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1、江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 1 第一章绪论 1.1 课题的的产生及其研究意义 水是万物之源,在现实生产生活中不可或缺。在我国水资源和电能短缺的客 观现状下,节水节能就成为了当前迫切需要进行推广的。但是,长期以来在市政 供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等几个方面和供水技术一直比较落后且 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,水压降低无 法正常供水,但在用水低谷期水的供给量常常高于需求量,出现水压升高供水供 过于求的现象。这样不仅造成水资源及电能的浪费,同时水压过高有可能导致输 水管爆裂和用水设备的损坏。 在这样的历史背景下, 恒压供水控制系统应运而生。 1
2、.2 恒压供水控制系统的国内外研究概况 恒压供水控制系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。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、起制动控制、变压变频比 控制及各种保护功能。 应用在变频恒压供水控制系统中,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。从查阅的资料的情况来看,国外的 恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式,几乎没有用 一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。 即 1968 年,丹麦的 丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产
3、品全球五大核心供应商之一) 后,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控制功能的变频器,像瑞士的ABB集团推出 了 HVAC 变频技术,法国的施耐德公司推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方 式” , “变频泵循坏方式”两种模式。 目前国内有不少在做变频恒压供水工程的公司,大多采用国外品牌的变频器 控制水泵的转速。对于水管的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。在系
4、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。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(2.2kw-30kw) ,无需外接 PLC和 PID 调节器, 可完成最多四台水泵的循坏切换、 定时起动、停止和定时循环 (丹麦丹佛斯公司的 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 2 VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换) 。 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
5、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、网络和通讯技术的变频恒压供水系统 的水压闭环控制的研究还是不够的。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居民生活、工业生产中。 采用变频调节以后,系统实现了软起动,电机起动电流从零逐渐增至额定电 流,起动时间相应延长,对电网没有较大的冲击,减轻了起动机械转矩对于电机 的机械损伤,有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的, 各种优化方案都是以水管进口压力保持恒定为条件,实际上给水泵站的出口压力 允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围,所得到的解为局
6、部 最优解,不能完全保证泵站始终工作在最优状态。 变频调速优于以往的调压调速、变极调速、串级调速等调速方法,其是当今 国际上一项效益最高、 性能最好、应用最广、 最有发展前途的电机调速技术. 它采 用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调 速,具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制 系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低 能耗等诸多特点。 1.3 PLC 变频恒压供水系统的优点及可行性分析 通常变频恒业供水存在以下6个特点特点: 1、节能,可以实现节点 20%-40% ,能实现绿色用电; 2、占地面积小
7、,投入少,效率高; 3、配置灵活,自动化程度高,功能齐全,灵活可靠; 4、运行合理, 系统的软起和软停, 不但消除水锤效应, 而且缩短电机轴上的 平均扭矩和减少磨损,减少了维修量和维修费用,并且延长水泵的寿命; 5、由于变频恒压调速直接从水源供水,减少了原有供水方式的二次污染,防 止了很多传染疾病的传染源头; 6、通过通信控制,可以实现无人值守,节约了人力物力。 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 3 第二章恒压供水控制系统总体设计方案 2.1 变频恒压供水系统的特点 传统的供水方式普遍存在不同程度水力、电力资源的浪费; 供水系统效率低、 可靠性差、自动化程度不高等缺点,严重影响了居民的
