基于plc的恒壓供水系統(tǒng)第1頁共34頁1.緒論1.1選題的目的和意義穩(wěn)定的供水是人民生活質(zhì)量的重要保障之一。然而，隨著城市建設的加速和高層建筑的增多，自來水管道壓力不足的問題越來越嚴重，尤其是在高峰期，高層居民用水更為突出，給居民的生活帶來了困擾。傳統(tǒng)的水塔供水方法存在許多缺點和無法改變的問題，如投資大、不利于房屋的維護和抗震，以及水箱易造成二次污染等。此外，管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定也是水塔供水的致命缺點，無法維持正常生活用水的穩(wěn)定。因此，需要采用更新的供水方式。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的方案逐漸成為解決問題的突出方案。隨著科技的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)也迅猛發(fā)展起來，用戶供水系統(tǒng)也逐步采取變頻技術(shù)供水來取代以往的水塔供水。先進的變頻調(diào)速供水方式不僅可以提高用戶對供水系統(tǒng)的滿意度，而且具有顯著的節(jié)能效果。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它通過檢測管道壓力，利用PLC控制變頻器的輸出頻率和多臺水泵的啟停及工作方式，實現(xiàn)管道的恒壓供水。1.2當今國內(nèi)外變頻恒壓供水控制系統(tǒng)發(fā)展狀況經(jīng)過多年發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的功能局限性逐漸縮小，恒壓供水在其基礎之上也逐漸發(fā)展起來。在變頻沒有應用到恒壓供水領(lǐng)域之前，國外生產(chǎn)的變頻器功能也非常有限，它只能對頻率、電機的正反轉(zhuǎn)、電機升速和降速、啟動和制動進行控制。變頻器在整個恒壓供水控制系統(tǒng)中僅作為被控制單位，由可編程控制器控制其輸出相應頻率。為了滿足用戶的用水量的同時，確保管道壓力恒定不變，必須在管道內(nèi)安裝壓力傳感器，將管網(wǎng)中的壓力反饋到PID，最終達到PLC對壓力進行閉環(huán)控制的效果。從目前國外恒壓供水系統(tǒng)設計的情況來看，國外的設計思路大多數(shù)是一臺變頻器只帶一臺水泵，基本沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的方式，即一套供水系統(tǒng)需要多臺變頻器和多臺水泵，這樣的方式投資成本太高。變頻技術(shù)被良好的應用于恒壓供水系統(tǒng)中，能夠有效地解決傳統(tǒng)供水方式的不足，并延長整個供水系統(tǒng)的使用壽命。恒壓供水系統(tǒng)在設計之后變得更加穩(wěn)定可靠。設計人員逐步提高了恒壓供水系統(tǒng)的自動化程度，使其具有高自動化程度、穩(wěn)定的性能、超高的可靠性和節(jié)能效果。在變頻恒壓供水逐漸取代傳統(tǒng)供水方式的趨勢下，許多變頻器生產(chǎn)廠家開始研發(fā)具有變頻恒壓供水功能的變頻器，從而開發(fā)出了變頻恒壓供水基板。采用這種高集成化的恒壓供水模塊，可以直接控制數(shù)個內(nèi)置的繼電接觸器工作，最終組成多個水泵的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。然而，這種高集成化的設備雖然縮小了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備批量化生產(chǎn)的投資成本，但其輸出端口的擴展功能不具有靈活性，整個系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性低，與別的上位機系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，此外限制了帶負載的能力，因此在實際供水應用中，它的作用范圍將受到很大局限。