基于PLC的变频恒压供水控制系统设计.docx
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基于PLC的变频恒压供水控制系统设计
摘要
建设节约型社会,合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务,因传统供水方式占地面积大,水质易污染,基建投资多,而最主要的缺点是水压不能保持恒定,导致部分设备不能正常工作,本文提出了一种基于三菱FXOS-30MR和三菱FR-A540变频器的变频恒压供水系统的解决方案。
主要讨论了以三菱FXOS-30MR和三菱FR-A540变频器为核心的硬件电路的设计和软件程序的设计,实现了对传感器信号的处理,各参数的设定等,详细介绍了硬件电路和软件程序的实现方法。
恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高,在泵站供水中可完成以下功能:
(1)维持水压恒定;
(2)控制系统可手动/自动运行;(3)多台泵自动切换运行;(4)系统睡眠与唤醒。
当外界停止用水时,系统处于睡眠状态,直至有用水需求时自动唤醒;(5)在线调整PID参数;(6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。
关键词变频恒压供水;PLC;FR-A540
ABSTRACT
Buildingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask,thatthetraditionalwatersupplyCoverslargeareas,Easywaterpollution,Moreinvestmentininfrastructure,andthemaindisadvantageisthatwaterpressurecannotremainconstant,causepartoftheequipmentdoesnotwork.Inthispaper,basedonMitsubishiFXOS-30MRandMitsubishiFR-A540frequencyinvertersolutionforVFconstantpressurewatersupplysystem.MainlydiscussedinFXOS-30MRMitsubishiandMitsubishiFR-A540Inverterinhardwaredesignandsoftwaredesign,implementationofsensorsignalprocessing,eachparametersetting,etc.,detailinghardwareandsoftwareImplementationoftheprogram.
Advancedtechnologyandconstantpressurewatersupply,waterpressureconstant,easy,reliableoperation,savingenergy,highdegreeofautomationinthewatersupplypumpingstationtobecompletedbythefollowingfunctions:
(1)maintainingthepressureconstant;
(2)controlsystemmanual/Automaticoperation;(3)multiplepumpautomaticswitchingoperation;(4)systemsleepandwakeup.Whentheoutsidetostopwater,thesystemisinsleepmodeuntilawake-upautomaticallywhenwaterdemand;(5)On-lineadjustmentofPIDparameters;(6)pumpandlineprotectiondetectionalarm,signaldisplay.
Keywords:
VFconstantpressurewatersupply;PLC;FR-A540
第1章绪论
水是生产生活中不可缺少的重要组成部分,在节水节能己成为时代特征的现实条件下,我们这个水资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后,自动化程度低。
主要表现在用水高峰期,水的供给量常常低于需求量,出现水压降低供不应求的现象,而在用水低峰期,水的供给量常常高于需求量,出现水压升高供过于求的情况,此时将会造成能量的浪费,同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。
因此,开发基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。
1.1选题背景
目前,居民生活用水和工业用水增长幅度日益加大.由于居民日常生活用水会随季节、昼夜等时间段的不同而不同,如采用传统的供水方式则会出现供水和用水不平衡的现象,造成资源浪费。
传统的供水系统已经不能满足人们的要求.为了节约能源,可采用变频恒压供水方式对传统供水系统加以改造,以达到节能、控制简单、供水稳定、减少污染等目的。
1.2课题意义
本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计,因变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水品高质等优点,在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速,依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数,在用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。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频器调速恒压供水设备,降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
1.3国内外在该方向的研究概况
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、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。
即1968年,丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后,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,像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”,“变频泵循坏方式”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,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(泵)的供水系统。
这类设备虽然说是微化了电路结构,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,大多采用国外品牌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。
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(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw),无需外接PLC和PID调节器,可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的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、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频但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、生产实践中。
采用变频调节以后,系统实现了软起动,电机起动电流从零逐渐增至额定电流,起动时间相应延长,对电网没有较大的冲击,减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤,有效的延长了电机的使用寿命。
这种调控方式以稳定水压为目的,各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。
实际上,给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。
因此这种调控方式缩小了优化范围,所得到的解为局部最优解,不能完全保证泵站始终工作在最优状态.
