恒压液位控制系统.doc

毕业设计论文报告课题名称:恒压液位控制系统专 业 名 称： 班 级 学 号： 姓 名： 指 导 教 师： 成 绩： 2011年 月 日目录前言第一章 恒压液位控制系统介绍1.1 恒压供水系统介绍1.2 系统硬件构成1.3 系统的优点1.4 系统的工作原理1.5 系统程序设计第二章 信捷xc3-24rt-e型PLC第三章 信捷TH765型触摸屏第四章 信捷vb3-20p7型变频器第五章 CL15G-10型家用增压泵第六章 UHM-FIII型磁控液位器第七章 总结第八章 参考文献第九章 附录第十章前言第一章 恒压液位控制系统介绍1、恒压供水系统介绍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。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： （1）维持水压恒定；（2）控制系统可手动/自动运行；（3）多台泵自动切换运行；（4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；（5）在线调整PID参数；（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等；将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。2、系统硬件构成系统采用压力传感器、PLC和SAJ变频器作为中心控制装置，实现所需功能。 来源:输配电设备网安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为420 mA的电流或者是0-10V的电压信号，提供给SAJ变频器。SAJ变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将050 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速，SAJ变频器功能强大，即预先编置好的参数集，将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。SAJ变频器根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。3、系统的优点变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势：（1）恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。（2）由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。（3）水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。（4）实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。4、系统的工作原理变频器与PLC的恒压供水系统的结构原理图如下图所示，该系统主要由PLC，变频器，压力传感器，电气控制系统和水泵电机组成。其工作原理是：通过安装在出水官网上的压力传感器，把出水口压力变成420mA的电流信号送到变频器，在通过变频器的A/D转换模块，将模拟量转换成数字量，同时变频器的A/D转换模块也将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出控制，这样运行频率的变化就可以改变水泵电机飞转速，进而可调节供水量。根据用水量飞不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大则供水压力低于设定值时，变频器频率上升到上限频率，此时变频器输出一个开关信号给PLC；当用水量处于低峰时，供水压力升高，变频器输出频率降低到下限频率时，变频器输出一个开关信号给PLC,这两个信号不会同时产生，但任何一个信号反馈到PLC都会影响PLC的输出，以实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的电机台数，并完成电机的启停和变频与工频切换。通过调整投入工作的电机的台数和控制电机组中的一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。5、系统程序设计系统的控制功能主要通过软件实现，根据系统的控制要求，该系统的控制程序主要包括以下几大部分：第一章 信捷xc3-24rt-e型PLCPLC的特点PLC是综合继电器接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展的，这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点。1、可靠性高，抗干扰能力强由PLC的定义我们知道，PLC是专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC时，从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。