完整版基于PLC变频恒压供水控制系统毕业设计论文.docx
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完整版基于PLC变频恒压供水控制系统毕业设计论文
摘要
本论文根据中国城市小区的供水要求,设计了一套基于PLC的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、工控机等构成。
本系统包含四台水泵电机,它们组成变频循环运行方式。
采用变频器实现对四相水泵电机的软启动和变频调速。
压力传感器检测当前水压信号,送入PLC与设定值比较后进行PID运算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速来改变供水量,最终保持管网压力稳定在设定值附近。
通过工控机与PLC的连接,采用组态软件完成系统监控,实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。
关键词:
变频调速恒压供水PLC
ABSTRACT
AccordingtotherequirementofChina'surbanwatersupply,thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC,andmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition.ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumps,pressuresensorandcontrolmachineandsoon.
Thissystemisformedbythreepumpgenerators,andtheyformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion.Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthreephasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol,operationswitchadoptstheprincipleof”startfirststopfirst”.Thedetectionsignalofpressuresensorofoperation,so,controlfrequencyandtheexportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratorcometochangewatersupplyquantity,eventually,itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue.ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC,withgroupformsoftwareconsummatelysystematicmonitoring,statedevelopmenttoshowanddata,reporttothepoliceinquiry.
Keywords:
Variablefrequencyspeed-regulatingConstant-pressurewatersupplyPLC
第一章绪论.........................................................1
1.1课题的提出...................................................1
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状.............................2
1.3本课题的主要研究内容.........................................3
第二章系统的理论分析及控制方案确定.................................4
2.1变频恒压供水系统的理论分析...................................4
2.1.1电动机的调速原理.......................................4
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理.............................4
2.2变频恒压供水系统的理论分析...................................5
2.2.1控制方案的比较和确定...................................5
2.2.2变频概述...............................................6
2.2.3变频恒压供水系统的组成和原理图.........................7
2.2.4变频恒压供水系统控制流程...............................9
2.2.5水泵切换条件...........................................9
第三章系统的硬件设计..............................................11
3.1系统主要设备的选型..........................................11
3.1.1控制方案的比较和确定..................................11
3.1.2西门子S7-200PLC简介..................................13
3.1.3PLC及其模块的选型....................................14
3.1.4变频器的选型..........................................14
3.1.5水泵机组的选型........................................15
3.1.6压力变送器的选型......................................15
3.1.7液位变送器的选型......................................16
3.2系统主电路分析及其设计......................................16
3.3系统控制电路分析及其设计....................................17
3.4PLC的IO端口分配及外围接线图..............................19
第四章系统的软件设计..............................................22
4.1系统软件设计分析............................................22
4.2PLC程序设计................................................23
4.2.1控制系统主程序程序设计................................23
4.2.2控制系统子程序设计....................................26
4.3PID控制器参数整定..........................................35
4.3.1PID控制及其控制算法..................................35
4.3.2PID参数整定..........................................36
第五章结束语......................................................38
参考文献...........................................................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主程序流程图............................................43
附录图4主程序梯形图............................................44
第一章绪论
1.1课题的提出
目前,居民生活用水和工业用水日益增加。
由于居民日常用水和工业用水会随季节、昼夜等变化而随之发生变化,如采取传统的供水方式不仅影响生活也不利于资源的优化配置。
传统的供水系统已经不能满足人们的需求,为了能更合理的分配资源,使能最大限的为人们所用,可采用变频恒压供水方式来代替传统的供水系统,以达到供水稳定,满足人们需求,合理优化分配等目的。
本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计,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,非常适合现在的国民需求。
变频恒压供水系统根据用水量的变化,自动调节运行参数,在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
变频调速是现在优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)的技术,是当今国际上一项效益最高、性能最佳、应用广泛、最有发展前途的电机调速技术。
它采用了微机控制技术,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的无极调速,具有高效率、宽范围和高精度等特点。
以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有可靠性高,抗干扰能力强,组合灵活,变成简单,维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便实现供水系统的集中管理和监控;同时系统具有良好的节能性,这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计系统,对于调高企业效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
1.2变频恒压供水系统的国内外的发展状况
变频恒压供水是在变频调速技术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、变压变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,为了满足供水量大小需求的不同时,保证管网压力恒定,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。
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。
即1968年,丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后,随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后,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,像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司推出了恒压供水基板,备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上,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,可构成最多七台电机的供水系统。
但是也有其缺点,就是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,与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信,并且限制了带负载的容量,因此适用范围受到限制。