8、用水和工业系统中用水。 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、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击;三 是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。 变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水 要求,该系统具有以下特点: (1) 变频恒压供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是一个过程控制量, 同其他
9、一些过程控制量 ( 如: 温度、流量、浓度等 ) 一样,对控制作用的响应具有滞 后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。 (2)变频调速恒压供水系统是一个线性系统。由于用户管网中有管阻、 水锤等 因素的存在,同时又水泵自身的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的 变化成线性变化。 (3) 变频调速恒压供水系统面向各种各样的供水系统具有广泛的通用性,而不 同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对 象的模型具有很强的多变性。 (4) 变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。由于系统中有定量泵的 加入控制,而定量泵的控制(包括定量泵的停止和运行)
10、是时时发生的,同时定量 泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化。 (5) 当出现意外的情况 ( 如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等) 时,系统能根据泵及变频器或软启动器的状态,电网状况及水源水位,管网压力 等工况点自动进行切换,保证管网内压力恒定。在故障发生时,执行专门的故障 程序,保证在紧急情况下的仍能进行供水。 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 4 2.2 系统原理及电气控制要求 交流接触器组 PLC(内置 PID) 管道电机泵组变频器 压力传感器 图 2.1 系统原理结构框图 如图2.1 ,整个系统由电机泵组(3台)、一台变频调速器、一台PLC3
11、00 和一 个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀, 以供维修和调节水量之用,三台水泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中 检测管路压力的压力传感器, 一般采用电阻式传感器 (反馈 05V电压信号)或压 力变送器(反馈 420mA );变频器是恒压供水系统的核心,通过改变电机的频率 实现电机的无极调速、波动稳压的效果和各项功能。 信号检测 压力传感器 控制器( PLC300)变频器 执行机构(水 泵) 报警系统通讯接口 人机界面(触 摸屏) 图 2.2 变频恒压供水构成图 从原理框图 2.2 ,我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检 测、控制系统、人
12、机界面、以及报警装置等部分组成。 (1)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. 通常这些水泵包 括: 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 5 变量泵 : 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。 定量泵 : 水泵运行只在工频状态, 速度恒定,它们用以在用水量增大而调速泵 的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充. (2)信号检测 在系统控制过程中,需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号: 水压信号:它反映的是用户管网的水压值,它是恒压供水控制系统的主要反 馈信号。 报警信号:它反映系统
13、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)控制系统 供水控制系统一般安装在供水系统柜中,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:它是整个变频恒压控制系统的核心。供水控制器直接对系统中 的工况、压力、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)进行控制。 变频器:它是对水泵进行转速控制单元。变频器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。 电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关
14、等电气元件组成。用 于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换等。 (4) 人机界面 人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面,使用者可以更改 设定压力,修改一些系统设定。 (5)通讯接口 通讯接口是本系统的一个重要组成部分,通过该接口,系统可以和组态软件 以及其他的工业监控系统进行数据交换。 (6)报警装置 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、出水超压、泵站内溢水等等造成的 故障,因此系统必须要对各种报警量实时反馈,由PLC 判断报警类
