基于plc控制的双恒压供水水泵站系统设计大学论文.docx
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基于plc控制的双恒压供水水泵站系统设计大学论文
南京理工大学紫金学院
毕业设计说明书（论文）
作者:
学号：
系：
电子工程与光电技术系
专业:
电气工程及自动化
题目:
基于PLC控制的双恒压供水
水泵站系统的设计
讲师
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2016年5月
南京理工大学紫金学院
毕业设计（论文）评语
学生姓名：
班级、学号：
题目：
基于PLC控制的双恒压供水水泵站系统设计
综合成绩：
指导者评语：
课题工作进度计划完成毕业设计的每一步工作。
该同学掌握了双恒压供水水泵系统的工作原理，利用PLC进行了软件的设计和调试，最后运用组态王完成了双恒压供水水泵系的界面和动画设计，实现了以组态王为上位机的实时监控运行状态的监控系统。
该论文语句通顺，书写和图表符合论文书写规范，完成了毕业设计任务书的要求，可以提交答辩。
建议评定成绩：
良好
指导者（签字）：
年月日
毕业设计（论文）评语
评阅者评语：
评阅者（签字）：
年月日
答辩委员会（小组）评语：
答辩委员会（小组）负责人（签字）：
年月日
毕业设计说明书（论文）中文摘要
本设计是以PLC为核心的由三台水泵组成的基于生活、消防的双恒压无水塔供水水泵站控制系统。
通过采集外部信号送入PLC中，并由PLC控制变频器，进而控制水泵电机来实现水泵站的恒压控制。
系统具有报警功能，当水位低于水位下限时，水泵自动运行并发出欠水位报警。
当水位高于水位上限时，过一段时间后发出过水位警报；当水位低于水位上限时，一段时间后过水位警报取消。
同时利用组态软件设计了人机界面，实现了PLC与组态王的双向通信，可以实时监控现场状态，及时处理现场情况。
关键词PLC组态王变频调速恒压供水
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleDoubleconstantpressurewatersupplypumpingstationsystemdesignbasedonPLCcontrol
Abstract
ThedesignisaboutadoubleconstantpressurewaterpumpstationcontrolsystemconsistsofthreepumpswithPLCasthecorebasedonlivingandfirefightingwithoutwatertower’ssupply.BysentthecollectedexternalsignaltothePLC,andthefrequencyconverteriscontrolledbythePLC,andthencontroltheWaterpumpmotortoachieveconstantpressurecontrolofwaterpumpingstations.Thesystemhasalarmfunction,whenthewaterlevelbelowthewaterlevellowerlimit,Waterpumpautomaticallyrunandlowwaterlevelwarning.Whenthewaterlevelisabovethewaterlevellimit,itwillarisethewaterlevelalarmoveraperiodoftimeafterwards;Whenthewaterlevelbelowthewaterlevellimit,thewaterlevelalarmwillbecancelledafteraperiodoftime.Atthesametimeusingtheconfigurationsoftwaretodesigntheman-machineinterface,realizedthetwo-waycommunicationbetweenPLCandtheKingview,canmonitoringthesceneatreal-time,andtimelyprocessingthefield.
