基于PLC变频恒压供水控制新版系统标准设计.doc
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1、摘 要本论文依据中国城市小区供水要求,设计了一套基于PLC变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等组成。本系统包含四台水泵电机,它们组成变频循环运行方法。采取变频器实现对四相水泵电机软开启和变频调速。压力传感器检测目前水压信号,送入PLC和设定值比较后进行PID运算,从而控制变频器输出电压和频率,进而改变水泵电机转速来改变供水量,最终保持管网压力稳定在设定值周围。经过工控机和PLC连接,采取组态软件完成系统监控,实现了运行状态动态显示及数据、报警查询。关键词:变频调速恒压供水PLCABSTRACTAccording to the requiremen
2、t of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressur
3、e sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”st
4、art first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply q
5、uantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Through work control machine the connection with PLC,with group form software consummately systematic monitoring,have realized operation state development to show and data,report to the police inquiry.Keywords
6、: Variable frequency speed-regulating Constant-pressure water supply PLC目录第一章 绪论.11.1课题提出.11.2变频恒压供水系统中国外研究现实状况.21.3本课题关键研究内容.3第二章 系统理论分析及控制方案确定.42.1变频恒压供水系统理论分析.42.1.1 电动机调速原理.42.1.2 变频恒压供水系统节能原理.42.2变频恒压供水系统理论分析.52.2.1 控制方案比较和确定.52.2.2 变频概述.62.2.3 变频恒压供水系统组成和原理图.72.2.4 变频恒压供水系统控制步骤.92.2.5 水泵切换条件.9
7、第三章 系统硬件设计.113.1系统关键设备选型.113.1.1 控制方案比较和确定.113.1.2 欧姆龙CP1E PLC介绍.133.1.3 PLC 及其模块选型.143.1.4 变频器选型.143.1.5 水泵机组选型.153.1.6 压力变送器选型.153.1.7 液位变送器选型.163.2系统主电路分析及其设计.163.3系统控制电路分析及其设计.173.4 PLCI/O端口分配及外围接线图.19第四章 系统软件设计.224.1系统软件设计分析.224.2 PLC程序设计.234.2.1 控制系统主程序程序设计.234.2.2 控制系统子程序设计.264.3 PID控制器参数整定.3
8、54.3.1 PID 控制及其控制算法.354.3.2 PID 参数整定.36第五章 结束语.38参考文件.39致谢.40附录.41附录图1主电路图.41附录图2控制电路图.42附录图3主程序步骤图.43附录图4主程序梯形图.44第一章 绪论1.1课题提出现在,居民生活用水和工业用水日益增加。因为居民日常见水和工业用水会随季节、昼夜等改变而随之发生改变,如采取传统供水方法不仅影响生活也不利于资源优化配置。传统供水系统已经不能满足大家需求,为了能更合理分配资源,使能最大限为大家所用,可采取变频恒压供水方法来替换传统供水系统,以达成供水稳定,满足大家需求,合理优化分配等目标。本文介绍是相关变频恒压
9、供水系统设计,因为变频恒压供水系统有高效节能,恒压供水,安全卫生,自动运行,管理简便等优点,很适合现在国民需求。变频恒压供水系统依据用水量改变,自动调整运行参数,在水量发生改变时保持水压恒定以满足用水要求是当今优异、合理节能型供水系统。变频调速是现在优于以往任何一个调速方法(如调压调速、变极调速、串级调速等)技术,是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用广泛、最有发展前途电机调速技术。它采取了微机控制技术,电力电子技术和电机传动调速技术实现了工业交流电动机无极调速,含有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为关键结合PLC组成控制系统含有可靠性高,抗干扰能力强,组合灵活,变成简单,维修方便和低
10、成本低能耗等很多特点。采取该系统进行供水能够提升供水系统稳定性和可靠性,方便实现供水系统集中管理和监控;同时系统含有良好节能性,这在能量日益紧缺今天尤为关键,所以研究设计系统,对于调高企业效率和人民生活水平、降低能耗等方面含相关键现实意义。1.2 变频恒压供水系统中国外发展情况变频恒压供水是在变频调速技术发展以后逐步发展起来,在早期,因为国外生产变频器功效关键限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及多种保护功效。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为实施机构,为了满足供水量大小需求不一样时,确保管网压力恒定,需在变频器外部压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制
11、。从查阅资料情况来看,国外恒压供水工程在设计时全部采取一台变频器只带一台水泵机组方法,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行情况,所以投资成本高。即1968年,丹麦丹弗斯企业发明并首家生产变频器后,伴随变频器技术发展和变频恒压系统稳定性、可靠性和自动化程度高等方面优先和显著地节能效果被大家发觉认可后,国外很多生产变频器厂家开始重视并推出含有恒压供水功效变频器,像瑞士ABB集团推出了HVAC变频技术,法国施耐德企业推出了恒压供水基板,备有PID调整器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上,经过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统功效,只要搭载配套恒压供水单元,便可直接控制多个内置
12、电磁接触器工作,可组成最多七台电机供水系统。不过也有其缺点,就是输出接口扩展功效缺乏灵活性,系统动态性能和稳定性不高,和别监控系统和组态软件难以实现数据通信,而且限制了带负载容量,所以适用范围受到限制。现在中国有不少企业全部在做变频恒压供水工程,大多采取国外变频器控制水泵转速,水管管网压力闭环调整及多台水泵循环控制,有采取单片机及对应软件给予实现;有采取PLC及对应软件给予实现。但在系统动态性能、稳定性能、抗干扰性能和开放性等多方面综合技术指标来说,还远远没能达成全部用户要求。原深圳华为电气企业(现已更名艾默生)和成全部期望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW)