（1） 硬件措施1） 屏蔽：对PLC的电源变压器、内部CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防止外界的电磁干扰。2） 滤波：对PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波，以消除活抑制高频干扰。3） 隔离：在PLC内部的微处理器和输入输出电路之间，采用了光电隔离措施，有效地隔离了输入输出间电的联系，减少了故障和误动作。4） 采用模块式结构：这种结构有助于在故障情况下短时修复。因为一旦查出某一模块出现故障，就能迅速更换，使系统恢复正常工作。（2） 软件措施1） 故障检测：设计了故障检测软件定期地检测外界环境。如掉电、欠电压、强干扰信号等，以便及时进行处理。2） 信息保护和恢复：信息保护和恢复软件使PLC偶发性故障条件出现时，将PLC内部信息进行保护，不遭破坏。一旦故障条件消失，恢复原来的信息，使之正常工作。3） 设置了警戒时钟WDT：如果PLC程序每次循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示程序进入死循环，立即报警。4） 对程序进行检查和检验，一旦程序有错，立即报警，并停止执行。由于采取了以上抗干扰的措施，一般PLC的平均无故障时间可达几万小时以上。2、通用性强，使用方便PLC产品已系列化和模块化，PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的I/O模块和配套部件。用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需根据控制要求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于下一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能。3、采用模块化结构，使系统组合灵活方便PLC的各个部件，均采用模块化设计，各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组合，使系统的性能价格更容易趋于合理。4、编程语言简单、易学，便于掌握PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。其主要的使用对象是广大的电气技术人员。PLC的开发制造商为了便于工程技术人员方便学习和掌握PLC的编程，采取了与继电器接触器控制原理相似的梯形图语言，易学、易懂。5、系统设计周期短由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要去设计具体的接口线路，这样大大缩短了整个设计所花费的时间，加快了整个工程的进度。6、安装简单、调试方便、维护工作量小PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行，用模拟实验开关代替输入信号，其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管，也可以另接输出模拟实验板。模拟调试好后，再将PLC控制系统安装到现场，进行联机调试，这样既省时间又很方便。由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力，一旦发生故障，可以根据报警信息，迅速查明原因。如果是PLC本身，则可用更换模块的方法排除故障。这样提高了维护的工作效率，保证了生产的正常运行。 可编程控制器的特点编程语言 XC 系列可编程控制器支持两种编程语言，命令语和梯形图，两种编程语言可方便的进行互换使用。程序安全性 为防止用户的程序被盗用或错误修改，一般可对程序进行加密。加密后的程序在上传的时候，将以口令的形式进行验证，这样可以很好的维护用户的版权；同时还能限制下载，防止恶意修改PLC 里面的程序。 程序的注释 当用户程序过于复杂冗长时，常常需要对程序或是使用的软元件加以注释，以方便日后修改程序，适当的注释可以加快用户对程序的理解。 偏移量功能 在线圈、数据寄存器后加上偏移量后缀（如X3D100、M10D100、D0D100），可实现间接寻址。如D100=9 时，X3D100表示X14，M10D100表示M19，D0D100表示D9。 充实的基本功能 􀁺 XC 系列可编程控制器为用户提供了充足的基本指令，可以满足基本的顺序控制、数据的传送和比较、四则运算、逻辑控制、数据的循环和移位等功能。􀁺 XC 系列可编程控制器还具有中断、高速计数器专用比较指令、高速脉冲输出指令、频率的测量、精确定时、PID 控制、以及定位控制等指令。C语言编辑功能块 XC 系列可编程控制器可实现利用C 语言来编写功能块的功能，编辑好的功能块可以在程序中随意调用，保密性好，适用性强，同时也减小了编程的工作量。 上电运行停止功能 在XC 系列可编程控制器中具有一项比较重要的功能，即上电运行停止，当PLC 在运行过程中出现了比较严重的错误，可能导致机器故障或损坏时，利用上电运行停止功能，可以马上停止所有输出。此外，通信参数错误设置也可以用此方法来连接上PLC，然后修改通信参数。