KeywordsPLCKingViewfrequencycontrolConstantpressurewatersupply
目次
1绪论
随着经济的不断发展，近年来国内很多高楼大厦林立的同时。
城市高层建筑的供水问题变成了一个备受关注的话题。
双恒压无塔供水水泵站系统的提出，迅速成为了这个话题的关注焦点，如何能建立一个完善的双恒压供水系统呢？
这就是我们研究的课题。
1.1课题背景及意义
我们都知道水在人类生活、生产中的重要意义。
对于发展迅速的中国来说，如何更好地进行高楼供水已经成为了时代的主题，一个高度自动化的供水系统的出现更加迫切。
特别是进入21世纪以来，随着各种经济迅速发展，住房小区多以高楼的形式出现，小区的供水方式，成了人们关注的话题。
如何设计一个的可靠、稳定、经济的供水系统，成为了我们的工作重点。
近年来，通过对传统的小区供水方式的分析发现，传统的供水方式大概分为以下几种：
恒速泵加压供水、高位水塔供水、气压罐加压供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下[1]：
l、恒速泵加压供水方式不能对供水管压做出及时有效的反应，水泵的增减都需要人工进行手工操作，自动化水平低下。
而且为保证持续稳定供水，水泵机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，损坏现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
2、高位水塔供水具有控制方式简单、运行经济合理、维修方便，快捷或在停电情况下仍可继续供水等优点。
但存在基础建设投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流过大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
3、气压罐加压供水有着简单，灵活，体积小等优点，但是这种方案可调节的用水量很小、而且水泵要具有适应频繁硬启动的能力，对其他设备的要求也比较高，而且维护工作不方便，浪费大量资源。
不利于当前节能减排。
4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
5、单片机变频调速供水系统也是目前常用的变频调速方案之一，自动化程度等方面也都不错，但是系统开发周期比较长，而且不易于操作，必须专业人士才可以，浪费人力，而且可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
上述传统的供水方式，在人力、物力，都有不同程度的浪费。
而且经济效果不好安全可靠性差；自动化程度低等缺点。
对于目前节能减排的政策不相适应。
但是，这些缺点在应用上PLC以后就可以大量的避免了。
生活用水的恒压供水系统中，通过变频调速来控制水泵，维持恒压，节能效果很好，其优点主要体现在一下几个方面：
一节约大量能源；二是使用软启动，减少系统对电机和电网的破坏；三是安全可靠，环保[2]。
PLC变频恒压供水系统将变频技术、电气技术、现代控制技术有机的结合到一起。
该系统可以提高供水系统的稳定性、可靠性，同时系统具有良好的节能环保等性能，在这个节能环保的大环境下，更有利于它的发展和应用。
因此，研发改进此系统，对于提高企业效率和改善人民的生活水平、提高人们生活质量。
减小能耗等方面具有的不可忽视的现实意义。
1.2国内外变频调速技术的发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。
1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制技术应用到交流传动中的是德国人。
20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。
从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。
1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。
1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论（DSC）。
1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。
综上所述：
国外在交流变频调速技术的发展方面特点主要包括以下几点：
第一；市场需求量大；第二，各硬件发展迅速，特别是功率器的发展；第三相应的理论也发展迅速，主要是控制理论和微电子技术。
变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个方面决定的。
在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段[3]。
在我国，60％的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。
我国电气传动产业始于1954年。
现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。
随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。
总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下[4]：
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变频恒压供水系统的国内外研究现状
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、起制动控制、压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。
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，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”--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，通过设置基于PLC的变频恒压供水系统的设计指令代码实现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7台电机（泵）的供水系统[5]。
