恒压供水控制系统设计 毕业设计论文.doc
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1、 I 恒压供水控制系统设计恒压供水控制系统设计 摘要 随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高, 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。 本文针对某住宅小区的供水要求,设计了一套由 PLC、变频器、水泵机组、等主要 设备构成的全自动变频恒压供水,具有全自动变频恒压运行和现场手动控制等功能。 系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题,并具有多种辅助功能,增强了系统的 可靠性。 论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。通过对变频器内置 PID 模块参数的预置,利用压力表的水压反馈量,构
2、成闭环系统,根据用水量的变化,采取 PID 调节方式,利用变频泵的连续调节和工泵 的分级调节相结合,实现恒压供水且有效节能。 关键词:恒压供水,PLC,变频调速 II Design of Constant Pressure Water Supply System ABSTRACT Along with the development of the socio-economy of our country, the housing system is going deep into reforms, and peoples living standard is being improved. A
3、t the same time, in the city, each kind of sub-district construction is developing very quickly, which puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district. According to the requirement of water supply in a abiding place, a set of automatic system of constant pressure
4、water supply by using variable frequency and controlling, which is composed of PLC, transducer, pressure sensor, pumps and electro-motor designed to that end. This set of system has the functions like automatic constant pressure operation by using variable frequency, and the function of on-the-spot
5、control by hand etc. The system has solved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply, which has various supplementary functions to strengthen the reliability. The paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by using the method of variable
6、velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve. Setting up in advance the parameter of the PID modular built-in the transducer, a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure has formed. According to the chang
7、e of water consumption, with PID and combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade regulation, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. KEY WORDS: constant pressure water supply
8、, PLC, variable frequency speed regulating III 目 录 摘要I ABSTRACTII 1 绪论.1 1.1 恒压供水系统产生的意义1 1.2 恒压供水系统的发展现状.2 1.3 本课题来源及主要研究内容2 2 恒压供水系统分析 .4 2.1 恒压供水系统简介.4 2.1.1 恒压供水系统的基本特征4 2.1.2 恒压控制的理论模型.4 2.2 恒压供水系统控制方案讨论5 2.3 供水系统安全性 .6 2.3.1 水锤效应 .6 2.3.2 水锤效应的危害 .6 2.4 系统的控制流程 .7 2.5 本章小结 .7 3 控制系统的硬件设计 .8 3.
9、1 主电路设计 .8 3.2 控制电路设计 .11 3.3 恒压供水系统硬件组成和清单12 3.3.1 变频恒压供水的硬件组成12 3.3.2 恒压供水控制系统硬件清单13 3.4 本章小结 .13 4 变频器.14 4.1 变频调速的优势14 4.2 变频器的应用宏14 4.3 变频器控制方案论证14 4.3.1 使用 PFC 宏实现恒压控制.15 4.3.2 通过 PID 宏实现恒压控制 .17 4.4 变频器的主要参数20 4.5 本章小结 .27 5 可编程控制器 .28 5.1 PLC 的发展现状和概况28 5.1.1 PLC 的基本概念28 5.1.2 PLC 的特点28 5.2
10、PLC 的主要功能30 5.3 PLC 的组成和应用31 IV 5.3.1 PLC 的基本结构31 5.3.2 PLC 的应用31 5.4 本章小结 .32 6 PLC 电气设计33 6.1 原理图及 PLC 接线图33 6.2 PLC I/O 地址分配35 6.3 恒压供水系统 PLC 程序分析设计 37 6.3.1 PLC 主程序结构及框图 37 6.3.2 PLC 子程序分析38 6.4 本章小结.46 7 结论与展望 .47 致 谢.48 参 考 文 献 .49 恒压供水控制系统设计 1 1 绪论 1.1 恒压供水系统产生的意义 我国人口众多,随着城镇化建设的飞速发展,城市人口不断增加
11、,每年所消耗的 能量巨大,近年来,能源紧张不时影响到了工业生产及人民生活。从 2003 年开始, 中国的能源消耗速度开始高于经济增速,从“电荒” 、 “油荒” ,到“水荒” ,中国的能 源问题日益突出。据报导,到 2030 年中国人口达到 16 亿时,人均水资源量将降低到 1760 立方米,接近国际承认的 1700 立方米“用水紧张”标准。如果不采取有效措施, 中国有可能在未来出现严重的水危机。而 2003、2004 年的限电生产和生活给人们带 来的影响仍记忆犹新,因此,节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施, 是各行各业的技术改革方向。节水节能已成为时代特征。 随着我国社会经济的发展
12、,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高, 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,供水的经济性、可靠性、稳定性直接影 响到小区住户的正常生活和工作,也直接体现了小区物业管理水平的高低。 为了尽可能地满足城市生产和人们日常生活供水需要,供水企业一般都是满负荷 工作,因此,如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了企业必须 解决好的关键问题。水泵电机作为一种高耗能通用机械,其耗电量占全国总耗电量的 21%以上,具有很大的节能潜力。据调查,供水电泵的电能消耗费用在供水企业生产 成本中占了很大的比例。现
13、有的供水系统主要是恒速控制系统并且用常规的阀门来控 制供水量。恒速调控方式虽然简单,但从节约能耗的角度来看,却相当不经济。研究 结果表明,水泵的轴功率与转速的三次方成正比,因而当电机采用恒速控制时,将有 很大一部分电能消耗在阀门上和以额定转速运行的电机上。为了节能降耗,一种有效 的方法是广泛采用电机调速技术。通过调节电动机的转速可以很好地适应水量和水压 的变化,使水泵始终工作在高效区,进而大大降低水泵能耗,这对节约能源和提高供 水企业的经济效益均具有极其重要的意义。 目前,将先进的自动化技术、控制技术、网络及通讯技术等应用到供水领域,已 经成为供水行业的发展趋势。变频恒压供水系统集变频技术、电
