基于PLC的高层住宅小区自动供水系统设计.docx

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基于PLC的高层住宅小区自动供水系统设计

论文题目基于PLC的高层住宅小区自动供水系统设计

摘要

随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制技术也得到了迅速的发展，变频供水技术已经进入了一个崭新的时代。

其拖动技术发展到了变频调速，其逻辑控制也由PLC取代了原来的继电器控制。

本论文结合我国小区供水的现状，设计了一套基于PLC变频调速的恒压供水系统。

系统主要由可编程控制器（PLC）、变频器、传感器、PID、人机界面（HMI）等现代工业控制常用控制部件组成。

该系统具有功能完善、运行稳定、可靠性高、节能效果显著和性价比高等特点。

本文共有六章。

第一章首先阐述了小区供水系统的背景和系统控制要求。

第二章详细介绍了PLC及其工作原理、特点和发展方向和恒压变频供水系统的原理及其相关的一些知识。

第三章详细的介绍了水泵、变频器、可编程控制器和模拟量扩展模块的选择，然后详细的设计了系统的主电路和基本输入输出端口。

第四章详细的介绍了软件设计过程和根据系统控制要求设计的流程图。

第五章详细介绍了人机界面的原理和本系统所用的一些人机界面的设计过程和操作方法。

第六章是对文章的总结。

关键词可编程控制器、PID、变频器、人机界面、变频调速

ABSTRACT

Withthedevelopmentoftheeconomy,microelectronictechnology、computertechnologyandtheautomatictheoryaredeveloprapidly,variablefrequencywater-supplysystemalsohasbeeninanewstate.ThedraggingtechnologyhasdevelopedfromDCtimingtoACvariablefrequencytimingandit，slogic-relaycontrolalsohasbeenreplacebyPLC.Onthebasisofanalyzingstatusquoofwatersupplyofsubzoneinourcountry,thispaperdesignsasuitofconstantpressurewatersupplysystembyusingvariablefrequencyspeed-regulatingtechnologybaseonPLC.Thesystemismadeupofsomemoderncontroldevices,suchasPLC,frequencyconversiondevice,sensor,PID,andHMI.Thesystemfeaturecomprehensivefunction,steadyoperation,highreliability,prominentenergy-savingeffectsandhighcost-effectiveness.

Thisthesisconsistsofsevenchapters.

Chapteroneclarifiestheapplicationbackgroundofthesupportingwatersystemand

Keyword:

PLC、PID、frequencyconversiondevice、HMI、variablevelocityvariablefrequency.

