完整版PLC在恒压供水系统中的应用毕业论文Word下载.docx
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变频恒压供水系统控制方案的确定....................................................
8
3
系统的硬件设计......................................................................................
16
3.1
系统主要设备的选型..........................................................................
3.2
系统主电路分析及其设计..................................................................
20
3.3
系统控制电路分析及其设计..............................................................
22
系统的软件设计......................................................................................
28
4.1
系统软件设计分析..............................................................................
4.2PLC程序设计......................................................................................
30
5结束语
参考文献
.........................................................................................................46
.........................................................................................................48
致谢49
符号说明
输出功率P
出水流量Q
水压H
水泵的转速n
f表示电源频率
p表示电动机极对数
s表示转差率上限频率下限频率设定压力反馈压力
1绪论
1.1课题的提出
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质,在节水节能已成为
时代特征的现实条件下,我们这个水资源和电能源短缺的国家,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,
自动化程度较低,而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,
以及住房制度改革的不断深入,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时
也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中
的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的
正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有:
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的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式。
供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。
传统供水方式占地面积大,水质易污染,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;
效率低;
可靠性差;
自动化程度不高等缺点,严重影响了居民的用水和工业系统中的用水基建投资多,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。
变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术,它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域,特别是供水行业中。
由于安全生产和供水质量的特殊需要,对恒压供水压力有着严格的要求,因而变频调速技术得到了更加深入的应用。
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。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展,变频调速技术
以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式,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的各级加压
系统,居民生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出,
其优越性表现在:
一是节能显著;
二是在开、停机时能减小电流对电网的
冲击以及供水水压对管网系统的冲击;
三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控
制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,
同时系统具有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天尤为重要,所以研
究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、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研究现状
1.2.1变频调速技术的国内外发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术
及电机控制理论的发展。
从20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英
等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。
在我国,
60%的发电量是通过电动机消耗掉的,因此如何利用电机调速技术进行电机
运行方式的改造以节约电能,一直受到国家和业界人士的重视。
现在,我
国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作,但自
行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比,还有比较大的
技术差距。
随着改革开放和经济的高速发展,我国采取要么直接从发达国
家进口现成的变频调速设备,要么内外结合,即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备,然后自己开发应用软件的办法,很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法,适应了社会的需要。
总之,虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩,但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱,对国外公司的依赖还很严重。
1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状
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。
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[3]。
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。
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。
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[4]。
1.3本课题的主要研究内容
本设计是以小区供水系统为控制对象,采用PLC和变频技术相结合技
术,设计一套城市小区恒压供水系统,并引用计算机对供水系统进行远程
监控和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。
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,本设计中有
3个
贮水池,3
台水泵,采用部分流量调节方法,即
3台水泵中只有
1台水泵
在变频器控制下作变速运行,其余水泵做恒速运行。
PLC根据管网压力自
动控制各个水泵之间切换,并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID
运算,输出给变频器控制其输出频率,调节流量,使供水管网压力恒定。
各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
2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:
(l)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
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,表
明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线,如图2.1所示。
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Qu间的关系
H=f(Qu)。
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之间的关系曲线,如图2.1所示。
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之间的关系
H=f(Qc)。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点,
如图2.1中A点。
在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量
Qc处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统
稳定运行。
H
扬程特性管阻特性
HA
A
QAQ
图2-1恒压供水系统的基本特征
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。
由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率P与管网的水
压H及出水流量Q的乘积成正比;
水泵的转速n与出水流量Q成正比;
管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。
由上述关系有,水泵的输出功率
P与转速n三次方成正比,即:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
(2-5)
式中k、k1、k2、k3为比例常数。
H2
F
H1
DE
H0
n1
b1
b2n2
b3
0Q2Q1Q
图2-2管网及水泵的运行特性曲线
当用阀门控制时,若供水量高峰水泵工作在E点,流量为Q1,扬程为
H0,当供水量从Q1减小到Q2时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从b3移到b1,扬程特性曲线不变。
而扬程则从H0上升到H1,运行工况点从E点移到F点,此时水泵的输出功率正比于H1×
Q2。
当用调速控制时,若采用恒压(H0),变速泵(n2)供水,管阻特性曲线为b2,扬程特性变为曲线n2,工作点从E点移到D点。
此时水泵输出功率正比于H0×
Q2,由
于H1>
H0,所以当用阀门控制流量时,有正比于(H1-H0)×
Q2的功率被浪费掉,并且随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力不断变大,管阻特性曲线上移,运行工况点也随之上移,于是H1增大,而被浪费的功率要随之增加。
所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多,节能效果显著。
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
[8]:
(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变频恒压供水系统的组成及原理图
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2-3所示:
管网压力信号
报警信号
PLC变频器
水池水位信号(含PID)
压力变送器
M
液位变送器
用户
水泵机组
水池
图2-3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:
(l)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)进行控制;
变频器是对水泵进行转速控制的单元,其跟踪供
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。
根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同,变频器有两种工作方
式即变频循环式和变频固定式,变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为
调速泵,当这台水泵运行在50Hz时,其供水量仍不能达到用水要求,需要
增加水泵机组时,系统先将变频器从该水泵电机中脱出,将该泵切换为工
频的同时用变频去拖动另一台水泵电机;
变频固定式是变频器拖动某一台
水泵作为调速泵,当这台水泵运行在50Hz时,其供水量仍不能达到用水要
求,需要增加水泵机组时,系统直接启动另一台恒速水泵,变频器不做切
换,变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9],本设计中采用前者。
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、供水水源中断造成故障,因
此系统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。
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出
口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一
个常数,也可以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数。
所以,
在某个特定时段内,恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维
持在设定的供水压力上[10]。
变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示:
给定
管网压力
-
PID
D/A
变频器
接触
器
水泵
机组
管道
PLC
A/D压力变送器
图2-4变频恒压供水系统框图
恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参
考点的水压,检测管网出水压力,并将其转换为4—20mA的电信号,此
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