15、别, 进行显示和 保护动作控制,以免造成不必要的损失。 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 6 2.3 系统设计 系统主电路图如下: 图 2.3 主电路图 由图2.3 可以看出,合上空气开关,供水系统投入运行。PLC 中程序首先接通 KM6 , 并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定) 与压力实际值(来 自于压力传感器) 的偏差进行 PID调节,并输出频率给定信号给变频器。变频器根 据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力 设定值的上、下限范围之内,实现恒压控制。同时变频器在运行频率器的运行频 率是否到达信号,由程序判断是否要起动第2台泵(或第
16、3台泵)。当变频器运行 频率达到频率上限值, 并保持一段时间, 则PLC 会将当前变频运行泵切换为工频运 行,并迅速起动下一台泵变频运行。 此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测 信号进行分析、 计算、判断,进一步控制变频器的运行频率,使管压设定值的上、 下限偏差范围之内。 增泵工作过程:假定增泵顺序为1、2、3泵。开始时, 1泵电机在 PLC 控制下线 投入调速运行,其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力设定时变频器输 出频率升高,水泵转速上升,反之下降。当变频器的输出频率达到上限,并稳定 运行后,如果供水压力仍没达到设定值,则需进入增泵过程。 在PLC 的逻辑控制下 将1泵电机与变
17、频器连接的电磁开关断开,1泵电机切换到工频运行,同时变频器 与2泵电机连接,控制 2泵投入调速运行。如果还没有达到设定值,则继续按照以 上步骤将 2泵切换到工频运行,控制 3泵投入变频运行。 减泵工作过程:假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于设定值时, 变频器输出频率降低,水泵速度下降,当变频器的输出频率达到下限,并稳定运 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 7 行一段时间后,把变频器控制的水泵停机,如果供水压力仍大于设定值,则将下 一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行,并继续减泵工作过程。 2.4 控制思想 本设计的程序流程图如下,启动系统后首先判断报警信号是否有效,有效则
18、 停泵和报警输出,无效则设定水压设定,如果设定水压等于实际水压则无其他操 作,如果实际水压大于设定水压执行降压控制,反之,执行升压控制。 开始 启动运行 执行降压控制(减 泵) 报警信号有效停泵和报警输出 实际压力=设定压力? 实际压力设定压力? 执行升压控制(加 泵) 水压设定 NO YES NO YES YES NO NO NO 图 2.4 变频恒压供水系统控制流程图 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 8 第三章系统硬件组成及选型 本设计中,变频恒压供水系统它主要是由西门子PLC300 、变频器、触摸屏、 压力传感器、以及3台水泵等组成。 用户通过触摸屏上的控制画面和趋势试图来了
19、解和控制系统的运行。 3.1 PLC 可编程控制器是 60年代末在继电器系统上发展起来的,当时称作可编程逻辑 控制器 (Programmable Logic Controller),简称 PLC 。可编程控制器的产生和发 展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电 磁开关,但在复杂的控制系统中,故障的查找和排除非常困难,不适应于工艺要 求发生变化的场合。由此,产生了可编程控制器,它是以微处理器为基础,综合 了计算机技术、自动控制技术和通讯技术,用面向控制过程、面向用户的简单编 程语句,适应工业环境,是简单易懂,操作方便、可靠性高的新一代通用工业控 制器,是当代工业自
20、动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/ 输出接 口,并具有较强的驱动能力,但它的产品并不针对某一具体工业应用,其灵活标 准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中,其硬件可根据实际需要选 用配置,其软件则需要根据要求进行设计。 图 3.1 PLC 的硬件结构框图 可编程逻辑控制器,采用的是计算机的设计思想,最初主要用于顺序控制, 只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展,以及工业自 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 9 动化控制愈来愈高的需求, PLC 无论在功能上、 速度上、智能化模块以及联网通信 上,都有很大的提高。 现在的 PLC 已不只是开关量控
21、制, 其功能远远超出了顺序控 制、逻辑控制的范围,具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。 美 国电 气 制 造 商 协 会 (NEMA) 将 其 正式 命 名 为可 编 程 控制 器 (Programmable Controller),简称 PC ,但是为了和个人计算机(Persona1 Computer) 的简称 PC 相 区别,人们常常把可编程控制器仍简称为PLC 。 3.1.1 PLC 在恒压供水系统中的任务 (1)PLC 用来调节水压的给定值和反馈值。而且,在PLC产生之前,用调节器 设定 PID 参数,一个传统的调节器只能达到一路控制,用PLC作为调节器,只要 在 PLC
