毕业设计(论文)城市恒压供水系统设计.doc
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1、毕业论文(设计)题目:城市恒压供水系统设计 作 者: 专业及班级:06级机械制造及自动化 指导老师: 准考证号:014408500157 南昌理工学院光信息机电工程系2009年10月31摘 要 城市供水系统的主要在用水量不断变化的情况下,维持管内水压在一定范围内,即满足用户用水的要求,又能够最大程度节约能源、延长设备寿命。变频供水的控制器经历了从继电器-接触器,到单片机,再到PLC。而变频器也从多端速度控制、模拟量输入控制,发展到专用变频器。实现了城市供水系统简单、高效、低耗能的功能,并且实现自动化的控制过程,采用PLC作为核心控制是个较好的方案。 关键词: 恒压供水 PLC 变频器 程序设计
2、主编:杜善义排版:徐振盼审核:翟亚军Abstract Urban water supply system, mainly in the water changing circumstances, to maintain its water pressure within a certain range, that is, to meet the requirements of the user of water, but also to the greatest degree of energy conservation, to extend the service life. Frequen
3、cy of water supply has gone from a controller relay - contactor, to the microcontroller, to the PLC. The inverter speed control from multiterminal analog input control, the development of the special inverter. Implementation of urban water supply system is simple, efficient, low-power features, and
4、achieve automated control process, using PLC as a core control is a better solution.Key words: constant pressure water supply inverter PLC program design.目 录绪论 1 供水系统简介 1 供水系统功能要求 1第一章.系统的总体设计 41.1 供水系统的结构 41.2 供水系统的工作原理 5第二章 硬件系统配置 7 2.1 PLC选型7 2.2 PLC的I/O资源分配 8 2.3 其他资源配置 10第三章.软件系统设计 143.1 总体流程设计
5、 143.2 各个模块梯形图设计 21第四章.系统设计中问题及解决方法 294.1 硬件方面问题 294.2 软件方面问题 30第五章 设计小结 30致谢 31参考资料 32绪 论一、供水系统简介对于高层用户来说,在白天或用水高峰时候,供水系统的电机负荷最大,常常满负荷或超负荷;而晚上或休闲时,所需水量减少,但是电机依然处于满负荷运行,这样浪费了大量资源,对电机损耗也很大,由于变频调速系统的运用有效的解决了以上问题,根据用水量的大小来控制水泵的转速,即用水量大时,提高变频,使水泵转速升高,增加供水量。当用水量减少时,降低变频,使水泵转速降低,或减少投入运行水泵数量,减少供水量。现在由于电子技术
6、的发展如SCAD系统、DCS系统和PLC等系统逐渐应用到工业控制中。SCADA系统是由一个主控站和若干个远程终端站组成,通过物理链路层或数据链路层进行通信联系。该系统最初用于通信系统,但终端站的扩展,也实现连续及顺序控制,所以较多应用于控制系统,但此类系统多侧重于连续监测的场所。DC系统称为集散型控制系统,是由多台计算机和现场终端机组成的,共同完成分散控制和集中操作、管理的综合控制系统,多侧重于连续性生产过程管理。PLC时可编程控制器的简称,它作为处理系统的控制器,实现控制系统的功能要求,也可利用计算机作为其上位机,通过网络连接PLC,对生产过程进行实时监控,具有编程方便、开发周期短、维护容易
7、、通用性强、使用方便、控制功能强、模块化结构、扩展能力强等特点。二、供水系统要求城市供水系统的主要在用水量不断变化的情况下,维持管内水压在一定范围内,即满足用户用水的要求,又能够最大程度节约能源、延长设备寿命。变频供水的控制器经历了从继电器-接触器,到单片机,再到PLC。而变频器也从多端速度控制、模拟量输入控制,发展到专用变频器。实现了城市供水系统简单、高效、低耗能的功能,并且实现自动化的控制过程,采用PLC作为核心控制是个较好的方案。PLC具有体积小,设计周期短、数据处理和通信方便、易于操作与维护、明显降低成本等优点,可满足城市供水系统的要求。除此之外,PLC作为城市供水系统使设计过程变的更
