PLC在恒压给水系统中的应用Word文件下载.docx
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2.1变频恒压供水系统5
2.2课题研究的对象6
2.3恒压供水系统控制方式介绍6
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理6
2.4.1系统的构成6
2.4.2工作原理7
2.4.3变频恒压供水系统中增减水泵过程分析8
2.5主电路接线图9
3恒压供水系统硬件配置10
3.1可编程控制器选型10
3.1.1简介PLC10
3.1.2PLC的选型.........................................................................................................................11
3.1.3PLC的接线12
3.2变频器选型13
3.2.1变频器简介13
3.2.2变频器的选型14
3.3压力传感器选型14
3.4原件表15
4恒压供水系统程序与仿真17
4.1恒压供水系统流程图17
4.2恒压供水系统程序与仿真19
4.2.1手动程序设计与仿真19
4.2.2自动程序设计与仿真22
结论33
参考文献34
附件A:
恒压供水系统程序语句表.....................................................................................................35
致谢...............................................................................................................................................................40
1绪论
1.1城市供水系统的要求
水是人们生活和生产中不可缺少的重要组成部分,节水节能是当代的主题,我国是一个水资源和电能短缺的国家,所以长期以来在供水方面技术方面投入不够,导致自动化程度与国外有着不小的差距。
主要存在问题为用水高峰期间,供水功率达不到要求,出现水压下降甚至断水的情况,在用水低峰,常常供给过量,不仅会浪费能源,还有可能因水压过高损坏供水设施。
在此技术发展过程中出现了很多供水系统,以下就逐一分析。
(1)单台恒速泵供水系统
单台恒速泵供水系统就是泵直接将水池的水送到用户,有的甚至是从城市公用水网中直接抽水,可能导致公用管网的水压波动,并且水泵整日额定功率不停运转,在夜间用水低谷期直接停运。
此系统结构简单、价格低廉,但极其耗电耗水,水压不稳,供水质量很差。
(2)恒速泵+水塔供水
这种方式就是通过水泵给水塔注水,再由水塔在高势能作用下供水。
水塔的高度要求是水位在最低点时也能提供供水压力。
水泵在水位达到设定高水位时停止运行,低水位时启动运行。
水泵就在起停间不断切换。
水泵都是运行在额定功率下,处于高效能区,这种方式比第一种节电。
供水压力比较稳定。
但这种供水方式设备投资大,占地面积也大,不能根据实际供水需要调整,而且系统水压不能随系统所需更改,所以还存在一些能量的损失和二次污染问题。
在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏,水泵就不能自动运行,这样水泵的起停必须由人操作。
(3)射流泵+水箱的供水
这种方式就是利用射流泵本身的独特结构工作,利用进出口管径不同工艺来实现供水,但是由于其技术和工艺不完善,加之该方式可能出现有压无流量的现象,无法完全满足高层供水系统的需要。
(4)恒速泵+高位水箱的供水
这种方式原理与水塔是相似的,不同之处在于水箱设在建筑物的顶层。
占地面积和设备投资都有所减少,但这对建筑物的造价和设计都有一定影响,受建筑物面积的限制水箱容积不能过大,供水规模一般较小。
同时可能因外物入侵水箱影响水质。
水位监控装置也比较容易损坏,整个系统的起停完全由人工操作,费时费力且不稳定。
(5)气压罐+恒速泵供水
这种供水方系统是采用气压罐蓄水,根据罐内压力起停恒速泵。
占地面积相对于水塔水箱较小,价格低廉。
而且由于罐是完全密封的,不存在污染水质问题。
(6)变频调速恒压供水
恒压供水系统通过安装在管网中的压力变送器将压力值与设定压力值作比较,PID调节后,通过变频器改变电源频率从而改变水泵转速,达到恒压的目的。
变频调速水泵调速根据恒压位置不同有三种控制方式,以下一一介绍。
①水泵出口恒压
这种变频调速方式是在泵的出口管道上安装压力传感器,恒压的位置在水泵出口处。
由于管道会造成一定的阻力损耗,距离较远的位置压力控制不到位,只有系统较小,管网压力近似一定时比较适合,如果供水距离较远,由于管管网能耗较大,往往在最不利点达不到恒压供水的目的,供水效果不理想。
②水泵出口变压
这种方式压力传感器的位置跟出口恒压一样,不同的是此系统的压力设定值是按照每日用水量变化规律在24小时内分时段设定不同的压力值,进行全天变压,在一个时间段内恒压控制。
相比恒压供水更加科学更加节能,但也取决于全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。