目前国内有不少公司都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,水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用单片机及相应的软件予以实现;有的采用PLC及相应软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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。
原深圳华为电气公司(现已改名艾默生)和成都希望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW),无需外接PLC盒PID调节器,坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。
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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的,因此,有待于进一步淡淡的研究改善,使其能更好的应用于生活、生产实践中。
1.3本课题的主要研究内容
设计是以供水系统为设计对象,采用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,保证供水系统安全可靠的运行。
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,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;所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式;采用PID算法实现水压的闭环控制;西门子S7-200型系列PLC控制变频及现场设备的运行;系统具有自动手动操作功能;具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断,并发出报警信号。
根据以上控制要求,进行系统的总控制方案设计。
硬件设备选型、PLC选型、估算所需IO点数,进行IO模块选型,绘制系统硬件连接图:
包括系统硬件配置图、IO连接图、分配IO点数,列出IO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。
第二章系统的理论分析及控制方案确定
2.1变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
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:
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,三相异步电动机的调速方法有:
(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的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。
改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点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,增加了中间环节的电能损耗[7],且成本高而影响它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。
但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。
2.1.2变频恒压供水系统的节能原理
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。
阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量,水泵电机转速保持不变。
其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量,因此,管阻将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性不变。
由于实际用水中,需水量是变化的,若阀门开度在一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠压现象的出现。
转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量,而阀门开度保持不变,是通过改变水的动能改变流量。
因此,扬程特性将随水泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。
变频调速供水方式属于转速控制。
其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速,使管网压力始终保持恒定,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的确定
2.2.1控制方案的比较和确定
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的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,实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换,同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择:
(1)有供水基板的变频器+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,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID调节参数寻优困难,调节范围小,系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,数据通信困难,并且限制了带负载的容量,因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(2)通用变频器+单片机(包括变频控制、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、参数调整方便,具有较高的性价比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差,同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
(3)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进行数据交换,通用性强;由于PLC产品的系列化和模块化,用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上,只需确定PLC的硬件配置和IO的外部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序,所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合,并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
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、变压变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,为了满足供水量大小需求的不同时,保证管网压力恒定,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。
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。
即1968年,丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后,随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后,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,像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司推出了恒压供水基板,备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上,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,可构成最多七台电机的供水系统。
但是也有其缺点,就是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,与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信,并且限制了带负载的容量,因此适用范围受到限制。
目前国内有不少公司都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,水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制,有的采用单片机及相应的软件予以实现;有的采用PLC及相应软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗干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。
原深圳华为电气公司(现已改名艾默生)和成都希望集团(森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5Kw-22kW),无需外接PLC盒PID调节器,坑完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。
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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的,因此,有待于进一步淡淡的研究改善,使其能更好的应用于生活、生产实践中。
2.2.3变频恒压供水系统的组成及原理图
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制流程图如图2-1所示:
图2-1变频恒压供水系统控制流程图
从图中可看出,系统可分为:
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具体为:
(1)执行机构:
执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网,其中由一台变频泵和两台工频泵构成,变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定;工频泵只运行于启、停两种工作状态,用以在用水量很大(变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时)的情况下投入工作。
(2)信号检测机构:
在系统控制过程中,需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号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PLC时,需进行AD转换。
另外为加强系统的可靠性,还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测,检测结果可以送给PLC,作为数字量输入;水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。
信号有效时,控制系统要对系统实施保护控制,以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器;报警信号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)控制机构:
供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。
供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)
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