恒壓供水控制系統(tǒng)---課程設計

1、<p>　　自動控制系統(tǒng)綜合實驗</p><p>　　2009年 7月 31日</p><p>　　指導教師： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 組態(tài)軟件的介紹1</p>&l

2、t;p>　　第2章 國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀2</p><p>　　第3章 恒壓供水系統(tǒng)介紹3</p><p>　　第4章 恒壓供水的基本原理4</p><p>　　第5章 雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理6</p><p>　　5.1下位機控制原理6</p><p>　　5.2 上位機監(jiān)控原理6</p&g

3、t;<p>　　第6章 恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程7</p><p><b>　　6.1定義變量7</b></p><p>　　6.2簡單畫面的設計、編輯與動畫連接7</p><p>　　6.3命令語言程序編寫8</p><p>　　第7章 總結(jié)與體會10</p><p>&l

4、t;b>　　參考文獻11</b></p><p>　　第1章 組態(tài)軟件的介紹</p><p>　　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)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。組

5、態(tài)（configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計算機系統(tǒng)在硬件設計上，除采用工業(yè)PC機外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設備和現(xiàn)場設備，基本不再需要單獨進行具體電路設計。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雜工程所要求的所有功能。<

6、;/p><p>　　工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡與通信技術(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，工程設計人員

7、不用再設計那些復雜的應用程序（如I/O driver等）。工控組態(tài)軟件的功能</p><p>　　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。</p><p>　　第2章 國內(nèi)恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀</p>

8、;<p>　　目前,就國內(nèi)而言，歸結(jié)起來主要采用以下三種方法:</p><p>　?。?）水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點   </p><p>　　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。一般設計有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設屋頂水箱。主水泵一般有三臺，二開一備自動切換，

9、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。</p><p>　　恒壓變頻供水是較為理想和先進的。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行。</p>

10、<p>　?。?）水池－水泵－高位水箱－用水點 </p><p>　　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。該方式是較成熟的水泵、水箱供水方式。</p><p>　?。?）單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點  

11、 </p><p>　　此方式已簡化為單元總水表進水。單元水箱和單元增壓泵實際上是一個整   </p><p>　　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，用水有了保障，社會效益較好。 </p><p>　　變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水

12、高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(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今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻器調(diào)速恒壓供水設備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義?！?</p><p>　　第3章 恒壓供水系統(tǒng)介紹</p>

13、<p>　　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

14、接送給PLC，作為低水位報警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為4-20mA的標準信號送入PLC，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，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，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣

15、就構(gòu)成了以壓力設定值為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)[2]。</p><p>　　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責生活用水，當消防系統(tǒng)啟動時，生活用水水泵立即停止運行，消防泵立即投入運行，并按設定壓力對消防水泵進行變頻調(diào)速。消防系統(tǒng)警報解除后，生活泵再投入運行。</p><p>　　第4章 恒壓供

16、水的基本原理</p><p>　　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)通過實時檢測供水主管出口壓力，然后與設定值進行比較,經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運算處理后,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,最終達到主管出口壓力穩(wěn)定在設定值上的目的。原理圖見圖1</p><p><b>　　圖1恒壓供水原理圖</b></p><p&g

17、t;　　首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理，由交流感應電動機轉(zhuǎn)速公式</p><p>　?。?60f1/p *(1-s) </p><p>　　（式中n—電機轉(zhuǎn)速;f—定子供電頻率;s—轉(zhuǎn)差率;p—電機極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機定子的供電頻率ｆ1,就可平滑改變電機轉(zhuǎn)速.對于異步電動機的變頻傳動,為了避免電機過磁飽和,同時抑制啟動電流,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進行安全運轉(zhuǎn),在改變頻率的同時,對

18、定子電壓也應作相應調(diào)節(jié).逆變器主回路把三相50Ｈｚ交流電整流濾波為直流,再通過ＰＷＭ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。由流體力學的原理可得下列表達式:      Q1/Q2=n1/n2;   H1/ H2= (n1/n2) 2;   P1/

19、P2= (n1/n2)3                              </p><p>　?。ㄆ渲蠶代

20、表流量；H代表揚程（水壓）；P代表軸功率；n代表轉(zhuǎn)速），當流量減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，其電機輸出功率則大幅度下降。例如：當流量下降到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。</p><p>　　總設計原理圖如下圖所示</p><p>　

21、　圖2恒壓供水總設計原理圖</p><p>　　第5章 雙恒壓無塔供水系統(tǒng)原理</p><p>　　5.1下位機控制原理</p><p>　　恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制原理是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(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)的控制目標是泵

22、站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調(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)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控。</p>&

23、lt;p>　　5.2 上位機監(jiān)控原理</p><p>　　上位機即是我們通常用的計算機，它也可以對系統(tǒng)進行監(jiān)控，但是要在組態(tài)以后，才能對系統(tǒng)進行監(jiān)控。這是一個數(shù)據(jù)進行交換的過程。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進行數(shù)據(jù)。這樣的情況與才能用組態(tài)軟件進行監(jiān)控系統(tǒng)。并完成系統(tǒng)運行工況的CRT畫面顯示、故障報警及打印報表等功能。能夠?qū)ο到y(tǒng)運行進行操作，具用實時報警、報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記

