基于PLC的变频恒压供水系统.docx
- 文档编号:11439462
- 上传时间:2023-03-01
- 格式:DOCX
- 页数:57
- 大小:559.83KB
基于PLC的变频恒压供水系统.docx
《基于PLC的变频恒压供水系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于PLC的变频恒压供水系统.docx(57页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于PLC的变频恒压供水系统
毕业论文(设计)
变频恒压供水PLC控制器的设计
学生姓名:
赵阳
指导教师:
高艳萍
专业名称:
自动化
所在学院:
信息工程学院
2012年6月
目录
摘要III
AbstractIV
第一章前言1
1.1本课题研究的目的和意义1
1.2供水系统国内外研究现状1
1.3本课题的主要研究内容1
第二章系统的整体分析2
2.1供水系统的要求2
2.2供水系统的结构3
2.3供水系统控制方案的设计与选择3
2.4供水系统的工作原理4
第三章系统硬件设计7
3.1可编程控制器(PLC)概述7
3.2PLC的选择9
3.3变频器技术概述11
3.4变频器的选择12
3.5水泵的选择14
3.6其他相关设备的选择15
3.7系统硬件连接图16
第四章软件系统的设计18
4.1总体流程设计18
4.2各个模块梯形图设计25
4.3系统的测试与运行分析41
第五章结束语44
5.1论文完成情况44
5.2存在的不足44
致谢45
参考文献46
摘要
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的要求不断提高,但供水系统本身却存在着水电供应不足的压力。
本文在介绍了变频供水系统的节能原理、系统构成和工作原理的基础上。
设计了基于西门子S7-200系列PLC控制系统,通过PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力调节,经PID运算,PLC进行控制变频和工频切换,从而实现闭环自动调节恒压,进行变量供水。
本文详细地说明了此设计的硬件选型和配置、软件的流程以及梯形图,并分析了运行中存在的问题并予以改正。
该供水系统对水压实时控制性能良好,硬件模块工作稳定、可靠,变频器的控制方式采用模拟量输入,通信输出控制,通过PID指令实现闭环控制正确有效,达到了恒压供水系统的控制要求,满足城区居民工作和生活的日常用水需要。
关键词:
PLC,变频,恒压,供水
Abstract
Withtherapiddevelopmentsocialeconomy,ononehand,people’srequesttoenhancethequalityofwatersupplyandthewatersupplysystemreliabilityisincreasedcontinuously,foetheotherhand,thereisalsoagreatpressureoftheinsufficientwaterandelectricitysupply.
ThedesignofthesystemistheVFwatersupplysystemsthatcontrolledbyPLCofSiemensS7-200series.Thepaperintroducedtheprincipleofenergysaving,systemstructureandworkingprincipleofthiscontrolsystem.BythelogiccontrolofPLC,pressureadjustmentofthefrequencyconverter,operationofPID,PLCcontrolstheswitchoverbetweenvariablefrequencyandpowerfrequency,whichautomaticallymakestheclosed-loopadjustconstantpressureandconductthevariablewatersupply.Ofthesystemdesign,itgivesacomprehensiveintroductionofhardwaresystemconfiguration,selection,softwaresystemprocessdesign,andprocessdesign.Italsopointsouttheproblemsthatexistedindesignprocessandgivestherelatedsolutions.
Theconstantpressurewatersupplysystemhasgoodperformanceinreal—timewaterpressurecontrol.Thehardwaremoduleisstableandreliable.ThecontrolmodeoffrequencyconverterisanalogquantityinputandthroughthePIDordertorealizevalidcontrolofclosedloop,whichachievesthecontrolrequirementsofwatersupplysystemandsatisfiestheworkanddailywaterneedsofurbanresidents.
