工厂恒压供水控制系统设计.pdf
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1、工厂恒压供水控制系统设计 摘 要 随着工厂用水设备不断增多,以及工厂对试验质量的要求进一步增加,目前工业供水的压力以及稳定性已经无法满足工厂日益增长的需求。为了解决这一需求,可以利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术,设计高性能、高节能、能适应工厂的恒压供水系统成为必然趋势。本论文结合工厂的用水现状,设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、内置 PID 变频器、水泵电机组、压力传感器、及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动 2 台电动机(30kw)的起动、运行与调速,2 台分别采用循环使用的方式运行。在变频调速恒压供水系统中,单台
2、水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 来改变电机的转速,从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图,可以看出利用变频调速实现恒压供水,当转速降低时,流量与转速成正比,功率以转速的三次方下降,与传统供水方式中用阀门节流方式相比,在一定程度上可以减少能量损耗,能够明显节能。本控制系统中采用了日本三菱公司的 FX-2n 系列可编程控制器,同时选取了一个用于供水系统压力控制的内置 PID 算法的变频器。该变频器对压力给定值与测量值的偏差进行处理,实时控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量,实现管网压力的自动调节,使管网压力稳定在设定值附近。关键词:
3、PLC 变频调速 恒压供水 目 录 第 1 章 绪论 11 概述及意义 12 变频恒压供水系统的国内外研究现状 13 PLC技术概况 14 变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 15 本课题的主要研究内容 第 2 章 系统的理论分析及方案的确定 21 变频恒压供水系统节能原理 22 变频恒压控制的理论模型 3.3 通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器 2.4 本章小结 第 3 章供水系统恒压控制与硬件设计 31 变频调速 32 变频器的接线 33 供水系统总体要求 34 可编程逻辑控制器(PLC)的 I0 端子分配 35 本章小结 第 4 章变频恒压供水系统的软件设计 41 PLC 程序设计
4、方法 42 供水系统控制程序 43 变频器 P I D 控制功能参数的设置 44 可靠性分析 45 本章小结 第 5 章结论 51 本课题研究结论 52 课题存在问题与展望 第 1 章绪论 11 概述 随着工厂用水设备的不断增多,及用水设备使用周期的不确定性,往往导致在日常试验中工厂水压有时能满足要求,有时压力过低不得不停止试验。极大的影响了工厂的正常运作及试验精度。无法满足工厂的正常运作。为了解决这一现状,工厂尝试了一些改进的方法,如在工厂楼顶建立水塔、恒速泵加压供水等,虽然解决了一些问题,但也带来了一些其它的弊端,具体分析如下:l、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵
5、的增 减都依赖人工进行手工操作,自动化程度低,在周末无法确保工厂正常供水的情况下为了确保实验的正常进行往往会开启供水系统,使得水泵常处于满负荷运行,不但效率低、耗电量大,而且在用水量较少时,管网长期处于超压运行状态,爆损现象严重,电机硬起动易产生水锤效应,破坏性大,之前每年都会更换几次水泵,给工厂带来了很多不便,同时还要投入很多人力去维护,没有起到工厂精益的目的。2、而在楼顶建立大的水箱利用机械式浮球给水箱补水再用泵供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺点,频繁起动易损坏联轴器,而且机械式浮
6、球不断动作容易损坏,在周末无人看守的情况下,给工厂带来了其它严重的安全隐患,是我们所不能接受的。3、工厂也调研了其它的供水方法,如气压罐供水,气压罐供水具有体积小、技术简单、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,对电器设备要求较高、系统维护工作量大,而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,而出水压力无谓的增高,也使浪费加大,从而限制了其发展。综上所述,以前工厂供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点,难以满足当前经济生活的需要。当前,随着可编程序控制器(PLC)技术的发展,由于其高可靠性、高性价 比、广泛的工业现场适
7、应性和方便的工艺扩展性能,PLC在工业自动控制过程中 得到了越来越广泛的应用。同时,交流异步电动机变频调速技术的日益成熟,与 以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动 化程度高等许多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统,可满足工厂供水 系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。12 变频恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期,由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制 动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。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
8、小需求不同时,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。从查阅的 资料的情况来看,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵 机组的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成 本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程 度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后,国外许多生产变频 器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,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、“变频泵循环方式一两种模式,它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上
9、,通过设置 指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便 可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵 活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统(如BA系统)和组态软件 难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受 到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程,大多采用国外的变频器控制 水泵的转速,水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用可编程 控制器(PLC)及相应的软件予以实现:有的采用单片机及相应的软件予以实现。