变频调速是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),是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速,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高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。
1.4本文的主要工作
本文采用电动机、变频器与可编程控制器(PLC)构成控制系统,进行优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力,系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较,其差值输入CPU运算处理后,发出控制指令,控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速,从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号(4-20mA)直接输入到变频器中,由变频器将其与用户设定的压力值进行比较,并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率,从而实现控制水泵转速。
第2章系统总体分析和设计
本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了总体分析说明。
2.1系统概述
如图2.1所示,为该系统的供水流程。
图2.1供水流程简图
随着变频技术的发展和人们对生活饮水品质要求的提高,变频恒压供水系统一起环保、节能和高品质的供水质量等特点,广泛用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。
变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。
在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能,对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,而且具有显著的节能效果。
目前变频恒压供水系统正向高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化、系列化、标准化,是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
2.2恒压供水系统的节能原理
在变频恒压供水系统中,关键是对水泵的控制.泵的转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示:
(1)
泵用电动机驱动时,电动机功率P可用下式表示:
(2)
式中:
泵的流量Q和扬程H的关系曲线见图2.2.曲线①、②分别对应转速n1、n2(n1>n2)时的H-Q特性曲线,曲线③、④为管阻特性曲线.当调节流量时,通常采用调节阀门和变频调速两种方式.
图2.2泵的流量Q和扬程H的关系曲线
假设泵的额定工作点为N点,额定流量QN为100%,此时轴功率P1与图中QNNHN0区域面积成正比.
(1)调节阀门法
当流量从QN减小到QA时,采用调节阀门法,管阻特性曲线从④切换至③,扬程H增大,工作点由N切换至A.此时轴功率P2与图中QAHAA0区域面积成正比.
(2)变频调速法
由式
(1)可知,泵的流量Q与转速n成正比,要将流量从QN减小到QA时,可将泵转速从n1降至n2,工作点从N切换至B,扬程H减小.在同样流量QA下,轴功率P3与图中QAHBB0区域面积成正比.由图可知,P3 .对于电机的转速,可用下式表示: 式中: n—电机转速,r/min; f—电源频率,Hz; p—电机极对数; s—转差率. 因此,当调节泵的流量时,通过改变频率调节电机速度,即采用变频调速法,比采用调节阀门法节能. 2.3恒压供水系统硬件设计 2.3.1供水系统的构成 图2.3供水系统方案图 如下图2.4所示,整个系统由三台水泵,一台变频调速器,一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。 三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀,以供维修和调节水量之用,三台水泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中检测管路压力的压力传感器,一般采用电阻式传感器(反馈0——5V电压信号)或压力变送器(反馈4——20mA电流);变频器是供水系统的核心,通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。 从原理框图,可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。 图2.4系统原理图 (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,图中的3个水泵分为2种类型: 调速泵: 是由变频调速控制、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。 恒速泵: 水泵运行只在工频状态,速度恒定。 它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充。 (2)信号检测 在系统控制过程中,需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号: 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。 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)控制系统 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。 ①供水控制器: 它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工况、压力、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)进行控制。 ②变频器: 它是对水泵进行转速控制的单元。 变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。 ③电控设备: 它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电器元件组成。 用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换。 (4)人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。 通过人机界面,使用者可以更改设定值,修改一些系统设定以满足不同工艺的需求,同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。 人机界面还可以对系统的运行过程进行监视,对报警进行显示。 (5)通讯接口 通讯接口是本系统的一个重要组成部分,通过该接口,系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换,同时通过通信接口,还可以将现代先进的网络技术用到本系统中来,例如可以对系统进行远程的诊断和维护等 (6)报警装置 作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。 由于本系统能适用于不同的供水领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障,因此必须要对各种报警量进行监测,由PLC判断报警类别,进行显示和保护动作控制,以免造成不必要的损失 2.3.2供水系统的主电路接线及其工作原理 图2.5系统主接线图 由图2.5可知,电机有两种工作模式即: 在工频电下运行和在变频电下运行。 KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器,KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。 热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路,它在电路中的用作电动机的过载保护。 熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。 使用中,由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路,防止电气设备短路和严重过载。 第3章器件的选型及介绍 本论文设计主要用到PLC(即可编程逻辑控制器),变频器,PID调节器,压力传感器及其他辅助元器件,本章主要介绍这些器件的选型及相关介绍。 3.1可编程控制器PLC 可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的,当时称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC。 3.1.1简介PLC的产生 20世纪60年代末期,美国的汽车制造业竞争激烈,为了适应白热化的市场竞争要求,1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标,对汽车流水线控制系统提出具体要求,归纳起来是: (1)编程方便,可现场修改程序; (2)维修方便,采用插件式结构; (3)可靠性高于继电器控制装置; (4)体积小于继电器控制盘; (5)数据可直接送入管理计算机; (6)成本可与继电器控制盘竞争; (7)输入可以是交流市电(115V)(美国电压标准) (8)输出为交流115V,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器、电磁阀等; (9)扩展时原系统改变小; (10)用户程序存储器至少能扩展到4KB。 这就是著名的“GM十条”。 1969年美国数字设备公司(DEC)中标后,制造出世界上第一台可编程序控制器。 (ProgrammableLogicController,简称PLC)。 16位和32位微处理器的应用,使PLC得到了惊人的发展,现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。 3.1.2简介PLC的发展状况及其发展趋势 现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器,而且实现了多处理器的多通道处理,通信技术使PLC的应用得到进一步发展。 PLC的技术已经非常成熟。 目前,世界上有200多个厂家生产PLC产品。 比较著名的有美国的AB、通用(GE)、莫迪康(MODICON)、日本的三菱(MITSUBISHI)、欧姆龙(OMRON)、富士电机(FUJI)、松下电工、德国的西门子(SIEMENS)、法国的TE、施耐德(SCHNEIDER)、韩国的三星(SAMSUNG)、LG等。 PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。 具体表现在以下几方面: (1).向小型化、专用化、低成本方向发展 (2).向大容量、高速度方向发展 (3).智能型I/O模块的发展 (4).基于PC的编程软件取代编程器 (5).PLC编程语言的标准化 (6).PLC通信的易用化. (7).组态软件与PLC的软件化 (8).PLC与现场总线相结合 3.1.4简介PLC的应用领域 目前PLC在国内外广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。 (1)顺序控制 例如: 注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等等。 (2)运动控制(3)过程控制PLC能控制大量的过程参数,例如: 温度、流量、压力、液位和速度。 (4)数据处理(5)通信联网 3.1.5PLC的工作过程 PLC是在系统软件的控制和指挥下,采用循环顺序扫描的工作方式,其工作过程就是程序的执行过程,它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段,如图3.1所示。 3.1PLC的扫描工作过程 PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下: ①输入映像寄存器的数据,取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态; ②程序如何执行,取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态; ③输出映像寄存器(包含在元件映像寄存器中)的状态,由输出指令的执行结果决定。 ④输出锁存器中的数据,由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定; ⑤输出端子上的输出状态,由输出锁存器中的状态决定。 3.1.6PLC的选型 水泵M1、M2,M3可变频运行,也可工频运行,需PLC的6个输出点,变频器的运行与关断由PLC的1个输出点,控制变频器使电机正转需1个输出信号控制,报警器的控制需要1个输出点,输出点数量一共9个。 控制起动和停止需要2个输入点,变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点,系统自动/手动起动需1输入点,手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点,控制系统停止运行需1个输入点,检测电机是否过载需3个输入点,共需15个输入点。 系统所需的输入/输出点数量共为24个点。 本系统选用FXos-30MR-D型PLC。 3.2变频器 3.2.1变频器的构成 通常由变频器主电路(IGBT、BJT、或GTO作逆变元件)给异步电动机提供调压调频电源。 此电源输出的电压或电流及频率,由控制回路的控制指令进行控制。 而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。 对于需要更精密速度或快速响应的场合,运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号,即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外,还应保护异步电动机及传动系统等 图3.2变频器的构成 1.主电路 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电路。 图3.4所示是典型的电压逆变器的例子,其主电路由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 另外,异步电动机需要制动时,有时要附加“制动回路”。 1整流器 最近大量使用的是二极管的交流器,图3.4所示,它把工频电源变换为直流电源。 可用两组晶体管交流器构成可逆变流器,其功率方向可逆,可以再生运转。 2平波回路 在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。 为了抑制电压波动,采用电感和电压吸收脉动电压(电流)。 装置容量小时,如果电源和主电路的构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。 3逆变器 同整流器相反,逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率,根据PWM控制信号使6个开关器件导通、
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