Keywords:
PLC,Variablefrequency,Constantpressure,Watersupply
第一章前言
1.1本课题研究的目的和意义
随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不断深入,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,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活。
1.2供水系统国内外研究现状
从查阅的资料情况来看,以前国外的恒压供水系统在设计时大都采用单台变频器控制单台水泵机组的方式,很少采用单台变频器拖动多台水泵机组运行的情况,因而投资成本高。
随着变频调速技术的发展,变频器的功能也在不断完善,特别是应用于供水系统中的变频器,工作时的稳定性、安全性和可靠性得到提高,而且其高效节能的效果越来越受用户欢迎。
国外很多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,比如日本SAMCO公司,就推出了恒压供水基板,备有变频泵循环方式和固定方式两种工作模式;还有基于PLC的变频恒压供水系统的设计将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,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多控制七台水泵工作的供水系统。
这类设备虽然使用成本不是很高,同时也集成化了电路结构,但变频器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不高,与很多组态监控软件很难实现数据通信,并且限制了拖动电机的容量,因此在实际使用过程中,其使用范围还是具有一定局限性。
通过国内外情况的分析,可以发现在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、计算机技术、网络通讯技术同时兼顾系统电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究还需深入。
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生活、生产实践[1]。
1.3本课题的主要研究内容
本设计在分析我国城市供水的实际要求基础上,依托PLC控制系统的发展,设计一种变频恒压供水PLC控制器。
在中小型恒压供水系统中,变频调速恒压供水系统由三台水泵(12.5KW)组成。
一台变频器通过PLC控制器的切换和控制,使任一台电动机处于工频或变频状态下运行,能依次进行软启动。
变频调速主回路的接触器KM1、KM2和KM3分别控制三台水泵工频运行,接触器KM4、KM5和KM6分别控制三台水泵变频运行,该系统通过变频器对电机的控制调整水泵电机的转速,根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力,实现恒压供水。
第二章系统的整体分析
2.1供水系统的要求
2.1.1供水系统电机运行分析
变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机,它是整个供水系统的动力源泉。
一般是由三项异步电动机拖动水泵旋转实现供水,并且把电动机和水泵做成一个整体,通过改变变频器供电频率,可以调节异步电动机的转速,从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。
因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
当然,三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数p和改变电动机的转差率s这两种方式来实现,这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种,它是变频器改变电动机定子的供电频率,从而改变同步转速实现调速的。
由异步电动机的工作原理可以知道,异步电动机的转速公式为[2]:
其公式中
为异步电机的同步转速,它是60倍的工频
与电动机磁极对数
的比值;
为异步电动机转差率,它是异步电动机的同步转速
跟电动机转子转速n的差值与同步转速
的比值。
从上式可知,当磁极对数
和转差率
固定不变时,电机转子转速
与只定子电源频率
成正比,因此连续调节异步电机供电电源
的频率,就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速,从而控制水泵循环工作实现恒压供水。
2.1.2供水系统的特性分析
图1供水系统的基本特性
图1所示为离心式水泵供水的基本特性,其中
和
分别表示供水系统扬程和流量。