22、里设定相应的数字参数便可实现多路PID 控制。 (2) 控制多个水泵的运行及切换。 在恒压供水系统中, 由于需要根据管网水压 的大小来改变水泵的运行状态, PLC的输出继电器就是控制多个水泵之间的工频/ 变频切换以及水泵的启停控制。 (3) 变频器的驱动。在系统中,管网水压等信号量都属于模拟量,所以在PLC 主机外需要扩展一个模拟量输入输出模块。利用该模块输入压力传感器发来的信 号并转化为模拟信号,将这个输出的值与给定值和反馈值比较,并将比较结果经 PLC的 PID模块 FB41处理转换后由模拟量输出模块输出模拟量,进而控制变频器 的运行。 3.1.2 PLC 的选型 本次设计任务书中要求使用
23、西门子PLC S7-300,因此接下来是以S7-300PLC 为例介绍的。 S7-300PLC具有其他型号PLC的所有优点,且在本设计中由于需要 实时采集管网水压信号,因此,需要模拟量输入输出模块;而PLC S7-300有此 模块 FC105FC106 。PLC S7-300还具有内置 PID 模块 FB41 。因此,选择 PLC S7-300 可以不用另外再选择PID 模块。 3.2 变频器 3.2.1 变频器的构成 通常由变频器主电路 (IGBT 、BJT、或 GTO 作逆变元件) 给异步电动机提供调 压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率,由控制回路的控制指令进行控制。 江西理工大学2
24、014 届毕业设计(论文) 10 而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响 应的场合,运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路 信号,即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外,还应保护异步电 动机及传动系统等。 主电路 速度检测电路 驱动电路电压 / 电流 检测电路 运算电路 保护电路 电源 控制指令 运转指令 控制电路 A控制电路 B 速度检出器 M 控制电路 图3.2 变频器的构成图 1. 主电路: 给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,称为主电路。图3.2 所示 是典型的电压逆变器的例子,其主电路由三部分构成,将工频电源变换
25、为直流功 率的“整流器” ,吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路” 以及将直流 功率变换为交流功率的 “逆变器”。 另外,异步电动机需要制动时, 有时要附加“制 动回路” 。 (1)整流器 最近大量使用的是二极管的交流器,图3.2 所示,它把工频电源变换为直流 电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行 再生运转。 (2)平波回路 在整流器整流后的直流电压中,含有电源6 倍频率的脉动电压,此外逆变器 产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电压吸收脉 动电压(电流) 。装置容量小时, 如果电源和主电路的构成器件有余量,可以省去 电感采用简
26、单的平波回路。 (3)逆变器 同整流器相反,逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率, 根据 PWM 控制信号使 6 个开关器件导通、关断,就可以得到三相频率可变的交流 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 11 输出。 (4)制动回路 异步电动机在再生制动区域使用时 (转差率为负),再生能量储存于平波回路 电容器中,使直流电压升高。一般说来,由机械系统(含电动机)惯量积蓄的能 量比电容能储存的能量大,需要快速制动时,可用由逆变流器向电源反馈或设置 制动回路(开关和电阻)把再生功率消耗掉,以免直流电路电压上升。 2. 控制电路: 给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制
27、信号的回路,称为 控制电路。如图 3.2 所示,控制电路由以下电路组成, 频率、电压的“运算电路”, 主电路的“电压 / 电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制 信号进行放大的“驱动电路” ,以及逆变器和电动机的“保护电路” 。 在图 3.2 点划线内,仅以控制电路 A部分构成控制电路时, 无速度检测电路, 为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路,即增加了速度指令,可以 对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。 控制电路主要包括: (1)运算电路 将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决 定逆变器的输出电压、功率。 (2)电压 / 电流
28、检测电路 与主电路电位隔离,检测电压、电流等。 (3)驱动电路 为驱动主电路器件的电路。它使主电路器件导通、关断。 (4)速度检测电路 以装在异步电动机轴上的速度检测器(TG 、PLG等)的信号为速度信号 送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 (5)保护电路 检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过压等异常时,为了防止逆变器 和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 保护回路主要包括: (1)逆变器保护 1)瞬时过电压保护。 由于逆变器负载侧短路等, 流过逆变器器件的电流达到 异常值(超过容许值)时,瞬时停止逆变器运转,切断电流。交流器的输出电流 达到异常值,也