目前，國內(nèi)有很多公司在對變頻恒壓供水系統(tǒng)進行研發(fā)和生產(chǎn)，主要是針對對水管管道壓力的閉環(huán)控制以及對多臺水泵進行輪換控制。一些廠家設計是運用可編程控制器(PLC)和其他模塊來實現(xiàn)，還有的一些廠家設計是運用單片機和相應的模塊予以實現(xiàn)。然而，這兩種變頻恒壓供水方式在實際應用中看，它的系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性、抗干擾性以及各種場合的適應能力等各方面的指標來看，還沒有達到理想的狀態(tài)。這種變頻器把PID調(diào)節(jié)和循環(huán)邏輯控制模塊集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但是它帶負載的能力受到極大的限制，此外不具有通信功能是其致命的缺點，因此只適合容量小，控制要求簡單的供水場合。水泵從變頻切換至工頻時，采用先停止變頻器，使水泵自由停車，然后斷開變頻器與水泵間的接觸器，再接通水泵與工頻間的接觸器，完成變頻到工頻的切換。同理，水泵從工頻切換至變頻時，也采取先停止水泵，使電動機處于自由停車狀態(tài)，然后斷開水泵與工頻間的接觸器，接通水泵與變頻器間的接觸器。使用變頻器的捕捉再啟動功能，使變頻器可以跟蹤電動機轉(zhuǎn)速，直至變頻器輸出頻率與電動機轉(zhuǎn)速同步，再將電動機調(diào)節(jié)至設定速度。本系統(tǒng)采用西門子MM440水泵、風機專用變頻器。PLC通過程序邏輯控制變頻器的啟動、停止和調(diào)速。本系統(tǒng)的邏輯框架如圖2.1所示。程序主要根據(jù)壓力傳感器給定的模擬量輸入與設定值進行比較，以確定水泵是由變頻向工頻切換還是由工頻向變頻切換。在變頻恒壓供水自動運行狀態(tài)下，PLC控制變頻器的水泵水壓PID調(diào)節(jié)設定壓力。在硬件系統(tǒng)設計中，本系統(tǒng)采用可編程控制器(ProgrammableLogicController，PLC)。PLC是綜合繼電器和計算機技術(shù)的結(jié)合，集成電路組成了其內(nèi)部，并由軟件實現(xiàn)控制，外部接線減少，使用更加方便。PLC具有穩(wěn)定性強、應用靈活、編程方便、功能強以及擴展能力強等特點。除了一般可編程控制器的功能外，PLC還具有通信接口，可與計算機和其他PLC聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息交換，使整個系統(tǒng)更強大。它不僅可以控制單個作業(yè)環(huán)節(jié)，還可以控制多個作業(yè)環(huán)節(jié)或一條生產(chǎn)線。遠程和現(xiàn)場控制也可以實現(xiàn)。PLC具有空閑編程設置和模擬量調(diào)試功能，比需要現(xiàn)場調(diào)試的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)更方便。此外，PLC還可以進行自診斷，大大減少了人工維修的需求。PLC體積輕巧，易于運輸和安裝。通過電氣控制方式實現(xiàn)其強大功能，大大減少了機械結(jié)構(gòu)的設計，為實現(xiàn)機電一體化奠定了基礎。PLC包括微機技術(shù)和控制技術(shù)，具有與一般微機系統(tǒng)相類似的特點。其基本組成包括中央處理單元、存儲器單元、I/O模塊、擴展模塊、擴展接口、輸入設備、輸出設備、編程器、監(jiān)控設備、外存儲器、打印機和條碼讀入器等。CPU是PLC的核心，不同機型的PLC配置不同的CPU，小型和中型PLC采用8位和16位通用微處理器，而大型PLC則主要采用高速位片式處理器。