图中两条曲线均是在供水管路中的阀门开度固定的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线。
从上图曲线可以看出,供水系统的扬程值
越小,管路供水流量
越大。
由于管阻特性是以水泵转速不变为前提,表明阀门在某一开度下,系统扬程
与流量
之间的关系,管阻特性反映了水泵的能量用来克服水体在管道中的流动阻力、水泵系统的水位及压力差的变化规律。
因此,管阻特性所反映的是扬程
与供水流量
之间的关系。
而在水泵的转速和阀门开合程度都固定的情况下,流量的大小主要取决于用户在不同时间段的用水情况,因此,扬程特性所反映的是用水流量
与扬程
之间的关系。
由于阀门开和程度的改变,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。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称之为供水系统的工作点,如图1中
点。
在这一点,用户的用水流量
和供水系统的供水流量
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。
2.2供水系统的结构
供水控制系统的结构总的来讲包括两个部分:
一个是机械机构部分;另一部分就是电气控制系统。
其中系统的机械部分主要是供水系统管网系统,它构成了一个立体的管道网络,设计相对简单,其设备、结构组成都比较固定,是实现控制功能的前提和基础,而电气控制系统是整个恒压供水系统的核心部分,它包括如下组成部分。
2.2.1主要组成部分
从系统组成来讲,恒压供水系统可由三部分组成。
分别是控制电路--PLC、变频器;信号检测电路--压力传感器、压力控制器;执行电路--水泵机组。
供水控制系统一般安装在集控室的控制柜内,具体包括PLC、变频器和电控设备部分;信号检测机构是由压力传感器和压力控制器构成。
在控制过程中,需要检测管网水压信号和预警信号;系统执行机构主要来说就是水泵机组,通过变频调速控制水泵电机合适的转速和工作组合,维持管网供水和用户用水平衡。
2.2.2电气控制系统
电气控制系统主要包括电气控制柜及基本单元面板。
由于在该系统中需要检测较多的数字输入量,并且还要检测模拟量的输入,然后根据设定的程序进行数据处理,输出控制信号,因此系统的逻辑控制与时序控制,就需要严格按照检测信号的输入进行控制。
2.3供水系统控制方案的设计与选择
供水系统控制方案的设计主要是利用控制器单元控制变频器或者通过专用变频器控制单台水泵或循环控制多台水泵,并能根据水压变化使电机在变频和工频状态自动切换,实现供水管路的水压恒定,同时还要能对运行数据进行通信传输。
要想确定合适的控制方案,还必须认真分析控制的系统的结构,恒压供水系统的主要由控制机构、信号检测机构、执行机构以及低压电气控制电路构成。
对应设备包括控制器、变频器、压力传感器、压力控制器、电磁接触器和水泵机组等组成。
根据系统的设计任务要求,结合系统的使用设备和场所,有以下几种方案可供选择,现将各控制方案分析比较一下。
2.3.1专用变频器控制
具体说是采用带有供水基板的专用变频器配合压力传感器构成的信号检测电路控制水泵机组,它将PLC设备和PID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。
虽然这种控制方案高度集成化,电路结构相对简单,设备使用成本也不是很高,但在运行调试时,PID调节范围小、整定调节参数困难,系统的稳态、动态性能不易保证。
而且,在反馈压力值和基准压力值的设定等显示功能方面比较麻烦,无法自动实现实时控制水泵运行,其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,数据通信困难,并且限制了拖动符合运行的能力,因此仅适用于要求不高的小容量场合。
2.3.2单片机控制
这种控制方案没有采用专用变频器,而是用单片机微处理器和通用变频器组合作为核心控制系统,通过处理压力传感器反馈回来的电信号,控制水泵机组运行工作。
这种方式控制误差小、算法比较灵活,具有很好的性能价格比,但程序开发周期长,并且程序调试后投入运行,一旦有问题很难修改,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,必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性和稳定性。
所以该系统针对目前城市用水需求来看也不算是最佳的选择方案。
2.3.3可编程控制器(PLC)控制
目前比较流行的控制方案是采用PLC配合通用变频器(本控制系统正是采用西门子S7—200PLC和西门子MM430变频器)作为系统的控制器。
这种控制方式端口灵活可以扩展,而且具有良好的通信端口,可以方便地与组态监控系统进行数据交换,而且PLC用软件代替了大量的中间继电器和时间继电器,只需要少量的输入端口/输出端口与压力传感器、执行器连接,使控制系统中电控柜体积减小、电路结构简化,出现故障易于排查,同时也提高了系统的可靠性和抗干扰的能力。
