PLC及变频器在供水系统中的节能实际应用Word文件下载.docx
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概述:
采用西门子PLC及变频器为主控单元,配合接触器、继电器实现恒压变量系统的智能控制。
本设计在公司供水系统的改造中得到了成功的应用,不仅供水压力稳定,满足公司用水需要,而且具有很好的节能、节水效果,极具推广价值。
关键词:
恒压变量供水、PLC、变频器。
公司位于市郊,近几年房地产的开发,居民区的扩建以及生产规模的不断扩大,使用水高峰较为集中,公司的供水系统极不稳定,高峰期供水不到第5层楼,无法满足正常的用水要求。
基于以上情况,公司进行了供水系统的改造。
在智能化要求的基础上,研究了PLC及变频调速技术在恒压供水系统控制中的应用。
提出了供水系统的总体设计方案,解决了硬件电路的设计和软件的实现方法,通过运行了实测,在公司供水系统改造中得到了成功的应用,不仅供水压力稳定,满足公司用水的需要,而且具有很好的节能、节水效果,极具推广价值。
随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展,控制技术在恒压供水中得到了广泛应用,使供水系统完成了高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。
变频调速具有故障率低、调速精度高、保护功能多等优点,是对滞留调速、电磁滑差调速进行改造的最理想的选择。
在风机、泵类等负载上的应用可实现无冲击起动和软停机的优良控制特性,实现恒压或恒流控制。
PLC具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点,因此PLC在供水行业中得到了广泛应用,实现了供水的实时监测和控制,从而保障了生产过程的连续性,降低了劳动强度,实现了少人或无人值守的目标。
一、供水系统的总体方案设计:
公司车间比较集中,生产用水量最大,高峰期有规律。
为了保证稳定供水,
在公司生产区建了150T贮水池,采用4台15KW水泵和变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统,如图1所示。
系统通过调节供水量,保证管网压力恒定(误差±
0.01Mpa),实现恒压变量控制供水方式,从而达到节能、节水的目的,满足公司用水的需要。
1.供水系统的具体要求
1.1水泵能自动变频软启动4台水泵能自动软启动,并根据用水量大小自动调节开泵台数。
1.2电控自动状态时,4台水泵自动轮换变频运行,工作泵故障时备用泵自动投入,可转换自动或人工手动开、停机。
1.3设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电器保护功能,
具有相许保护防止水泵翻转抽空,并具有缺水保护及水位恢复开机功
1.4有设备工作、停机、报警指示。
2.总体设计方法
公司考虑恒压系统主要在高峰期投入使用,宜采用一台变频器控制4台水泵的“一”控四切换方案。
以西门子S7-200(CPU224)的PLC和6SE6430变频器为控制核心,采用变频器控制的闭环控制系统,通过对用户管网压力进行实时采样,并与设定压力值比较,根据压力偏差来控制变频器的速度及定量泵的起、停,实现恒压变量的供水方式,从而更好地达到节能、节水的效果。
当用户管网压力低于设定压力时,控制器通过压力传感器检测,输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行,通过控制变频器使用户管网压力与设定压力相等。
如用户用水量较大,变频器输出频率为50Hz,变频泵转速达到最高,用户管网压力低于设定压力,控制器将变频器切换成工频运行,待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵,由一台工频泵和一台变频泵同时供水。
经过变频泵的调节,如管网压力仍低于设定值,控制器以同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行,而后继续起动另一台水泵作变频运行,直至满足用户用水要求。
当用户用水量较少,变频泵转速降到一定程度时,控制器自动停止最先运行的定量泵,并根据管网压力调整变频泵转速,使管网压力始终保持恒定。
这样每台水泵的起动均经变频器控制,全部机组实现循环软起动,即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升,并遵循“先开的泵先停,先停的泵先开”的原则。
当外来管网压力达到设定压力值时,则控制器完全停止各泵工作,由外界管网直接向用户供水。
二、硬件电路设计
本系统的硬件电路如图2所示,它由4台15KW离心水泵,一台智能型电控柜(包括西门子变频器、PLC交流接触器、继电器等),一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。
该系统的核心是S7-200(CPU224)和6SE6430。
6SE6430是水泵专用变频器,扩展功能强,本身具有比较完善的自诊断、保护和报警功能,当变频器系统出现故障时,变频器能自动停车保护,并显示故障信息,可实现无冲击启动和软停机的优良控制特性,并且是实现恒压或恒流控制的最理想的选择。
S7-200PLC可以单机运行,也可以输入/输出扩展,还可以连接功能扩展模块。
它结构小巧、可靠性高、运行速度快,继承了其在大、中型PLC领域的技术优势,有极丰富的指令集,具有强大的多种集成功能和实时特性,配有功能丰富的扩展模块,性能价格比非常高,因此它在各行各业中的应用得到迅速推广,在规模不太大的控制领域是较为理想的控制设备。
S7-200的扩展配置是由S7-200的基本单元和扩展模块组成的。
扩展单元没有CPU,作为基本单元输入/输出点数的扩充,只能与基本单元连接使用,不能单独使用。
S7-200的扩展单元包括数字量扩展单元、模拟量扩展单元、热电偶和热电阻扩展单元、PROFIBUS-D通P信模块。
其扩展模块的数量
受到两个条件的约束:
一个是基本单元能带扩展模块的数量;
另一个是基本单元的电源承受扩展模块DC5V总线电流的能力。
由CPU224组成的扩展配置可以由CPU224基本单元和最多7个扩展模块组成,CPU224可以向扩展单元提供的DC5V电流为660mA。
CPU224基本单元具有14个输入点和10个输出点,输入点为24V直流双向耦合输入电路。
DC24极性可任意选择,系统设置1M为输入端子(I0.0~I0.7)的公共端,2M为(I1.0~I1.5)输入端子的公共端。
Q0.0~Q0.4共用1M和1L公共端,Q0.5~Q1.1共用2M和2L公共端,在公共端上需要用户连接适当的电源,为PLC的负载服务。
CPU224的输出电路有晶体管输出电路和继电器输出两种可供用户选择。
在晶体管输出电路(型号为6ES7214-1AD21-0XB)O中,PLC由24V直流电源供电,负载采用了MOSFET功率驱动器件,所以只能用直流为负载供电。
输出端将数字量输出分为两组,每一组由一个公共端,共有1L、2L两个公共端,可接入不同电压等级的负载电源。
在继电器输出电路(型号为6ES7212-1BB21-0XB)0中,PLC由220V交流电源供电,负载采用了继电器驱动,所以既可以选用直流为负载供电,也可以采用交流为负载供电。
CPU224另有24V、280mA电流供PLC输入点使用,具有较大的适应性和灵活性,且安装方便,满足设计需要。
1.供水系统主电路
如图3所示,该系统有4台15KW电动机,分别拖动4台水泵,合上空气开关后,当交流接触器1KM/3KM/5KM/7KM主触点闭合时,水泵为工频运行;
当2KM、4KM、6KM、6KM、8KM主触点闭合时,水泵为变频运行。
4个热继电器1KR-4KR分别对4台电动机进行保护,避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。
2.供水系统控制电路
如图4所示,Q0.0~Q0.7为PLC输出软继电器触点,其中Q0.0、Q0.2、Q0.4、Q0.6控制变频运行电路;
Q0.1、Q0.3、Q0.5、Q0.7控制工频运行电路。
SAC为转换开关,实现手动、自动控制切换。
当SAC切在手动位时,通过1SB2~4SB2按钮分别起动4台水泵工频运行;
当SAC在自动位时,由PLC控制水泵进行变频或贡品状态的起动、切换、停止运行。
1KA为缺水保护电路的中间继电器触点,当水池缺水或水位不足时,配合缺水保护装置断开控制电路,切断主电路,实现缺水保护作用。
3.PLC及变频器控制模块电路
PLC及变频器控制模块电路是本系统的核心,它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路,如图5所示。
KT是时控器的继电器,该时间控制电路可实现6个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。
3.1缺水保护电路
当水池缺水或水位不足时,若不及时切断电源就会损坏水泵,甚至发生事故。
本系统设置了缺水自动保护电路,如图6所示。
利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位,经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。
水位水池正常时,控制回路电源接通,系统正常工作。
水池缺水或水位不足时,液位继电器1K释放,系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路及主电路,水泵停止。
待排除故障,水位正常后,液位继电器1K吸合,重新起动系统。
3.2断相相序保护电路
水泵工作在三相交流电,电源发生缺相时,电动机中某一相无电流,而另外两相电流会增大,容易烧毁电动机;
另外,为了避免电源相序相反,电动机反转水泵抽空的现象,设置了缺相相序保护电路,如图7所示。
采用缺相相序保护继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后,三相正常时,KP得电吸合,控制电路中KP的1-2触点吸合,接通PLC控制电路。
反之,缺相或反相时,KP的1-2触点断开,会切断PLC控制电路,系统停止工作,缺相相序保护指示灯亮。
三、系统软件设计
本系统稳定运行的关键是PLC程序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。
1.PLC程序设计
1.1输入、输出地址及功能表(I/O表),如表1所示。
1.2程序设计思路
由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统,不需要过高的响应速度,因而在设计思想上以查询方式为主,中断方式为辅,采用模糊控制法对系统PID参数进行整定,这样大大提高了系统的适应性,使用户减少了调试的工作,同时系统的体积很小,抗干扰能力大大增强。
本系统PLC控制程序由主程序和4个子程序组成,如图8所示。
2.变频器主要功能的预置
虽然水泵对系统调速的精度要求不高,但要事供水系统运行性能稳定,工作可靠,就必须正确设置变频器的各种性能。
变频器功能的设定通过变频器操作面板的相关按键确认。
2.1频率功能的预置
2.1.1最高频率水泵属于平方率负载,当转速超过其额定转速时,转矩将按平方规律增加,导致电动机严重过载。
因此,变频器的工作频率是不允许超过额定频率的,其最高频率只能与额定频率相等,即fmax=fn=50Hz.
2.1.2上限频率一般来说,上限频率以等于额定频率为宜。
但有时也可以预置得略低一些,原因有二:
一是变频器内部有转差补偿功能,同在50Hz的情况下,水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速,从而增大了水泵和电动机的负载;
二是变频调速系统在50Hz下运行时,还不如直接在工频下运行,
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- PLC 变频器 供水系统 中的 节能 实际 应用