毕业设计(论文)-基于plc的变频调速恒压供水系统.doc
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1、 学科分类号: _ 湖南人文科技学院湖南人文科技学院 本科生毕业设计 题 目:基于 PLC 的变频调速恒压 供水系统 学生姓名:学号 系 部: 通信与控制工程系 专业年级: 自动化2007级 指导教师: 职 称: 讲 师 湖南人文科技学院教务处制 湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明 本人郑重声明:所呈交的本科毕业设计,是本人在指导老师的指 导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议, 除文中已经注明引用的内容外,本设计不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。
2、 作者签名:(手写) 二 年 月 日(手写) I 基于基于 PLCPLC 的变频调速恒压供水系统的变频调速恒压供水系统 摘 要:随社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统可靠性的要求 不断提高,再加上目前能源紧缺,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、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。 本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、PLC、PID 调节器 组成控制系统,调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成,由变 频器或工频电网供电,根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组 的速度和切换,使系统运行在最合理状态,保证按需供水。论
3、文分析了采取变 频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理,由 PLC 进行逻辑控制,由变频器进行压力调节。再经过 PID 运算,通过 PLC 控制 变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明,该系统具 有压力稳定,结构简单,工作可靠等特点,实现恒压供水且有效节能。 关键词:变频调速;变频调速; PLCPLC;恒压供水;恒压供水;PIDPID 调节调节 II The water supply system of frequency control of constant voltage based on PLC Abstract: With the rap
4、id development of social economy, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced
5、technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.It is very important of the Water Supply System in Constant Pressure for the water supply in industrial and citizen existence. It is consist of the variable frequency and speed re
6、gulation, PLC, PID control system for the control system. It controls the outcome of the pumps. The generator pumps are consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. According to the water supply of constant pressures outcome water pr
7、ess and flux, the control system control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over, cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. The paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by sui
8、ng the method of variable velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve, we use PLC to carry on logic control and use inverter to modulate pressure. Through PID control principle. We realize Closed-loop control in VVVF Providing-
9、 water System. The result indicates that system has the stable pressure , simple structure, and reliable work, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. Keywords : variable frequency and speed regulation; PLC; water supply of constant pr
10、essure;PID control system 目目 录录 第 1 章 绪 论1 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义.1 1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状.2 1.2.1 变频调速技术的国内外发展与现状.2 1.2.2 变频恒压供水系统的国内外研究与现状.2 1.3 本课题的主要工作.3 1.3.1 课题来源.3 1.3.2 研究的主要内容.3 1.3.3 工艺要求.4 第 2 章 系统的理论分析及控制方案确定5 2.1 变频恒压供水系统的理论分析.5 2.1.1 电动机的调速原理.5 2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理.5 2.2 供水系统的设计方案确定.6 2.3 变频恒
11、压控制的理论模型.8 2.4 变频恒压供水系统的特点.8 2.5 变频恒压供水系统的基本构成.9 2.6 变频恒压供水系统工作原理及加减水泵的条件分析.10 第 3 章 供水系统的硬件设计13 3.1 系统水泵机组的选型.13 3.2 可编程控制器的选型.14 3.2.1 可编程控制器的特点.14 3.2.2 控制系统的 I/O 及地址分配 .16 3.2.3 PLC 及其扩展模块的选型 .16 3.3 变频器的选型.17 3.4 压力变送器的选型20 3.5 液位变送器选型.21 第 4 章 系统总体设计22 4.1 电气控制系统原理图.22 4.1.1 主电路图.22 4.1.2 控制电路
12、图.22 4.2 系统运行分析与设计.23 4.2.1 系统运行方式.23 4.2.2 供水系统软启动工作原理.25 4.2.3 系统流程图设计.26 4.2.4 程序的结构及功能实现.26 4.3 系统运行及安全分析.28 4.3.1 设备控制 3 台水泵电机.28 4.3.2 安全问题.28 第 5 章 总 结29 致 谢30 参考文献31 附录32 附录 A 系统流程图 32 附录 B 梯形图.35 1 第 1 章 绪 论 随着社会经济的迅速发展,水对人民生活与工业生产的影响日益加强,人 民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控 制技术、通讯及网络技术等应用到
13、供水领域,成为对供水系统的新要求。 变频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能性,方便地实现供水系统的集 中管理与监控;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。 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义 我国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,工业自动化程度低。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
14、现水压升高供过于求的情况,此时会造成能量的浪费,同时 还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式,多采用 频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的,而且对 电网中其他负荷造成影响,设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的 占地与投资。且由于是二次供水,不能保证供水的安全与可靠性。而变频调速 式的运行十分稳定可靠,没有频繁的启动现象,启动方式为软启动,设备运行 十分平稳,避免了电气、机械冲击,也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。 由此可见,变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省 占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势,具有
15、广阔的应用前景和 明显的经济效益与社会效益。 2 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。1964 年,最先提出把通信技术中的脉宽调制 PWM 技术应用 到交流传动中的是德国人。20 世纪 80 年代初,日本学者提出了基于磁通轨迹 的磁通控制方法。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
16、,一直受到国家和业界人土的重视。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 的调速发展,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.
17、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。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
18、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”两种模 3 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 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1。目前国内有不少公司在做变频恒压供
19、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 深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw) , 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
20、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(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,使其被更好的应用于生活,生产实践2。 1.3 本课题的主要工作 1.3.1 课题来源 本课题来源于生产、生活供水的实际应用 1.3.2 研究的主要内容 本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统,变频恒压供水系统主要由变频器、 可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升, 使
21、系统的稳定性和节能效果进一步提高,操作更加简捷,故障报警及时迅速, 4 同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。 1.3.3 工艺要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是: (1)生活供水时,系统应低恒压值运行,消防供水时系统应高恒压值运行; (2)三台泵根据恒压的需要,采用“先开先停”的原则介入和退出; (3)在用水量小的情况下,如果一台泵连续运行的时间超过 3 小时,则要 切换到下一台泵,即系统具有“倒泵功能” ,避免某一台泵工作时间 过行; (4)三台泵在启动时要有软启动功能。 5 第 2 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
22、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) )1 ( p 60 s f n 式中: 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
23、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3,且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源 频率的调速的方法及特点。 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。 6 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
24、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.
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