拟输出可配置为AOC的24V逻辑输出AOC模拟输出电流24V逻辑输入电流24V防止短路和过载，最低为19V，最高30VLI1—LI6逻辑输入可编程逻辑输入；24V电源；状态：正逻辑时，如果〈5V,则为0；CLI逻辑输入公共端RJ45通讯端口远程操作面板,配置装在工具的接口3。3开关3.3。1断路器低压断路器也陈空气开关或自动开关，是一种既有手动开关又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护功能的电气。低压断路器具有多种保护功能、动作值可调、分段能力高、操作方便、安全等优点。低压断路器由操作机构、触头、保护装置、灭弧系统等组成，断路器选取原则:一断路器的额定电压和额定电流应大于或等于线路、设备正常工作的电压和电流；二断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流；三欠电压脱扣器的额定电压的等于线路的额定电压四过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负债电流。根据以上要求，现选择型号为DZ47LE—32C16断路器。3.3.2选择开关选择开关是结合分接选择器和切换开关两者功能，且能承载、通断电流的一种开关装置，此种开关的选择只需要根据开关的操作方式、电压等级及其尺寸。在项目作为PLC电源开关，变频器手动与自动选择开关，水泵手动、自动及停止状态切换开关，其特点有:1.具有两种和三种状态切换;2.运行在220VAC电压等级；3.开孔尺寸为ф22。综合以上考虑，选择常用品牌上海二工产品,型号为LA39-02X/31和LA39—03XS/31。3。3。3按钮按钮与选择开关功能类似，是一种手动能承载、通断电流的开关装置。在作为水泵手动启动器件，它应满足以下功能：1.具有两种状态切换且具有带自锁功能;2。运行在220VAC电压等级；3。开孔尺寸为ф22.同理，选用二工型号为LA39-11T/g31产品。3.4直流开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制电力电子器件的开通和关断的时间比率，使输出电压为直流。为向PLC提供稳定、可靠地直流电源，对于开关电源的选取要遵循一定的标准:1。根据使用要求，确定输入、输出电压和电流；2.电源的尺寸、安装方式和安装孔位；3。根据电路需求确定有几路输出，各路输出是否需要电气隔离；4。根据当地电能指标确定输入电压范围；5。电源的冷却方式：自然冷却或强制风冷；6.开关电源的金属外壳电源外壳与底连接。根据以上标准,现选择型号为CL-A-70-24开关电源。3。5水泵机组水泵扬程，水泵转速水泵流量与转速正相关，同时其扬程与流量正相关,因此调节水泵扬程即调节水泵转速。通过利用变频器调节电量频率实现控制水泵扬程,即可实现恒压供水。离心泵有。图5—2新建窗口3。组态IO设备点击“数据库”-“设备驱动"—“MUDBUS”—“MUDBUS仪表”—“MUDBUSTCP/IP通讯”，右击鼠标“添加设备驱动"，弹出如下图5-3所示设置窗口1，设备名称可以自行命名，本系统中设置为“PAC240"，“数据更新周期”设置为50毫秒，“超过时间设置"为8秒,“故障后恢复查询”中“周期”设置为300秒,“最长时间”设置为60分钟，根据PLC在机架中位置，将“设备地址”设置为2，“连接方式”设置为网络TCP，然后点击下一步。图5—3设置窗口1弹出如下图5—4所示设置窗口2，“设备IP地址”写入对应PLC以太网模块的IP地址，本系统此处设置为“10。10。70。131”，端口号设置为“502”，其余不勾选，点击下一步弹出如图5-5设置窗口3，点击完成，则IO设备组态完毕。图5-4设置窗口2图5-5设置窗口34。OPC连接点击“数据库"-“设备驱动”—“OPC"-“MICSROSOFT”-“OPC（CLIENT)”点击“OPC（CLIENT)”右击添加设备驱动,添加名为“20105199”的新驱动，弹出如下图5-6所示，OPC服务器选择下拉菜单中的“ Supcon。OptiSys。1”，“服务类型”选择本地,操作类型选择“异步”，点击确定，即OPC连接设置完成。