存儲器主要有RAM和ROM、PROM、EPROM、EEPROM兩種，系統(tǒng)程序是在生產(chǎn)PLC時編輯在硬件上的，為PLC的運行提供平臺，用戶無法修改和訪問。PLC的控制對象是由用戶程序決定的，用戶根據(jù)生產(chǎn)要求編寫應用程序。為了減少干擾對RAM中程序的破壞，可以將其固化在只讀存儲器EEPROM中?，F(xiàn)在，EEPROM作為用戶存儲器也是PLC中較為常見的。存儲器單元是由電源單元提供電源轉(zhuǎn)換后提供給PLC的。電源單元也可以作為負載電源，由PLC的I/O接口將直流24V電源提供給負載。開關(guān)電源長期作為PLC的常用電源，具有較寬的輸入電壓范圍和較強的抗干擾能力。電源單元隔離了輸入與輸出，以確保外界的擾動不會影響PLC的正常工作。PLC通過輸入接口檢測控制對象的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并通過輸出接口將結(jié)果傳遞給被控對象，以達到目的。接口單元由擴展接口、通信接口、編程器接口和存儲器接口組成。I/O單元也是接口單元，通過電信號連接PLC與工業(yè)現(xiàn)場。當然，也可以通過接口單元與外部進行聯(lián)系。PLC的循環(huán)掃描工作方式具有繼電器和微機的工作特點，但又具有自己的特點。掃描方式對用戶程序的執(zhí)行，從第一條用戶程序開始掃描，按從上到下、從左到右的順序逐條執(zhí)行用戶程序，包括中斷程序或子程序。然后返回到第一條指令再次執(zhí)行用戶程序，不斷重復執(zhí)行程序。在整個掃描工作過程中，PLC不僅要對用戶程序進行掃描，還要完成內(nèi)部處理和與外部模塊的通信服務等工作，包括內(nèi)部自診斷、通信處理和處理用戶程序等。當PLC處于停止狀態(tài)時，只執(zhí)行前兩個階段，即內(nèi)部處理與自診斷和與外設進行通信處理；當PLC處于運行狀態(tài)時，不僅可以內(nèi)部處理與自診斷和與外設進行通信服務工作，還可以完成輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新工作。在本設計中，采用MICROMASTER440（MM440）變頻器。該變頻器是西門子公司生產(chǎn)的一款易于靈活運用、安裝方便和調(diào)速優(yōu)秀的變頻器，具有牢固的EMC設計、對控制信號響應準確迅速和調(diào)速范圍大等特點。本程序是根據(jù)SBR污水處理工藝的特點編寫的。在網(wǎng)絡1中，啟動一臺污水泵，將污水引入SBR反應池。在網(wǎng)絡2中，啟動SBR系統(tǒng)的進水泵，將污水從反應池中抽出。在網(wǎng)絡3中，啟動SBR系統(tǒng)的混合泵，將反應池中的混合液混合均勻。在網(wǎng)絡4中，啟動SBR系統(tǒng)的曝氣機，為反應池提供氧氣。在網(wǎng)絡5中，啟動SBR系統(tǒng)的污泥泵，將SBR反應池中的污泥排出。在網(wǎng)絡6中，關(guān)閉所有設備，結(jié)束程序。自動子程序SBR_5：本程序是根據(jù)SBR污水處理工藝的特點編寫的。在網(wǎng)絡1中，啟動一臺污水泵，將污水引入SBR反應池。在網(wǎng)絡2中，啟動SBR系統(tǒng)的進水泵，將污水從反應池中抽出。在網(wǎng)絡3中，啟動SBR系統(tǒng)的混合泵，將反應池中的混合液混合均勻。在網(wǎng)絡4中，啟動SBR系統(tǒng)的曝氣機，為反應池提供氧氣。在網(wǎng)絡5中，啟動SBR系統(tǒng)的污泥泵，將SBR反應池中的污泥排出。在網(wǎng)絡6中，啟動SBR系統(tǒng)的加藥泵，加入所需的化學藥劑。在網(wǎng)絡7中，關(guān)閉所有設備，結(jié)束程序。自動子程序SBR_7：本程序是根據(jù)SBR污水處理工藝的特點編寫的。在網(wǎng)絡1中，啟動一臺污水泵，將污水引入SBR反應池。