就目前而言，国内很多公司在做变频恒压供水的项目，大多数公司采用国外的变频器控制水泵的转速、水箱压力的形成的闭环调节系统。
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、抗干扰性能等多方面的综合技术指标来说，还远远达不到所有用户的需求。
当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的供水需求的研究还远远不够。
因此，还需要进一步研究改进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[6]。
2系统总体设计方案
根据设计要求，对整个系统的功能和性能进行了详细分析。
对基于PLC的双恒压无塔供水水泵站系统涉及到水压和水泵的控制，做了总体的规划。
根据安全性原则，设计了具有报警功能和动态实时监控的功能。
系统整体功能模块图如图2.1所示。
图2.1系统总模块图
从以上功能模块图可以看出根据整体规划，恒压控制系统以PLC为核心，对水压、水泵进行控制和对系统故障进行监测。
整个系统最顶层设计就如图1.1所示，根据任务要求，水泵组的开环控制系统中涉及到对水压力的测量、水压的实时显示和对水压的控制；人机监控模块主要功能就是对运行的水泵，和水压持续有效的动态监测，能及时准确的将信息传达到PLC，以便PLC对相关处理。
警报系统模块主要功能：
当系统发生故障时，的将系统故障显示出来，便于工作人员发现并及时的维护，将损失最小化。
系统最顶层的设计完成后，下面依据顶层设计中每个模块的具体功能对其再进行更细致的分层设计。
2.1供水系统工作原理
如图2.2所示，小区用高低水位控制器EQ控制水网总开关YV1，当水位低于水箱下限时，自动向水箱注水。
若水箱的水位高于上限水位时，经一段时间延时后，关闭总开关YV1，直到水位低于水位上限一段时间后，才打开总开关YV1继续注水。
低于水位下限和超过水位上限时，系统都会发出报警。
为了保证供水时水压的稳定，将水位上传感器和下限传感器之间的距离设计的很小。
此供水系统由三台水泵组成，生活用水管道接通，消防管道关闭。
三台水泵用低恒压状态为生活用水供给，按照一定的逻辑顺序供水。
如果突然发生火灾，消防用水管道接通，并且三台水泵供水同时运行供水。
此时为高恒压状态，此时生活用水的减压阀控制开始工作。
提高消防用水的水压，减小生活用水的水压。
火灾结束后，三台水泵继续为生活供水。
如表2.1图2.2所示。
表2.1开关功能表
符号
功能
YV1
总供水开关
YV2
生活供水开关
YV3
消防供水开关
STH
高压供水
STL
低压供水
图2.2供水管道图
2.2双恒压供水水泵站系统的工作原理
恒压原理综述：
本设计研究的双恒压供水水泵站系统，通过传感器，测出水压值，即将压力信号转化为电信号。
然后经过A/D转化，传输到PLC,经过处理后，发出命令到变频器，通过对频率的改变而改变电机的转速，维持恒压。
另外系统设有报警器，如果压力超出一定范围，或出现故障，进行报警提示。
还有组态王对系统的状态进行动态的实时监控。
2.2.1变频恒压供水系统原理
供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线（Q），如图2.3所示。
可以看出，流量Q越大，扬程越小。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的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Q）间的关系。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程日与流量Q之间的关系日可（Q）。
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。
由图可知，在同一阀门开度下，扬程越大，流量Q也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是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Q之间的关系日可（Q）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2.3中A点。
在这一点，用户的用水流量Q和供水系统的供水流量Q处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行[7]。
图2.3供水的基本曲线特性
在系统内，恒压通过控制频率，进而控制水泵输出的水流量维持在设定的供水压力。
从图2.4中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值。
图2.4恒压供水闭环系统
该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等[8]。
2.2.2PLC的工作原理
PLC是设计的一个核心，我们可以通过其接线图和它的硬件接线去了解它的原理和工作的特性。
PLC的工作原理：
PLC的基本结构和通用计算机相同，此外两者在指令执行原理方面也并无差异。
但是，两者在工作方式上却存在着很大的不同之处。
不同点主要体现在PLC的CPU采用循环扫描的工作方式，通常是集中进行输入采样以及集中输出刷新。
PLC的扫描工作原理：
PLC采用循环扫描的工作方式，这个工作过程通常包括五个阶段：
内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。
PLC依次执行的五个阶段，统称为一个扫描周期。
PLC完成一个扫描周期之后，又重新开始执行上述过程，从而开始下一轮新的扫描，周而复始地循环进行[[9]。
下一轮扫描过程必需经历输入采样、程序执行以及输出刷新这三个阶段。
此时，一般不会经历前两个阶段。
PLC的输入采样阶段：
在输入采样阶段，PLC的CPU将有顺序地进行各个输入端的扫描。
依次对每一个输入端的状态按顺序进行读取，并将其存入输入映像区单元中。
此时，刷新输入映像寄存器后关闭输入端口，进入程序执行阶段。
在程序执行阶段或者输出阶段，输入映像寄存器内容不会随外部输入信号变化而改变。