图5—6OPC定义窗口5.上位机和下位机的连接点击本地连接设置属性中，写入设置好的TCP/IP协议,点击确定，即连接完成,如下图5—7所示。图5—7本地连接地址修改好之后，点开OptiSYSOpcServer(OPC）下方就会出现授权成功的画面,如图5-8所示.若连接不成功，则可能会有有三种情况：一是IP地址不对（地址：），二是网线接口连接不上，三是下位机没有供电。图5-8授权成功5。2.2OPC与PLC中数据的连接1.授权成功后的显示在授权成功后,OPC中会显示出PLC控制的一些数据，如图5-9所示。但是这些OPC中所显示的数据中，既有数字量也有模拟量。其中数字量是不可控制的,我们需要监控的是模拟量。图5-9OPC中数据显示2.数据连接为了实现操作和监控，我们需要在OPC数据库中设置点组态，通过数据连接将OPC中的数据与PLC中的数据连接起来。由于上位机点组态较多,重复的工作量较大,所以这里只举实际压力值为例，来说明OPC和PLC数据连接这个过程。点击数据库，双击点组态，出现新建数据库表格，在1号点名处双击新建点名出现如图5—10点组态设置窗口1所示，选择插入模拟点，点击继续。图5-10点组态设置窗口1弹出点组态设置窗口2，将该点命名为“yl”，意为在运行时候装置实际的压力值。在数据连接栏中选择I/O连接，并在设备中选择我们已经建立的名为“20105199"的设备驱动,如图5—11点组态设置窗口2所示。图5—11点组态设置窗口2在上述窗口中点击增加连接项按钮，弹出如图点组态设置窗口3。图5—11点组态设置窗口3在数据项浏览中选择已经授权了的压力的模拟量“YL_M",点击确定即可。说明这一项数据连接成功。其余各项数据均以此方式连接，最终数据连接完成图如下图5—12所示。图5—12OPC数据连接完成5.2。3创建上位机界面在前期的准备工作就都已经完成后，我们要做的就是在窗口中对本次设计中所需的元件进行设计，本次设计监控画面内容包含：主生活水泵、辅生活水泵以及消防水泵。绘制监控画面需要在子图这一菜单中添加各种所需设备图形然后再对其进行动画连接和程序的编写。子图菜单中含有基本的所需模块，非常方便我们创建和使用。最后可以做出整个上位机界面，如图5—13恒压供水控制面板所示。图5-13恒压供水系统上位机控制面板5.2系统的运行模式在本次恒压供水系统的设计中具有手动控制和远程控制两种控制模式,这样不仅提高了系统的可操作性，也使系统的控制方式多样化，更加使得系统操作更加简洁、方便.5.2.1手动控制模式手动控制模式是指在控制箱体上具有手动操作按钮、开关，能就地控制系统运行.此次系统设计中有以下设备用到了手动开关:断路器开关控制系统电源上；PLC开端的选择开关；控制变频器远程、手动选择开关；手动选择系统水泵远程、手动和停止的三态常闭选择开关；手动控制水泵运行的按钮.只要将水泵控制开关旋转至手动端,我们就可以通过操作按钮来实现系统生活主水泵变频运行/停止，生活辅水泵变频运行/停止，消防水泵变频运行/停止以及生活主水泵、生活副水泵和消防水泵三者同时运行/停止。5。2.2远程控制模式远程控制是指操作人员在不控制手动装置的基础上使用相关软件远程设定设备运行状态，在本次设计中，我们采用了中控监控软件，对生活主水泵、生活副水泵及消防水泵运行、停止状态做远程控制，同时根据要求设定系统运行频率及管网设定压力。本次恒压供水系统设计是基于OptiVIEW实时数据开发系统，OptiVIEW实时数据库开发系统是一个集成开发环境。从功能上分析，OptiVIEW可分为组态和运行两个部分;从结构层次上分析，它包含IO驱动、实时数据库以及人机界面三部分.设计者在这个环境中完成界面的设计、动画连接的定语、数据库的配置等等.利用人机界面开发可以更加方便的生成各种复杂生动的画面，可以逼真的反映现场数据。数据库中有拥有多种数据类型,可以完成统计、查找、管理、事故追忆、趋势分析等功能,能满足各种工业现场的需要。利用OptiVIEW实时数据库可以创建用户安全管理系统，并可以轻松实现分布式管理，构建更多复杂的网络数据库平台。在恒压供水控制面板上,如图所示，一共有主生活水泵开关、副生活水泵开关、消防水泵开关、全部开、全部关,五个按键。