〔大学论文〕PLC-变频器在城市恒压供水系统中的应用(含word文档) .pdf
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1、目录 摘要.1 关键词.1 1 引言.1 2 供水系统的结构.2 3 控制系统的工作原理.3 3.1 变频调速原理.3 3.2 供水系统原理及工作过程.4 4 硬件设计.6 4.1 变频器.6 4.2 压力变送器.6 4.3 软起动器.7 4.4PLC 选择7 5 PID 调节原理7 6 系统的优点.8 7 软件设计.9 7.1 I/O 口分配9 7.2 PLC 接线图10 7.3 系统工作程序图.11 8 结束语.11 参考文献.11 谢辞.12 附录.13 -1- PLC-变频器在城市恒压供水中的应用 彭以泳机教 005 班 摘 要:本论文介绍了以 PLC-变频器为核心构成系统的控制原理、
2、硬件 设计、软件设计及系统优点。PLC-变频器调控技术在水压控制系统中的应用, 有效地解决了控制负荷波动大,调节频繁的难题,证明了变频调速控制系统的 优越性和显著的经济效益,具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。 关键词:PLC;变频调速;恒压供水 AbstractAbstract: :T T T This paper introduces the water supply system of constant pressure controlled by PLC control as well as Speed Regulating Transducer .The system was
3、introduced to which used PLC to process the logic control and employed inverter to adjust water pressure, It could automatically control the number of water pump and speed of AC motor . Moreover it shows many advantages of the system-high efficiency, saving energy, convenience of operation, high aut
4、omation. KeyKey wordswords: :PLC; Variable Voltage Variable Frequency; water supply system of constant pressure 1 1 1 1 引引引引言言言言 随着变频调速技术的发展,人们对生活用水的品质要求不断提高,变频恒 压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于城市多层住宅小区生 活及消防供水系统。 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,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
5、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, 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) 在线调整 PID 参数;(5)泵组及线路保护检测报警,信号显示等。 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时,出口压力保持不变的供水方 式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采
6、用 -2- 水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛 应用,利用 PLC、变频器、PID 调节器、单片机、等器件的有机结合,构成控制 系统,调节水泵的输出流量,实现恒压供水。但在软件设计上,PLC 比单片机 的编程更简洁、直观;从硬件接口考虑,单片机电路稍微复杂一些;从经济方 面考虑,由于 PLC 工艺的日渐成熟,小型 PLC 的成本与单片机相差无几,由于 要根据现场情况调整系统参数,PLC 的软件中时间参数的调整更简单,这样更 有利于售后服务人员掌握。 本论文介绍的恒压供水系统是通过变频调速调节水的流量,达到供水的目 的,最终控制目标是水的压力。将 PLC 与变频
7、器结合在一起更好的优化了传统 城市供水系统中的诸多问题,它体现了自身操作方便,高效节能和自动化程度 高的特点,同时也体现了变频控制恒压供水的技术优势,有效的节省了资金。 2 供水系统的结构 恒压供水系统主要由 PLC、压力变送器、水泵机组、变频器、主接触器等 组成。系统工作原理框图如图 1 所示。 图 1系统工作原理框图 该控制系统中,控制信号的采集是靠压力变送器来完成的,由压力变送器 采集的管道中的压力信号,经过 PLC 的智能扩展模块来进行模数转换,根据变 送器传递来的标准的电流或电压信号的大小,把模拟量按一定的关系转换成 PLC 内部的数字信号,然后由 PLC 将转换后的数字信号与事先设
8、定的压力值相 比较,根据比较的结果,控制相应的输出,来决定让哪一个水泵电机工作,并 且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作,该变送器可靠性好,还可设定 水压的上、下限压力值。当管网压力处于上下限位置,变送器分别输出开关信 号进入 PLC 两个输入点,与变频器的极限输出频率检测信号一起,通过 PLC 控 制泵的变频与工频切换以及控制工频工作泵的切除。水泵可以变频工作也可以 PLC变频器 压力变送器主接触器水泵机组供水管网 工频电网 -3- 工频工作,变频器的运行与关断由一个输出信号控制;变频器极限频率的检测 信号占用一个输入点;再有紧急情况和发生供电相序故障等,急需紧急停车时 设有一个急停按钮
