恒压供水控制新版系统的设计.doc
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1、天 津 理 工 大 学自动化学院专业设计报告题目:恒压供水控制系统设计 -系统硬件设计学生姓名 周 延 学号 1067 届 班级 电气07-2 指引教师 杨顺峰 专业电气工程及其自动化 说 明1. 专业设计文本材料涉及设计报告、任务书、指引书三某些,其中任务书、指引书由教师完毕。按设计报告、任务书、指引书顺序装订成册。2. 学生依照指引教师下达任务书、指引书完毕专业设计工作,合伙完毕专业设计,要在设计报告概述中明确阐明分工。3. 设计报告内容建议重要涉及:设计概述、设计原理、设计方案分析、软硬件详细设计、调试分析、总结以及参照资料等内容,不同类型设计可有所区别。4. 设计报告字数应在3000-
2、4000字,图纸设计应采用电子绘图、且符合相应国标,文字规范借鉴参照毕业设计规定。5.专业设计成绩由平时成绩(50%)、报告成绩(30%)和答辩成绩(20%)构成。专业设计应给出恰当评语。专业设计评语及成绩汇总表成绩平时成绩报告成绩答辩成绩总评成绩专业设计评语目 录第一章 绪论1 1.1 绪论1 1.2 变频恒压供水系统研究现状3 1.3 本课题重要研究内容4第二章 系统理论分析及控制方案拟定 5 2.1变频恒压供水系统理论分析5 2.2变频恒压供水系统理论方案拟定5第三章 系统硬件设计 7 3.1系统重要设备选型73.2系统主电路分析及其设计9 3.3 PLCI/O端口分派及外围接线图10第
3、四章 系统软件设计13 4.1系统软件设计分析13 4.2 PLC程序设计15 第一章 绪论1.1 绪论随着社会发展和进步,都市建筑供水问题日益突出,一方面规定提高供水质量,不要由于压力波动导致供水障碍;另一方面规定供水可靠性和安全性,在发生火灾时可以可靠供水。针对这两方面规定,新供水方式和控制系统应运而生,这就是PLC控制恒压无塔供水系统。恒压供水涉及生活用水恒压控制和消防用水恒压控制即双恒压系统。恒压供水保证了供水质量,以PLC为主机控制系统丰富了系统控制功能,提高了系统可靠性。老式供水方式有:恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速供水方式、单片机变频
4、调速供水系统等方式,其优、缺陷如下:(1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网压力做出及时反映,水泵增减都依赖人工进行手工操作,自动化限度低,并且为保证供水,机组常处在满负荷运营,不但效率低、耗电量大,并且在用水量较少时,管网长期处在超压运营状态,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,当前较少采用。(2) 气压罐供水具备体积小、技术简朴、不受高度限制等特点,但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备规定较高、系统维护工作量大,并且为减少水泵起动次数,停泵压力往往比较高,致使水泵在低效段工作。(3) 水塔高位水箱供水具备控制方式简朴、运营经济合理、短时间维修或停电可不断水
5、等长处,但存在基建投资大,占地面积大,维护不以便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺陷,频繁起动易损坏联轴器,当前重要应用于高层建筑。(4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,只能是一对一驱动,需经常检修;长处是价格低廉,构造简朴明了,维修以便。(5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化限度要优于上面4种供水方式,但是系统开发周期比较长,对操作员素质规定比较高,可靠性比较低,维修不以便,且不合用于恶劣工业环境。综上所述,老式供水方式普遍不同限度存在挥霍水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化限度不高等缺陷,严重影响了居民用水和工业系统中用水。
6、当前供水方式朝向高效节能、自动可靠方向发展,变频调速技术以其显着节能效果和稳定可靠控制方式,在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用,特别是在城乡工业用水各级加压系统,居民生活用水恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出,其优越性体当前:一是节能明显;二是在开、停机时能减小电流对电网冲击以及供水水压对管网系统冲击;三是能减小水泵、电机自身机械冲击损耗。基于PLC和变频技术恒压供水系统集变频技术、电气技术、当代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统稳定性和可靠性,同步系统具备良好节能性,这在能源日益紧缺今天尤为重要,因此研究设计该系统,对于提高公司效率以及人民生
7、活水平、减少能耗等方面具备重要现实意义。下面是一种四泵生活/消防双恒压无塔供水系统。如图1所示,市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀MB1,它们自动把水注满储水池,只要水位低于高水位,则自动往水箱中注水。水池高/低水位信号也直接送给PLC,作为低水位报警用。为了保证供水持续性水位上下限传感器高低距离不是相差太大。生活用水和消防用水公用四台泵,电磁阀MB2平时处在失电状态,关闭消防管网,四台泵依照生活用水多少,按一定逻辑控制运营,使生活用水在恒压状态(生活用水低恒压值)下进行;当有火灾发生时,电磁阀MB2得电,关闭生活用水管网,四台泵供消防用水使用,并依照用水量大小,使消防供水也在恒压状态(
8、消防用水高恒压值)下进行。火灾结束后,四台泵在改为生活供水使用。图1.1 生活/消防双恒压供水系统工艺流程图对四泵生活/消防双恒压供水系统基本规定是: (1) 生活供水时,系统应在低恒压值运营,消防供水时系统应在高恒压值运营;(2) 四台泵依照恒压需要,采用“先开先停”原则接入和退出;(3) 在用水量小状况下,如果一台泵持续运营时间超过三小时,则要切换到下一台泵,即系统具备“倒泵功能”,避免某一台泵工作时间过长;(4) 四台泵在启动时要具备软启动功能;(5) 要有完善报警功能;(6) 对泵操作要有手动控制功能,手动只在应急或检修时暂时使用。1.2 变频恒压供水系统国内外研究现状变频恒压供水是在
9、变频调速技术发展之后逐渐发展起来。在初期,由于国外生产变频器功能重要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了满足供水量大小需求不同步,保证管网压力恒定,需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。随着变频技术发展和变频恒压供水系统稳定性、可靠性以及自动化限度高等方面长处以及明显节能效果被人们发现和承认后,国外许多生产变频器厂家开始注重并推出具备恒压供水功能变频器,像日本Samco公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”、“变频泵循环方式”两种模式它将PID调节器和P