通讯功能 XC 系列可编程控制器可支持多种通讯方式，如基本的Modbus 通讯、CANBUS 通讯、自由格式通讯，此外，通过特定的网络模块，还可接入以太网络、GPRS 网络，适应更加广泛的应用场合。XC系列PLC不仅具有强大的逻辑处理，数据运算，高速处理功能，而且具有转换，PID调节等功能，通过使用模拟量输入模块，模拟量输出模块，温度控制模块等，使XC系列PLC在温度、流量、液位、压力等过程控制系统中得到了广泛的应用。模拟量输入输出模块XC-E4AD2DA扩展模块具有4通道14位精度模拟输入和2通道12位精度模拟输出4通道的电压05V、010V，电流020mA、420mA输入可选;2通道的电压05V、010V，电流020mA、420mA输出可选，通过上位机设定作为XC的特殊功能模块，最多可连接7台4通道A/D具有PID调节功能一般规格项目模拟量输入（AD）模拟量输出（DA）电压输入电流输入电压输出电流输出模拟量输入范围DC05V、010VDC020mA、420mA-最大输入范围DC18V DC040mA-模拟量输出范围-DC05V、010V（外部负载电阻2K1M）DC020mA、420mA （外部负载电阻小于500）数字输入范围-12位二进制数（04095）数字输出范围14位二进制数（016383）-分辨率1/16383(14Bit); 转换数据以16进制形式存入PLC(14Bit)1/4095(12Bit); 转换数据以16进制形式存入PLC（12Bit）PID输出值0K4095-综合精确度0.8%转换速度20ms/1通道 3ms/1通道模拟量用电源DC24V10%,100mA安装方式可用M3的螺丝固定或直接安装在DIN46277（宽35mm）的导轨上外型尺寸63mm102mm73.3mm产品外形及尺寸4通道模拟量输入，可以选择电压输入和电流输入两种模式，其中电压输入05V、010V可选，电流输入020MA、420MA可选。2通道模拟量输出选择14位的高精度模拟量输入XC-E4AD2DA模块4通道A/D具有PID控制功能名称功能电源指示当电源接通时该指示灯亮模块型号该特殊功能模块等我型号扩展口连接其他扩展模块模拟量输入输出端子排用于连接模拟量输入、输出和外部设备的端子，可拆卸DIN导轨挂钩用于直接安装模块，拆卸时拉下DIN导轨拉钩即可螺钉安装孔可以在安装孔里旋入螺钉（M3）来完成模块安装扩展电缆通过扩展电缆和PLC扩展通讯口连接，完成数据传送cvcv+1638320mA4mA模拟量数字量0 端子排布0VC0A00C1A0124VV00V01V10C1A11V12C3A13C0A10V11C2A12V13 信捷TH765型触摸屏产品名称：信捷触摸屏TH765-N产品编号：TH765产品型号：7寸，TH765-N更新时间：2010-11-19 12:04:12出品单位：台型号TH765-MT/UT/NT/NU/NT3/NU3主要特点：7英寸显示屏幕，流线型外观设计；1、6万色真彩，支持BMP、JPEG格式图片显示；2、丰富的3D图片素材库，画面更生动；3、灵活的部件选择空间，自定义动画轨迹设计；4、简单开关设置切换模式，精确的有触摸区校准功能；5、自定义的数据采集保存功能，支持时间趋势图，XY趋势图等多种形式的数据管理方式；6、提供2个USB接口，实现数据的快速传输和备份；7、双口独立通讯，可实现多屏一机；型号说明 ：MT、UT：6万色标准配置；UT、NT：带USB-A接口；NT3：带COM3口；NU3：带USB-A、COM3接口。产品规格 ：项 目TH765电气特征输入电压DC20-DC28V消耗电流250mA允许瞬时停电小于10ms耐电压AC1000V-10mA 1分钟（信号与时间）绝缘阻抗DC500V-约10M（信号与时间）接口COM1接口支持RS-232/RS-485COM2接口支持RS-232/RS-422/RS-485COM3接口支持RS-485USB接口1USB-A（符合USB2.0规范）USB接口2USB-B（符合USB2.0规范）环境操作温度050保存温度-20-60环境湿度20-85%（无凝露）耐振动10-25HZ（X，Y，Z方向各30分钟2G）抗干扰电压噪声：1000Vp-p、脉宽1us、1分钟周围空气无腐蚀气体保护结构适合IP65画面属性类型65536真彩色屏幕大小7英寸使用寿命50000小时以上，环境温度25度，24小时运行屏幕分辨率800*480 像素对比度不可调文字设定中文：简体/繁体 英文 日文 韩文 等多种语言字符尺寸任意字体、任意大小触摸面板4线电阻式触摸存储器画面128MB 结构冷却方式自然风冷外部尺寸204.0*150.5*43.9面板开孔尺寸192.0*138.5产品外观及尺寸(单位:mm)开孔尺寸大小建议向上浮动0.5mm。TH765型触摸屏在系统中的功能和作用：第四章 信捷vb3-20p7型变频器信捷VB3系列变频器为传统VVVF/矢量控制模式，性能稳定、性价比高、操作方便、低噪声运行。产品包括VB3-20P4、VB3-20P7、VB3-40P7、VB3-41P、VB3-42P2、VB3-43P7，电机容量涵盖了0.4KW-3.7KW。主要分为三相和单相两种，三相380V级0.7KW-3.7KW，单相220V级0.4KW-0.75KW，共同特点是高性能、操作方便、低噪音、在提高稳定性的前提下增加了实用的PI调节、灵活的输入输出端子、参数在线设定、定长控制、摆频控制、RS485控制、现场总线控制等一系列使用先进的运行和控制功能，为设备制造和终端客户等提供了集成度高的一体化解决方案。