恒壓供水控制系統(tǒng)---課程設(shè)計.doc

大 慶 石 油 學(xué) 院 自動控制系統(tǒng)綜合實(shí) 驗(yàn) 2009 年 7 月 31 日 課 程 自動控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn) 題 目 恒壓供水控制系統(tǒng) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化 07 3 班 學(xué)生姓名 田英琦 學(xué)生學(xué)號 070601140339 指導(dǎo)教師 霍鳳財 關(guān)學(xué)忠 課程名稱自動控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn) 題目名稱恒壓供水控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名田英琦學(xué)號 07060114033 9 指導(dǎo)教 師姓名 霍鳳財 關(guān)學(xué)忠 職稱 講師 教授 序號評價項(xiàng)目指 標(biāo)滿分 評分 1 工作量 工作 態(tài)度和出勤率 按期圓滿的完成了規(guī)定的任務(wù) 難易程度和 工作量符合教學(xué)要求 工作努力 遵守紀(jì)律 出勤率高 工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn) 善于與他人合作 20 2課程設(shè)計質(zhì)量 課程設(shè)計選題合理 計算過程簡練準(zhǔn)確 分 析問題思路清晰 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn) 文理通順 撰 寫規(guī)范 圖表完備正確 45 3創(chuàng)新 工作中有創(chuàng)新意識 對前人工作有一些改進(jìn) 或有一定應(yīng)用價值 5 4答辯能正確回答指導(dǎo)教師所提出的問題 30 總分 評語 指導(dǎo)教師 年 月 日 目 錄 第 1 章 組態(tài)軟件的介紹 1 第 2 章 國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 2 第 3 章 恒壓供水系統(tǒng)介紹 3 第 4 章 恒壓供水的基本原理 4 第 5 章 雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理 6 5 1 下位機(jī)控制原理 6 5 2 上位機(jī)監(jiān)控原理 6 第 6 章 恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程 7 6 1 定義變量 7 6 2 簡單畫面的設(shè)計 編輯與動畫連接 7 6 3 命令語言程序編寫 8 第 7 章 總結(jié)與體會 10 參考文獻(xiàn) 11 第第 1 章章 組態(tài)軟件的介紹組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件 它們是在自動控制系 統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境 使用靈活的組態(tài)方式 為用戶提供快速 構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的 通用層次的軟件工具 組態(tài)軟件應(yīng)該能支 持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議 并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功 能 組態(tài) configuration 意思就是模塊的任意組合 采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計算 機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計上 除采用工業(yè) PC 機(jī)外 系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的 I O 接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備 基本不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計 這不僅節(jié)約了硬 件開發(fā)時間 更提高了工控系統(tǒng)的可靠性 在軟件設(shè)計上由于采用成熟的工控 開發(fā)的工具軟件 它為用戶提供了多種通用工具模塊 用戶不需要掌握太多的 編程語言技術(shù) 甚至不需要編程技術(shù) 就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求 的所有功能 工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù) 人機(jī)界面技術(shù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 控制技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計算機(jī)語言 只需 通過可視化的組態(tài)方式 就可完成監(jiān)控程序設(shè)計 降低了監(jiān)控程序開發(fā)的難度 組態(tài)軟件均具有良好的擴(kuò)展性 兼容性 軟件結(jié)構(gòu)開放 可接受各種形式的數(shù) 據(jù)格式 同時 支持的硬件類型也十分廣泛 1 工控組態(tài)軟件的出現(xiàn) 使得大 型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單 容易 工程設(shè)計人員不用再設(shè)計 那些復(fù)雜的應(yīng)用程序 如 I O driver 等 工控組態(tài)軟件的功能 包括數(shù)據(jù)庫生成 歷史庫生成 圖形生成 報表生成 順序控制功能 連 續(xù)調(diào)節(jié)功能 目前有許多工控組態(tài)軟件 