24、錄功能。自動恒壓供水系統(tǒng)具有標準的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(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)濟運行的手段。這樣的監(jiān)控更加的簡單，人們一看就能夠理解。 </p><p>　　第6章 恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)過程</p><p>　　組態(tài)王組態(tài)過程要經(jīng)過定義變量、簡單畫面設計、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。<

25、/p><p><b>　　6.1定義變量</b></p><p>　　要組態(tài)王知道外部設備的狀態(tài)，以及能夠輸出控制信號，需要建立相應的變量。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的內(nèi)存變量。以便組態(tài)王能夠與S7-200進行數(shù)據(jù)交換。單擊“數(shù)據(jù)庫”大綱項下面的“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，出現(xiàn)

26、“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”，變量類型設置為“I/O離散”，連接設備設置為“新I/O設備”，寄存器設置為“I0.0”，數(shù)據(jù)類型設置為“bit”,讀寫屬性設置為“只讀”，采集頻率設置為“100ms”。 </p><p>　　6.2簡單畫面的設計、編輯與動畫連接</p><p>　　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

27、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。</p><p>　　設置畫面屬性如下圖所示。</p><p><b>　　圖3畫面屬性</b></p><p>　　6.3命令語言程序

28、編寫</p><p>　　組態(tài)王需要在運行時根據(jù)現(xiàn)場設備的情況來進行監(jiān)控。同時給下位機寫入運行參數(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：</p><p>　?。?）生活供水時系統(tǒng)低恒壓值運行，消防供水時系統(tǒng)高恒壓值運行，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；</p><

29、p>　　（2）生活/消防各使用三臺泵，并根據(jù)各自的需要設定壓力，采取“先開先停”的原則接入和退出；</p><p>　?。?）在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過設定的切換時間，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；</p><p>　　（4）三臺泵在啟動時要有軟啟動功能；</p><p>　?。?）要有完善的報警功能

30、；</p><p>　?。?）對泵的操作要有手動控制功能。手動只在應急或調(diào)試時臨時使用；</p><p>　?。?）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，對水箱進行注水；</p><p>　?。?）水位上升到上限，則關(guān)閉開水閥；</p><p>　　（9）水位從上限下降到下限之前，開水閥不工作；</p><

31、;p>　　（10）采用組態(tài)王設計的監(jiān)控程序能顯示和設定系統(tǒng)工作狀態(tài)、參數(shù)，能對系統(tǒng)進行操作，具有實時報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能；</p><p>　　經(jīng)過這幾個步驟，基本上完成了系統(tǒng)組態(tài)，但要對其進行調(diào)試。在組態(tài)王運行系統(tǒng)里，仔細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，如果變量設置錯誤，對象參數(shù)設置錯誤，動畫連接錯誤，表達式錯誤，命令語言錯誤等。通過“畫面-退出 ”菜單項，可以退出

32、組態(tài)王運行系統(tǒng)，同時也可以通過“系統(tǒng)設置”退出系統(tǒng)。回到工程瀏覽器或者組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)，做出相應的修改后再次進入組態(tài)王運行系統(tǒng)進行觀察，這需要反復多次才能使得系統(tǒng)工作完全正常。</p><p><b>　　設置程序如下圖所示</b></p><p><b>　　圖4畫面命令語言</b></p><p><b>　　

33、第7章 總結(jié)與體會</b></p><p>　　本論文完成了用組態(tài)王軟件對恒壓供水系統(tǒng)上位機監(jiān)控的功能。它實現(xiàn)了恒壓供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控，能顯示和設定系統(tǒng)工作狀態(tài)和參數(shù)，能對系統(tǒng)運行進行操作，具有實時報警、報警記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄功能。可以說大大提高了自動化水平。可以很好的服務于人們的日常生活。</p><p>　　在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定水壓自動調(diào)節(jié)水

34、泵電機的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水；減泵時采用“先啟先停”的切換方式，相對于“先啟后停”方式，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻

35、器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現(xiàn)故障消除后自啟動，具有一定的先進性。目前該系統(tǒng)已投入使用，效果明顯。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 龔運新,方立友.工業(yè)組態(tài)軟件實用技術(shù)[M] 清華大學出版社,2005.</p><p>　　[2] 王業(yè)民.組態(tài)軟件設計與開發(fā)[M] 西安電子科技大學出版社,2004

36、.</p><p>　　[3] 馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用[M] 清華大學出版社,2000.</p><p>　　[4] 組態(tài)王6.5使用手冊[M],北京亞控科技發(fā)展有限公司, 2004.</p><p>　　[5] 方康玲.過程控制系統(tǒng)[M].武漢理工大學出版社，2002.</p><p>　　[6] 吳 堅,趙英凱,黃玉清.計算機控制系