毕业设计(论文)-PLC恒压变频供水控制系统设计.doc
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1、I 摘摘 要要 建设节约型社会,合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。根据 生活小区用水时间集中,用水量变化较大的特点,分析了小区原供水系统存在成本高, 可靠性低,水资源浪费,管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵 提水相结合的方式,并配以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器等不同功能的传感 器,根据管网的压力,通过变频器控制水泵的转速,使水管中的压力始终保持在合适 的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。 另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系,所以水泵调速运行的节能效 果非常明显,平均耗电量较通常供水方式节省近四成。结合使用可编程
2、控制器,可实 现主泵变频,具有短路保护、过流保护功能,工作稳定可靠,较大的延长了电机的使 用寿命。 关键词关键词:恒压变频供水 变频器 PLC 自动控制 II ABSTRACT Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and the effective protecting water resources is an arduous task. According to the characteristic of the time to focus on water of the
3、 domestic and variation in water consumption ,it analyzes that there are questions that highly cost ,low reliability ,the water-resources waste, and the consummate of the pipe network system of the old water-supply system in the residential area. So we proposed that we could make use of the way of c
4、ombining hydraulic pressure water supply of the running water with the water pump, and accompanied by the transducer, PLC, the pressure sensor, the fluid position sensor and so on. According to the pressure of the network management, it could maintain the pressure of the pipe in appropriate range th
5、rough controlling rotational speed of the water pump through the inverter commands .Thus we may solve the problem that the insufficient pressure caused by the high floor and the high energy consumption when the current is small. Moreover the electric power consumption of the water pump and the rotat
6、ional speed of the electrical machinery is proportional three cubed the relations, therefore the energy conservation effect of the water pump velocity modulation movement is obvious, the average power consumption usual water supply way saves 40%.Combined with the programmable controller, we may real
7、ize the main pump frequency conversion which has the short circuit protection, the overflow protection function stably and the work reliable, thus we extend electrical machinerys service life greatly. Key words: Constant pressure frequency conversion water supply, the transducer, PLC, automatic cont
8、rol 1 目目 录录 目目 录录1 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论.3 3 1.11.1 恒压供水问题的提出恒压供水问题的提出.3 3 1.21.2 本课题产生的背景和意义本课题产生的背景和意义.4 4 1.31.3 变频恒压供水现况变频恒压供水现况4 4 1.3.1.3.1 1 国内外恒压供水现况国内外恒压供水现况4 4 1.3.21.3.2 变频恒压供水系统应用范围变频恒压供水系统应用范围5 5 第第 2 2 章章 变频恒压供水系统的硬件设备变频恒压供水系统的硬件设备6 6 2.12.1 变频器变频器6 6 2.1.12.1.1 变频器的变频器的基基本原理本原理.6 6 2.1.22
9、.1.2 变频器结构电路图变频器结构电路图.7 7 2.1.32.1.3 变频器的配线变频器的配线8 8 2.2.2 2 其他低压电器的选择其他低压电器的选择1212 2.32.3 文本显示器文本显示器.1212 2.2.4 4 传感器的应用传感器的应用1313 第第 3 3 章章 PIDPID 调节在恒压供水中的应用调节在恒压供水中的应用.1414 3 3.1.1 概况概况1414 3 3.2.2 PIDPID 调节原理调节原理1414 3 3.3.3 PIDPID 参数设置参数设置1616 第第 4 4 章章 恒压供水系统软件设计恒压供水系统软件设计1818 4 4.1.1 梯形图的绘制原
10、则梯形图的绘制原则.1818 4 4. .2 2 I/OI/O 点的统计点的统计1818 4 4.3.3 I/OI/O 点的分配点的分配1818 2 4 4. .4 4 PLCPLC 的选型基本原则的选型基本原则 .1919 4 4. .5 5 组态软件组态软件1919 第第 5 5 章章 恒压供水系统的硬件设计恒压供水系统的硬件设计2020 5 5.1.1 恒压供水系统的构成方案恒压供水系统的构成方案.2020 5.25.2 恒压供水系统的控制方案恒压供水系统的控制方案.2222 第第 6 6 章章 恒压供水系统的总结与展望恒压供水系统的总结与展望2424 6.16.1 总结总结2424 6
11、.26.2 展望展望2424 致致 谢谢2525 参考文献参考文献.2626 附录附录 1 1 PLCPLC 程序流程图程序流程图.2727 附录附录 2 2 PLCPLC 程序程序.3030 附录附录 3 3 恒压供水画面恒压供水画面.3333 3 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中,基本 上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动,把供水管 网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量,如果能在提高 供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗,将具有重要
12、经济 意义。我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多,在工程规模上也有一定水平, 但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定的 差距。 随着社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。 衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定,因为水压恒定于某些工业或特殊 用户是非常重要的,如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火, 会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的,因此用水和供水之 间的不平衡的现象时有发生,并且集中反映在供水的压力上:用水多而供水少,则供 水压力低;用水少而供水多,则供水压力大。保持管网的水压