10、但 在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来 说,还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司 和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器(55kw22kw),无需 外接PLC和PID调节器,可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。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,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于 小容量,控制要求不高的供水场所。可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水 控制系统的研究设计中,对于能适应不同的用水场合,结合现代控制技术、网络 和
11、通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC),的变频恒压供水系统的水压闭 环控制研究得不够。因此,有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能,使 其能被更好的应用于生活、生产实践。13 PLC技术概况 可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继 电器控制系统与计算机技术结合在一起,具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点,近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得 到普通应用,越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来 控制,使设备自动化程度越来越高。1、PLC技术特点 可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机,其出现
12、后就 受到普遍重视,发展也十分迅速,在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位,最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较,具有如下独一无二的特点:(1)可靠性高 可编程控制器的平均无故障时间长达30万小时,也就是说一台可编程控制 器可连续运行30多年不出故障,到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠 性能达到和超过PLC。在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及 模块结构等措施来增加PLC的可靠性;在软件方面,设置了自诊断、警戒时钟 WDT、信息保护和恢复等措施;此外,PLC采用周期扫描、集中采样、集中输 出的工作方式也极有效地提高了自身的抗干扰能力。因此,它具有了极高的可靠 性和很
13、强的抗干扰能力,被誉为“不会损坏的仪表”。(2)控制程序可变,具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或设备更新,需要改变控制功能时,往往不必改变硬设 备,只需改变一下应用程序就可以达到目的。PLC具有很突出的柔性控制能力,此能力正是目前企业“小批量、多品种”产品所强烈要求的。正因为此,PLC在柔 性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)以至于工厂自动化(FA)中也被 大量采用。(3)编程方法简单易学 目前,大多数PLC编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图,它形 象直观,易学易懂,因此受到了普遍欢迎。PLC还针对具体问题,开发了顺序功 能图语言,简化了复杂控制系统的编程。与目前微机控制中常
14、用的汇编语言相比,更容易被操作人员接受。(4)功能强,性能价格比高 现代PLC内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄 存器、定时器和计数器,还开发了几十到几百的功能指令,所以它不仅具有逻辑 运算、定时、计数、顺控等功能,还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出 处理功能、通信联网功能等。此外,还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功 能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比,它具有很高的性能价格比。(5)体积小,重量轻,能耗低 由于半导体集成电路的应用,PLC的体积相对很小。一台收音机大小的PLC 具有相当于三个18m高的继电器柜的功能,节电能达50以上。例如,FX2N_-
15、40MR内部有1540个继电器,1000个状态器,256个定时器,235个计数 器,还有大量的数据寄存器,而其外形尺寸仅为350mmx90mmx87mm,重仅为 15kg。由此可见,PLC 是机电一体化的理想装置。2、PLC 的应用 由于可编程控制器鳆上述特点,使其在国民经济的各个领域都得到了广泛 应用,应用范围不断扩大,主要有以下几个方面。(1)开关量逻辑控制 这是PLC最早也是最基本的应用。PLC具有“与”、“或”、“非”等逻辑指令,可以实现触点和电路的串、并联,代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控 制。既可实现单机控制,也可用于多机控制及自动化生产流水线的控制,如组含 机床、电梯、电
16、镀流水线、冶金高炉的上下料以及港口码头货物的存放与提取控 制等等。(2)运动控制 由于模拟量输入输出功能的实现以及PLC对数据处理功能的提高,制造商 相应提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。PLC把描述 目标位置的数据送给模块,当每个轴移动时,运动控制模块能使之保持适当的速 度和加速度,确保运动的平滑性。可编程控制器的运动控制功能可广泛用于各种 运动机械,如金属切削机床、机器人以及电梯等。(3)过程控制 它是指对溢度、压力、流量和速度等模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量输 入、输出模块,实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的转换(AD或 DA转换),并利
17、用PID(ProportionalIntegral-Derivative)子程序或专用的智能 PID模块对模拟量进行闭环控制。PLC的模拟量PID控制已经广泛应用于水处理、锅炉、加热炉、热处理炉、冷冻设备、酿酒以及闭环速度控制等方面。(4)数据处理 现代的PLC不仅能进行数学运算、数据传送,而且能进行数据比较、数据 转换和数据通信等。PLC也能和机械加工中的数字控制(NC)及计算机数控(CNC)相结合,实现数值控制。为实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传 递,通过窗口软件,用户可以独自编程,由PLC送至CNC设备使用。预计今后 几年CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。一般说来,
