欧姆龙变频恒压供水系统完整论文.docx
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欧姆龙变频恒压供水系统完整论文
变频恒压供水系统设计
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摘要
本论文结合我国中小城市供水厂的现状,设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水自动控制系统。
变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、传感器、以及控制柜等构成。
在变频调速恒压供水系统中,单台水泵的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵性能曲线得以实现的。
分析水泵的能耗比较图,可以看出利用变频调速实现恒压供水,当转速降低时,流量与转速成正比,功率以转速的三次方下降,与传统供水方式中用阀门节流方式相比,在一定程度上可以减少能量损耗,能够明显节能。
通过编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的PID控制器,PID控制器内置在PLC中,该控制器对于压力给定值与测量值的偏差进行处理,实时控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量,实现整个供水的压力的自动调节,使压力稳定在设定值附近。
关键词:
PLC控制变频调速恒压供水水泵节能
Abstract
Thepresentpaperunifiesinourcountrythesmallcityforthewaterworkspresentsituation,hasdesignedasetbasedonthePLCfrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressurewatersupplyautomaticcontrolsystem.
Inordertopledgewatersupply,theunitisinthesuperpressurestateusuallymoving,notonlytheefficiencyislowandpowerconsumptionisbig,butalsoGuanWangincityoveralongperiodoftimeisinthesuperpressurerunningstate,anditisalsoveryserioustowearandtear.Thisthesiscombinesthemiddleandsmallcitywatersupplypresentsituationoffactoryofourcountry,andhasdesignedbassetingonthefastconstantvoltagewatersupplyautomaticcontrolsystemoffrequencyconversionaccentofPLC.
Thefastconstantvoltagewatersupplyautomaticcontrolsystemoffrequencyconversionaccentformsbyprogrammablecontrollerandfrequencyconverterandwaterpumpelectricalmachinerygroup,sensoraswellascontrolcupboardetc.Thissystemusesfrequencyconvertertopulltomovemanyelectromotortostart,movesandaccentspeed,usesrespectivelytocirculatethemethodoperatingofuse,bywayofsuperordinatemachine.
Keyword:
PLCcontrol,frequencyconversionvelocitymodulation,constantpressurewatersupply,waterpump,energyconservation
目录
摘要I
AbstractII
前言1
1绪论2
1.1项目的意义及应用背景2
1.2课题的方案设计3
1.3本文研究的内容4
2恒压供水原理及工艺5
2.1系统的组成和基本工作原理5
2.2系统框图及工作模式6
2.3主要元器件选型7
2.4该系统的特点8
3控制系统分析与设计10
3.1低压电器设备部分10
3.2控制柜面板设计12
3.3PLC控制部分13
4软硬件的基本原理介绍14
4.1PLC可编程控制器(三菱FX2N-32MR)14
4.1.1可编程控制器的特点14
4.1.2可编程控制器的工作原理15
4.2变频器的原理与特性(ATV38)20
4.2.1变频器简介20
4.2.2变频与变压(VVVF)原理20
4.2.3变频调速的基本原理21
4.2.4变频调速的升速和启动21
4.2.5变频调速的降速和制动22
4.2.6变频后的电动机的机械特性22
4.2.7水泵类平方律负载的机械特性23
4.2.8V/F控制的概念23
4.2.9矢量控制的概述24
4.2.10ATV38的特性25
4.3压力传感器简介27
5系统开发29
5.1PLC应用的开发步骤29
5.2PID调节30
5.2.1PID调节原理30
5.2.2PID参数设置31
5.2.3PID设定值的调整及控制算法31
5.3PLC程序33
5.3.1基本步骤33
5.3.2程序中使用的继电器34
5.3.3PLCI/O表37
5.3.4程序流程37
5.3.5PLC程序的运行和模拟调试43
6调试44
6.1硬件功能调试44
6.2系统总体调试44
结论45
致谢46
参考文献47
附录PLC梯形图48
前言
据报道,目前国内在用的水泵和风机约5000万台,年消耗的电量可达约1000亿度。
据有关国际组织发表的资料显示:
中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右,消耗的水是他们的2倍左右。
我国的大量用电设备中,风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5。
由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人。
节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。
恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时,其出口压力保持不变的供水方式。
供水系统的主要参数有:
流量、扬程、管阻和压力。
采用变频器后可以节能有三个方面:
管阻特性曲线保持不变(阀门全开),扬程特性曲线下降(转速下降),使流量下降与用户需求量下降平衡,以保持水压大致恒定;转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态;不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低,它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。
在本次设计中,主要设计基于PLC生活给水控制系统设计的实现,通过三菱FX2N-32MRPLC和ATV38(施耐德)变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制,达到变频恒压的理想状态。
通过在三菱的PLCGXDeveloper7上进行编程,通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。
由于本人设计水平有限,所以设计中多少有些错误,请予批评指正。
谢谢!
