恒压供水系统的设计要点.pdf
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1、成都理工大学工程技术学院 自动化专业课程设计报告 题目:恒压供水系统的设计 姓名:邢伟 学号:201120307217 专业:2011级自动化 指导教师:幸晋渝老师 目录 第一章 恒压供水的概念引入 1 1.1 绪论 1 1.2 本课题的主要研究内容. 3 第二章系统的控制方案 . 4 2.1 变频恒压供水系统的理论分析 4 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 4 第三章系统的硬件设计 . 6 3.1PLC 及其扩展模块的选型 . 6 3.2 变频器的选型 7 3.3 系统主电路分析及其设计 8 3.4 PLC 的 I/O 端口分配 . 9 3.4.1 基于 PLC 的变频恒压供水系统设计
2、的基本要求. 9 3.4.2 控制系统的I/O 点及地址分配 . 10 3.5 恒压供水系统控制电路的设计. 11 第四章组态画面的设计 11 4.1 人机界面、 EV5000 的引入 11 4.2 制作一个最简单的工程 13 4.3 恒压供水系统组态的建立. 16 第五章系统的软件设计 18 5.1 系统软件设计分析 18 5.2 PLC 程序设计 . 20 1 第一章恒压供水的概念引入 1.1 绪论 随着社会的发展和进步, 城市建筑的供水问题日益突出, 一方面要求提高供 水质量,不要因为压力的波动造成供水障碍;另一方面要求供水的可靠性和安全 性。针对这两方面的要求, 新的供水方式和控制系统
3、应运而生,这就是 PLC控制 的恒压无塔供水系统。 恒压供水系统就是生活用水的恒压控制系统。恒压供水保 证了供水的质量, 以 PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能,提高了系统 的可靠性。 传统的供水方式有:恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液 力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式, 其优、缺点如下: (1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增 减都依赖人工进行手工操作, 自动化程度低, 而且为保证供水, 机组常处于满负 荷运行,不但效率低、耗电量大,而且在用水量较少时,管网长期处于超压运行 状态,爆损现象严重,电机硬
4、起动易产生水锤效应,破坏性大,目前较少采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、 技术简单、 不受高度限制等特点, 但此方式调 节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、 系统维护工作量 大,而且为减少水泵起动次数,停泵压力往往比较高,致使水泵在低效段工作。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、 短时间维修或停 电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为 硬起动,启动电流大等缺点, 频繁起动易损坏联轴器, 目前主要应用于高层建筑。 (4) 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,只能是一对一驱动,
5、需经常检修;优点是价格低廉,结构简单 明了,维修方便。 (5) 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4 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。 综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源; 效率 2 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 显着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
6、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;三是能减小水泵、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靠性,同时系统具 有良好的节能性, 这在能源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。 下面是一个两泵生活恒压供水系统。如图所示,市网来水用高低水位控制 器 EQ来控制注水阀
7、MB1 ,它们自动把水注满储水池,只要水位低于高水位,则 自动往水箱中注水。水池的高/ 低水位信号也直接送给PLC,作为低水位报警用。 为了保证供水的连续性水位上下限传感器高低距离不是相差太大。生活用水使用 两台泵。两台泵根据生活用水的多少,按一定逻辑控制运行, 使生活用水在恒压 状态(生活用水低恒压值)下进行。 市网来水 MB1 BGH BGL EQ 水池 1# 2# 生活用水 恒压供水系统工艺流程图 3 恒压供水系统的基本要求是: 1.生活供水时,系统应在低恒压值运行。 2. 两台泵根据恒压的需要,采取“先开先停”的原则接入和退出。 3. 在用水量小的情况下,如果一台泵连续运行时间超过3h
8、,则要切换到下一 台泵,即系统具有“倒泵功能” ,避免某一台泵工作的时间过长。 4 两台泵在启动时要有软启动功能。 5. 要有完善的报警功能。 6 对泵的操作要有手动控制功能, 手动和自动都要用PLC进行控制,手动只在 应急或检修时临时使用。 7. 要实现触摸屏对 PLC的控制。 (触摸屏用步科 MT4300C 触摸屏) 1.2 本课题的主要研究内容 本设计是以小区供水系统为控制对象,采用 PLC和变频技术相结合技术, 设 计一套城市小区恒压供水系统,保证了整个系统运行可靠, 安全节能, 获得最佳 的运行工况。 PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和 现场的水泵机组
9、一起组成一个完整的闭环调节系统,本设计中有 2 台水泵,水泵 的启停。它的设计要求: (1)根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停,当压力低于正常压力时 启动一个水泵, 10s 后仍低,则启动下一台;当压力高于正常压力时。切断一台 水泵, 10s 后高压信号仍存在,切断下一台。 (2 )恒压供水系统主要是由2 个水泵完成对主管道供水压力的维持,考虑 到电机的保护, 要求 2 台水泵的运行时间和频率尽可能一致。也就是说, 需要接 通时,首先启动停止时间最长的那台, 而需要切断时则先停止运转时间最长的那 台。 4 第二章系统的控制方案 2.1 变频恒压供水系统的理论分析 水泵电机多采用三相异步电动
10、机,而其转速公式为: 60 (1) f ns p (2.1) 式中: f 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: (l) 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, 且调速性能也好, 但由于线路过于复杂, 增加了中间