9、,占用一个输入点以控制整个系统全线停车。系统分自动和 手动工作方式。 3控制系统工作原理 3.1 变频调速原理 变频供水设备主要由变频器、控制系统及压力变送器等部分组成。控制系 统通过控制变频调速器, 将 50HZ 的交流电调到以 050HZ 之间任意频率变送输 出,实现交流电机的无极调速,最终达到生产过程的定量控制及最优化控制, 当变频系统为开环时,设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速;当变频 系统为闭环时,随着反馈等要求的变化,根据设定的系统供水压力值,自动跟 踪输出相应的频率。 水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动,对水泵的调速是通过对其电 机转速的调节来实现。我们知道:异步电动机
10、转速=60(1S)/P。在这个公 式中, f 为电机电源的频率, P 为电机的磁极对数, S 为转差率(03%或 06%)。 由上述电机的转速公式可见: 要想改变电机的转速, 可以通过三种方法来实现: 1.电动机的频率 f; 2.电动机的转差率 S; 3.电动机的磁极对数 P。 通过对上面三种方法的分析可以知道:改变电动机的转速的最好方法是改 变电动机电源的频率。因为,转差率 S 的范围在(03%或 06%)之间,由此转 差率 S 对电动机的影响不大,调速效果不明显,效率相对较低;改变磁极对数 P 这种方法,首先它不容易实现,其次,由电机的工作原理决定了电机的磁极 数是固定不变的。由于该磁极数
11、值不是一个连续的数值(为 2 的倍数,例如极 数为 2,4,6) ,所以一般不适合通过改变该磁极对数 P 来调整电机的速度。 变频调速装置又称为 VVVF 装置。VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写,意为改变电压和改变频率,也就是人们所说的变压变频。 根据水泵叶轮相似定律,水泵供水量 Q 与电机转速成正比,供水扬程 H 与 的平方成正比,水泵轴功率 N 与的 3 次方成正比。 电动机在工频电源供电时起动和加速冲击很大,而当使用变频器供电时, 这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频 器时,变频器的输出电
12、压和频率是逐渐加到电机上的,所以电机起动电流和冲 -4- 击要小些。 通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。通过使用磁 通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可 输出足够的转矩。 失量控制具有转矩提升功能,它能增加变频器在低频时的输出电压,以补 偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,从而改善电机的输出转矩。改善电 机低速输出转矩不足的情况,使用“矢量控制“,可以使电机在低速时的输出转 矩可以达到电机在 50HZ 供电输出的转矩。 对于常规的 V/F 控制, 电机的电压降 随着电机速度的降低而相对增加,这就导致由于励磁不足,而使电机不能获得 足够的旋转
13、力。为了补偿这个不足,变频器中需要通过提高电压,来补偿电机 速度降低而引起的电压降。 3.2 供水系统原理及工作过程 系统采用 3 台水泵电机并联运行方式,压力变送器将主水管网水压变换为 电信号,经模拟量输人模块,输入 PLC 的高级模块PID 模块,PLC 根据给定 的压力设定值与实际检测值进行 PID 运算,输出控制信号经模拟量输出模块至 变频器,调节水泵电机的供电电压和频率。 根据泵站供水实际情况与需求 ,利用一台变频器控制 3 台水泵 ,一台小 功率泵 M1,两台大功率泵 M2 与 M3,因此除改变水泵电机转速外 ,还要通过增 减运行泵的台数来维持水压恒定 ,当运行泵满工频抽水仍达不到
14、恒压要求时 , 要投入下一台泵运行。反之 ,当变频器输出频率降至最小 ,压力仍过高时 ,要 切除一台运行泵。 所以不仅需要开关量控制 ,还需数据处理能力 。 它在应用上 的一个重要特征就是由 PLC 自动采样, 随时将模拟量转换为数字量 ,放在数据 寄存器中 ,由数据处理指令调用 ,并将计算结果随时放在指定的数据寄存器 中。通过其可将压力变送器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量 ,提 供给 PLC,与恒压对应电流值、频率上限、频率下限 (考虑到水泵电机在低速运 行时危险 ,必须保证其频率不低于 20HZ,因此频率上限设为工频 50HZ,下限设 为 20HZ)进行比较 ,实现泵的切换与转速
15、的变化。 系统运行时,三台泵的启动顺序为 M1、M2、M3,停机顺序也为 M1、M2、M3, 即先起先停。首先 M1 水泵电机开始起动,在 M1 水泵电机起动后,压力变送器 从管道中传来的压力信号经过模数转换后与设定的压力值相比较,判断用户终 端水压的高低;由 PID 根据管道中的压力信号来控制变频器输出相应的频率, 控制水泵电机的转速。 当 M1 经过变频器的调节已达到工频后。 经过一段时间 (可以根据对系统灵 -5- 敏度的要求来调整) , 从管道中采集一个压力信号与设定值比较, 若管道中的压 力仍然低于设定的压力,则由 PLC 发出控制指令,使 KM1 断开、KM2 得电闭合, 从而将
16、M1 电机从变频器脱离,使它直接与工频电源相连接工频运行,同时, 也 让 KM3 闭合, 使 M2 电机与变频器相连。 这时压力变送器传来的信号经 PID 调节 后控制 M2 电机的转速,使管道内的压力与设定的压力值相接近。 同理,当 M2 经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间,从管道中采 集一个压力信号与设定值比较, 若管道中的压力仍然低于设定的压力, 则由 PLC 发出控制指令,使 KM3 断开,然后接通 KM4 和 KM5,即使 M2 也处于工频模式运 行,同时把 M3 接到变频器上,模拟信号由 PID 调节后输出相应的频率来控制 M3,直到满足设定的压力值为止。系统工作主电路图如
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