例如 Intouch Fix Citech WinCC Controx 開物 Force control 力控 組態(tài)王 第第 2 章章 國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前 就國內(nèi)而言 歸結(jié)起來主要采用以下三種方法 1 水池 水泵 恒壓變頻或氣壓罐 管網(wǎng)系統(tǒng) 用水點(diǎn) 這種方式是集中供水 對于一 二層是商業(yè)群房 群房上建有多幢住宅的 建筑 目前較多采用此種供水方案 一般設(shè)計有地下生活水池一座 集中恒壓 變頻供水 不設(shè)屋頂水箱 主水泵一般有三臺 二開一備自動切換 副泵為一 般為一小流量泵 夜間用水量小時主泵自動切換到副泵 以維持系統(tǒng)壓力基本 不變 恒壓變頻供水是較為理想和先進(jìn)的 首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變 根據(jù)用水量大小進(jìn)行變頻供水 既節(jié)約電能 又保證水泵軟啟動 對電網(wǎng)電 壓沖擊不大 延長了水泵壽命 各臺水泵自動輪換使用 即最先投入使用的 水泵最早退出運(yùn)行 這樣各臺水泵壽命均等 而且一旦水泵出現(xiàn)故障 該系統(tǒng) 能自動跳過故障泵運(yùn)行 2 水池 水泵 高位水箱 用水點(diǎn) 此方式也是集中供水 單幢次高層和高層建筑的高壓供水區(qū)較多采用該種 方案 一般也需要設(shè)計有一座地下水池 通過兩臺水泵 一用一備 抽水送至 高位水箱 再由高位水箱向下供水至各用水點(diǎn) 該方式是較成熟的水泵 水箱 供水方式 3 單元水箱 單元增壓泵 單元高位水箱 各單位用水點(diǎn) 此方式已簡化為單元總水表進(jìn)水 單元水箱和單元增壓泵實(shí)際上是一個整 體 我們稱之為單元增壓器 由于有屋頂水箱 高水位時停泵 低水位時 啟泵 這樣 水泵也有了停息時間 既省電又不至于一停電就停泵無水供應(yīng) 用水有了保障 社會效益較好 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能 安全 供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn) 在供水行業(yè)得 到了廣泛應(yīng)用 恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電動機(jī)無級調(diào)速 依據(jù)用水量的變 化 實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化 自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù) 在用水量發(fā)生 變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn) 合理的節(jié)能型供水系統(tǒng) 在 實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能 對合理設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓 供水設(shè)備 降低成本 保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義 第第 3 章章 恒壓供水系統(tǒng)介紹恒壓供水系統(tǒng)介紹 下面以一個三臺泵生活 消防雙恒壓供水系統(tǒng)為例來說明其工藝過程 已做 過簡化 它主要是由 PLC 變頻器 壓力傳感器 水泵斷路器 接觸器 中 間繼電器以及水泵等組成 用戶通過控制柜上的指示操作面板上的指示燈 TD 200 顯示屏及按鈕 轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行 如圖 1 1 所示 市網(wǎng) 自來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 YV1 它們自動把水注滿儲水水池 只要水位低于高水位 則自動往水箱內(nèi)注水 水池的高 低水位信號也接送給 PLC 作為低水位報警用 通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠(yuǎn)傳壓力傳感器將壓力信 號轉(zhuǎn)化為 4 20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PLC 經(jīng) PID 運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較 得出調(diào)節(jié)參數(shù) 送給變頻器 由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量 使 系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上 當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時 通 過 PLC 控制器加泵 根據(jù)用戶用水量的大小來控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器 對水泵的調(diào)速 實(shí)現(xiàn)恒壓供水 當(dāng)供水負(fù)載變化時 輸入電機(jī)的電壓和頻率也 隨之變化 這樣就構(gòu)成了以壓力設(shè)定值為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng) 2 為了保證供水的連續(xù)性 水位上下限傳感器高低距離不是很大 生活用水 和消防用水共六臺泵 其中三臺消防泵 另外三臺是生活泵 平時由三臺生活 泵負(fù)責(zé)生活用水 當(dāng)消防系統(tǒng)啟動時 生活用水水泵立即停止運(yùn)行 消防泵立 即投入運(yùn)行 并按設(shè)定壓力對消防水泵進(jìn)行變頻調(diào)速 消防系統(tǒng)警報解除后 生活泵再投入運(yùn)行 第第 4 章章 恒壓供水的基本原理恒壓供水的基本原理 恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通 過實(shí)時檢測供水主管出口壓力 然后與設(shè)定值進(jìn)行比較 經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運(yùn)算處理 后 在線自動調(diào)節(jié)變頻器 控制泵的轉(zhuǎn)速隨壓力變化而變化 最終達(dá)到主管出口壓 力穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的 原理圖見圖 1 圖圖 1 恒壓供水原理圖恒壓供水原理圖 首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理 由交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式 60f1 p 1 s 式中 n 電機(jī)轉(zhuǎn)速 f 定子供電頻率 s 轉(zhuǎn)差率 p 電機(jī)極對數(shù) 可知 如均勻地改變電機(jī)定子的供電頻率 1 就可平滑改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 對于異步電動機(jī) 的變頻傳動 為了避免電機(jī)過磁飽和 同時抑制啟動電流 產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行安 全運(yùn)轉(zhuǎn) 在改變頻率的同時 對定子電壓也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié) 逆變器主回路把三相 50 交流電整流濾波為直流 再通過 脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管 把直流 變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電 由此可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 那么下面我們就關(guān) 心的問題就是水流量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系 由流體力學(xué)的原理可得下列表達(dá) 式 Q1 Q2 n1 n2 H1 H2 n1 n2 2 P1 P2 n1 n2 3 其中 Q 代表流量 H 代表揚(yáng)程 水壓 P 代表軸功率 n 代表轉(zhuǎn)速 當(dāng)流量減小 水泵轉(zhuǎn)速下降 其電機(jī)輸出功率則大幅度下降 例如 當(dāng)流量 下降到 80 轉(zhuǎn)速也下降到 80 時 其軸功率則下降到額定功率的 51 當(dāng) 流量降到 50 軸功率將下降到額定功率的 13 即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引 起效率下降等附加控制裝置的效率等因素 其節(jié)能效果也是很明顯的 總設(shè)計原理圖如下圖所示 圖圖 2 恒壓供水總設(shè)計原理圖恒壓供水總設(shè)計原理圖 第第 5 章章 雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理 5 1 下位機(jī)控制原理下位機(jī)控制原理 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制原理是 采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制 器構(gòu)成控制系統(tǒng) 進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行 并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù) 完成供水壓力的閉環(huán)控制 在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的 目的 系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力 系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋 的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較 其差值輸入 CPU 運(yùn)算處理后 發(fā)出控制指令 控 制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn) 定在設(shè)定的壓力值上 目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機(jī)調(diào)速裝置均采用交 流變頻技術(shù) 而系統(tǒng)的控制裝置采用 PLC 控制器 因 PLC 不僅可實(shí)現(xiàn)泵組 閥門的邏輯控制 并可完成系統(tǒng)的數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)功能 可對系統(tǒng)中的各種運(yùn)行 參數(shù) 控制點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)控 5 2 上位機(jī)監(jiān)控原理上位機(jī)監(jiān)控原理 上位機(jī)即是我們通常用的計算機(jī) 它也可以對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控 但是要在組 態(tài)以后 才能對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控 這是一個數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的過程 我們要利用組 態(tài)軟件有數(shù)據(jù)交換的功能 通過一根電纜 使它與 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù) 這樣的情況 