变频恒压供水控制系统设计1.doc

课 程 设 计

课题名称 变频恒压供水控制系统设计
学院(部)
专 业
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学生姓名
学 号

指导教师(签字)

一、 设计概述
变频器是一种新型技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，
具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计为实现恒压供水功能而按照设计任务书要求完成设计任务。最终实现控制系统的自动稳定运行。
根据设计要求本系统采用西门子PLC300控制系统对变频器进行调速控制和系统输入输出信号的采集以及系统报警功能的实现。本系统内的电机调速由变频器来实现，通过PLC控制变频器和现场压力仪表检测的反馈信号来实现对电机的自动恒压控制功能。
二、 设计任务
例如一楼宇供水系统，正常供水20m3/小时，最大供水量35m3/小时，扬程45m。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。本恒压供水系统，要求以1.0Mpa的恒定压力对用户进行供水。水泵有2台，由一台变频器驱动。PLC按照压力变送器（PIT）的信号，调节变频器的输出，使水泵的转速变化，从而保证供水压力的恒定。两台水泵互为备份，可任意选择一台水泵处于变频模式或工频模式。控制系统原理如图1所示：

图1 恒压供水变频控制系统原理图
三、 系统设备选型
1主要电气元件参数指标
水泵：35KW，三相异步电动机
恒压设定点：1.0Mpa
压力变送器：0-1.6Mpa，两线制，4-20mA电流输出
变频器：VVVF变频器
（1）水泵
根据设计要求水泵正常供水20m3/小时，最大供水量35m3/小时，扬程45m。参考相关资料选择型号为IS50-32-125(扬程50m，流量50 m3/小时)的水泵即可满足要求。
(2)远传压力表
由于远传压力表具有价格低、有数据读取表盘等优点，结合具体实际设计，故在此处选择其作为反馈信号。
四、 系统控制要求
1、设两台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终有一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。
2、两台泵可以互换。
3、给定压力可调，压力控制点设在水泵处。
4、具有自动，手动工作方式，各种保护、报警装置。
5、用PLC为主要器件完成控制系统的设计。

五、控制系统实现
1、系统工作原理
工作方式选择：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2（此时控制电路电源指示灯HL9亮），变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，此时触点0001接通，进而使内部辅助触电1001导通，选择工作方式为自动方式。水泵控制流程图如图2所示：
图2水泵控制流程图
备用泵选择：如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位，此时触电0000被接通，内部辅助触电1002导通，选择1号泵为备用泵。如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位，此时常闭触电0000被接通，内部辅助触电1003导通，选择2号泵为备用泵。
自动状态启动：按下启动按钮SB1，PLC内部触电002被接通，此时如果选择1号泵为备用泵则0502触电被接通，2号泵正常工作，1号泵为备用泵。此时如果选择2号泵为备用泵则0500触电被接通，1号泵正常工作，2号泵为备用泵。
自动状态停止：按下自动停止按钮SB2则PLC内部触点0003被接通，此时可断开0502和0500输出继电器，可使整个系统停止运行。同时，
手动启动1号泵：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2（此时控制电路电源指示灯HL9亮），变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到手动档位，此时触电0001被接通，同时常闭触电0001断开，即切除自动状态的功能。按下SB3启动1号泵工作，触电0004被接通，输出继电器0501动作，启动1号泵工频工作。
手动停止1号泵：按下SB4，触电0005闭合，切断输出继电器0501，1号泵停止工作。同时常闭触电0501断开，2号泵无法启动。
手动启动2号泵：按下SB5启动2号泵工作，触电0006被接通，输出继电器0503动作，启动1号泵工频工作。
手动停止2号泵：按下SB6，触电0007闭合，切断输出继电器0503，2号泵停止工作。同时常闭触电0503断开，1号泵无法启动。
故障排除：1号泵热继电器出现故障时 ，输入端子FR1动作，接通触点0009，使输出继电器0506接通，点亮HL8。2号泵热继电器出现故障时 ，输入端子FR2动作，接通触点0010，使输出继电器0505接通，点亮HL7。当变频器出现故障时，输入端子BP动作，接通触点0008，使输出继电器0507接通，点亮HL6。
2、信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、报警信号:
（1）水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入变频器时，需进行转换。
(2)报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。
3、PID自动调节原理框图如图3所示

图3 PID自动调节原理框图
为了使输出压力恒定，过压力检测仪表做为检测元件实现压力检测，根据检测仪表的反馈信号由PLC处理并调节变频器输出从而控制电机，使输出压力恒定在1.0Mpa的恒定值下。
4、PID控制器参数选择
根据设计要求结合PID的经验数据，可得其数据：采样周期T=3秒，比例系数KP=140,积分时间Ti=24秒。因为供水系统没有较大的惯性环节所以不需要设置微分参数。