13、恒定供水,可使供水和 用水之间保持平衡,不但提高了供水的产量和质量,也确保了供水生产以及电机运行 的安全可靠性。 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。利用变频技术与自动控制技术相结合, 在中小型供水企业实现恒压供水,不仅能达到比较明显的节能效果,提高供水企业的 效率,更能有效保证从水系统的安全可靠运行。变频恒压供水系统集变频技术、电气 传动技术、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,方便地实现供水系统的集中管理与监控。同时可达到良好的节能性,提高供 水效率。所以设计基于变频调速的恒
14、定水压供水系统(简称变频恒压供水,如图 1.2), 对于提高企业效率以及人民的生活水平,同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。 4 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 蓄水 池 电机 水泵 阀门 供 水 主 管 网 变频器 PLC 图1.1 传统供水机示意图 图1.2 变频供水机示意图 1.21.2 本课题产生的背景和意义本课题产生的背景和意义 我国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,工业自动化程度低。传统调节供水压力的方式,多采用频繁启/停电机控制和 水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的,而且对电网中其他负荷造成影响, 设备不断启停会
15、影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。而变频调速式的运行 十分稳定可靠,没有频繁的启动现象,启动方式为软启动,设备运行十分平稳,避免 了电气、机械冲击,也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见,变频调速 恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力 大、运行稳定可靠的优势,具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 1.31.3 变频恒压供水的现况变频恒压供水的现况 1.3.11.3.1 国内外变频供水系统现状国内外变频供水系统现状 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。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
16、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,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 和 PID 调节器实现恒压供水,在小容 量、控制要求低的变频供水领域,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。 5 1.3.21.3.2 变频供水系统应用范围变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按
17、所使用的范围大致分为三类: (1) 小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站, 特点是变频控制的电机功率小,一般在 135kW 以下,控制系统简单。由于这一范围的 用户群十分庞大,所以是目前国内研究和推广最多的方式。 (2) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、 电机功率在 135kV320kW 之间,电网电压通常为 220V 或 380V。受中小水厂规模和经 济条件限制,目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频
18、供水系统用于大中城市的主力供水厂,特点是功率大(一般都大于 320kW)、 机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高,多数采用 了国外进口变频器和控制系统。 6 第第2 2章章 变频恒压供水控制系统硬件的设计变频恒压供水控制系统硬件的设计 2.12.1 变频器变频器 2.1.12.1.1 变频器的基本原理变频器的基本原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制 装置。现在使用的变频器主要采用交直交方式(VVVF 变频) ,先把工频交流电源通 过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源 以供给电动机。变频器的
19、电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器, 且输出为 PWM 波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 从理论上可知电机的转速 N 与供电频率 f 有以下关系: ( q-电机极数 s-转差率) (2-1) )1 ( 602 s q f n 由上式可知,转速 n 与频率 f 成正比,如果不改变电动机的级数,只要改变频率 f 即可改变电动机的转速,当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时,电动机转速调节范围 非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、 高性
20、能的调速手段。 变频器在工频以下和工频以上工作时的情况: (1)变频器小于 50Hz 时,由于 I*R 很小,所以 U/F=E/F 不变时,磁通为常数,转矩 和电流成正比,这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力, 并成为恒转矩调速。 (2)变频器 50Hz 以上时,通常的电机是按 50Hz 电压设计制造的,其额定转矩也是在 这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。 (T=Te, P60Hz 时,X 会相应减小。对于电机来说, (K-常数,I-电流,X-磁通) (2-4)XIKT 因此转矩 T 会跟着磁通 X 减小而减小。 结论:当变频器输出频率从 5
21、0Hz 以上增加时,电机的输出转矩会减小。 2.1.22.1.2 变频器结构电路图变频器结构电路图 主回路主要由整流电路、限流电路、滤波电路、制动电路、逆变电路和检测取样 电路部分组成。变频器结构图如图 2-1 所示。 图 2-1 变频器结构图 8 2.1.32.1.3 变频器的配线变频器的配线 1、主回路端子台的配线图如图 2-2 所示。 图 2-2 变频器配线图 2、控制回路端子 (1)控制回路端子图 变频器实际应用中接线端子排列如图 2-3 所示。 图 2-3 变频器端子图 (2)控制回路端子功能说明 变频器中所用的各个端子说明如表 2-1 所示。 JP1 跳线说明: 电源:1-2 短接
22、,V+输出 5V/50mA。 电源:2-3 短接,V+输出 10V/10mA。 9 表 2-1 变频器端子功能表 种类端子符号端子功能备 注 V+ 向外提供+5V/50mA 电源 或+10V/10mA 电源 由控制板上 JP1 选择 V-向外提供-10V/10mA 电源 VI1频率设定电压信号输入端 1010V VI2频率设定电压信号输入端 2-1010V II 频率设定电流信号输入正端(电流流 入端) 020mA 模 拟 输 入 GND 频率设定电压信号的公共端(V+、V- 电源地) ,频率设定电流信号输入负端 (电流流出端) X1多功能输入端子 1 X2多功能输入端子 2 X3多功能输入端
23、子 3 X4多功能输入端子 4 X5多功能输入端子 5 X6多功能输入端子 6 X7 多功能输入端子 7,也可作外部脉冲信 号的输入端子 多功能输入端子的具体功能由参数 L-63 L-69 设定,端子与 CM 端闭 合有效 FWD正转控制命令端 REV逆转控制命令端 RST故障复位输入端 与 CM 端闭合有效,FWD-CM 决定面 板控制方式时的运转方向。 CM控制端子的公共端 控 制 端 子 +24 向外提供的+24V/50mA 的电源 (CM 端 子为该电源地) AM 可编程电压信号输出端,外接电压表头 (由参数 b-10 设定) 最大允许电流 1mA 输出电压 010V FM 可编程频率
24、信号输出端,外接频率计 (由参数 b-11 设定) 最高输出信号频率 50KHz、幅值 10V 模拟 输出 AM-AM、FM 端子的公共端内部与 GND 端相连 OC 输出 OC1 OC2 可编程开路集电极输出,由参数 b-15 及 b-16 设定 最大负载电流 50mA,最高承受电压 24V 故 障 输 出 TA TB TC 变频器正常:TA-TB 闭合 TA-TC 断开 变频器故障:TA-TB 断开 TA-TC 闭合 触点容量:AC250V 1A 阻性负载 RS485 通讯 A B RS485 通讯端子 10 3、变频器的基本配线图如图 2-4 所示。 图 2-4 变频器基本配线图 4、故
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