第一章绪论………………………………………………………………1

1.1引言………………………………………………………………1

1.2应用背景…………………………………………………………………1

1.3系统控制要求……………………………………………………2

第二章PLC及变频供水系统介绍……………………………………3

2.1PLC基础知识………………………………………………………3

2.1.1PLC简介………………………………………………………………3

2.1.2PLC工作原理及特点……………………………………………3

2.1.3PLC的发展方向……………………………………………………6

2.2恒压变频供水系统的介绍………………………………………7

2.2.1变频供水的原理…………………………………………………7

2.2.2供水系统中水泵的调速方法…………………………………………8

2.2.3变频供水系统中的节水方式……………………………………9

2.2.4供水系统中的PID控制……………………………………………11

第三章系统硬件设计……………………………………………………12

3.1硬件选择………………………………………………………12

3.1.1水泵的选择………………………………………………………12

3.1.2变频器的选择………………………………………………………14

3.1.3PLC的选择………………………………………………………15

3.1.4模拟量输入输出模块的选择…………………………………17

3.2硬件设计………………………………………………………………18

3.2.1主电路设计…………………………………………………………18

3.2.2系统输入输出设计…………………………………………………19

第四章软件的设计………………………………………………………22

4.1软件设计工程简介……………………………………………22

4.2程序设计……………………………………………………………23

4.2.1系统总体工作流程………………………………………………23

4.2.2主程序流程图………………………………………………………24

4.2.3子程序流程图………………………………………………………26

4.3程序中使用的元件及其功能…………………………………………26

4.4梯形图程序…………………………………………………………………28

第五章人机界面………………………………………………………36

5.1人机界面基本知识…………………………………………………36

5.1.1人机界面的简介……………………………………………………36

5.1.2人机界面的组成及其工作原理……………………………………36

5.2人机界面的设计………………………………………………………36

结束语…………………………………………………………………………41

参考文献………………………………………………………………………42

第一章绪论

1.1引言

随着国家小城镇建设,宏观经济调控、商用土地出让等一系列相关政策的出台及实施，土地资源日益紧张，商用地价的不断上升，使得商品房开发过程中土地成本比例越发提高。

因此许多高层建筑群拔地而起。

建筑物在向高层发展的同时，供水问题就显得十分重要。

但是城市供水系统中的主要指标供水压力无法无限地满足高层建筑及供水系统末端用户的需要。

因此要求小区内的高层建筑必须采用二次加压措施。

现在的二次供水系统，不仅要求供水的质量，还要求系统节能。

在这种情况下，传统的供水方式如水塔供水已经无法满足现代供水的要求。

而恒压变频供水系统是根据高层小区的特点而设计的全自动、节能型供水系统。

它集成了当代最新的电子技术如变频调速、PLC可编程控制、PID调节、传感器技术、触摸屏技术等数项先进的技术。

该系统可以根据水管的水压的不同，自动调节水泵的转速和启动台数。

本系统不仅有效解决了高层小区的饮水问题，还通过变频调速的方式节约了能源。

1.2应用背景

在恒压变频供水系统出现以前，传统的供水系统主要有以下四种，它们分别是水塔供水系统，气压罐供水系统，液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水系统，单片机变频调速供水系统。

下面简单介绍一下这四种方式：

1、水塔供水系统。

其优点是控制方式简单，短时断电不会影响供水，用水量很小时，可以长时间不开泵。

其缺点是基础建设投资比较大，占地多，维修不方便，由于水泵是硬启动，所以启动电流较大，控制柜内触点易烧坏，若启动频繁，电机容易烧。

2、气压罐供水系统。

其优点是控制方式比较简单，当罐内水储满时，可以短时不断水维修，在用水量很小的时候，也可以长时间不开泵，价格也较低。

其缺点是为了减少水泵启动次数，停泵时的压力往往比较高，致使水泵工作在低效阶段，浪费比较大。

所以这种方式比水塔要费电，同样，该方式的水泵也为硬启动，启动电流大，触点易烧坏，当用水量大时将造成电机启动频繁，此时电机易烧坏。

3、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水系统。

其优点是价格低廉，结构简单，维修较方便。

但是该方式的缺点也显而易见。

这种方式不仅漏油，发热需冷却，效率低，而且改造麻烦。

只能是一对一驱动，需经常检修。

4、单片机变频调速供水系统。

这种方案虽然也能用作变频调速，自动化程度也要优于前三种，但是系统的开发周期比较长，可靠性低，维修不方便，且不适于恶劣的工业环境。

随着社会的进步，传统的供水系统已经无法满足人们对供水的要求。

于是就出现了以PLC为代表的恒压变频供水系统，该系统综合了当代最新的电子技术如变频调速、PLC可编程控制、PID调节、传感器技术、触摸屏技术等。

下面简单介绍一下恒压变频调速系统。

恒压变频调速系统的优点是投资省、与过去建水塔或气压罐相比节能达20—50%，并且功能齐全，运行可靠，维护方便，自动化程度高。

变频器对电机进行软启动，减少设备损耗，延长电机寿命。

全数字智能化控制，可以任意修改参数，故障可以自诊断和自处理功能，对过流、欠压、过压、水位过低和变频器故障等均能自行诊断及发出声光报警，因此该设备具备完善的电气安全保护及电机故障跨越功能。

1.3系统控制要求

（1）生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时应高恒压运行；

（2）三台水泵根据恒压供水的要求，采取先开下停的原则接入或退出；

（3）在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行的时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统要有“倒泵功能”，避免一台水泵工作时间过长；

（4）三台泵在启动的时候要软启动；

（5）要有完善的报警功能；

（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动控制只在应急和检修时临时使用；

第二章PLC及供水系统介绍

2.1PLC基本知识

2.1.1PLC简介

PLC是80年代以来在国内引起普遍重视并广泛应用的新型控制设备。

它以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控制以及定时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

目前，PLC已经是完全微型计算机化的工业产品，因其方便适用且高度可靠，在自控领域越来越受重视。

与传统的继电器控制相比，PLC控制系统体积小，可靠性高；更易使用和维护，且能在工厂环境下进行编程；便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息的能力；通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关、接点直接相连，所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。

它的发展大致经历三个发展时期：

形成期（1970—1974）早期的PLC采用小规模的IC构成专用的逻辑处理芯片（CPU），采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单，并没有获得广泛重视。

成熟期（1974—1987年）随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性多功能及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。

PLC开始具有了多个CPU，设置定时器、计算器并有了算术运算功能。

加速发展期（1978年以来）从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展的趋势。

一方面研制出了高性能不同规模的PLC网络系统。

另一方面也生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型PLC，对PLC普及及应用起了重要推动作用。