13、,无需外接PLC盒PID调整器,坑完成最多四台水泵循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹弗斯企业VLT系列变频器可实现七台水泵机组切换)。该变频器将压力闭环调整和循环逻辑控制功效集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不含有数据通信功效,所以只适适用于小容量,控制要求不高供水场所。能够看出,现在在中国外变频调速恒压供水系统研究设计中,对于能适应不一样用水场所,结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性变频恒压供水系统水压闭环控制研究还是不够,所以,有待于深入淡淡研究改善,使其能愈加好应用于生活、生产实践中。1.3本课题关键研究内容设计是以供水系统为设
14、计对象,采取PLC和变频技术相结合技术,并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理,确保供水系统安全可靠运行。PLC控制变频恒压供水系统关键有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整闭环调整系统,本设计中有4台泵,大泵电动机功率均为220KW,小泵功率均为160KW;全部泵可设计成变频循环软开启工作方法;采取PID算法实现水压闭环控制;欧姆龙S7-200型系列PLC控制变频及现场设备运行;系统含有自动/手动操作功效;含有故障自诊和自处理能力,对过流,欠压,过压等变频器故障均能自行诊疗,并发出报警信号。依据以上控制要求,进行系统总控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型、估算所需
15、I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图:包含系统硬件配置图、I/O连接图、分配I/O点数,列出I/O分配表,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改并设计监控系统。第二章 系统理论分析及控制方案确定2.1 变频恒压供水系统理论分析2.1.1 电动机调速原理水泵电机多采取三相异步电动机,而其转速公式为: (2-1) 式中:f表示电源频率,p表示电动机极对数,s表示转差率。从上式可知,三相异步电动机调速方法有:(1) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速调控方法控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变
16、速时转速改变较大,转矩也改变大,所以只适适用于特定转速生产机器。改变转差率调速为了确保其较大调速范围通常采取串级调速方法,其最大优点是它能够回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但因为线途经于复杂,增加了中间步骤电能损耗7,且成本高而影响它推广价值。下面关键分析改变电源频率调速方法及特点。依据公式可知,当转差率改变不大时,异步电动机转速n基础上和电源频率f成正比。连续调整电源频率,就能够平滑地改变电动机转速。不过,单一地调整电源频率,将造成电机运行性能恶化。伴随电力电子技术发展,已出现了多种性能良好、工作可靠变频调速电源装置,它们促进了变频调速广泛应用。2.1.2 变频恒压供水系统节能原理
17、变频恒压供水系统供水部分关键由水泵、电动机、管道和阀门等组成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,而且把电机和水泵做成一体,经过变频器调整异步电机转速,从而改变水泵出水流量而实现恒压供水。所以,供水系统变频实质是异步电动机变频调速。异步电动机变频调速是经过改变定子供电频率来改变同时转速而实现调速。在供水系统中,通常以流量为控制目标,常见控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是经过调整阀门开度来调整流量,水泵电机转速保持不变。其实质是经过改变水路中阻力大小来改变流量,所以,管阻将随阀门开度改变而改变,但扬程特征不变。因为实际用水中,需水量是改变,若阀门开度在一段时间内保持不变,肯定要造成超
18、压或欠压现象出现。转速控制法是经过改变水泵电机转速来调整流量,而阀门开度保持不变,是经过改变水动能改变流量。所以,扬程特征将随水泵转速改变而改变,但管阻特征不变。变频调速供水方法属于转速控制。其工作原理是依据用户用水量改变自动地调整水泵电机转速,使管网压力一直保持恒定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速。2.2 变频恒压供水系统控制方案确实定2.2.1控制方案比较和确定恒压变频供水系统关键有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组和低压电器组成。系统关键任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,实现管网水压恒定和水泵电机软起动和变频水泵和工频水泵切换,同时还要能
19、对运行数据进行传输和监控。依据系统设计任务要求,有以下多个方案可供选择:(1) 有供水基板变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单,它将PID调整器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上,经过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统功效。它即使微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值显示方面比较麻烦,无法自动实现不一样时段不一样恒压要求,在调试时,PID调整参数寻优困难,调整范围小,系统稳态、动态性能不易确保。其输出接口扩展功效缺乏灵活性,数据通信困难,而且限制了带负载容量,所以仅适适用于要求不高小容量场所。(2) 通用变频器+单片机(包含变频控制、调整器控制
20、)+人机界面+压力传感器这种方法控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,含有较高性价比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,所以现场调试灵活性差,同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器功率越大,产生干扰越大,所以必需采取对应抗干扰方法来确保系统可靠性。该系统适适用于某一特定领域小容量变频恒压供水中。(3) 通用变频器+PLC(包含变频控制、调整器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方法灵活方便。含有良好通信接口,能够方便地和其它系统进行数据交换,通用性强;因为PLC产品系列化和模块化,用户可灵活组成多种规模和要求不一样控制系统。在硬件设计上,只需确定PLC硬件配置和I/O外部接线,当控制
21、要求发生改变时,能够方便地经过PC机来改变存贮器中控制程序,所以现场调试方便。同时因为PLC抗干扰能力强、可靠性高,所以系统可靠性大大提升。该系统能适适用于各类不一样要求恒压供水场所,而且和供水机组容量大小无关。经过对以上这多个方案比较和分析,能够看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案现有扩展功效灵活方便、便于数据传输优点,又能达成系统稳定性及控制精度要求。2.2.2变频器概述变频恒压供水是在变频调速技术发展以后逐步发展起来,在早期,因为国外生产变频器功效关键限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及多种保护功效。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为实施机
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