8、加简单。可实现功能变的更多。由于PLC和CPU强大的网络通信能力,使城市供水系统数据传输与通信变得可能,并且可实现远程监控。利用PLC作为控制器的城市供水系统主要涉及两个方面:一是信号输入;二是控制输出信号。其一、信号输入城市供水系统信号输入检测主要涉及三类信号的检测,主要包括:按钮的输入检测、液位高低的输入检测,以及管内压力的输入检测。1)、按钮输入检测。大多数为人工方式控制的输入检测,主要有手动按钮、自动按钮、水泵工频启动按钮、水泵变频启动按钮,以及变频加、减速按钮等。2)、液位高低输入检测。检测水池液位的高低,用来控制整个供水系统的启动和停止。3)、管内压力输入检测。按钮输入和液位高低输
9、入检测到为数字量输入,管内压力输入为模拟量输入。通过将管内的压力传感器安置于适当位置上,将检测值反馈到PLC中,通过运算输出控制水泵信号。当压力值偏低时,供水量不足,导致用户无法正常用水,因此需要增加水泵的转速以增加供水量;当压力值偏高时,导致管内压力值过大,用户用水较多,容易对管道造成损害,因此减少水泵转速减少供水量,最终使管内的水压力保持在一定范围内。其二、控制信号与输出信号信号输出部分主要包括两个方面;一个是数字输出,即各类设备的接触器;另外一个是通信输出,即通过RS-485来控制变频器。1)、数字输出。控制各类设备的启动和停止,包括:所有水泵的工频运行和变频运行等接触器,以及进水阀门的
10、开启与关闭。2)、通信输出。通过PLC中PID运算的数据转换成标准值,该控制信号输入到变频器的通信端口上,改变变频器的输出频率,从而控制水泵的转速,最后达到控制水管中压力的要求。第一章 系统的总体设计一. 供水系统的结构 城市供水控制系统设计主要包括两个方面:一方面是机械结构设计;另一方面是PLC电气控制方面设计。机械结构是控制系统的基础,实现现控制功能的前提;PLC电气控制系统是实现控制功能的核心部分。机械部分的设计相对简单,电气结构、设备组成比较固定。1、主要组成部分 城市供水系统的组成比较简单,主要是一些管道、水泵、变频器等,以及其他的辅助设备构成,电气结构主要组成部分的简单示意图。水压
11、变化水 泵调速器控制器如图1-11)、水压变化:作为系统的控制输入量,能否采集信号根据控制系统的精度及可靠性。2)、控制器:是整个控制系统的核心,通过对外界输入状态进行检测,输出控制量;对外界输入数据进行运算处理后,输出相应的控制量。例如单片机、可编程逻辑控制器、计算机等。3)、调速器:作为控制器的核心的后续控制单元,对终端设备进行控制,最终达到控制要求。例如多段调速、变频调速等。4)、水泵:供水系统的执行机构,通过调速器控制器控制电机的转速,最后达到控制水泵流量大小的要求。2、电气控制系统控制器、调速设备及其他辅助设备机械结构操作面板图12 系统电气图电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜
12、等单元。由于该系统中需要检测较多的数字输入量,并且还要检测模拟输入,然后根据设定的程序进行数据处理,输出控制信号,因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制,其示意图如图12所示。二. 供水系统的工作原理图1、控制系统总体框图城市供水电气控制系统的总体框图如图1-3所示,PLC为核心控制器,通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器输入,以及相关模拟量的输入,完成相关设备的运行、停止和调速按钮。操作面板传感器输入模拟量输入PLC变频器水泵图13 城市供水电气控制系统总体框图2、工作过程城市供水系统在手动状态下,各类设备的控制根据操作面板上的按钮输入来控制,无逻辑限制,即不根据传感
13、器的状态进行控制。在自动方式下进行闭环控制,系统根据检测到外部传感器的状态如下:1)首先,测量水位的高低;启动运行测量压力反馈值调节规律计算检测变频器输出输出控制驱动器一个过程结束图14 自动工作过程2)其次,采集压力传感器反馈的信号,将该传感器输出的模拟信号转换成PLC可处理数字信号。3)再次,PLC根据压力反馈值,以及变频输出,对模拟量进行数据处理。4)最后,在PLC中数据经过计算后,产生控制信号来实现对驱动的控制。这就完成了一个工作过程。第二章 硬件系统配置一. PLC选型根据工作原理和控制功能要求,因此设计出城市供水系统的电气控制系统框图如图2-1所示,在此控制系统中的核心处理器是PL