2.1.2PLC工作原理及其特点

PLC的工作原理

各种PLC都采用循环扫描的工作方式，具体的工作过程大同小异。

现以SiemensS7200系列PLC为例说明其工作过程：

PLC上电以后，首先进行初始化，然后进入循环扫描过程。

一次循环扫描过程可归纳为公共处理、程序执行、扫描周期计算处理、I/O刷新和外设端口服务五个工作阶段，一次循环扫描所用的时间称为一个工作周期，其长短与用户程序的长短以及PLC本身性能有关，具体数量为毫秒级。

典型值为几十ms

各阶段的任务如下：

1公共处理：

复位监定时器，进行硬件检查、用户内存检查等。

检查正常后，方可进行下面的操作。

如果有异常的情况，则根据错误的严重程度发出报警或停止PLC运行。

2程序执行：

在程序执行阶段CPU先左后右，先上后下的顺序对每一条指令进行解释、执行、CPU从映象寄存器和元件映象寄存器读出个继电器的状态，根据用户给出的逻辑关系进行逻辑运算，运算结果再写入元件映象寄存器中。

3扫描周期计算处：

若设定扫描周期为固定值，则进行等待循环，直到该固定值到，再往下执行。

若设定扫描周期不固定，则进行扫描周期的计算。

4I/O刷新：

在此阶段，进行I/O刷新。

进行刷新时，CPU从输入电路中读入个输入点状态，并将此状态写入映象寄存器中；输出刷新时，将输出继电器的元件映象寄存器的状态（I/O）传送到锁存电路，在经过输出电路隔离和功放，驱动外部负载。

5外部端口服务：

完成与外部端口连接的外围设备编程器或通信适配器的通信处理。

CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映象寄存器：

在程序执行阶段，CPU从输入映象寄存器和元件映象寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映象寄存器中；紧接着则会进入下一个I/O刷新阶段,将输出映象寄存器的状态写入输出锁存电路,再经过输出电路传递到输出端子,从而控制外部器件动作。

PLC的循环扫描工作方式也为PLC提供了一条死循环自诊断功能.PLC内部设置了一个监视器WDT,其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期,PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位.正常情况下,监视定时器不动作,如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环,那么,扫描周期将超过监视定时器时间,这时,监视定时器动作,运转停止,以示用户。

PLC的特点

（一）高可靠性是PLC的最突出的优点之一

由于工业生产过程是昼夜连续的.一般生产装置要几个月、甚至几年才大修一次。

因此，对用于工业生产过程的控制器提出了可靠性尽可能高的要求。

工业现场的各种电磁干扰特别严重，针对这一情况，PLC采取了一系列的措施其中主要包括：

（1）输入/输出接口均采用光电隔离，使工业现场的外围电路与PLC内部路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms，对于一些高速输入端则采用数字滤波，其滤波时间可以用指令设定。

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格筛选。

（6）良好的字诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成的冗余系统或由三CPU构成的表决式系统，使系统的可靠性进一步提高。

（二）丰富的I/O接口模块

由于工业控制机只是整个工业生产过程自控系统中的一个控制中枢，为了实现对工业生产过程的自动控制，它还必须与各种工业现场的设备相连接，才能完成控制任务。

因此，PLC除了具有计算机的基本部分如CPU、存储器以外，还有丰富的I/O接口模块。

PLC针对不同的工业现场信号（例如交流或直流、电压或电流、脉冲或电位、开关量或模拟量、强电或弱电等），有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如行程开关、按钮、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等）直接连接。

例如开关量输入模块就有交流和直流二类。

另外，为了提高操作的性能,它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

（三）采用模块化结构

为了适应各种工业控制要求，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各种部件，包括CPU、直流电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户需要自行组合。

（四）编程简单易学

PLC的编程大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图进行。

在最初的梯形图中，主要由人们熟悉的常开触点、常闭触点和线圈、计时、计数等符号组成，对于使用者来说，不需要具备计算机的专业知识，因此很容易被一般的工程技术人员甚至技术工人理解和掌握。

现在，尽管PLC的软、硬件功能大大增强，除了顺序控制以外，PLC还能进行算术运算、数据处理和传送、通讯等，但是梯形图仍然被普遍使用，只是在原有基础上增加了许多特殊功能指令，以完成除了顺序功能控制以外的其它各种控制功能。

（五）安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连，系统便可以投入运行。

各种模块上均设有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块式结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

有些PLC还允许带电拆卸I/O模块。

（六）系统设计、调试周期短

由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的要求配置适当的模块，因此大大地简化了系统的硬件设计工作，从而缩短了整个系统的设计、调试周期。

