恒压供水的毕业设计.docx
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1、摘 要 自从变频器的问世以来,变频调速技术在各领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无极调速,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,是当今最先进,最合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展,变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能,对合理涉及变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义 本课题是选用一拖一,也就是一台变频器控制一台水泵的控制方式;
2、所用设备主要有西门子公司生产的S7-200(CPU224)的PLC、变频器、交流接触器电机泵、压力传感器、超声波传感器、管道、触摸屏和导线若干它们组成一个闭环回路。各器件组成部分的原理,西门子S7-200PLC的各个接线的。本回路中,当水压和液面达到指定值后,通过压力传感器和超声波传感器反应,并由变频器控制电泵机来达到恒压控制和恒定液面控制。关键词:PLC 变频器 一拖一 恒压控制 恒定液面控制目 录第一章 绪论1.1课题研究的背景1.2供水系统发展过程.第二章 PlC的概述.2.1可编程控制器的定义2.2 PLC的发展和应用2.3 西门子S7-200 PLC概述2.4 本课题的主要研究内容.
3、第三章 变频恒压供水系统的理论分析 3.1水泵的工作原理 3.2 供水电机的搭配. 3.3 水泵的调节方式3.4 恒压供水系统的能耗分析3.5 供水系统的安全性问题9.第四章 变频很压供水系统的硬件设计 4.1设计的方向.4.2变频恒压供水系统的结构设计4.3 变频恒压供水系统的构成.4.4 PLC外围接线图心得体会.致谢参考文献附录.第一章 绪论1.1课题研究的背景在城市化进程迅速的今天,城市的居住形式主要是生活小区,那么小区供水系统的建设就显得尤为重要。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。假定一栋楼有10层,由于高层楼对水压的要求高,在水压低时,高层用户将无法正
4、常用水甚至出现无水的情况,水压高时将造成能源的浪费。因此,自来水厂通过水泵加压后,必须恒压供给每一个用户。传统的供水方式如水塔高位水箱供水,单片机变频调速供水系统等都存在不同程度浪费水力、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。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著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。应用变频器恒压供水,因为水箱能大幅度减小,因此能有效地减小楼房的负
5、载,由于减小了供水水箱和楼房的负荷,何以节约工程造价,相应地也扩大了楼房的面积。由于采用了变频调速,减小了供水水泵的频繁启动,可以使水泵工作在高效状态,从而可以节约能源,减小对电网的冲击。由于电动机所消耗的功率与转速的立方成正比,因此可以获得较好的节能效果。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。三是用变频器进行调速,用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水,节能效果显著,对每台水泵进行软启动,启动电流可从零到电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。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
6、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,是当今最合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置1.2 供水系统发展过程众所周知,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。在恒压供水技术出
7、现以前,出现过许多供水方式。以下就逐一分析。(1) 一台恒速泵直接供水系统这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户,有的甚至连蓄水池也没有,直接从城市公用水网中抽水,严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式,水泵整日不停运转,有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重,水压不稳,供水质量极差。(2) 恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水,再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止,水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式,水泵工作在额定流量额定扬程的
8、条件下,水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电,其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大,占地面积也最大;水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话,水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停,将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。(3) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,只能是一对一驱
9、动,需经常检修;优点是价格低廉,结构简单明了,维修方便。(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的,只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价与设计都有影响,同时水箱受建筑物的限制,容积不能过大,所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏,这样系统的开、停,将完全由人工操作,使系统的供水质量下降能耗增加。(5)恒速泵十气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水,通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小,而且可以放在地上,设备的成本比
10、水塔要低得多。而且气压罐是密封的,所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点,在介绍完变频调速供水方式后,再将二者作一比较。(6) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化程度要优于上面5种供水方式,但是系统开发周期比较长,对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便,且不适用于恶劣的工业环境。从以上传统的供水方式可得知,它们在不同程度上普遍的存在浪费水力、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用水。现如今供水方式都是朝向高效节能、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
11、机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等许多高能耗设备上得到了广泛应用,特别是在城乡工业用水的各级加压系统中,居民生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果十分突出,其优越性表现在:一是节能明显;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道网系统的冲击;三是能减小水泵与电机自身的机械冲击损耗。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频、电气、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以很大程度上提高供水系统的稳定性和可靠性,同时系统也具有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天十分重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率、人民生活水平、降低能耗等各方面都有重要的现实意义。第二章 PLC概述
12、2.1 可编程控制器的定义可编程控制器,简称PLC(Programmable logic Controller),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会(International Electrical Committee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于
13、扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC的发展和应用世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言5 ,并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概
14、念相结合的产物。20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机
15、;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业,被称为现代技术的三大支柱之一。2.3 西门子S7-200 PLC概述(1)SIMATIC S7-200系列PLC西门子公司具有品种丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC, S7-200属于小型PLC在1998年升级为第二代产品,2004年升级为第三代产品。 SIMATIC S7-2
16、00系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。SIMATIC S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络都能实现复杂控制功能。因此SIMATIC S7-200系列具有极高的性能/价格比。 SIMATIC S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测,自动化控制有关的工业及民用领域,包括各种机床、机械、,电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如:冲压机床,磨床,印刷机械,橡胶化工机械,中央空调,电梯控制,运动系统。 S7-200 PLC系列出色表现在以下
17、几个方面:极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。 S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用:CPU221, CPU222,CPU224, CPU224XP, CPU226。在本论文中采用的是CPU224 0(2) PLC的工作原理 PLC是采用“顺序扫描,不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时,CPU根据用户按控制要求编制好的并存于用户存储器中的程序,按指令序号或地址号作周期性循环扫描,如果没有跳转指令,则从第一条指令开始逐条执行用户程序,直到程序结束。然后重新返回第一条指令,开始下一轮
18、新的扫描。在每次扫描过程中,还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。 PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。 PLC的输入采样阶段:首先用扫描的方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入,然后将其写入各对应的输入状态寄存器中,即刷新输入。随即关闭输入端口,进入程序执行阶段。 PLC程序执行阶段:PLC按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令,经相应的运算和处理后,其结果再写入输出状态寄存器中,输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段:当所有指令执行完毕,输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中,并
19、通过一定的方式(晶闸管、晶体管或断电器)输出,驱动相应输出设备工作。2.4 本课题的主要研究内容本课题是选用一拖一,也就是一台变频器控制一台水泵的控制方式;所用设备主要有西门子公司生产的S7-200(CPU224)的PLC、变频器、交流接触器电机泵、压力传感器、超声波传感器、管道、触摸屏和导线若干它们组成一个闭环回路。各器件组成部分的原理,西门子S7-200PLC的各个接线的。本回路中,当水压和液面达到指定值后,通过压力传感器和超声波传感器反应,并由变频器控制电泵机来达到恒压控制和恒定液面控制。第三章 变频恒压供水系统的理论分析3.1 水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵,普通离心泵如图3.
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