直到下个扫描周期的输入采样阶段[10]，才会重新给输入端写入新内容。
因此，输入脉宽必须大于一个扫描周期，才能使得正确读入输入状态得到保证。
PLC的程序执行阶段：
在程序执行阶段，PLC的CPU将从用户程序的第0步开始，按照先上后下、先左后右的顺序，逐条扫描用户所编写的梯形图程序。
经相应的运算和处理之后，其结果会再写入输出状态寄存器中。
改变程序的执行，所有输出状态寄存器中的内容也会随着变化。
在程序执行阶段，只有输入端存放于I/O映像区内的输入采样值不会发生变化，但是其他各组软件及输入点在I/O映像区内的状态和数据都很有可能随着程序的执行而发生变化。
在程序执行的过程中，下层逻辑行中的接点状态会随着上层逻辑行中线圈状态的改变而产生作用。
反之，直到下个扫描周期，才能实现上层逻辑行中的接点状态由于下层逻辑行中线圈状态的改变而产生作用。
当完成所有指令扫描处理后，便会转入输出刷新阶段。
PLC的输出刷新阶段：
在输出刷新阶段，PLC的CPU会集中将元件映像寄存器中的各个输出元件（即输出继电器）的状态（此状态存放于对应的输出映像寄存器中）转存至输出锁存器中。
对其内容进行刷新，改变输出端子上对应的状态，然后通过一定的方式（继电器等）输出，完成对相应输出设备的驱动准备，实现正常工作。
3系统硬件设计
3.1硬件的选型
3.1.1PLC选型
根据系统设计要求，进行了I/O口的分配，需要10输入端口，12个输出端口，选用西门子CPU226型PLC作为控制器,符合设计要求。
3.1.2水泵机组的选型
水泵机组的选型基本原则，一是要确保安全平稳的运行；二是使水泵长期在高效区运行，三是具有快速回复功能。
并且选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本文以徐州某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求如下：
1）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵均能可靠地循环使用，每台水泵单独工作不超过两小时；
2）具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能；
3）要求具有生活用水的恒压压力和消防用水的恒压。
根据系统的总流量范围、扬程大小，进出口径，确定供水系统压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用3台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组。
型号及参数见表3.1所示。
表3.1水泵组水泵参数
3.1.3变频器的选型
要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所
配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。
在一台变频器驱动一台电机
连续运转时，变频器容量（kVA）应同时满足下列三式：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
式中：
一负载需要的电动机的输出功率；
一电动机的效率（大于0.85）；
一电动机的功率因数（大于O.8）；
一电动机的电压（V）；
一电动机工频电源时的电流（A）；
一变频器的额定容量
；
一电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.05；
一变频器的额定电流
。
这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型U／f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U／f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U／f控制变频器[12]。
根据上述要求，我们以实验室现有的变频器MM440来进行研究。
MM440变频器简介[13]：
MM440变频器以微处理器为核心，采用先进的科学技术与现代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为装置相结合。
具有可靠性高和功能多样的特点。
其脉冲宽度调制的开关频率是可调节的，可以减少马达运行时的噪音。
MM440变频器的主要特点是：
易于安装、调试，控制信号的响应速度快和可通过不同参数设置，实现其强大而多样的功能，而且电缆连接简单，采用模块化设计，配置灵活，利用高频脉宽调制，工作噪音小等优点。
该驱动器具有多个继电器输出和多个模拟输出（0〜20mA）的，多个隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP两种接线方式，两个模拟输入（AIN1为0〜10V，0〜20mA或-10〜+10V可被切换;AIN2为0〜10V和0〜20mA的可切换），2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入。
MM440可以不用RS485串行接口，方便系统增加了远程监控功能。
下表3.2显示的MM440变频器的引脚分配表：
表3.2MM440变频器引脚分配
通过简单理解原理，可以让我们更灵活的运用变频器，其原理结构图如下图3.2所示。
图3.2MM440变频器电路结构图
3.1.4压力传感器的选型
压力传感器的功能是将压力信号转化成电信号。
本设计是通过测量水箱中的压力，转化成电信号。
常见的压力传感器有电阻应变片压力传感器，陶瓷压力传感器，压电压力传感器等。
各传感器的优缺点比较：
应变片压力传感器：
阻值小的，驱动电流大，易受外界环境影响，调零电路复杂。
阻值大的，受外界电磁干扰影响比较大。
但是其设计灵活，如果根据具体情况设计符合相应性质的传感器比较合适。
陶瓷压力传感器：
具有高弹性，抗腐蚀，抗磨损，抗冲击和振动的特点。
所以其稳定性好，工作温度范围大，精度高，绝缘性好。
压电压力传感器：
测量范围大，精度低，灵敏度高，易于操作，而且耐腐蚀，抗磨损。
线性度好。
价格低廉。
根据以上要求选取陶瓷压力传感器。
3.2PLC的硬件接线设计
根据系统设计要
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