2.1.3PLC发展方向

（1）大型网络化：

主要朝着DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连完成特殊的控制任务。

（2）多功能：

为了适应特殊的功能需要，连续推出许多智能模块，如模拟输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输出等。

这些智能模块以微处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务

（3）高可靠性和良好的兼容性：

由于现代控制系统的可靠性和兼容性日见受到人们的重视，一些公司将字诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有的产品中，推出了高可靠性的冗余系统。

（4）编程语言向高级语言发展：

PLC的编程语言在原有的梯形图语言、顺序功能模块和指令语言基础上，推出了可运行于计算机windows环境下，界面友好的强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等共功能。

2.2恒压变频供水系统介绍

2.2.1变频供水的原理

本系统中应用PLC来控制电机的速度和电机启动的台数来控制水管的水压。

这样，既实现了控制的自动化，又节约了能源。

供水系统的工作原理是将自来水网中的水源经过加压水泵加压以后送到用户管道。

具体的工作原理是用装在自来水中的压力传感器将水压转换成电信号传送到控制系统的PID中，经过PID运算以后，将数据传给变频器，变频器通过改变电源的频率来控制电机的转速。

从而改变水网管道中的水压，使其控制在恒定的范围内。

当用水量大的时候，水网的压力就会下降，变频器的输出电源的频率就会增加，电机的转速加快，从而保持水压的恒定。

当用水量小的时候，水网的压力就会上升，变频器的输出电源的频率就会下降，此时，电机的转速就会下降，从而保持水网水压的恒定。

系系统原理图

2.2.2供水系统中水泵的调速方式

在变频器没有出现以前,调速系统一般采用直流调速,但是由于结构上的原因,直流电动机存在着很多缺点（诸如需要定期更换电刷和换向器,维护保养困难,寿命短,机构复杂,难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等）,所以人们一直在寻找它的替代品。

而变频器的出现很好的解决了这个问题。

与传统的系统相比，利用变频器对交流电机进行调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以对电机进行高速驱动，可以进行高频度的起停运转，可以运行电气制动，可以组成高性能的控制系统等。

特别适合于风扇、鼓风机和泵类负载。

通过变频器进行调速可以代替传统上利用挡板和阀门进行风量、流量控制，所以可以达到节能效果。

水泵多采用交流异步电机拖动,当电机转速降低时,即可节省能源,经济效益十分显著.由异步电机的转速公式:

式中,n0—异步电机同步转速,r/min；

n—异步电机转子转速r/min；

p—电机的极对数

f—电源频率

S—转差率,

改变电机的极对数p、改变转差率S及改变电源频率f都可以改变转速。

1.变极对数调速

在电源频率一定的情况下,电机的同步转速与极对数成反比,改变电机的极对数,就可以改变转速。

通过改变定子绕组的接线方法来改变极对数,当p=1,2,3时,就可以得到n0=3000,1500,1000r/min等不同的同步转速,从而达到改变转子转速的目的。

这种调速方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有极调速,而且极差比较大,只适合特定转速的生产机器。

2.变频调速

变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压频率均可变的交流电,然后供给电机,使其可在变速的情况下运行。

改变电机的定子频率f可以平滑的调节同步转速n0,相应改变转子的转速n,而转差率可以保持不变或很小。

但对电机来说，定子频率改变后，其运行受到影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电机转矩下降，严重时会使电机堵转；频率减少时，磁通增加，会使磁通饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。

因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子的电压，保持磁通的基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。

3可控硅串极调速

它是把异步电机转子电势经过整流—逆变后反馈给电网，回收功率就是转差功率。

串极调速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，还需一台与电机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占用泵房面积大等优缺点影响它的推广。

本系统采用的调速系统是变频调速,这种调速方式能完全满足系统的要求。

2.2.3变频供水中水泵的节能原理

在实际生活中，用水量时刻变化的，为了适应水量的变化，以往采用调节水泵阀门的方法去控制出口水压在某一规定范围之内，这势必造成供水时有超压、欠压现象。

水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电机的定子电源的频率来改变电动机转速，可以相应改变水泵的转速及工况，使其流量适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。

如图所示，n为水泵的特性曲线，A为管路特性曲线，H0为管路末端的服务压力，H＇为泵出口处的电压。

当用水量达到Qmax时，水泵全速运行，出口阀门全开，达到了满负荷运转，水泵的特性曲线n0和用水管路曲线A0交汇于b点，此时水泵的出口压力为H＇，末端服务压力刚好为H0。

当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。

水泵变频调速节电原理图

1．水泵全速运行，靠控制水泵出水口阀门来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而水管所需要的扬程将由b点下滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为水泵全速运行的能量浪费。

2．水泵变速运行，靠泵出口压力恒定来控制；此时