恒压供水毕业设计基于PLC、变频器和触摸屏模拟恒压供水系统的设计

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1、毕 业 论 文（设 计）题目：基于PLC、变频器和触摸屏模拟恒压供水系统的设计系 别： 电子工程系 专 业： 计算机与自动化控制 姓 名： 姚浩杰 学 号： 04 指导教师： 封定国、张东勇、王晓云 答辩日期： 基于PLC、变频器和触摸屏模拟恒压供水系统的设计摘要 本章以广东三向教学仪器制造有限公司SX系列“PLC控制变频器调速用触摸屏监控恒压供水系统”为研究对象。该系统集PLC、变频器调速器与触摸屏于一体。整套软、硬件配套齐全，具有特有的模拟楼宇恒压供水系统采用真实的压力装置、水泵和传感器。通过对该系统的主要结构与工作原理的探究与对模拟用户供水的工作过程和控制要求分析，给出了模拟用户用水时间

2、直观图、恒压供水原理图，并采用PLC控制变频调速器达到恒压供水的设计方法，进行了软硬件设计，列出了PLC的I/O地址分配表,绘制了PLC的I/O分配图和PLC控制原理图，编写PLC控制程序的梯形图和指令表;由触摸屏界面（GT）控制和监测整个系统的运行和数据，使整个控制系统的操作变得简单，方便。大大提高了系统的自动化程度和实用性。恒压供水方式技术先进、水压恒定、 操作方便、 运行可靠、 节约电能、 自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能: (1)维持水压恒定； (2)控制系统可手动/自动运行； (3)多台泵自动切换运行； (4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求

3、时自动唤醒； (5)在线调整 PID参数； (6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。关键词:可编程控制器(PLC)；变频恒压供水系统；触摸屏界面（GT）；FR-A500目录第1章 绪 论41.1 引言41.2 课题意义41.3 国内外在该方向的研究概况51.4 本文的主要工作6第2章 系统总体分析与设计72.1 系统概述72.2 恒压供水系统的节能原理82.3 恒压供水系统硬件设计9第3章 器件的选型及介绍143.1 可编程控制器PLC143.1.1 简介PLC的产生143.1.2 简介PLC的发展状况及其发展趋势153.1.4 简介PLC的应用领域163.1.5 PLC的工作过程163.1

4、.6 PLC的控制173.1.7 PLC的选型183.2 变频器193.2.1 变频器的构成193.2.2 变频器的特点233.2.3 变频器的接线243.3 PID调节243.4 压力传感器的接线图253.5 原件表25第四章PLC控制及编程284.1PLC控制284.2自动运行294.3 手动运行30第5章 人机界面315.1 GT Designer2人机界面触摸屏应用315.1.1 人机界面触摸屏基本知识315.2 人机界面触摸屏软件安装及连接与下载325.2.1 编程软件的安装325.2.2 编程软件的使用简介335.3GT Designer2 简要设置与操作34结束语40参考文献41

5、致谢42附录A、梯形图43附录B、触摸屏界面51第1章 绪 论水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们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。主要表现在用水高峰期，水的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，水的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。因此，开发基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。1.1 引言目前,居民生活用水和工业用水增长幅度日益加大.由于居民日常生活

6、用水会随季节、 昼夜等时间段的不同而不同,如采用传统的供水方式则会出现供水和用水不平衡的现象,造成资源浪费。传统的供水系统已经不能满足人们的要求.为了节约能源, 可采用变频恒压供水方式对传统供水系统加以改造,以达到节能、控制简单、供水稳定、减少污染等目的。1.2 课题意义本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水品高质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。模拟在实际应用中如何

7、充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。1.3 国内外在该方向的研究概况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

8、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

9、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

10、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。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

11、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。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当

12、今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。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、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。1.4 本文的主要工作本文采用电动机、变频器与可编程控制器(PLC)构成控制系统，用触摸屏界面进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际

13、值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PLC的PID指令或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(420)直接输入到PLC的3A模块中，再由3A模块中输出0-250的数字量在PLC的PID程序中运用起来，由PLC将其与用户设定的压力值进行比较，并通过PLC程序中PID指令运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。第2章 系统总体分析与设计本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了总体分析

14、说明。2.1 系统概述如图2.1所示，为该系统的供水流程。图2.1 供水流程简图随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备

15、的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。2.2 恒压供水系统的节能原理在变频恒压供水系统中, 关键是对水泵的控制.泵的转速 n 与流量Q、 扬程 H 及泵的轴功率N 的关系如下式所示： （1）泵用电动机驱动时,电动机功率 P 可用下式表示: （2） 式中：泵的流量 Q 和扬程H 的关系曲线见图2.2 . 曲线、 分别对应转速n1 、

16、 n2( n1 n2) 时的 H - Q 特性曲线, 曲线、 为管阻特性曲线. 当调节流量时, 通常采用调节阀门和变频调速两种方式.图2.2 泵的流量 Q 和扬程H 的关系曲线假设泵的额定工作点为 N 点, 额定流量 QN 为100 % ,此时轴功率 P1 与图中 QNNHN0 区域面积成正比.(1) 调节阀门法当流量从 QN 减小到QA 时,采用调节阀门法, 管阻特性曲线从 切换至 , 扬程 H 增大, 工作点由 N 切换至 A. 此时轴功率 P2 与图中 QAHAA 0 区域面积成正比。(2) 变频调速法由式( 1) 可知,泵的流量 Q 与转速n 成正比, 要将流量从 QN 减小到QA 时

17、,可将泵转速从 n1 降至n2 , 工作点从 N 切换至B, 扬程H 减小. 在同样流量QA 下, 轴功率 P3 与图中 QAHBB 0 区域面积成正比. 由图可知,P3 GOT”标签卡，然后在对话框中选择“中文（简体）”即可，如图5.14。其他的选项会随之自动出现。然后点击“安装”，触摸屏就进入与电脑通讯之中，此时不能关闭GOT电源或者拔出GOT通信线。图5.12图5.13图5.149工程画面下载当工程画面编辑完毕后，通过打开菜单栏中的“通讯”“跟GOT的通讯”对话框实现。在标签卡中选择“工程下载GOT”。如图5.15。在“基本画面”里选择需要下载的画面名称，在名称前打勾，选择完毕后点击“下

18、载”按钮，就可以进行下载数据传输，在传输过程中禁止关闭触摸屏电源和移动GOT通讯线。图5.15结束语本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意在GT触摸屏界面上设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度

19、快。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。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。参考文献1 程子华 刘小明，PLC原理与编程实例分析（第二版），北京 国防工业出版社 2011.52 阮友德，电气控制与PLC实训教程.北京 人民邮电出版社 2006.103 吴启红，变频器、可编程控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书（第2版）.北京 机械工业出版社 2010.64 张建奇，数字 PID变频调速在 PLC恒压供水中的应用J ，北京:微计算机信息 ,2002,18 (4) 1