29、同样停止逆变器运转。 2)过载保护。逆变器输出电流超过额定值,且持续流通达规定的时间以上, 为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性,采 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 12 用热继电器或者电子热保护(使用电子电路)。过负载是由于负载的GD 2(惯性) 过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。 3)再生过电压保护。 采用逆变器使电动机快速减速时,由于再生功率直流电 路电压将升高,有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办 法,防止过电压。 4)瞬时停电保护。 对于数毫秒以内的瞬时停电,控制电路工作正常。 但瞬时 停电时间在 10ms以上时,通常会
30、使控制电路误动作, 主电路也不能供电, 所以检 出后使逆变器停止运转。 5)接地过电流保护。 逆变器负载侧接地时, 为了保护逆变器, 有时要有接地 过电流保护功能。但为了确保人身安全,需要转设漏电断路器。 6)冷却风机异常。 有冷却风机的装置, 但风机异常时装置内温度将上升,因 此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器,检出异常后停止逆变器。 (2)异步电动机的保护 1)过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用,但考虑低速运转的过热时, 在异步电动机内埋入温度传感器,或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过 热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。 2)超频(超速)保护。
31、逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值 时,停止逆变器运转。 (3)其他保护 1)防止失速过电流。 急加速时, 如果异步电动机跟踪迟缓, 则过电流保护电 路动作,运转就不能继续进行(失速) 。所以,在负载电流减小之前要进行控制, 抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流,也进行同样的控制。 2)防止失速再生过电压。 减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升,为 了防止再生过电压保护电路动作,在直流电压下降之前要进行控制,抑制频率下 降,防止失速再生过电压。 3.2.2 变频器型号选择 变频器产品说明书都提供了标称功率数据,但实际上限制变频器使用功率的 是定子电流参数,因此,直接
32、按照变频器标称功率进行选择,在实践中可能会行 不通。根据具体工程情况,可以有几种不同的变频器规格选择方式。 1. 按照标称功率选择 一般而言,按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据,在不清楚电动 机额定电流时使用,比如电动机型号还没有最后确定的情况。作为估算依据,在 一般恒转矩负载应用时可以放大一级估算,例如,90KW 电动机可以选择110KW 变 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 13 频器。在需要按照过载能力选择是,可以放大一倍来估算,例如,90KW 电动机可 以选择 185KW 变频器。 2. 按照电动机额定电流选择 对于多数的恒转矩负载新设计项目,可以按照这个方式选择变频器
33、规格: IevfK1Ied (3-1) 式中,Ievf 是变频器额定电流; Ied是电动机额定电流; K1是电流裕量系数, 根 据应用情况一般可取为1.05 1.15 ,一般情况可取小值, 在电动机持续负载率超 过 80% 时,则应该取大值,因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过 80% 来确定的。另外,启动停止频繁的时候也应该考虑取大值,这是因为启动过程 以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流,频繁启动停止则相当于增 加了负载率。 3. 按照电动机实际运行电流选择 这个方式用于改造工程, 对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况,可以 选择功率比较合适的变频器以节省投资: Ie
34、vfK2Id (3-2) 式中,K2是电流裕量系数,考虑到测量误差,可取K2=1.11.2 ,在频繁启动 停止时应该取大值; Id是电动机实测运行电流,指的是稳态运行电流,不包括启 动、停止和负载突变的动态电流,实测时应该针对不同工况作多次测量,取其中 最大值。 4.按照转矩过载能力选择 变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低,因此,按照常规配 备变频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。由于变频器能够控制在稳定 转矩下持续加速直到全速运行,因此,平均加速度并不低于直接启动的情况,一 般应用中没有什么问题。 通过上述论述和系统要求,决定选用富士公司的P11S系列变频器 P11S 。
35、系 列是风机泵用标准系列,采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制,能 在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进的驱 动控制技术 10 。 3.2.3 开关指令信号的输入 变频器的输入信号中包括对运行、停止,正转、反转、微动等运行状态进行 操作的开关型指令信号 ( 数字输入信号 )。变频器通常利用继电器接点或具有继电 器接点开关特性的元器件 ( 如晶体管 ) 与 PLC连接,获取运行状态指令。使用继电 器接点时,常因接触不良而带来误动作; 使用晶体管进行连接时, 则需要考虑晶体 管本身的电压、电流容量等因素,保证系统的可靠性。在考虑变频器的输入信号 江西理工大学2