压力值计算越精确,时段分的越细供水效果越好。
③最不利点恒压控制
最不利点恒压控制就是将压力传感器安装在系统压力最不利点,压力恒定的位置为整个系统的最不利点。
节能效果最好,但一般最不利点的位置距离水泵比较远,信号的采集传输成了最大的制约,实际应用相对较少。
变频调速在总体上来说比气压罐节能。
气压罐方式是依靠压力罐中的空气压力送水,系统运行时运行时水泵都是在额定状态下运行,用户需水量较少时,由于水泵不能调速压力将升高不仅系统不稳定还会浪费能源。
而且水泵是频繁的工频启动,对水泵损害较大又会造成一定的额外能耗。
变频调速是当用水量下降时改变水泵电源频率,降低转速,达到恒压的目的,这样就可以节省许多电能,同时水泵是变频启动,冲击电流小,能耗比较小。
另外气压罐要使用钢材做原材料,这也是它的一个缺点。
而变频调速给水系统的变频器是一台由微型计算机控制的电气设备,不存在钢材消耗问题。
同时由于气压罐体积大,占地面积大。
而变频调速式系统中的调速装置占地面积仅为几平米。
由此可见变频调速供水方式对场所要求较低。
最主要的是在运行效果上气压罐方式与调速式相比有着一定差距。
气压罐方式的运行不太稳定,一般表现在它的频繁启停。
由于气压罐的调节容量只占其总容积的1/3-1/6,因而每个罐的调节能力较小,只能依靠频繁的启停来保证水压,这样将产生较大的噪声,同时由于启停过于频繁,压力波动较大,加之直接工频启动,对电气和机械设备冲击较大。
变频调速系统的运行十分稳定,没有频繁的启停现象,加之启动方式为变频启动,设备运行平稳,避免了对电气、机械设备的冲击。
在生活小区供水中,因为是经水泵加压后直接送往用户的,避免了的水质二次污染,保证了饮用水质量[1]。
综上所述,变频调速供水系统具有节能,稳定可靠,供水质量较好的优点,在生产
生活中具有广阔的前景和明显的经济效益与社会效益。
随着社会的迅猛发展,水对人们生活与工业生产的影响日益增强,人们对供水的要求不断提高。
结合先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术提高供水质量是新时代的要求。
1.2变频恒压供水的背景和意义
泵站主要为工农业和生活供水,供水量大,能耗较高,提高泵站效率对于节能有着重要意义。
我国泵站由于设计中对能源的保护和系统硬件质量不够重视导致发展扭曲,与世界先进供水技术还有很大差距。
在目前的实际应用中,水泵风机的能源浪费比较严重,做了很多无用功,人们生活用水上浪费的能源比重较大,由于我国人口多,用水量大,需要的能源更多,而且因为我国供水设备比较落后,效率不够高,控制不到位,造成的能源浪费比较严重。
所以我们急需建立新的供水方案,提高系统的能源利用率,以小的投入换取高的回报,从根本上保证供水的质量。
以PLC为核心结合变频器构造的恒压供水系统具有成本低,结构简单,可靠性高等优点,变频恒压供水系统结合自动化技术,变频技术,计算机技术,电气技术,对于提高恒压供水系统的稳定可靠性有很大作用,使系统的监控方便快捷,提高系统的性能,同时咋节能方面有很大的贡献,所以此课题有很大的实际应用意义,对于提高供水质量节能减排的有非凡的贡献。
1.3国内外研究概况
在早期,变频调速的出现为变频恒压供水技术提供了基础,最开始变频的对象一般起停控制,升降速控制等,在此变频恒压供水系统中变频器是作为一种执行器,通过压力传感器采集管网压力信号,传输到PLC模拟量处理模块,PID运算后输出到变频器,改变水泵电源频率,达到恒压供水的目的。
一些先进的恒压供水系统一般是一台泵配一台变频器,这样虽然系统的可靠性非常高,但是投入成本太大,不适合广泛推广使用。
即1968年,丹麦的丹佛斯公司发明并首家制造变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后,变频恒压供水系统迅猛发展,系统的可靠性和稳定性不断提高,随着自动化技术的发展,恒压供水系统的自动化程度也越来越高,它优良的性能迅速得到世人的认可,许多变频器厂家开始研究发展恒压供水系统。
,像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术,法国的施耐德公司开发了一种变频恒压供水专用基板,提供固定泵变频和循环泵变频方式,它的核心是将PLC与变频器结合起来,通过PLC程序指令控制,实现不同的功能,所以此基本只需配备恒压供水系统硬件单元就可以直接投入应用。
但是此系统最多只能控制七台泵的运行,对规模有一定的限制。
这样的系统虽然建设方便,成本低,但是系统缺乏灵活性,与其他系统的兼容性比较低,数据交换比较困难,而且监控起来也不方便,整体来说只适合于比较下且控制要求不高的场所
我国的恒压供水技术比较落后,缺乏自主研发的品牌,一般都采用国外大公司的变
频器,在配合PLC等控制器完成系统的配置组态,实现用户所需要求。
但在性能节能等方面还有待提高。
目前市面上出现一种恒压供水专用变频器,自带一定的数字量模拟量处理模块,无需外接PLC等控制器就能完成四台泵的循环运行,简单方便,经济适用,但也只适合规模小,控制要求低的场所[2]。
2恒压给水系统简介
2.1变频恒压供水系统