11、环节的电能损 耗,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。 2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定 恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、 水泵机组以 及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或 循环控制多台水
12、泵, 实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工 频水泵的切换, 同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要 求,有以下几种方案可供选择: 5 (1) 有供水基板的变频器 +水泵机组 +压力传感器 这种控制系统结构简单, 它将 PID 调节器和 PLC可编程控制器等硬件集成在 变频器供水基板上, 通过设置指令代码实现PLC和 PID等电控系统的功能。 它虽 然微化了电路结构, 降低了设备成本, 但在压力设定和压力反馈值的显示方面比 较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID 调节参数寻优 困难,调节范围小,系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展
13、功能缺 乏灵活性, 数据通信困难, 并且限制了带负载的容量, 因此仅适用于要求不高的 小容量场合。 (2) 通用变频器 +单片机 (包括变频控制、调节器控制)+人机界面 +压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性价比, 但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差,同时 变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以必须 采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容 量的变频恒压供水中。 (3) 通用变频器 +PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面 +压力传感器 这种控制方式灵活方便。 具有
14、良好的通信接口, 可以方便地与其他的系统进 行数据交换, 通用性强; 由于 PLC产品的系列化和模块化, 用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。 在硬件设计上, 只需确定 PLC的硬件配置和 I/O 的外 部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制 程序,所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统 的可靠性大大提高。 该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合,并且与供水 机组的容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出第三种控制方案更适合于本 系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点, 又能达到系 统稳
15、定性及控制精度的要求。 6 第三章系统的硬件设计 3.1PLC 及其扩展模块的选型 PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心,它要完成对系统中所有输入号的 采集、所有输出单元的控制、 恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择 PLC时,要考虑 PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协 议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动 控制系统控制设备相对较少,因此PLC选用德国 SIEMENS 公司的 S7-200 型。 S7-200 型 PLC的结构紧凑,价格低廉,具有较高的性价比,广泛适用于一些小 型控制系统。 SIEMENS 公司的 PLC具有可
16、靠性高,可扩展性好,又有较丰富的通 信指令等优点; PLC可以上接工控计算机,对自动控制系统进行监测控制。 根据控制系统实际所需端子数目,从上面分析可以知道,系统共有开关量 12 个,开关量输出点11 个;模拟量输入点 1 个,模拟量输出点1 个。如果选用 CPU224 也需要扩展单元;如果选用CPU226PLC, 则价格昂贵,浪费较大。参照西 门子 s7200PLC产品目录及市场实际价格,选用主机为CPU222 (8入/6 继电器输 出)一台,加上一台扩展模块EM223(8入/8 继电器输出 ) ,再扩展一个模拟量模 块 EM235(4AI/1AO)。这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配
17、置 7 图 3-1 3.2 变频器的选型 变频器是本系统控制执行机构的硬件,通过频率的改变实现对电机转速的调 节,从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。 根据控制功能不同,通用变频器可分为三种类型:普通功能型U/f 控制变频器、 具有转矩控制功能的高功能型U/f 控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供 8 水系统属泵类负载, 低速运行时的转矩小, 可选用价格相对便宜的U/f 控制变频 器。 由于本设计中 PLC选择的西门子 S7-200 型号,为了方便 PLC和变频器之间 的通信,我们选择西门子的MicroMaster440 变频器。它是用于三相交流电动机 调速的
18、系列产品,由微处理器控制,采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件, 具有很高的运行可靠性和很强的功能。 3.3 系统主电路分析及其设计 基于 PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3-3 所示:两台电机分别为M1 、 M2 ,它们分别带动水泵1#、2#。接触器 KM1 、KM3分别控制 M1 、M2的工频运行; 接触器 KM2 、KM4分别控制 M1 、M2的变频运行; BB1 、BB2分别为两台水泵电机 过载保护用的热继电器。如图3-3 所示 本系统采用两泵循环变频运行方式, 即两台水泵中只有一台水泵在变频器控 制下作变速运行, 另外一泵停止运行或在工频下做恒速运行,在用水量小的情况 下,如果
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