10、LC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设立指令代码实现PLC和PID等电控系统功能,只要搭载配套恒压供水单元,便可直接控制各种内置电磁接触器工作,可构成最多7台电机(泵)供水系统。此类设备虽微化了电路构造,减少了设备成本,但其输出接口扩展功能缺少灵活性,系统动态性能和稳定性不高,与别监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载容量,因而在实际使用时其范畴将会受到限制3。当前国内有不少公司在做变频恒压供水工程,大多采用国外变频器控制水泵转速,水管管网压力闭环调节及多台水泵循环控制,有采用可编程控制器(PLC)及相应软件予以实现;有采用单片机及相应软件予以实现。但
11、在系统动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面综合技术指标来说,还远远没能达到所有顾客规定。原深圳华为电气公司和成都但愿集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw),无需外接PLC和PID调节器,可完毕最多4台水泵循环切换、定期起、停和定期循环。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带负载容量,同步操作不以便且不具备数据通信功能,因而只合用于小容量,控制规定不高供水场合。可以看出,当前在国内外变频调速恒压供水控制系统研究设计中,对于能适应不同用水场合,结合当代控制技术、网络和通讯技术同步兼顾系统电磁兼容性(EMC)变频恒压供水系统水压闭环
12、控制研究得不够。因而,有待于进一步研究改进变频恒压供水系统性能,使其能被更好应用于生活、生产实践。1.3 本课题重要研究内容本设计是以社区供水系统为控制对象,采用PLC和变频技术相结合技术,设计一套都市社区恒压供水系统,保证了整个系统运营可靠,安全节能,获得最佳运营工况。PLC控制变频恒压供水系统重要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场水泵机组一起构成一种完整闭环调节系统,本设计中有4个贮水池,4台水泵,水泵启停。它设计规定:(1)依照主管道给出压力信号决定水泵启停,当压力低于正常压力时启动一种水泵,10s后仍低,则启动下一台;当压力高于正常压力时。切断一台水泵,10s后高压信号仍存在,切
13、断下一台。(2 )恒压供水系统重要是由4个水泵完毕对主管道供水压力维持,考虑到电机保护,规定4台水泵运营时间和频率尽量一致。也就是说,需要接通时,一方面启动停止时间最长那台,而需要切断时则先停止运转时间最长那台。依照以上控制规定,进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型,估算所需I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图:涉及系统硬件配备图、I/O连接图,分派I/O点数,列出I/O分派表,纯熟使用有关软件,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改。第二章 系统理论分析及控制方案拟定2.1 变频恒压供水系统理论分析水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为: (2.1) 式中
14、:f表达电源频率,p表达电动机极对数,s表达转差率。从上式可知,三相异步电动机调速办法有:(l) 变化电源频率(2) 变化电机极对数(3) 变化转差率变化电机极对数调速调控方式控制简朴,投资省,节能效果明显,效率高,但需要专门变极电机,是有级调速,并且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因而只合用于特定转速生产机器。变化转差率调速为了保证其较大调速范畴普通采用串级调速方式,其最大长处是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但由于线路过于复杂,增长了中间环节电能损耗,且成本高而影响它推广价值。下面重点分析变化电源频率调速办法及特点。依照公式可知,当转差率变化不大时,异步电动
15、机转速n基本上与电源频率f成正比。持续调节电源频率,就可以平滑地变化电动机转速。但是,单一地调节电源频率,将导致电机运营性能恶化。随着电力电子技术发展,已浮现了各种性能良好、工作可靠变频调速电源装置,它们增进了变频调速广泛应用。2.2 变频恒压供水系统控制方案拟定恒压变频供水系统重要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器构成。系统重要任务是运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以及变频水泵与工频水泵切换,同步还要能对运营数据进行传播和监控。依照系统设计任务规定,有如下几种方案可供选取:(1) 有供水基板变频器+水泵机组+压力传
16、感器这种控制系统构造简朴,它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上,通过设立指令代码实现PLC和PID等电控系统功能。它虽然微化了电路构造,减少了设备成本,但在压力设定和压力反馈值显示方面比较麻烦,无法自动实现不同步段不同恒压规定,在调试时,PID调节参数寻优困难,调节范畴小,系统稳态、动态性能不易保证。其输出接口扩展功能缺少灵活性,数据通信困难,并且限制了带负载容量,因而仅合用于规定不高小容量场合。(2) 通用变频器+单片机(涉及变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调节以便,具备较高性价比,但开发周期长,程序一旦固化,修改
17、较为麻烦,因而现场调试灵活性差,同步变频器在运营时,将产生干扰,变频器功率越大,产生干扰越大,因此必要采用相应抗干扰办法来保证系统可靠性。该系统合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(涉及变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活以便。具备良好通信接口,可以以便地与其她系统进行数据互换,通用性强;由于PLC产品系列化和模块化,顾客可灵活构成各种规模和规定不同控制系统。在硬件设计上,只需拟定PLC硬件配备和I/O外部接线,当控制规定发生变化时,可以以便地通过PC机来变化存贮器中控制程序,因此现场调试以便。同步由于PLC抗干扰能力强、可靠性高,因而系统
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