5、变频器参数设定
代码
设定值
频率设定命令00
1
操作方法01
1
最高频率02
50HZ
基本频率03
50HZ
电子过热或继电器08
1
频率限制
上限11
50HZ
下限12
28HZ
6、部分器件选择
7、PLC外部接线图的设计
PLC根据表1的I/O分配关系和C20P的端子排列位置进行相应的接线，PLC系统外部接线图在中，图中各接触器采用220V电源，信号指示及报警指示灯与接触器共用220V电源。（PLC外部接线图的设计如附图1所示）
I/O分配表 表1
输入
输出
1、2号泵备用旋钮SA1
0000
1号泵变频启动接触器KM1
0500
1号水泵变频运行指示灯HL1
手动或自动旋钮SA2
0001
1号泵工频启动接触器KM2
0501
1号水泵工频运行指示灯HL2
自动
启动SB1
0002
2号泵变频启动接触器KM3
0502
2号水泵变频运行指示灯HL3
停车SB2
0003
2号泵工频启动接触器KM4
0503
2号水泵工频运行指示灯HL4
手动
1号泵启动SB3
0004
变频器启停继电器KA
0504
变频器正常运行指示灯HL5
1号泵停车SB4
0005
变频器报警指示灯HL6
0507
2号泵启动SB5
0006
2号泵故障报警指示灯HL7
0505
2号泵停车SB6
0007
1号泵故障报警指示灯HL8
0506
变频器报警30A
0008
控制电路通电指示灯HL9

1号泵热保护触电FR1
0009

2号泵热保护触电FR2
0010

8、梯形图指令
指令
数据
指令
数据
指令
数据
LD
0000
KEEP
0502
LD
TR1
AND NOT
1000
LD
TR0
AND
0006
OUT
1002
AND
1001
AND NOT
0501
LD NOT
0000
AND
1003
LD
TR1
AND NOT
1000
OR
0505
AND
0506
OUT
1003
LD
TR0
OR
0007
LD
0001
AND
0506
KEEP
0503
OUT
1000
OR
0003
LD
0008
LD NOT
0001
OR
0506
OUT
0507
OUT
1001
KEEP
0500
LD
0009
LD
0002
LD
1000
OUT
0505
OUT
TR0
OUT
TR1
LD
0010
AND
1001
AND
0004
OUT
0506
AND
1002
AND NOT
0503
LD
0500
OR
0506
LD
TR1
OR
0502
LD
TR0
AND
0505
LD
0505
AND
0507
OR
0005
OR
0506
OR
0003
KEEP
0501
OR
0507
OR
0505

KEEP
0504
9、PLC编程梯形图10、主电路的设计
主电路线路如附1所示，图中的M1、M2、为带动水泵的电动机，由于电动机的功率较小，所以三台电动机都采用直接启动方式，各台电动机分别使用两个接触器控制，KM1和KM3分别控制电动机M1和M2的变频运行。KM2和KM4分别控制点动机的工频运行。各电动机分别由FR1、FR2、提供过载保护。（主电路的设计如附图1所示）
六、操作使用说明书
自动启动：分别闭合总电源开关QF1，控制电路电源开关QF2（此时控制电路电源指示灯HL9亮），变频器电源开关QF3 ，将自动档位开关SA2旋到自动档位，如选择1号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到1号泵备用档位。如选择2号泵为备用泵，则将其备用选择开关SA1旋到2号泵备用档位。
自动启动：按下启动按钮SB1，则系统可自动工作。
自动停止：按下自动停止按钮SB2则可使整个系统停止运行，变频器自动关闭。如长时间不用最好切断电源QF1、QF2、QF3。
手动启动1号泵：分别闭合总电源开关QF1，1号泵电源开关QF4，控制电路电源开关QF2（此时控制电路电源指示灯HL9亮），将自动档位开关SA2旋到手动档位。按下SB3启动1号泵工作，按下SB5启动2号泵工作。
手动停车：按下SB4停止1号泵工作，断开电源开关QF4。按下SB6停止2号泵工作，断开电源开关QF5。
故障排除:根据指示灯可判断其故障具体位置。当HL8点亮时，说明一号泵热继电器出现故障 。当HL7点亮时，说明二号泵热继电器出现故障 。当HL6点亮时，说明变频器出现故障 。
七、设计体会
交流电机变频调速及其应用我们电气工程及其自动化专业学生必修的一门课程，也是比较重要的专业基础课之一，更是我们将来工作的基础，因此我们没有理由不把它学好。
平时在课堂上不乏有些厌倦老师一个人在那里讲个不停，直到这次课程的设计才感觉到交流电机变频调速及其应用这门课程的趣味性。然而更让我受益匪浅的是通过对各部分电路的设计，不仅让我复习了以前学过的旧的知识，更让我对某部分电路有了更深一步的理解，因为没有透彻的理解是设计不出来的。对于总的电路图的拼接也是对我平时学习的分散的知识和章节的一个综合考验，对知识的统一性和连贯性的一个升华。
现在我只是简单的设计出了自己的电路，至于设计的怎么样，我想只能是将就，因为还没有投入使用，还没有调试，更没有运行。所以我想其中应该是问题百出，有些可能是自己的粗心大意，有些则可能是自己对电力的常规性设计还缺乏种种经验，总之，还请老师能够进一步细心的教导并支出不足之处，学生非常愿意聆听。并愿老师能在今后的学习中及时纠正学生的错误之处，学生毕竟还是喜欢这门课程的。
八、主要参考资料
1、《交流调速系统》 周绍英 储方杰 机工
2、《建筑电气控制技术》 王剑 建工
3、《过程控制》 金以慧 清华
4、富士变频器使用手册
5、电气图用图形符号（国际）
6、《给水排水工程仪表与控制》 崔福义 建工
7、《水暖空调电气控制技术》 孙光伟 建工
8、有关杂志、报纸、资料