因此该系统能适用手各类不同要求的恒压供水场合,并且与供水机组的负荷大小无关[3][4]。
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即以PLC和通用变频器为系统核心,配合信号检测电路(压力传感器和压力控制器)控制水泵机组实现的变频恒压控制方式更适合本系统。
本课题就是基于这种控制方案来分析设计的。
2.4供水系统的工作原理
2.4.1控制系统总体框图
供水电气控制系统的总体框图如图2所示,PLC为核心控制器,通过CPU循环采集各种主令信号、压力传感器信号,以及其它相关模拟信号,并进行运算处理,得到输出响应控制变频器,完成相关设备的运行、停止和调速控制。
图2供水电气控制系统总体框图
2.4.4系统运行分析
供水系统有两种运行状态:
一种是手动操作状态,一种是自动运行状态。
供水系统在手动状态下,各类设备的控制根据操作电控柜内的各类功能按钮和开关来控制,没有逻辑控制信号,即不采集传感器的信号状态进行来控制系统操作。
次工作方式可以在控制系统出现故障时,切换到手动操作状态,可以保证用户正常用水需求。
通常的运行模式是在自动状态下运行的,通过PLC控制变频器,进行PID运算,实现闭环控制,系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制,其工作过程如下。
第一步:
系统初始化程序并测量水池水位是否正常。
第二步:
采集压力传感器反馈的信号,通过A/D转换,将该传感器输出的模拟信号转换成PLC可处理的数字量信号。
第三步:
PLC根据压力反馈值,以及变频器输出频率,对模拟量进行数据处理。
第四步:
PLC的CPU通过对数据进行运算处理,产生输出控制信号,对执行器进行实时控制。
图3供水系统主要过程示意图
第三章系统硬件设计
通过前面对供水系统结构和控制方案的分析,确定下来了本系统所需要的硬件设备主要有PLC设备、变频器、压力传感器和压力控制器构成的压力变送器、以及水泵机组和继电设备等。
本章将对这些硬件设备进行具体选型分析和配置。
3.1可编程控制器(PLC)概述
3.1.1PLC的基本概念
可编程序控制器(ProgrammableLogicController)简称PLC。
它是一种数字运算操作的电子系统,专门为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
3.1.2PLC的基本结构
l、可编程序控制器(PLC)结构主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、输入/输出模块、电源及附属端口电路组成。
输入端口连接一些指令元件(按钮或开关)和现场检测元件(各种传感器),输出端口连接一些执行器件(接触器、电磁阀、指示灯),控制和驱动负载工作。
系统编译,以前还需要手持编程器,现在的PLC系统结构基本不采用了,程序编写采用安装编程软件的计算机来取代。
手持编程器只能通过指令表编程,不能输入和编辑梯形图,编程方式比较麻烦,加之很多PLC生产厂家都推出了编程简单、使用方便的软件,所以目前PLC系统程序在编辑时,都采用计算机编程。
下图4是PLC控制系统示意图。
图4PLC控制系统示意图
3.1.3PLC的工作原理
PLC的工作过程是一个循环扫描的工作方式。
CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。
PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。
它周而复始的循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。
用户程序只是扫描周期的一个组成部分,用户程序不运行时,PLC也在扫描,只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。
其CPU的扫描过程如下图3-2所示。
典型的PLC在一个周期中可以完成以下几个扫描过程:
1、开机自检扫描。
该自检过程保证设备可靠正常运行,及时反应系统所出现的故障,PLC都具有自动监视功能。
2、与网络进行通讯扫描。
一般对于小型PLC系统没有建立网络通讯的单机工作状态,没有这一扫描过程,只有多台PLC之间或者是PLC与终端设备之间建立的通信的网络状态才有该工作过程。
3、扫描用户程序过程。
这是PLC在一个扫描周期内的主要工作阶段,只要系统处于正常运行状态下,每一个扫描周期内都包含该扫描过程。
该工作过程是直接面对用户的,即用户可以通过软件进行编辑调试,便可实现系统的控制功能。
程序量的大小会直接影响一个扫描周期,这就是实现同样一个控制功能,不同编程人员设计出来的程序,调试成功后运行效率却有差别的原因。
4、读输入、写输出扫描过程。
PLC在正常运行状态下,每一个扫描周期都包含这个扫描过程。
该过程在PLC运行过程中能否被执行是可控的。