在網(wǎng)絡2中，啟動SBR系統(tǒng)的進水泵，將污水從反應池中抽出。在網(wǎng)絡3中，啟動SBR系統(tǒng)的混合泵，將反應池中的混合液混合均勻。在網(wǎng)絡4中，啟動SBR系統(tǒng)的曝氣機，為反應池提供氧氣。在網(wǎng)絡5中，啟動SBR系統(tǒng)的污泥泵，將SBR反應池中的污泥排出。在網(wǎng)絡6中，啟動SBR系統(tǒng)的加藥泵，加入所需的化學藥劑。在網(wǎng)絡7中，啟動SBR系統(tǒng)的濾波器，將處理后的水進行過濾。在網(wǎng)絡8中，關(guān)閉所有設備，結(jié)束程序。為了方便組態(tài)監(jiān)控軟件與可編程控制器進行實時通信，用戶需要在組態(tài)王中定義與PLC相關(guān)的變量。這樣，用戶可以在組態(tài)畫面中監(jiān)控這些變量的實時值。要進行變量定義，用戶需要在組態(tài)王中選擇相應的PLC，并設置串行口和設備地址。組態(tài)王提供了設備配置向?qū)У墓δ?，使用戶能夠快速選擇對應的PLC。(3)與遠程設備的通信組態(tài)王6.53支持通過撥號方式實現(xiàn)對遠程設備的實時監(jiān)控。用戶可以利用組態(tài)王的遠程撥號功能了解監(jiān)控現(xiàn)場的實時情況，并隨時打印報表。此外，組態(tài)王還提供了豐富的調(diào)色板和繪圖工具，以及圖片庫供用戶選用。用戶可以通過粘貼點位圖的方法調(diào)用系統(tǒng)外的圖面，并對插入的圖片進行閃爍、縮放、轉(zhuǎn)移、旋轉(zhuǎn)等動畫鏈接定義，從而構(gòu)造出豐富美觀功能齊全的監(jiān)控系統(tǒng)。(4)定義相關(guān)變量用戶在組態(tài)王中定義與PLC相關(guān)的變量后，還需要將這些變量關(guān)聯(lián)到組態(tài)畫面，才能實現(xiàn)實時監(jiān)控。在組態(tài)畫面中，用戶可以利用系統(tǒng)中豐富的調(diào)色板和繪圖工具繪制出逼真的畫面，并通過閃爍、縮放、轉(zhuǎn)移、旋轉(zhuǎn)等動畫鏈接定義對插入的圖片進行處理。這樣，用戶可以構(gòu)造出豐富美觀功能齊全的監(jiān)控系統(tǒng)。本文介紹了一種可編程邏輯控制器（PLC）的設計和實現(xiàn)，旨在用于經(jīng)典控制實驗室。該PLC基于基于FPGA的數(shù)字信號處理器，具有高性能和靈活性。本文詳細介紹了PLC的硬件和軟件設計，包括輸入/輸出接口，中央處理器，存儲器和編程語言。此外，本文還介紹了PLC的應用，包括模擬和實際控制實驗。實驗結(jié)果表明，該PLC具有良好的性能和可靠性，可以作為經(jīng)典控制實驗室的重要工具。本文介紹了一種用于經(jīng)典控制實驗室的可編程邏輯控制器（PLC）的設計和實現(xiàn)。該PLC采用基于FPGA的數(shù)字信號處理器，具有高性能和靈活性。本文詳細介紹了PLC的硬件和軟件設計，包括輸入/輸出接口、中央處理器、存儲器和編程語言。此外，本文還介紹了PLC的應用，包括模擬和實際控制實驗。實驗結(jié)果表明，該PLC具有良好的性能和可靠性，可以作為經(jīng)典控制實驗室的重要工具。該PLC的硬件設計包括輸入/輸出接口、中央處理器和存儲器。輸入/輸出接口包括模擬輸入、數(shù)字輸入、模擬輸出和數(shù)字輸出。中央處理器采用基于FPGA的數(shù)字信號處理器，可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理和實時控制。存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，可以存儲PLC的程序和數(shù)據(jù)。該PLC的軟件設計采用了一種基于圖形化編程語言的方法。該編程語言具有易于理解和使用的特點，可以快速實現(xiàn)PLC的程序設計。此外，該編程語言還具有模塊化設計和可重用性的特點，可以提高PLC