基于PLC的高楼供水节能系统设计

高等教育自学考试本科毕业论文开题报告论文题目：基于PLC的高楼供水节能系统的设计考生姓名：张柱准考证号：011814302756专业层次：本科院（系）：机械与动力工程学院指导教师：杨小强职称：讲师重庆科技学院二O一六年六月十五日本课题的目的及意义，国内外研究现状分析研究目的和意义水和电是我们日常生活和工作都离不开的重要资源，在我们这个水电资源都非常短缺的国家，合理的做好节能减排，已是摆在人们面前很迫切的工作。我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。我们国家大多的供水方式是恒速泵作为动力源，采用高位水箱、水塔或密闭气压罐供水，控制电路都是传统低压电器，自动化程度比较低，而随着社会经济的迅速发展、人民生活水平的不断改善，特别是近几年，由于政府加大城市建设和规划力度，好多一线城市几乎资源饱和，城市高层建筑越来越多，导致传统的供水方式已经不能满足社区、机关、企业等场所正常用水需求。这就让人们不仅对供水系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求，而且要求供水系统运行起来经济安全、高效节能。为了适应城市的快速发展，需要充分运用自动控制、网络通讯和计算机等综合技术，优化原有的供水系统，来提高各种用水场所的服务质量和供水能力，本次的设计正是为了能更好的解决此类问题而进行的，采用以PLC为控制核心，通过变频调速实现恒压供水。国内外研究现状国内外发展情况，随着变频器的问世，变频调速技术在以工频交流电为主的用电场合得到了广泛的应用，其中变频恒压供水便是在变频调速领域中典型的应用。以前，国外生产的变频器主要用来控制频率、控制电机的启停、控制电机正反转和转速调节以及各种保护功能。在变频恒压供水系统中，变频器是通过可编程序控制器控制，作为控制机构和系统执行机构之间的中间环节，为保证水管内水压恒定，满足不同时间段供水量大小的需求，需在变频器外部提供压力传感器和压力控制器，对水压进行闭环控制。目前我们国内有很多公司也在做变频恒压供水的工程，可是大部分采用国外的变频器控制水泵的转速，供水管路内水压的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现。但在系统的稳定性能、动态性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。像现在艾默生电气公司生产的变频器和大陆希望集团生产的森兰变频器也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的定时启停和循环切换工作。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了拖动电机的容量、使用时操作不方便，并且不具有数据通信功能，因此只适用于负荷容量比较小和控制要求不高的供水场所。从查阅的资料情况来看，以前国外的恒压供水系统在设计时大都采用单台变频器控制单台水泵机组的方式，很少采用单台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频调速技术的发展，变频器的功能也在不断完善，特别是应用于供水系统中的变频器，工作时的稳定性、安全性和可靠性得到提高，而且其高效节能的效果越来越受用户欢迎。国外很多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，比如日本SAMCO公司，就推出了恒压供水基板，备有变频泵循环方式和固定方式两种工作模式；还有基于PLC的变频恒压供水系统的设计将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多控制七台水泵工作的供水系统。这类设备虽然使用成本不是很高，同时也集成化了电路结构，但变频器输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与很多组态监控软件很难实现数据通信，并且限制了拖动电机的容量，因此在实际使用过程中，其使用范围还是具有一定局限性。通过国内外情况的分析，可以发现在变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、计算机技术、网络通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还需深入。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。本课题的任务、重点内容、实现途径本课题的任务：对供水系统的构成、工作原理、节能原理及相关技术进行分析。对变频恒压供水系统的控制方案、系统设计等问题进行了研究与设计。承担对本恒压供水系统的硬件选型与软件设计工作。承担系统软件和硬件的调试工作，并满足正常运行需要。重点内容：（1）明白此设计的要求和目的；（2）由于水箱液位不是主要的被控制对象，所以对于系统的数学模型只需大概合理接近就可以；（3）通过系统的工作流程形成闭环控制结构；（4）分清系统的执行机构、检测机构、控制机构；（5）列出系统所需要的硬件设备；（6）选取合适的硬件设备；（7）绘制系统的电气控制图，进行I/O分配，编写对应的PLC程序；（8）对系统的控制过程进行分析，得出系统的可行性；（9）总结并进行改善。