與才能用組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng) 并完成系統(tǒng)運(yùn)行工況的 CRT 畫面顯示 故障 報警及打印報表等功能 能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行操作 具用實(shí)時報警 報警記錄 和歷史數(shù)據(jù)記錄功能 自動恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口 可與城市供水 系統(tǒng)的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制 為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn) 代化的調(diào)度 管理 監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段 這樣的監(jiān)控更加的簡單 人們一 看就能夠理解 第第 6 章章 恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程 組態(tài)王組態(tài)過程要經(jīng)過定義變量 簡單畫面設(shè)計 編輯與動畫連接和命令 語言程序編寫 下面介紹一下這幾個過程 6 1 定義變量定義變量 要組態(tài)王知道外部設(shè)備的狀態(tài) 以及能夠輸出控制信號 需要建立相應(yīng)的 變量 根據(jù) I O 變量表 我們需要建立 3 個 I O 輸入變量 12 個 I O 輸出變量 同時也要建立一些相應(yīng)的內(nèi)存變量 以便組態(tài)王能夠與 S7 200 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 單擊 數(shù)據(jù)庫 大綱項(xiàng)下面的 數(shù)據(jù)詞典 成員名 然后在目錄內(nèi)容顯示區(qū)雙擊 新 建 圖標(biāo) 出現(xiàn) 定義變量 窗口 在 基本屬性 頁中輸入變量名 生活 消防控制 信號 變量類型設(shè)置為 I O 離散 連接設(shè)備設(shè)置為 新 I O 設(shè)備 寄存器設(shè) 置為 I0 0 數(shù)據(jù)類型設(shè)置為 bit 讀寫屬性設(shè)置為 只讀 采集頻率設(shè)置為 100ms 6 2 簡單畫面的設(shè)計 編輯與動畫連接簡單畫面的設(shè)計 編輯與動畫連接 用戶可以充分利用組態(tài)提供的各種繪圖工具 圖庫來制作畫面 使得畫面 能夠逼真地反映控制系統(tǒng)的工作狀況 并且可以通過畫面操作控制系統(tǒng)的運(yùn)行 狀況 動畫連接建立了數(shù)據(jù)中的變量與圖形畫面中的圖素之間的關(guān)系 只有建 立了動畫連接 才能將數(shù)據(jù)中的變量信息反映到圖形畫面中來 或者從圖形畫 面控制這變量 設(shè)置畫面屬性如下圖所示 圖圖 3 畫面屬性畫面屬性 6 3 命令語言程序編寫命令語言程序編寫 組態(tài)王需要在運(yùn)行時根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的情況來進(jìn)行監(jiān)控 同時給下位機(jī)寫入 運(yùn)行參數(shù) 具體的控制要求如下 我們根據(jù)控制要求編寫應(yīng)用程序 對總數(shù)為六 臺泵的生活 消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是 1 生活供水時系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行 消防供水時系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行 生活 用水時用生活管道 消防用水時用消防管道 兩種供水方式走不一樣的管道 2 生活 消防各使用三臺泵 并根據(jù)各自的需要設(shè)定壓力 采取 先開先 停 的原則接入和退出 3 在用水量小的情況下 如果一臺泵連續(xù)運(yùn)行時間超過設(shè)定的切換時間 則要切換到下一臺泵 即系統(tǒng)具有 倒泵功能 避免某一臺泵工作時間過長 4 三臺泵在啟動時要有軟啟動功能 5 要有完善的報警功能 6 對泵的操作要有手動控制功能 手動只在應(yīng)急或調(diào)試時臨時使用 7 如果水位低于下限 則打開開水閥 使市網(wǎng)水管的水流入水箱 對水 箱進(jìn)行注水 8 水位上升到上限 則關(guān)閉開水閥 9 水位從上限下降到下限之前 開水閥不工作 10 采用組態(tài)王設(shè)計的監(jiān)控程序能顯示和設(shè)定系統(tǒng)工作狀態(tài) 參數(shù) 能 對系統(tǒng)進(jìn)行操作 具有實(shí)時報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能 經(jīng)過這幾個步驟 基本上完成了系統(tǒng)組態(tài) 但要對其進(jìn)行調(diào)試 在組態(tài)王 運(yùn)行系統(tǒng)里 仔細(xì)觀察各個信號是否正常 如果有不正常的情況出現(xiàn) 分析可 能存在的原因 如果變量設(shè)置錯誤 對象參數(shù)設(shè)置錯誤 動畫連接錯誤 表達(dá) 式錯誤 命令語言錯誤等 通過 畫面 退出 菜單項(xiàng) 可以退出組態(tài)王運(yùn)行系 統(tǒng) 同時也可以通過 系統(tǒng)設(shè)置 退出系統(tǒng) 回到工程瀏覽器或者組態(tài)王開發(fā)系 統(tǒng) 做出相應(yīng)的修改后再次進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行觀察 這需要反復(fù)多次才 能使得系統(tǒng)工作完全正常 設(shè)置程序如下圖所示 圖圖 4 畫面命令語言畫面命令語言 第第 7 章章 總結(jié)總結(jié)與體會與體會 本論文完成了用組態(tài)王軟件對恒壓供水系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控