14、C,其输入和输出主要为数字量,只有一组模拟量输入。可编程控制器PLC操作面板液位高度传感器管内压力反馈值变频器三个泵运行显示面板图21 电气控制系统框图根据城市供水电气控制系统的功能要求,从经济性、可靠性等方面来考虑,选择西门子S7-200系列PLC作为城市供水电气控制系统的控制主机。由于城市供水电气控制子系统的输入/输出端口较少,而其控制过程相对复杂,因此采用 CPU224作为该控制系统的主机。在系统中,还需要采集模拟量的功能要求,因此需要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。西门子公司专门为S7-200系列PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235,该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力
15、,可以满足控制系统的功能要求EM23实例图实例图CPU224二. PLC的I/O资源配置 根据系统的功能要求,PLC的I/O进行配置,具体分配如下所示。 1、数字量输入部分在此控制系统中,所有的输入量基本上属于数字量,主要包括各种控制按钮/旋钮等数字输入,共15个数字输入量,如表2.1所示。 2-1 数字输入量地址分配输入地址输入设备输入地址输入设备I0.0急停I1.02#泵变频启动I0.1手动启动I1.13#泵工频启动I0.2自动启动I1.23#泵变频启动I0.3水池高位I1.3电机加速I0.4水池低位I1.4电机减速I0.51#泵工频启动I1.5水池进水阀门I0.61#泵变频启动I1.6变
16、频复位I0.72#泵工频启动2、数字量输出部分在这个控制系统中,主要输出控制的设备有,各种接触器、阀门等,共7个输出点,其具体分配如表2-2所示表2-2 数字输出量地址分配输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.01#泵工频接触器Q0.43#泵工频接触器Q0.11#泵变频接触器Q0.53#泵变频接触器Q0.22#泵工频接触器Q0.6水池阀门Q0.32#泵变频接触器3、模拟量输入部分由于需要采集一个压力传感器所反馈数据,因此扩展了一个模拟量输入/输出模块,具体I/O分配如表2-3。 表2-3 模拟量输入地址分配输入地址输入设备AIWO压力传感器根据控制系统的功能要求、如表2-1、2-2和2-3所示
17、的I/O分配情况,以及图2-6所示的城市供水系统的硬件连线图,设计出城市供水系统的硬件连线图,如图2-6所示,此图控制面板的手动控制部分主要在调试系统时使用,调试完成后基本处于闲置状态。3#泵变频启动急停手动启动自动启动水池高位水池低位1#泵工频启动1#泵变频3#启动 2#泵工频启动2#泵变频启动3#泵工频启动电动机加速电动机减速水池进水阀门变频器复位1#泵工频接触器1#泵变频接触器2#工频接触器2#泵变频接触器3#泵工频接触器3#泵变频接触器水池阀门AIWO EM235图2-6 系统硬件连线图压力传感器PLC数据线三. 其他资源配置要完成系统的控制除了要PLC主机及扩展模块之外,还需要各种开
18、关、接触器和变频器等仪器设备 1、接触器 在变频恒压供水系统中,其中所有设备的运行不是连续的,而是根据控制面板上的按钮情况或根据传感器的反馈值进行的,因此需要PLC根据当前的工作情况,以及按钮的情况来控制所有设备的启停,共6个接触器:1#泵工频接触器、2#泵工频接触器、3#泵工频接触器、1#泵变频接触器、2#泵变频接触器、3#泵变频接触器。 (1)1#泵工频接触器,1#泵工频接触器是连接1#到工频电网的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或停止。(2)2#泵工频接触器,2#泵工频接触器是连接2#泵到工频电网的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或停止。(3)3#泵工频接触器,3
19、#泵工频接触器是连接3#泵到工频电网的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的工频运行或停止。(4)1#泵变频接触器,1#泵变频接触器是连接1#泵到变频器的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或停止。(5)2#泵变频接触器,2#泵变频接触器是连接2#泵到变频器的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或停止。(6)3#泵变频接触器,3#泵变频接触器是连接3#泵到变频器的接触器,通过PLC输出的指令控制泵的变频运行或停止。2、变频器MM430变频器一种风机水泵负载专用变频器,能使用于各种变速驱动系统,尤其使用于工业部门的水泵和风机,主要优点有以下几个方面。1).体积小,结构紧凑。2).采
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