微型泵控制器毕业论文

关于离心泵开题报告

离心式水泵的工作原理是是靠叶轮产生的真空把水从下面吸上来再打到高处，如果泵体内没水的话，真空形不成，那水就吸不上来了，如果液位高于水泵，可以利用自灌的方式把水引入泵体内，不然也需要灌水。知道它的原理就好设计论文的开题了。

摘要：为了提高传统水泵房控制方式的不足，实时监控泵房各设备的运行状态，设计了基于PLC的排水泵房自动排水监控系统，分析了系统的构成和控制软件的编制。该系统采用西门子PLC作为控制器，通过检测部件等系统自动检测液位和其他参数，对水泵的运行进行自动化控制，并将数据传到上位机中，实现远程检测。

关键词: 水泵，PLC，自动控制

1研究背景

1.1课题来源

我国排水泵房控制系统仍由很多依靠传统的人工操作方式，而传统的自动控制大多为常规的继电器带动接触器控制，其控制器通常为电位器之类，是基于电气原理的纯电气自动控制，属于模拟控制方式。如一位式的模拟控制方式，这种控制方式精度低，可靠性差，除了一些精度要求不高的场合外，现阶段一般很少采用。

随着集成技术的迅猛发展，以微处理器为核心的单片机、PLC、工控机迅速渗透到工业控制的各个领域，产生了计算机自动控制。计算机自动控制的控制器是各种类型的计算机(包括单片机、工控机及PLC等)，其最大的优点是控制器能够存储并辨识特殊的语言(程序)，根据程序的控制思想发出各种指令，控制执行机构的动作，使被控制量满足系统的要求。本次毕业设计就是将落空的排水泵控制系统进行改造，从而实现整个系统采用计算机控制技术对水泵实行自动控制和状态检测。

1.2研究目的、意义和任务

从排水泵房控制系统比较落后，完全是人为手动控制的现状来看，它十分需要增加一套控制系统，从而减轻操作人员工作量，优化运行，延长系统设备运行寿命。本课题就是设计一控制系统来解决以上问题。本系统在设计的'时候是以某工程排水泵排水系统为蓝本进行设计的。但本系统的使用并不局限于某工程排水泵排水系统。

本课题主要的任务是设计检测部分、控制部分和网络(控制器和微机通讯)部分，通过检测部分检测主水仓、补水仓液位和各泵的运行参数，并送至控制器中，通过控制器实现电动控制或自动控制。并且将数据传到地上控制室的上位机中，实现远程检测。

2 文献综述

目前，许多工厂的排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均人工完成，完全依赖于工人的工作态度和责任心，同时人工控制也无法准确预测水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的风谷期自动开停水泵，这将严重影响工厂自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成安全隐患。

2.1控制系统总体概述

本套系统设计控制分为三部分：

现场手动控制

地下控制室电动控制

地上主控制室远程检测

通过传感器对主水仓液位的检测，来自动判断启动几台水泵进行排水(自动检测控制)，或由人为地选择启动几台水泵进行排水(电动控制或手动控制)。同时也类似地控制水泵的停止。在水泵运行的过程中对水泵的相关参数进行监控，如压力、流量、温度、转速、负压。出现故障时进行报警，若出现严重故障时，则立即停止水泵，并报警。并且把所检测到的所有数据传到地上主控制室内的上位机中。

2.2系统控制要求

2.2.1 整体要求：

1、实现以下控制：

手动控制、电动控制、自动监测控制

手动控制时要能自动切断电动控制和自动控制;自动控制时要能自动切断手动控制和自动控制;自动控制时要能自动切断手动控制和电动控制。

2、电动控制：根据所要起动的泵来自动决定阀的开闭，只需人为的来决定起动或停止哪台泵。

3、自动检测控制：不需人为的介入，根据主水仓的液位自动实现泵的启动、运转参数检测、泵的停止及故障诊断报警。

2.2.2 具体要求：

1、现场手动控制/非手动控制转换(非手动控制包括电动控制和自动检测控制)，电动控制/自动检测控制转换

2、现场手动控制直接经过电控部分控制，而电动控制/自动检测控制则经过控制器来控制

3、自动检测控制实现水泵的自动起动：

(1)根据水位信号，确定要起动水泵的台数和哪台水泵起动;