实现途径：本文设计了一套由西门子S7-200系列PLC、变频器、压力传感器、接触器、水泵等主要设备构成的变频恒压供水系统，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行等功能。系统有效地解决了传统供水方式所存在的问题，且具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性，本次设计才用通用变频器+PCL(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图所示。系统构成图预计可能遇到的困难，提出解决问题的方法和措施设计的题目为基于PLC的高楼恒压供水在已知楼高H的前提下依据P=ρHg（其中ρ为水的密度，g为当地的重力加速度）可知楼的高度对出水口产生的压力是一定的。所以，能使压力产生变化的因素为水箱液位高度的变化，因此，控制恒压可以在水箱底部安装一个压力传感器从而转化为对水箱液位的控制。可能遇到的困难：（1）对西门子S7-200系列PLC的了解不够，尤其是带有PID的PLC；（2）以前做的课程设计基本都是用的单片机知识，所以此次毕业设计是一次新的尝试；（3）对于水泵、传感器、变频器等硬件设备是如何整合成一个完整的系统模棱两可；（4）对于硬件设备的工作原理不熟悉；（5）对硬件设备的选型应该注意的一些指标不了解；（6）对系统的电器控制过程以及电气控制图的绘制等不熟悉；（7）对系统I/O点的分配不熟悉；（8）PLC程序的编写还有待提高。解决办法：（1）通过仔细阅读课本教材熟悉有关S7-200系列PLC的基础知识；（2）在知网上查询阅读相似的论文，从而了解各部件是如何整合成一个完整的系统的；（3）在网站上查询各种硬件的参数弄懂各参数的意义，情况结合自己设计的要求选择合适的硬件；（4）首先弄懂系统硬件动作的先后顺序、流程，明白逻辑关系然后在绘制电气控制图；（5）通过总电气图得出系统有多少个检测点、控制点然后合理分配I/O点；（6）通过学习借鉴相关的资料上的程序，然后自己编写能够满足自己设计要求的PLC程序。完成本课题所需的工作条件（如工具书、计算机、实验、调研等）及解决办法完成本课题所必须的工作条件：为确保该课题研究能顺利进行，所提出的观点确实可行且有理论依据以及所引用的文献资料真实准确，完成本课题所必须的工作条件如下：1.工具书：《电气控制与PLC应用》、《微型计算机控制技术》、《楼宇智能化技术》等工具书。2.计算机网络同方数据库，万方数据库等等3.调查及访问对周边地区学校的老师和学生进行访问和调查解决的办法：为达到上述工作要求以期顺利完成课题研究和毕业论文的撰写，鉴于经济能力和所能利用的现实条件，本人对解决办法进行了如下思量：1.自行购买相关书籍等资料2.阅览室、图书馆借阅3.校园网络期刊查询主要参考文献：[1]金传伟，毛宗源．变频调速技术在水泵控制系统中的应用．电子技术应用，2000，No.9:38-39[2]马桂梅，谭光仪.陈次昌泵变频调速时的节能方案讨论.四川工业学院学报.2003，No.9:5-7[3]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报.2000，No.1:84-88[4]吴民强.泵与风机节能技术水利电力出版社，1994:2-6[5]张燕宾.变频调速应用实践机械工业出版社，2002:244-251[6]付娟.交流调速技米电子工业出版社，2002:1-7[7]叶汝裕.水泵风机的节电及技术改造重庆大学出版社，1998:1-4[8]徐士鸣.泵与风机原理与应用.大连理工大学出版社，1992:12-24[9]陈伯时.电力拖动自动控制系统机械工业出版社，1992:10-19[10]周玉国.变频调速节能分梳东北电力技术，2004，No.8:4-4[11]吴浩烈.电机及电力拖动基硷重庆大学出版社，1996:173-174[12]黄俊，王兆安.电力电子变流技术.机械工业出版，1933:197-206[13]胡跃冰.水泵电机变频调速的节能与计算节能技术，2003，No.5:48[14]中国工空信息网[15]西门子（中国）自动化网[16]张春光.全自动变频调速供水泵运行工况与节能分析.节能技术，2003，No.5:4l-44[17]任国.泵变频调速节能的理论分析与应甩计算技术与自动么，1994，No.4:37-39[18]陆秀令.几种常用的可编程控制器梯形图的设计方法.机床电器,2004,No.5:43-48[19]陈怀忠.西门子PLC和WinCCSCADA在变频恒压供水系统中的应用.自动化仪表，2005，No.5:34-39同组设计者及分工：该论文有张柱同学独立完成。论文工作的进度计划（或工作方案分析）（由指导教师确定）起止时间进度安排备注2016.6.20～6.30查找资料、选题2016.7.1～7.14完成开题报告及论文目录2016.7.15-8.15完成论文初稿2016.8.16-9.1完成论文二稿，修改格式2016.9.2-2016.10.20论文定稿2016.10.21-2016.11.31做好论文答辩准备指导教师意见：（对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测）指导教师签名:年月日教研室审查意见：教研室负责人签名:年月日