1绪论
1.1项目的意义及应用背景
变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点,更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。
由于计算机技术的介入,使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点,因此人们才有可能按照实际要求,自行构成一个适用和可靠的调速系统。
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年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,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、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,对合理设计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[1]。
变频恒压供水控制系统主要有[2]:
①带PID回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制系统
在该系统中,变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的无级调速,从而使管网水压可控。
传感器的任务是检测管网水压;压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值;压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后,经可编程控制器内部PID控制程序的计算,输给变频器一个转速控制信号。
还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器,由后者进行运算后,输给变频器一个转速控制信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的,所以对可编程控制器来讲,既要有模拟量输入接口,又要有模拟量输出接口。
由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高,这无形中就增加了供水设备的成本。
若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器,则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板,将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。
这样,可编程控制器的成本没有降低,还增加了连线和附加设备,降低了整套设备的可靠性。
如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器,其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。
所以,在变频调速恒压给水控制设备中,PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
②新型变频调速供水设备
针对传统的变频调供水设备的不足之处,国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品,如华为的TD2100,施耐德公司的Altivar58泵切换卡,SANKEN的SAMCO-I系列,ABB公司的ACS600、ACS400系列,富士公司的G11S/P11S系列等。
这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内,形成了带有各种应用宏的新型变频器。
由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程,而且PID参数的在线调试非常容易,这不仅降低了生产成本,而且大大提高了生产效率。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑、稳定。
同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。
这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点,但功能却强很多,所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备,降低了设备成本,提高了生产效率,节省了安装调试时间。
在满足工艺要求的情况下应优先采用。
③供水专用变频器
供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起,是集供水管控一体化的系统,内置供水专用PID调节器,只需加一只压力传感器,即可方便地组成供水闭环控制系统。
传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口,而压力设定即可使用变频器的键盘设定,也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。
每日可设定多段压力运行,以适应供水压力的需要。
也可设定指定日供水压力。
面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。
系统供水有两种基本运行方式:
变频泵固定方式和变频泵循环方式。
变频泵固定方式最多可以控制7台泵,可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序;变频泵循环方式最多可以控制4台泵,系统以“先开先关”的顺序关泵。