共同控制着主生活水泵启停、副生活水泵启停、消防水泵启停。还有主生活水泵显示灯,用于确定主生活水泵是否工作。为红色时不工作，为绿色时工作（主生活水泵模拟值为1时为真,显示为绿色。为0时为假，显示为红色）。如下图5—14所示。图5—14显示灯设置图副生活、消防水泵指示灯同理。控制这五部分启动程序分别如下所示：主生活水泵启/停ifshsbzk。pv==1then shsbzk.pv=0;elseshsbzk。pv=1;endif副生活水泵启/停ifshsbfk.pv==1then shsbfk.pv=0；elseshsbfk.pv=1；endif3。消防水泵启/停ifshsbxk。pv==1then shsbxk。pv=0;elseshsbxk.pv=1；endif4。三台水泵全部启动Shsbzk。pv=1；Shsbfk.pv=1;Shsbxk。pv=1；5。三台水泵全部停止Shsbzk。pv=0；Shsbfk。pv=0;Shsbxk。pv=0;5。3系统的运行结果分析在本次系统中，我们运用监控画面对供水系统各部分运行进行控制:主生活水泵、辅生活水泵、消防水泵的运行/停止；也可以远程监控可实时对供水系统进行监控与操作,能够发现其是否发生故障；在发生火灾时，能够及时且可靠启动消防水泵，并且不停止生活供水.如,在只需要主生活水泵就可以满足用水条件的情况下,我们只需要点击主生活水泵旁的按钮就可以打开主生活水泵,指示灯变亮，实际水压表和变频器实际频率显示当前数值，如图5-15所示。图5—14主生活水泵运行监控显示图在发生紧急事件时，如遇到火灾，需要开启所有水泵，在上图5—14基础上可以直接点击上位机板块的“全开”按键，就可以达到预计效果。如图5—15所示。图5-15所有水泵全部运行监控显示图经测试，系统运行正确,实现了要求.第6章项目分析6。1项目的可行性分析6.1.1项目需求可行性分析此次系统设计项目是基于国内现有供水系统的缺点进行开发，这些缺点包括:城市供水管网压力有限；城市供水压力不能根据用户需求动态改变；城市供水系统不能远程控制.在这样的背景下,我们要想提高供水系统性能，就必须结合当下技术改善系统功能.同时，当代变频技术的发展有了一定完善。因此，我们可以借助变频技术实现供水系统动态性能、稳定性能改善和自动化程度提高。6。1.2项目技术可行性分析项目技术方面如前面第3、4、5章的具体介绍，并且模拟运行结果可以实现我们预先的设置需求，即该项目技术上可行.6.2加强系统的抗干扰能力在实际操作中难免会有一些现实因素在使得工作系统得到阻碍，这些干扰因素需要我们特别注意，当然设计中的可编程序控制器以及PID调节器都是较好抵御阻碍的技术，即便如此，我们还要从下面几个方面注意如何加强我们的抗干扰性能.一．电用设备在长期工作后总会出现过热现象，因此需要很好的保护电用设备的运行，在工作设备间要常常进行通风以便及时散热。二．在安排具体设备的时候，要注意哪些有电磁干扰，要尽量避免，还要注意适当的设计距离，即显示远输送压力表要尽量和电流信号以及压力开关量信号的传输电缆缩短距离，以及水泵与控制系统也要尽量缩短距离。三．在选择设备时要选用质量可靠的设施，并要注意各个软件之间的联系.四．注意防雷。如果电源由电缆输送，则将防雷装置安在控制室，以保护设备。如果电源由外部架空进来，则需要在进线处安装防雷装置.结论本设计是基于PLC和变频技术，将两种技术融合在一起，因此控制系统具有了重量轻、体积小、噪声低、可靠性高、高效节能、自动化程度高等优点.使整个管网受到了所设计系统的控制调节,使节能节水的恒压管理得以实现.系统以PLC为核心，可实现复杂的智能算法,从而进一步改善系统的控制性能，同时利用PLC丰富的接口和通讯功能可以方便地实现远程监控和故障诊断。系统以变频器为控制机构，可对水泵实现限流启动减小启动对系统的冲击，同时利用变频器变频作用控制系统水压。因实现了恒压自动控制,不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量,减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。此外，本文所提到的PID控制算法是很容易的，是现有系统