18、数据处理常 用于较复杂的大型控制系统,如无入柔性制造系统等。(5)通信联网 PLC的通信包括基本单元与远程Io之间的通信、PLC之间的通信、PLC和 智能设备(如计算机、变频器、数控设备等)之间的通信。为了适应近几年兴起 的工厂自动化(FA)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)发展的 需要,近几年开发的 PLC 都加强了通信功能。14变频恒压供水系统特点及其安全性讨论 变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合,在本文中主要应用于生活小区生活用水,该系统具有以下特点 u:1)滞后性:供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是一个过程控制量,同其他一些过程控制量(
19、如:温度、流量、浓度等)一样,对控制作用的响应具有 滞后性,同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2)非线形:用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵 的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比,因此变频调速 恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性:变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性,面向各种各样的 供水系统,而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4)时变性:在变频调速恒压供水系统中,由于有定量泵的加入控制,而定 量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)是时时发生的,同时定量泵的运行状态 直
20、接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为:变频 调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5)容错性:当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障 等)时,系统能根据泵及变频器或软启动器的状态,电网状况及水源水位,管网 压力等工况自动进行投切,保证管网内压力恒定。在故障发生时,执行专门的故 障程序,保证在紧急情况下的仍能进行供水。6)可扩充性:水泵的电气控制柜,具有远程和就地控制的功能和数据通讯 接口,能与控制信号或控制软件相连,能对供水的相关数据进行实时传送,以便 显示和监控以及报表打印等。7)节能性:系统用变频器进行调速,用调节泵和固定泵的组合进行恒压供 水,节能
21、效果显著,对每台水泵进行软启动,启动电流可从0到电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲 击,延长了设备的使用寿命。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应,所谓的水锤效应就是在极短 时间内,因水流量的急巨变化,引起在管道的压强过高或过低的冲击,并产生空 化现象,使管道受压产生噪声,犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极 大的破坏性。压强过高,将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此 外,水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速,对系统的安全性有一 系列的好处:1)产生水锤效应的根本原因是:水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大,短时间
22、内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速,通过减少动态转矩,可以实 现消除水锤效应,减少了对水泵及管道系统所受的冲击,可大大延长水泵及管道 系统的寿命。2)降低水泵平均转速,减小工作过程中的平均转矩,从而减小叶片承受的 应力,减小轴承的磨损,使水泵的工作寿命大大延长。3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动,可大大延长联轴器寿 命。4)减少了起动电流,也就减少了系统对电网的冲击,提高了自身系统的可 靠性。15本课题的主要研究内容 本文主要通过对现有供水系统的调研和分析,依据用户对供水系统的要求,确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLc作为 主要控制设备来设计变频
23、调速恒压供水系统,并引入计算机对供水系统进行远程 监控与管理,保证整个系统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行工况。具体而 言,论文包括以下内容:1)论文在对课题进行分析和研究的基础上,提出了系统的设计方案和思路,确定论文主要的研究内容和研究方法;2)分析了变频恒压供水系统节能的原理,给出了恒压供水的理论模型及近 似的数学模型;确定变频恒压供水系统的控制方案,给出了变频恒压供水的控制 流程及工作原理;最后分析了在变频恒压供水中,水泵切换的条件。3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用 户的需求入手确定合适的设备选型;详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行 的各种工况及其
24、转换过程,讨论PLc的程序设计方法及程序执行特点,并在此基 础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案;在介绍 PID调节原理的基础 上,分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程,给出 PID参数设置方法;最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。4)通过计算机和PLc的通信,实现供水系统运行状态的实时远程监控是本 论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLc通信系统的组成和通信协议,给 出了通信程序,并提出供水系统监控软件设计方法。第2章系统的理论分析及方案的确定 21 变频恒压供水系统节能原理 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不 变为前提,表明水泵在某一转速
25、下扬程H与流量Q之间的关系曲线(Q),如图2 1 所示。由图21可以看出,流量Q越大,扬程H小。由于在阀门开度和水泵转速 都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的用水情况,因此,扬程特性所反 映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前 提,表明阀门在某一开度下,扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qn)。管阻特性反 映了水泵的能量用来克服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。由图可知,在同一阀门开度下,扬程H大,流量Q也越大。由于阀门开 度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的供水能力。因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的
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