供水系统采用变频供水技术可改善供水水质,且自动化程度高,又是国家节能推广技术,但若选择使用不当,又会造成电能"浪费",因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑,在保证可靠供水前提下,充分发挥变频调速的节能潜力。
1.2课题的方案设计
根据该题目的要求:
有四台水泵电机构成次基于PLC的生活给水控制系统,实现两种工作模式,即手动模式和自动模式。
①手动模式:
自由操作,可以只启动水泵电机组的任何水泵电机;
②自动模式:
1)自动轮换
2)备用自投
3)先启先停
4)故障检测和指示
方案1:
这四台水泵电机直接启动,无变频调节作用。
按照“先启先停”、“备用自投”运行,这个方案主要没有变频调节作用,这对水资源不能合理的分配利用,浪费电力,这个方案仅对用户需求流量较为稳定的情况应用。
方案2:
由三台主泵和一个变频泵构成,三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行,具有变频调节作用,相对地合理的分配利用水资源,相对节约了电力,对整个系统是一个较为合理的解决方案。
本课题采用方案2。
1.3本文研究的内容
本文介绍可编程控制器(PLC)为控制核心,施耐德公司的ATV38系列带内置PID功能的变频器为执行元件,采用PID算法控制水泵电机转速,即可调节出口管网压力,使之达到用户期望的恒定压力。
其中主要内容包括恒压供水原理,PLC原理,变频调速原理,通过设置几个主要器件I/O参数,实现PLC,变频器,压力传感器之间的通讯、控制功能。
2恒压供水原理及工艺
2.1系统的组成和基本工作原理
变频恒压供水系统主要由供水控制系统、稳压泵组、稳压气压罐等组成。
系统控制示意图如图2.1:
图2.1变频恒压供水系统控制示意图
供水控制系统主要由交流变频调速器、可编程控制器、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器(水源缺水保护用)等组成。
稳压泵组稳压泵组主要由三台主泵和一个变频泵构成,三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行,其变频泵供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。
它只在管网用户流量需求变化时自动投入变频运行,维持管网的压力,补充小流量用水或管网的渗漏,同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态。
气压罐气压罐是一种密闭容器。
大流量供水时,由水泵加压,罐内贮存的气体被压缩;在小流量或零流量供水时,被压缩气体泄压膨胀,将贮存在罐内的水压输入配水管网,补充用户的小流量用水或管网的渗漏,同时使主泵在小流量和零流量用水时处于停机状态。
系统由水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。
变频柜由变频器,PLC低压电器等构成。
系统控制25KW水泵4台。
变频恒压供水自动控制系统工作原理如下:
PLC的数据寄存器给出供水压力设定值,由FX2N-4DA转换为模拟量的形式送入变频器PID调节器输入口AI1+、AI1-,压力传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口AI2+、AI2-,变频器根据PID调节器调整变频水泵电机的电源频率,进而调整水泵的转速[3]。
系统正常运行时,用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样,并将压力信号转换为电压信号,通过FX2N-4AD,PLC每秒钟从4AD采集5次数据,并把这5次数据的平均值求出,然后与用户设定的压力值的分界值进行比较运算,计算出工频泵启动台数信号。
通过对工频泵的启动和停止台数及变频泵转速的调节,及变频器对变频泵转速的调节,将用户管网中的水压稳定于用户预先设定的压力值,使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致,达到“变量恒压供水”的目的。
由于PID运算在变频器内部,这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程,而且PID参数的在线调试非常容易,这不仅降低了生产成本,而且大大提高了生产效率。
由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑,稳定。
同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值,可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算,使系统的调试非常简单、方便。
2.2系统框图及工作模式
如图2.2所示,有两种工作模式,其工作情况如下:
手动模式:
按工作人员的自由操作,可以只启动水泵电机组的任何水泵电机。
自动模式:
当无液位浮力开关信号(为OFF)时,此系统水泵电机处于停机状态。
当液位浮力开关有信号(为ON)时,先启动变频水泵电机;如果供水不足时,再启动1台主泵,变频水泵电机起着对流量调节,在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行;如果还是供水不足时,启动2台主泵,变频水泵电机起着对流量调节;在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行;如果还是供水不足时,3台主泵都启动,变频水泵电机起着对流量调节。
若用水量减少,按启泵顺序依次停止工频泵,直到最后1台泵变频恒压[4]。
图2.2变频恒压供水系统控制框图
恒压供水控制系统将交流变频调速技术、可编程控制技术应用于水泵自动控制设备中,与水泵组相结合为电一体化供水装置。
该系统可根据管网瞬时压力变化,自动调节某台水泵电机的转速和多台水泵电机的投入和退出运行,满足用户恒压变量供水及变压变量供水的需要,使供水管压力保持恒定。
2.3主要元器件选型
器件:
使用国产配置功率:
30KW电流:
62A
表2.1器件列表
器件名称
数量
货品型号规格
可编程控制器
1
FX2N-32MR-001
变频器
1
ATV38(施耐德)
PLC数模转化模块
1
FX2N-4DA
PLC模数转化模块
1
FX2N-4AD
空气开关
3
DZ47-63/3P-50A
交流接触器
4
CJ-X1-45/22-220V
热继电器
3
3U-A59/25-40A
压力传感器
1
YYB-ES(钱江仪器仪表厂)
中间继电器
2
JZ-C1-22V
万能转换开关
1
LW112
旋钮
3
LAY37-NED1
红按钮
3
LAY16-A-01R
绿按钮
3
LAY16-A-10G
续表2.1器件列表
器件名称
数量
货品型号规格
红指示灯
5
AD16-22R31
绿指示灯
4
AD16-22G31
熔断器
1
HG30-32
熔芯
1
RT14-10A
电流表
1
6L2-100/5A
电压表
1
6L2-450V
电流互感器
1
LMK-0.66-100/5A
液位控制器
2
61F-GP-N(欧姆龙)
接线端子
5
JH9-15A
接线端子
13
JH9-100A
浮动开关
1
GSK-1B(精士)
控制柜壳
1
1200*600*370
2.4该系统的特点
①结构紧凑,体积小,占地少,毋须建造高位水箱或水塔,投资省,安装快,便于集中管理。
②采用进口变频器及相关元器件,设计合理,操作简便,性能可靠,全自动运行无人值守。
③具备多种故障显示及备查记录,完善的欠压、过压、过流、过载、短路、缺相、水源缺水自动保护停机等保护功能,使用安全,维护简便。
④自由设定管网压力,按实际用水量来调节水泵转速,使其始终处于高效运转状态;采用多台小功率水泵电机成泵组代替大功率泵更能适合流量的急剧变化,避免“大马拉小车”现象,节能效果更为显著。
与恒速泵供水相比,消除了超压和回流的无功损耗。
⑤由变频器或软起动器实现水泵软起动软停止,使电网和管网免受冲击;无水锤现象,大大降低设备运行噪音,延长相关设备的使用寿命。
⑥多台泵有多种循环运行方式,均衡各泵运行时间,避免其中某台水泵因闲置而锈蚀。
⑦直接向用户供水,水质无二次污染。
⑧品种规格齐全,可任意组合配套,应用范围广。
⑨控制程序化,可按用户需要实现多种控制方式。
例如:
定时开关系统、消防联动、小流量和零流量自动关机睡眠、上位机集中管理等。
⑩管网常压供水,可避免外露管路冻裂;可按需要任意调节设备供水压力,满足用水高峰期建筑顶层的水压要求。
3控制系统分析与设计
3.1低压电器设备部分
恒压供水控制系统设计具有手动模式和自动模式,手动模式主要是通过低压电器设备控制,该低压电器设备的控制示意图由两部分组成,如图3.1和图3.2:
图3.1主电路图
如图3.1和图3.2所示:
当拨动开关拨到“停止”时,其整个系统位于停止状态;
当拨动开关拨到“自动”时,及实现自动工作模式;
当拨动开关拨到“手动”时,及实现手动工作模式;
2SB、4SB、6SB分别手动控制1#、2#、3#泵启动;
1SB、3SB、5SB分别手动控制1#、2#、3#泵停止;
1HG、2HG、3HG分别是1#、2#、3#泵的工作指示灯;
1KA分别是有液位控制的中间继电器
图3.2控制电路图
当想手动启动1#泵时,按下2SB,2SB接通→1KM接通→1#水泵电机启动;
当想手动停止1#泵时,按下1SB,1SB断开→1KM断开→1#水泵电机停止;
当想手动启动2#泵时,按下4SB,4SB接通→2KM接通→2#水泵电机启动;
当想手动停止2#泵时,按下3SB,3SB断开→2KM断开→2#水泵电机停止;
当想手动启动3#泵时,按下6SB,6SB接通→3KM接通→3#水泵电机启动;
当想手动停止3#泵时,按下5SB,5SB断开→3KM断开→3#水泵电机停止。
表3.1低压电器设备主要元件及其作用
元件名
作用
1SB
手动模式1#泵停止按钮
2SB
手动模式1#泵启动按钮
3SB
手动模式2#泵停止按钮
4SB
手动模式2#泵启动按钮
5SB
手动模式3#泵停止按钮
6SB
手动模式3#泵启动按钮
1HG
1#泵工作模式指示灯
续表3.1低压电器设备主要元件及其作用
元件名
作用
2HG
2#泵工作模式指示灯
3HG
3#泵工作模式指示灯
4HG
4#变频泵工作模式指示灯
1KH
1#电机热电保护的热继电器
2KH
2#电机热电保护的热继电器
3KH
3#电机热电保护的热继电器
4KH
4#电机热电保护的热继电器
1KA
水位控制的中间继电器
1FQ
水位控制的浮力开关
3.2控制柜面板设计
根据上面的低压电器设备主要元件,可以大致设计为如图3.3所示:
图3.3控制柜面板示意图
3.3PLC控制部分
PLC基本是实现自动工作模式,根据该系统的要求:
PLC端口的大致分为如图3.4所示:
压力传感器
电压信号
变频器主速
模拟量接口
模块1
模块0
图3.4PLC端口分配示意图
注:
s0为变频器的故障输出
s1为在变频器上的4#水泵电机的控制接口
4软硬件的基本原理介绍
4.1PLC可编程控制器(三菱FX2N-32MR)
1969年,在美国出现第一台可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController)以来,经过30多年的发展,现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。
它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果,逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品,应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。
可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱[5]。
初期的PLC只是用于逻辑控制场合,代替
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