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本科生毕业设计开题报告
题目：基于三菱PLC的恒压供水控制系统设计
学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级：
姓 名： 学 号： 指导教师：
一、 选题背景 众所周知，河北省地区水资源相对匮乏，城市生活用水紧张，长期以来在供水技术方面也一直比较落后，自动化程度不高，而随着社会经济发展，城市化进程加快的需求，对于供水系统提出了更高的要求。因此在供水网络中需要采用供水优化调整方案，引入计算机、变频器、可编程控制器等先进技术，使供水网络在最佳状态下运行，具有重要的现实意义。 可编程控制器的产生取代了传统继电器控制，是面向工业控制领域的专用设备，具有以下几个特点： （1）可靠性高，抗干扰能力强； （2）功能强大，编程简单，使用方便； （3）体积小，重量轻，能耗低，性价比高； （4）控制系统易于实现，开发工作量少，周期短，维护方便，易于改造。 日本三菱系列PLC因廉价、可靠、擅长运动控制从而在国内中小型企业及民用设施中具有广泛应用。因此本例中选取其作为控制器。 变频器是一种利用电力半导体器件的通断作用将工频电源转换成为可变频率的电能控制装置，用于实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。另外，根据负载的特性，有针对性地产生了专用化的变频器，可对负载的电动机进行经济有效的控制，降低制造成本。如风机、水泵专用变频器、起重机械专用变频器、空调专用变频器、电梯控制专用变频器等。总之，变频器技术的发展趋势是朝着智能、操作简便、功能健全、安全可靠、环保低噪、低成本和小型化的方向发展。 传统的供水方式主要有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等。 恒速泵加压供水方式采用人工手动方式控制水泵的启停，无法对供水管网的压力变化做出快速响应，效率低，可靠性差，在用水量较小时，管网长期处于高压状态，爆损现象严重，目前已较少采用。 水塔高位水箱供水方式控制简单，运行经济，但基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机启动电流大，频繁启动易损坏，易对水质造成二次污染。 气压罐供水方式具有体积小，技术简单等特点，但调节量小，水泵电机为硬启动、且启动频繁，对电气设备要求较高。这些方式采用人工控制方式，效率低，可靠性差，自动化程度不高。 随着计算机技术、自动化技术地不断发展，随着变频技术越来越成熟地应用于各个领域，由计算机、PLC、变频器组成的恒压供水系统应运而生，该系统能自动根据用水量及时做出快速响应，具有效率高、稳定性高、经济节能等优点，目前已逐渐取代传统供水方式，成为城市供水的重要组成部分。 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大、水质易污染、基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。恒压供水将 PLC 和变频技术结合起来，利用由变频器控制的水泵，将市政管网水源或地下水源经蓄水池后直接加压送入供水管网，直至各个用水点。根据供水管网流量、压力变化，由 PLC 自动控制变频器输出频率，调节水泵电机的转速，保持供水压力恒定，实现恒压供水。目前，恒压供水系统已在国内外许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。恒压供水系统主要有以下优点： （1）节电效益高； （2）运行可靠稳定； （3）结构简单，操作简便； （4）自动化程度高，维护量小。 目前，城市化发展的进程越来越快，对于基础设施建设的需求愈加迫切。供水、供气、供热、污水处理等市政行业都面临快速发展的机遇，尤其是水务行业对新型供水系统的需求大增，新建筑的配套设施与旧建筑的升级改造都会用到该系统。未来发展前景一片光明。 二、 设计方案 通过对现有供水系统的调研和分析,依据用户对供水系统的要求,确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统。 在对课题进行分析和研究的基础上,提出了系统的设计方案和思路,确定论文主要的研究内容和研究方法; 分析变频恒压供水系统节能的原理,给出恒压供水的理论模型及近似的数学模型;确定变频恒压供水系统的控制方案,给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理;分析在变频恒压供水中,水泵切换的条件以及次序。 就变频调速恒压供水控制系统的设计做详分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型;详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程,讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点,并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案;在介绍PID调节原理的基础上,分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程,给出PID参数设置方法;最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。 供水系统的恒压通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化,由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤,泵组配置电动蝶阀,开启水泵后打开电动碟阀,当水泵停止时先关电动碟阀后停机。原理图如下： 图1 系统控制原理图 具体方案设计 该课题具体是为实现小区恒压供水。由于现在建筑均较高，故采用分层供水，低水位区（通常为1-5层）直接接市政管网，仅以阀门调节水量。而高水位区选择使用一台变频器对多台水泵进行循环控制。具体方案如下： 选用三台可调速泵由一台变频器控制，在一台可调速泵可以满足供水要求时，只开启一台水泵，由变频器调速，当该台水泵无法满足供水要求时将其由变频转为工频，变频器转而控制另一台水泵，以此类推，从而实现小区的恒压供水。在夜间用水量虽小，但由于高水位区供水需要较高压力，故选择同型号水泵以满足供水要求。同时增强设备互换性。同时设一台备用泵，方便设备轮换，提高硬件可靠性。 水泵的开启和关闭，变频转工频等由PLC进行控制。具体为由压力传感器检测出的水路管网出口端实际水压与设定水压进行比较，通过PID控制算法对变频器进行实时控制。 本系统的人机界面采用触摸屏，通过触摸屏使用者可以获取诸如水压，电机频率等信号，也可以通过触摸屏进行参数设定。 该方案的原理图如下：