变频器在恒压供水方面的应用：1、变频调速的特点及分析用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。2、恒压供水的变频应用方式通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，我公司开发NKL-A系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。下面讲到的原理都是一变频器拖动多马达的系统。3、PID控制原理根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。4、变频控制原理用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是：（1）起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；（2）由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命；（3）可以消除起动和停机时的水锤效应；一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。 在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用PID调节器的情况下，升、降速时间应尽量设定得短一些，以免影响由PID调节器决定的动态响应过程。如变频器本身具有PID调节功能时，只要在预置时设定PID功能有效，则所设定的升速和降速时间将自动失效。5、恒压供水系统特点 （1）节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；（2）节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；（3）运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂；(4)联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计；(5)控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式；(6)自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水；6、系统应用范围(1)自来水厂、加压泵房；(2)居民生活区、宾馆及其它建筑；(3)企业生产用水；(4)锅炉循环水系统；(5)农田灌溉系统；7、vb3-20p7在系统中的功能和作用第五章 CL15G-10型家用增压泵产品型号：CL15G-10型家用增压泵电源:220v，功率90W，扬程10m，流量T/H2T，管径mm:15特点：自动开关采用电子学原理，利用水流控制，一开龙头自动增压，一关龙头自动关机；方便如意、节能；铜泵体、铜叶轮、不锈钢转轴、耐腐蚀、不生锈、密封性能好、用水卫生、扬程高、流量大、起动性能好、自动开关灵敏、电机低温设计、体积小、噪音低、外型精致美观使用寿命长。在恒压供水系统中的主要用途：。第六章 UHM-FIII型磁控液位器UHM-FIII(侧装式)翻柱远传液位计 关键词：液位测控，界面测控测量范围L：(上下法兰中心距) 用户提出连接法兰规格：DN20 PN1.0RF 或用户提出接液材质： 321或304不锈钢 316L不锈钢PVC塑料 不锈钢衬四氟321或304不锈钢 或用户指定介质密度g/cm3：(由用户提出)0.45工作温度：80,150,350工作压力MPa：06.5MPa输出信号：420mADC (分辨率:1020mm)适用电压/电流： 24VDC馈电接线盒电气接口：M20*1.5(mm)磁性翻柱液位计是根据磁性原理、阿基米德（浮力定律）等原理巧妙地结合机械传动的特性而开发研制的一种专门用于液位测量的装置；其中UHM-FO型是最基本的一种产品，其余的各种产品都是在其基础上的延伸；在检测液位的同时我们赋予它们更多的实用功能。工作原理：它有一容纳浮球的腔体我们称其为主体管或外壳，它通过法兰或其他接口与容器组成一个连通器；这样它腔体内的液面与容器内的液面是相同高度的，所以腔体内的浮球会随着容器内液面的升降而升降；这时候并不能看到液位，所以在腔体的外面装了一个翻柱显示器，因为在制造浮球时在浮球沉入液体与浮出部分的交界处安装了磁钢，它与浮球随液面升降时，它的磁性透过外壳传递给翻柱显示器，推动磁翻柱翻转180；由于磁翻柱是有红、白两个半圆柱合成的圆柱体，所以翻转180后朝向翻柱显示器外的会改变颜色（液面以下红色、以上白色），两色交界处即是液面的高度。控制型是在翻柱液位计的基础上增加了磁控开关，在监测液位的同时磁控开关信号可用于对液位进行控制或报警；远传型是在翻柱液位计的基础上增加了 420mA 变送传感器，在现场监测液位的同时将液位的变化通过变送传感器、线缆及仪表传到控制室，实现远程监测和控制。第七章 总结第八章 参考文献第九章 附录17