36、014 届毕业设计(论文) 14 电路时还应该注意到,当输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作。 如当输入信号电路采用继电器等感性负载,继电器开闭时产生的浪涌电流带来的 噪声有可能引起变频器的误动作,应该尽量避免,这时可以考虑采用阻容振荡吸 收,光电隔离的方式。 3.2.4 变频器与 PLC的连接 变频调速系统 R S T U V W M Y2 Y1 CME Y5C X1 FWD 12 CM 频率到达 50HZ 频率到达 5HZ 11 Y5A QF KM KA3 KA4 24V FR 图 3.3 变频器与PLC连接图 变频器与 PLC的连接如主电路图所示,其中变频器各端子功能如下: R
37、,S,T 端子为主电路的电源输入端子,连接三相电源,不需考虑连接相序; U,S,W 端子为变频器输出连接端子,连接三相电机水泵,如电机转动方向不对, 则可交换其中的任意两相; G端子为接地端子; 端子 11为模拟输入信号的公共端 子;端子 12 为设定电压输入端, 输入 PID 控制的反馈信号, 以此来设定频率; FWD 端子为正转运行 / 停止命令端子,端子 FWD-CM 间:闭合( ON ) ,正转运行;断开 (OFF ) ,减速停止,此端子有 PLC输出点控制; 接点输入公共端 CM 为接点输入信 号的公共端子; X1为选择输入 1 端子,作为报警复位命令信号端子;Y1、Y2为晶 体管输
38、出 1 端子与晶体管输出 2 端子,为水位上限与下限报警端子;晶体管输出 公共端 CME ,为晶体管输出信号的公共端子,端子CM和 11 在变频器内部相互绝 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 15 缘;可选信号输出继电器端子Y5A,Y5C,为变频器报警输出端子。 3.3 外围设备选型 表 3.1 外围设备参数表 序号名称型号 1 电磁阀VF5-50/70 2 接触器CJ25-10/CJ25-15 3 热继电器JR16B-60/3D 4 液位传感器LSF-3 5 压力传感器CY-YZ-1001 3.3.1 电磁阀的选型 (1) 入罐液体选用 VF5-50 型电磁阀。 其中“V”表示电磁阀
39、, “F”表示防腐蚀, 5 表示设计序号, 50 表示口径(mm ) 宽度。 相关元件主要技术参数及原理如下: 材质:聚四氟乙烯。使用介质:硫酸、盐酸、有机溶剂、化学试剂等酸碱性 的液体; 使用电压: AC:220V 50Hz/60Hz DC:24V; 功率: AC: 2.5KW; 介质温度 150/ 环境温度 -2060; 操作方式:常闭:通电打开、断电关闭,动作响应迅速,高频率。 (2)出罐液体选用 AVF-70型电磁阀。 其中“ A”表示可调节流量,“V”表示电磁阀,“F”表示防腐蚀, 70 表示口 径(mm )宽度。 相关元件主要技术参数及原理如下: 其最大特点就是能通过设备上的按键设
40、置来控制流量,达到定时排空的效果; 使用电压: AC: 220V 50Hz/60Hz DC:24V; 其阀体材料为:聚四氟乙烯,有较强的抗腐蚀能力; 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 16 功率: AC: 5KW 。 3.3.2 接触器的选型 选用 CJ25-10/CJ25-15 型接触器 其中“C”表示接触器, “J”表示交流, 25 表示设计编号, 10/15 为主触头额 定电流。 相关元件主要技术参数及原理如下:操作频率为1200/h;机电寿命为1000 万次;主触头额定电流为10/15(A) ;额定电压为 380/220(V) ;功率为 2.5KW 。 3.3.3 热继电器的选
41、型 选用 JR16B-60/3D 型热继电器其中“ J”表示继电器,“D”带断相保护。 相关元件主要技术参数及原理如下:额定电流为20(A) ;热元件额定电流为 32/45(A) 。 3.3.4 液位传感器的选型 选用 LSF-3 型液位传感器 其中“L”表示是光电的,“S”表示传感器,“F”表示是防腐蚀的, 3 为最大 工作压力。 LSF 系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光电反 射折射原理,当没有液体时,光被前端的凌镜面或球面反射回来;有液体覆盖光 电探头球面时,光被折射出去,这使得输出发生变化,相应的晶体管或继电器动 作并输出一个开关量。应用此原理可制作成单点或多点
42、液位开关。LSF 光电液位 开关具有较高的适应环境的能力,在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。 相关元件主要技术参数及原理如下: (1)工作温度上限为 125; (2)工作压力 3Mpa ; (3)触点容量为 70W ; (4)触点寿命为 100 万次; (5)切换电流为 0.5A; (6)开关电压为 DC24V 。 3.3.5 压力传感器 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 17 压力传感器使用 CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原 理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成,当压力 作用于传感器时,敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化,