恒压给水系统先后经历不同阶段,从最开始的“储水池+水泵+高位水箱”结构,来水进入储水池,然后由水泵加压后送至高位水箱,由高位水箱向用户供水,蓄水池起到高峰用水时调节作用;
到后来“储水池+水泵+压力罐”结构,来水进入储水池,然后由水泵加压后送至压力罐,由压力罐向用户供水,蓄水池起到高峰用水时调节作用;
到现在的“储水池+恒压变频供水系统”结构,设定了系统的供水压力后,在控制的作用下,水泵的转速和投入运行的水泵数量随供水量的变化而改变,真正实现了恒压供水的目标。
从第一台PLC诞生到目前可分为4阶段。
第一阶段为1969-1972年,特点为功能简单,主要是逻辑运算、定时、计数,机种单一,没有形成系列,CPU由中小规模集成电路组成;
第二阶段为1973-1978年,特点为增加了数字运算、传递、比较功能,能完成模拟量控制,开始具备自诊断功能;
第三阶段为1979-1984年,特点为处理速度大大增加,具有通信及远程I/O功能,增加多种特殊功能,容错技术迅速发展;
第四阶段为1984-今,特点为能完成监控及在CRT上显示现场画面,代替了仪表盘的控制,可将多台PLC连接成各种系统,网络资源共享。
西门子SIMATIC系列PLC,诞生于1958年,经历了C3,S3,S5,S7系列。
S7-200系列PLC自1994年诞生以来以其国际化、高性能、安装空间小、良好的WINDOWS用户界面等优势在过程控制领域应用非常广泛。
由最初发展至今,S3、S5系列PLC已逐步退出市场,停止生产,而S7系列PLC发展成为了西门子自动化系统的控制核心,而TDC系统沿用SIMADYND技术内核,是对S7系列产品的进一步升级,它是西门子自动化系统最尖端,功能最强的可编程控制器。
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较,除了具有显著的节能效果外,还有以下显而易见的优势:
1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率,而达到调节水泵转速改变水泵出口压力,比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式,具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2、由于变量泵工作在变频工况,在其出口流量小于额定流量,泵转速降低,减少了轴承的磨损和发热,延长泵和电动机的机械使用寿命。
3、水泵电动机采用软启动方式,按设定的加速时间加速,避免电动机启动时的电流冲击,对电网电压造成波动的影响,同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
彻底消除水锤现象。
4、实现恒压自动控制,不需要操作人员频繁操作,降低了人员的劳动强度,节省
了人力[3]。
S7-200系列小型PLC可应用于各种自动化系统。
紧凑的结构、低廉的成本以及功能强大的指令集使得S7--200PLC成为各种小型控制任务理想的解决方案。
S7-200产品的多样化以及基于Windows的编程工具,能够更加灵活地完成自动化任务。
2.2课题研究的对象
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
这栋楼有10层,由于高层楼对水压的要求高,在水压低时,高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况,水压高时将造成能源的浪费。
如图2.1所示,是这栋小楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后,必须恒压供给每一个用户。
2.3恒压供水系统控制方式介绍
本系统采用PLC外加变频器的控制方式,主要设备有压力传感器,可编程控制器,变频器已经水泵。
其中传感器主要是检测管网中水压,转化为电信号传送到PLC中与压力设定值进行PID运算,输出结果到变频器,通过变频器改变泵的电源频率,控制电机转速,达到恒压供水的目的。
系统方案结构如图2.2所示。
变频器
PLC
M
压力变送器
P
用户用水
水泵组
水池
图2.1供水系统方案图
2.4变频构成恒压供水系统的及工作原理
2.4.1系统的构成
整个恒压供水系统硬件结构如图2.2所示。
M1
用
户
管
网
L
C
控制面板
M2
M3
图2.2系统结构图
如图2.2所示,系统由三台水泵,一台变频器,一台西门子200可编程控制器和一个压力传感器组成。
三台泵循环运行,延长水泵使用寿命,系统中的压力传感器一般采用压力变送器,它将检测到的压力值以4~20mA的信号传送给PLC,整个系统变频器和PLC是核心不见,通过变频器改变电机的频率实现电机的无极调。
从原理框图,我们可以看出变频调速恒压供水系统由信号检测,执行机构,调节机构,控制系统组成。
(1)执行机构
执行机构包括三台水泵,它们是为用水供水的直接动力部件,三台泵都分变频运行和工频运行,之间的切换有PLC程序指令控制,变频运行时PLC中PID运算结果控制变频器的输出,使得三台泵变频运行。
(2)信号检测
整个系统中的信号检测主要是管网水压的检测,为系统的运行提供数据。
(3)控制系统