14、气技术、现代控制技 术于一体,可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性,也有利于实现供水系统的集中 管理与监控。此外,变频恒压供水系统还具有良好的节能性,这在大力提倡节能降耗 的今天尤为重要。本论文将围绕变频恒压控制技术开展研究工作,以期为城市供水行 业技术进步和科技应用做出贡献。 2 1.2 恒压供水系统的发展现状 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。初期阶段,变频器 主要用来进行频率控制、变速控制、正反转控制、启制动控制、压频比控制等。在这 个阶段,变频器仅仅用作变频恒压供水系统的执行机构。为了在供水量需求不同时, 保证管网压力恒定,还需要在变频器外部增加压力传感器和压力控制
15、器,以对压力进 行闭环控制。随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优 点逐渐显现出来,再加上其显著的节能效果,许多变频器生产厂家开始推出具有恒压 供水功能的变频器。 目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠,恒压控制技术先进。国外变频供水系 统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠, 变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多,因而投资成本高。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广,国产变频器主要采用 进口元件组装或直接进口国外变频器,结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水,在小 容量、控制要求的变频供水领域
16、,国产变频器发展较快,并以其成本低廉的优势占领 了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上,国产变频器有待 于进一步改进和完善。 随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点逐渐显 现出来,再加上其显著的节能效果,许多变频器生产厂家开始推出具有恒压供水功能 的变频器,例如日本 SAMCO 公司就推出了恒压供水基板,具有“变频泵固定方式” 和“变频泵循环方式”两种工作模式,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, 在应用时只需搭载配套的恒压供水单元,便可以直接控制多
17、内置的电磁接触器工作, 最多可构成7台电机(泵)的供水系统。这类控制设备虽然微化了电路结构,降低了设 备成本,但因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也不高, 且难以与别的监控系统和组态软件实现数据通信,限制了带负载的容量,其实际使用 范围受到不小的限制。后来日本富士电机公司推出了新一代风机、水泵专用型变频器 FRENIC-VP 系列。VP 系列变频器具备适合 HVAC(Heat Ventilation Air Conditioner)行业所需的最佳功能,节省空间,操作简便,机型丰富,全球通用。 1.3 本课题来源及主要研究内容 本课题来源于生产、生活供水的实际应用。 以往的
18、水泵控制采用传统的电力拖动方式,水泵在工频下恒速运转,通过调节阀 门的开度实现对流量的控制,这样造成能源的浪费和产生“水锤效应” ,对设备不利。 恒压供水控制系统设计 3 采用交流变频恒压供水方式组成系统可解决以上问题。本课题来源于实际工程项目, 使用 S7-200PLC 和 ACS510 专用风机泵类变频器构成恒压供水系统,比较分析使用 不同的控制方案的优缺点,结合实际、工艺状态来选择最优化的解决方法。 本文主要研究内容如下: (1)对变频恒压供水现状进行调研,并提出采用具有众多优点的变频调速恒压供水 方案。 (2)分析变频恒压供水系统的组成及特点,探讨变频恒压供水系统的控制策略。 (3)介
19、绍了基于PLC的变频调速恒压供水控制系统的设计,该系统由一台变频器轮流 拖动7台水泵电机变频运行。重点介绍变频调速恒压供水系统的构成和工作过程,控 制系统的硬件设计和PLC程序设计思想。 (4)通过对 ABB ACS510变频器基本原理和西门子 S7-200PLC 的介绍,采用 PID 控 制水泵电机转速,实现变频调速恒压供水。 4 2 恒压供水系统分析 2.1 恒压供水系统简介 2.1.1 恒压供水系统的基本特征 供水系统的基本特性和工作点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 f(Q),如图 2.1 所示。 由图 2.1
20、可以看出,流量 Q 越大,扬程 H 越小。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。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 H=f(QU)。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。由图可知,在同一 阀门开度下,扬程 H 越大,流量 Q 也越大。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 QU之间的关系 H=f(QC)。扬程特性
21、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。 图 2-1 供水系统的基本特征 2.1.2 恒压控制的理论模型 变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定 的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴,它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 恒压供水控制系统设计 5 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
22、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16。 实际压力 变频器内置 PID变频器水泵 压力检测 + 给定 - 图 2-3 变频恒压控制的原理图 从恒压控制的原理图中可以看出,在系统运行过程中,如果实际供水压力低于设 定压力,控制系统将得到正的压力差,这个差值经过计算和转换,计算出变频器输出 频率的增加值,该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值,将这个增量和变 频器当前的输出值相加,得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机 组转速增大,从而使实际供水压力提高,在运行过程中该过程将被重复,直到实际供 水压力和设定压力相等为止17。如果运行
23、过程中实际供水压力高于设定压力,情况 刚好相反,变频器的输出频率将会降低,水泵机组的转速减小,实际供水压力因此而 减小。同样,最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 2.2 恒压供水系统控制方案讨论 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同,变频器有变频循环和变频固定两 种工作方式: 变频循环式: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: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
24、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11。 变频循环方式,由于每台水泵都是由变频器来控制起动的,所以可以彻底消除系 统的水锤效应;控制精度高。在水泵增减过程中由于变频泵是在达到工频的条件下切 换为工频运行的,所以不会产生因各泵阀门开度有所不同而引起的水压波动。由于变 频泵是循环不固定的,所以各泵磨损大致均等,提高了设备的使用寿命。 变频固定方式,由于要维持供水压力恒定,变频泵一直运行,必然使各水泵运行 时间差异大,不利于延长水泵的使用寿命。当变频器所带的变频泵泵故障时,不能实 现恒压供水。 变频循环运行方式优点很
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