CPU在处理用户程序时,使用的输入值不是直接从输入点读取的,运算的结果也不直接送到实际输出点,而是在内存中设置了两个映像寄存器:
一个为输入映像寄存器,另一个为输出映象寄存器。
用户程序所用的输入值是输入映像寄存器的值,运算结果也放在输出映像寄存器。
在输入扫描过程中,CPU把实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器,在输出扫描过程中CPU把输出映像寄存器的值传送到输出点。
图5PLC的CPU扫描过程
3.1.4PLC应用介绍
PLC在工业生产中的应用已经成为目前衡量一个国家自动化水平的重要标志,在欧美发达国家,PLC已经广泛地应用在各个的工业部门,随着其性价格比的不断提高,应用范围不断扩大,主要有以下几个方面:
1、基本逻辑控制
PLC用“与”、“或”、“非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并联,代替传统继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。
数字量逻辑控制可以用于单台设备,也可以用于自动生产线,其应用领域已遍及各行各业。
2、网络通讯
PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信以及作为下位机与上位机PC之间通信。
PLC与其他智能控制设备一起,可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统[17][18]。
3、位置控制
PLC使用专用的运动控制模块,对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制,可以实现单轴、双轴、三轴和多轴的位置控制,是运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。
PLC的运动控制功能广泛应用于各种机械。
4、处理数据
现代的PLC具有数据传送、转换、排序和查表及数据运算、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,也可以用通信功能传送到别的智能装置,或者将它们打印制表。
5、闭环过程控制
过程控制是只对温度、压力流量等连续变化的模拟量的闭环控制。
PLC通过模拟量I/O模块,实现模拟量(Analog)和数字量(Digital)之间的转换,一般称为A/D转换和D/A转换,并对模拟量实行闭环PID(比例-积分-微分)控制。
现代的大中型PLC一般都有PID闭环控制功能,这一功能可以用PID子程序或专用的PID模块来实现。
本课题的设计与实现很好的应用了PID闭环控制功能。
3.2PLC的选择
3.2.1PLC的具体选型
PLC又称作为工业计算机,在整个变频恒压供水控制系统中起到核心控制作用,它要完成对系统中所有输入信号(包括数字量信号和模拟量信号)的采集,并经过CPU运算处理,产生相关输出信号,所有输出单元进行控制,并经过循环扫描工作,实时控制所用执行器工作。
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。
在PLC品牌选择方面,主要根据供水电气控制系统的功能要求,考虑系统的市场的认可度、工作稳定性、可靠性以及出色的性价比,本课题选择西门子S7系列PLC作为供水电气控制系统的主机。
虽然美国的Rockwell和ABB等系列PLC软硬件都很出色,控制功能都很强大,但是其高昂的价格不适合作为本控制系统的主机,日本三菱、松下、Omron系列PLC虽然价格比较便宜,不过稳定性要比西门子S7系列稍逊一筹,所以也不予考虑。
另外由于供水系统电气控制电路的输入/输出端口数量较少,本控制系统选择小型PLC端口数量即能满足要求。
因此采用CPU224作为该控制系统的主机。
在该控制系统中,还需要采集传感器的模拟信号,因此需要再扩展一个模拟量输入/输出扩展模块。
西门子公司专门为S7—200系列PLC配置了模拟量输入/输出模块EM235[5],该模块具有较高的分辨率和较强的输出驱动能力,可满足控制系统的功能要求。
3.2.2PLC的I/O资源配置
通过上面选型分析,并根据系统的功能要求,对PLC的I/O进行配置,具体分配如下:
1、数字I/O信号
此供水系统的控制信号,所需要的输入量基本上都属于基本数字量,主要包括各种按钮、旋钮和开关等数字输入,共有15个数字输入量;而此控制系统中,所用到输出控制设备主要是接触器和阀门。
其系统数字量I/O具体分配如表1所示。
表1I/O地址分配
输入信号地址
输入设备
输出信号地址
输出设备
I0.0
急停SA
Q0.0
1#泵工频KM1
I0.1
手动启动信号SB1
Q0.1
1#泵变频KM4
I0.2
自动启动信号SB2
Q0.2
2#泵工频KM2
I0.3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 PLC 变频 供水系统