(2)关闭要起动水泵的排水阀，并确定排水管路及各分配阀的开关状态;

(3)开启真空泵;打开真空泵与水泵连接的排气阀(;水泵开始排气，并检测水泵吸入口的负压信号;

(4)当吸入口负压信号到达预定值时，起动水泵(降压启动，由电控实现);打开排水阀，关闭真空泵与水泵连接的排气阀，关掉真空泵，水泵进入正常排水运行。

在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵。

4、水泵运行时的参数监控：

水泵进入正常排水运行时，检测水泵运行的参数有：

(1)、水位信号

(2)、水泵的排水压力信号

(3)、水泵吸入口的负压信号

(4)、水泵的流量信号

(5)、水泵的转速信号

(6)、水泵轴承的温度信号

在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵以上参数及主水仓液位。并把这些参数传到地上控制室的上位机中。

5、自动检测控制实现水泵的自动停止：

(1)、根据水位信号，确定停止水泵台数和停哪台水泵;

(2)、切断要停止水泵的电源，关闭排水阀;

(3)、根据水位信号，当水位低于最低水位时，停止最后一台水泵，步骤同上。

(4)、水泵全部停止后，系统处于自动监控状态，随时准备起动。

6、抢险排水：

(1)当水位信号超过警戒水位时(井底水平高度)，所有水泵全部开动(起动程序同上，逐台起动，防止起动电流过大);

(2)随着水位信号的逐淅下降，当水位信号低于安全警戒线时，逐步停掉部分水泵(停止程序同上);

(3)当水位信号低于最低水位时，停掉所有水泵(停止程序同上)，系统处于自动监控状态，随时准备起动。

7、水泵运行的故障诊断及故障报警

(1)、水泵不吸水(真空信号);

(2)、流量小(真空信号，压力信号);

(3)、水泵不上水(压力信号、流量信号);

(4)、转速变化大(转速信号、压力信号、流量信号);

(5)、轴承过热(温度信号);

(6)、内部声音异常，可能原因是流量大，吸入高度过大，吸入处有空气渗入，所吸入的液体温度过高。(流量信号、负压信号、温度信号)。

出现以上故障，及时报警通知操作人员;严重故障时，报警并停止出现故障的水泵。

3 设计方案

3.1 手动控制方案的确定

1.现场手动控制直接经过电控部分来分别控制各个元件，其所需开关有：

·现场手动控制/非手动控制转换开关

·各水泵起动/停止开关

·各水泵排气阀、排水阀、分配阀打开/关闭开关

2.输出开关量有：

·各阀开启信号灯

3.2 系统电动控制/自动检测控制方案的确定

根据现场具备的条件及系统的控制要求，得到泵房控制系统的控制I/O点配置及参数显示，主要包括：

1、输入开关量：

·电动控制/自动检测控制模式选择开关

·显示各泵参数按键

·泵控制按钮

2、输入模拟量：

·输入温度

·输入负压

·输入压力

·输入液位

·输入转速

·输入流量

3、输出开关量：

·真空泵、主水泵电机起停

·电磁阀/电动阀开关

·手动模式信号灯

·电动模式信号灯

·自动模式信号灯

·故障报警灯

现场控制由PLC控制网络组成，第一台PLC检测主水仓、补水仓的液位、控制3台水泵、并控制第二台PLC，第二台PLC控制4、5、6泵;地上控制室由一台上位机组成，主要接收井下控制室传上来的主水仓液位及各台泵的运行参数。

4 进度安排

2011年8月1日—2011年9月1日 查阅文献资料并撰写开题报告

2011年9月2日—2011年9月30日 完成工艺及失效分析研究

2011年10月1日—2011年10月31日 撰写论文

2011年11月1日—2011年11月30日 论文定稿，准备答辩

参考文献

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1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理3.1 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图3.2 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件4.1 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图4.2 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的i0.0输入口相连接，当按下sb0时，i0.0为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，i0.1为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，i0.5为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，i0.6为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。i0.5和i0.6的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，i0.2为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计5.1 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，i0.1为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.5。此时，q0.1为“0”， q0.2为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后q0.3为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到i0.6。此时，q0.4为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时q0.1为“1”，q0.2为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。5.2 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.