43、信号调 理电路将输出的电压信号作放大处理,同时进行温度补偿、非线性补偿,使传感 器的电性能满足技术指标的要求。 该传感器的量程为 02.5MPa ,工作温度为 560 ,供电电源为 283V (DC ) 。 3.4 电机的选型 选用 EJ15-3 型电动机 其中“E”表示电动机, “J”表示交流的, 15 为设计序号, 3 为最大工作 电流。 相关元件主要技术参数及原理如下: EJ15系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。 额定电压为 220V,额定频率为 50HZ ,功率为 2.5KW ,采用三角形接法。 电动机运行地点的海拔不超过1000M 。工作温度 -1540/ 湿
44、度 90% 。 EJ15系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可 靠。其硬件接线如图3.4 : 图 3.4 电机硬件接线图 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 18 第四章系统 PLC程序设计及 SETP7编程 4.1 S7-300 系列 PLC简介 S7-300PLC 是西门子公司于 20世纪90年代中期推出的新一代 PLC ,采用模块化 结构设计,用搭积木的方式来组成系统。 S7-300属于中小型 PLC ,很强的模拟量处 理能力和数字运算处理, 有许多过去大型 PLC 才有的功能,其扫描速度甚至超过了 许多大型 PLC 。S7-300PLC 功能强、速速快、扩
45、展灵活,它具有紧凑的、五槽位限 制的模块化结构S7-300PLC 采用 U型背板总线将各模块连接起来,可利用MPI、 PROFIBUS和工业以太网组成网络。使用STEP7 组态软件可以对硬件进行组态和设 置,CPU 的智能化诊断系统可连续监控系统功能并记录错误和特定的系统事件,多 级口令保护壳使用户有效保护其专用技术,防止未允许的拷贝和修改。 4.1.1 S7-300PLC 的组成 1. 导轨 导轨( BACK )是安装 S7-300各类模块的机架, S7-300采用背板的方式将各模 块从物理上和电气上连接起来。 2. 中央处理器( CPU ) 与通用计算机的 CPU 一样,PLC 中的CPU
46、 也是整个系统的核心部件。 主要有运算 器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的地址总线、数据总线和控制总线构成, 此处还有外围芯片、总线接口以及有关电路。CPU 在很大程度上决定了 PLC 的整体 性能,如整个系统的控制规模、工作速度和内存容量等。 3. 电源模块 电源模块(PS )用于将 220V电源转换为 DC24V 电源,供CPU 和I/O 模块使用。 额 定输出电流有 2A、5A、10A三种,过载时模块上的 LED 闪烁。 4. 信号模块 信号模块( SM )是数字量输入 / 输出模块和模拟量输入 / 输出模块的总称,它 们使不同的过程信号电压或电流与PLC 内部的信号电平匹配,信号模
47、块主要有数字 量输入模块 SM321 和数字量输出模块 SM322 , 模拟量输入模块 SM331 和模拟量输出模 块SM332 。模拟量输入模块可输入热电阻、热电偶、DC- (4-20)ma 和DC-(0-10) V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。 5. 功能模块 功能模块( FM )主要用于对实时性和存储容量要求的控制任务,例如, 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 19 FM-350-1、FM350-2 计数器模块等。 6. 通信处理器 通信处理器( CP )用于 PLC 之间、 PLC 与计算机和其它智能设备之间的通信, 可将PLC 接入PROFIBUS-DP、AS-I和工业
48、以太网,或用于实现点对点通信等。 7. 接口模块 接口模块( IM)用于多机架配置是连接主机架(CR )和扩展机架( ER ) 。 4.1.2 S7-300的系统结构 S7-300系列PLC 是模块化结构设计,各种单独模块之间可进行广泛组合和扩 展。其系统结构如图 3-1-3 所示。 图4.1 S7-300 系统结构图 各个模块功能如下介绍: SM321: 数字量输入模块;将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部 信号电平。 SM322: 数字量输出模块;将内部信号电平转换成过程所要求的外部信号电平, 可直接驱动电磁阀、接触器、交流输出模块和交直流两用输出模块。 SM331:模拟量输
49、入模块;主要由A/D 转换部件、模拟切换开关、补偿电路、 恒流源、光电隔离和逻辑电路等组成。 SM332:模拟量输出模块; SM332 与负载/执行装置的连接: SM332 可以输出 电压,也可以输出电流。 PS307:电源模块; PS307是西门子公司为 S7-300 专配的 DC24V 电源。 安装时,插槽 1 为电源模块,中央机架( 0 号机架)的插槽 2 为 CPU 模块, CPU 必须紧靠电源模块,对电源和CPU 两块模块不分配地址。插槽3 为接口模 块,用于连接扩展机架,即使不使用接口模块,CPU 中也给接口模块分配逻辑地 址。插槽 4-11可自由分配给信号模块、功能模块和通信模块。 江西理工大学2014 届毕业设计(论文) 20 4.2 PLC I/O点及地址分配 水位上限 水位下限 变频器报警 消铃按钮 试验按钮 1号泵工频运行 I0.1 1号泵变频运行 2号泵工频运行 2号泵变频运行 3号泵工频运行 变频器报警 高低液位报警 报警声 I0.0 I0.2 I0.3 I0.4 L 2L 1M FR1 FR2 FR3 KA3 KA4 Y5A 1号泵过载 2号泵过载 3号泵过载 I0.4 I0.5 I0.6 SB1 SB2 CPU315-2DP KM1 Q0.0 HL1 FR
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