PLC作为系统的控制器,是整个系统的核心,数据处理中心,当压力传感器将管网水压信号传输过来以后PLC的PID模块进行运算后得出一个输出结果到变频器,完成恒压的控制,同时,PIC程序指令还将完成泵之间的循环切换,增泵减泵等功能,是整个系统的大脑,根据收集到的条件,告诉执行机构如何操作。
(4)通讯接口
在自动化项目中,通信永远是重要的一环,通过通信,能实现与上位机或监控软件之间的数据交换,更加方便的了解系统运行状态及控制[4]。
2.4.2工作原理
合上空气开关,供水系统投入运行。
将自动开关SB0闭合,再按下SB3启动,SB2确认后系统正式开始运行。
PLC首先接通KM4,第一台泵变频运行,并接通KM7起动变频器。
通过压力传感器传来的管网水压与设定的值以下PID运算,控制变频器改变水泵电源频率,控制电机转速,达到恒压供水的目的。
同时PID模块能提供高低限报警,当PID控制变频器的输出达到设定高值(设定为变频器输出频率50HZ),M1.0接通,表示一台泵不能满足供水功率需要,此时PLC程序会自动执行增泵程序,当PID控制变频器的输出达到设定低值(设定为变频器输出20HZ),M1.1接通表示运行的水泵数量过多,自动化程序会自动执行减泵程序。
增泵工作过程为假定开始时二号泵变频运行,则二号泵电机在PLC控制下先投入工频运行,三号泵变频启动,其运行速度由变频器调节。
当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高,水泵转速上升,反之下降。
减泵工作过程为假定开始时二号泵工频运行,三号泵变频运行,当供水压力大于预置值时,变频器输出频率降低,水泵速度下降,当变频器的输出频率达到下限,并稳定运行一段时间后,把三号水泵停机,二号变频运行。
2.4.3变频恒压供水系统中增减水泵过程分析
工作原理介绍中讲到的PID模块高限报警表示运行的水泵已经达到额定频率额定转速,此时如果在提高电源频率就会降低电机的转矩,但是此时系统管网水压还达不到我们的要求,所以必须启动下一台泵来增加整个供水系统的功率,以便保持系统水压恒定。
反过来讲,当因为高限报警后执行了增泵程序,用户用水量降下来以后,两台泵运行的功率过剩,此时就需要将其中一台泵停下来,另一台泵变频运行。
那么什么情况下增哪一台?
怎么增?
减泵又是减哪一台?
怎么减?
这些问题在后面的程序及仿真中再一一介绍。
就变频器本身而言,它的变频范围是很广的,一般都是0到几百赫兹,但我们在此系统中应用却不能使频率过大或过小,频率过大将导致电机转矩不足等问题,影响系统的稳定运行,整个系统中电机可能在工频与变频之间切换,当变频切工频时只能是工频频率在50Hz时进行。
如果变频频率已经达到50HZ,依旧达不到设定的压力值,PID高限报警M1.0就会接通,此时延时2S后就需要增加一台泵以满足供水需要。
相对的,当用水量比较少时,变频频率就会降低,但也不能无限将至0HZ甚至以下,在实际应用中,因为管网中是存在水压的,所以会施加一个反向力给水泵,同时也会阻止水池的水进入管网,所以变频频率不可能降至0HZ,甚至在10~20HZ时水泵已经无法将水送入管网,所以PID模块低限报警设定值一般就为水泵不能送水的临界值,此值更加管网水压以及其他原因会有所不同,此系统中低限报警值设为20HZ。
在实际应用中,应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。
即在接到高低限报警时不是立即执行增减泵操作,而是进行一定时间的延时,防止因偶然情况导致不必要的增减泵,这样不仅会影响管网水压稳定,还使得泵起停频繁,使用寿命减短。
在本系统中定时为30S,为了程序仿真方便,在仿真时此值设为2S。
2.5主电路接线图
电机有两种工作模式即:
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM2、KM3分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器,KM4、KM5、KM6分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。
热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路,它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。
使用中,由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路,防止电气设备短路和严重过载[5]。
水泵主回路接线如图2.4所示。
工频电QS
FU1FU2FU3
KM7
KM1KM2KM3
RST变
频
器
UVW
KM4FR1KM5FR2KM6FR3
图2.3水泵主回路接线图
3恒压供水系统硬件配置
3.1可编程控制器选型
3.1.1简介PLC
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的,当时称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLo
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- PLC 给水 系统 中的 应用